（劉偉毅 張育新 譯，歐陽(yáng)志 校）

（上接第8期第70頁(yè)）

3 皂料

在純?cè)?堿液兩相區(qū)，皂料隨著電解質(zhì)含量的變化而變化。圖10展示了三種類(lèi)型的皂料。正常粒化皂將出現(xiàn)于堿液極限濃度線附近。當(dāng)電解質(zhì)含量較低時(shí)，顆粒會(huì)軟化，直至再無(wú)明顯分離。從軟粒圖中可見(jiàn)。當(dāng)電解質(zhì)增加到純?cè)?堿液區(qū)的右側(cè)，皂粒變得更加堅(jiān)硬。更堅(jiān)硬的皂粒出現(xiàn)更白的頂點(diǎn)，且更加成束。硬皂粒使更多的堿液存在于皂粒中。當(dāng)正常皂料出現(xiàn)時(shí)，甘油的排出效果最好。

圖10 皂料

3.1 Wigner的模型

NaCl和NaOH在從堿液相中分離出的皂中的分布對(duì)連續(xù)皂化系統(tǒng)的正確操作至關(guān)重要。洗用堿液決定了已離心皂中的NaCl和NaOH含量。1940年，J.H. Wigner提出了一個(gè)被分離皂和堿液相間的NaCl、NaOH和甘油分布的模型。Villela和Suranyi（Spitz，1996）對(duì)Wigner的模型進(jìn)行了精彩的討論。表2為該模型的圖解表示法。模型表明：

? 皂凝乳由含有66%的總脂肪性物質(zhì)（TFM）的皂水合物與混合堿液構(gòu)成。66%的TFM皂水合物不能被分離成不連續(xù)相，皂凝乳將始終含有一些混合堿液。

? 電解質(zhì)存在于混合堿液和分離堿液中，但不會(huì)出現(xiàn)在皂水合物的結(jié)合水中?；旌蠅A液和分離堿液的電解質(zhì)含量是相當(dāng)?shù)摹?/p>

? 皂中的堿液為結(jié)合水與混合堿液的和。甘油以相同的濃度出現(xiàn)于包括結(jié)合水在內(nèi)的所有水相中。

通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算示例可說(shuō)明本模型的功能。示例1：

假設(shè)1000kg含有0.5% NaCl的62%的TFM純?cè)韽膲A液溶液中離心分離。計(jì)算該分離堿液中NaCl的含量。

首先，必須計(jì)算66%的水合皂的含量。

水合皂=1000×0.62TFM) / (水合皂中的0.66 TFM) = 939.39 (kg) 皂水合物

如果939.39kg的純?cè)硎撬显?，余?shù)便是混合堿液，混合堿液=1000–939.39=60.61 (kg)

純?cè)碇兴械腘aC1都含在混合堿液中?；旌蠅A液中NaC1的濃度=1000×0.5% / 60.61=8.25% 。

因?yàn)榛旌蠅A液的構(gòu)成與分離堿液相同，該堿液中NaCl的含量為8.25%。

NaOH的計(jì)算過(guò)程與此類(lèi)似。從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的角度來(lái)看，下列值適用于皂和分離堿液中NaCl與NaOH的關(guān)系：

? 洗用堿液中每存在1%的NaCl，純?cè)碇斜愦嬖?.066%的游離NaCl。

? 洗用堿液中每存在1%的NaOH，純?cè)碇斜愦嬖?.07%的游離NaOH。

3.2 甘油洗滌設(shè)備

洗滌系統(tǒng)開(kāi)始于反應(yīng)皂混合物的冷卻，隨后是廢堿液分離。洗滌系統(tǒng)的關(guān)鍵部分是RDC液/液萃取塔，即洗用堿液從液體皂中提取甘油的地方。最后一步是對(duì)洗滌塔頂部的皂所攜帶的洗用堿液進(jìn)行離心。

3.3 冷卻和廢堿液排出

大部分的皂化系統(tǒng)在120-140℃之間操作，降低皂化皂的溫度是實(shí)現(xiàn)甘油排出所需的純?cè)砗蛪A液分離所必需的。通常，這種溫度降低是在冷卻混合器中進(jìn)行的。進(jìn)入冷卻混合器的皂化皂被流過(guò)攪拌槽內(nèi)部導(dǎo)管的水冷卻。皂的溫度85℃通過(guò)調(diào)整通過(guò)導(dǎo)管的冷卻水的流速進(jìn)行控制。然后，被冷卻的皂/堿液的液流流入靜態(tài)分離器中，并在此處停留至逗留時(shí)間，以便將皂從廢堿液中分離。廢堿液從靜態(tài)分離器的洗滌系統(tǒng)中流出，以便進(jìn)行進(jìn)一步的甘油回收處理。皂繼續(xù)進(jìn)入洗滌塔。

最近的技術(shù)進(jìn)步已經(jīng)取代了冷卻混合器系統(tǒng)，目前設(shè)備制造商主要生產(chǎn)兩種系統(tǒng)。

表2 Wigner模型的圖解表示

(1) 閃蒸冷卻器。Mazzoni LB提供了閃蒸冷卻器系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用皂從皂化系統(tǒng)獲得的可用溫度在靜態(tài)分離器之前閃蒸冷卻皂/堿液混合物。以蒸汽形式閃蒸出來(lái)的水分被用于預(yù)熱原材料。隨后，閃蒸后的皂料被泵至靜態(tài)分離器，排出廢堿液。本系統(tǒng)相對(duì)于冷卻混合器的優(yōu)點(diǎn)是廢堿液中的甘油含量較高（40%）、能源效率增加和機(jī)械可靠性較高。

(2) 冷卻廢堿液回收。Binacchi和其他冷卻廢堿液回收系統(tǒng)，如圖11所示。在該系統(tǒng)中，通過(guò)板框式熱交換器（即該蒸汽被冷卻的地方）泵取從靜態(tài)分離器中回收的廢堿液的液流。冷卻的廢堿液被注入離開(kāi)了反應(yīng)器的皂化皂中。廢堿液和皂的混合物在靜態(tài)混合器中混合，然后被送至靜態(tài)分離器，以排出廢堿液。本系統(tǒng)相對(duì)于冷卻混合器的優(yōu)點(diǎn)是降低了機(jī)械產(chǎn)生的問(wèn)題，減少了裝置的布局。

3.4 洗用和半廢堿液排出

甘油排出系統(tǒng)的關(guān)鍵部分是圖12所示的洗滌塔。洗滌塔是一種RDC逆流式液/液萃取塔。來(lái)自靜態(tài)分離器的未洗滌皂和殘留堿液進(jìn)入洗滌塔的底部。洗用堿液進(jìn)入洗滌塔的頂部附近。因?yàn)樵淼拿芏鹊陀谙从脡A液，皂上升到洗滌塔的頂部，并以已洗滌皂的形式溢至離心機(jī)中。洗用堿液下沉至洗滌塔的底部，并從此處以半廢堿液的形式排出。來(lái)自離心機(jī)的堿液被回收至洗滌塔的頂部。

圖11 Binacchi “CSWE-3”連續(xù)皂化冷卻廢堿液回收系統(tǒng)

圖12 RDC塔（由SOAPTEC srl提供）

圖13 RDC細(xì)節(jié)（由SOAPTEC srl提供）

圖13展示了洗滌塔上部和底部的內(nèi)部細(xì)節(jié)。洗滌塔由一系列的混合和沉淀區(qū)構(gòu)成，即我們通常所稱(chēng)的塔板。各階段包括一個(gè)連接于釜內(nèi)部直徑的金屬固定環(huán)，以及一個(gè)連接于攪拌軸的扁平轉(zhuǎn)盤(pán)，該攪拌軸在洗滌塔的大部分長(zhǎng)度范圍內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)。大部分洗滌塔設(shè)計(jì)含有40個(gè)塔板。隨著未洗滌皂在洗滌塔中上升，其將分別在轉(zhuǎn)盤(pán)和固定環(huán)處先后進(jìn)行混合和分離。這一系列的混合與分離階段是為了將甘油從皂中排出作準(zhǔn)備。

3.5 堿液和純?cè)矸蛛x

從洗滌塔頂部排出的皂料大約有15%-20%的廢堿液殘留。皂洗滌系統(tǒng)的最后一步是將殘留的廢堿液離心并回收至洗滌塔的頂部。已排出堿液的純?cè)?，繼續(xù)進(jìn)入中和系統(tǒng)。離心是專(zhuān)為肥皂和堿液分離設(shè)計(jì)的。圖14展示了典型的離心配置。肥皂和殘留的廢堿液通過(guò)進(jìn)料管進(jìn)入離心機(jī)，而該進(jìn)料管可將液流引導(dǎo)至碗狀容器的底部。以大約5000r/min的速度旋轉(zhuǎn)的碗狀容器將皂和堿液分離。堿液在碗狀容器的外部旋轉(zhuǎn)至葉輪配水盤(pán)，然后從該配水盤(pán)排出，返回至洗滌塔的頂部。純?cè)硇D(zhuǎn)至碗狀容器的中心，并進(jìn)入另一個(gè)葉輪配水盤(pán)，然后從該配水盤(pán)排出，進(jìn)入中和系統(tǒng)。皂和堿液排出口上的止回閥是為了使堿液從皂中適當(dāng)分離。離心機(jī)的設(shè)計(jì)被改善，以提高機(jī)械可靠性，并使純?cè)?000 kg/h的容量達(dá)到62%的TFM。大部分的連續(xù)皂化系統(tǒng)都配備了一臺(tái)離心機(jī)，以便進(jìn)行清洗和維修。

圖14 皂/堿液離心機(jī)配置

3.6 甘油洗滌效率

合理控制的洗滌系統(tǒng)將使純?cè)碇写嬖诖蠹s0.1%-0.2%的甘油。幾個(gè)關(guān)鍵因素對(duì)實(shí)現(xiàn)良好的甘油去除效果非常重要：

(1) 洗用堿液中的電解液應(yīng)接近堿液濃度的限值。必須根據(jù)使用的脂肪/油混合物對(duì)電解液進(jìn)行調(diào)整。使用這種正常皂粒（相對(duì)于硬皂粒）能使排出的甘油最多。

(2) 洗滌塔中提取級(jí)數(shù)量的增加會(huì)提高甘油排出量。如今系統(tǒng)中的大部分洗滌塔都包括40個(gè)提取級(jí)。

(3) 應(yīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)合理設(shè)置洗滌塔攪拌器的速度。攪拌器速度太慢無(wú)法實(shí)現(xiàn)充分混合。攪拌器速度太快會(huì)導(dǎo)致級(jí)間逆混和較差的分離效果。

(4) 進(jìn)入洗用堿液的甘油的含量必須低于0.3%。鹽的回收在甘油回收過(guò)程中進(jìn)行，并被反向回收至連續(xù)皂化系統(tǒng)。制皂者必須控制甘油在鹽中的含量，以避免廢堿液中存在過(guò)量甘油。

(5) 可改變洗滌比例/堿液的數(shù)量，以改變甘油的排出。這兩種措施都體現(xiàn)了每制得一單位的皂所使用的廢堿液的數(shù)量。

4 中和

連續(xù)皂化過(guò)程的最后一步是調(diào)整從離心機(jī)中排出的純?cè)淼膲A度。通常，離心后的純?cè)淼臍溲趸c含量為0.2%-0.3%的NaOH，確切數(shù)量取決于廢堿液中NaOH的濃度。NaOH被減少至成品皂訂貨規(guī)格所規(guī)定的最終含量，通常為0.01%-0.08%。過(guò)量NaOH的減少通過(guò)添加脂肪酸或皂化過(guò)程中使用的相同的月桂酸實(shí)現(xiàn)。

4.1 中和設(shè)備

中和過(guò)程的最后一步所使用的設(shè)備系統(tǒng)與皂化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)類(lèi)似。圖15展示了典型的中和系統(tǒng)。從離心機(jī)排出的皂進(jìn)入中和槽。從中和器中排出的回收皂液流通過(guò)高剪切混合裝置（即渦流分散機(jī)）泵送。中和劑加入到高剪切攪拌機(jī)中。高剪切攪拌機(jī)的作用是將皂中的NaOH和中和劑均勻混合。均勻混合加快了反應(yīng)速度。從高剪切攪拌機(jī)中排出的產(chǎn)品返回至中和槽中。成品規(guī)格皂的連續(xù)液流從中和槽排出。通過(guò)pH控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)成品皂的NaOH含量控制。pH控制系統(tǒng)改變了進(jìn)入系統(tǒng)的經(jīng)過(guò)計(jì)量的脂肪酸的數(shù)量，目的是維護(hù)成品皂中NaOH含量的穩(wěn)定。大部分的pH探針是自清潔式的，并可被拆下，以便在設(shè)備運(yùn)行的同時(shí)進(jìn)行維護(hù)/校準(zhǔn)。

圖15 Binacchi “CSWE-3”連續(xù)皂化中和系統(tǒng)

4.2 可商購(gòu)的系統(tǒng)

在前面的概述中，一些示例來(lái)自可商購(gòu)的系統(tǒng)。目前可購(gòu)買(mǎi)的設(shè)備已經(jīng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)改進(jìn)，目的是提高能源效率，通過(guò)降低轉(zhuǎn)化時(shí)間和產(chǎn)品逗留時(shí)間提高靈活性，通過(guò)簡(jiǎn)化設(shè)備設(shè)計(jì)減少裝置維護(hù)，減少裝置布局區(qū)域的要求和提供靈活的操作系統(tǒng)，以使系統(tǒng)在未排出甘油的情況下運(yùn)行，為半沸制皂過(guò)程操作留有余地。目前可商購(gòu)的系統(tǒng)簡(jiǎn)述如下：

Mazzoni LB S.p.A.—SCNT-N設(shè)備

本系統(tǒng)（如圖16所示）于2001年上市。設(shè)計(jì)的關(guān)鍵特征包括：帶質(zhì)量流量計(jì)的離心計(jì)量泵；能夠?qū)⒃砘毫魰r(shí)間減少8-10 min的管式反應(yīng)器系統(tǒng)；可容納廢堿液中40%甘油和減少能源消耗（100 kg 3 bar蒸汽/1000 kg純?cè)恚┑拈W蒸冷卻器系統(tǒng)；一個(gè)可被用作獨(dú)立的脂肪酸中和系統(tǒng)的管式中和器設(shè)計(jì)。該裝置的產(chǎn)能為3-20 t/h。

? Binacchi Co.—CSWE 3裝置

本裝置在前文圖2中描述過(guò)。該設(shè)計(jì)的關(guān)鍵特征：提高計(jì)量準(zhǔn)確度的帶質(zhì)量流量計(jì)的容積式計(jì)量泵；利用垂直反應(yīng)器系統(tǒng)減少裝置布局尺寸；回收冷卻的廢堿液以降低皂化混合物溫度，從而使裝置布局降低、產(chǎn)品逗留時(shí)間減少。能量消耗預(yù)計(jì)為120kg 3 bar蒸汽/1000 kg純?cè)?。該裝置的產(chǎn)能為2-16 t/h。

? Sela GmbH—KVN 裝置

與Binacchi的CSWE 3系統(tǒng)設(shè)計(jì)類(lèi)似，裝置的產(chǎn)能為0.3-13噸/小時(shí)。

5 脂肪酸連續(xù)中和

5.1 綜述

連續(xù)制皂工藝始于20世紀(jì)40年代中葉，是脂肪和油被轉(zhuǎn)換為脂肪酸的工藝發(fā)展的結(jié)果。脂肪酸以及水解反應(yīng)排出的甘油與氫氧化鈉、水和鹽的混合物反應(yīng)，以連續(xù)的方式生成皂。這種制造方法被稱(chēng)為連續(xù)脂肪酸中和。

5.2 中和反應(yīng)

中和反應(yīng)是脂肪酸與NaOH之間的化學(xué)反應(yīng)。該反應(yīng)的方程式為：

脂肪酸 + NaOH→皂 + 水

相較于皂化反應(yīng)，該反應(yīng)以非?？斓乃俣冗M(jìn)行。實(shí)現(xiàn)良好的中和反應(yīng)的關(guān)鍵因素是精確計(jì)量原材料、為提高良好的界面面積而對(duì)脂肪酸和NaOH混合物進(jìn)行的高剪切、在操作中加入稍過(guò)量的NaOH以及合理的溫度控制。中和反應(yīng)是一個(gè)放熱反應(yīng)，反應(yīng)中每摩爾脂肪酸會(huì)釋放14大卡的熱量。本反應(yīng)釋放的熱量被用于維持中和反應(yīng)器的溫度。

5.3 中和設(shè)備

與肥皂制造的連續(xù)皂化法相比，本過(guò)程不需要甘油排出設(shè)備。與連續(xù)皂化技術(shù)一樣，脂肪酸中和技術(shù)也在不斷發(fā)展。計(jì)量準(zhǔn)確度、反應(yīng)器和過(guò)程控制的發(fā)展繼續(xù)降低了實(shí)用要求，提高了靈活性，減少了維護(hù)，并降低了裝置布局的空間要求。

5.4 Mazzoni LB SCT-SSCT工藝

圖17展示了Mazzoni的SCT-SSCT持續(xù)制皂工藝。當(dāng)用作SCT工藝時(shí)，本系統(tǒng)提供脂肪酸中和。當(dāng)用作SSCT工藝時(shí)，該系統(tǒng)以不含甘油排出的中性油皂化系統(tǒng)（俗稱(chēng)半沸制皂工藝）運(yùn)行。

圖16 Mazzoni LB “SCNT-N”連續(xù)皂化裝置

圖17 Mazzoni “SCT”連續(xù)脂肪酸中和或 “SSCT”不帶甘油排出裝置的中性脂肪/油皂化

在脂肪酸中和過(guò)程中，經(jīng)過(guò)計(jì)量的原材料通過(guò)一系列離心泵進(jìn)入中和反應(yīng)回路。經(jīng)過(guò)復(fù)式過(guò)濾器過(guò)濾，原材料進(jìn)入泵中。利用質(zhì)量流量計(jì)和壓力控制閥準(zhǔn)確控制通過(guò)泵的流量。向高剪切攪拌機(jī)中注入適量的鹽水、水、氫氧化鈉和脂肪酸混合物。再向渦流分散機(jī)中注入來(lái)自管式反應(yīng)器的回收皂液流。氫氧化鈉/水和脂肪酸的溫度都通過(guò)板框式熱交換器控制，并設(shè)置操作設(shè)定點(diǎn)，以維持想要的中和器溫度。渦流分散機(jī)使反應(yīng)物均勻混合，以實(shí)現(xiàn)完全且統(tǒng)一的反應(yīng)。從渦流分散機(jī)中排出的皂流入管式反應(yīng)器，管式反應(yīng)器會(huì)排出皂的連續(xù)液流?；厥赵砘芈分醒b有酸度計(jì)。該酸度計(jì)控制縱傾泵，而縱傾泵利用脂肪酸對(duì)成品皂的pH值進(jìn)行調(diào)整。

管式反應(yīng)器被設(shè)計(jì)成在高壓和高溫下運(yùn)行。本工藝的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是其能夠以真空干燥器（即SCT-C系統(tǒng)）緊密連接SCT中和器系統(tǒng)。

5.5 中和設(shè)備配置

Binacchi還推出了脂肪酸中和系統(tǒng)。圖18所示的CSFA裝置是一個(gè)帶容積式計(jì)量泵和一系列雙攪拌反應(yīng)釜的脂肪酸中和系統(tǒng)。圖19所示的CHBS系統(tǒng)是一個(gè)靈活的雙反應(yīng)器系統(tǒng)，可被用于生產(chǎn)脂肪酸中和皂和半沸皂。

圖18 Binacchi “CSFA”脂肪酸的連續(xù)皂化

圖19 Binacchi “CHBS”脂肪酸-中性脂肪的連續(xù)皂化

6 結(jié)語(yǔ)

無(wú)論制皂系統(tǒng)選擇的是皂化工藝，還是脂肪酸中和工藝，或半沸工藝，連續(xù)生產(chǎn)法都比老式批量工藝更具優(yōu)勢(shì)。連續(xù)系統(tǒng)提高了產(chǎn)量，降低了能耗，需要更少的庫(kù)存，減少了生產(chǎn)周期次數(shù)，改善了制成品的質(zhì)量，增加了靈活性，并需要更小的裝置布局。如今的可商購(gòu)系統(tǒng)不斷增強(qiáng)這些優(yōu)勢(shì)。最近取得的進(jìn)展可概述如下：

(1) 改善了計(jì)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其使用最新的流量計(jì)量技術(shù)來(lái)增加計(jì)量準(zhǔn)確性、提高制成品的質(zhì)量。

(2) 改善了反應(yīng)器的設(shè)計(jì)，使得完全反應(yīng)的逗留時(shí)間更短。一些系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間被減少到8-10分鐘。逗留時(shí)間的減少使返工材料變少，從而使得轉(zhuǎn)換更簡(jiǎn)單。

(3) 增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性。一些系統(tǒng)現(xiàn)在被設(shè)計(jì)成能夠在同一系統(tǒng)上生產(chǎn)脂肪酸中和皂和中性油皂化皂。這非常重要，因?yàn)樵牧虾椭频玫母碑a(chǎn)品-甘油的價(jià)格繼續(xù)波動(dòng)。這些系統(tǒng)還能直接與真空干燥系統(tǒng)相連，以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的靈活性和節(jié)能。

(4) 通過(guò)使用閃蒸冷卻器和原材料與在制液流間的熱交換而增加了能源效率。在一些系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，已經(jīng)從生產(chǎn)1000kg純?cè)硐?50kg液流被改善至消耗100 kg。閃蒸冷卻器系統(tǒng)產(chǎn)生的廢堿液中的甘油含量高達(dá)40%，降低了甘油回收過(guò)程的能量需求。

(5) 通過(guò)拆除冷卻混合器、使用標(biāo)準(zhǔn)離心機(jī)和容積式泵以及改善離心機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì)減少了裝置維護(hù)費(fèi)用。

隨著原材料和能源價(jià)格的上漲，制皂系統(tǒng)的設(shè)計(jì)將繼續(xù)改進(jìn)，以滿足不斷變化的市場(chǎng)需求。