Способ получения триполифосфата натрия пищевой квалификации

Способ получения триполифосфата натрия пищевой квалификации

Реферат

Предлагаемое изобретение относится к области химической технологии продуктов пищевой квалификации, которые могут быть использованы в мясомолочной и рыбной отраслях промышленности, сыроварении и других подобных областях, а именно к способам получения триполифосфата натрия пищевой квалификации, сырьем для производства которого служат фосфорная кислота и сода (каустическая и/или кальцинированная).

Известны многочисленные способы получения технического безводного триполифосфата натрия на основе фосфорной кислоты и соды (М.Е.Позин. Технология минеральных солей. Ч.2, Химия, 1974, с.1078-1082). Образующаяся в качестве целевого продукта безводная соль метастабильна и при хранении на воздухе или при внесении в воду комкуется, слипается и схватывается (Патент США №4790984 «Способ получения порошка триполифосфата натрия», МКИ С01В 25/41, заявл. 10.08.87, опубл.13.12.88), что ухудшает потребительские качества, например, моющих композиций, в состав которых входит такой триполифосфат натрия. Предпочтительным является использование гексагидрата триполифосфата натрия (Na₅P₃O₁₀·6H₂O), являющегося стабильной по отношению к воде формой.

Известен способ получения гексагидрата триполифосфата натрия путем образования безводной соли, ее растворения в воде, отделения примесей с последующей вакуум-кристаллизацией для выделения кристаллов из маточного раствора и очищенного целевого продукта и сушкой (К.С.Зотова, И.М.Гофман. Промышленность удобрений и серной кислоты, НИИТЭХИМ, №4, 37, 1966). Недостатками процесса являются его сложность, связанная с необходимостью эксплуатации вакуум-кристаллизационного оборудования, а также низкая интенсивность сушки, которую во избежание перехода триполиформы в орто или пироформы (деградации) предложено проводить увлажненными топочными газами (W Groves, Патент США №3063801, 1962) или водяным паром (F.Rodis, Y.Krause, K.Beltz, Патент ФРГ №1007748, 1961). Известно, что гексагидрат триполифосфата натрия можно осадить из концентрированного водного раствора безводной соли, насыщая раствор хлоридом натрия (Ван Везер. Фосфор и его соединения. - М.: Изд-во иностранной литературы, 1962, с.495) либо обрабатывая его ацетоном или этанолом (там же). В первом случае продукт загрязнен хлоридом натрия, во втором процессе связан с существенным осложнением технологии в связи с необходимостью регенерации органической фазы.

Известен способ получения очищенного гексагидрата триполифосфата натрия, включающий образование на основе фосфорной кислоты и соды безводного триполифосфата, его гидратацию в водно-солевом растворе в присутствии затравки, разделение суспензии маточного раствора и целевого продукта и сушку последнего на воздухе при комнатной температуре и относительной влажности 40-60% (Ван Везер). При сравнительной простоте технологии она отличается низкой интенсивностью как на стадии растворения, так и на стадии сушки. Равновесные показатели достигаются в течение продолжительного времени, составляющего десятки часов, несмотря на использование в процессе затравки гексагидрата триполифосфата натрия.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту (прототипом) является способ получения очищенного(пищевого) триполифосфата натрия, включающий образование на основе фосфорной кислоты и соды безводного триполифосфата натрия, его гидратацию в водно-солевом растворе в присутствии затравки, разделение суспензии маточного раствора, содержащей сульфатные соли щелочных металлов и/или аммония и очищенный (пищевой) гексагидрат триполифосфата натрия, а также сушку последнего при 55-110°С (Патент РФ №2148011, кл. С01В 25/41, заявл. 17.12.98, опубл.27.04.2000, Бюлл.№12). Недостатком способа является низкое качество продукта, выражающееся в малом содержании в нем Р₂O₅ (43-44% массовых в натуральном продукте) и высоком водородном показателе 1%-ного водного раствора, равном 9,5-10,0 единиц рН.

Задачей предлагаемого технического решения является улучшение качества целевого продукта за счет увеличения содержания в нем Р₂O₅ и уменьшения величины водородного показателя его 1%-ного водного раствора.

Поставленная задача достигается тем, что в способе получения триполифосфата натрия пищевой квалификации, включающем синтез на основе фосфорной кислоты и соды безводного триполифосфата натрия, его гидратацию в водно-солевом растворе в присутствии затравки, разделение суспензии маточного раствора, содержащего сульфатные соли щелочных металлов и/или аммония и гексагидрата триполифосфата, а также сушку последнего, сушку гексагидрата осуществляют в две стадии, используя на первой стадии суспензию гексагидрата, содержащую 10-25 мас.% воды, и поддерживая температуру на первой стадии сушки в диапазоне 80-100°С, а вторую стадию сушки осуществляют при 150-200°С.

Заявляемый способ позволяет улучшить качество целевого продукта за счет увеличения содержания в нем P₂O₅ до 56,3-57,0% и уменьшения величины водородного показателя до 8,9-9,2 единиц величины рН.

Основой для создания технических элементов новизны и полезности заявленного способа, а также выбора диапазонов варьирования физико-химических параметров, представленных в отличительной части формулы изобретения, явились выполненные авторами в Государственном технологическом институте (г.С-Петербург) исследования по синтезу очищенного шестиводного кристаллогидрата триполифосфата натрия (Na₅P₃O₁₀·6H₂O) и установление необходимых параметров сушки (температура и влажность суспензии на первой стадии удаления гигроскопической воды), обеспечивающих сохранение без дегидратации триполиформы (Р₃О₁₀ ^5-) и получение в итоге безводной очищенной высококонцентрированной (по P₂O₅) соли пищевой квалификации.

Обнаружено, что решающим фактором, обуславливающим получение продукта заявляемого качества по содержанию P₂O₅ и величине водородного показателя, является поддержание заявляемых параметров в процессе сушки по влажности суспензии и температуре на второй стадии сушки. При этом второй этап обезвоживания следует проводить в условиях практического отсутствия в высушенном материале (на второй стадии) солей аммония.

Результаты испытаний приведены в таблицах 1-3. Данные, приведенные в таблице 1, свидетельствуют о том, что максимальная влажность суспензии, при которой получают очищенный гексагидрат триполифосфата натрия, поступающий на первую стадию сушки, не должна превышать 25% в пересчете на воду. При более высокой влажности в процессе наблюдается потеря триполиформы. Снижение влажности суспензии гексагидрата менее 10% требует использования относительно низкопроизводительных и сложных центрифуг, что не целесообразно для процесса разделения таких суспензий.

Пример 1 (прототип). 35 т/ч экстракционной фосфорной кислоты (27% Р₂О₅, 0,3%

SO₃) обрабатывают 11,2 т/ч кальцинированной соды (97,5% Nа₂СО₃, 2,5% К₂SO₄). В результате последующего отделения примесей фильтрованием, сушки и прокалки твердого материала получают 14,4 т/ч безводного триполифосфата натрия (ТПФН) технической квалификации и содержащего 55,8% Р₂О₅, 1,9% K₂SO₄ и 1,2% Na₂SO₄. Уровень первой формы Na₅P₃O₁₀ после прокалки составляет 28-32%. 12,4 т/ч ТПФН используют в качестве сырья для получения синтетических моющих средств (CMC), 2 т/ч материала обрабатывают 7 т/ч затравки - шестиводного (гексагидрата) триполифосфата натрия (44% Р₂О₅) и в течение 90 минут осуществляют гидратацию на фоне сульфатов калия и натрия (0,49% K₂SO₄ и 0,31% Na₂SO₄) в жидкой фазе соответственно. 9,5 т/ч суспензии разделяют на вакуум-фильтре, получая 2,12 т/ч осадка (влажность 20%) триполифосфата натрия и 7,31 т/ч маточного раствора, содержащего 13% Nа₅Р₃О₁₀, который утилизируют в цикле производства технического продукта (образуют 0,95 т/ч Na₅P₃O₁₀). При сушке осадка кристаллогидрата получают 1,69 т/ч соли состава Nа₅Р₃О₁₀·6Н₂О и содержащей 44% P₂O₅ и 98% триполиформ. Водородный показатель 1%-ного водного раствора соли отвечает 9,8 единицам рН.

Примеры 2-6 показывают осуществление процесса по описанному способу.

Пример 2. 35 т/ч экстракционной фосфорной кислоты (27% Р₂O₅, 0,3% SO₃) обрабатывают 11,2 т/ч соды (97,5% Nа₂СО₃, 2,5% K₂SO₄). В результате последующего отделения примесей фильтрованием, сушки и прокалки получают 14,4 т/ч технического безводного ТПФН, содержащего 55,8% Р₂O₅, 1,9% K₂SO₄ и 1,2% Na₂SO₄. Уровень первой формы триполифосфата после прокалки составляет 30%. 12,4 т/ч ТПФН используют в качестве сырья для получения CMC, a 2 т/ч обрабатывают 7 т/ч воды, добавляют 0,5 т/ч затравки шестиводного триполифосфата натрия (44% P₂O₅) и в течение 1,5 часов осуществляют гидратацию на фоне сульфатов калия и натрия (0,49 и 0,31%) в жидкой фазе соответственно. 9,5 т/ч суспензии разделяют на вакуум-фильтре, получая 2,12 т/ч влажного осадка (влажность 20%) и 7,31 т/ч маточного раствора, содержащего 13% триполифосфата натрия. Далее осадок подвергают сушке в две стадии. Первую стадию проводят при 95°С в течение 2 часов, вторую в течение 0,5 часа при 170°С. На первой стадии кроме воды в газовую фазу переходят полностью нитраты аммония. Нитрат аммония в материале, подвергаемом сушке, отсутствует. В газовую фазу на первой стадии сушки удаляется также 0,42 т/ч воды, а на второй стадии - соответственно 0,39 т/ч. В результате получают 1,3 т/ч безводного триполифосфата натрия пищевой квалификации, содержащего 56,3% Р₂O₅ и 3% сульфатов калия и натрия. Водородный показатель 1%-ного водного раствора пищевой соли 9,0 единиц рН. Содержание триполиформы в целевом продукте составляет 98%. 6,45 т/ч маточного раствора утилизируют при получении безводного триполифосфата натрия технической квалификации, получая дополнительно 0,84 т/ч технического продукта. Общая производительность по техническому продукту при коэффициенте использования оборудования 90% составляет 104000 т/год, по пищевой соли - 10200 т/год.

Пример 3. Осуществляют процесс аналогично примеру 2 с той лишь разницей, что вторую стадию сушки осуществляют при 150°С в течение 45 минут. В результате получают 1,3 т/ч безводного триполифосфата натрия пищевой квалификации. Водородный показатель 1%-ного водного раствора составляет 8,9 единиц рН, содержание P₂O₅ в триполифосфате составляет 56,8 мас.%.

Пример 4. Осуществляют процесс аналогично примерам 1 и 2 с той лишь разницей, что вторую стадию сушки осуществляют при 200°С в течение 20 минут. В результате получают 1,3 т/ч безводного триполифосфата натрия пищевой квалификации. Водородный показатель 1%-ного водного раствора составляет 9,2 единиц рН, содержание Р₂О₅ в триполифосфате составляет 57,0 мас.%.

Пример 5. Осуществляют процесс аналогично примеру 2 с той лишь разницей, что при вакуум-фильтровании суспензии получают 2,27 т/ч осадка влажностью 25%. Осадок подвергают сушке первоначально при 100°С в течение 2 ч. В газовую фазу при этом удаляется 0,58 т/ч воды. На второй стадии сушку проводят в течение 0,5 ч при 170°С, удаляя 0,39 т/ч воды и получают 1,3 т/ч безводного триполифосфата натрия пищевой квалификации, содержащего 56,3% P₂O₅. Выход триполиформы в целевом продукте достигает 97,9%. Водородный показатель 1%-ного водного раствора пищевой соли составляет 9,0 единиц рН.

Пример 6. 35 т/ч экстракционной фосфорной кислоты (27% Р₂О₅ и 0,3% SO₃) обрабатывают 11,2 т/ч соды (97,5% Na₂CO₃ и 2,5% K₂SO₄). В результате последующего отделения примесей, сушки и прокалки в присутствии NH₄NO₃, подаваемого в процесс в количестве 75 кг/ч, получают 14,4 т/ч технического безводного ТПФН, содержащего 55,9% Р₂О₅, 1,9% К₂SO₄, 1,2% Na₂SO₄ и 100 ppm нитратов (в пересчете на азот). Уровень первой формы триполифосфата в продукте после прокалки составляет 10%. 13 т/ч ТПФН используют в качестве сырья для получения CMC, a 1,4 т/ч обрабатывают 5 т/ч воды, добавляют 0,35 т/ч затравки - шестиводного триполифосфата натрия (44% Р₂O₅) и в течение 1,25 ч осуществляют гидратацию на фоне сульфатов калия, натрия и нитрата аммония. Осуществляют стадию разделения суспензии на пресс-фильтре при давлении 12 бар. В результате влажность осадка удается снизить до 10% Н₂О, а его масса составляет 1,90 т/ч. Осадок подвергают сушке в две стадии. Первую стадию проводят при 80°С в течение 2 ч, удаляя в газовую фазу 0,20 т/ч воды и 52 кг/ч NH₄NO₃. Вторую стадию проводят при отсутствии нитратов в течение 0,5 ч при 170°С, удаляя 0,39 т/ч воды, и получают 1,3 т/ч триполифосфата натрия пищевой квалификации, содержащего 56,4% P₂O₅. Выход триполиформы в целевой продукт составляет 98,0%. Водородный показатель 1%-ного водного раствора пищевой соли 9.0 единиц рН.

Таким образом предлагаемый способ позволяет довести уровень пентоксида дифосфора (Р₂О₅) в целевом продукте до 56,3-57,0% вместо 43-44% в продукте по прототипу. Содержание полиформы увеличилось до 97,9-98,2%, а водородный показатель 1%-ного водного раствора соли уменьшается до 8,9-9,2 единиц рН вместо 9,5-10,0 единиц рН для триполифосфата, получаемого известным способом.

Таблица 1Влияние влажности исходной суспензии, подаваемой на первую стадию сушки (температура 95°С), на выход триполиформы после обезвоживания соли
Влажность суспензии, мас.% Н2О	Выход триполиформы, после удаления гигроскопической влаги, %
10	98,2
15	98,0
20	98,0
25	97,9
27	90,0
30	62,0

Таблица 2Влияние температуры сушки на второй стадии обезвоживания на содержание Р2O5 в продукте (время сушки 90 минут) и величину рН 1%-ного раствора высушенной соли (NH4NO3 в материале отсутствует)
Температура 2-й стадии сушки, °С	Мас.% Р2O5 в обезвоженном триполифосфате	Величина водородного показателя, единица рН
140	54,5	8,8
150	56,8	8,9
175	57,0	9,0
200	57,0	9,0
210	57,1	9,5
230	57,1	9,6

Таблица 3Влияние добавок нитрата аммония на дегидратацию триполифосфата натрия при сушке шестиводной соли (температура 150°С)
Количество добавки NH4NO3 в высушенном материале, ррm	Содержание P2O5 в обезвоженном триполифосфате натрия, % мас.
Отсутствие	56,8
100	55,0
500	54,8
1000	54,1

Способ получения триполифосфата натрия пищевой квалификации, включающий синтез на основе фосфорной кислоты и соды безводного триполифосфата натрия, его гидратацию в водно-солевом растворе в присутствии затравки, разделение суспензии маточного раствора, содержащего сульфатные соли щелочных металлов и/или аммония, и гексагидрата триполифосфата натрия, а также сушку последнего, отличающийся тем, что сушку гексагидрата осуществляют в две стадии, используя на первой стадии суспензию гексагидрата, содержащую 10-25 мас.% воды, и поддерживая температуру на первой стадии сушки в диапазоне 80-100°С, а вторую стадию сушки осуществляют при 150-200°С.