三聚磷酸钠生产工艺.docx

1、三聚磷酸钠生产工艺三聚磷酸钠生产工艺 三聚磷酸钠生产工艺一、三聚磷酸钠的性质1.1产品名称三聚磷酸钠俗称“磷酸五钠”或“五钠”，化学式NaP3O。,分子量36 &12产品性质1.2.1物理性质1、 外观：白色粉末状结晶，流动性较好。2、 1型的密度为2.62g/cm3,H型的密度为2.57g/cm3。3、 熔点：620 C1.2.2化学性质1、 水合性能三聚磷酸钠因生成温度不同而有高温型 （I型）和低温型（H型）之分，其区别在于两者的键长和键角不同，I型和H型产品水合后均 生成六水合物NaP30o 6HQ在相同条件下，I型水合作用较快产生 的热量高，溶于水时易产生结块现象，这是由于I型结构中存

2、在四配 位体的钠离子，四配位体对水有强亲和力，反之H型在水中则以很慢 的速度生成六水物。三聚磷酸钠在室温下相当稳定，在潮湿的空气中会缓慢的发生水 解反应，最终生成正磷酸钠，反应如下：NaP3Qo+2H2Q - 2NQHPQ+NahPQ2、 对金属离子的螯合能力三聚磷酸钠与溶于水中的Ca+、M&、Fe3+等金属离子有络合作用， 生成可溶性络合物，如:NaROo+C厂 Na（CaP30o）+2Na+三聚磷酸钠的络合能力一般以钙值表示， 即100g磷酸盐所能络合钙离子的克数，理论值为13.4。3、缓冲作用三聚磷酸钠水溶液呈弱碱性（1%水溶液的PH直约为9.7），它在PH 为4.314范围水）中，形成

3、悬浊液（类似乳化液）的作用，即分散 作用。三聚磷酸钠也能使液态、固态微粒更好的溶于液体（如水）介质中，使溶液外观完全透明，好像真溶液一样，这就是增溶作用。由于三聚磷酸钠具有以上独特的性能， 使之成为洗衣粉中的一种重要的理想原料。1.3产品用途1.3.1三聚磷酸钠主要作为合成洗涤剂的助剂同时还用于纤维工业精炼、漂白、染色的助剂、水质稳定剂、锅炉除垢剂、洗涤剂及食品工业的添加剂。1.3.2三聚磷酸钠在合成洗涤剂中的作用合成洗涤剂的主要成份是表面活性剂，表成活性剂具有润湿作 用、渗透作用、乳化作用、分散作用和发泡作用等等，去污作用正是 上述一些作用的综合综果。表面活性剂单独使用虽有去污作用，但是并不

4、是在所有的情况下 都能得到满意的效果，例如：在硬水中效果差，手感不佳，价昂，在 高PH时洗涤效果虽好，但是高PH值又会对被洗物和洗衣机发生侵 蚀作用等等，因此，为使合成洗涤剂即具有良好的洗涤效果， 又具有更好的适应性，成为人们乐于使用的洗涤用品，就必须添加洗涤助剂。助剂有有机助剂和无机剂助，不同的助剂有不同的作用，：有机助剂 如羧甲基纤维或甲基纤维素等，可以防止污垢再沉积；无机助剂有碳 酸钠、三聚磷酸钠、焦磷酸钠、硅酸钠和硫酸钠等，这些无机助剂能 降低合成洗涤剂的临界胶束浓度，可以使合成洗涤剂在较低浓度下发 挥洗涤性能。此外，这些无机助剂在碱性条件下，也可以增进合成洗 涤剂的去污效果，而三聚磷

5、酸钠是最好的无机助剂，它兼有多方面的 性能。1、使粉状洗涤剂产品具有良好的流动性由于三聚磷酸钠水合能形成稳定的水合物 N$P3Oo 6H2Q此水合 物在室温下蒸汽压力很低，很稳定，从而阻止了粉状洗涤剂产品吸水 结块，使粉状洗涤剂在含有较高水分情况下，仍然有较好的流动性。2、 螯合作用自来水中一般都含有较高的ca+、Mg+离子（即硬水），洗涤时， Cf、Mg+等离子能与合成洗涤剂中的活性剂反应生成、 粘滞性的金属皂，降低了合成洗涤剂的去污力，且易使织物发生金属皂的再污染， 沉积在被洗物上的金属皂还会使织物发硬变脆。由于三聚磷酸钠的螯合作用，合成洗涤剂中配加三聚磷酸钠就可 使水中的Ca、Mg+离子

6、与三聚磷酸钠螯合，生成可溶性的络合物，从 而软化硬水。3、 乳化、分散和增溶作用乳化作用：能使一种液体（油）成为小液滴（0.1至数+卩）均匀地分 散在别一种液体（水）中和作用叫乳化作用。分散作用：能使固体粒子成细小颗粒均匀地分散在液体 （水）中的作 用叫分散作用。增溶作用：是乳化、分散的极限阶段（形成透明液体）此时溶液的外 观完全透明，好象真溶液一样。由于上述作用，使得三聚磷酸钠能用于许多行业，例如：跟洗涤 剂一起使用可以上污垢的再沉积，提高洗涤效果；若同染料一起使用， 可加快其分散速度；如果同于粘土和淀粉的料浆，则可增加其流动性， 对润滑剂与脂肪的乳化性能可以提高洗涤剂对这类物质的洗涤作用3

7、、助洗作用三聚磷酸钠本身就有一定的助洗作用， 三聚磷酸钠的助洗作用是 由于它对微细的无机粒子或脂肪微滴具有分散、乳化、胶溶等作用， 这些作用的综合便可提高对污垢的悬浮能力， 防止污垢再沉积到织物 上，从而提高了洗涤剂的洗净作用。第二节、三聚磷酸钠生产方法1、由于中和液制取三聚磷酸钠的工艺路线虽各有不同，但是大体上 可分为两大类：一类是先将中和液在喷雾干燥中干燥成一定粒度的正 磷酸盐（俗称干盐），然后再缩聚成三聚磷酸钠；另一类是直接由中 和液制成三聚磷酸钠，前者称作两步法，后者称作一步法。一步法形式较多，如沸腾床一步法、回转窑一步法，返料回转窑一步法和空塔 丨匕J十1匀y步法等。2、生产主要工艺

8、原理2.1中和工序 3HPG+ 5NaOH NaHFQ+2NaHP(4+5HO6HPQ+5NaCO nHO 2NaHPQ+4NaHPO+ (n+5)H 2O+5CM2.2聚合工序NaHPQ+2NaHPO 竺怛t NaP30o+2HOf3、测定方法先取约25ml的蒸馏水于250ml三角烧瓶中，力口 10滴中和液混匀， 加入百里香指示剂3滴于三角瓶中，用O.IMNaO标准溶液滴定呈微兰 色，记下消耗NaOl的毫升数Vi,加入甲基橙2滴，用0.3MHC标准溶液 滴定呈橙色为终点，记下HCI所用毫升数M。中和度计算:Z= Mi*Vi /M 2*V2 (M 1/M2为溶液K值)式中：z表示中和度M i表

9、示HCI标准溶液的摩尔浓度M2 表示NaOH标准溶液的摩尔浓度3.2工艺流程简述磷酸自磷酸工序送至五钠工序磷酸贮槽贮存待用。烧碱自大贮槽 送至五钠工序贮槽贮存待用。生产时磷酸和烧碱按比例或通过计量向 中和搅拌槽加入酸和碱，并根据反应情况和酸碱量比调节阀门开度进 行粗中和液的配制，中和液分析合格后再向搅拌槽内添加硝铵 (催化剂），待硝铵溶解完全后再把中和液放入泵槽，经中和液下泵输送至 中和液贮槽。合格的中和液自中和液贮槽经过滤器除去杂质后， 用高压柱塞泵加压进入聚合炉，经压力喷嘴雾化，与煤气烧嘴所燃煤气提 供的热源相遇，干燥、聚合成成品五钠，从聚合炉尾进入冷却滚筒冷 却，从冷却滚筒出来的五风钠由

10、螺旋输送机送至斗式提升机提升到四 楼螺旋输送机进口，再由螺旋输送机均匀给滚动筛或串级粉碎机喂 料。滚动筛分筛合格的五钠或串级粉碎合格的五钠进入成品料仓， 滚动筛分筛出的粗料进入粉碎机粉碎后经过螺旋输送机送入斗式提升 机，再由螺旋输送机均匀给滚动筛喂料对大料进行循环粉碎、筛分， 成品料仓的五钠经包装后送往五钠成品库。干燥聚合产生的尾气经引风机抽出， 经旋风除尘器和电除尘器除 去大部份粉尘后，再经水沫除尘器进一步回收粉尘后，由水沫除尘器 顶部排空。旋风除尘器收得粉尘进入螺旋输送机输送到冷却滚筒与聚 合炉来的物料一起混合冷却后进入斗式提升机。 水沫除尘器的循环液 送至中和搅拌槽作为配料用。煤气烧嘴燃

11、烧所用煤气自煤气工段送来，经煤气缓冲罐、煤气水 封、U型、水封钟罩阀送入聚合炉烧嘴与空气鼓风机供给的助燃空气 混合燃烧，提供干燥聚合热源第三节反应机理与控制反应速度的因素1反应机理的第一种说法由于中和度为1.667 （钠磷比）的中和液制取三聚磷酸钠的 过程都可分成两个阶段：中和液脱水成无水磷酸钠和无水磷酸 钠缩聚成三聚磷酸钠。中和液脱水成无水磷酸钠是简单的干燥 过程，而无水磷酸钠缩聚成三聚磷酸钠则是化学反应过程，此 化学反应按下述两步完成：第一步由正磷酸钠缩聚成焦磷酸盐：2NaH2PO4=Na2H2P2O7+H 2O（4-1）4NaH2PO4=2Na4P27+2H2O （ 4-2）第二步由焦磷

12、酸盐缩聚成三聚磷酸钠：Na2H 2P2O7+ 2Na4P27=2Na5P3io+H 2O（4-3）由于无水正磷酸盐是固体，所以式（4-1）和式（4-2）所示 的反应都是固相反应。由于反应温度较高，式（4-1）和式（4-2） 释放出的水分会立即蒸发。式（4-3）所示的反应的也是固相反 应。根据热谱法研究，以每分钟45C的升温速度加热磷酸二氢钠，温度 达到 佃0210C时，磷酸二氢钠就转化为酸性焦磷酸二钠， 以相同的 升温速度加热磷酸氢二钠，当温度达到 290320C时，磷酸氢二钠就转化为焦磷酸四钠当磷酸氢二钠和磷酸二氢钠按摩尔比 2: 1 (即Na?。：卩2。5=5:3)混合均匀后加热，到 18

13、0190C时，磷酸二氢钠就缩聚成酸性焦磷酸二钠，到200210C时，磷酸氢二钠缩聚成焦磷酸四钠，由此可 见，两种磷酸盐混合加热时，各自的缩聚温度都有降低：磷酸二氢钠 的转化温度下降515C。磷酸氢二钠的转化温度下降幅度较大，为 90110C。因此，我们可以说185210C是正磷酸盐(Na2O:P2O5=5:3)转化为焦磷酸盐的温度区。继续加热上述的混合物，当温度升到 290310C时，焦磷酸盐就缩聚成三聚磷酸钠，为使缩聚反应进行得更快更完全，宜在300400C，甚至更高的温度完成上述反应。各阶段的反应热效应如下：2NaH2PO4=Na2H2P2O7+H 2O+ H (4-4)2X (-369.

14、0) -664.7 -68.3H=2 X (-3690)-(-664.7-68.3)=-5kcal*/mol2Na2HPO4= Na4P2O7+ 出0+ H(4-5)2X (-419.4) -763.7 -68.3H=2 X (-419.4)- (-763.7 -68.3)=-6.8kcal*/molNa2H 2P2O7+2Na4P2O7=2Na5P3O10+H 2O+ H(4-6)-664.7 2X (-7637) 2X (-10565) -68.3H=-664.7+ 2 X (-7637)- 2X (-1056.5) -68.3=-10.8kcal*/mol综合(4-4)、(4-5)和(4

15、-6)三式得式(4-7):NaH2PO4+ 2Na2H2PO4= Na5P3O10+ 2H2O + H (4-7)-369.0 2X (-419.4) -1056.5 2X (-68.3)H=-369.0+ 2 X (-419.4)- -1056.5+2X (-68.3)=-14.7kcal*/mol因此，由Na2O/P2O5=5: 3的正磷酸盐制取三聚磷酸钠的反 应为吸热反应，生成1mol三聚磷酸钠需要热量14.7kcal。2、反应机理的第二种说法在中和液(Na?。/卩2。5=5: 3)脱水成正磷酸盐后，首先生成复盐：2Na2HPO4+NaH2PO4=Na2HPO4+Na2HPO4 .N a

16、zHPOq(4-8)然后在130230C的温度下生成无定型的焦磷酸盐或亚稳态的“85卩3。10- I 晶体： W3HP2O7Na2HPO 4+ Na2HPO 4. NaH2PO4 (Na5P31o- I )(4-9)Na2H2P2O7300C 时转化成 NasPsOi。- II, 410C 时转化成 NasPsOi。-1从正磷酸盐生成焦磷酸盐的过程中有个“液化”过程， “液化”过程长对反应有利。二、控制反应速度的因素在讨论控制反应的因素以前，先看一些试验成果。图4-1 (a)、(b)、(c)表示了正磷酸盐转化为三聚磷酸钠的速 率，各种磷酸盐含量均以五氧化二磷含量表示。加热 1015分钟后焦磷酸

17、盐含量即达7085%，继续加热，焦磷酸盐含量下降， 聚磷酸盐含量增加。图4-1 (a) 225C时的回执情况，加到2小时后，曲线2和3已 趋于水平，表示焦磷酸盐含量不再降低，聚磷酸盐含量不再增 力口，可见在225C的条件下，加热2小时后，由正磷酸盐转化后 三聚磷酸钠的反应实际上已经停止。图4-1 ( b)为250C时的加热情况，磷酸盐转化趋势与图4-1 (a) 相同。加热初期生成三聚磷酸钠的速度很快， 50分钟后三聚磷 酸钠的含量即达48%，之后反应进行速度减慢。图4-1 (c)和表4-1以不同形式表示了 300下C加热正磷酸盐混 合物的结果。加热3分钟焦磷酸钠含量就达最大值 67.1%，尔

18、后焦磷酸钠含量减少，同时三聚磷酸钠的含量增加，20分钟时， 含量增大到最大值84.5%。继续加热，焦磷酸钠含量虽略有下 降，但是三聚磷酸钠含量不见增加，而三偏磷酸钠的含量略有 增加。400C加热无水正磷酸盐(Na?。/卩2。5=5: 3)的规律基本 上和300C样，只是反应速度更快，1015分钟即告结束，而 且反应也未进行到底，最终产品中也含有焦磷酸钠和三偏磷酸 钠，还含有少量的不溶性偏磷酸盐。120225 C转化速率 2-Cj- 31000时间(h)(a)225C转化率(b)250C转化率(c)300C转化率注：以上图为正磷酸盐(5Na20.3P2O5)在各温度下的转化速率1正磷酸钠 2焦磷

19、酸钠 3三聚磷酸钠4三聚磷酸钠表4-1 300C时对加热无水正磷酸盐(5Na2O.3P2O5)结果时 间正磷酸钠焦磷酸钠多聚磷酸六偏磷酸三偏磷酸(min)(% )(%)钠(%)钠(% )钠(%)234.553212.3无无313.667.119.345.263.031.8553.246.8737.962.11024.175.40.51514.682.80.71.92011.884.50.63.13011.684.40.33.74011.984.2微量3.95011.584.43.11h11.684.04.42h11.284.64.2综合分析225C、250C、300C和400C温度下加热无水正

20、磷酸盐(5Na20.3P2O5)的结果可看出下面两个趋势：(1) 温度越高，完成反应的时间越短：225C需2h, 250C 需 50min, 300C仅需 20min。(2) 温度越高，产物中三聚磷酸钠含量越高， 225 C含量为 36% , 250 C 含量为 48% , 300 C 含量为 84.5%。再看表4-2所列数据。表4-2无水正磷酸盐(5Na2O3P2O5)在不同温度下加热时，添加硝酸铵和不添加硝酸铵的结果比较硝酸铵加热温度三聚磷酸钠焦磷酸钠正磷酸钠C)(% )(% )(%)不加320 1092.95.61.5360 1095.14.20.7420 1096.33.30.5加32

21、0 士 109504.40.60.5%360 士 109613.20.7420 士 1096.23.10.7加05%磷酸铵，温度为320士 10C的三聚磷酸钠含量（95.0%） 与不加硝酸铵、加热温度为 360士 10C的三聚磷酸钠含量（95.1%） 近乎相同，可见，加了硝酸铵后，反应温度降低 40C还能达到同样 的效果；同样，加0.5%硝酸铵，加热温度为 420士 10C的三聚磷酸 钠含量（96.1% ）也近乎相同，反应温度下的更多，约 60C,由此可 得出结论：添加硝酸铵后，回执温度即可降低 4060C，产品质量还 能与不加硝酸铵所得的产品一样， 换言之，加硝酸铵后，可在不加硝 酸铵温度下

22、缩聚反应达到满意的程度。第四节、影响产品质量的主要原因一、中和度中和度即磷酸与烧碱反应的程度，其反应决定最终生成各种物质的多少，我们从下列反应方程式可看出：n5N a OH+3H 3?O4 = 2N a2HPO 4+N agPO 4 + 2H2O其中中和度K= （ MNa2 HPO4 + MNaH 2 PO4 ）/MNaH 2 PO4我们所控制的中和度按理论必须等于3 .00,反应物才能全部生成五 钠成品.但我们控制的中和度在实际中一般都偏离这个理论数值，这 主要是因为在实际生产控制中，中和度受原料、人员分析误差的影响 很大，一般来说，中和度的高低对最终五钠产品质量有如下影响： 中和度低：焦钠

23、低、总磷高、水不溶物高，I型低、PH值低。二、 婆美度我们所说的婆美度既中和液的浓度，中和液内除了 Na2HPC4和NaH2PO4外，大部分都是水。而我们的聚合反应就由干燥和聚合两部 分组成，婆美度的高低则体现物料中水的含量多少。在相同的热源供 给条件下，料浆浓度的高低会直接影响产品的下列指标变化n1、 产量；按我们高压泵满负荷运行来计算，婆美度为54%寸，每班8 小时会生成五钠93. 3吨，当婆美度53%寸每班8小时就只能生成五 钠92.2吨。而热源用量则会增加约6000大卡。2、 五钠I型；五钠I型与聚合炉内水蒸汽分压有很大的关系，在其 他工艺指标不作变动的情况下，婆美度高则I型高，婆美度

24、低则I 型低。三、 高压泵压力高压泵压力影响我们进入聚合炉内料浆的多少，也就是影响我们产量 的多少。同时，高压泵压力还有以下几个影响因素：1、 影响雾化效果，压力高则雾化效果好，最终产品密度低；物料与 火焰接触面积大，聚合效果好，五钠含量高；2、 高压泵压力也可以直接反映炉头喷枪配置的好与坏，是否有堵塞 现象等。四、聚合炉温度 我们在实际控制中因为聚合炉头燃烧温度高，一般都以聚合炉尾温度 来作为控制依据。按理论要求五钠的聚合温度一般在480560oC之 间，但在中和液中加入一定量的催化剂（如硝酸胺、尿素等）后聚合 温度会降低至380420oC之间。也就是说聚合炉燃烧温度将直接影响 我们的五钠含

25、量高低；另外，聚合温度的高低会影响五钠中I型含量 的多少，在其他各项控制指标不变的情况下，聚合燃烧温度的高低会 导致产品的变化趋势一般如下表： 在保证上述因素的前提下，合理的搭配喷枪也是影响产品质量的一个重要的聚合温度（oC）五钠含量（）I 型(%)28030093.093.50530032093.594.551032033094.595.5101733034095.59615303403509696.830五、喷枪的规格型号喷枪的搭配不但是影响产品产量的重要因素，同时也是影响产品质量 的重要因素，因为喷枪搭配直接影响雾化角，在聚合过程中，其它工 艺指标不改变的情况下，雾化角越小，那喷射距离就

26、越远，那么，聚合的 时间相应就缩短，这样就可以造成五钠含量偏低，焦钠含量增高，总磷 降低，水不溶物高，产品质量不合格。雾化角大，喷射距离就短，那么物料在聚合炉内停留时间就长， 产品聚合程度就好，产品质量也就越好，但是，雾化角并不是越大越 好，雾化角太大，那么喷射距离就越短，物料不能喷射到高温区（指 火焰外焰）聚合，直接就喷射到聚合炉壁，这样不但不能聚合，还会 造成炉头粘壁。六、聚合炉转速聚合炉转速也是聚合的一个重要因素，在其它工艺指标不改变的 情况下，聚合炉转速越快，相应物料在聚合炉内停留时间越短， 那么 可能会造成物料聚合不完全的情况发生，同时会出现五钠含量偏低 ，焦钠含量增高，总磷降低，水

27、不溶物高，产品质量不合格。聚合炉转速决定物料在炉内停留时间的长短， 理论上料浆要聚合 完全必须的时间为20分钟，也就是说料浆在炉内停留时间必须达到 2 0分钟。如果聚合炉转速高，物料来不及聚合完全，最终产品中主 含量就会降低；另外我们从理论上知道五钠在聚合炉内都是先生成I 型，然后再转换成II型。由于聚合炉转速快，I型还来不及转换成 II型，最终导致产品中I型含量高。从总结经验数据来看，聚合炉 转速每降低0.1转/分，五钠I型会降低23%。聚合炉内停留时间过长，这样虽然有利产品聚合，但由于时间过多， 物料在聚合炉内越积越多，聚合炉负荷增大，这样可能会引起聚合炉 由于负荷过大时引起停车。七：炉尾

28、引风压力料浆在聚合炉内反应会生成大量的水蒸汽， 炉尾引风就是及时将水蒸汽抽走，得到干燥的物料。水蒸汽分压对五钠I型影响很大，引 风压力的高低就直接影响五钠I型的升降， 引风压力高则I型高，一 般每升高10 0 pa,五钠I型会升高68%。每降低100 pa, 五钠I型会降低46%左右。但不允许降低至聚合炉尾有正压。第五节I型和H型含量控制一、高H型含量的控制（一）硝酸和硝酸盐作催化剂使用硝酸、硝酸铵、硝酸钠、硝酸钾和硝酸铅都可使I型转化为H型。此转化反应中，影响转化率的因素有三：所用催化剂的比例、 转化温度和转化时间。表 4-5列出了用2%NH 4NO3使I型转化为H 型的反应关系中温度和时间

29、的关系。表4-5 2%NH 4NO3使I型转化为H型的温度-时间关系温度C200250300350400450500时间h6311/21/41/61/12（二）水作催化剂正磷酸混合物，或由正磷酸盐溶液干燥所得的产物，当 Na?。/卩2。5=5: 3时，如果在聚合以前加入一定量的水分，聚合所得的三聚磷酸钠的I型含量就低，如果将上述的溶液干燥至一定的程度， 使其残留水分与干燥产物加水的水含量相同， 聚合所得的三聚磷酸钠的型含量就高例如，将正磷酸盐溶液（5Na20.3 P2O5）干燥至含水量为0.5% （重量），此产物于330CM烧2小时，所得三聚磷酸钠的温升试验 值（TRT ）为11.5, 1%水

30、溶液的PH值为9.35。另一个试验是，正磷酸盐混合物的含水量为 0.5% （重量）Na?。/ 卩2。5=5: 3,用温度为135C的热空气吹扫，使其脱水，然后再使干 燥产物突然与温度与 20C的湿空气接触，于是产物被空气饱和，温 度降至30C。最终含水量约为2% ,于同样条件下聚合所得三聚磷酸 钠的TRT=6.15水溶液的PH值为9.7。加水能减少三聚磷酸钠中I型含量原因不清楚，理论上推测，用 饱和湿空气冷却正磷酸盐混合物，也可同时使用上述各方法中的几 种。（三）加少量三聚磷酸钠晶体。在正磷酸盐（5Na2O/ P2O5）中加入三聚磷酸钠晶体可提高H型 的得率，三种三聚磷酸钠晶体（I型、H型和六水物）都有此种作用， 不过，1型和六水物比H型更有效。其用量不多，一般大于 1%，最好大于2%。例如，0.6g I型研磨至小于 200目，与11.4g未