DK149329B - Fremgangsmaade til fremstilling af i det vaesentlige vanduoploeselige, kaedeformige ammoniumpolyphosphater - Google Patents

Description

149329

Den foreliggende opfindelse angår en fremgangsmåde til fremstilling af i det væsentlige vanduopløselige, kædeformige aramonium-polyphosphater med den almene formel (Ni^PO^)^ hvori n er et helt tal fra 10 til 1000, ved opvarmning af omtrent ækvimolære mængder af ammoniumorthophosphat og phosphorpentoxid til temperaturer mellen 170 og 350°C i nærværelse af gasformig ammoniak og under samtidig bevægelse af reaktionsmassen.

Ammoniumpolyphosphater, der tidligere er blevet kaldt ammonium-metaphosphater, har været kendt i lang tid. De første forsøg på at fremstille kondenserede ammoniumphosphater ved termisk fraspaltning af vand fra orthophosphater analogt med de tilsvarende alkalimetal- og jordalkali·· metalsalte førte til dannelse af tværbundne, såkaldte ultraphosphater „ - 149329 med uønskede egenskaber, da dekomponeringstrykket ved den temperatur, der er nødvendig for vandfraspaltningen, stiger så stærkt, at store mængder ammoniak undviger fra produkterne.

I de sidste årtier er kemien af den laboratoriemæssige fremstilling af ammoniumpolyphosphater, der i det følgende har den forkortede betegnelse APP, blevet yderligere undersøgt, og der er blevet tilvejebragt metoder til undgåelse af disse vanskeligheder. Grundlaget for alle disse metoder er omsætningen af phosphatholdige stoffer med et kondensationsmiddel og et ammoniakeringsmiddel i ammoniakatmosfære ved forhøjet temperatur.

Således er der i tysk patentskrift nr. 742.256 beskrevet en fremgangsmåde, ved hvilken ammoniumorthophosphat behandles med phosphorpentoxid og ammoniak i en autoklav under tryk ved temperaturer over 200°C. Til sænkning af den vandopløselige andel skal produktet findeles og underkastes en yderligere varmebehandling.

Ifølge tysk fremlæggelsesskrift nr. 1.216.836 samt tysk offentliggørelsesskrift nr. 1.442.995 gennemføres fjernelsen af konstitutionsvandet fra orthophosphaterne ved reaktion med urinstof og/eller lignende stoffer, f.eks. melamin, thiourinstof og dicyandiamid. Ved den tekniske gennemførelse har denne metode imidlertid den betydelige ulempe, at der fra reaktionsblandingen, der er blød ved reaktionstemperaturen, skal fjernes store mængder af de ved omsætningen opstående gasser (COg og NH-^). Ved sammenknytningen af SO^-grupper til en P-O-P--binding i kæden kræves pr. binding 1 molekyle urinstof, hvoraf der derved opstår 1 mol COg og 2 mol NH·^. Afhængig af det phosphatholdige stofs type bindes der indtil 1 mol NH^ som kation i APP, dvs. der afgives 2 til 3 mol gas ved kondensationen af 1 mol orthophosphat til lange kæder. Dette svarer ved den gennemsnitlige reaktionstemperatur på 250 C til en gasmængde på næsten 1 nr/kg APP. Ved undvigelsen af disse store gasmængder blærer den bløde reaktionsmasse stærkt op og bevirker på denne måde store, apparative vanskeligheder, forårsager ringe volumen-tids-udbytter og fordyrer metoden betydeligt. De store mængder af undvigende NH^ og C Og reagerer desuden med hinanden i de koldere dele af apparatet til faste forbindelser, der forårsager skorpedannelser og tilstopninger.

3 149329

Til formindskelse af de apparative vanskeligheder arbejdes der overvejende i flere trin. Således fremstilles der ved en udførelsesform ifølge tysk fremlæggelsesskrift nr. 1.567.692 en smelte af ortho-phosphorsyre og urinstof. Denne sprøjtes på et varmt, cirkulerende lag af returmateriale, der tjener som varmebærer, og i et tredje trin føres laget ind i et indirekte opvarmet brændekammer til fuldendelse af den termiske kondensation.

I en anden udførelsesform ifølge det ovenfor nævnte skrift tilsættes der ved 100°C efter fremstilling af en smelte ud fra stofferne, der deltager i omsætningen, den samme mængde returmateriale, hvorefter der opvarmes til 135°C, indtil C0_- og NH,-udvik- * *3 lingen er tilendebragt. Først derefter hæves temperaturen til 275 C for at tilendebringe reaktionen.

Endvidere kendes der fra tysk fremlæggelsesskrift nr. 1.767.205 en fremgangsmåde, ifølge hvilken ammoniumpolyphosphater fremstilles ud fra ammoniumorthophosphater, phosphorpentoxid og eventuelt urinstof i nærværelse af ammoniak i en tunnelovn eller en roterovn. Det er en ulempe ved denne fremgangsmåde, at råstofferne skal blandes grundigt i forvejen, og at der som det fremgår af figurerne, skal opretholdes bestemte temperaturprofiler i reaktionsapparaterne.

Det har nu overraskende vist sig, at disse ulemper kan undgås, når man til fremstilling af i det væsentlige vanduopløselige, kæde-formige ammoniumpolyphosphater med den almene formel (NH^PO^)n hvori n er et helt tal fra ca. 10 til ca. 1000, ved opvarmning af omtrent ækvimolære mængder af ammoniumorthophosphat og phosphorpentoxid til temperaturer mellem 170 og 350°C i nærværelse af gasformig ammoniak og under samtidig bevægelse af reaktionsmassen gennemfører opvarmningen under stadig og samtidig blanding, æltning og findeling af reaktionsmassen, hvorved blandingen, æltningen og findelingen i opvarmningens første fase, hvor reaktionsblandingen er dejagtig, gennemføres med relativt lavt omdrejningstal og efter at der er dannet et findelt produkt, gennemføres opvarmningens anden fase med så høje omdrejningstal, at der af reaktionsproduktet dannes et slags hvirvellag.

Ved indstilling af en bestemt reaktionsremperatur kan slutproduktets vanduopløselighed reguleres, idet vanduopløseligheden stiger med stigende reaktionstemperatur.

4 149329 Således opnås der slutprodukter med en opløselighed på 22% ved 200°C, med en opløselighed på 1 Jt% ved 210°C, med en opløselighed på 9% ved 250°C, med en opløselighed på 6% ved 250°C og med en opløselighed på 2 til J>% ved 270°C, idet mellemliggende værdier ligger på den kurve, der fås ved grafisk afbildning af de nævnte værdier.

Den første fordel ved den foreliggende opfindelse i forhold til kendte arbejdsmåder er, at råstofferne ammoniumorthophosphat og phos-phorpentoxid kan omsættes i apparatet til APP uden forudgående blanding. Det er heller ikke nødvendigt i forvejen at findele de anvendte ammoniumphosphafcer, der som bekendt ved længere tids oplagring danner klumper, der er vanskelige at findele.

Den anden fordel er, at reaktionen gennemføres i en enkelt reaktor, idet temperaturen i apparatets varmekappe er konstant under hele reaktionstiden for et produkt med bestemte egenskaber. Arbejdet i flere trin i reaktionsapparater med forskellig temperatur eller den tilsvarende passage af temperaturprofiler i tunnel- og roterovne bortfalder.

Den tredje fordel er, at ammoniakken ved hjælp af en simpel gasfordeler, f.eks. et rør med huller, udblæses ensartet på reaktionsmassens overflade, hvor den reagerer med de andre komponenter ifølge følgende bruttoreaktionsligning.

. (NH4)2HP04 + 1/2 P4010 + NH3 = \ (NH4P03)n

Denne reaktion forløber yderst hurtigt, da der ved hjælp af ælteprocessen løbende produceres nye overflader, ved hvilke NH^ kan reagere. Herved opnås væsentlig kortere opholdstider, end det er tilfældet ved kendte metoder, f.eks. ifølge tysk patentskrift nr. 742.256, hvor de stadig forholdsvis vandopløselige produkter fra det første reaktionstrin findeles og underkastes en yderligere varmebehandling.

Opfindelsens fjerde fordel er, at der praktisk talt kun skal fjernes overskydende NH^ fra reaktoren. Det er ikke nødvendigt at fjerne store mængder af andre gasser, f.eks. CO^, hvorved det ikke er nødvendigt at anvende apparater til opretholdelse af et bestemt mindste- 5 149329 partialtryk, således som det f.eks. er nødvendigt ifølge tysk offentliggør elsesskrift nr. 1.567*698 eller ved fremgangsmåden ifølge tysk fremlæggelsesskrift nr. 1.767*205, hvor de overskydende og opstående gasser skal frasuges ved reaktionsapparaternes ender.

Ved den her omhandlede arbejdsmåde bortfalder desuden de ellers nødvendige apparater til oparbejdning af de store mængder gasformig ammoniak og carbondioxid eller til fjernelse af de deraf opstående s e kundær pr o dukt er.

Opfindelsens femte fordel er, at produktets opløselighed kan fastlægges ved valg af sluttemperatur.

Ved den her omhandlede arbejdsmåde er det altså muligt at bestemme det færdige produkts vandopløselige andel i forvejen. Da denne ønskes forskelligt høj afhængigt af anvendelsesformålet, kan der således ved en enkel foranstaltning fremstilles produkter med forskellige egenskaber til forskellige anvendelsesformål i det samme apparat.

En yderligere fordel ved den her omhandlede arbejdsmåde er, at der herved fremkommer et så findelt produkt, at det til de fleste anvendelsesformål, såsom anvendelsen som brandbeskyttelsesmidler i polyurethanskumstoffer eller i intumescensfarver, ikke er nødvendigt at foretage en påfølgende findeling ved formaling. Tværtimod kan de fine korn skilles fra den ringe mængde grove korn ved en simpel sigtning, hvorefter de grove korn igen kan føres til reaktoren. Et apparat til gennemførelse af den her omhandlede fremgangsmåde er afbildet skematisk i fig. 1.

Fra lagerbeholdere 1 og 1' føres råstofferne ammoniumphosphat og phosphorpentoxid via vejeapparater 2 og 2' gennem en tilføringsled-ning 5 ind i en reaktor 4. Denne består hensigtsmæssigt af et lukket trug, der er forsynet med en varmekappe 5, på hvilken der er anbragt til- og fraføringsstudse 6 og 6’, og som gennemstrømmes af et opvarmningsmedium.

Under hele reaktionstiden tilføres der via et gastilledningsrør 7 ammoniak, der ved hjælp af et gasfordelingsrør 8, der består af et rør, der er forsynet med mange mindre åbninger, udblæses ensartet på reaktionsmassens overflade. Overskydende ammoniak undviger via en afgangsgasledning 9 fra reaktoren 4 og absorberes i et ikke afbildet apparat.

6 149329

Ved hjælp af anordningen 10, der roterer om en vandret akse, blandes, æltes og findeles reaktionsmassen. Efter reaktionens tilendebringelse fjernes produktet gennem udførings s tuds en 14, og efter at have passeret et køleapparat 11 adskilles det i et sigteapparat 12 i finkornet materiale og grovkornet materiale. Det finkornede materiale fjernes i et aftapningsapparat 13, og det grovkornede materiale føres igen tilbage til reaktoren 4. Naturligvis kan der også alternativt foretages en formaling af det samlede produkt eller af det grovkornede materiale, der fremkommer efter sigtningen.

Det har vist sig at være fordelagtigt at udføre blandings-, æltnings- og findelingsanordningerne, der i regelen er to dobbelt-Z--skovle, der roterarmed variabelt.omdrejningstal om parallelle, vandrette akser; således, at reaktionsmassens vandrette bevægelsesretning går fra . væggene med lejer og mod midten af reaktionszonen. Herved formindskes belastningen af lejer og pakdåser stærkt. Anordninger med skråtliggende eller lodrette akser er også mulige men mindre fordelagtige.

I en anden udførelsesform har det vist sig at være fordelagtigt at anbringe en snekke 15, hvis transportretning under reaktionen peger ind i truget, mellem de to anordninger 10, som det er vist på figurerne 2 og 3. Herved forøges produktpartiklernes rivning væsentligt, hvilket medfører en hurtigere findeling. Ved at vende omdrejningsretningen bliver snekken 15 til et udføringsapparat.

Ved at variere blandings-, æltnings- og findelingsanordningernes - omdrej’ningstal kan der til opnåelse af en effektiv blanding, æltning og findeling i de faser af omsætningen, hvor reaktionsblandingen er hård og klumpet eller dejagtig, og i hvilke der således skal overvindes høje mekaniske kræfter, arbejdes med lave omdrejningstal, mens der efter udført findeling kan fremstilles en slags fluidiseret lag af reaktionsblandingen ved forøgelse af omdrejningstallet, hvorved der opnås en forhøjet stof- og varmeudveksling og dermed en forkortelse af reaktionstiden. Omdrejningstallet reguleres i afhængighed af effektforbruget.

De efterfølgende eksempler skal forklare den her omhandlede fremgangsmåde nærmere.

7 149329

Eksempel 1.

En grundig blanding af 2640 g findelt (løfy^HPOjj og 2840 g findelt Ρ^°ιο fyldes i en 7 liters reaktor, der er opvarmet til 265°C og forsynet med roterende blandings-, æltnings- og findelingsanordninger, hvorefter der til reaktoren ledes 400 liter ammoniak i 1 time og derpå 100 liter ammoniak pr. time. Efter 2 timers forløb fås et krystallinsk produkt, der har et NH^rP-molforhold på 0,986 og en vandopløselig andel (l$'s opslæmning i vand ved 25°C) på 3,6$. pH-værdien i denne opslæmning andrager 5,2. Mængden af nitrogen, der er bundet i form af NH^, andrager 99,7$·

Eksempel 2.

2640 g (ΝΗ^^ΗΡΟ^ * f°rm af nævestore klumper og 2840 g groft P4O10 fyldes efter hinanden i en 7 liters reaktor, der er opvarmet til 265°C og forsynet med roterende blandings-, æltnings- og findelingsanordninger. Til reaktoren ledes der i løbet af 1 time 400 liter ammoniak og derefter 200 liter ammoniak pr. time. Efter 2 timers forløb fås et krystallinsk produkt, der har et NHyP-molforhold på 0,99 og en vandopløselig andel (l$'s opslæmning i vand ved 25°C) på 1,9$· pH-værdien i denne opslæmning andrager 5,3· Mængden af nitrogen, der er bundet i form af NH^, andrager 99,4·$.

Eksempel 3· 23OI g NH^HgPO^ i form af nævestore klumper og 2840 g groft P4°10 fyldes 'efter hinanden i en 7 liters reaktor, der er opvarmet til 265°C og forsynet med roterende blandings-, æltnings- og findelingsanordninger. Til reaktoren ledes der i løbet af 1 time 800 liter WH^ og derefter 200 liter NH^/time. Efter 2 timers forløb fås et krystallinsk produkt, der har et NH^:P-molforhold på 0,99 og en vandopløselig andel (l$'s opslæmning i vand ved 25°C) på 2,1$. pH-værdien i denne opslæmning andrager 5,3· Mængden af nitrogen, der er bundet i form af NH^, andrager 99,6$.

8 149329

Eksempel 4.

Diammoniumphosphat og phosphorpentoxid omsættes analogt med eksempel 2, og reaktionsproduktet fjernes i hvert enkelt tilfælde efter 2 timers forløb fra reaktionszonen. I den følgende tabel I er reaktionsprodukternes opløseligheder anført i afhængighed af reaktionstemperaturen:

Tabel I

Reaktionstemperatur (°C) Opløselighed {fo) 200 20 210 13 230 9 250 6 270 2 til 3

Eksempel 5.

26,4 kg (NH^pHPO^ i form af nævestore klumper og 28,4 kg P4O10 fyldes efter hinanden i en 70 liters reaktor, der er opvarmet til 270°C og forsynet med 2 roterende blandings-, æltnings- og findelingsanordninger. Mellem de to anordninger roterer en snekke.

Til reaktoren ledes der i de første 2 timer 3*5 nr NH^/time. I den følgende tabel a? de fremstillede slutprodukters egenskaber anført i afhængighed af opholdstiden:

Tabel.

NH3:P- Np bundet Opløse-

Opholds- molforhold som NEfe i lighed P"7 % korn tid (timer) i slutprodukt vægtprocent % værdj- <63 um 1 1,02 98 . 1,3^ 5,1 9^,2 2 1,01 99,5 1,12 5,5 9^,5 3 1,01 100 0,67 5,5 98 9 149329

Den samme omsætning gennemføres i et lignende apparat uden snekken, der roterer mellem anordningerne. For at opnå den samme andel af finkornet materiale skal opholdstiden forlænges 1 til 2 timer.

Eksempel 6.

26 kg (NH^^HPO^ i form af nævestore klumper og 28,4 kg P4°10 fyldes efter hinanden i en 70 liters reaktor, der er opvarmet til 260°C og forsynet med roterende blandings-, æltnings- og findelings- 3 anordninger. Til reaktoren ledes der i løbet af 1 time 4 m NH_ og

3 J

derefter 0,5 m NH^/time. De roterende blandings-, æltnings- og findelingsanordningers omdrejningstal reguleres i afhængighed af effektforbruget i 2 trin. Under arbejdet med de dejagtige produktfaser, der indeholder hårde klumper, løber anordningerne med lave omdrejningstal (15 eller 21 omdr./min.). Efter vidtgående findeling af produktet og faldende effektforbrug omkobles anordningerne automatisk til høje omdrejningstal (49/64 omdr./min.). Produktet, der fjernes efter 2 timers forløb, har et NH^:P-molforhold på 0,985.

Dets vandopløselige andel andrager 1,5%. pH-værdien i denne opslæmning andrager 5,40. Mængden af nitrogen, der bundet i form af NH^, andrager 99,3%.

Et produkt, der iøvrigt er fremstillet under de samme reaktionsbetingelser, men med langsomt løbende blandings-, æltnings-og findelingsanordninger under hele reaktionstiden, og i det samme apparatur, har efter 2 timers forløb en vandopløselighed på 3,8%. NH^P-molforholdet andrager 0,98, pH-værdien i opslæmningen andrager 5,20, og mængden af nitrogen, der er bundet i form af NH^, andrager 99,1%.