Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von körnigen Alkaliphosphaten
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von körnigen Alkaliphosphaten, insbesondere von Alkalitripolyphosphaten und Alkalipyrophosphaten, als Alkaliphosphatlösungen oder -suspensionen, durch Versprühen der Ausgangsprodukte.
Bei solchen Sprühtrocknungsverfahren, die auch mit dem Ablauf chemischer Prozesse verbunden sein können, pflegt man Düsen zu verwenden, die aus drei konzentrisch zueinander angeordneten Ringräumen bestehen, deren Austrittsöffnungen entsprechend konzentrisch angeordnete Ringspalte bilden.
Bei Sprühtrocknungsverfahren, insbesondere solchen bei denen die versprühte Substanz chemisch verändert werden soll, wie z.B. bei der Kondensation von Alkaliorthophosphaten zu Alkalipolyphosphaten, ist es erforderlich, die eingesetzte Substanz in einer engbegrenzten Tropfengrösse zu versprühen. Aus diesen Tropfen entsteht dann das gewünschte Endprodukt in Pulver- oder Hohlkugelform mit einer bestimmten Körnungslinie. Solche Sprühverfahren bzw. Sprühtürme zur Durchführung dieser Verfahren sind beispielsweise in den deutschen Patentschriften 1097421 und 1 018 394 beschrieben.
An die Tropfengrösse bzw. Körnungslinie des anfallenden Pulvers sind oft bestimmte Eigenschaften des Produktes gebunden, die für dessen Verwendungsfähigkeit von ausschlaggebender Bedeutung sein können.
Weiterhin kann die Körnungslinie des erzeugten Pulvers für den reibungslosen Ablauf des Sprühprozesses selbst von fundamentaler Bedeutung sein. Mengendurchsatz im Sprühturm, Materialtransport und Bedienungsaufwand sind weitgehendst von einer bestimmten Körnung abhängig. Fällt nämlich in einem Sprühturm ein zu grosses Korn an, dann erfolgt der Wasserentzug unvollständig, das Pulver backt im Turm zusammen, es bilden sich Krusten und Schollen, diese wiederum verhindern einen kontinuierlichen Materialaustrag, und der Sprühprozess kommt unweigerlich zum Stillstand.
Aus wirtschaftlichen Erwägungen heraus ist man aber bemüht, den Durchsatz eines Sprühturmes nach Möglichkeit zu steigern. Erhöht man jedoch die Leistung einer gut arbeitenden Sprühdüse über eine zulässige Grenze, so lässt die Sprühwirkung nach, und die Tropfen werden grösser. Es treten dann entweder-die vorher beschriebenen Schwierigkeiten im Betriebsablauf ein, oder man ist gezwungen, den Sprühturm so weit zu vergrössern, dass auch grössere Tropfen einen genügend weiten freien Raum zur Trocknung vorfinden. Es herrscht daher in Fachkreisen die Ansicht, dass Sprühtürme mit grösserer Leistung auch ein grösseres Volumen aufweisen müssen.
Es hat sich nun überraschend gezeigt, dass Sprühtürme bekannter Bauart bei unverändertem Volumen einen praktisch unbegrenzten Durchsatz gestatten, wenn die erforderliche Flammentemperatur durch genügende Brenngas- und Frischluft-Zufuhr gesichert ist, und die Ausgangssubstanz bis auf die nötige Tröpfchengrösse versprüht werden kann.
Einstoffdüsen, die mit einem hohen Lösungsdruck arbeiten, eignen sich für hohe Leistungen und zugleich feine Versprühungen nicht gut. Wenn man durch eine einzige Düse 5 m3 Lösung versprühen will und dabei eine Feinheit des Einzelkornes von 95% unter 0,1 mm Durchmesser verlangt, kann man eine Einstoffdüse nicht benutzen. Man würde hierzu Lösungsdrucke über 200 atü benötigen. Man hat für diese Lösungsmengen Zweistoffdüsen entwickelt, die, mit Druckluft oder Druckdampf als Sprühmittel, eine Leistung von 5 m3/h und im Grenzfall bis 7 m3 Lösung/h erreichen. Höhere Leistungen bei gleicher Feinheit des Kornes waren zwar erwünscht, konnten aber bisher nicht erhalten werden.
Man war bemüht, bei kleinstmöglichem Lösungsspalt den Lösungsdruck zu erhöhen, um die Leistung zu steigern, aber bereits Druckerhöhungen von 0,5 atü liessen die Tropfengrösse soweit ansteigen, dass die Anbackungen im Turm ein Ausmass erreichten, die einen normalen Betrieb unmöglich machten. Man arbeitet hier bei mit Druckdampf oder Druckluft von 6 atü, wie er normalerweise in Betrieben zur Verfügung steht.
Es wurde nun überraschenderweise gefunden, dass sich die mit den bekannten Sprühverfahren erzielbaren Leistungen verbessern lassen, wenn man mit dem Druck, mit dem die Ausgangslösung oder -suspension aus der Sprühdüse gedrückt wird, ebenfalls den Druck des Sprühmediums erhöht und die Ausbreitung des Sprühkegels durch entsprechende Anordnung der Düsenöffnungen reguliert.
Auf diesem Wege kann man beispielsweise die Lei sturz einer Düse von 7 m3/h bei Drucken von 0,3 atü auf die Ausgangssubstanz und 6 atü auf das Sprühmedium, auf Mengen von 10 bis 20 m3/h bei Drücken von 1 bis 10 ataü bzw. 10 bis 30 atü erhöhten.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung von körnigen Alkaliphosphaten, insbesondere von Alkali tripolyphosphaten und Alkalipyrophosphaten, aus Alkaliphosphatlösungen oder -suspensionen durch Versprühen der Ausgangsprodukte in einem Turm mittels einer Düse durch eine, von einem Brennerkranz erzeugte Flammenzone, wobei die Düse aus drei konzentrisch zueinander angeordneten Ringräumen besteht, deren Austrittsöffnungen konzentrische Ringspalte sind und wobei man durch den mittleren Ringraum die zu versprühende Lösung oder Suspension und durch die inneren und äusseren Ringräume ein Sprühmedium führt,
ist dadurch ge kennzeichnet. dass die Verdüsungsrichtung des mittleren und des inneren Ringspaltes in bezug auf die Düsenmittelachse auswärts gerichtet und die Verdüsungsrichtung des äusseren Ringspaltes in Richtung auf den Verdüsungsstrahl des mittleren Ringspaltes abgewinkelt ist, wobei man durch Variation des Druckes im äusseren Ringraum sowie durch Anordnung des äusseren Ringspaltes derart, dass die Längsmittelachsen des äusseren und des mittleren Ringspaltes einen Winkel von 10 bis 1100, einschliessen, den aus der Düse austretenden Sprühkegel so reguliert, dass sein Durchmesser in der darunterliegenden Ebene des Brennerkranzes kleiner als dessen Durchmesser ist.
Zweckmässigerweise hält man dabei solche Bedingungen ein, dass der Druck auf das Sprühmedium im inneren und äusseren Ringraum mindestens gleich dem Druck auf die zu versprühende Lösung oder Suspension ist, wobei vorteilhafterweise der Druck auf das Sprühmedium im äusseren Ringraum mindestens gleich und der Druck auf das Sprühmedium im inneren Ringraum mindestens doppelt so hoch ist, wie der Druck auf die zu versprühende Lösung oder Suspension im mittleren Ringraum der Düse. Als Sprühmedium kann Dampf und leder Luft benutzt werden.
Zwischen den Drücken in den einzelnen Ringräumen gelten beispielsweise die folgenden Beziehungen:
Druck auf Lösung im Druck auf Sprühmedium im mittleren Ringraum inneren Ringraum äusseren Ringraum
2.0 atü 4 atü 3 atü
2.5 7 4
3.0 13 5
3,5 17 6
Zur Durchführung des Verfahrens verwendet man vorteilhafterweise eine Vorrichtung, wie sie z.B. in Fig. 2 dargestellt ist. Eine solche Vorrichtung besteht aus einer Düse mit drei konzentrisch zueinander angeordneten Ringräumen (1, 2, 3), deren Austrittsöffnungen ebenfalls konzentrisch angeordnete Ringspalte bilden, wobei die Mittellängsachsen des mittleren und inneren Ringraumes bzw. Ringspaltes in bezug auf die Düsenmittelachse auswärts gerichtet sind, während die Mittellängsachse zumindest des Austrittsendes des äusseren Ringraumes bzw. Ringspaltes mit der Mittellängsachse des mittleren Ringraumes bzw.
Ringspaltes einen Winkel von 100 bis 1100 einschliesst. Die lichte Weite des mittleren Ringspaltes kann 0,7 bis 0,9 mm und die des inneren und äusseren Ringspaltes 2 mm betragen. Vorzugsweise wird ein Winkel von 20 bis 900 eingeschlossen.
Insbesondere hat sich das vorliegende Verfahren zur Herstellung von Alkalitripolyphosphaten und Alkalipyrophosphaten aus Alkaliorthophosphatlösungen oder -suspensionen bewährt.
In solchen Fällen muss das Versprühen der Orthophosphatlösungen mit einem definierten Alkalioxid -P2O5-Verhäftnis so intensiv erfolgen, dass die Tropfengrösse von 0,2 mm Durchmesser möglichst nicht überschritten wird. Die Hauptmenge der Tropfen soll dabei mit einem Durchmesser von 0,05 bis 0,15 mm anfallen, wie mikroskopische Messungen des Einzelkornes ergeben haben. Ein Teil des Ursprungskornes bildet untereinander kleine Zusammenballungen von 2 bis 10 Einzelkörnern, so dass die Siebanalyse ein gröberes Korn vortäuscht, als es die mikroskopische Messung ergibt.
Dieses feine Versprühen ist notwendig, um eine weitgehende Umwandlung des Orthophosphates in kondensiertes Phosphat während des kurzzeitigen Durchganges durch die Flammenzone zu ermöglichen. Es hat sich herausgestellt, dass der Korndurchmesser von 0,2 mm kritisch für ein hochprozentiges Tripolyphosphat bei der Herstellung in Sprühtürmen ist, sofern es nicht zur Herstellung eines Tripolyphosphates mit einem Schüttgewicht unter 0,500 g/cm3 durch besondere Zusatzmittel bewusst aufgebläht wird. Wenn das Einzelkorn eines Tripolyphosphates in der Hauptmenge merklich über 0,2 mm Durchmesser liegt, sinkt das Kalkauflösevermögen des Tripolyphosphates und damit die Qualität wesentlich ab.
Die Sprühdüse sprüht die Lösung durch einen Flammenkranz hindurch, dessen Durchmesser klein gehalten werden muss, um eine ausreichende Energiekonzentration zu erhalten, die neben einer vollständigen Trocknung der Lösung auch sicher eine Kondensation des Orthophosphates zu Tripolyphosphat während des kurzen Durchganges durch die Flammenzone garantiert.
Wie bereits gesagt, ist es unbedingt notwendig, dass der Sprühkegel auf Höhe der Brenner kleiner ist als der Brennerkranz. Er soll aber gerade noch so gross gehalten werden, als eine vollständige Verbrennung des Gases in den Brennern erfolgt. Sobald sich der äussere Rand des Sprühkegels dem Flammenkern soweit nähert, dass das Heizgas infolge Abschreckung nicht mehr vollständig in der Flamme verbrennt, was durch höhere CO-Gehalte im Abgas und ansteigenden Gasverbrauch angezeigt wird, muss der Sprühkegel oder der Abstand der Düse von der Brennerebene verkleinert werden. Die Vergrösserung bzw. Verkleinerung des Sprühkegels lässt sich durch Änderung der Anordnung des äusseren Düsenspaltes und des Druckes im äusseren Düsenraum leicht durchführen.
Figur 1 stellt einen Schnitt durch die linke untere Hälfte einer bekannten Sprühdüse dar. Figur 2 einen entsprechenden Schnitt durch eine erfindungsgemässe Düse. In beiden Figuren bedeuten 1 den äusseren, 2 den mittleren und 3 den inneren Düsenraum.
Beispiel 1 (bekanntes Verfahren)
In einem Sprühturm von etwa 15 m Höhe und etwa 6 m Durchmesser, wie er üblicherweise zur Herstellung von Natriumtripolyphosphat verwendet wird, wird in einer Sprühdüse gemäss Fig. 1 Luft als Sprühmedium verwendet und diese Luft in dem Innen- und Aussenraum der Düse mit je 6 atü, entsprechend je 1200 m3 Luft, beaufschlagt und durch den mittleren Spalt eine Natriumorthophosphatlösung mit einem Na2O : P2O#- Verhältnis von 5 : 3 unter einem Druck von 0,3 atü versprüht. Aus etwa 6,5 m3 Lösung, gleich 10 t Lösung, werden 5,2 t Natriumtripolyphosphat/h erhalten.
Die Hauptmenge der unter dem Mikroskop gemessenen Na tnumtripolyphosphatkörper bzw. -hohlkugeln zeigt einen Durchmesser von 0,05 bis 0,2 mm. Das Schüttgewicht liegt bei 0,6 bis 0,7 kp/l.
Der Turm arbeitet bei genügender Gasversorgung und einem Unterdruck von 30 mm Wassersäule am Turmausgang ohne Störung. Das Produkt fällt mit einer Reinheit von 98 Gewichts-o/, an.
Beispiel 2 (Vergleichsbeispiel)
Unter den im Beispiel 1 beschriebenen Bedingungen wird ein zweiter Versuch durchgeführt, bei dem der Druck auf die Natriumorthophosphatlösung auf 0,6 atü erhöht wird. Die Sprühleistung steigt auf 7,5 m3 Lösung an. Nach kurzer Zeit bilden sich Materialklumpen im Turm, die den Betriebsablauf stören. Unter dem Mikroskop kann festgestellt werden, dass die Mehrzahl der Einzelkörner grösser geworden und auf etwa 0,5 mm im Durchmesser angestiegen ist; der Na5P3Ol0-Gehalt wird zu 88 Gewichts-% bestimmt. Das Kalkauflösevermögen ist ebenfalls um 20% gesunken. Das Schüttgewicht liegt bei 0,6 kp/l.
Das Produkt ist wesentlich schlechter als aus dem ersten Versuch.
Beispiel 3 (erfindungsgemässe Arbeitsweise)
In einem Sprühturm entsprechend Beispiel 1 wird in einer Sprühdüse gemäss Fig. 2 Dampf als Sprühmedium verwendet und dieser Dampf im Innenraum mit 12 atü, entsprechend 1.300 kp Dampf, und im Aussenraum mit 5 atü, entsprechend 1.500 kp Dampf /h, beaufschlagt.
Durch den mittleren Spalt von 0,7 bis 0,9 mm Breite wird die Lösung von Natriumorthophosphat mit einem Na2O : P2Os-Verhältnis von 5 : 3, unter einem Druck von etwa 3,5 atü in einer Menge von 12 m3/h, entsprechend 18 t/h, versprüht. Es entstehen 8,3 t Natriumtripolyphosphat mit Korngrössen von 0,065 bis 0,15 mm Durchmesser, wobei die Hauptmenge der Einzelkörner bzw. Hohlkugeln bei 0,12 mm Durchmesser liegt. Das Schüttgewicht liegt bei 0,72 kp/l. Der NaóP3Ol0-Gehalt liegt bei 98 Gewichts-%. Der Sprühturm arbeitet bei genügender Gasversorgung und einem Unterdruck von 30 mm Wassersäule am Turmausgang störungsfrei.
Beispiel 4
Unter den Bedingungen von Beispiel 3 wird eine Orthophosphatlösung mit einem NaO : P#O5-Verhält- nis von 2:1 versprüht. Aus 15 m3 Lösung mit einer Dichte von 1,45 kg/l und einem P2O5-Gehalt von 24 Gewichts-% entstehen 10 t Natriumpyrophosphat Na4P2O7 mit Korngrössen von 0,05 bis Ü, 1 mm Durchmesser. Der Na4P2O7-Gehalt des Endproduktes liegt bei 99 Gewichts-%. Der Sprühturm arbeitet bei genügender Gasversorgung und einem Unterdruck von 30 mm Wassersäule am Turmausgang störungsfrei.
PATENTANSPRUCH 1
Verfahren zur Herstellung von körnigen Alkaliphosphaten, insbesondere von Alkalitripolyphosphaten und Alkalipyrophosphaten, aus Alkaliphosphatlösungen oder -suspensionen durch Versprühen der Ausgangsprodukte in einem Turm mittels einer Düse durch eine von einem Brennerkranz erzeugte Flammenzone, wobei die Düse aus drei konzentrisch zueinander angeordneten Ringräumen besteht, deren Austrittsöffnungen konzentrische Ringspalte sind, und wobei man durch den mittleren Ringraum die zu versprühende Lösung oder Suspension und durch die inneren und äusseren Ringräume ein Sprühmedium führt, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdüsungsrichtung des mittleren und des inneren Ringspaltes in bezug auf die Düsenmittelachse auswärts gerichtet und die Verdüsungsrichtung des äusseren Ringspaltes in Richtung auf den Verdüsungsstrahl des mittleren Ringspaltes abgewinkelt ist,
wobei man durch Variation des Druckes im äusseren Ringraum sowie durch Anordnung des äusseren Ringspaltes derart, dass die Längsmittelachsen des äusseren und des mittleren Ringspaltes einen Winkel von 10 bis 1100 einschliessen, den aus der Düse austretenden Sprühkegel so reguliert, dass sein Durchmesser in der darunterliegenden Ebene des Brennerkranzes kleiner als dessen Durchmesser ist.
UNTERANSPRÜCHE
1. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck auf das Sprühmedium im inneren und äusseren Ringraum mindestens gleich dem Druck auf die zu versprühende Lösung oder Suspension ist.
2. Verfahren nach Patentanspruch I, und Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck auf das Sprühmedium im äusseren Ringraum mindestens gleich und der Druck auf des Sprühmedium im inneren Ringraum mindestens doppelt so hoch ist, wie der Druck auf die zu versprühende Lösung oder Suspension im mittleren Ringraum der Düse.
3. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass man als Sprühmedium Dampf und/ oder Luft benutzt.
4. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsmittelachsen einen Winkel von 20 bis 900 einschliessen.
PATENTANSPRUCH II
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch I, bestehend aus einer Düse mit drei konzentrisch zueinander angeordneten Ringräumen (1, 2, 3), deren Austrittsöffnungen ebenfalls konzentrisch angeordnete Ringspalte bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittellängsachsen des mittleren und inneren Ringraumes bzw. Ringspaltes in bezug auf die Düsenmittelachse auswärts gerichtet sind, während die Mittellängsachse zumindest des Austrittsendes des äusseren Ringraumes bzw.
Ringspaltes mit der Mittellängsachse des mittleren Ringraumes bzw. Ringspaltes einen Winkel von 100 bis 1100 einschliesst.
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