PL196166B1 - posób wytwarzania trójpolifosforanusodu o wysokim ciężarze nasypowym - Google Patents

Abstract

1. Sposób wytwarzania trójpolifosforanu sodu o wysokim ciężarze nasypowym, w którym półprodukt będący mieszaniną fazy I oraz fazy II uzyskuje się na drodze suszenia i kalcynacji roztworu ortofosforanów sodowych, znamienny tym, że półprodukt w postaci trójpolifosforanu sodu zwilża się w sposób jednorodny wodą do poziomu 2-23% wagowych H2O, po czym poddaje procesowi kompaktowania wraz z zawróconym w stosunku od 1 do 0,5-2,0 strumieniem podziarna, a uzyskaną wstęgę rozdrabnia się w operacji mielenia i klasyfikuje odbierając trójpolifosforan sodu w postaci odpowiedniej frakcji, zaś podziarno zawraca się do nadawy kompaktora.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania hydratyzowanego trójpolifosforanu sodu o wysokim ciężarze nasypowym i podwyższonej zawartości fazy I.

Największe znaczenie wśród skondensowanych fosforanów ma trójpolifosforan sodu (TPFS). Dzięki zdolności do tworzenia kompleksowych połączeń z jonami metali ziem alkalicznych i metali ciężkich, do peptyzowania zawiesin trudno rozpuszczalnych związków oraz dzięki własnościom antykorozyjnym, znajduje szerokie zastosowanie przy zmiękczaniu wody, wytwarzaniu syntetycznych środków piorących, w przemyśle kosmetycznym, spożywczym, a także w technologii wzbogacania rud.

Chemizm procesu otrzymywania trójpolifosforanu sodu określa uproszczona reakcja chemiczna: 2Na2HPO4 + NaH2PO4 = Na5P3O10 + 2H2O

W przemyśle TPFS otrzymuje się najczęściej metodą dwustopniową, w której uzyskany poprzez neutralizację kwasu fosforowego węglanem sodu lub wodorotlenkiem sodu roztwór ortofosforanów sodowych poddaje się najpierw suszeniu rozpyłowemu, a następnie suchy półprodukt kalcynuje w obrotowych piecach ogrzewanych bezprzeponowo spalinami. Trójpolifosforan sodu wytwarzany jest w dwóch odmianach krystalicznych: wysokotemperaturowej (faza I) i niskotemperaturowej (faza II) w postaci proszku lub granulatu. Wraz z rozwojem i udoskonalaniem metod otrzymywania detergentów produkcja TPFS musi sprostać stale rosnącym wymaganiom dotyczącym jakości produktu, w tym przede wszystkim zawartości fazy I, stopnia hydratacji oraz ciężaru nasypowego. Nowe gatunki TPFS wytwarzane są na drodze doskonalenia metod otrzymywania trójpolifosforanu sodu, głównie poprzez dodatkową obróbkę końcowego produktu.

Według FMC Corp., TPFS o ciężarze nasypowym ok. 1000 g/dm³ otrzymuje się w złożu sfluidyzowanym w temperaturze 220-400°C wyłącznie w postaci fazy I, zaś po wprowadzeniu otrzymanego produktu w drugie złoże sfluidyzowane w temperaturze 425-550°C uzyskuje się TPFS zawierający głównie fazę I i ciężar nasypowy w zakresie 950-1300 g/dm³.

Znany jest z opisu patentowego US 4,255,274 sposób otrzymywania granulowanego trójpolifosforanu sodu, który obejmuje nawilżanie do poziomu 10-30% H2O nadawy w postaci gęstego, rotacyjnie wysuszonego trójpolifosforanu sodu, o gęstości nasypowej co najmniej 900 g/dm³ i składzie granulometrycznym: 0-85% wagowych powyżej 20 mesh, 15-100% wagowych 20-100 mesh, 0-20% wagowych poniżej 100 mesh, a następnie kalcynowanie nawilżonego materiału w temperaturze 300-600°C.

W metodzie tej z nadawy o gę stoś ci nasypowej przynajmniej 900 g/dm³, powstaje trójpolifosforan sodu niehydratyzowany o ciężarze nasypowym od około 650 g/dm³ do koło 870 g/dm³.

Znany jest również z opisu patentowego US 3,356,447 sposób wytwarzania trójpolifosforanów metali alkalicznych, który składa się z kompresowania poprzez zastosowanie zewnętrznego ciśnienia bardzo drobnego trójpolifosforanu metalu alkalicznego do postaci wypraski w obecności wody konstytucyjnej ortofosforanów rozprowadzonej na wymienionym trójpolifosforanie metalu alkalicznego i z następującym po tym ogrzewaniem w celu przemiany ortofosforanu metalu alkalicznego w trójpolifosforan metalu alkalicznego i usunięcia wody ze skompresowanego trójpolifosforanu metalu alkalicznego.

Również ten sposób wytwarzania wymaga podwójnej kalcynacji, a uzyskany w jego wyniku trójpolifosforan metalu alkalicznego charakteryzuje się brakiem obecności wody oraz spadkiem rozpuszczalności.

Tymczasem trójpolifosforan sodu przeznaczony do nowoczesnych środków piorących, obok innych charakterystycznych własności powinien posiadać jednocześnie wysoką gęstość nasypową oraz bardzo dobrą rozpuszczalność. Aby sprostać tym wymaganiom przeprowadzono szereg prób otrzymywania trójpolifosforanu sodu, w trakcie których nieoczekiwanie stwierdzono, że kompaktowanie wysoko hydratyzowanego trójpolifosforanu sodu o odpowiednim uziarnieniu i zawartości fazy I, w sposób pozwalający na zachowanie mostków stałych wody oraz wybudowanych kryształów heksahydratu TPFS, pozwala na uzyskanie trójpolifosforanu sodu o niskiej kruchości i higroskopijności, wysokim ciężarze nasypowym oraz bardzo dobrej rozpuszczalności.

Sposób według wynalazku polega na tym, że uzyskany na drodze suszenia i kalcynacji roztworu ortofosforanów sodowych półprodukt w postaci trójpolifosforanu sodu będącego mieszaniną fazy I oraz fazy II, zwilża się w sposób jednorodny wodą do poziomu 2-23% wagowych H2O, po czym poddaje procesowi kompaktowania wraz z zawróconym w stosunku od 1 do 0,5-2,0 strumieniem podziarna, a uzyskaną wstęgę rozdrabnia się w operacji mielenia i klasyfikuje odbierając trójpolifosforan sodu w postaci właś ciwej frakcji, zaś podziarno zawraca się do nadawy kompaktora.

PL 196 166 B1

Korzystnie półproduktem w sposobie według wynalazku jest trójpolifosforan sodu pylisty o następującym rozkładzie ziarnowym: 0-4% wagowych powyżej 0,5 mm, 0-30% wagowych 0,5-0,15 mm oraz 76-100% wagowych poniżej 0,15 mm, szczególnie przy zawartości fazy I wynoszącej min 35%.

Korzystnym jest również zastosowanie półproduktu w postaci trójpolifosforanu sodu granulowanego o następującym rozkładzie ziarnowym: 0-3% wagowych powyżej 0,85 mm, 60-100% wagowych 0,85-0,15 mm oraz 0-40% wagowych poniżej 0,15 mm, przy czym szczególnie korzystne jest gdy TPFS granulowany zawiera min. 35% fazy I.

Również korzystnym jest, gdy stosuje się trójpolifosforan sodu w formie zmielonej niesegregowanej.

Proces hydratacji trójpolifosforanu sodu należy prowadzić w sposób gwarantujący uzyskanie jednorodnego produktu, przy czym szczególnie korzystne jest zwilżanie TPFS do poziomu 10% wagowych H2O.

Nadawę kompaktora stanowi hydratyzowany trójpolifosforan sodu oraz strumień podziarna zawracanego z operacji klasyfikacji zmielonego produktu, korzystnie w stosunku wagowym wynoszącym 1 do 0,9-0,95.

Korzystnym jest prowadzenie operacji kompaktowania na dociskanych za pomocą zewnętrznego ciśnienia obracających się walcach, szczególnie gdy siła nacisku na walce wynosi co najmniej 130 bar.

Sprasowaną wstęgę hydratyzowanego TPFS po rozdrobnieniu klasyfikuje się na sitach gwarantujących odbiór właściwej frakcji produktu, korzystnie w zakresie wielkości ziarna 0,2-1,0 mm.

Szczególnie korzystny jest odbiór frakcji granulatu trójpolifosforanu sodu hydratyzowanego zawierającego minimum 5% fazy I.

Trójpolifosforan sodu występuje w postaci dwóch transsymetrycznych wobec siebie faz: fazy wysokotemperaturowej (I) oraz niskotemperaturowej (II). Fazy te różnią się koordynacją atomów sodu, przy czym w fazie II otoczone są one zniekształconym oktaedrem atomów tlenu, a w fazie I część atomów sodu posiada niestabilną tetraedryczną koordynację. Obydwie bezwodne fazy trójpolifosforanu sodu przechodzą pod wpływem wody w identyczny pod względem struktury krystaliczny sześciohydrat. Kryształy sześciohydratu należą do układu trójskośnego i zawierają w elementarnej komórce o gę stoś ci okoł o 2,1 g/cm³ dwie czą steczki Na5P3O10 * 6H2O.

Proces hydratacji przebiega dwuetapowo i obejmuje adsorbcję wody na powierzchni kryształu, a następnie nieodwracalną reakcję przejś cia bezwodnego trójpolifosforanu sodu w sześ ciohydrat.

W znanych procesach hydratacji i granulowania trójpolifosforanu sodu adhezja mię dzy czą steczkami TPFS polega początkowo na obecności cieczy wypełniającej odstępy między nimi. W miarę upływu czasu mostki cieczy stopniowo zanikają, głównie z powodu tworzenia się sześciohydratu, co znajduje swoje odbicie w gwałtownym spadku wytrzymałości granulek.

W procesie według wynalazku, poprzez dobór odpowiednich parametrów, zostały stworzone warunki do wybudowania się mostków stałych kryształów TPFS*6H2O, zapewniających po zaniku mostków cieczowych utrzymywanie wiązań między indywidualnymi cząstkami trójpolifosforanu sodu. W takim przypadku granulki TPFS charakteryzują się dużą wytrzymał o ś cią .

Wysokotemperaturowa faza trójpolifosforanu sodu, przy rozpuszczaniu w wodzie, tworzy wolnorozpuszczające się grudki zatykające dysze rozpyłowe w czasie dalszego przerobu roztworu. Jest to spowodowane powstawaniem w pobliżu szybkorozpuszczającej się fazy I silnie przesyconego roztworu, z którego następuje szybka krystalizacja sześciohydratu w postaci wielu drobnych kryształów oblepiających wolniej rozpuszczające się kryształy fazy II.

Uzyskany sposobem według wynalazku TPFS nie wykazuje tej niepożądanej właściwości ulegając całkowitej, bardzo szybkiej solubilizacji. Metoda ta pozwala więc otrzymać hydratyzowany trójpolifosforan sodu granulowany o wysokim ciężarze nasypowym znajdujący zastosowanie zarówno w przetwarzaniu na sucho jak i w postaci roztworów TPFS.

W sposobie wedł ug wynalazku uzyskany w wyniku kompaktowania nawilż onego TPFS ciężki granulat nie wymaga, dla uzyskania pożądanych własności, ponownej kalcynacji, ani też dodatkowej hydratacji co czyni proces wysoce ekonomicznym. Sposób według wynalazku zostaje bliżej przedstawiony w przykładach wykonania.

P r z y k ł a d 1.

Do mieszalnika podano strumień trójpolifosforanu sodu pylistego o zawartości fazy I równej 62%, ciężarze nasypowym 800 g/dm³ i składzie ziarnowym: 0,02% wagowych powyżej 0,5 mm, 1,36% wagowych w zakresie od 0,5 do 0,25 mm, 6,37% wagowych w zakresie od 0,25 do 0,15 mm, 92,25% wagowych poniżej 0,15 mm oraz strumień wody w ilości 10% wagowych za pomocą drobno rozpylających dysz, a uzyskany hydratyzowany TPFS zmieszano w stosunku wagowym 1 do 0,900 z zawróconym z operacji mielenia i klasyfikacji podziarnem. Tak przygotowaną nadawę poddano kompaktowaniu

PL 196 166 B1 w urządzeniu kompaktują cym Hosakawa-Bepex, na obracających się z szybkością 10 obrotów na minutę walcach dociskanych hydraulicznie z ciśnieniem 140 bar. Sprasowaną wstęgę rozdrobniono, po czym w operacji klasyfikacji oddzielono frakcję ziarnową w zakresie od 0,2 mm do 1,0 mm, a podziarno skierowano do zbiornika buforowego, gdzie zostało zmieszane ze strumieniem uwadnianego trójpolifosforanu sodu.

P r z y k ł a d 2.

Do mieszalnika podano strumień trójpolifosforanu sodu granulowanego o zawartości fazy I równej 46%, ciężarze nasypowym 472 g/dm³ i składzie ziarnowym: 2,75% wagowych powyżej 0,85 mm, 1,82% wagowych w zakresie 0,85-0,5 mm, 18,48% wagowych w zakresie od 0,5 do 0,25 mm, 50,2% wagowych w zakresie od 0,25 do 0,15 mm, 26,75% wagowych poniżej 0,15 mm oraz strumień wody w ilości 9% wagowych za pomocą drobno rozpylających dysz, a uzyskany hydratyzowany TPFS zmieszano w stosunku wagowym 1 do 0,927 z zawróconym z operacji mielenia i klasyfikacji podziarnem. Tak przygotowaną nadawę poddano kompaktowaniu w urządzeniu kompaktującym Hosakawa-Bepex, na obracających się z szybkością 10 obrotów na minutę walcach dociskanych hydraulicznie z ciśnieniem 150 bar. Sprasowaną wstęgę rozdrobniono, po czym w operacji klasyfikacji oddzielono frakcję ziarnową w zakresie od 0,2 mm do 1,0 mm, a podziarno skierowano do zbiornika buforowego, gdzie zostało zmieszane ze strumieniem uwadnianego trójpolifosforanu sodu.

P r z y k ł a d 3.

Do mieszalnika podano strumień trójpolifosforanu sodu mielonego niesegregowanego o zawartości fazy I równej 56%, ciężarze nasypowym 600 g/dm³ oraz strumień wody w ilości 10% wagowych za pomocą drobno rozpylających dysz. Hydratyzowany TPFS skierowano do zbiornika buforowego, gdzie został zmieszany z podziarnem zawracanym z operacji rozdrabniania i klasyfikacji w stosunku wagowym 1 do 1,440. Tak przygotowaną nadawę poddano kompaktowaniu w urządzeniu kompaktującym Hosakawa-Bepex, na obracających się z szybkością 10 obrotów na minutę walcach dociskanych hydraulicznie z ciśnieniem 160 bar. Sprasowaną wstęgę rozdrobniono, po czym w operacji klasyfikacji oddzielono frakcję ziarnową w zakresie od 0,2 mm do 1,0 mm, a podziarno kierowano do zbiornika buforowego, gdzie zostało zmieszane ze strumieniem uwadnianego TPFS.

P r z y k ł a d 4.

Do mieszalnika podano strumień trójpolifosforanu sodu pylistego o zawartości fazy I równej 62%, ciężarze nasypowym 800 g/dm³ i składzie ziarnowym: 0,02% wagowych powyżej 0,5 mm, 1,36% wagowych w zakresie od 0,5 do 0,25 mm, 6,37% wagowych w zakresie od 0,25 do 0,15 mm, 92,25% wagowych poniżej 0,15 mm oraz strumień wody w ilości 5% wagowych za pomocą drobno rozpylających dysz, a uzyskany hydratyzowany TPFS zmieszano w stosunku wagowym 1 do 2 z zawróconym z operacji mielenia i klasyfikacji podziarnem. Tak przygotowaną nadawę poddano kompaktowaniu w urządzeniu kompaktującym Hosakawa-Bepex, na obracających się z szybkością 10 obrotów na minutę walcach dociskanych hydraulicznie z ciśnieniem 140 bar. Sprasowaną wstęgę rozdrobniono, po czym w operacji klasyfikacji oddzielono frakcję ziarnową w zakresie od 0,2 mm do 1,0 mm, a podziarno skierowano do zbiornika buforowego, gdzie mieszane jest ze strumieniem uwadnianego trójpolifosforanu sodu.

Charakterystykę jakościową trójpolifosforanu sodu uzyskanego w przedstawionych przykładach wykonania oraz podstawowe parametry prowadzenia poszczególnych procesów przedstawiono w tabeli.

Zawartość fazy I w trójpolifosforanie sodu została oznaczona według metody zgodnej z normą PN-93/C-84300/25.

T a b e l a

Nr przykładu wykonania	Nadawa kompaktora	Trójpolifosforan sodu kompaktowany
granulacja	ciężar nasypowy [g/dm3]	zawartość fazy l [%]	woda dodana [% H2O]	ciężar nasypowy [g/dm3]	zawartość fazy l [%]	straty suszenia w135°C [% H2O]
1	pylisty	800	62	10	1040	17	5,92
2	granulowany	472	46	9	1032	16,5	5,95
3	mielony niesegregowany	600	59	10	1030	15	6,02
4	pylisty	800	62	5	1038	15	2,34

PL 196 166 B1

Claims (11)

1. Sposób wytwarzania trójpolifosforanu sodu o wysokim ciężarze nasypowym, w którym pół produkt będący mieszaniną fazy I oraz fazy II uzyskuje się na drodze suszenia i kalcynacji roztworu ortofosforanów sodowych, znamienny tym, że półprodukt w postaci trójpolifosforanu sodu zwilża się w sposób jednorodny wodą do poziomu 2-23% wagowych H2O, po czym poddaje procesowi kompaktowania wraz z zawróconym w stosunku od 1 do 0,5-2,0 strumieniem podziarna, a uzyskaną wstęgę rozdrabnia się w operacji mielenia i klasyfikuje odbierając trójpolifosforan sodu w postaci odpowiedniej frakcji, zaś podziarno zawraca się do nadawy kompaktora.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że półproduktem jest trójpolifosforan sodu pylisty o następującym rozkładzie ziarnowym: 0-4% wagowych powyżej 0,5 mm, 0-30% wagowych 0,5-0,15 mm oraz 76-100% wagowych poniżej 0,15 mm.

3. Sposób wed ług zastrz. 2, znamienny tym, ż e pół produkt w postaci trójpolifosforanu sodu pylistego zawiera min 35% fazy I.

4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że półproduktem jest trójpolifosforan sodu granulowany o następującym rozkładzie ziarnowym: 0-3% wagowych powyżej 0,85 mm, 60-100% wagowych 0,85-0,15 mm oraz 0-40% wagowych poniżej 0,15 mm.

5. Sposób wed ług zastrz. 4, znamienny tym, ż e pół produkt w postaci trójpolifosforanu sodu granulowanego zawiera min. 35% fazy I.

6. Sposób wed ług zastrz. 1, znamienny tym, ż e pół produkt w postaci trójpolifosforanu sodu jest w formie zmielonej niesegregowanej.

7. Sposób wedł ug zastrz. 1, znamienny tym, ż e proces jednorodnego zwilż ania wodą prowadzony jest do poziomu 10% wagowych H2O.

8. Sposób wed ł ug zastrz. 1, znamienny tym, ż e stosunek wagowy zwilż onego trójpolifosforanu sodu i zawracanego podziarna w nadawie kompaktora wynosi 1 do 0,9-0,95.

9. Sposób wedł ug zastrz. 1, znamienny tym, ż e proces kompaktowania prowadzony jest na obracających się walcach dociskanych za pomocą zewnętrznego ciśnienia, przy czym siła nacisku na walce wynosi min 130 bar.

10. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że kompaktowany trójpolifosforan sodu stanowi frakcja o wielkości ziarna od 0,2 mm do 1,0 mm.

11. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że kompaktowany trójpolifosforan sodu zawiera min 5% fazy I.