淺談三聚磷酸鈉生產工藝及其質量影響因素

1、淺談三聚磷酸鈉生產工藝及其質量影響因素一、 概述 三聚磷酸鈉俗稱“磷酸五鈉”或“五鈉”,化學式Na5P3O10,分子量368。外觀：白色粉末狀結晶，流動性較好。熔點：620，易溶于水，其1%的水溶液PH值為9.7。常見的三聚磷酸鈉分為無水Na5P3O10和Na5P3O106H2O。無水Na5P3O10又有兩種不同的晶型即Na5P3O10型（型、高溫型）和Na5P3O10型（型、低溫型）；Na5P3O10型的密度為2.62g/cm3，Na5P3O10型的密度為2.57g/cm3。無水三聚磷酸鈉在空氣中有一定的吸濕性，但型比型的吸濕性更強，在室溫下，型的臨界相對濕度60%，型臨界相對濕度70%。

2、三聚磷酸鈉的水溶液在室溫下相當穩(wěn)定，但由于加熱、加酸、加堿促進其水解，其中三聚磷酸鈉的含量會越來越少，三聚磷酸鹽重新變成原來的正磷酸鹽。其水解方程式如下： Na5P3O10+2H2O2Na2HPO4+NaH2PO4三聚磷酸鈉的另一重要性質，是與溶于水中的Ca2+、Mg2+、Fe3+等金屬離子有絡合作用，生成可溶性絡合物，如：Na5P3O10+Ca2+Na3(CaP3O10)+2Na+另外，三聚磷酸鈉具有強烈的緩沖作用，它的水溶液呈弱堿性，在PH為4.314范圍水中，形成懸濁液（類似乳化液）的作用，即分散作用。且也能使液態(tài)、固態(tài)微粒更好的溶于液體（如水）介質中，使溶液外觀完全透明，好像真溶液一樣

3、，這就是增溶作用。由于三聚磷酸鈉具有以上特性，因此廣泛的應用于合成洗滌劑的助劑、纖維工業(yè)上精練、漂白、染色的助劑、水質軟化及鍋爐的除垢劑、鉆井的乳化劑等。二、 三聚磷酸鈉的工業(yè)生產原理 1、由于中和液制取三聚磷酸鈉的工藝路線雖各有不同，但是大體上可分為兩大類：一類是先將中和液在噴霧干燥中干燥成一定粒度的正磷酸鹽（俗稱干鹽），然后再縮聚成三聚磷酸鈉；另一類是直接由中和液制成三聚磷酸鈉，前者稱作兩步法，后者稱作一步法。一步法形式較多，如沸騰床一步法、回轉窯一步法，返料回轉窯一步法和空塔一步法等。2、生產主要工藝原理2.1中和工序3H3PO4+ 5NaOH NaH2PO4+2Na2HPO4+5H2O

4、6H3PO4+5Na2CO3+nH2O 2NaH2PO4+4Na2HPO4+(n+5)H2O+5CO22.2 聚合工序NaH2PO4+2Na2HPO4Na5P3O10+2H2O3、測定方法先取約25ml的蒸餾水于250ml三角燒瓶中，加10滴中和液混勻，加入百里香指示劑3滴于三角瓶中，用0.1MNaOH標準溶液滴定呈微蘭色，記下消耗NaOH的毫升數V1,加入甲基橙2滴，用0.3MHCl標準溶液滴定呈橙色為終點，記下HCl所用毫升數V2。中和度計算:Z= M1*V1 /M2*V2 (M1/M2為溶液K值) 式中：z表示中和度 M1表示HCl標準溶液的摩爾濃度 M2表示NaOH標準溶液的摩爾濃度4

5、、流程簡述磷酸自磷酸工序送至五鈉工序磷酸貯槽貯存待用。燒堿或純堿槽送至五鈉工序貯槽貯存待用。生產時磷酸和燒堿或純堿或通過計量向中和攪拌槽加入酸和堿，并根據反應情況和酸堿量比調節(jié)閥門開度進行粗中和液的配制，中和液分析合格后再向攪拌槽內添加硝銨(催化劑)，待硝銨溶解完全后再把中和液放入泵槽，經中和液下泵輸送至中和液貯槽。合格的中和液自中和液貯槽經過濾器除去雜質后，用高壓柱塞泵加壓進入聚合爐，經壓力噴嘴霧化，與煤氣燒嘴所燃煤氣提供的熱源相遇，干燥、聚合成成品五鈉，從聚合爐尾進入冷卻滾筒冷卻，從冷卻滾筒出來的五風鈉由螺旋輸送機送至斗式提升機提升到四樓螺旋輸送機進口，再由螺旋輸送機均勻給滾動篩或串級粉碎

6、機喂料。滾動篩分篩合格的五鈉或串級粉碎合格的五鈉進入成品料倉，滾動篩分篩出的粗料進入粉碎機粉碎后經過螺旋輸送機送入斗式提升機，再由螺旋輸送機均勻給滾動篩喂料對大料進行循環(huán)粉碎、篩分，成品料倉的五鈉經包裝后送往五鈉成品庫。干燥聚合產生的尾氣經引風機抽出，經旋風除塵器和電除塵器除去大部份粉塵后，再經水沫除塵器進一步回收粉塵后，由水沫除塵器頂部排空。旋風除塵器收得粉塵進入螺旋輸送機輸送到冷卻滾筒與聚合爐來的物料一起混合冷卻后進入斗式提升機。水沫除塵器的循環(huán)液送至中和攪拌槽作為配料用。煤氣燒嘴燃燒所用煤氣自煤氣工段送來，經煤氣緩沖罐、煤氣水封、U型、水封鐘罩閥送入聚合爐燒嘴與空氣鼓風機供給的助燃空氣混

7、合燃燒，提供干燥聚合熱源 5、反應機理由于中和度為1.667（鈉磷比）的中和液制取三聚磷酸鈉的過程都可分成兩個階段：中和液脫水成無水磷酸鈉和無水磷酸鈉縮聚成三聚磷酸鈉。中和液脫水成無水磷酸鈉是簡單的干燥過程，而無水磷酸鈉縮聚成三聚磷酸鈉則是化學反應過程，此化學反應按下述兩步完成：第一步由正磷酸鈉縮聚成焦磷酸鹽：2NaH2PO4=Na2H2P2O7+H2O （4-1）4NaH2PO4=2Na4P2O7+2H2O （4-2）第二步由焦磷酸鹽縮聚成三聚磷酸鈉：Na2H2P2O7+ 2Na4P2O7=2Na5P3O10+H2O （4-3）由于無水正磷酸鹽是固體，所以式（4-1）和式（4-2）所示的反應

8、都是固相反應。由于反應溫度較高，式（4-1）和式（4-2）釋放出的水分會立即蒸發(fā)。式（4-3）所示的反應的也是固相反應。根據熱譜法研究，以每分鐘45的升溫速度加熱磷酸二氫鈉，溫度達到 190210時，磷酸二氫鈉就轉化為酸性焦磷酸二鈉，以相同的升溫速度加熱磷酸氫二鈉，當溫度達到290320時，磷酸氫二鈉就轉化為焦磷酸四鈉。當磷酸氫二鈉和磷酸二氫鈉按摩爾比2：1（即Na2O：P2O5=5：3）混合均勻后加熱，到180190時，磷酸二氫鈉就縮聚成酸性焦磷酸二鈉，到200210時，磷酸氫二鈉縮聚成焦磷酸四鈉，由此可見，兩種磷酸鹽混合加熱時，各自的縮聚溫度都有降低：磷酸二氫鈉的轉化溫度下降515。磷酸氫

9、二鈉的轉化溫度下降幅度較大，為90110。因此，我們可以說185210是正磷酸鹽（Na2O：P2O5=5：3）轉化為焦磷酸鹽的溫度區(qū)。繼續(xù)加熱上述的混合物，當溫度升到290310時，焦磷酸鹽就縮聚成三聚磷酸鈉，為使縮聚反應進行得更快更完全，宜在300400，甚至更高的溫度完成上述反應。各階段的反應熱效應如下：2NaH2PO4=Na2H2P2O7+H2O+H （4-4）2(-369.0) -664.7 -68.3H=2(-369.0)-(-664.7-68.3) =-5kcal*/mol2Na2HPO4= Na4P2O7+ H2O+H (4-5)2(-419.4) -763.7 -68.3H=2

10、(-419.4)- (-763.7 -68.3) =-6.8kcal*/molNa2H2P2O7+2Na4P2O7=2Na5P3O10+H2O+H (4-6)-664.7 2(-763.7) 2(-1056.5) -68.3 H=-664.7+ 2(-763.7)- 2(-1056.5) -68.3= -10.8kcal*/mol綜合（4-4）、（4-5）和（4-6）三式得式（4-7）：NaH2PO4+ 2Na2H2PO4= Na5P3O10+ 2H2O +H (4-7)-369.0 2(-419.4) -1056.5 2(-68.3) H=-369.0+ 2(-419.4)- -1056.5

11、+2(-68.3) =-14.7kcal*/mol因此，由Na2O/P2O5=5：3的正磷酸鹽制取三聚磷酸鈉的反應為吸熱反應，生成1mol三聚磷酸鈉需要熱量14.7kcal。三、 影響產品質量的主要因素1、中和度中和度即磷酸與燒堿反應的程度，其反應決定最終生成各種物質的多少，我們從下列反應方程式可看出：naaa其中中和度(aa)a我們所控制的中和度按理論必須等于.00，反應物才能全部生成五鈉成品但我們控制的中和度在實際中一般都偏離這個理論數值，這主要是因為在實際生產控制中，中和度受原料、人員分析誤差的影響很大，一般來說，中和度的高低對最終五鈉產品質量有如下影響： 中和度低：焦鈉低、總磷高、水不

12、溶物高，I型低、PH值低。2、婆美度我們所說的婆美度既中和液的濃度，中和液內除了Na2HPO4和NaH2PO4外，大部分都是水。而我們的聚合反應就由干燥和聚合兩部分組成，婆美度的高低則體現物料中水的含量多少。在相同的熱源供給條件下，料漿濃度的高低會直接影響產品的下列指標變化nA、產量；按我們高壓泵滿負荷運行來計算，婆美度為54%時，每班8小時會生成五鈉93.3噸，當婆美度53%時每班8小時就只能生成五鈉92.2噸。而熱源用量則會增加約6000大卡。B、五鈉I型；五鈉I型與聚合爐內水蒸汽分壓有很大的關系，在其他工藝指標不作變動的情況下，婆美度高則I型高，婆美度低則I型低。3、高壓泵壓力高壓泵壓力

13、影響我們進入聚合爐內料漿的多少，也就是影響我們產量的多少 。同時，高壓泵壓力還有以下幾個影響因素：A、影響霧化效果，壓力高則霧化效果好，最終產品密度低；物料與火焰接觸面積大，聚合效果好，五鈉含量高； B、高壓泵壓力也可以直接反映爐頭噴槍配置的好與壞，是否有堵塞現象等。 4、聚合爐溫度我們在實際控制中因為聚合爐頭燃燒溫度高，一般都以聚合爐尾溫度來作為控制依據。按理論要求五鈉的聚合溫度一般在480560C之間，但在中和液中加入一定量的催化劑（如硝酸胺、尿素等）后聚合溫度會降低至380420C之間。也就是說聚合爐燃燒溫度將直接影響我們的五鈉含量高低；另外，聚合溫度的高低會影響五鈉中I型含量的多少，在

14、其他各項控制指標不變的情況下，聚合燃燒溫度的高低會導致產品的變化趨勢一般如下表： 在保證上述因素的前提下，合理的搭配噴槍也是影響產品質量的一個重要的聚合溫度(C)五鈉含量(%)I型(%)28030093.093.50530032093.594.551032033094.595.5101733034095.59615303403509696.8305、噴槍的規(guī)格型號噴槍的搭配不但是影響產品產量的重要因素，同時也是影響產品質量的重要因素，因為噴槍搭配直接影響霧化角，在聚合過程中,其它工藝指標不改變的情況下，霧化角越小,那噴射距離就越遠,那么,聚合的時間相應就縮短,這樣就可以造成五鈉含量偏低,焦鈉含

15、量增高,總磷降低,水不溶物高,產品質量不合格。霧化角大，噴射距離就短，那么物料在聚合爐內停留時間就長，產品聚合程度就好，產品質量也就越好，但是，霧化角并不是越大越好，霧化角太大，那么噴射距離就越短，物料不能噴射到高溫區(qū)（指火焰外焰）聚合，直接就噴射到聚合爐壁，這樣不但不能聚合，還會造成爐頭粘壁。6、聚合爐轉速聚合爐轉速也是聚合的一個重要因素，在其它工藝指標不改變的情況下，聚合爐轉速越快，相應物料在聚合爐內停留時間越短，那么可能會造成物料聚合不完全的情況發(fā)生，同時會出現五鈉含量偏低,焦鈉含量增高,總磷降低,水不溶物高,產品質量不合格。聚合爐轉速決定物料在爐內停留時間的長短，理論上料漿要聚合完全必

16、須的時間為分鐘，也就是說料漿在爐內停留時間必須達到分鐘。如果聚合爐轉速高，物料來不及聚合完全，最終產品中主含量就會降低；另外我們從理論上知道五鈉在聚合爐內都是先生成型，然后再轉換成II型。由于聚合爐轉速快，I型還來不及轉換成II型，最終導致產品中I型含量高。從總結經驗數據來看，聚合爐轉速每降低01轉分，五鈉型會降低。聚合爐內停留時間過長，這樣雖然有利產品聚合，但由于時間過多，物料在聚合爐內越積越多，聚合爐負荷增大，這樣可能會引起聚合爐由于負荷過大時引起停車。7、爐尾引風壓力料漿在聚合爐內反應會生成大量的水蒸汽，爐尾引風就是及時將水蒸汽抽走，得到干燥的物料。水蒸汽分壓對五鈉型影響很大，引風壓力的

17、高低就直接影響五鈉型的升降，引風壓力高則型高，一般每升高pa，五鈉型會升高。每降低pa，五鈉型會降低左右。但不允許降低至聚合爐尾有正壓。 8、提高五鈉型含量的控制 A、加入硝酸和硝酸鹽作催化劑 使用硝酸、硝酸銨、硝酸鈉、硝酸鉀和硝酸鉛都可使型轉化為型。此轉化反應中，影響轉化率的因素有三：所用催化劑的比例、轉化溫度和轉化時間。如下表列出了用2%NH4NO3使型轉化為型的反應關系中溫度和時間的關系。 2%NH4NO3使型轉化為型的溫度-時間關系溫度200250300350400450500時間h6311/21/41/61/12 B、水作催化劑 正磷酸混合物，或由正磷酸鹽溶液干燥所得的產物，當Na2O/ P2O5=5：3時，如果在聚合以前加入一定量的水分，聚合所得的三聚磷酸鈉的型含量就低，如果將上述的溶液干燥至一定的程度，使其殘留水分與干燥產物加水的水含量相同，聚合所得的三聚磷酸鈉的型含量就高。 9、五鈉型含量的精確控制 在生成三聚磷酸鈉的反應中，反應溫度越高，產品中的型含量就高，反之，型含量就低。另外，反應時環(huán)境水蒸氣分壓增高，所得產品中的型含量降低。反之，型含量就高。因此，欲想在產品中獲得所需要的型含量，必須有效地控制反應溫度和反應時環(huán)境中的水蒸氣分壓。10、五鈉水不溶物的控制 A、由于高壓泵壓力低、霧化差，造成料漿干燥時間過長，二鈉和一鈉分別析出，引起物料