Способ получения тринатрийфосфата

 

Заявляемое изобретение относится к области технологии неорганических веществ, а именно к способам получения тринатрийфосфата на основе фосфорной кислоты, используемого в основном в процессах водоподготовки. Сущность изобретения состоит в нейтрализации фосфорной кислоты при 70-100°С кальцинированной содой, отделении примесных компонентов, охлаждении раствора до 30-35^oС с кристаллизацией двенадцативодного гидрата тринатрийфосфата в присутствии кондиционирующей добавки - ортофосфатов щелочноземельных металлов с удельной поверхностью 0,5 - 2,0 м²/г, количество которых отвечает 0,0005 - 0,0025 моля оксидов соответствующих металлов на 100 мас.ч. осадка, и отделении последнего от маточного раствора. При этом в случае переработки экстракционной фосфорной кислоты заданное количество и качество ортофосфатов щелочноземельных металлов обеспечивают, например, за счет нейтрализации кислоты кальцинированной содой до мольного отношения Na₂O : P₂O₅, равного 5 : 3, и последующего отделения примесных компонентов. Способ позволяет удешевить технологический процесс и снизить затраты на получение целевого продукта. 1 табл.

Изобретение относится к области технологии неорганических веществ, а именно к способам получения используемого в основном в процессах водоподготовки, для предупреждения образования и удаления накипи, для изготовления моющих средств тринатрийфосфата, сырьем для производства которого служат фосфорная кислота, а также кальцинированная и каустическая сода.

Известны способы получения тринатрийфосфата в виде 12-ти водного кристаллогидрата путем двухступенчатой нейтрализации фосфорной кислоты: вначале кальцинированной содой до мольного отношения Na₂O : P₂O₅ = 2:1, затем щелочью до мольного отношения Na₂O : P₂O₅ = 3:1, т.е. до образования раствора тринатрийфосфата, из которого при охлаждении до ~30^oC кристаллизуют 12-ти водный гидрат (Na₃PO₄ · 12H₂O), направляемый после отделения на сушку [М.Е. Позин "Технология минеральных солей. ч. 2"; Л. "Химия", 1974 г., с. 1069].

При использовании термической фосфорной кислоты очистку раствора от примесей осуществляют путем его фильтрации после нейтрализации кальцинированной содой до отношения Na₂O : P₂O₅ = 2:1. В том случае, когда применяют экстракционную фосфорную кислоту, содержащиеся в ней примеси фтора и двух- и трехвалентных металлов отделяют предварительно, нейтрализуя вначале кислоту содой до значения pH ~ 4,4 (мольное отношение Na₂O : P₂O₅ = 1-1,2:1), после чего полученный фильтрат (раствор мононатрийфосфата) донейтрализовывают кальцинированной, затем каустической содой аналогично описанному выше [И.Л. Гофман, С.К. Милованова, Авт. свид. СССР N 62810, кл. 12 i,, 31; заявлено 13 мая 1941 г. за N 43499 (306724) в Народный комиссариат химической промышленности СССР].

Недостатками способов являются неудовлетворительные физические свойства продукта, выражающиеся в его сильной слеживаемости и повышенной гигроскопичности, что обусловлено потерей части конституционной воды при сушке легкоплавляющегося материала (температура плавления 70^oC). Кроме того, при получении тринатрийфосфата на основе экстракционной фосфорной кислоты, продукт оказывается загрязненным примесями сульфатных компонентов (их доля в пересчете на SO₃ составляет 0,6-8%).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату и предлагаемому способу (прототипом) является процесс [А.А. Кузнецов, Б.Д. Гуллер, М.А. Шапкин и др. "Способ получения тринатрийфосфата". Заявка на изобретение N 95114710/25 (024626) от 15.08.1995 г.], согласно которому может быть получен тринатрийфосфат с гигроскопической точкой, отвечающей 75-80% при 20^oC и содержащий 0,1-0,3% SO₃. Кроме того, способ позволяет упростить технологию в результате устранения стадии сушки продукта и сокращения энергозатрат. Сущность способа заключается в нейтрализации фосфорной кислоты кальцинированной и каустической содой при 70-100^oC, отделении примесных компонентов, охлаждении раствора до 30-35^oC с кристаллизацией 12-ти водного гидрата тринатрийфосфата в присутствии кондиционирующей добавки, и отделении осадка от маточного раствора. При этом в качестве кондиционирующей добавки (модификатора) используют смеси полифосфатов (триполифосфата и пирофосфата) щелочного металла (натрия). Недостатком данного технического решения является необходимость использования дорогостоящих полифосфатных добавок, что приводит к удорожанию целевого продукта.

Целью предполагаемого изобретения является удешевление процесса и снижение затрат на получение целевого продукта.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе, заключающемся в нейтрализации экстракционной фосфорной кислоты кальцинированной и каустической содой при 70-100^oC, отделении примесных компонентов, охлаждении раствора до 30-35^oC с кристаллизацией 12-ти водного гидрата тринатрийфосфата в присутствии кондиционирующей добавки, и отделении осадка от маточного раствора, в качестве кондиционирующей добавки используют ортофосфат щелочноземельного металла с удельной поверхностью 0,5-2,0 м²/г и количестве 0,0005-0,0025 моля в пересчете на оксид металла на 100 мас.ч. осадка. В процессах переработки экстракционной фосфорной кислоты количество 0,0005-0,0025 моля MeO и качество (дисперсность) ортофосфатов щелочноземельных металлов могут быть обеспечены, например, за счет нейтрализации фосфорной кислоты кальцинированной содой до мольного отношения Na₂O : P₂O₅, равного 5: 3 и последующего отделения примесных компонентов. При этом введения кондиционирующей добавки извне не потребуется, т.к. уровень ортофосфатов кальция и магния в растворе после фильтрации суспензии, нейтрализованной до мольного отношения Na₂O : P₂O₅, равного 5:3, отвечает заявляемому количественному диапазону кондиционирующего материала, а его дисперсность после осаждения в результате последующего введения каустика соответствует удельной поверхности 0,5-2,0 м²/г. Таким образом, отличие заявляемого способа от известного состоит в том, что кондиционирующая добавка представлена ортофосфатами щелочноземельных металлов с удельной поверхностью 0,5-2,0 м²/г, взятого в количестве 0,0005-0,0025 моля MeO вместо пиро-и-триполифосфатов щелочных металлов.

Основой для создания технических элементов новизны и полезности заявляемого способа, а также выбора диапазонов варьирования физико-химических параметров, представленных в отличительной части формулы изобретения, явились выполненные авторами исследования по получению тринатрийфосфата путем политермической кристаллизации его 12-ти водного кристаллогидрата в присутствии различных кондиционирующих добавок: ортофосфатов щелочноземельных металлов, пиро-и-триполифосфатов щелочных металлов и др. При этом определялись физико-химические свойства целевого продукта после центрифугирования, а также его химический состав в соответствии с требованиями ГОСТ 201-76. Установлено, что получить качественный, практически не слеживающийся продукт с небольшой влажностью после разделения фаз, при которой не требуется его сушка можно в том случае, если в качестве кондиционирующей добавки используется достаточно дешевые ортофосфаты щелочноземельных металлов, например, кальция и/или магния, имеющие сравнительно развитую удельную поверхность, отвечающую диапазону 0,5-2,0 м²/г, и взятые в количестве 0,0005-0,0025 моля MeO на 100 мас.ч. осадка.

В таблице приведены результаты исследования по влиянию вида добавки ее расхода и дисперсности на слеживаемость (гигроскопическую точку) тринатрийфосфата. Как следует из данных таблицы, существенный сдвиг гигроскопической точки в область большей влажности воздуха наблюдается при добавках ≥ 5·10^-4 моля оксида металла и удельной поверхности ≥ 0,5 м²/г. Увеличение удельной поверхности свыше 2,0 м²/г и количеств добавки > 2,5·10^-3 моля оксида не эффективно, т.к. гигроскопическая точка для тринатрийфосфата не увеличивается. Как видно из представленных данных, влияние ортофосфатов магния и кальция на слеживаемость практически одинаково (несколько на 0,2-2,1 абс.% оказывается более эффективным ортофосфат магния). Результаты исследований (таблица) явились основой для выбора оптимальных параметров ведения процесса. Что касается варианта переработки экстракционной фосфорной кислоты, то заявляемые уровень и дисперсность добавки могут быть обеспечены без ее ведения извне за счет, например, регулирования условий нейтрализации кислоты кальцинированной содой и в первую очередь мольного соотношения Na₂O : P₂O₅ на этой стадии, а также такими приемами, как оптимизация концентрации фосфатов натрия в жидкой фазе, использование реагентов - регуляторов растворимости соединение кальция и магния и другими, рассматриваемыми авторами как "ноу-хау".

Для конкретизации существа предполагаемого изобретения приводим примеры осуществления процесса: Пример 1. 100 мас.ч. фосфорной кислоты (25% P₂O₅) нейтрализуют 37,9 мас. ч. кальцинированной соды (98,5% Na₂CO₃). В газовую фазу удаляется 15,5 мас. ч. CO₂ и образуется 122,4 мас.ч. суспензии, содержащей 0,3 мас.ч. твердой фазы, взвешенной в 122,1 мас.ч. раствора динатрийфосфата. Суспензию разделяют на фильтр-прессе и получают 0,7 мас.ч. шлама и 121,7 мас.ч. очищенного раствора динатрийфосфата. К последнему добавляют 0,130 мас.ч. Ca₃(PO₄), что отвечает 0,0010 молям CaO на 100 мас.ч. осадка тринатрийфосфата, и 0,055 мас. ч. Mg₃(PO₄)₂, что отвечает 0,0005 молям MgO на 100 мас.ч. осадка тринатрийфосфата, удельная поверхность солей 1,1 и 0,9 м²/г соответственно. Массу при 70-100^oC нейтрализуют 30,4 мас.ч. раствора каустической соды (46% NaOH), образуя 152.1 мас.ч. раствора тринатрийфосфата. После охлаждения раствора до 30-35^oC и центрифугирования получают 132,1 мас.ч. готового продукта, содержащего 18,5% P₂O₅; доля жидкой фазы 6%. Гигроскопическая точка при 20^oC отвечает относительной влажности воздуха 78%. Продукт не слеживается.

Пример 2. 161,3 кг/ч экстракционной фосфорной кислоты (25% P₂O₅, 1,0% CaO, 0,15% MgO, 0,5% SO₃, 0,2% F, 0,3% Fe₂O₃ и 0,2% Al₂O₃) нейтрализуют 49,6 кг/ч соды (96% Na₂CO₃). В газовую фазу удаляется 19,8 кг/ч CO₂ и образуется 191,1 кг суспензии, содержащей 7,2 кг/ч твердой фазы, взвешенной в 183,9 кг/ч раствора фосфатов натрия (P₂O₅ - 19,8%) с мольным соотношением Na₂O : P₂O₅= 5: 3. Суспензию разделяют на фильтр-прессе и получают 18 кг/ч влажного кека, содержащего примесные компоненты (CaHPO₄, MgHPO₄, FePO₄ · 2H₂O · 2H₂O, AlPO₄ · 2H₂O, Na₂SiF₆) и 173,1 кг/ч очищенного раствора, содержащего 19,8% P₂O₅, 0,028% CaO и 0,015% MgO. Массу при 70 - 100^oC нейтрализуют 61,1 кг/ч раствора каустической соды (42% NaOH), образуя 234,2 кг/ч раствора тринатрийфосфата(~ 34% Na₃PO₄) с незначительным содержанием Ca₃(PO₄)₂ - 0,04265 кг/ч (0,0008 молей CaO) и Mg(PO₄)₂ - 0,02559 кг/ч (0,0006 молей MgO); удельная поверхность соответственно 1,0 и 1,1 м²/г. После охлаждения до 30-35^oC и центрифугирования получают 170,6 кг/ч готового продукта, содержащего 18,5% P₂O₅ при остаточной доле жидкой фазы 5%. Гигроскопическая точка при 20^oC отвечает относительно влажности воздуха 78%. Продукт не слеживается.

Таким образом, способ позволяет удешевить процесс за счет использования в качестве кондиционирующей добавки ортофосфатов вместо дорогостоящих полифосфатов и, следовательно, снизить затраты на получение целевого продукта.

Формула изобретения

Способ получения тринатрийфосфата, включающий нейтрализацию фосфорной кислоты кальцинированной и каустической содой при 70 - 100^oC, отделение примесных компонентов, охлаждение раствора до 30 - 35^oC с кристаллизацией двенадцативодного гидрата тринатрийфосфата в присутствии кондиционирующей добавки, отделение осадка от маточного раствора, отличающийся тем, что в качестве кондиционирующей добавки используют ортофосфат щелочноземельного металла с удельной поверхностью 0,5 - 2,0 м²/г в количестве 0,0005 - 0,0025 моля в пересчете на оксид металла на 100 мас.ч. осадка.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

PC4A - Регистрация договора об уступке патента Российской Федерации на изобретение

Прежний патентообладатель:ОАО "Металлург"

(73) Патентообладатель:ЗАО "МЕТАХИМ"

Договор № 20574 зарегистрирован 14.12.2004

Извещение опубликовано: 20.02.2005        БИ: 05/2005