PL222080B1 - Sposób wytwarzania trójpolifosforanu sodu o wysokiej gęstości nasypowej - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania trójpolifosforanu sodu, umożliwiający otrzymywanie produktu o wysokiej gęstości nasypowej.

Powszechnie znana i szeroko stosowana w praktyce przemysłowej metoda wytwarzania trójpolifosforanu sodu (Na2P3O10) polega na neutralizacji kwasu fosforowego sodą przy stosunku molowym Na : P zbliżonym do 1,67. Otrzymany roztwór zawierający głównie mieszaninę ortofosforanów (fosforanów mono- i disodu) suszy się rozpyłowo, przez co następuje proces ich dehydratacji i częściowej kondensacji. Następnie produkt otrzymany z rozpyłowego suszenia roztworu kalcynuje się w temperaturze 400-550°C, w efekcie czego zachodzi proces dalszej kondensacji ortofosforanów do trójpolifosforanu sodu. Wytworzony tą znaną metodą trójpolifosforan sodu (TPFS) posiada po kalcynacji gęstość ₃ nasypową około 0,54 kg/dm³. Granule kalcynowanego TPFS mają wygląd pustych w środku kuleczek (tzw. wydmuszek). Powierzchnia kuleczek jest pofałdowana, różnej grubości i porowata.

Trójpolifosforan sodu stosowany jest głównie do produkcji proszków do prania, środków myjących i czyszczących, Jego zawartość w proszkach do prania wynosi przeciętnie od 20 do 40% wag.

Przyczyną szerokiego stosowania TPFS w produkcji proszków do prania są jego korzystne cechy, takie jak właściwości sekwestracyjne pozwalające na wiązanie rozpuszczalnych w wodzie kompleksów jonów metali, zwłaszcza magnezu i wapnia. Ma on odczyn alkaliczny, co pozwala ograniczyć skutki twardości wody, zapobiegać tworzeniu się osadów na elementach grzejnych pralek, powodować wtórne rozpuszczanie osadów zawierających wapń i magnez, które pozostały w odzieży po poprzednich praniach. Zwiększa także aktywność powierzchniową czynnych składników detergentów.

Stały postęp w dziedzinie proszków do prania, środków myjących i czyszczących doprowadził do powstania szeregu nowych rozwiązań. Wytwarzane są produkty w postaci proszków kompaktowych czy tabletek, o zwiększonej gęstości nasypowej i podwyższonej zawartości środków powierzchniowo czynnych. Obecnie produkowane proszki do prania mają gęstości nasypowe od około

0,80 kg/dm nawet do powyżej 1,00 g/dm .

Oczywistym jest, że otrzymywanie proszków do prania o wspomnianej gęstości nasypowej nie jest możliwe przy wykorzystaniu do ich produkcji TPFS wytworzonego przedstawioną powyżej znaną metodą.

Stąd też obecnie dla produkcji proszków do prania stosuje się szereg metod pozwalających podnieść gęstość nasypową TPFS.

Najprostszym sposobem zwiększenia gęstości nasypowej TPFS, otrzymywanego przez kalcynację wysuszonego rozpyłowo roztworu ortofosforanów - jest zmielenie granul kalcynowanego TPFS.

₃

Operacja taka pozwala osiągnąć gęstość nasypową zmielonego TPFS na poziomie 0,85 kg/dm³. Otrzymany produkt jest jednak drobnoziarnistym pyłem, co znacznie ogranicza możliwości jego zastosowań, gdyż preferowaną obecnie formą TPFS jest produkt granulowany. Uziarnienie uzależnione jest od potrzeb wytwórcy proszków piorących.

Inna dosyć szeroko stosowana metoda, zwana metodą kompaktowania, polega na otrzymywania TPFS tzw. „ciężkiego” (tj. o wysokiej gęstości nasypowej) poprzez sprasowanie TPFS, uzyskanego w procesie kalcynacji wysuszonego rozpyłowo roztworu ortofosforanów, na prasie walcowej pod bardzo wysokim ciśnieniem, co niszczy strukturę „wydmuszek”, a następnie zmielenie zaglomerowanego produktu i rozdziale na sitach odpowiednich frakcji ziarnowych. Tą metodą otrzymuje się granulowany ₃

TPFS o gęstości nasypowej w granicach lub nieco powyżej 1,0 kg/dm³.

Z publikacji: Marcin Banach i inni, pt. „Tripolifosforan sodu o dużym ciężarze nasypowym otrzymany metodą chemiczną’, Przemysł Chemiczny 88/11 (2009), s. 1236-1239, znany jest sposób otrzymywania TPFS o dużej gęstości nasypowej, w którym orto- i pirofosforany, powstałe podczas suszenia rozpyłowego roztworów fosforanu sodu, miesza się przed kalcynacją z wodą w stosunku 1 : 0,22. Mieszaninę tą kalcynuje się w temperaturze 550°C dla uzyskania Fazy I oraz w temperaturze 400°C dla uzyskania Fazy II.

Podobnie, w publikacji: Marcin Banach i inni, pt. „Wpływ parametrów procesu wytwarzania tipolifosforanu sodu na jego gęstość nasypową, Przemyśl Chemiczny 2010 nr 4, s. 286-288 wskazano możliwość wytwarzania TPFS o podwyższonej gęstości nasypowej, rzędu 0,9-0,95 kg/dm³, przy użyciu wysuszonych rozpyłowo fosforanów sodu zmieszanych z wodą.

W artykule: Marcin Banach i inni, pt. „A Chemical method of the production of „heavy” sodium tripolyphosphate with the higher content of Form I or Form II”, Polish Journal of chemical Technology, Volume 11, Number 2/2009, pages 13-20, ujawniono możliwość podwyższenia gęstości nasypowej

PL 222 080 B1 ₃

TPFS do wartości rzędu 1,04-1,07 kg/dm poprzez zmieszanie ze sobą przed kalcynacją stałych ortofosforanów sodu, wody i trójpolifosforanu sodu o granulacji poniżej 0,25 mm.

Ponadto z publikacji: Katarzyna Gorazda i inni, pt. „Zwiększanie gęstości nasypowej tripolifosforanu sodu metodą chemiczną’. Przemysł Chemiczny 2010 nr 89/4 s. 356-358 znany jest sposób otrzymywania TPFS o podwyższonej gęstości nasypowej. W publikacji ujawniono, że gęstość nasypową TPFS zwiększa się poprzez ucieranie mieszaniny stałych fosforanów sodu, po procesie suszenia rozpyłowego, z roztworem ortofosforanów sodu, a następnie kalcynację otrzymanych mieszanek w temperaturze 350-550°C. Wspomniane mieszanki sporządzano przez rozcieranie 100 g stałych fosforanów sodu z 25 g roztworu ortofosforanów sodu.

Według tych znanych rozwiązań, dodatek wody lub wodnego roztworu fosforanów sodu powoduje częściowe rozpuszczanie wysuszonych rozpyłowo ortofosforanów, wypełnianie por powierzchni „wydmuszek’ i jej wygładzenie, a także wnikanie wody do wnętrza wydmuszek. Wskutek tego wsad do kalcynacji zawiera już surowiec o charakterystyce fizykochemicznej innej niż uzyskany podczas suszenia rozpyłowego roztworów fosforanów, dzięki czemu można, po kalcynacji. otrzymać TPFS ₃ o gęstości nasypowej powyżej 0,85 kg/dm³.

Literatura patentowa podaje szereg rozwiązań otrzymywania TPFS o wysokiej gęstości nasypowej poprzez kompaktowanie TPFS otrzymywanego przez kalcynowanie wysuszonego roztworu ortofosforanów.

Przykładowo, według opisu patentowego GB 1063828 trójpolifosforan sodu o wysokiej gęstości nasypowej jest formowany przez kompaktowane TPFS zwilżonego wodą w ilości do 1,5% wag. w stosunku do TPFS, którą spryskuje się TPFS. Alternatywnie, zamiast wody stosuje się roztwór ortofosforanów, który rozprowadza się na TPFS. Po kompaktowaniu i przed albo po wysuszeniu TPFS może być granulowany.

Z kolei, sposób wytwarzania kompaktowanego trójpolifosforanu sodu zgodnie z polskim zgłoszeniem patentowymi P-340514 polega na tym, że półprodukt będący trójpolifosforanem sodu, głównie w postaci fazy I (wysokotemperaturowej), nawilża się wodą w sposób szybki i równomierny tak, by uzyskać materiał o zawartości wody 4-9,5% wag., korzystnie 7% wag., a następnie kompaktuje się go na walcach.

Zagadnieniem technicznym postawionym do rozwiązania jest wytworzenie trójpolifosforanu sodu o wysokiej gęstości nasypowej przez kalcynowanie produktu rozpyłowego suszenia roztworu ortofosforanów, otrzymanego znaną metodą, przy jednoczesnym wyeliminowaniu z procesu operacji kompaktowania czy zwilżania półproduktu wodą lub wodnym roztworem fosforanów sodu.

Stwierdzono niespodziewanie, że gęstość nasypową TPFS można również podwyższyć poprzez dodanie zawiesiny wysuszonych rozpyłowo fosforanów sodu w roztworze ortofosforanów sodu do produktu otrzymywanego z rozpyłowego suszenia roztworu ortofosforanów, przed skierowaniem go do kalcynacji, a następnie ponowne dodanie do produktu kalcynacji zawiesiny wysuszonych rozpyłowo fosforanów sodu w roztworze ortofosforanów sodu i kolejną kalcynację.

Mechanizm tego procesu polega na rekrystalizacji w układzie roztworu przesyconego ortofosforanów sodu. Granule stałych ortofosforanów sodu pełnią rolę zarodków krystalizacji, na których powierzchni jak i wewnątrz pustej struktury po suszeniu rozpyłowym, zachodzi proces rekrystalizacji. W układzie takim następuję równoczesne częściowe rozpuszczanie stałych ortofofosforanów sodu i rekrystalizacja. Uzyskana w ten sposób półsucha mieszanka stanowi zagęszczony półprodukt kierowany do kalcynacji. W wyniku procesu temperaturowego następuje kondensacja do TPFS o znacznie wyższym upakowaniu kryształów, a co za tym idzie wyższej gęstości nasypowej.

Zgodnie z wynalazkiem, sposób wytwarzania trójpolifosforanu sodu o wysokiej gęstości nasypowej na drodze kalcynacji produktu rozpyłowego suszenia roztworu ortofosforanów sodu, charakteryzuje się. że kalcynację prowadzi się dwukrotnie, przy czym przed pierwszą kalcynacją wysuszony rozpyłowo roztwór ortofosforanów sodu rozdrabnia się w obecności zawiesiny wysuszonych rozpyłowo fosforanów sodu w roztworze ortofosforanów sodu, przy stosunku masowym rozdrabnianych fosforanów do zawiesiny wynoszącym od 2,2:1 do 1,4:1, przy czym stosuje się zawiesinę o temperaturze 70-90°C, która zawiera roztwór ortofosforanów o zawartości związków fosforu 11,6-17,4% (w przeliczeniu na P₂O₅) zmieszany z fosforanami sodu (fazą stałą) w stosunku masowym roztwór do fosforanów w zawiesinie od 1,5:1 do 1:1, po czym całość kalcynuje w temperaturze 400-550°C, a następnie produkt tej kalcynacji miesza się z zawiesiną wysuszonych rozpyłowo fosforanów sodu w roztworze ortofosforanów sodu, która ma temperaturę 70-90°C i zawiera roztwór ortofosforanów sodu o zawartości związków fosforu 11,6-17,4% P₂O₅ zmieszany z fosforanami sodu w stosunku masowym roztwór do

PL 222 080 B1 fosforanów w zawiesinie od 1,5:1 do 1:1, przy stosunku masowym produktu kalcynacji do zawiesiny wynoszącym od 2,2:1 do 1,4:1 i ponownie kalcynuje w temperaturze 400-550°C.

W efekcie, sposobem według wynalazku można wytwarzać „ciężki” trójpolifosforan sodu ₃ (TPFS), o wysokiej gęstości nasypowej w zakresie od 0,85 do 1,09 kg/dm³, zawierający podstawową frakcję granulowaną o uziarnieniu 0,3-0,8 mm.

Produkt posiada wyższą wartość gęstości nasypowej aniżeli w procesie kompaktowania z wodą, wykorzystanie mediów wytwarzanych w procesie produkcyjnym (tj. roztworów ortofosforanów sodu obecnych na instalacji)-eliminuje potrzebę używania w układzie dodatkowej ilości wody oraz zmniejsza zużycie energii potrzebnej na jej odparowanie z układu, czyniąc proces mniej energochłonnym.

W procesie według wynalazku nie przewiduje się, w stosunku do klasycznej, znanej metody produkcji TPFS, użycia dodatkowych surowców. Dodawanie przed kalcynacją roztworu czy zawiesiny, nie powoduje zmian we wskaźniku zużycia gazu ziemnego, gdyż ilość ciepła zużywana w procesie kalcynacji (a wynikająca z chemizmu tego procesu), wystarczy z nadwyżką na odparowanie dodawanej fazy ciekłej.

Można więc szacować, że koszty produkcji TPFS o wysokiej gęstości nasypowej sposobem według wynalazku będą praktycznie niewiele wyższe jak przy zastosowaniu znanego, klasycznego sposobu wytwarzania TPFS.

Sposobem według wynalazku można wytwarzać trójpolifosforan sodu o wysokiej gęstości nasypowej, zawierający zarówno Fazę I jak i Fazę II. Przy temperaturze kalcynacji 400°C uzyskuje się TPFS „ciężki” zawierający Fazę II, a przy temperaturze 550°C TPFS „ciężki” zawierający tylko Fazę I.

Sposób wytwarzania trójpolifosforanu sodu o wysokiej gęstości nasypowej ilustrują następujące przykłady.

P r z y k ł a d I (porównawczy)

Do 100 części wagowych wysuszonych rozpyłowo fosforanów sodu o stosunku molowym Na : P = 1,67 dodano mieszając 22 części wagowe roztworu ortofosforanów sodu o temperaturze 25°C i zawartości związków fosforu 13,7% (w przeliczeniu na P₂O₅). Mieszaninę kalcynowano w laboratoryjnym piecu komorowym ogrzewanym elektrycznie przez 60 minut, otrzymując w temperaturze kalcynacji 400°C produkt (TPFS) zawierający wyłącznie Fazę II, a przy maksymalnej temperaturze kalcynacji 550°C TPFS zawierający wyłącznie Fazę I, w łącznej ilości 95 części wagowych, Tak wytworzo₃ ny trójpolifosforan sodu miał gęstość nasypową 0,87 kg/dm³.

Do 95 części wagowych tak kalcynowanego TPFS dodano mieszając 56 części wagowych zawiesiny zawierającej roztwór ortofosforanów sodu o stężeniu związków fosforu 13,7% P₂O₅ i wysuszone rozpyłowo fosforany sodu. Stosunek masowy obu tych składników zawiesiny wynosił 1:1. Zawiesinę przygotowano mieszając oba składniki w mieszalniku laboratoryjnym w temperaturze 80°C. Mieszaninę kalcynowano w laboratoryjnym piecu komorowym ogrzewanym elektrycznie przez 60 minut, otrzymując w temperaturze kalcynacji 400°C TPFS zawierający wyłącznie Fazę II, a przy maksymalnej temperaturze kalcynacji 550°C trójpolifosforan sodu zawierający wyłącznie Fazę I, w łącznej ilo₃ ści 127 części wagowe, o gęstości nasypowej 1,01 kg/dm³, zawierający frakcję granulowaną o uziarnieniu 0,3-0,8 mm w ilości 77%.

P r z y k ł a d II

Do 78 części wagowych wysuszonych rozpyłowo fosforanów sodu o stosunku molowym Na : P = 1,67 dodano mieszając 44 części wagowe zawiesiny zawierającą roztwór ortofosforanów sodu o stężeniu związków fosforu 13,7% P₂O₅ i wysuszone rozpyłowo fosforany sodu. Stosunek masowy obu tych składników wynosił 1:1. Zawiesinę przygotowano mieszając oba składniki w mieszalniku laboratoryjnym w temperaturze 80°C. Mieszaninę kalcynowano w laboratoryjnym piecu komorowym ogrzewanym elektrycznie przez 60 minut, otrzymując w temperaturze kalcynacji 400°C TPFS zawierający wyłącznie Fazę II, a przy maksymalnej temperaturze kalcynacji 550°C trójpolifosforan sodu za₃ wierający wyłącznie Fazę I, w łącznej ilości 95 części wagowych, o gęstości nasypowej 0,92 kg/dm³.

Do 95 części wagowych tak skalcynowanego TPFS dodano 56 części wagowych zawiesiny zawierającą roztwór ortofosforanów sodu o stężeniu związków fosforu 13,9% P₂O₅ i wysuszone rozpyłowo fosforany sodu. Stosunek masowy obu tych składników zawiesiny wynosił 1:1. Zawiesinę przygotowano mieszając oba składniki w mieszalniku laboratoryjnym w temperaturze 80°C. Mieszaninę kalcynowano w laboratoryjnym piecu komorowym ogrzewanym elektrycznie przez 60 minut, otrzymując w temperaturze kalcynacji 400°C TPFS zawierający wyłącznie Fazę II, a przy maksymalnej temperaturze kalcynacji 550°C trójpolifosforan sodu zawierający wyłącznie Fazę I, w łącznej ilości 127 części ₃ wagowych, o gęstości nasypowej 1,09 kg/dm³ zawierający frakcję granulowaną o uziarnieniu 0,3-0,8 mm w ilości 89%.

Claims (1)

1. Sposób wytwarzania trójpolifosforanu sodu o wysokiej gęstości nasypowej na drodze kalcynacji produktu rozpyłowego suszenia roztworu ortofosforanów sodu, znamienny tym, że operację kalcynacji prowadzi się dwukrotnie, przy czym przed pierwszą kalcynacją wysuszony rozpyłowo roztwór ortofosforanów sodu rozdrabnia się w obecności zawiesiny wysuszonych rozpyłowo fosforanów sodu w roztworze ortofosforanów sodu, przy stosunku masowym rozdrabnianych fosforanów do zawiesiny wynoszącym od 2,2:1 do 1,4:1, przy czym stosuje się zawiesinę o temperaturze 70-90°C, która zawiera roztwór ortofosforanów o zawartości związków fosforu 11,6-17,4% P₂O₅ zmieszany z fosforanami sodu w stosunku masowym roztwór do fosforanów w zawiesinie od 1,5:1 do 1:1, po czym całość kalcynuje w temperaturze 400-550°C, a następnie produkt tej kalcynacji miesza się z zawiesiną wysuszonych rozpyłowo fosforanów sodu w roztworze ortofosforanów sodu, która ma temperaturę 70-90°C i zawiera roztwór ortofosforanów sodu o zawartości związków fosforu 11,6-17,4% P₂O₅ zmieszany z fosforanami sodu w stosunku masowym roztwór do fosforanów w zawiesinie od 1,5:1 do 1:1, przy stosunku masowym produktu kalcynacji do zawiesiny wynoszącym od 2,2:1 do 1,4:1 i ponownie kalcynuje w temperaturze 400-550°C.