5.8. Общая технологическая схема придания туалетному мылу товарного вида
Такая схема приведена на рис. 38. Сваренную в котле 21, основу туалетного мыла насосом 22 перекачивают в мылосборник 1, а из него подают на холодильный барабан 2, обычно устанавливаемый на сушильной камере, адсорбируясь на поверхности которого, мыло охлаждается в тонком слое.
Срезанное с барабана скребковым ножом, в виде тонкой стружки, мыло далее подают в ленточную воздушную сушилку 3, где высушивают горячим воздухом, подаваемым вентилятором 4 до остаточной влажности 15–20%мас.
Из сушилки, высушенная мыльная стружка, транспортером 5 поступает на темперированные вальцы 6, где она частично охлаждается, уплотняется на вальцах и с вальцов сходит в виде стружки-комков гофрированной формы.
С вальцов, образующуюся стружку, системой шнеков 7 и 8 и норией 9 подают в запасные бункеры 10, рассчитанные на односменный запас, в которых влажность стружки, за счет диффузии влаги из менее высушенных частей в сухие, частично выравнивается. Иногда транспортировку стружки осуществляют пневмотранспортом, совмещая процесс транспортировки с охлаждением. В таком случае, необходимость в темперированных вальцах отпадает.
Рис. 38. Схема поточного производства туалетного мыла
Из бункера, взвешенные на весах 11, порции стружки поступают в смесительную машину 12, куда добавляют краситель, отдушку, окись цинка и другие компоненты рецептуры. Всю смесь тщательно перемешивают, а затем выгружают на ленточный транспортер 17 и передают на две, последовательно установленные и работающие, пилирующие вальцовки 13 и шнек-пресс 14 для остаточного пилирования мыла и спрессовывания его в брус, который выходит из шнек-пресса в виде непрерывного бруса и, одновременно, на резальной машине 15 режется на куски нужного размера.
Затем, отрезанные куски мыла направляют на сетчатый конвейер 16, где их обдувают холодным воздухом, и охлаждают. При подсушивании на поверхности куска образуется корка, обеспечивающая четкость изображенных надписей и рисунка, при последующей обработке в штамповочных прессах.
После штамповки в прессе 18, мыло ленточным конвейером 19 передают на мыло упаковочную машину 20 и уже готовое упакованное мыло, пачками по 20 кусков, укладывают в картонные коробки и отправляют на склад.
В процессе охлаждения и сушки жидкой мыльной массы, содержание в ней жирных кислот повышается с 60–62%мас. до72–80%мас., т.е. растет качественное число.
Для получения качественного мыла, стружка должна иметь одинаковую блестящую поверхность, быть толщиной не более 0,5 мм, что исключает наличие пороков (чешуи, трещин и т.д.) в готовом куске мыле. Как более толстая, так и тоньше 0,2 мм стружка не желательна, поскольку, при большей разнице толщин наблюдается разная влажность частиц, а значит и разное содержание жирных кислот.
При использовании очень тонкой стружки, в большей степени протекают реакции свободной щелочи с углекислотой воздуха, которые сопровождаются частичным разложением мыл с образованием доли кислых мыл.
а) Охлаждение и сушка мыл
Раньше мыльную основу охлаждали из расплава (90–950С) до конечной температуры (30–350С) на, охлаждаемых водой, барабанах или на вальцовках, состоящих из 3-х пар расположенных один над другим, полых и охлаждаемых водой чугунных валов, которые вращались с различной скоростью. Это создавало эффект сдвиговых усилий в уплотняемой мыльной массе, обеспечивало ее гомогенизацию и пилирование (разрушение крупных кристаллических структур).
Жидкое мыло из мылосборника, через питающую воронку, направлялось на верхнюю пару валов и, попадая в зазор между валами, охлаждалось на их поверхности; с обратной стороны вала, уже полузастывшая, мыльная пленка снималась с вала в виде стружки специальным ножом и падала в зазор на нижележащую пару валов, где процесс повторялся. С нижней пары валов стружка мыла направлялась в сушилку.
Несколько позже, была разработана более совершенная и эффективная конструкция аппарата с одним барабаном (диаметр 1,2 м; l=1,5 м ), аналогичная холодильному барабану, широко используемому в маргариновом производстве (рис. 39).
Рис. 39. Разрез ленточной сушильной машины с холодильным барабаном
Расплавленную мыльную массу, попадающую в обогреваемое корыто 3, забирает вращающимся валиком 2 и переносит тонким равномерным слоем на вращающийся, охлаждаемый барабан 1, смонтированный на станине 4. Холодильный барабан охлаждают водой, имеющей температуру <12–150С на входе и 16–220С на выходе.
За один оборот барабана (3 с), расплав мыла охлаждают полностью и за счет 3-х гребенчатых ножей непрерывно снимают с его вращающейся поверхности в виде стружки (L=40–50 мм, h до 15 мм ).
Холодильный барабан 1 смонтирован на каркасе сушилки таким образом, чтобы снимаемая с его поверхности ножами охлажденная стружка падала непосредственно на верхнее полотно сушилки, распределяясь слоем толщиной 30–35 мм.
В сушилке, закрытой со всех сторон металлическим каркасом, движется 6, расположенных одно над другим, полотен. Два из них верхние и нижнее 6 сетчатые (из оцинкованной или нержавеющей стали с размером ячеек 8–10 мм). Остальные четыре сушильных полотна 7 состоят из серии опрокидывающихся сетчатых рамок 8, которые шарнирно закреплены на 2-х ролико-втулочных цепях; натянутых на звездочки 10. Прочно прилегая друг к другу, рамки образуют горизонтальное полотно для перемещения слоя мыльной стружки. При движении цепи, рамки движутся вместе с ней, скользя по деревянным шинам 9, постоянно удерживаясь в горизонтальном положении. Не доходя до края сушилки, деревянная шина обрывается, что приводит к опрокидыванию рамки вместе со стружкой. Стружка, таким образом, пересыпается на нижележащую часть полотна, формируя стружечный мыльный слой на горизонтальной части полотна, движущейся в обратном направлении.
При подходе нижерасположенного полотна до противоположного края сушилки, рамка снова опрокидывается, пересыпая стружку на еще ниже расположенное полотно и т.д. Для эффективной сушки, мыльная стружка должна быть распределена по полотну равномерно по ширине и обдувающий ее воздух также должен равномерно поступать во все зоны сушилки.
Следует также помнить, что в такой сушилке, наряду с сушкой, одновременно дезактивируется, находящаяся в мыле свободная щелочь, взаимодействуя с углекислотой воздуха с образованием менее активной кальцинированной соды, по уравнению:
Воздух на сушку подают вентилятором 12 по каналу 14, предварительно нагревая до температуры 50–600С в калорифере 13.
Отработанный воздух, с температурой 35–400С и влажностью 55–65%, по каналу 16 отсасывают вентилятором 7 и выбрасывают в атмосферу.
Несколько позднее, для повышения эффективности сушки, между полотнами были установлены дополнительно калориферы 11. За счет того, что воздух нагретый в калориферах 13, поднимаясь снизу и соприкасаясь со стружкой, насыщается влагой и охлаждается, его влагоемкость падала. При соприкосновении такого воздуха с дополнительно установленными калориферами 11, он вновь нагревается, его влагоемкость возрастает и эффективность сушки, в выше расположенных этажах сушильной установки, повышается.
Скорость движения полотен в сушилке регулируют через вариатор скоростей, что позволяет обеспечивать время пребывания стружки в ней 18, 21, 25 и 32 мин.
Выходящую, подсушенную стружку с температурой 28–300С, покрытую тонкой сухой пленкой, препятствующей испарению влаги, охлаждают и одновременно уплотняют, пропуская через темперированные вальцы (рис. 40) и далее направляют в бункер.
Рис. 40. Темперировочная вальцовая машина: 1 – станина; 2 – чугунный полный вал; 3 – загрузочная воронка для стружки; 4 – ножи для снятия стружки с вала 2; 5 – чугунный полный вал; 6 – штурвал управления зазора между валами; 7 – электродвигатель привода машины; 8 – клино-ременная передача от привода; 9 – приводной шкив
Темперированные вальцы представляют собой две пары чугунно-полых валов 2 и 5, диаметром 600 мм и 322 мм, длинной 900 мм со скоростью вращения 40 и 13 об/мин, смонтированных на станине 1. Зазор между валами составляет 0,2–0,25 мм. Стружка, попадая в загрузочную воронку 3 между вращающимися валами (больший охлаждают водой) перетирается и уплотняется.
Гребенчатые ножи 4 срезают стружку с вала большого диаметра 2, в виде рыхлых гофрированных комков толщиной 10–15 мм и легко распадающихся при нажиме, c насыпной массой 0,4–0,5 т/м3 .
б) Смешивание мыльной стружки с различными добавками
Смешивание и предварительную гомогенизацию мыльной стружки с различными рецептурными добавками осуществляют в смесительной машине рис. 41. Для этого, поступающую из бункера стружку, взвешивают на порционных автоматических весах (каждая порция на разовую загрузку смесительной машины) установленных непосредственно над смесительной машиной. Весы устанавливают либо в стационарном положении, либо так, что они могут передвигаться с помощью роликов (сначала на взвешивание стружки к бункеру, а затем для разгрузки в смесительную машину). Когда масса загружаемой стружки в короб весов достигнет требуемой, автоматически выключают шнек, подающий стружку из бункера и ее подача прекращается.
Рис. 41. Общий вид установки полуавтоматических весов и мешальной машины для мыла
Коробку со стружкой разгружают в смесительную машину поворотом рычага, раскрывающим дно коробки. В смесительную машину емкостью 800–1000 л, в соответствии с рецептурой, загружают и другие добавки, после чего, включают привод мешалки с фигурной лопастью и проводят предварительную грубую гомогенизацию смеси в течении 5-7 мин.
Для обеспечения равномерного смешивания мыльной стружки с добавками, их добавляют в смеситель после загрузки стружки, при работающей мешалке. Гомогенизированную смесь, через открываемый люк в днище, выгружают на ленточный транспортер и передают на пилировочные вальцовки или шнек-прессы.
в) Пластификация мыльной смеси (пилирование)
Пластическая обработка мыльной смеси весьма важная операция в изготовлении туалетного мыла. При ее осуществлении, обычно, проявляются все нарушения в технологии, допущенные на предыдущих этапах.
Правильно пилированное мыло, на выходе из шнек-пресса, образует мыльный брус нормального вида, с блестящей, ровной поверхностью, без трещин, полос, чешуи, шероховатости, задиров, без вкраплений на поверхности бруса, пятен краски, налета, выпотевании и др. Формируемый брус является достаточно пластичным и не ломается при изгибе или скручивании, не дает трещин; в разрезе одинаково плотный по сечению, в нем не обнаруживается неуплотненая сердцевина.
Если в исходной рецептуре отсутствовали жирные кислоты с 12–14 углеродными атомами в цепи жирнокислотного радикала или было введено недостаточное количество жирового сала или других жиров, содержащих пальмитиновую кислоту, то при пилировании туалетной основы, наблюдаются различные затруднения: при наличии избытка электролитов мыло делается хрупким, растрескивается при хранении, иногда появляется белый налет на поверхности.
Немаловажным фактором получения качественного мыла является влажность стружки. Из стружки повышенной влажности (и соответственно при содержании жирных кислот менее 72%мас.) мыло получается мягким и липким; поверхность выходящего бруса матовая и покрыта полосами, а само мыло плохо хранится, особенно при низких температурах (портится).
При пересушивании стружки (при содержании жирных кислот выше 80%мас.), получаемое мыло малопластичное, трудно спрессовывается в шнек-прессе в плотный брус.
Особенно трудно перерабатывается смесь стружки с разной величиной влажности. Рекомендуют такую смесь предварительно выдержать 6–12 час, чтобы влага из более влажной стружки продиффундировала в сухую и усреднилась.
Сама операция пластификации заключается в следующем: предварительно гомогенизованную с отдушкой, красителями и другими добавками, мыльную стружку подвергают обработке на агрегатах, состоящих из вальцовок (пилировочных машин рис. 42) и шнек-пресса. При такой обработке, мыло приобретает необходимую мелко кристаллическую структуру, гомогенизируется, уплотняется и спрессовывается в брус. На первой стадии, при проходе мыльной стружки между вращающимися в разные стороны и с неодинаковой скоростью валками, стружечная масса пластифицируется и превращается в тонкую ленту. При этом, как показано работами проф. Б.Н. Тютюнникова, происходит дробление крупных кристаллов на мелкие, вытягивание и ориентация их вдоль действующих сдвиговых усилий, что приводит к расположению таких образований, в основном, параллельно друг другу.
Рис. 42. Пилировочная машина: 1 – станина; 2 – пустотелые валы (4 шт.); 3 – воронка загрузки стружки; 4 – питательная воронка шнек-пресса; 5 – шнек шнек-пресса; 6 – труба для подачи охлажденной воды внутрь; 6 – решетка – гомогенизатор; 8 – электропривод двигателя; 9 – штурвалы управления зазорами между валами; 10 – приводной шкив; 11 – гребенчатый нож, для снятия и дробления мыльной пленки с вала
А это, в свою очередь, способствует улучшению внешнего вида мыла, его пластичности, растворимости в воде в процессе использования по назначению.
Практически, к аналогичному результату приводит и обработка мыла в шнек-прессе.
На рис. 42 показана конструктивная схема вальцевой машины, используемой для пластической обработки мыла. Такая машина состоит из 4-х пустотелых валов 2 (диаметром 322 мм и длиной 900 мм) из закаленного чугуна, укрепленных на станине. Валы приводятся во вращение с разной скоростью: 21, 52, 101, 167 об. в мин, начиная с нижнего. Три верхних вала расположены в одной вертикальной плоскости, 4-й (нижний) смещен в сторону на 600. По трубе 6, во внутреннюю полость валов, подводят охлаждающую воду с температурой 16–180С.
Зазор между валами уменьшается снизу вверх и у последней пары должен составлять не более 0,3 мм (оптимально 0,1–0,2 мм).
Поступающая, через воронку 3, мыльная стружка, захватывается нижней парой валов 2, перетирается и прилипает к валу. Пройдя три раза между валами она пластифицируется и в виде бесконечной тонкой ленты ее снимают гребенчатым ножом с верхнего вала, дробят на комки, сбрасывают в питающую воронку 4 шнек-пресса.
В шнек-прессе имеется вращающийся шнек, который дополнительно, еще раз перемешивает, гомогенизирует и уплотняет мыльную массу, улучшает ее структуру перед передачей с одной машины на другую. Шнек, вращаясь со скоростью 10 об/мин. спрессовывает мыльную массу, продавливает ее через решетку 7 с отверстиями 9 мм. в виде «вермишели», которую режут ножом 11 на кусочки длинной 3–5 см. Отрезанные кусочки «вермишели» передают или на следующую вальцовую пилирующую машину или на шнек-пресс. Регулирование зазоров между валами вальцевой пилирующей машины проводится вручную.
Поддержание температурного режима мыльной туалетной массы на всех стадиях, являют определяющим и оказывает большое влияние на получаемую структуру и пластичность мыла.
Для нормальной мыльной рецептуры, когда в жировой основе содержится более 6 или 7%мас. жирных кислот с 12–14 атомами углерода, в структуре, стружечная масса на вальцепилировочные машины должна подаваться с температурой <250C, а в конце пилирования ее, снимают с валков с температурой <30–330С.
Слишком высокое давление и температура мыльной массы при пилировании (сверх оптимальных параметров) может вызвать рекристаллизацию мыла и, как следствие, понизить его твердость, вызвать появление пузырей и других дефектов.
Температура ниже оптимальной приводит к стеклованию мыла, затруднениям с его гомогенизацией, к понижению пластичности и проявлению ряда негативных явлений в виде тех или иных дефектов.
Эскиз одношнековой шнек-пресс пилотезы, для пластической обработки туалетного мыла показан на рис. 43.
Рис. 43. Одношнековая машина для туалетного мыла: 1 – станина; 2 – картер; 3 – привод с шестернями; 4 – цилиндр шнек-пресса; 5 – шнек со скоростью вращения 14–16 об./мин; 6 – рубашка охлаждения водой; 7 – съемная коническая головка; 8 – рубашка обогрева; 9 – электрический подогрев; 10 – решетка, гомогенизатор; 11 – мундштук; 12 – загрузочный бункер
Основной частью машины являют чугунный винт 5 диаметром 300 мм с переменным шагом от 320 до 160 мм при развиваемом давлении 4 МПа. Винт расположен в чугунной капсуле 4 с водяной рубашкой охлаждения 6. К кожуху крепится коническая головка 4 с рубашкой 8 обогреваемой электрическими элементами 9. Между кожухом и головкой установлена решетка 10, представляющая собой диск с круглыми или шестигранными отверстиями. В конической головке, на выходе, установлена шайба-мундштук 11 для формования выходящего из машины бруса, в конфигурацию любой заданной формы: прямоугольной, круглой, овальной и т.д.
Мыльная смесевая масса, при температуре 25–300С, с последней пилировочной машины, поступает в воронку 12 шнек-пресса, попадает на, вращающийся со скоростью 16 об/мин, шнек 5, который проталкивает ее к решетке, и одновременно, благодаря переменному шагу лопастей, уплотняет. Переходя из цилиндрической части в коническую, мыло еще сильнее уплотняется; в нем происходит однонаправленная (по действию силового поля) ориентация раздробленных кристаллов мыла и, проходя через мундштук, оно окончательно уплотняется и далее выходит уже в виде бесконечного бруса.
При прохождении мылом центральной цилиндрической части, оно через стенки рубашки охлаждается до 14–150С; проходя коническую головку, наоборот, нагревается до 30–400С, для того, чтобы поверхность выходящего бруса имела подплавленную, блестящую, без полос поверхность.
Чрезмерный перегрев головки приводит к появлению таких дефектов как например, пузырей. Требуемая оптимальная температура мыла в головке при формовании бруса зависит от жирового состава мыла, влажности его и подбирается опытным путем.
Брак, образующийся во время вывода машины на режим, возвращают в загрузочную воронку шнек-пресса на повторную обработку.
г) Резка брусков мыла и сушка кусков
Перед резкой, выходящее из шнек-пресса, мыло берут на анализ на содержание в нем жирных кислот. В соответствии с полученным анализом, в головке шнек-пресса устанавливают мундштук такого сечения, чтобы готовые куски мыла имели качественное число, соответствующее стандарту.
Резку, непрерывно выходящего из мундштука бруса на куски, осуществляют на автоматической мылорезальной машине рис. 43 или изображенной ранее на рис.36.
Резка, с использованием резальной машины рис. 44, заключается в следующем: выходящий из мундштука шнек-пресса брус непрерывно поступает на резку в машину. Вертикальные ролики 4 направляют брус вдоль подвижной каретки 6 до упора, пока брус не упрется в ролик 5, одновременно приводя в движение резальный механизм машины.
Рис. 44. Автоматическая резальная машина для туалетного мыла
В этот момент, нож 9 отрезает брус мыла и отделяет его от массы, выходящей из пресса, а каретка, отходя в сторону передает отрезанный брус на ниже расположенный стол 10; возвратным движением каретка толкает брус мыла на натянутые на рамке 2 струны 3, которыми он разрезает брус на куски заданной длины. Далее, куски мыла поступают на транспортер. Транспортер 8 собирает обрезки мыла и отводит их к сборной коробке, откуда их передают обратно в шнек-пресс.
Затем куски мыла подсушивают, на непрерывно движущемся со скоростью 1,5–1,6 м в мин., сеточном конвейере (рис. 45), между машиной для резки и прессами для штамповки мыла.
Рис. 45. Схема сушильного транспортера: 1 – металлический каркас; 2 – приводной валик; 3 – натяжной валик; 4 – панцирная сетка; 5 – воздуховоды (2 шт.); 6 – вентилятор всасывающий; 7 – вентилятор всасывающий; 8 – электродвигатель; 9 – редуктор; 10 – цепная передача привода приводного валика; 11 – куски мыла на сеточном полотне
При этом мыло обдувают воздухом комнатной температуры, благодаря чему температура поверхностного слоя охлаждается на 3–40С; на поверхности образуется сухая корочка, необходимая для осуществления качественной штамповки.
д) Штамповка нарезанных кусков мыла
Каждый кусок туалетного мыла штампуют на механических прессах, придавая куску желаемую форму (прямоугольную, овальную, круглую, фигурную и т.д.), а также делая оттиск в соответствии с требованиями ТУ (название, завод изготовитель и т.д.)
Для получения кусков высокого качества необходимо, чтоб на их поверхности не было заусениц, трещин, выбоин; надписи и рисунки должны быть четкими. Штамповку осуществляют на механических прессах различных типов и конструкций с автоматической подачей и выбросом готовых кусков.
Схема работы механического пресса c вертикальной загрузкой показана на рис. 46.
Рис. 46. Схема работы вертикального мылоштамповального пресса
Основная часть пресса- штамп состоит из 2-х пунсонов 7 и матрицы 4. Пунсоны приводятся в движение (возвратно-поступательное) от эксцентрика. К обоим пунсонам прикреплены бронзовые или пластмассовые доски с гравированным рисунком и текстом. За процесс штамповки верхний и нижний пунсоны отштамповывают на куске мыла текст – рисунок и в то же время сжимают мыло в матрице так, что оно заполняет собою всю матрицу и приобретает форму, соответствующую оттиску матрицы.
Подачу мыла в матрицу, штамповку и выбрасывание осуществляют автоматически. Исходные нарезанные куски мыла вручную закладывают стопкой в кассету 1, без дна. Толкач 2, в определенный момент, при подъеме пунсона, уходит вправо, позволяя очередному куску, из кассеты 4, упасть на горизонтальную площадку 3. Возвращаясь, толкач передвигает кусок мыла в матрицу 4, одновременно выталкивая на ленту 5, отштампованный кусок мыла 6. И далее цикл повторяется.
В настоящее время широко используют высокопроизводительные прессы с 2, 3 и 4 параллельно работающими штампами при скорости 40–42 штамповки в минуту.
Чтобы мыло не прилипало к поверхности штампов, его поверхность перед прессованием слегка смачивают раствором глицерина или NaCl.
Схема работы высокопроизводительных современных прессов показана на рис. 47–48.
Рис. 47. Мылоштамповальный пресс с горизонтальным ходом
Рис. 48. Схема работы пресса для штамповки мыла с горизонтальным ходом
Металлическая плита 1 вращается вокруг горизонтального приводного вала 2. В плите имеется 8 гнезд 3. Когда рамка находится в положении I, два толкателя 4 автоматически забирают с подающего ленточного транспортера 2 куска мыла и подают в гнезда. При повороте рамки на 900, т.е. в положение II; два боковых пуансона 5 штампуют мыло; при следующем повороте (положение III) отштампованные куски мыла выталкиваются толкателем 6 на отводящий ленточный транспортер.
Производительность такого пресса от 80 до 120 ударов в мин или до 10000–15000 отштампованных кусков мыла в час.
е) Завертка и упаковка готовых кусков мыла
Некоторые сорта туалетного мыла после штамповки упаковывают в художественно оформленные бумажные этикетки, целлофан, алюминиевую фольгу, термоусадочную полимерную пленку. Последнее направление обеспечивает герметичность упаковки, ограничивает доступ кислорода воздуха, благодаря чему пролонгируется сохранение запаха, используемой отдушки и задерживается начало окислительных реакций, приводящих к появлению прогорклого запаха.
При упаковке в бумажные этикетки, мыло сначала заворачивают в тонкую бумагу (подпергамент, массой 20–25 г/м2 ), затем в полоску плотной бумаги массой 100–200 г/м2, защищающий кусок мыла от механических повреждений, и только затем, в красочную этикетку, массой 70–80 г/м2. Концы этикетки завертывают и заклеивают.
При использовании в качестве упаковки целлофана или полимерной пленки, следует помнить, что помимо их положительных качеств, после использования мыла, выбрасываемая такая упаковка в настоящее время не утилизируется и служит одним из основных загрязнителей окружающего пространства. Разложение такой упаковки в естественных условиях требует до 300–500 лет с выделением весьма токсичных продуктов, которые растворяясь в воде, затем попадают с ней в организм человека.
Упакованное мыло укладывают в коробки. Для вагонных норм отправки, коробки укладывают в ящики и затаривают.
В последние годы, на действующих мыловаренных заводах или вновь вводимых в действие, внедряют новые схемы непрерывного производства туалетного мыла. Вместе с тем, основные закономерности технологии остаются старыми, хотя конструкции отдельных механизмов, аппаратов, узлов могут отличаться.