DE2202965C3 - Verfahren zur Herstellung wasserfreier teilchenförmiger Alkalimetallphosphate - Google Patents

Description

Alkalimetallphosphate sind wichtige Industriechemikalien, die vor allem in Waschmitteln als Aufbaustoffe, sog. Builders, in großem Umfang verwendet werden. Hierbei und in anderen Anwendungsbereichen spielt die Korngrößenverteilung der Produkte eine wichtige Rolle, da sie mit anderen Substanzen gemischt werden. Das verwendete Korngut soll daher eine bestimmte Teilchengröße besitzen und außerdem nicht allzu leicht zerfallen, damit die Korngrößenverteilung erhalten bleibt.

In einem bekannten Verfahren zur Herstellung derartiger Alkalimetallphosphate wird eine konzentrierte Lösung von Phosphorsäure und einer geeigneten Alkalimetallverbindung verwendet, die diese Verbindungen in einem für das gewünschte Endprodukt stöchiometrisch erforderlichen Mengenverhältnis enthält. Diese Lösung wird mit Hilfe von Dampf in eine offene Flamme oder in heiße Flammgase gesprüht, wobei das Wasser verdampft und wasserfreie Teilchen erhalten werden. Die Korngrößenverteilung hängt hierbei z. B. von der Größe der versprühten Tröpfchen, der Brenneranordnung, den Ausmaßen des Sprühtrockners, insbesondere der Sprühturmhöhe, sowie der Brennergröße und -ausführung ab. Urn ein Platzen der von außen nach innen trocknenden Teilchen zu so verhindern, dürfen diese bei dem bekannten Verfahren den Flammentemperaturen nicht zu lange ausgesetzt werden.

In der US-PS 28 98 189 ist ein Verfahren zur Herstellung von Alkaümetalltripolyphosphaten oder Alkalimetallpyrophosphaten durch Einsprühen von Orthophosphorsäure und einem Alkalimetallcarbonal oder Alkalimetallhydroxid in einen Spriihturm beschrieben, wobei die Temperatur der entwickelten Abgase im Bereich von etwa 200 bis COO⁰C, vorzugsweise 250 bis 380⁰C, gehalten wird.

In der US-PS 30 23 083 ist ein Verfahren zur Herstellung von Alkaliphosphaten aus wäßrigem Orthophosphat beschrieben. Dabei wird eine Phosphorsäure und ein Alkalimetalloxid enthaltende Lösung in 6s den oberen Bereich einer Sprühzone eingespeist. Diese Lösung wird zerstäubt und in Abwärtsrichtung durch eine nach unten verlaufende, konisch geformte Flamme geführt. Im unteren Teil der Sprühzone wird das Phosphat gesammelt Das hierbei erhaltene Produkt ist zwar trocken, jedoch platzen die Teilchen an der Oberfläche und sind daher recht brüchig. Durch Verwendung mehrerer Düsen und Brenner wird dieser Mangel weitgehend behoben, jedoch werden Alkalimetallphosphate erhalten, deren Korngröße schwer zu beeinflussen ist und die beträchtliche Mengen Abrieb enthalten. Ein übliches Handelsprodukt dieser Art weist eine durchschnittliche Korngröße von ungefähr 200 μ auf und enthält beträchtliche Mengen Feingut Durch Versprühen größerer Tropfen kann zwar die Korngröße erhöht werden, die Tropfen müssen jedoch stets genügend klein bleiben, damit das enthaltene Wasser vollständig verdampft. Andernfalls wird die chemische Zusammensetzung des gewünschten Produkts durch das verbleibende Wasser verändert. Beispielsweise enthält nicht vollständig getrocknetes Natriumpolyphosphat beträchtliche Mengen Orthophosphat als Verunreinigung.

Aus den genannten Gründen werden grobkörnige Alkalimetallphosphate vorwiegend nach älteren Verfahren hergestellt, z. B. durch Agglomeration, Recalcinieren oder durch Calcinieren von Orthophosphaten in einer Calciniertrommel.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Hersteilung wasserfreier teilchenförmiger Alkalimetallphosphate zu schaffen, mit dessen Hilfe ein abriebfestes, nicht platzendes Granulat von definierter chemischer Zusammensetzung erhalten wird. Diese Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst.

Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zur Herstellung wasserfreier teilchenförmiger Alkalimetallphosphate durch Versprühen einer konzentrierten, wäßrigen, Phosphorsäure und eine basische Alkalimetallverbindung im stöchiometrischen Mengenverhältnis enthaltenden Lösung aus Düsen in eine Trockenzone, die von einem von Brenner- oder Heißgasdüsen ausgehenden, nach unten gerichteten Heißgasstrom gebildet wird, wobei die hierbei gebildeten Teilchen schließlich mit dem Heißgasstrom nach unten geführt und unterhalb der Sprühdüsen aufgefangen werden, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man die Lösung aus einer oder mehreren Düsen im unteren Teil der Trockenzone nach oben in Richtung einer oder mehrerer Brenner- oder Heißgasdüsen in deren oberen Teil derart versprüht, daß die Teilchen in der Nähe der Brenner- oder Heißgasdüsen ihren Umkehrpunkt erreichen.

Djs nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltene Granulat besitzt nicht nur eine größere durchschnittliche Korngröße, sondern die Teilchen zeigen auch eine geringere Neigung zum Platzen und sind frei von Sprüngen und Rissen. Sie sind daher weniger brüchig als die nach bekannten Verfahren erhaltenen Produkte. Außerdem kann gegenüber bekannten Verfahren mit höheren Durchsätzen gearbeitet werden.

Vorzugsweise werden mehrere Sprühdosen verwendet, um eine größere durchschnittliche Korngröße zu erreichen. Die versprühten Teilchen haben ihren durch das Einsprühen verliehenen Impuls im Gebiet des Ursprungs der heißen Trockengase oder Flammen, die vom Kopf der Trockenzone nach abwärts gerichtet sind, verloren. Die Teilchen werden dann zusammen mit den Gasen nach unten geführt und unterhalb der Sprühdüsen, durch die die Lösung eingespeist wird, aufgefangen.

Im erfindungsgemäßen Verfahren werden vorzugsweise fast gesättigte wäßrige Lösungen mit einem für

das gewünschte Endprodukt erforderlichen Alkalimetalloxid-Phosphorpentoxid-Verhältnis verwendet, um eine optimale Energieausbeute zu erreichen.

Die wäßrige Lösung wird vorzugsweise mit Dampf versprüht, wobei um so kleinere Teilchen erhalten werden, je feiner dies geschieht Die Art des Versprühens hängt hierbei von der Konstruktion der Düsen sowie der Dampf- und Flüssigkeitseinspeisung ab. Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden gegenüber bekannten Verfahren etwa doppelt so lange mittlere Verweilzeiten erreicht, wodurch auch gröLere Tropfen vollständig trocknen.

In der keramischen Industrie und in anderen Industriezweigen sind Gegenstrom- und Kreuzstrom-Sprühtrockner bekannt, mit denen höhere mittlere Verweilzeiten erreicht werden (vgl. Belcher et al., »Design and Use of Spray Driers«, Chemical Engineering, 14. Oktober 1963, S. 201). Es war jedoch bisher nicht bekannt, daß derartige Sprühtrocknungsverfahren wasserfreie Alkalimetaliphosphate mit "erbesserten Eigenschaften liefern.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eignet sich eine in der Zeichnung gezeigte Vorrichtung, die aus einem zylindrischen Mittelteil 10, einem flachkegelförmigen Oberteil 11 und einem abgestumpft-konischen Unterteil 12 besteht. Im Oberteil 11 ist ein Kranz von Brennern oder Heißgasdüsen 14 angeordnet, an das Unterteil 12 ist seitlich eine Abgasleitung 13 angesetzt, während an dessen unterem Ende 15 das Produkt ausgetragen wird. Etwa auf halber Höhe des Unterteils 12 befinden sich eine oder mehrere Sprühdüsen 16, die mit einer Flüssigkeitsleitung 18 und einer Dampfleitung 20 verbunden sind.

Die Beispiele erläutern die Erfindung.

Beispiel 1

Eine wäßrige Lösung von Natriumhydroxid oder Natriumcarbonat wird so lange mit P2O5 versetzt, bis das zur Herstellung von Nafriumtripolyphosphat erforderliche stöchiometrische Verhältnis von 0,6 Mol P₂O₅ pro 1 Mol Na₂O erreicht ist. Die fait gesättigte Lösung enthält Natriumdihydrogenphosphat und Natriumhydrogenphosphat in einer relativen Konzentration, die einem Gehalt von 52 Prozent Natriumtripolyphosphat entsprechen würde.

Die Lösung wird in einen üblichen Sprühtrockner von 7,62 m Durchmesser, 7,62 m Zylinderhöhe und 17,06 m Gesamthöhe eingespeist. Die Flüssigkeitseinspeisung beträgt ungefähr 189 Liter bis 265 Liter pro Minute, während die Dampfeinspeisung ungefähr 726 kg bis 1090 kg pro Stunde beträgt.

Bei einer Einspeisung von 1090 kg/Stunde Dampf und 227 Liter/Minute Flüssigkeit durch 4 Düsen im Oberteil des Sprühturms wird Natriumtripolyphosphat mit einer durchschnittlichen Korngröße von ungefähr 0,177 mm erhalten.

Beispiel 2

Die in Beispiel 1 genannten Dampf- und Flüssigkeitsmengen werden in einem Sprühtrockner gemäß Beispiel 1 durch eine Düse eingespeist, die etwa vom Mittelpunkt des Kegels aus nach oben sprüht. Hierbei wird eine mittlere Korngröße von ungefähr 0,25 mm erhalten. Bei Verdoppelung der Dampfeinspeisung verringert sich die mittlere Korngröße auf 0,177 mm.

Beispiel 3

In einem Sprühtrockner gemäß Beispiel 1, in dem vier nach oben sprühende Düsen im unteren Bereich des zylindrischen Teils angeordnet sind, wird Natriumtripolyphosphat gemäß Beispiel 1 hergestellt. Die Versuchsergebnisse sind in den Tabellen I und II zusammengestellt.

Tabelle I

Vergleich der erzielten Korngrößen im Kreuzsirom-Sprühtrockner und in einem üblichen Trockner

	K reuzstrom-Sprühtrockner Ergebnis aus 7 Proben	3 bis 20 f)7 bis 91	Bekannter Trockner
	Mittelwert Bereich	67 bis 87
Siebmaschenweite 0,841 mm, % 0,177 mm, %	14 85	0,23 bis 0,5	5 62
Granulat-Ausbeute*), %	78	62
Mittlere Korngröße, mm	0,42	0,23

Unter »Granulat-Ausbeute« wird der Prozentsatz jenes Siebguis verstanden, dessen Korngröße mehr als 0,177 mm betragt und das nicht mehr als 7% Bestandteile mit mehr als 0,841 mm Korngröße enthalt.

Das erhaltene Produkt unterscheidet sich erheblich von dem au'" bekannte Weise hergestellten Produkt, auch wenn es in derselben Korngröße hergestellt wird. Unter dem Mikroskop zeigen sich !ceine Sprünge und Risse der Oberfläche; außerdem sind die Teilchen streng voneinander getrennt, so daß die Siebanalyse die Korngröße der jeweiligen Primärteilchen angibt. Im Gegensatz dazu enthält das auf bekannte Weise hergestellte Produkt Agglomerate, so daß die Primärteilchen wesentlich kleiner sind als die durch Siebanalyse cmiltelten Werte. Zusätzlich erweist sich das auf bekannte Weise erhaltene Produkt als wesentlich brüchiger und enthält daher beträchtliche Mengen Abrieb.

Beispiel 4

Bei Durchführung des Verfahrens gemäß Beispiel 3 bilden sich im Oberteil des Sprühturms Wandansätze, die von zu hoch beschleunigten Teilchen herrühren. Um ein Verstopfen der Brenner oder Heißgasdüsen zu vermeiden, wird daher die Geschwindigkeit der Teilchen so eingestellt, daß sie in der Nähe der Brenner oder Heißgasdüsen ihren Impuls verloren haben und somit nicht mehr aufprallen können. Dies kann in den Ausführungsformen gemäß Beispiel 2 und 3 durch veränderte Dampf- und Flüssigkeitseinspeisung oder eine abgewandelte Düsenkonstruklion erreicht werden 1 η der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchfüh rung des Verfahrens wird die genannte Störung dadurcl vermieden, daß die Sprühdüsen — wie in der Zeichnunj gezeigt — auf elwa halber Höhe des konischer Sprühtrockner-Unterteils angeordnet sind. Der Sprüh strahl bildet hierbei mit der Mittelachse des Sprühturm einen Winkel von ungefähr 11°.

Bei der Herstellung von Natriumlripolyphosphal mi der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden ir 6 Durchgängen die in Tabelle III aufgeführten Ergebnis se erhalten.

Tabelle Il

Kinfluß der Oarnpfcinspeisung auf die Korngröße

Dampleinspeisung kg/h/Düse	136	181	0,6	227	%	0
Hüssigkeilscinspeisung, Liter/min/Düse	56,8	62,5	2.0	56,8	0,4
Siebmaschenweite, mm	zurückgehaltenes Produkt.	13.2	3,0
über 2,0	0,4	34,0	11,4
über 1,41	1.2	72,2	41,4
über 0,841	15.4	90,0	67,4
über 0,595	35,6	93,0	74,8
über 0,297	72,0	0,5	0,23
über 0,177	88,4
über 0,149	91,8
Mittlere Korngröße, mm	0,42

Die Granulatausbeute ist wie in Beispiel 3 definiert.

Ähnliche Ergebnisse werden bei der Herstellung anderer kondensierter Phosphate, wie Natrium- und Kp.üumpyrophosphat, erzielt. Hierzu werden jeweils konzentrierte wäßrige Lösungen, die Phosphorsäure und eine geeignete Alkalimetallverbindung im stöchio metrisch erforderlichen Verhältnis enthalten, in die erfindungsgemäße Vorrichtung eingespeist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zur Herstellung wasserfreier, teilchenförmiger Alkalimetaliphosphate durch Versprühen einer konzentrierten, wäßrigen, Phosphorsäure und eine basische Alkalimetallverbindung im stöchiometrischen Mengenverhältnis enthaltenden Lösung aus Düsen in eine Trockenzone, die von einem von Brenner- oder Heißgasdüsen ausgehenden, nach ι ο unten gerichteten Heißgasstrom gebildet wird, wobei die hierbei gebildeten Teilchen schließlich mit dem Heißgasstrom nach unten geführt und unterhalb der Sprühdüsen aufgefangen werden, dadurch gekennzeichnet, daß man die Lösung ι s aus einer oder mehreren Düsen im unteren Teil der Trockenzone nach oben in Richtung einer oder mehrerer Brenner- oder Heißgasdüsen in deren oberem Teil derart versprüht, da3 die Teilchen in der Nähe der Brenner- oder Heißgasdüsen ihren Umkehrpunkt erreichen.