Физико-химические основы щелочной рафинации
Реакции нейтрализации жирных кислот. В процессе щелочной рафинации жиры обрабатывают раствором щелочи, преимущественно едкого натра.
Образующиеся при взаимодействии жирных кислот с натриевой щелочью соли - мыла - имеют более высокую плотность, чем жир, поэтому их сравнительно легко можно разделить. В результате обработки жира щелочью удается почти полностью связать и удалить из жира свободные жирные кислоты, а также другие находящиеся в жире примеси и сопутствующие вещества, имеющие кислую реакцию.
Наряду с основной химической реакцией нейтрализации жирных кислот протекают и побочные реакции. Например, едкая щелочь может реагировать с нейтральным жиром, образуя мыло и глицерин.
В результате омыления нейтрального жира уменьшается выход рафинированного продукта, поэтому процесс стараются вести так, чтобы щелочь в основном взаимодействовала со свободными жирными кислотами и в минимальной мере омыляла нейтральный жир.
Для связывания свободных жирных кислот можно также применять углекислый натрий - кальцинированную соду.
Углекислый натрий реагирует только со свободными жирными кислотами и не омыляет нейтральный жир, поэтому выход рафинированного жира повышается. Однако во время реакции выделяется углекислый газ. Газ попадает в образующиеся в процессе нейтрализации хлопья мыла, делает их пористыми, вследствие чего они вместе с углекислым газом поднимаются кверху и плавают в жире. В результате этого затрудняется отделение масла от образовавшегося при рафинации мыла. На практике щелочную рафинацию, как правило, проводят едкой щелочью, иногда также смесью едкой и углекислой щелочи.
Образование соапстока. Простая по своей сущности химическая реакция связывания свободных жирных кислот щелочью в действительности протекает в довольно своеобразных условиях, что обусловлено физико-химической характеристикой жира и образующихся при этом продуктов реакции.
Специалисты, исследуя процесс щелочной рафинации в аппаратуре периодического действия, установили, что он протекает в несколько стадий.
В первый момент, когда капля раствора щелочи попадает в массу жира, в результате реакции ее с жирными кислотами на поверхности капли образуется тончайшая пленка мыла. Эта капля, плотность которой больше плотности жира, движется вниз. При своем движении она встречает сопротивление слоя жира, в результате чего находящаяся на ее поверхности пленка сначала сдвигается в сторону, противоположную движению капли, а затем и совсем отрывается от нее. В момент отрыва пленка образует мешочек, внутри которого содержится не успевшая прореагировать щелочь и некоторое количество попавшего в него нейтрального жира. Между щелочью и жиром протекает реакция, пока не будет израсходована вся щелочь или пока капля падает на дно аппарата.
После отрыва первой пленки на обнажившейся поверхности капли щелочи образуется новая мыльная пленка, которая проделывает тот же путь, что и первая, т. д.
Поскольку реакция между щелочью и жирными кислотами протекает на поверхности капель, то чем меньше их размер, тем больше поверхность контакта. С учетом этого в практике щелочной рафинации стремятся вводить раствор щелочи в виде мелких и мельчайших капель.
Образующиеся при щелочной рафинации мыльные пленки обладают рядом специфических свойств, в частности поверхностной активностью. В результате этих свойств мыльные пленки поглощают некоторые примеси, находящиеся в маслах, в том числе белковые, слизистые, смолистые и красящие вещества. Благодаря этому при щелочной рафинации жир освобождается не только от свободных жирных кислот, но и от других примесей, становится менее окрашенным и более прозрачным.
В ряде случаев, например при очистке черного хлопкового масла, щелочная рафинация имеет своей основной целью наряду с нейтрализацией жирных кислот осветление масла. При этом обычно, чем больше образуется мыла, тем сильнее эффект отбеливания.
Концентрированные мыльные пленки в результате поверхностной активности способны растворять нейтральный жир, унося его в отходы. В результате уменьшается выход рафинированного продукта. Естественно, чем больше мыльных пленок, тем больше они уносят с собой нейтрального жира.
Некоторые сопутствующие вещества жира также обладают поверхностной активностью. К ним, в частности, относятся фосфатиды. Во время щелочной рафинации фосфатиды способствуют эмульгированию нейтрального жира, который легко удерживается мыльными пленками и вместе с последними уносится в отходы. Поэтому при щелочной рафинации масел, богатых фосфатидами, их предварительно необходимо подвергнуть гидратации для получения товарного фосфатидного концентрата. Рекомендуется также перед щелочной рафинацией обработать масло фосфорной кислотой, которая разрушает оставшиеся после гидратации «негидратирующиеся» фосфатиды и ликвидирует их вредное влияние на процесс щелочной рафинации.
При движении через слой жира вниз или сталкиваясь между собой в процессе перемешивания, мыльные пленки слипаются, образуя рыхлые хлопья. В пространство между хлопьями попадает нейтральный жир, который оседает вместе с ними.
В результате щелочной рафинации получается отход довольно сложного и непостоянного состава. В нем содержится мыло, нейтральный жир, увлеченные мыльными пленками разнообразные примеси, в том числе красящие вещества, вода и небольшое количество непрореагировавшей щелочи. В тех случаях, когда перед щелочной рафинацией масло обрабатывается фосфорной кислотой, в отходах присутствует ее натриевая и другие соли.
Нейтральный жир может присутствовать в соапстоке в трех видах: в стенках мыльных пленок в результате растворения его в концентрированном мыле; внутри мыльных мешочков, куда он попал в момент отрыва мыльной пленки с поверхности капелек щелочи, и механически увлеченный мыльными хлопьями.
Соапсток довольно полно отделяется от основной массы рафинируемого жира. Небольшое количество образующегося мыла удерживается жиром, и его удаляют промывкой водой. Промытое масло высушивают.
Растворимость соапстока. Соапсток в обычной воде растворяется незначительно. Растворимость его повышается в слабых щелочных и соляных растворах, особенно в присутствии мыла. В таких мыльно-щелочных или мыльно-солевых растворах соапсток растворяется почти полностью. На этом свойстве соапстока основаны метод нейтрализации жиров в мыльно-щелочной среде и щелочная рафинация с водно-солевой подкладкой. Сущность обоих методов заключается в том, что при растворении мыльных пленок высвобождается нейтральный жир, увлекаемый ими при формировании соапстока. Благодаря этому соапсток состоит в основном из связанных жирных кислот и содержит очень мало нейтрального жира. При этом снижаются отходы жира при щелочной рафинации и увеличивается выход рафинированного жира.
Понятия об эмульсиях. Жиры и масла в воде нерастворимы. Если их смешать между собой, то в спокойном состоянии смесь разделится на 2 слоя - вверху, как более легкий, будет находиться жир, под ним - вода. Однако жиры с водой могут образовать однородную нерасслаивающуюся смесь - эмульсию. Эмульсия образуется в том случае, когда в смеси кроме жира и воды присутствует третье вещество, обладающее специфическими свойствами, которое в физической химии характеризуется понятием поверхностной активности. Такие вещества называются эмульгаторами. Их действие заключается в том, что они скапливаются на поверхности мелкораздробленных капелек жира или воды и образуют на ней тончайшие пленочки, которые удерживают капельки одного вещества в другом, не давая им разделиться.
Известно большое количество веществ, которые обладают поверхностной активностью, являются эмульгаторами и способствуют стабилизации эмульсий. Среди веществ этого типа, с которыми приходится иметь дело при рафинации жиров, находятся фосфатиды, белковые примеси, а также мыло, образующееся при взаимодействии жирных кислот с щелочами.
Различают 2 типа эмульсий жира с водой: эмульсия, в которой жир в форме мелких капелек распределен в массе воды, - «жир в воде»; эмульсия, в которой раздробленная вода находится в массе жира, - «вода в жире». Встречаются также эмульсии смешанного типа, когда в жидкости одновременно присутствуют эмульсии двух типов.
В технике рафинации жиров часто приходится иметь дело с эмульсиями. Иногда специально создают эмульсии, например при рафинации черного хлопкового масла. При этом удается получить после щелочной рафинации более светлое масло.
Во всех случаях процесс ведут таким образом, чтобы получающаяся эмульсия была нестойкой и сравнительно легко в последующем расслаивалась. Образование стойких эмульсий нежелательно потому, что они эмульгируют и увлекают в соапсток нейтральный жир, увеличивая отходы и уменьшая выход рафинированного продукта. Образование стойких эмульсий затрудняет отделение соапстока от рафинированного масла; в жире остается большое количество мыла, которое очень трудно вымывается.
Разрушению эмульсий способствуют повышение температуры жира, а также обработка их некоторыми веществами, например поваренной солью. Соль широко используют при работе в аппаратуре периодического действия. При работе с сепараторами поваренной солью не пользуются, так как она оказывает сильное корродирующее действие на аппаратуру и коммуникации, обогащает жир солями железа.
Концентрированные растворы едкой щелочи также обладают свойствами разрушать водно-жировые эмульсии. Поэтому в описываемом ниже эмульсионном методе щелочной рафинации хлопкового масла концентрированными растворами щелочи эмульсия, получаемая на первом этапе, сравнительно легко разрушается.
Для предотвращения образования стойких эмульсий рекомендуется предварительно удалить из рафинированного жира фосфатиды, а также белковые примеси.
При щелочной рафинации масел слабыми растворами едкой щелочи в рафинационных цехах внедряется метод, при котором в щелочной раствор вводятся добавки, которые называются гидротропными. Они подавляют процесс эмульгирования нейтральных жиров, благодаря чему уменьшаются отходы жира в соапсток и увеличивается выход готового продукта. В качестве таких добавок могут быть использованы различные соли сильных оснований - углекислые (кальцинированная сода), сернокислые (сульфат натрия) и др.
Общие принципы щелочной рафинации
Принципиальная схема щелочной рафинации жиров. Исходное масло обрабатывают фосфорной кислотой для Разрушения фосфатидов. После этого его без отделения продуктов реакции передают на обработку щелочью. Если рафинируемый жир не содержит фосфатидов (кокосовое масло, животный жир), то его сразу направляют на стадию обработки щелочью. После отделения соапстока жир направляется на промывку, затем поступает на сушку. В ряде случаев промытый жир перед сушкой обрабатывается лимонной кислотой.
Ход процесса щелочной рафинации жира водными растворами едкой щелочи и формирование структуры соапстока зависят от многих условий. Большое влияние оказывает качество исходного жира. Скорость реакции повышается с увеличением его начальной кислотности. Присутствие в жире примесей, особенно обладающих поверхностной активностью (например, фосфатидов), влияет на структуру образующегося соапстока, делая более прочными мыльные пленки, они труднее поддаются разрушению при последующей обработке соапстока.
С повышением начальной температуры жира и раствора щелочи уменьшаются размеры образующихся мыльных частичек и одновременно увеличивается скорость движения их в жире благодаря снижению вязкости последнего. Это облегчает отделение образующего мыла от основной массы жира. Вместе с тем повышение температуры реакции увеличивает омыление нейтрального жира, что нежелательно. Поэтому при работе со слабыми растворами едкой щелочи проводят реакцию нейтрализации при 85-95° С. При работе с концентрированными растворами поддерживают в реакторе более низкую температуру (60-80° С).
Крепость раствора щелочи оказывает решающее влияние на экономические показатели процесса. С повышением концентрации усиливается реакция омыления нейтрального жира, повышается расход щелочи и уменьшается выход рафинированного продукта. В то же время крепкие растворы щелочи оказывают лучший осветляющий эффект, так как крепкая щелочь разрушает некоторые красящие вещества и другие примеси.
На практике придерживаются следующего правила. Масла и саломас с низкой кислотностью рафинируют слабыми растворами щелочей. С повышением начальной кислотности жира крепость щелочного раствора повышают. Высококислотные масла рафинируют концентрированными растворами.
По концентрации растворы едкой щелочи, используемой для щелочной рафинации, принято оценивать по показателю, приведенному ниже:
Растворы // Концентрация NaOH, г/л
Слабые - до 90
Средине - от 91 до 150
Концентрированные - от 151 и выше
Мелкие капли щелочи обладают более развитой поверхностью контакта с жиром, чем крупные капли. Большая поверхность образующихся мыльных пленок больше поглощает красящих веществ и других нежелательных примесей, и, таким образом, обеспечивает лучшее осветление жира. Например, при диаметре капелек жира 2 мм их общая поверхность составляет более 2,5 тыс. м2 на 1 т.
Увеличению контакта также содействует интенсивное перемешивание жира с раствором щелочи. В современных схемах щелочной рафинации предусматривается очень тесное смешивание между собой жира и щелочи, а в некоторых из них - также дополнительное дробление жира и раствора щелочи на мельчайшие капли. Наилучшие условия для этого создаются при щелочной рафинации на линиях непрерывного действия.
Обработка масла фосфорной кислотой. В растительных маслах после гидратации водой остается некоторое количество негидратирующихся фосфатидов. Эти фосфатиды затрудняют последующие процессы обработки масла, в частности его щелочную рафинацию. Обладая поверхностной активностью, фосфатиды способствуют эмульгированию нейтрального жира и переходу его в соапсток, в результате чего уменьшается выход рафинированного жира. Фосфатиды также снижают активность катализатора, затрудняя течение процесса гидрогенизации. В связи с этим полезно разрушить остающиеся в масле фосфатиды, воздействуя на них небольшим количеством фосфорной кислоты.
Кроме того, фосфорная кислота растворяет ионы магния, кальция и других металлов, и образует с ними нерастворимые в жире соли, которые затем отделяются от него при последующем центрифугировании.
Для большинства масел, прошедших нормальную гидратацию водой, достаточно 0,05% фосфорной кислоты (от массы масла). При повышении содержания негидратирующихся фосфатидов ввод фосфорной кислоты несколько увеличивается. Однако это следует делать осторожно, ибо на нейтрализацию фосфорной кислоты приходится затрачивать едкую щелочь, что увеличивает расход содопродуктов на рафинацию масла.
Как видно, для нейтрализации одной молекулы фосфорной кислоты требуется 3 молекулы едкой щелочи.
Обработка жира лимонной кислотой. Для улучшения качества рафинированного жира, особенно пищевого, очень важно полностью удалить из него даже следы мыла, остающиеся после щелочной рафинации. В основном это обеспечивается хорошей двукратной промывкой жира мягкой водой (конденсатом). Иногда для удаления оставшихся следов мыла, особенно в схемах с однократной промывкой, жир обрабатывают лимонной кислотой.
В результате обменной реакции 1 молекула лимонной кислоты разлагает 3 молекулы натриевого мыла. Высвобождаемые при этом свободные жирные кислоты растворяются в жире, а лимоннокислый натрий в жире не растворяется и остается в нем в виде взвеси, которая отделяется при фильтровании. Норма ввода лимонной кислоты зависит от остаточного содержания мыла в жире. В среднем на каждую 0,01% мыла, содержащегося в жире, добавляют 21 г лимонной кислоты (на 1 т жира).
Положительное действие лимонной кислоты заключается еще в том, что она связывает находящиеся в жире ионы металлов, в том числе следы попавшего в него железа, а также никеля, остающегося в саломасе. В результате повышается стойкость жира при хранении и улучшаются его органолептические свойства.
При рафинации саломаса для связывания оставшегося в нем после гидрогенизации никеля теоретически необходимо добавить 2,4 г лимонной кислоты на каждый 1 г никеля. При содержании в саломасе никеля 10 мг в 1 кг теоретический расход лимонной кислоты составляет 24 г на 1 т. Практически для полноты реакции с учетом того, что кроме никеля в саломасе могут оставаться следы других металлов, вводят лимонную кислоту в количестве, превышающем теоретически потребное в 1,5-2 раза.
Лимонная кислота вводится в жир в виде 20 или 10%-ного водного раствора, реже в виде 5%-ного. Раствор готовят заранее и подают его равномерно и непрерывно насосом-дозатором во всю массу жира.
Расчет расхода щелочи. Количество раствора едкого натра, необходимое для нейтрализации свободных жирных кислот, содержащихся в 1 т жира, рассчитывают по специальному уравнению.
В процессе щелочной рафинации не вся вводимая щелочь расходуется на реакцию связывания жирных кислот: часть ее омыляет нейтральный жир, небольшое количество ее уходит в соапсток. Для полноты удаления свободных жирных кислот необходимо вводить несколько больше щелочи, чем предусмотрена расчетом. Избыток зависит от вида рафинируемого жира и от крепости применяемых растворов. При рафинации светлых масел и саломаса с относительно низкой кислотностью избыток не превышает 10-20%.
При поступлении на рафинацию темных низкокачественных жиров, когда кроме удаления свободных жирных кислот стремятся получить более светлый продукт, избыток щелочи повышают до 200%.
Практически избыток щелочи получается несколько выше рассчитанного. Дело в том, что нейтрализация жирных кислот обычно не бывает абсолютно полной. В большинстве случаев конечное кислотное число рафинированного щелочью жира составляет 0,1-0,2 мг КОН.
При работе с фосфорной кислотой необходимо предусмотреть дополнительное количество щелочи на ее нейтрализацию. Так как на нейтрализацию одной молекулы фосфорной кислоты требуется три молекулы едкой щелочи, то с учетом молекулярной массы обоих реагирующих веществ на каждый 1 кг введенной при рафинации фосфорной кислоты необходимо добавить на стадии щелочной обработки 1,5 кг едкого натра (100%-ного).
Технология щелочной рафинации
Щелочная рафинация на линиях непрерывного действия с сепараторами
В практике рафинации растительных масел и саломаса на маргариновых и гидрогенизационных заводах широко применяют щелочную рафинацию на линиях непрерывного действия с сепараторами. В зависимости от качества перерабатываемого сырья можно менять количество и последовательность проводимых операций.
Аппаратурно-технологическая схема. Ниже приводится несколько вариантов щелочной рафинации жиров и масел при работе на линиях с сепараторами.
Вариант первый предусматривает переработку светлых гидратированных масел. При этом проводят следующие операции: обработку фосфорной кислотой для разрушения фосфатидов, щелочную нейтрализацию, двукратную промывку, обработку лимонной кислотой и сушку.
Рафинируемое масло, взвешенное на автоматических весах, принимается в один из двух промежуточных резервуаров, емкость которых рассчитана не менее, чем на сменную производительность линии. После определения начального кислотного числа, масло проходит через фильтр грубой очистки, затем насосом подается через один из двух ситчатых фильтров тонкой очистки в пластинчатый подогреватель. Здесь оно прогревается до 85-95° С и затем питающим насосом направляется в лопастной смеситель, в котором масло обрабатывается фосфорной кислотой для разрушения негидратирующихся фосфатидов.
По расходомеру регулируют массу поступающего жира и соответственно с ней массу всех подаваемых реагентов. Фосфорная кислота подогревается в бачке, забирается поршневым насосом-дозатором и непрерывно подается в лопастной смеситель. Из смесителя вся реакционная масса через дроссельную шайбу переходит в дисковый смеситель, в котором происходит обработка ее раствором щелочи. Щелочь связывает и нейтрализует как свободные жирные кислоты, так и фосфорную кислоту.
Щелочной раствор, подготовленный в резервуаре, проходит через фильтр. Затем он насосом подается через расходомер в тот же дисковый смеситель. Избыток щелочи возвращается в резервуар по обводной трубе с воздухоотделителем. Из дискового смесителя нейтрализованное масло поступает в сепаратор, в котором отделяется образовавшийся соапсток. С целью снижения вязкости соапстока, что облегчает его отделение от жира, в сепаратор одновременно через расходомер добавляют горячую умягченную воду. Вода подается насосом из резервуара. Соапсток, отделившийся в сепараторе, стекает в шестеренный насос, который перекачивает его на дальнейшую обработку.
Выходящее из сепаратора, освобожденное от основной массы соапстока, нейтрализованное масло подвергается двукратной промывке умягченной водой или, что еще лучше, конденсатом. Для этого масло нагревается в пластинчатом подогревателе до 85-90° С. Затем насосом оно через дроссельную шайбу подается в ножевой смеситель, в котором интенсивно смешивается с горячей водой. Вода подается из того же резервуара насосом через расходомер.
Смесь масла с водой переходит в разделяющий сепаратор, в котором отделяется мыльная вода. Вода стекает в жироловушку. Всплывающий в ней жир перетекает в сборный резервуар, из которого насосом он возвращается в промежуточный резервуар и затем снова направляется в процесс. В этот же сборный резервуар стекают жиры из всех аппаратов линии в период вывода ее на режим или при остановке отдельных аппаратов, а также всей линии на ремонт или ревизию. Освободившаяся от основной массы увлеченного жира вода из жироловушек стекает в очистную систему канализации.
Выходящий из сепаратора жир подается насосом на вторичную промывку горячей водой в смеситель. Предварительно он нагревается в подогревателе до 80-90° С. Горячая вода в смеситель подается насосом через расходомер. Вторая промывная вода отделяется в сепараторе. Отделившаяся в сепараторе промывная вода стекает в жироловушку, а жир направляется на сушку в вакуум-сушильный аппарат.
В соответствии с принятым режимом перед сушкой жир может обрабатываться раствором лимонной кислоты для разложения оставшихся в нем следов мыла. Раствор лимонной кислоты предварительно готовится в бачке, затем он подается насосом-дозатором в струйный смеситель, в котором смешивается с жиром перед поступлением в сушильный аппарат.
Необходимое разрежение создается в системе при помощи поршневого или пароэжекторного вакуум-насоса. Высушенное масло насосом откачивается через автоматические весы в приемный резервуар для готового жира. После контроля качества масло насосом перекачивается на склад готовой продукции или на дальнейшую обработку.
Линия непрерывной щелочной рафинации имеет свой индивидуальный воздушный компрессор 5 для обслуживания контрольно-измерительных приборов.
Вариант второй применяют при рафинации светлых масел с предварительной их гидратацией. В этом случае проводят следующие операции: гидратацию водой, щелочную нейтрализацию, однократную промывку, обработку лимонной кислотой, сушку.
Нагретое в подогревателе масло насосом подается по обводному трубопроводу в лопастный смеситель, в который через расходомер направляют горячую воду. Выпадающие в результате гидратации фосфатиды отделяются в сепараторе и шестеренным насосом перекачиваются на дальнейшую обработку. Гидратированное масло из сепаратора направляется через нагреватель насосом по обводному трубопроводу в дисковый смеситель, в котором обрабатывается раствором щелочи. Дальнейшая работа проводится так же, как и по первому варианту, с той только разницей, что промывка проводится только один раз. В этом случае из сепаратора масло направляется в вакуум-сушильный аппарат после предварительной обработки лимонной кислотой.
Вариант третий применяют при переработке светлых масел. Он отличается от второго варианта тем, что после гидратации водой масло обрабатывают фосфорной кислотой для разрушения оставшихся в нем негидратирующихся фосфатидов.
Масло, выходящее из сепаратора, через нагреватель насосом возвращают в лопастный смеситель, в который одновременно из бачка дозирующим насосом подают фосфорную кислоту. Затем всю реакционную массу через дроссельную шайбу передают в дисковый смеситель на щелочную рафинацию. Дальнейшее движение масла проходит так же, как во втором варианте, с однократной промывкой.
Вариант четвертый предусматривает щелочную рафинацию пищевого саломаса. В этом варианте не требуется гидратации, поскольку эта операция проводилась при подготовке масла к гидрированию. При рафинации саломаса он насосом подается в дисковой смеситель на щелочную рафинацию. После двукратной промывки и обработки лимонной кислотой саломас направляют в вакуум-сушильный аппарат.
Вариант пятый позволяет вести двукратную щелочную рафинацию жира растворами щелочи различной концентрации. Для этого жир, подвергнутый щелочной рафинации в дисковом смесителе, по выходе из сепаратора пропускается через подогреватель. Из подогревателя жир поступает в ножевой смеситель, в который одновременно и непрерывно насосом подается из резервуара через расходомер раствор щелочи другой концентрации. Избыток раствора возвращается в резервуар по обводной трубе с воздухоотделителем.
Ступенчатая двукратная щелочная рафинация применяется в тех случаях, когда требуется получить рафинированный жир с очень низкой остаточной кислотностью или когда хотят на стадии щелочной рафинации получить наибольшее осветление жира. Соапсток, выходящий из сепаратора, направляют на обработку в смеси с первым соапстоком, отделившимся в сепараторе.
При работе по этому варианту применяют однократную промывку жира для удаления мыла и последующую обработку его лимонной кислотой.
Вариант шестой применяют при щелочной рафинации некоторых светлых масел с гидротропными добавками.
Смесь раствора щелочи с добавками готовят в резервуаре. Порошкообразные сульфат натрия или кальцинированная сода из бункера в заданном количестве через воздухоотделительную трубу поступает в резервуар. Здесь он смешивается с раствором щелочи и в таком виде используется для щелочной рафинации. Работу при этом проводят по схеме: щелочная нейтрализация, двукратная промывка и сушка.
Вариант седьмой характеризуется тем, что зона обработки жиров щелочью имеет двойную производительность по сравнению с другими зонами, что позволяет значительно увеличить мощность всего участка щелочной рафинации. По этому варианту работу проводят по следующей схеме: щелочная обработка жира в смесителе с предварительной обработкой его фосфорной кислотой или без нее и последующее отделение соапстока на высокопроизводительном сепараторе. Нейтрализованное масло для однократной промывки разделяется на два потока, работающих параллельно. Промывную воду отделяют на сепараторах. За сепараторами оба потока снова соединяются в один. Обработка жира лимонкой кислотой и его последующая сушка производятся так же, как и в других вариантах.
Вариант восьмой представляет собой модернизированный седьмой. Жир обрабатывается щелочью в дисковом смесителе. Соапсток отделяется в двух параллельно работающих сепараторах. Выходящий из сепараторов жир однократно промывается в двух ножевых смесителях. Затем оба потока объединяются и промывная вода отделяется в одном сепараторе. Обработка лимонной кислотой и сушка ведется по вышеописанной схеме. При работе по этому варианту производительность линии увеличивается на 30-40%.
Вариант девятый - щелочной рафинации на линии с сепараторами подвергается заранее составленная смесь саломаса и масла для маргаринового производства, например состоящая из 70-80% саломаса и 30-20% жидкого растительного масла. Обработку ведут по одному из описанных выше вариантов. Работа на смесях стабилизирует и облегчает ведение процесса.
Основное оборудование. Для щелочной рафинации применяют описанное ниже оборудование.
Сепараторы для отделения соапстока и промывной воды в этих линиях применяют такого же типа, как и в линиях гидратации и отделения фосфатидов. При отделении соапстока особенно важное значение имеет удаление из полости барабана оседающего на его внутренних стенках осадка твердых примесей. По мере увеличения этого осадка повышается содержание нейтрального жира в соапстоке и соответственно увеличиваются отходы.
С учетом этого в практику рафинационных цехов внедряются саморазгружающиеся сепараторы, которые периодически (пульсирующе) автоматически выводят осадок из барабана по мере его накопления.
Смесители для интенсивного перемешивания жира с реагентами в этой линии применяют трех типов: лопастный, дисковый и ножевой.
Лопастный смеситель используют на операции гидратации и обработки масла фосфорной кислотой.
Лопастный смеситель представляет собой вертикальный цилиндрический стальной аппарат со сварным корпусом, сферическим дном и сферической крышкой, соединяющейся с корпусом при помощи фланцев. Смеситель снабжен вертикальной механической лопастной мешалкой с меняющейся ступенчато частотой вращения. Частота вращения меняется при помощи двух трехступенчатых клиноременных шкивов, передающих движение от электродвигателя к мешалке.
Для удлинения пути, на котором масло контактируется с водой или фосфорной кислотой, внутри аппарата расположено устройство, создающее каскадное движение.
Оно состоит из параллельно расположенных малых и больших дисков, на поверхности которых в шахматном порядке находятся круглые переточные отверстия. Лопасти мешалки прогоняют смесь последовательно через все диски.
При первоначальном включении смесителя в работу он заполняется маслом через патрубок. Воздух в это время выпускается через другой патрубок. Реакционная смесь выводится из аппарата через патрубок. Полное опорожнение смесителя при его остановке производится через расположенный в нижней точке патрубок. Вертикальный вал мешалки в месте вхождения в корпус аппарата имеет сальниковое уплотнение, обеспечивающее герметичность аппарата. Аппарат снабжен тепловой изоляцией. Он обычно устанавливается на полу рабочего помещения и достаточно удобен для обслуживания.
У смесителей этого типа, установленных в линии непрерывного действия, различная емкость. Первый по ходу смеситель, в котором проводится обработка масла фосфорной кислотой, имеет диаметр 400 мм и емкость 140 л. Емкость второго смесителя большой модели диаметром 550 мм - 450 л. Производительность смесителя от 3,3 до 7,5 т масла в 1 ч. При непрерывной работе длительность пребывания масла в зависимости от производительности линии составляет в первом смесителе 1,5-3 минуты, во втором, большем, - 4-8 минут.
Дисковый смеситель служит для интенсивного смешивания рафинируемого жира с раствором щелочи. Конструкция смесителя обеспечивает тонкое измельчение обрабатываемого жира, благодаря чему увеличивается поверхность его контакта с раствором щелочи, получается быстрая и достаточно полная нейтрализация жирных кислот.
Смеситель состоит из литого корпуса, закрытого крышкой. В рабочей камере, представляющей собой кольцевую выточку в корпусе и крышке, вращается рабочий диск. Рафинируемый жир поступает в корпус смесителя под давлением насоса через патрубок, а раствор щелочи - через другой патрубок. Обе жидкости проходят в рабочую камеру, захватываются быстро вращающимся диском, который их тщательно смешивает между собой и выбрасывает из смесителя через патрубок.
Диск насажен на горизонтальный вал, на другом конце которого находится четырехступенчатый клиноременный шкив. Другой, также четырехступенчатый, шкив насажен на вал электродвигателя. Благодаря такой системе передачи движений рабочий диск имеет переменную частоту вращения. Электродвигатель со всей системой передач заключены в общий кожух. Смеситель крепится к полу помещения. Для предупреждения просачивания жидкости сквозь неплотности смеситель имеет сальниковое устройство, за которым необходимо внимательно следить.
Ножевой смеситель предназначен для смешивания нейтрализованного масла с водой на стадии промывки.
Смеситель представляет собой герметичный вертикальный сосуд емкостью 30 л. Он состоит из штампованного цилиндрического с выпуклой крышкой колпака, плотно соединяющегося с корпусом при помощи фланцев. Внутри смесителя на вертикальном валу расположено 20 перемешивающих ромбовидных ножей. Подогретый рафинируемый жир под давлением поступает через патрубок, а промывная вода через другой патрубок. В корпусе жир тщательно смешивается с водой. В это время мыло из жира переходит в водный раствор. Смесь жира с водой выходит из смесителя через патрубок и направляется в разделяющий сепаратор.
Вертикальный вал, на который насажены перемешивающие ножи, получает вращение от электродвигателя через пару трехступенчатых шкивов привода, которые позволяют изменять частоту вращения вала. В период остановки жидкость спускается из смесителя через патрубок. Во время эксплуатации необходимо следить за герметичностью сальникового уплотнения, предупреждающего утечку жира из смесителя. Смеситель монтируется на общей раме.
Подготовка, пуск и остановка линий щелочной рафинации. Общие указания о подготовке линий непрерывного действия для рафинации жиров, их пуске и остановке приведены ниже.
Перед включением в работу всей линии или отдельных входящих в нее машин аппаратчик проводит подготовительные операции. Сначала производится общий внимательный осмотр всех машин, аппаратов, насосов, контрольно-измерительных приборов, трубопроводов и арматуры. Необходимо убедиться, что оборудование собрано в соответствии с имеющимися на рабочих местах схемами и инструкциями. Защитные кожухи и ограждения движущихся частей должны быть исправны, установлены на место и закреплены. Люки на аппаратах, работающих под давлением или разрежением, должны быть плотно затянуты.
Во всех случаях необходимо убедиться в плотности всех соединений, в отсутствии течи или подсосов. Через неплотности могут вытекать жир или растворы щелочи, воды и других материалов, что увеличивает потери, ухудшает санитарное состояние цеха и при перекачках горячих материалов это может вызвать ожоги. При подсосах воздуха через неплотности он может попадать в жир, что вызывает его окисление и необратимую порчу.
Если линию или отдельные входящие в нее аппараты включают в работу после ревизии или ремонта, то ее промывают горячей водой. Промывная вода прогоняется через аппараты и коммуникации так, чтобы она не попадала в контрольно-измерительные приборы, насосы-дозаторы, сепараторы и другие чувствительные механизмы, так как содержащиеся в промывной воде загрязнения (песок, окалина и др.) могут задержаться в механизмах и нарушить их работу.
Промывную воду спускают через специальные краны, устанавливаемые для этой цели в самой низкой точке трубопроводов. При отсутствии таких кранов воду спускают, временно разъединяя фланцевые соединения. После промывки краны на трубопроводах устанавливают в положение, обеспечивающее нормальное течение технологического процесса.
Если линия включается в работу после перерыва, не связанного с ремонтом оборудования, то ее не промывают. При переработке застывающих при температуре 18-20° С жиров (саломас, животные жиры, кокосовое масло) линию обязательно продувают даже при кратковременной остановке во избежание образования в трубопроводах пробок застывшего жира.
При включении в работу различных нагревателей для жиров (трубчатых, пластинчатых, змеевиковых и др.) необходимо придерживаться определенного правила. Сначала в подогреватель подают жир, затем включают греющий пар. В противном случае жир, оставшийся в тонком слое на греющей поверхности от предыдущих операций, будет перегреваться и может пригореть, образуя на поверхности пленку нагара, которая ухудшает теплопередачу и снижает качество жира. Эта пленка трудно удаляется с греющей поверхности.
При остановке подогревателей сначала выключают пар, затем прекращают подачу жиров.
При пуске всех типов холодильников и конденсаторов включают охлаждающую воду и начинают подачу жиров. При остановке холодильников прекращают подачу жира, затем - охлаждающей воды.
Для предупреждения перегрева уплотнительных узлов на всех аппаратах (сепараторы, насосы, смесители, и др.) и преждевременного выхода их из строя, при пуске или остановке линии необходимо следить, чтобы в них непрерывно поступали жидкость (масло, вода или водные растворы).
Для нормальной работы линии непрерывного действия необходимо подготовить в цехе запас сырья не менее, чем на 4 ч и соответствующее количество реагентов (умягченной воды, фосфорной кислоты, раствора щелочи, раствора лимонной кислоты и др.). Затем устанавливают количество подаваемого рафинируемого жира и соответственно с этим регулируют поступление реагентов, наблюдая за показаниями установленных приборов.
Изменение подачи жира и реагентов производят в зависимости от местных условий, меняя ход поршня и число ходов дозирующих поршневых насосов, перекрывая частично краны или вентили на подающих линиях. Наилучшие условия для работы создаются при автоматическом регулировании подачи всех компонентов по заданной программе.
После включения линии в работу, обычно в первое время, получаемый рафинированный жир выходит нестандартным. Его принимают в отдельный промежуточный резервуар, из которого возвращают на повторную обработку. После того как получают рафинированный жир, соответствующий по своим показателям принятым для данного процесса техническим условиям, его направляют в приемный резервуар для готового продукта.
В промежуточный резервуар сливают также жир, когда требуется освободить аппаратуру и коммуникации от находящегося в нем материала, при переходе на другой вид жира или при остановке оборудования на ревизию или ремонт.
Режим щелочной рафинации.
Для разрушения негидратирующихся фосфатидов их перед щелочной рафинацией обрабатывают фосфорной кислотой концентрацией 85%. Ее вводят в количестве 0,05-0,2% от массы обрабатываемого масла (при рафинации льняного масла 0,4-0,5%).
Фосфорная кислота при помощи насоса дозатора вводится в масло, нагретое до 85-95° С (при рафинации хлопкового масла до 65-75° С), при интенсивном перемешивании реагирующих веществ в лопастном смесителе. Отсюда вся реакционная масса переходит в дисковый смеситель, в котором при взаимодействии с раствором едкой щелочи происходит нейтрализация свободных кислот - жирных и фосфорной.
Режим щелочной рафинации жиров на линиях с сепаратором меняется в зависимости от ряда показателей. Важнейшим условием является выбор концентрации раствора щелочи. Рекомендуется применять растворы определенных концентраций в зависимости от начального кислотного числа жира.
С повышением начального кислотного числа жира увеличивается концентрация применяемых растворов щелочи. Использование слабых растворов при рафинации жира с высокой кислотностью сопровождается получением большого количества соапстоков, содержащих много воды. Масла с повышенной начальной кислотностью обычно бывают сильнее окрашенными: в этом случае растворы щелочи более высокой концентрации оказывают лучшее осветляющее действие. Однако растворы щелочи высокой концентрации могут вызвать высаливание соапстока. При поступлении смеси в сепаратор соапсток будет оседать на разделяющих тарелках, что нарушит нормальную работу сепаратора.
Избыток щелочи зависит от качества исходного масла. Чем чище рафинируемый жир, тем меньший требуется избыток щелочи. При рафинации гидратированного подсолнечного масла и саломаса достаточен избыток щелочи в 5-10%. При переработке масел, содержащих повышенное количество примесей, избыток щелочи повышается, так как часть ее расходуется на взаимодействие с примесями.
Назначать избыток щелочи при обработке той или иной партии жира нужно весьма осторожно. Превышение избытка сверх необходимого приводит к перерасходу самой щелочи и к увеличению отходов жира в соапсток. снижению выхода рафинированного продукта. Недостаток щелочи может сопровождаться повышенной остаточной кислотностью получаемого жира, в результате чего понизится его качество.
Температуру жира, поступающего в смесители (лопастный, дисковый, ножевой) на стадиях щелочной рафинации и последующей промывки, поддерживают на уровне 85-90° С. До этой же температуры нагревают раствор щелочи.
Важными параметрами при ведении процесса рафинации на линии с сепараторами является давление. Давление раствора щелочи и воды, поступающих в смесители, всегда должно несколько превышать давление подаваемого в них жира, чтобы исключить возможность попадания жира в щелочные или водяные коммуникации.
Сепараторы работают обычно под давлением. Давление смеси рафинируемого жира с соапстоком или промывной водой на входе в сепаратор составляет 0,3-0,5 MПa (3-5 кгс/см2). Давление жира на выходе из сепаратора зависит от концентрации применяемой щелочи.
При всех условиях давление на выходе не должно превышать 0,3 МПа (3 кгс/см2).
Давление в сепараторе существенно влияет на состав соапстока, на содержание в нем нейтрального жира и воды. При снижении давления содержание нейтрального жира в соапстоке уменьшается, но увеличивается содержание мыла в нейтрализованном жире. Наоборот, с повышением давления в сепараторе увеличивается содержание нейтрального жира в соапстоке, но уменьшается остаток мыла в рафинированном жире. Аппаратчик, наблюдая за процессом, должен отрегулировать давление при помощи игольчатого вентиля так, чтобы обеспечить оптимальные условия работы сепаратора. При таких условиях в жире остается минимальное количество мыла (не более 0,05%), а содержание нейтрального жира в соапстоке не превышает 30-35%, а часто и меньше. Следовательно, в соапстоке на 1 часть нейтрального жира должно содержаться не более 2,5-3,5 части омыленного.
Для облегчения вывода соапстока из сепаратора в него по ходу процесса непрерывно подают горячую воду, которая разбавляет соапсток, доводя содержание жира в нем (связанного в виде мыла и нейтрального) до 15-25%. Если это соотношение нейтрального и омыленного жира не получилось или если выходящий из сепаратора соапсток содержит в своей массе менее 15% общего жира (нейтрального и омыленного), то процесс отлажен неправильно. Линию необходимо заново отрегулировать в соответствии с приведенными выше условиями.
При правильно отлаженном процессе щелочной рафинации в массе жира, поступающего из смесителя в сепаратор, должны быть видны агрегированные частички мыла. Жир, вытекающий из сепаратора, должен быть прозрачным, немутным. Кислотное число его должно быть не выше 0,2 мг КОН, а содержание мыла не более 0,05%.
Если в массе жира, направляемом в сепаратор, не видны частички агрегированного мыла, то уменьшают при помощи ступенчатых шкивов частоту вращения лопастей дискового смесителя и несколько поднимают температуру жира и раствора щелочи. В некоторых случаях приходится одновременно немного повышать избыток щелочи.
При выходе из сепаратора жира с заэмульгированной влагой; процесс приостанавливают (прекращая подачу в смеситель жира и раствора щелочи), промывают сепаратор горячей водой (без разборки) до полного удаления осевшего в барабане соапстока. Затем снова включают линию в работу, уточнив дозировку и крепость поступающего раствора щелочи.
Воду (конденсат или умягченную) на первую и вторую промывку подают из расчета 8-10% от массы жира. Температуру жира и воды поддерживают на уровне 90-95° С. Периодически отбирают через краник пробу смеси жира с водой, направляемой в сепаратор. Она должна в стаканчике или пробирке легко и быстро расслаиваться. Образование эмульсии свидетельствует о том, что в жире после первого сепаратора осталось повышенное количество мыла.
Промытый жир не должен содержать свободной щелочи. Остаток мыла после первой промывки не должен превышать 0,007%, после второй - 0,003%. Остаток влаги в нем не более 0,2%. Если в выходящем из сепаратора жире обнаруживается заметное количество мыла, то несколько увеличивают количество подаваемой на промывку воды и регулируют частоту вращения мешалки в смесителях.
Промывная вода, выходящая из сепаратора, должна содержать минимальное количество увлеченного жира (первая не более 1-1,5%, а вторая до 0,05%). Для сокращения массы сточных вод рекомендуют вторую промывную воду пустить на первую промывку.
После щелочной рафинации и промывки жиров и масел проводится сушка жиров.
Щелочная рафинация в мыльно-щелочной среде
При щелочной рафинации в мыльно-щелочной среде тонкораздробленный жир пропускается через раствор щелочи низкой концентрации. Жирные кислоты связываются щелочью, образующееся мыло растворяется и остается в растворе щелочи. Нейтрализованный жир поднимается кверху и отводится из реактора на промывку и сушку.
Для успешного ведения процесса очень важно, чтобы рафинируемые масла не содержали фосфатидов, которые вызывают эмульгирование жира. По этой причине на рафинацию направляют масла, прошедшие предварительную гидратацию.
В ряде случаев перед щелочной рафинацией масло предварительно обрабатывают фосфорной кислотой для разрушения оставшихся в нем фосфатидов. Этим методом рекомендуется рафинировать светлые растительные масла с начальным кислотным числом не более 5 мг КОН и пищевой саломас.
Предложена также комбинированная схема, в которой реакция нейтрализации свободных жирных кислот проводится в реакторе с мыльно-щелочной подкладкой, а промывка нейтрализованного жира с применением сепараторов.
Аппаратурно-технологическая схема. Возможна комбинированная схема щелочной рафинации, позволяющая менять условия работы в зависимости от вида и качества перерабатываемого сырья. Так как для устойчивой и экономичной работы по данному методу требуется достаточно полное предварительное удаление фосфатидов, схема предусматривает возможность предварительной обработки масла фосфорной кислотой для разрушения негидратирующихся фосфатидов.
Поступающие на рафинацию жиры взвешиваются на автоматических весах и принимаются в промежуточные резервуары. Отсюда растительные масла, пройдя фильтры, насосом через трубчатый нагреватель и расходомер подаются в эжекционный смеситель. Сюда же из бачка через фильтры, стабилизатор уровня и расходомер направляется расчетное количество фосфорной кислоты.
Смесь масла с фосфорной кислотой поступает через деаэратор в реактор-нейтрализатор. В деаэратор подается также саломас, не требующий предварительной обработки фосфорной кислотой. Деаэратор для жиров, как и деаэратор для раствора щелочи, через ловушки и конденсатор присоединяется к вакуумной системе. В результате из реагирующих компонентов удаляется воздух, что улучшает последующие условия работы реактора-нейтрализатора.
Раствор щелочи нужной концентрации может быть подготовлен заранее в расходном резервуаре или готовиться непрерывно по ходу процесса. В этом случае крепкий раствор каустической соды из резервуара через фильтры подводится к стабилизатору напора и далее через расходомер поступает в эжекционный смеситель. Сюда же из резервуара насосом через трубчатый нагреватель и второй расходомер подводится горячий конденсат. Подготовленный в смесителе раствор щелочи через деаэратор направляется в нейтрализатор.
Соапсток, образующийся в результате нейтрализации жирных кислот и растворения получающегося мыла в щелочном растворе, представляет собой мыльно-щелочной раствор. В нем находятся растворенное мыло, заэмульгированный жир, свободная щелочь и некоторые примеси, увлеченные соапстоком из рафинируемого жира. Соапсток отводится из нейтрализатора непрерывно через регулятор в приемный резервуар, из которого насосом перекачивается на дальнейшую обработку.
Нейтрализованный жир, собирающийся в верхней части реактора-нейтрализатора через кольцевой карман, отводится, непрерывно в промежуточный резервуар.
Дальнейшие операции по обработке нейтрализованного жира могут проводиться различными методами. На некоторых предприятиях жир промывают горячим конденсатом в аппаратуре периодического действия.
На схеме однократная промывка нейтрализованных жиров в потоке предусматривает использование сепараторов. Из резервуара насосом жир через пластинчатый нагреватель подается в ножевой смеситель. Сюда же через расходомер подается горячий конденсат. Смесь разделяется на сепараторе. Мыльная вода через жироловушку направляется в очистную систему канализации, а промытый жир собирается в промежуточном резервуаре.
В схеме предусмотрена обработка жира раствором лимонной кислоты для разложения следов мыла и связывания остатка металлов (железа, никеля). Для этого промытый жир из резервуара насосом через пластинчатый нагреватель подается в дисковый смеситель. Раствор лимонной кислоты в конденсате готовится в бачке, из которого поршневым насосом-дозатором подается в смеситель.
Жир, обработанный лимонной кислотой, поступает в вакуум-сушильный аппарат. Высушенный жир насосом откачивается из сушильного аппарата, пропускается через трубчатый холодильник и автоматические весы в приемный резервуар, из которого насосом откачивается на дальнейшую обработку или на склад готовой продукции.
Реактор-нейтрализатор. Основным специальным аппаратом в схеме нейтрализации жиров в мыльно-щелочной среде является реактор-нейтрализатор.
В реакторе-нейтрализаторе происходит реакция нейтрализации свободных жирных кислот слабым раствором едкой щелочи, переход образующегося при этом мыла в щелочный раствор и последующее разделение фаз, в результате которого жир, как более легкий, всплывает кверху, а мыльно-щелочной раствор скапливается в нижней части аппарата. Подвод жира и раствора щелочи, как и отвод нейтрализованного жира и мыльно-щелочного раствора, производится непрерывно.
Корпус реактора-нейтрализатора состоит из двух цилиндров разных диаметров, соединенных между собой коническим переходом. Аппарат имеет коническое дно и шатровую крышку с находящимися в ней смотровыми фонарями. Для поддерживания нужной температуры аппарат снабжен пароводяной рубашкой. Температура массы в реакторе контролируется термометром.
В том месте, где цилиндр аппарата соединяется с конусом, устанавливается ложное перфорированное дно с большим количеством мелких отверстий, через которые проходит, поднимаясь кверху, рафинируемый жир. Он поступает в нейтрализатор по центральной трубе и распределяется под ложным днищем при помощи шести радиальных перфорированных трубок.
Пройдя через отверстия в ложном днище, жир, раздробленный на мелкие капельки, поднимается кверху. В процессе движения капельки жира проходят через слой раствора щелочи. В это время щелочь связывает и нейтрализует свободные жирные кислоты. Образующийся соапсток (мыло) растворяется в щелочном растворе, а жир, продолжая свое движение вверх, переходит для отстаивания в расширенную часть цилиндрического корпуса. Для полноты отстаивания важно обеспечить минимальную скорость движения жира, поэтому площадь сечения верхней части реактора более чем в 3 раза превышает площадь сечения основной части цилиндрического корпуса.
Отстоявшийся нейтрализованный жир медленно перетекает в кольцевой карман, из которого далее через патрубок он отводится из нейтрализатора. Чтобы в отстоявшийся жир не попадала мыльная пена, в верхней части аппарата расположено предохранительное кольцо. Раствор щелочи подается в реактор по трубе и распределяется в аппарате при помощи желобов с зубчатыми краями. Мыльно-щелочной раствор отводится из нижней части аппарата при помощи сифонной трубы. Количество отводимого раствора автоматически регулируется прибором. Для отбора проб имеется патрубок с краником. Полное опорожнение аппарата осуществляется через нижний патрубок.
Важным рабочим элементом аппарата является распределитель для жира. Для успешного проведения реакции нейтрализации необходимо создать максимально возможную поверхность контакта между жиром и щелочью, что обеспечивается дроблением жира на мелкие капельки. Эту функцию выполняет перфорированное стальное ложное дно. Оно состоит из шести равных секторов, закрепляемых в нижней части цилиндрического корпуса нейтрализатора. На поверхности этих секторов просверлены конические отверстия диаметром внизу 2 мм и вверху 4 мм с расстоянием между ними 10 мм. Каждый сектор имеет 5 тыс. отверстий, а всего их на ложном днище 30 тыс. шт.
Жир подводится под сектора по вертикальной трубе и распределяется по радиальным перфорированным трубам. Между подводящими трубами и секторами устанавливается сравнительно небольшой зазор, в котором находится некоторое количество жира. Благодаря тому, что плотность жира ниже плотности мыльно-щелочного раствора, он стремится подняться кверху, проходит сквозь отверстия в секторах и разбивается на мелкие капельки. На большой поверхности капель жира и происходит взаимодействие жирных кислот с раствором щелочи.
Режим рафинации в мыльно-щелочной среде.
При пуске установки заполняют реактор-нейтрализатор раствором едкого натра концентрацией 8-15 г/л до уровня видимого через смотровой фонарь расширителя.
Когда температура щелочи, подаваемой в реактор, достигает заданного уровня, начинают медленно вводить в нейтрализатор нагретый до 65-70°С рафинируемый жир. Первое время, пока в растворе щелочи не накопится некоторое количество растворенного мыла, жир вводится со скоростью 300-500 кг/ч. По мере накопления в растворе мыла подачу жира увеличивают и постепенно доводят ее до оптимальной.
Когда содержание мыла в мыльно-щелочном растворе достигнет 8-10%, переводят нейтрализатор на непрерывный режим работы. В этот момент включают подачу свежего раствора щелочи и открывают кран на линии вывода из реактора мыльно-щелочного раствора. При этом необходимо следить, чтобы между количеством подаваемого раствора щелочи и отводимого мыльно-щелочного раствора установилось нужное равновесие и уровень раствора в реакторе находился на заданной отметке, наблюдаемой через смотровое окно.
Всплывающий кверху нейтрализованный жир, накапливается в уширенной части аппарата. Для полноты отделения мыльного раствора он должен образовать слой не менее 600 мм. Когда процесс отрегулирован правильно, нейтрализованный жир имеет остаточное кислотное число КЧ не выше 0,2 мг КОН и остаток мыла не более 0,01%. Промывка этого жира, его обработка лимонной кислотой и сушка проводятся по такому же режиму, как и в описанной выше схеме щелочной рафинации с сепараторами.
Отводимый из нейтрализатора мыльно-щелочной раствор должен содержать 8-10% жира, при этом 90-95% жира должно находиться в виде омыленных жирных кислот и лишь 5-10% в форме увлеченного нейтрального жира. При хорошо отлаженной работе это соотношение удается выдержать; при этом снижаются отходы жира в соапсток и увеличивается выход рафинированного жира.
Остаток свободной едкой щелочи в мыльно-щелочном растворе колеблется от 0,8 до 5 г/л и зависит от вида перерабатываемого жира и избытка щелочи.
Между основной массой мыльно-щелочного раствора, находящегося в нейтрализаторе, и слоем жира, скопляющегося в его верхней части, образуется промежуточный слой, в котором жир частично заэмульгирован в щелочном растворе.
При нормальном течение процесса высота слоя не превышает 2-3 см. При отклонениях от оптимального режима эмульсионный слой может увеличиваться, тогда в отводимом жире будет находиться повышенное количество мыла и щелочи. Затрудняется также последующая обработка мыльно-щелочного раствора. Поэтому рабочий оператор должен не допускать образования большого промежуточного слоя.
Обычно большой промежуточный слой получается в тех случаях, когда на нейтрализацию поступает масло с повышенным содержанием фосфатидов. В этом случае рекомендуется включить в работу участок предварительной обработки масла фосфорной кислотой. До включения в работу такого участка необходимо несколько снизить производительность установки.
Образование более высокого промежуточного слоя наблюдается, когда содержание фосфатидов в мыльно-щелочном растворе превышает 0,3%. В этом случае рекомендуется заменить в нейтрализаторе примерно 1/3 мыльно-щелочного раствора - имеющийся спустить через нижний кран, а на его место подать свежий нагретый раствор той концентрации, которая принята для данного жира.
Во время работы необходимо следить, чтобы температура жира и щелочного раствора соответствовала заданным параметрам. Понижение температуры может вызвать эмульгирование жира, повышение ее может вызвать закипание щелочного раствора и выброс массы из реактора. При повышении температуры необходимо приостановить работу и снизить температуру реакционной массы.
Жиры и раствор щелочи следует подавать равномерно, без толчков. Во время работы необходимо следить за концентрацией свободной щелочи в растворе. Понижение ее, а также увеличение содержания мыла в мыльно-щелочном растворе может вызвать эмульгирование жира. Как только такое явление обнаруживается, необходимо несколько увеличить подачу раствора щелочи. Когда это явление не было своевременно замечено, необходимо приостановить работу линии и заменить примерно 1/3 мыльно-щелочного раствора.
При переходе к переработке на этих линиях от одного вида жира к другому, как правило, требуется полная смена мыльно-щелочного раствора.
Кратковременная остановка не вызывает необходимости освобождения аппаратуры. Прекращают подачу жира и раствора щелочи, возобновляя ее, когда необходимо снова пустить линию в работу. При длительной остановке, например на ревизию или ремонт, освобождают аппарат, выпуская его содержимое через нижний спусковой кран. Внутреннюю поверхность аппарата промывают из шланга водой.
Щелочная рафинация в аппаратуре периодического действия.
При переработке мелких партий жира, рафинация которых на линиях непрерывного действия неэкономична, применяют аппаратуру периодического действия. Работу ведут по двум вариантам: с водно-солевой подкладкой и без подкладки.
Аппаратурно-технологическая схема. Из коробки, установленной на весах, отвешенная порция рафинируемого жира поступает в нейтрализатор. В нейтрализаторе жир нагревается глухим паром до установленной температуры. В аппарат из мерника, установленного на весах, подается рассчитанное количество раствора щелочи. Образующийся в результате нейтрализации жирных кислот соапсток при отстаивании оседает в конусном дне нейтрализатора. Жир, освобожденный от основной массы соапстока, при помощи вакуума пересасывается в промывочно-сушильный аппарат. Здесь он промывается сначала соляным раствором, поступающим из мерника, затем горячим конденсатом из мерника.
После отстаивания промывную воду спускают через жироловушку в очистную систему канализации. Всплывающий в жироловушке жир поступает в сборный бачок, из которого возвращается на повторную нейтрализацию.
После отделения последней промывной воды жир в том же аппарате высушивается под вакуумом. При необходимости перед сушкой жир может в том же аппарате обрабатываться раствором лимонной кислоты, поступающей из мерника.
Пар, отходящий из аппарата, конденсируется в трубчатом холодильнике. Несконденсировавшиеся газы и воздух откачиваются вакуум-насосом.
Соапсток, отделившийся в нейтрализаторе, сливается в приемник-соапсточник. Здесь при отстаивании из него дополнительно выделяется некоторое количество жира, который насосом 8 возвращается в процесс. Затем соапсток откачивается на обработку.
Основное оборудование. Для щелочной рафинации жиров применяют следующие аппараты.
Нейтрализатор периодического действия служит для нейтрализации жирных кислот раствором щелочи и последующего отделения соапстока методом отстаивания. Аппарат стальной, вертикальный, состоит из цилиндрического корпуса с коническим дном и плоской крышкой. У нижней части цилиндрического корпуса и у конического дна аппарата расположена паровая рубашка. Для перемешивания аппарат снабжен грабельной мешалкой, насаженной на вертикальный вал. Вращение вала осуществляется от электродвигателя через редуктор.
Вертикальный вал состоит из двух частей, соединяющихся между собой кулачковой муфтой, включаемой при помощи рычага. Благодаря этой муфте верхняя часть вала может вращаться в то время, когда нижняя с насаженными на ней лопастями мешалки остается неподвижной.
Верхняя часть вала имеет кольцевую выточку, образующую канал, соединяющийся с насаженными на вал пятью радиально расположенными разной длины улитками. По каналу через улитки в аппарат могут подаваться различные реагенты - раствор щелочи, раствор соли, вода и др. При вращении верхней части вала улитки благодаря разному расстоянию от Центра вала, равномерно распределяют реагенты над неподвижной поверхностью находящегося в аппарате жира. Если по условиям работы необходимо реагенты подавать в аппарат при работающей механической мешалке, то для этого пользуются смонтированными под крышкой душирующими сетками.
Уровень жира в аппарате контролируют при помощи мерной рейки а температуру - по термометру.
После отстаивания нейтрализованный жир осторожно, при помощи шарнирной трубы отсасывается в промывочно-сушильный аппарат. Подъем и опускание шарнирной трубы производится при помощи троса и ручной лебедки. Соапсток выпускается из аппарата через патрубок. Поверхность аппарата покрыта тепловой изоляцией.
Аппарат для промывки и сушки жиров используют для многократной промывки нейтрализованных жиров с целью удаления оставшегося в жире мыла и последующей сушки жира.
Приемник для соапстока предназначен для приемки соапстока, выпускаемого из нейтрализатора, и его первичной обработки с целью уменьшения содержания в соапстоке нейтрального жира. Приемник может иметь различную емкость и разную форму - цилиндрическую с плоским или коническим дном, усеченного конуса со сферическим дном и др.
Для подогрева соапстока в аппарате служит глухой паровой змеевик. Для перемешивания массы в процессе ее обработки в соапсточнике установлена механическая лопастная мешалка или паровой барботер. Подогрев соапстока надо производить осторожно и при перемешивании, чтобы не было перегрева и выброса его из аппарата. Приемник для соапстока снабжен комплектом арматуры и контрольно-измерительных приборов.
Режим щелочной рафинации. Нейтрализатор наполняют жиром, включают механическую мешалку, подогревают жир до установленной температуры. Затем в него вводят расчетное количество раствора щелочи.
При работе со слабым раствором щелочи его нагревают до кипения и равномерно распределяют над неподвижным зеркалом жира через вращающиеся улитки. Раствор щелочи подают постепенно в течение 20-25 минут. Мешалка в это время должна быть выключена во избежание образования эмульсии.
После подачи всего количества раствора щелочи включают механическую мешалку и поднимают температуру жира до 90-95° С. Затем мешалку выключают и дают массе отстояться в течение 4-6 ч. За это время соапсток должен осесть на дно аппарата.
Если соапсток отделяется медленно, то в аппарат рекомендуется добавить через вращающиеся улитки 2-3% от массы жира, нагретого до 95-100° С раствора поваренной соли концентрацией 8-10%.
После отстаивания в нейтрализаторе образуется три слоя: вверху жир, под ним соапсток, и на дне солевой раствор. Жир отсасывается в промывочно-сушильный аппарат, раствор соли спускается через жироловушку в очистную систему канализации. Соапсток передают в приемник.
При правильно проведенной операции нейтрализации остаточное кислотное число не должно превышать 0,25 мг КОН.
При промывке жир нагревают в аппарате глухим паром при перемешивании до 90-95° С. В него при работающей механической мешалке подают через душ нагретый до кипения конденсат или умягченную воду в количестве 8-10% от массы жира. Затем выключают мешалку и дают жиру отстояться в течение примерно 0,7-1 ч. Отделившуюся воду спускают через нижний кран в жироловушку и далее в очистную систему канализации. Промывку повторяют 2-3 раза до полного удаления мыла.
Если в процессе промывки образуется эмульсия (когда вместе с жиром из нейтрализатора захватывается некоторое количество соапстока или эмульсионного слоя), то ее разрушают, медленно и осторожно нагревая жир при перемешивании до 90-95° С в плотно закрытом аппарате под вакуумом. Нельзя форсировать нагрев, чтобы не вызвать вспенивания массы и переброса жира. После разрушения эмульсии заканчивают промывку, добавляя в жир новую порцию промывной воды. Остаток влаги в жире после промывки не должен превышать 0,5-0,6%.
Промытое масло сушат в этом же аппарате при температуре 90-95° С и остаточном давлении 5,3-6 кПа (40-45 мм рт. ст.). К моменту окончания сушки на поверхности жира в аппарате исчезает пена. Труба, по которой отводится пар в конденсатор, становится на ощупь холодной, смотровое стекло не запотевает. Остаток влаги и летучих веществ в жире не должен превышать 0,1-0,15%.
Щелочная рафинация масла различных видов. Режимы рафинации растительных масел различных видов в аппаратуре периодического действия имеют свои особенности.
Кокосовое масло рафинируют следующим образом. Нейтрализатор заполняют маслом и нагревают его до 45-50° С. Нейтрализацию проводят раствором щелочи концентрацией 60-65 г/л. Коэффициент избытка щелочи Кизб=1,1-1,2. Раствор щелочи, нагретый до 40-45° С, вводят через улитки, обеспечивая равномерное распределение его над зеркалом неподвижного масла. После ввода всей щелочи температуру повышают до 55-60° С и медленно перемешивают до образования сравнительно крупных хлопьев соапстока. Масло отстаивается в течение 4-6 ч, затем его пересасывают при помощи шарнирной трубы в промывочный аппарат. Соапсток спускают в приемник.
Одно- или двукратную промывку масла производят при температуре около 90° С конденсатом или умягченной водой, взятой в количестве 8-10% от массы масла. После каждой пpомывки масло отстаивается около 1 ч. Промывную воду спускают через жироловушку.
Для разложения оставшихся следов мыла в промытое масло добавляют 20-25 г/т лимонной кислоты (2-5%-ный раствор). Масло перемешивают с раствором кислоты в течение 20-25 минут. Затем выключают мешалку и дают массе отстояться примерно 1 ч. Оседающий на дно слабый раствор лимоннокислого натрия сливают через жироловушку. Масло в этом же аппарате подвергают сушке под вакуумом по режиму, описанному выше.
Льняное масло рафинируют для получения продукта, отвечающего ГОСТу на лаковые масла. Для этого необходимо удалить из него гидратирующиеся, негидратирующиеся фосфатиды и улучшить его цвет.
При рафинации больших количеств льняного масла можно использовать линию непрерывного действия с сепараторами при обязательной предварительной гидратации масла и обработке его фосфорной кислотой.
При рафинации сравнительно небольших количеств масла применяют аппаратуру периодического действия. Льняное масло подают в нейтрализатор и обрабатывают его при температуре 20-25° С концентрированной фосфорной кислотой (0,05-0,1% от массы масла). Перемешивание ведут в течение 15-20 минут и при этом повышают температуру масла до 50-55° С. Затем в реакционную массу вводят раствор щелочи концентрацией 100-130 г/л при кислотном числе масла до 5 мг КОН и 150-170 г/л, если кислотное число выше 5 мг КОН. Коэффициент избытка щелочи Кизб равен 1,5-2 с учетом расхода на нейтрализацию фосфорной кислоты и желаемого эффекта осветления масла.
После ввода раствора щелочи температуру масла повышают до 65-70° С. Перемешивание продолжают до образования сравнительно крупных, хорошо отделяющихся хлопьев соапстока. Операции промывки и сушки ведут по описанному выше, общему для светлых масел режиму.
В некоторых случаях отрафинированное щелочью льняное масло отбеливают при помощи отбеливающих глин.
Рапсовое и кунжутное масла, особенно с начальным кислотным числом выше 5 мг КОН, часто имеют интенсивную окраску, для разрушения которой рекомендуется предварительно обрабатывать их крепкой серной кислотой.
В масло с начальной влажностью не более 0,5% (чтобы не происходило разбавления серной кислоты) при температуре 25-30° С и при интенсивном перемешивании вводят крепкую серную кислоту, взятую в количестве 0,25-1% от массы масла. Перемешивание с кислотой продолжают 0,5-1 ч. Под действием серной кислоты масло приобретает темно-зеленую окраску. Не спуская образовавшегося гудрона, масло обрабатывают раствором едкой щелочи концентрацией 100-200 г/л с избытком до 100% (Кизб = 2). Затем повышают температуру масла до 55-60° С и продолжают перемешивание до образования хорошо отделяющихся хлопьев соапстока. Иногда для этого в нейтрализатор приходится добавлять 2-3% соляного раствора концентрацией 8-10%.
Операции отстаивания, промывки и сушки ведут по режиму, описанному выше.
Касторовое масло рафинируют по следующему режиму. Масло после гидратации нагревают до 65-70° С и обрабатывают раствором едкой щелочи концентрацией 50-120 г/л. Избыток щелочи от 20 до 50% (Кизб = 1,2-1,5). Температура раствора щелочи 90-95° С. Его вводят через распылители при медленном перемешивании механической мешалкой. После ввода всей щелочи добавляют в аппарат 2-3% солевого раствора концентрацией 8-10%. Отстаивание длится 6-10 ч.
Иногда касторовое масло рафинируют раствором кальцинированной соды концентрацией 180-230 г/л с избытком 70-80%. Температура масла при рафинации кальцинированной содой 30-35° С. Рафинацию его надо вести осторожно из-за способности образовывать с водой довольно стойкие эмульсии.
Щелочная рафинация с водно-солевой подкладкой. При щелочной рафинации с водно-солевой подкладкой в аппаратуре периодического действия меняется режим работы.
Метод щелочной рафинации с водно-солевой подкладкой основан на растворимости в слабом растворе соли мыла и практически полной нерастворимости в нем нейтрального жира. Такую рафинацию применяют для нейтрализации пищевого саломаса и гидратированного подсолнечного масла с начальным кислотным числом КЧн до 5 мг КОН.
В начале процесса жир нагревается в нейтрализаторе (при: перемешивании) глухим паром до температуры 95° С. В нагретый жир вводится кипящий раствор соли концентрацией 0,8-1,3%. Количество раствора соли зависит от начальной кислотности жира: чем она выше, тем больше требуется раствора соли. Это обусловлено тем, что общее содержание жира в солевом растворе к концу операции нейтрализации не должно превышать 10-12%. Практически на каждый 1 мг КОН (начального кислотного числа жира) требуется 60 л раствора соли на 1 т жира.
При низком кислотном числе жира вводят не менее 100 л. солевого раствора на каждую 1 т жира.
Вводимый раствор соли оседает в конусе нейтрализатора, образуя там водно-солевую подкладку. Затем в нейтрализатор вводят через вращающиеся улитки при выключенной механической мешалке нагретый до кипения раствор едкой щелочи концентрацией 40-45 г/л. Избыток щелочи сверх теоретическогс принимается 5-10%. После ввода раствора щелочи содержимое нейтрализатора отстаивается в течение 2-3 ч. За это время все мелкие хлопья соапстока опускаются вниз и растворяются в солевом растворе. Отстоявшийся жир при помощи осторожно опускаемой шарнирной трубы пересасывают вакуумом в промывной аппарат на промывку и сушку.
Между отстоявшимся жиром и солевым раствором часто образуется небольшой, высотой 1-2 см, слой эмульсии жира в воде. При пересасывании жира следят за тем, чтобы эмульсия не попала в промывной аппарат, так как это затруднит промывку. Образование большого промежуточного слоя свидетельствует о том, что был нарушен режим рафинации или в переработку поступило масло с высоким содержанием фосфатидов.
После откачки жира соапсток спускают в приемник Эмульсионный слой сливают в отдельный приемник и обрабатывают его солью для разрушения эмульсии. Выделяющийся при этом нейтральный жир возвращают на повторную рафинацию.
Промывку и сушку жира проводят по такому же режиму, как и в схеме щелочной рафинации в аппаратуре периодического действия.
С целью снижения отходов нейтрального жира в соапсток и соответственно увеличения выхода рафинированного жира, что повышает эффективность производства, применяют гидротропные добавки.
Все операции щелочной рафинации с гидротропными добавками проводят по одному из режимов описанных выше при работе на линиях с сепараторами или водно-солевой подкладкой.
Гидротропной добавкой является сульфат натрия. Его добавляют в щелочной раствор примерно 3% от массы раствора. Сначала готовят раствор щелочи нужной концентрации. Затем в него при хорошем перемешивании вводят порциями сухой сульфат натрия. Перемешивание можно вести механической мешалкой, острым паром или сжатым воздухом, наблюдая, чтобы на дне аппарата не оставался нерастворенный осадок.
Во время растворения сульфата натрия необходимо соблюдать правила по технике безопасности, установленные для работы с агрессивными жидкостями.
Качественные показатели продуктов щелочной рафинации
В результате щелочной рафинации жиров уменьшается их кислотное число. Одновременно улучшается их цвет и удаляются механические примеси.
Остаточное кислотное число у всех рафинированных щелочью масел не должно превышать 0,3-0,4 мг КОН. Лишь в касторовом масле допускается кислотное число до 1,6 мг КОН. С такими показателями масло должно поступать к потребителям.
Рафинированные щелочью масла не должны содержать отстоя. Этот важный показатель характеризует товарное качество масла. Остаток влаги и других летучих веществ в рафинированном масле должен быть не более 0,1-0,25%. Превышение этого показателя может вызвать повышение кислотности масла при хранении и ухудшение других его показателей. Следовательно, сушка является обязательной для всего товарного масла.
В процессе щелочной рафинации получаются утилизируемые отходы - соапсток и жир из ловушек, а также безвозвратные потери. Количество отходов и потерь нормируется. Нормы устанавливаются вышестоящей организацией в зависимости от качества перерабатываемого сырья и применяемого метода щелочной рафинации. Они периодически пересматриваются в соответствии с совершенствуемой технологией и достижениями передовиков производства.
Отходы при промывке всех жиров и масел после щелочной рафинации в настоящее время принимаются в среднем 0,2% от массы жира. Безвозвратные потери при промывке жиров и масел установлены в среднем в размере 0,2% и при сушке 0,005%.
Приведенные выше нормы отходов и потерь при щелочной рафинации являются предельными. Передовые предприятия, борясь за улучшение экономических показателей производства, на основе точного соблюдения технологических режимов и правильного ухода за оборудованием добиваются снижения количества отходов и потерь на стадии щелочной рафинации (по сравнению с действующими нормами).