Синтез и разработка технологии высококонденсированного полифосфата аммония: ПФА тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.01, кандидат технических наук Гришин, Дмитрий Львович

• Гришин, Дмитрий Львович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Гришин, Дмитрий Львович

Введение.

Глава 1. Литературный обзор.

1.1. Полифосфаты аммония как компоненты огнезащитных материалов.

1.2. Структура конденсированных фосфатов.

1.3. Методы получения конденсированных фосфатов аммония

1.3.1. Синтез конденсированных фосфатов аммония при взаимодействии газообразных аммиака, пятиокиси фосфора и паров воды.

1.3.2. Синтез конденсированных фосфатов аммония при взаимодействии полифосфорных кислот с аммиаком.

1.3.3. Методы синтеза конденсированных фосфатов аммония термической дегидратацией кислых ортофосфатов аммония в атмосфере или под давлением газообразного аммиака.

1.3.4. Методы синтеза конденсированных фосфатов аммония термической дегидратацией кислых ортофосфатов аммония в присутствии карбамида

1.3.5. Запатентованные способы получения конденсированных фосфатов аммония.

1.4. Анализ литературных данных и постановка задачи исследования.

Глава 2. Исследование и разработка физико-химических основ промышленного синтеза полифосфатов аммония

2.1. Контролируемые параметры свойств и состояния получаемых продуктов. Краткая характеристика физико-химических и инструментальных методов их определения и контроля.

2.2. Исследование системы ортофосфат аммония - карбамид в стационарном слое реагентов.

2.3. Исследование системы ортофосфат аммония — карбамид в аппарате с перемешиванием реакционный смеси в условиях рециркуляции продукта.

2.4. Предполагаемый механизм синтеза полифосфата аммония в присутствии карбамида.

2.4.1. Особенности протекания процесса при использовании сырья различного происхождения.

2.5. Технохимические исследования и расчеты. Определение структурного состава, термохимических, теплофизических, физических и химических свойств продукта.

2.6. Обсуждение результатов

Глава 3. Разработка технологии высококонденсированного полифосфата аммония.

3.1. Функциональная схема процесса и обоснование основных технологических параметров процесса.

3.2. Материальный и тепловой балансы процесса.

3.2.1. Материальный баланс.

3.2.2. Тепловой баланс.—

3.3. Опытно-промышленный реактор для проведения процесса поликонденсации ортофосфатов аммония.

3.3.1. Выбор типа реактора.

3.3.2. Расчет основных конструктивных элементов.

3.4. Аппаратурно-технологическая схема процесса.

3.5. Рекомендации по подбору технологического оборудования.

3.6. Экономическая оценка.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Синтез и разработка технологии высококонденсированного полифосфата аммония: ПФА»

Приступая; к исследованиям, цель которых вынесена в заглавие данной работы, мы исходили прежде: всего из потребностей российского рынка в полифосфатах аммония. Как будет указано ниже, несмотря на возможности применения полифосфатов? аммония в других областях, основным потребителем его является производство огнезащитных покрытий и огнестойких конструкционных материалов различного назначения.

У огнезащитных композиций с использованием труднорастворимых конденсированных фосфатов аммония цепочечного строения, в настоящее время очень мало конкурентов, потому что композиции; на их основе обладают наилучшими; эксплуатационными характеристиками. Под последними подразумеваются не только эффективность огнезащиты, но и долговечность сохранения ее при различных: температурах и влажности окружающей среды, технологичность и простота применения и т.д.

В относительно бедном перечне качественных, огнезащитных материалов, используемых в России, отсутствуют, к сожалению, высококонденсированные полифосфаты аммония отечественного происхождения. Производители огнезащитных композиций вынуждены закупать их за рубежом.

Что касается самих полифосфатов аммония; их химия, физико-химия и технология, а именно, структура, механизм поликонденсации, возможные методы» получения и выбор реально осуществимого в промышленности^ способа, производства, а так же свойства этих соединений; и другие многочисленные вопросы остаются нерешенными до настоящего времени.

Предметом, выносимым на защиту в, данной работе, являются разработка технологии высококонденсированного полифосфата аммония цепочечного строения и, сопряженный с ней комплекс физико-химических и техно-химических исследований.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

Заключение диссертации по теме «Технология неорганических веществ», Гришин, Дмитрий Львович

Выводы

1. Процесс синтеза ПФА и сопровождающие его процессы роста цепи и кристаллизации активно начинаются в легкоплавкой эвтектике ортофосфат аммония - карбамид и продолжаются в атмосфере реакционных газов.

2. Термохимические и дифференциально-термогравиметрические исследования позволили не только определить тепловые эффекты, протекающих процессов, но и уточнить их химизм, разработав и предложив механизм, поликонденсации1 фосфатов, основанный на специфической роли карбамида в этом процессе.

3; Показано, что присутствие примесей, типичных для ортофосфатов, произведенных из экстракционной фосфорной кислоты (А1, Ре, Б, Р, органика и др.) подавляет процесс роста длины цепи полифосфатов аммония.

4. Определен ряд технохимических параметров свойств ПФА, таких как теплоемкость, теплопроводность, тепловые эффекты протекающих процессов, насыпной и удельные веса, угол естественного откоса, гигроскопичность и др., необходимых для выполнения технологических расчетов.

5. Установлены оптимальные значения кинетических параметров процесса поликонденсации ортофосфатов, а именно: температура, соотношения реагентов, время пребывания, значение ретурности, позволяющие получить конечный продукт заданного качества.

6. В лабораторных условиях за счет использования реакторов с интенсивной гидродинамикой осуществлён перевод процессов кристаллизации и поликонденсации на твердую легко транспортируемую фазу ПФА с относительно низкой длиной цепи, причем показано, что многократная ретурность ПФА приводит к улучшению его качества.

7. Получен высококонденсированный ПФА (п = 1900 атомов фосфора в цепи), по своим характеристикам не уступающий зарубежным образцам.

8. На основании проведенных исследований и комплекса технологических расчетов разработано техническое задание на проектирование опытно-промышленной установки производства ПФА мощностью от 200 т/г, принятое ЗАО «Унихимтек» для рабочего проектирования.

9. Техноэкономические расчеты показывают, что стоимость производимого ПФА ожидается в 2-3 раза ниже по сравнению с импортным продуктом того же качества, а срок окупаемости менее 2-х лет.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Гришин, Дмитрий Львович, 2004 год

1. Ф.Кодзо, С.Кэндзи, К. Ясутомо, «Сумитомо кагаку» 1973,спец., № 89-102.

2. Bertelli G., Locatelli R., Roma P., «IRJ 79: Proc. Int. Rubber Couf.», Venice, 1979, Milano, s. a., 924-933.

3. Granzow A., Savides G., «J Apll. Polym. Se.», 25, №10, 2195-2204,1980.

4. Marciandi Franco, Пат. Франц., кл. c08 к 5/34 № 2403357, 13.04.1979. 5. Bertelli G., Roma P., Locatelli R., Пат. Франц. кл. с08 к 3/32, 5/16 № 2352857, 23.12.1977.

5. Раткевич Л.И., Чернов А.Е., Строков В.К. пат. RU (11) № 93052131/04(13) А, 1994.

6. Пат. RU (11) № 94023765 (13) Al, c08L 23/12, с09к 21/04, 21/10, 21014, 23.06.1994.

7. Френсис Ф' Эми Эганлой, Майкл Джон Уильяме, пат RU (11) № 2099367 с 1 (46), 20.12.1997.

8. Jolicoeur Garmel R., Riverin Richard., Пат Канады, № 1032941., кл. 260-249.5, 13.06.78.

9. Аояма Тосикадзу, Кимата Сатинару, Морикова Масанобу, Пат. Японии № 52-32898, кл. 25(1) А 261.1 (с 08 к 5/03) 24.08.77.

10. Bonin Wuif vou., Пат. ФРГ № 2847923 КЛ. С 09 К 3/28, С 09 д 5/18,14.05.80

11. Сингх Нант, Берне Стивен, Джоунс Патрисия, naT.RU (11) № 2000104523 (13) А, с 08 j 9/14 9/00; С 08 j 18/42 27.11.2001

12. Хорст Штендеке, Райнхольд Лагода Пат. RU (11) 65122699/04 (13) А 27.11.97

13. Хорики Киёносукэ, Ито Кунинори Пат. Японии № 52-42177, кл. 24(5) А 011, (с 09j 3/00) 22.10.1977

14. Needham Donald, Aiffin Ray D.IIaT. США № 4187214, кл. 260/45.9 к A.( с 08 к 5/16) 05.02.1980

15. В.Н. Кузьмин, С.Ф. Егоров, И.А. Гришина « Исследование влияния полифосфатов аммония на огнестойкость полиуретанов» Тезисы докл. На конференции МХП, г. Владимир, 1984.

16. Хайнрих Хорацек, Клаус Ритцбергер, Рудольф Райхнбергер, ДСМ МЕЛАПУР B.B.(NL) Пат. RU (11) 97106348/04 (13) А, 05.07.1999

17. Пат. RU (11) 2040533(13) С 1 (46) «ХЕМИ ЛИНЦ» ГмБХ (AT), 25.07.1995

18. М.Н. Колганова, Ф.А. Левитес, И.А. Гришина Авт.свид. СССР, № 902450, 01.10.1981

19. И.Р. Ладыгина, Л.А. Лукацкая, И.А. Гришина Авт.Свид. СССР, №1270138 AI,с 04 В 26/14,41/46, 15.07.1986

20. А.Я. Сартан, В.Е. Грушко, И.А.Гришина Пат. RU (11) 1478794 (13) cl (46) 19.10.1988.

21. А.Я.Сартан, Ю.П.Богданова, В.Е.Грушко Пат. RU (11) 94017174/05 (13) AI,10.05.1995

22. Р.Г.Амбарцумян, С.Д. Кутько и др. Пат. RU (11) 202 8348 (13) cl (46)09.02.1995.

23. Р.Г. Амбарцумян и др. Пат. RU (11) 2065463 (13) cl (46) 20.08.1996.

24. Р. Г. Амбарцумян и др. Пат. RU (11) 2119516 (13) cl (46) 27.09.1998.

25. С.Г. Шуклин, А.П. Кузнецов, В.И. Кодолов Пат. RU (11) 2176258 (13) с 1 с 09 Д 5/18 163/02, 27.11.2001

26. Л.Н. Мышляковский, М.М. Алискерова, Н.Г. Кузина, Н.В. Хомко. Пат. RU (11) 93030634/05 (13) А 16.03.1994

27. В.П. Пименова, Пат. RU(ll) 2000120289(13) А с 09 Д 161/24, 10.03.2002

28. E.B. Потапова, Пат. RU (11) 2174527 (13) cl с 09 Д 5/18, 131/04, 133/00, 10.10.2001.

29. Е.Х. Маслова, Т.Н. Краснова, В.А. Чумаевский, Пат-RU (11) 2119932 (13) cl (46) 10.10.1998.

30. Dias Jil M.naT.US 4216261, 428/264 (с 09 Д 5/18 с 09 к 3/18), 05.08.1980.

31. Киносита Итару, Масуда Сюдзи, Хасэгава Норио Пат. Японии 5578082, с 09 к 3/28, В 27 к 3/34, 12.06.1980.

32. JI. В. Крюченкова, JI.B. Лавренова, E.H. Самохвалов Пат. RU (11) 2028400 (13) cl (46) 09.02.1995.

33. Пат. RU (11) 2034943 (13) cl (46) 10.05.1995.

34. Фукуба Котзо, Миядзаки Минэмацу, Окуси Ясумото, Пат. Японии 52-3239,95 А02, (с 09 к 3/28, Д 21Н 3/00) 26.01.1977.

35. Н.Е. Николаев, В.П. Стрелков, А.П. Шалашов naT.RU (11) 28600 (13) cl с08 н 97/02 10.06.2000.

36. Пат-RU (11) 2148064 (13) cl с09 к 3/00,21/12 27.04.2000.

37. А.А.Новиков, И.А.Гришина Е.Ф.Гришина

38. Перспективы и проблемы использования антипирена «Факкор» в народном хозяйстве.Тесизы докл. на III Всесоюзном совещании по антипиренам, г. Саки, 1985.

39. Смоландер Раймо, Пуйкко Пааво, Пат. RU (11) 2000 110 633 (13) А Е 04 В 11/74 10.04.2002

40. Ю.Квианг,Сьюкеч Стивен, Гроза Брент Пат. RU (11) 99110502 (13) А с04 В 28/14 27.03.2001.

41. Г.А.Кесоян, А.А.Бродский, E.JI. Яхонтова и др. Исследование процесса получения конденсированного ПФА наопытной установке. Труды ЛенНИИГИПроХима, вып. 26, Л., 1976.

42. И.А.Гришина, Г.А.Зарубина и др. Пат. RU, 2118940 С1, СО 1В 25/38,20.09.1998.

43. В.В.Авдеев, И.А.Годунов, Д.Л. Гришин и др., Пат. RU (11) 2180891 (13) с 01 В 25/25,22.12.2000.

44. Полимерные материалы пониженной горючести. Тезисы докладов V Международной конференции. Волгоград, 2003.

45. Ван Везер. Фосфор и его соединения. М., И.Л.,1962.

46. Ван Везер. Фосфор в природе и технике, Вестник АН СССР №6 с.22 1977.

47. Е.Л.Кривовязов, Неорганические полимерные фосфаты, «Новое в жизни, науке и технике», Серия «Химия» №10, 1978.

48. Л.Б.Соколов, ГГоликонденсационный метод синтеза полимеров, М.,Химия, с.332,1966.

49. Э.Тило, Неорганические полимеры, Природа, №12 с.39-45, 1962.

50. В.В .Воеводский, Физика и химия элементарных химических процессов, М., Наука, с.414,1969.

51. E.Thilo, H.Grunze, «Der Entwasserungsverlauf der Dihydrogenmonophosphate des Li, Na, К und NH*,» Z. anorgan. allgem. ehem. Bd 281, № 262, s. 262-283. 1955.

52. Л.М. Украинская, Исследования в области конденсированных фосфатов натрия, Дисс.канд. хим.наук, КХТИ, Казань, с. 121; 1971.

53. В.Н. Макатун, Л.Н. Щегров, Состояние воды в неорганических кристаллогидратах и особенности их дегидратации., Успехи химии, т.51, №11, с. 1937-1939, 1972.

54. Th. Fleitmann, Pogg. Ann. Ch. 78,223 (1849).

55. W. Henneberg, Lieb. Ann. 65,304(1848).

56. G. Tamman, J. pract. Ch. 2, 45,448 (1892).

57. Knorre, Z. anorg. Ch. 24, 333 (1900).

58. И.П. Сабанеев, ЖРФХО, 30,413

59. Э.В. Брицке, А.П. Дунаев, ЖПХ, 5-6, 161,1928.

60. Е. Thilo, H.Grunze, Z. anorg.,allg.Ch., 281,263,1955.

61. E. Kobayashi, J. Chem.SocJapan, Ind.Ch.,66,583,1963.

62. W.H. Ross, A.R. Merz, J.N. Carothers , USA pat. 1194077, 1916.

63. W.H. Boodstock, USA pat. 2122122 (1938).

64. O. Rice, USA pat. 2689780 (1954).

65. M. Becke-Coehring, J. Sambert, Z. anorg. ch. 297,299, 1958.

66. J.M. Staison, M.M. Striplin, J. Agrie. Food Ch. 4,248, 1956.

67. С.И. Вольфкович, З.Г. Смирнова, B.B. Урусов, Исследование процесса получения метафосфата аммония путем термической, дегидратации ортофосфатов., ЖПХ, t.XLV, №3, 1972.

68. Ю.Ф. Жданов, Химия и технология полифосфатов, М., Химия, 1979.

69. J.M. Stinson, М.М. Striplin, N.A. Brown, е.а. J.Agrie. Food.Chem. v.4 №3 p.248, 1956.

70. P.G. Arvon C.A., v.55, p.4901, 1961.

71. Etsuro Koayshi Когё кагаку дзасси, v.64, №6, p. A 57,1961.

72. Ю.Ф. Жданов, Н.Я. Ревзина, Н.С. Уточкина, Труды НИУИФ, вып.212, с.28, 1970.

73. J.Y. Getsinger , M.R. Siegel, Н.Е. Mann, J. Agrie. Food. Chem ., v.lO, №4, p.341, 1962.74. Пат. США 3171733, 1965.75. Пат. США 3228752, 1966.

74. Т.М. Kelso, J.J. Stumpe, T.V. Williamson, Com. Fert.a. Plant Food. Ind. v. 166, №3.p.l0, 1968.

75. Ю.Ф. Жданов и др., Труды НИУИФ, вып. 221, с. 167,1973.

76. A.W. Frazier, J.P. Smith, J.R. Lehr, J. Agrie. Food. Chem.,v. 13, №4.p.316, 1965.

77. Пат. 2009787, (Франция) , Al, COI В 25/40 , 01. 03. 70.

78. Г.А. Кесоян, Разработка и исследование процесса получения комплексных удобрений на основе элементарного фосфора. Дисс. канд. техн.наук. М., 1977.

79. F.А. Кесоян, A.A. Бродский, Е.JI. Яхонтова и др. Исследование процесса получения конденсированного фосфата аммония на опытной-установке ., Труды ЛЕННИИГипрохим , вып.26, с.37, 1976.

80. В.В. Урусов, З.Г. Кулагина, Исследование в области термической дегидратации кислых ортофосфатов аммония, Труды НИУИФ, вып.197,1970.

81. С.И. Вольфкович, Л.В. Кубасова., Авт. свид. СССР , № 164617, Бюлл.изобр. № 16,1964.

82. К.Н. Jost, Acta crystal., 14, 844, 1961.

83. Л.В: Кубасова, Т.Д.Пожарская, ЖНХ, 15, 1, 43, 1970.

84. Л.В. Кубасова, в сб. « Проблемы химии и химической технологии», М., Наука, 1977.

85. E.J. Kobayashi, Chem.Soc.Japan, Ind.Chem.Sect., №69, р.2065,1966.

86. O.P. Норчаева, Л.В. Кубасова, Е.П. Попова, ЖПХ, XLIV, №2,1971.

87. O.P. Норчаева, Физико-химическое исследование процесса получения комплексного удобрения на основе полупродукта синтеза карбамида и фосфорных кислот., Дисс. канд.хим.наук., М., 1970

88. O.A. Стронгина, Л.В. Кубасова, С.И. Вольфкович, ДАН СССР, т.227,№1, 1976.

89. E.J. Kobayashi, Chem.Soc.Japan., Ind. Chem. Sect., 72, p. 1474,1969.

90. J. С. Shen , L.E. Stahlheber, D.R. Duroff , J.Am. Chem. Soc., 91,№1, p.62,1969.

91. С.И. Вольфкович, Л.В. Кубасова, Л.М. Позняк, В.Н. Макатун, « О механизме твердофазного взаимодействия карбамида с аммонийдигидрофосфатом», ДАН СССР, т. 244, №2,1979.

92. S.Ueda, M. Tada, Bull.Chem. Soc. Japan, v. 39,2395,1966.

93. H.M. Домбровский, Кинетика и катализ, т.9, вып.2, 250, 1968.

94. Е.А. Продан, Дисс. док. хим. наук, Минск, 1974.

95. Ю.И. Веснин, ЖНХ, т.8, с. 2006, 1963.

96. Пат. Испании, № 0088265, Al, COI В 25/40, 14.09.89.

97. Пат. Германии, № 3208202, Al, COI В 25/40, 08.09.89.

98. Пат. СССР, № 710927, COI В 25/28, 28.09.79

99. Пат. РФ,№ 2118940, Cl, COI В 25/38, 20.09.98.

100. Пат. Японии № 54-42177, 24(5) А011, 22.10.1977.

101. Ya Arai, S. Nagai, Коге кагаку дзасси, №5. v. 66, p. 586, 1963.

102. Энциклопедия полимеров, Изд-во Советской; энциклопедии,1974

103. Пат. РФ №2128623, A.B. Гриневич, С.П. Кочетков, В.М. Лембриков и др, 1999i

104. Е. Thilo, W. Wieker, Международный симпозиум по макромолекулярной химии, М:, 1960.

105. Д.З. Серазетдинов, Химия и технология плавленых полифосфатов, АН. Каз.ССР, Алма-Ата, с.75, 1989.

106. А.Б. Бектуров, Д.З. Серазетдинов, В.А. Урих, Физико-химические основы получения полифосфорных удобрений, Алма-Ата, с. 249, 1979.

107. Л.П. Кошкина, Л.М. Украинская, Л.И. Кузнецов-Фетисов, Гидролих полифосфатов в присутствии анионов и катионов. Деп. в ВИНИТИ ,№3423,1976.

108. Leonardi D., Magnier С. Propriétés et applications des. phosphates minéraux de synthese., Inform. Chim., 1980, №206, p. 127-142.

109. М.Н. Кузьменков, B.B. Печковский, C.B. Плышевский, Химия и технология метафосфатов. Минск, с. 157 1985.

110. М.И. Кузьменков, А.И. Тетеревков, В.В. Печковский, Разработка технологии полифосфатов натрия на ЭФК. Тезисы докладов XII Всесоюз. науч. конф. по технол. неорг. в-в и мин. удобр., Чимкент, т.1, с. 301-305, 1981.

111. Р. Михаил, К. Кырлогану, Реакторы в химической промышленности. Ленинград, 1968.107