浅谈三聚磷酸钠生产工艺及其质量影响因素

浅谈三聚磷酸钠生产工艺及其质量

影响因素

一、概述

三聚磷酸钠俗称“磷酸五钠”或“五钠”,化学式Na5P3O10,分子量368。外观：白色粉末状结晶，流动性较好。熔点：620℃，易溶于水，其1%的水溶液PH值为9.7。常见的三聚磷酸钠分为无水Na5P3O10和Na5P3O10·6H2O。无水Na5P3O10又有两种不同的晶型即Na5P3O10Ⅰ型（ 型、高温型）和Na5P3O10Ⅱ型（ß型、低温型）；Na5P3O10Ⅰ型的密度为2.62g/cm3，Na5P3O10Ⅱ型的密度为2.57g/cm3。无水三聚磷酸钠在空气中有一定的吸湿性，但Ⅰ型比Ⅱ型的吸湿性更强，在室温下，Ⅰ型的临界相对湿度60%，Ⅱ型临界相对湿度70%。

三聚磷酸钠的水溶液在室温下相当稳定，但由于加热、加酸、加碱促进其水解，其中三聚磷酸钠的含量会越来越少，三聚磷酸盐重新变成原来的正磷酸盐。其水解方程式如下：

Na5P3O10+2H2O→2Na2HPO4+NaH2PO4

三聚磷酸钠的另一重要性质，是与溶于水中的Ca2+、Mg2+、Fe3+等金属离子有络合作用，生成可溶性络合物，如：

Na5P3O10+Ca2+→Na3(CaP3O10)+2Na+

另外，三聚磷酸钠具有强烈的缓冲作用，它的水溶液呈弱碱性，在PH为4.3～14范围水中，形成悬浊液（类似乳化液）的作用，即

分散作用。且也能使液态、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特性，因此广泛的应用于合成洗涤剂的助剂、纤维工业上精练、漂白、染色的助剂、水质软化及锅炉的除垢剂、钻井的乳化剂等。

二、三聚磷酸钠的工业生产原理

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一步法等。

2、生产主要工艺原理

2.1中和工序

3H3PO4+ 5NaOH → NaH2PO4+2Na2HPO4+5H2O

6H3PO4+5Na2CO3+nH2O →2NaH2PO4+4Na2HPO4+(n+5)H2O+5CO2↑

2.2 聚合工序

NaH2PO4+2Na2HPO4Na5P3O10+2H2O↑

3、测定方法

先取约25ml的蒸馏水于250ml三角烧瓶中，加10滴中和液混匀，加入百里香指示剂3滴于三角瓶中，用0.1MNaOH标准溶液滴定呈微

兰色，记下消耗NaOH的毫升数V1,加入甲基橙2滴，用0.3MHCl标准溶液滴定呈橙色为终点，记下HCl所用毫升数V2。

中和度计算:Z= M1*V1 /M2*V2 (M1/M2为溶液K值)

式中：z——表示中和度

M1——表示HCl标准溶液的摩尔浓度

M2——表示NaOH标准溶液的摩尔浓度

4、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。烧碱或纯碱槽送至五钠工序贮槽贮存待用。生产时磷酸和烧碱或纯碱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

5、反应机理

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+H2O （4-1）

4NaH2PO4=2Na4P2O7+2H2O （4-2）

第二步由焦磷酸盐缩聚成三聚磷酸钠：

Na2H2P2O7+ 2Na4P2O7=2Na5P3O10+H2O （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4~5℃的升温速度加热磷酸二氢钠，温度达到190~210℃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290~320℃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Na2O：P2O5=5：3）混合均匀后加热，到180~190℃时，磷酸二氢钠就缩聚成酸性焦磷酸二钠，到200~210℃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5~15℃。磷酸氢二钠的转化温度下降幅度较大，为90~110℃。因此，我们可以说185~210℃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290~310℃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300~400℃，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+H2O+△H （4-4）

2×(-369.0) -664.7 -68.3