8000ta轻质碳酸钙的工艺设计毕业设计.doc

本科毕业论文本科毕业论文 科研训练 毕业设计 题题 目 目 8000t a8000t a 轻质碳酸钙的轻质碳酸钙的 工艺设计工艺设计 姓 名 张卫丽 学 院 化学化工学院 系 化学工程与生物工程系 专 业 化学工程与工艺 年 级 03 级 学 号 03091075 本科毕业论文 10000t a 轻质碳酸钙的工艺设计 摘要 本文主要介绍了国内外碳酸钙生产 发展和研究方向的最新内容 介 绍了轻质碳酸钙产品在各种日用化工中的应用 详细阐述了碳化法制备轻质碳 酸钙的生产原理 生产方法 工艺指标 操作要求 采用的主要设备及其三废 治理等 关键词 沉淀碳酸钙 碳化法 工艺流程 设备布置 本科毕业论文 the design of 10000t a ultrafine calcium carbonate technics abstract the text introduces the latest contents about the production development and the research of ultrafine calcium carbonate it also introduces the daily chemical application of ultrafine calcium carbonate products paticularly it expatiates the principle of production methods of production technics target aim and requestions of work main equipments waste manage and so on keywords ultrafine calcium carbonate carbonization technic flow equipments collocation 本科毕业论文 本科毕业论文 目录目录 第一章 总论 1 1 1 概述 1 1 2 文献综述 4 1 3 设计依据 13 1 4 产品主要来源 规格 水电汽 气 等供应方式 15 第二章 生产流程和生产方案的确定 16 2 1 轻质碳酸钙生产方法 16 2 2 碳化法流程简图 17 第三章 生产流程简述 19 3 1 煅烧 19 3 2 消化精制与碳化 19 3 3 窑气净化 19 3 4 过滤干燥 20 3 5 后续加工 20 第四章 工艺计算 21 4 1 计算基准 21 4 2 煅烧工段物料衡算 21 4 3 消化工段物料衡算 24 4 4 净化系统物料衡算 25 本科毕业论文 4 5 碳化过程物料衡算 26 4 6 碳酸钙浆液后处理物料衡算 28 第五章 主要设备的工艺计算和选型 31 5 1 燃料 矿石料仓设计计算 31 5 2 石灰窑设计计算 31 5 3 石灰料仓设计计算 31 5 4 消化设备设计选型 32 5 5 粗浆槽设计计算 33 5 6 石灰乳初调槽设计计算 33 5 7 旋液分离器设计选型 33 5 8 碳化塔设计计算 34 5 9 碳酸钙浆液池设计计算 34 5 10 过滤设备选型计算 34 5 11 碳酸钙料仓设计计算 35 5 12 设备一览表 35 第六章 原材料 动力消耗定额及消耗量 36 第七章 环境保护 37 7 1 气体的治理与应用 37 7 2 废渣的处理与应用 37 7 3 废水处理与应用 38 7 4 粉尘处理与回收 38 本科毕业论文 第八章 劳动安全与工业卫生 39 8 1 劳动安全 39 8 2 工业卫生 39 设计体会和收获 40 致 谢 41 参考文献 42 附件 43 a 手绘 10000t a沉淀碳酸钙工艺流程图 43 b 设备一览表 43 c 翻译英文文献 中文 原文 43 d 带控制点的工艺流程图 43 e 工厂平面与车间设备平面布置图 43 本科毕业论文 0 第一章总论 1 1 概述 本次设计的任务是年产 10000 吨轻质碳酸钙工艺设计 轻质碳酸钙是 以石灰石为原料 经煅烧 消化 碳化 分离 干燥分级制取的产品 通常以 pcc 表示 1 1 1 轻质碳酸钙的主要用途 轻质碳酸钙是用量最大 使用范围最广的一种无机填充剂 又称无机填料 主要应用于橡胶 塑料 建材 纸张 涂料 油漆 医药 食品 饲料 牙 膏 化妆品 油墨等的生产 加工和应用中 轻质碳酸钙最主要的作用就是增 加产品的体积 降低生产成本 碳酸钙的应用范围 1 碳酸钙在纸张中的应用 在纸张中添加适量的碳酸钙 可以保证纸张具有一定的强度和白度 同时 降低成本 碳酸钙还在铜版纸的涂料中作白色颜料 并在纸张中起一些特殊作 用 如在邮票中 因为邮票加工中需要打孔 纸张的添料要求柔软 这就需要 特殊的碳酸钙 这种碳酸钙约为纤维的 40 2 碳酸钙在涂料中的应用 在涂料中 碳酸钙用作填料 起骨架作用 所以在涂料工业中 碳酸钙被 称为体质颜料 由于碳酸钙价格便宜 颗粒细 能在涂料中均匀分散 所以碳 本科毕业论文 1 酸钙在涂料中也是用量较大的添料 在油性涂料中 碳酸钙的填入可以增强底 漆对基层表面的沉积性和渗透性 可以在厚漆中使涂料增稠和加厚 起填充和 补平作用 在罩面漆中是理想的消光填料 在金属防锈涂料中是体制颜料 还 有一点防锈作用 在水性涂料中 由于碳酸钙为白色 且亲水 价格便宜 因 此获得大量的应用 另外 随着碳酸钙工业的发展 已出现了不少专用涂料碳 酸钙 在涂料中达到高光泽 不沉降 易分散等特性 3 碳酸钙在塑料中的应用 碳酸钙也是塑料工业中使用较早 用量较大的填充剂 碳酸钙广泛的填充 在聚氯乙 烯 pvc 聚乙烯 pe 聚丙烯 pp 丙烯腈 丁二烯 苯乙烯共聚物 abs 等树脂中 以增加塑料 制品 的体积 节约昂贵的树脂 降低产品 成本 碳酸钙的添加在塑料中起到一定的骨架作用 对塑料的尺寸稳定有很大 作用 在塑料 特别是软质聚氯乙烯 中 塑料的硬度随碳酸钙配入量的增加 而增大 塑料的伸长率又随其硬度的增加而降低 因此碳酸钙的加入可以调节 塑料的硬度和刚性 加入碳酸钙还可以改善塑料的加工性能 提高塑料的耐热 性 改进塑料的散光性 并可使塑料具有绝缘 阻燃等特殊性能 4 碳酸钙在橡胶中的作用 碳酸钙是橡胶工业中使用最早 用量最大的填充剂 碳酸钙大量的填充在 橡胶制品 之中 可以增加产品的体积 从而节约昂贵的天然橡胶或合成橡胶 达到降低 成本的目的 碳酸钙不仅可以与橡胶成任意比例混炼 而且可以和其他助剂一 起混入橡胶中进行混炼 并且碳酸钙的添加比例的变化不会影响橡胶的硫化体 本科毕业论文 2 系 所以在橡胶制品中加入适量的碳酸钙可以改进橡胶的加工性能 近年随着 活性碳酸钙 超细碳酸钙等的发展 碳酸钙在起填充作用的同时 还可以改进 硫化橡胶的性能 起补强或半补强的作用 另外 碳酸钙还在橡胶加工中发挥 一些特殊作用 例如 在硫化橡胶中碳酸钙可以调节硬度 在乳胶 胶浆中 碳酸钙 特别是活性碳酸钙 的添加可以调节粘度 在半透明或透明制品中添 加超细碳酸钙可以达到透明或半透明效果等 5 碳酸钙在粘结剂 密封剂中的作用 碳酸钙广泛用于粘结剂和密封剂中作填料 粘结剂和密封剂应用范围很广 从住宅建筑嵌缝水泥到地毯背胶 从瓷砖嵌缝到玻璃幕强密封胶 所以各种碳 酸钙都可用于其中 各国的建住房时不一 所以材料不同 在美国 fgcc 作为 填料用于粘结剂和密封剂年消费量大约为 200 万吨 其中最大市场是嵌缝水泥 占总消费量的 45 其次是地毯背胶 占 30 密封剂和其他粘结剂占 25 一 般 fgcc 价格低一些 用于大量的嵌缝 而高性能的 pcc 用于密封剂 6 碳酸钙在化学建材中的作用 随着塑料工业的发展 近年来出现了一种新型复合材料 钙塑材料 这 种材料是在少量的聚烯烃树脂中添加大量的碳酸钙填充剂和适量的其他添加剂 制成 可用作建筑材料 所以又称为化学建材 由于它可以广泛的代替钢材和 木材 所以在当今世界中化学建材与钢材 木材和水泥并列 统称为 四大材 化学建材以碳酸钙为主要成分 一般用量在 30 90 范围内 最大可达到 95 因此 碳酸钙在化学建材市场中占有极重要的地位 7 碳酸钙在医药 食品 饲料 牙膏 化妆品 油墨等中的应用 碳酸钙是制药工业中培养基的重要组成部分之一 其作用除了提供金属钙 本科毕业论文 3 外 还对稳定发酵培养过程中 ph 值变化发挥缓冲作用 所以碳酸钙成为制药 工业微生物发酵的缓冲剂 在药品的片剂中 碳酸钙一般可作为填料 在止酸 片中则起一定的药效 碳酸钙可作为食品添加剂 在食品中添加少量的碳酸钙 通常不超过 2 以保证人体所必须的钙的摄入 在某些食品中 如口香糖 巧克力等 碳酸钙 作强化剂 即降低成本 又作为基质材料 碳酸钙还是饲料的添加剂 作为牲畜家禽体内钙质的主要来源 促进牲畜 家禽的健康成长 在牙膏中 碳酸钙作为摩擦剂使用 一般填充量大于 40 在化妆品中 较细的优质碳酸钙也作为填充剂 碳酸钙还用于印刷油墨 油灰 封蜡 胶粘剂中 大多是起增加体积和降 低成本的填充作用 1 1 2 轻质碳酸钙市场前景及价格分析 目前国内橡胶行业是轻质碳酸钙的最大用户 其用量占轻质碳酸钙总产量 的 40 左右 预计明年轻质碳酸钙在橡胶行业用量的增长率约 10 涂料 建筑等行业轻质碳酸钙的用量占其总产量的 30 左右 由于国家一 直在大力实施安居工程 建筑业明年将有较大幅度增长 预计该行业消费轻质 碳酸钙将增长 14 左右 国内塑料市场中 轻质碳酸钙用量占轻质碳酸钙总产量的 15 左右 油墨 牙膏等行业轻质碳酸钙的用量占其总产量 10 左右 造纸工业是国 内碳酸钙最具开发潜力的应用领域 目前我国造纸用轻质碳酸钙用量占轻质碳 酸钙总产量的 5 在沿海地区 许多新建 扩建的大中型中外造纸企业已采用 本科毕业论文 4 中性工艺 与之配套的新增轻质碳酸钙年需求量超过 35 万吨 随着这些行业 的发展 轻质碳酸钙用量将稳定增长 市场前景乐观 近年来 英国 西班牙 日本等国的碳酸钙生产商纷纷看好我国市场 在 广东 江苏 安徽 浙江等省相继建起一些年产 20 50kt 超细碳酸钙的独资 或合资企业 目前英国瓷土公司已在安徽建设了 20kt a 的造纸用超细碳酸钙 生产厂 并准备在宁波再建 1 套 50kt a 的生产装置 瑞士的有关公司也派专 家来我国考察碳酸钙原料矿的情况 探讨与我国合作的可能性 我国碳酸钙市 场对国外公司的吸引力由此可见一斑 同时也显示了超细碳酸钙在我国有着广 阔的发展前景 目前我国市场普通轻质碳酸钙的价格为 500 650 元 t 活性轻质碳酸钙 为 800 1200 元 t 油墨用超细轻质碳酸钙为 1800 2000 元 t 轻质碳酸钙 的价格比同一细度的重质碳酸钙高一倍以上 1 2 文献综述 1 2 1 碳酸钙的定义 碳酸钙是一种无机化合物 是石灰岩石 简称石灰石 的主要成分 其分 子式为 caco3 相对分子质量为 100 09 其中氧化钙 cao 占 56 03 二氧 化碳 co2 占 43 97 1 2 2 碳酸钙产品分类 本科毕业论文 5 1 按生产方法分类 根据碳酸钙生产方法的不同 可以将碳酸钙分为轻质碳酸钙 重质碳酸钙 和活性碳酸钙 1 轻质碳酸钙 又称沉淀碳酸钙 简陈轻钙 是将石灰石等原料煅烧 生成石灰 主要成分为氧化钙 和二氧化碳 再加水消化石灰生成石灰乳 主 要成分为氢氧化钙 然后再通过二氧化碳碳化石灰乳生成碳酸钙沉淀 最后 经脱水 干燥和粉碎而制得 或者先用碳酸钠和氧化钙进行复分解反应生成碳 酸钙沉淀 然后经脱水 干燥和粉碎而制得 由于轻质碳酸钙的沉降体积 2 4 2 8ml g 比重质碳酸钙的沉降体积 1 1 1 4ml g 大 所以称之为 轻质碳酸钙 2 重质碳酸钙 简陈重钙 是机械方法直接粉碎天然的方解石 石灰 石 白垩 贝壳等而制得 由于重质碳酸钙的沉降体积比轻质碳酸钙的沉降体 积小 所以称之为重质碳酸钙 3 活性碳酸钙 又称改性碳酸钙 表面处理碳酸钙 胶质碳酸钙或白 艳华 简称活钙 是用表面改性剂对轻质碳酸钙或重质碳酸钙进行表面改性而 制得 由于经表面改性剂改性后的碳酸钙一般都具有补强作用 即所谓的 活 性 所以习惯上把改性碳酸钙都称为活性碳酸钙 2 按粉体粒径分类 碳酸钙产品是一种粉体 根据碳酸钙粉体平均粒径 d 的大小 可以将碳 酸钙分为微粒碳酸钙 d 5 m 微粉碳酸钙 1 m d 5 m 微细碳酸钙 0 1 m d 1 m 超细碳酸钙 0 02 m d 0 1 m 和超微细碳酸钙 d 0 02 m 本科毕业论文 6 1 轻质碳酸钙的粉体特点 a 颗粒形状规则 可视为单分散粉体 但可以是多种形态 如纺锤形 立 方形 针形 链形 球形 片形和四角柱形 这些不同形状的碳酸钙可由控制 反应条件制得 b 粒度分布较窄 c 粒径小 平均粒径一般为 1 3 m 要确定轻质碳酸钙的平均粒径 可 用三轴粒径中的短轴粒径作为表观粒径 再取中位粒径作为平均粒径 以后除 说明外 平均粒径 即指平均短轴粒径 2 重质碳酸钙的粉体特点 a 颗粒形状不规则 是多分散粉体 b 粒径分布较宽 c 粒径大 平均粒径一般为 5 10 m 要确定重质碳酸钙的平均粒径 需要测定粒径分布函数和诸如颗粒沉降速度或比表面积之类的粉体现象函数 作为一种简便的方法是在电子显微镜照片上测量颗粒投影的长度和宽度 计算 几何平均粒径作为表观粒径 再取中位粒径作为平均粒径 3 活性碳酸钙的平均粒径取为表面改性前轻质碳酸钙或重质碳酸钙的平 均粒径 3 按微观排列分类 根据组成碳酸钙的原子和离子的排列是否有规律 可以将碳酸钙分为晶体 碳酸钙和非晶体碳酸钙 其中 根据晶体结构不同 可将晶体碳酸钙分为方解 石形碳酸钙 霰石 又称文石 形碳酸钙 球霰石形碳酸钙 4 按结晶形状分类 本科毕业论文 7 据碳酸钙结晶形状的不同 可将轻质碳酸钙分为纺锤形碳酸钙 立方形碳 酸钙 针形碳酸钙 链形碳酸钙 球形碳酸钙 片形碳酸钙和四角柱形碳酸钙 这些不同晶形的碳酸钙可由控制反应条件制得 重质碳酸钙则为不规则形碳酸 钙 活性碳酸钙的形状一般为表面钙性前轻质碳酸钙或重质碳酸钙的形状 1 纺锤体碳酸钙 纺锤体是轻质碳酸钙中最常见的一种晶形 顾名思义 纺锤体碳酸钙的形状像纺锤 其平均长轴粒径为 5 12 m 平均短轴粒径为 1 3 m 控制一定的反应条件 也可以得到平均短轴粒径为 0 1 1 0 m 的 小纺锤形碳酸钙 2 立体形碳酸钙 晶形呈小立方状 平均粒径为 0 02 0 1 m 3 针形碳酸钙 晶形呈针状 平均粒径为 0 01 0 1 m 平均长短轴 粒径之比为 5 10 4 链形碳酸钙 晶形呈链锁状 平均粒径为 0 01 0 1 m 平均长短 轴粒径之比为 5 50 5 球形碳酸钙 晶形呈球状 通常由碳酸盐与钙盐在浓碱性溶液中经低 温反应制得 平均粒径为 0 03 0 5 m 6 片形碳酸钙 晶形呈片状 平均粒径为 1 3 m 7 四角柱形碳酸钙 晶形呈四角柱状 平均粒径为 2 5 m 8 不规则形碳酸钙 用机械方法直接粉碎天然的方解石 石灰石 白垩 贝壳等而制得的重质碳酸钙的形状都是不规则的 其颗粒大小差异较大 而且 颗粒有一定的棱角 1 2 3 碳酸钙的性质 本科毕业论文 8 1 物理性质 1 密度 各种碳酸钙的同质异构体的密度不同 密度平均值 方解石 为 2 710g cm3 霰石为 2 929g cm3 球霰石为 2 650g cm3 2 硬度 方解石的莫氏硬度为 3 霰石约为 3 5 4 3 强度 只可测出方解石根据直径 d mm 不同 经多大力 p kgf 1kgf 9 8n 就被压碎 直径在 0 1 2mm 之间时关系为 p 0 95d 0 091d2 4 分解温度 在常温下 方解石的分解温度为 898 霰石的分解温度 为 825 球霰石则在温度升到分解温度之前已转变为方解石 所以球霰石的 分解温度不存在 5 熔点 在较大的压力范围内 方解石在温度升到熔点之前已分解为 氧化钙和二氧化碳 所以在较大的压力范围内 方解石的熔点不存在 当压力 为 10 4mpa 时 方解石的熔点为 1339 由于霰石在高温高压下会转变成方解 石 所以霰石的熔点不存在 球霰石是不稳定型 其熔点也不存在 6 浓度积 溶解度和 ph 值 各种碳酸钙的同质异构体的浓度积是相同 的 在 25 时 碳酸钙在水中的浓度积为 8 7 10 9 碳酸钙在冷水 25 和热水 100 中的溶解度 100 克水中溶解克数 分别为 0 0014 和 0 0020 在常温下 碳酸钙水溶液的 ph 值为 9 5 10 2 水中如溶解有二氧化 碳 则碳酸钙的溶解度会增大 在常温下 被空气饱和的水中 碳酸钙水溶液 的 ph 值为 8 0 8 6 7 热膨胀系数 方解石的热膨胀系数取决于测量时的方向 在常温下 平行于 c 轴的热膨胀系数约为 2 5 10 6 c 1 垂直于 c 轴方向的热膨胀系数约 本科毕业论文 9 为 5 10 6 c 1 而垂直于菱面体晶格面的热膨胀系数约为 11 10 6 c 1 在常 温下 霰石在晶轴a b c方向的热膨胀系数aa ab和ac约为分别约为 10 10 6 1 16 10 6 1 和 32 10 6 1 8 比热容 方解石和霰石在普通温度和较高温度下的热溶差别不大 在 1200 以内的平均定压比热容 cp 0 825 0 000762t kj kg k 9 热导率 方解石的热导率与测量时的温度和方向有关 方解石的热 导率无论是平行于c轴还是垂直于c轴都随温度的升高而减小 而且平行于c 轴方向的导热系数比垂直于c轴方向的热导率大 10 反射率 方解石的反射率取决于所用光的波长 从 235nm 开始 随 着波长的缩短 反射率逐渐增加 到 170nm 以下 则迅速增加 约从波长 187nm 开始 有 11 14 的入射光波被反射回 11 折射率 当光在方解石中传播时 被分成两种波 即寻常光线和非 常光线 其中寻常光线的传播速度与折射方向无关 而非常光线的传播速度则 随折射方向而异 因而有寻常光线折射率n0和非常光线折射率ne之分 两种 折射率的差 n0 ne 机为衡量双折射的尺度 12 介电常数 方解石的介电常数取决于频率以及与光轴所呈的方向 在常温下 平行于c轴方向的介电常数为 7 5 8 8 垂直于c轴方向的介电常 数为 8 5 8 8 霰石的介电常数与方向的关系更为突出 在常温下 霰石在晶 轴a b和c方向的介电常数 a b和 c分别约为 9 5 7 3 和 6 5 13 电导率 方解石的电导率与测量时的温度和方向有关 方解石的电 导率无论是平行于c轴还是垂直于c轴都随温度的升高而增大 而且平行于c 轴方向的电导率比垂直于c轴方向的电导率大 本科毕业论文 10 14 颜色 天然方解石的最纯形式冰洲方解石是无色透明的 而其他形 式的方解石 如白垩 通常呈白色 霰石则通常呈白色或黄白色 2 化学性质 1 在常压下加热到 898 方解石 或 825 霰石 时 碳酸钙将分 解成氧化钙 cao 和二氧化碳 co2 caco3 cao co2 2 碳酸钙几乎与所有的强酸发生反应 生成相应的钙盐 同时放出二 氧化碳 如 caco3 2hcl co2 cacl2 h2o 3 碳酸钙在含二氧化碳的水中的溶解度比在无二氧化碳的水中高得多 这是因为这是碳酸钙生成了比较易溶的碳酸氢钙 ca hco3 2 caco3 h2o co2 ca hco3 2 4 碳酸钙可以形成 6 个水的水合物 caco3 6h2o 可以通过往单蔗糖钙 溶液中通入 co2而制得 普通碳酸钙则不形成水合物 5 除酸以外 许多腐蚀性物质都不能腐蚀或只能缓慢的腐蚀碳酸钙 1 2 4 沉淀碳酸钙的生产原理 本节以碳化法生产沉淀碳酸钙为主要介绍沉淀碳酸钙的生产原理 碳化法 生产沉淀碳酸钙的原理主要有以下几步反应 1 石灰石的煅烧 沉淀碳酸钙的生产 首先是石灰石经高温煅烧分解生成氧化钙 生石灰 和二氧化碳 石灰石在石灰窑中的分解主要决定于温度 一般空气中含有少量 本科毕业论文 11 二氧化碳 其含量为空气体积的 0 03 在大气压力下 二氧化碳的分压为 29 43pa 而当碳酸钙加热到 530 其表面分解所产生的二氧化碳也正好为 29 43pa 可以认为高于 530 碳酸钙就开始分解 由于其表面二氧化碳的分解 压大于空气中二氧化碳的分解压 所以石灰石表面的二氧化碳就向空气中扩散 此过程虽在进行 但其速率却很小 当温度达到 850 时 其表面分解放出的 二氧化碳分压为 4 91 104pa 可明显地看出分解的进行 当温度上升到接近 910 1183k 时 碳酸钙表面二氧化碳分压达到 9 81 104pa 分解则急剧 进行 二氧化碳会腾涌而出 其反应方程式如下 caco3 cao co2 h 0 由于石灰石中含有一定量的碳酸镁 在高温下它也有类似的反应 与碳酸 钙相比 碳酸镁的分解温度较低 约为 540 其反应式为 mgco3 mgo co2 h 0 以上两个反应都是吸热反应 焓变大于零 需要由燃料的燃烧来提供必要 的能量 为了使反应连续进行 根据化学平衡的原理 一方面应加热 另一方面应 将分解出的二氧化碳气体迅速移走 另外 石灰石中还含有少量其他化合物 如氧化铝 al2o3 氧化铁 fe2o3 二氧化硅 sio2 等 在高温下可以与氧化钙进行反应 x cao al2o3 x cao al2o3 y cao fe2o3 y cao fe2o3 z cao sio2 z cao sio2 上式的反应产物按不同的成分组合 可以形成一系列的低熔点物质 在高 本科毕业论文 12 温下引起窑体结瘤 影响正常的生产 尤其是主要成分为二氧化硅的泥沙很容 易生成玻璃状的熔体覆盖在石灰块的表面 降低石灰的消化性能 而氧化铝含 量高时 在石灰消化过程中会形成一种粘性大的膏体 以致堵塞化灰机的筛网 这些氧化物的存在要消耗 cao 影响生石灰的得率 为了保证生产顺利进行 必须对入窑石灰石进行冲洗和杂质剔除 在燃烧过程中 碳燃烧成二氧化碳 c o2 co2 燃料中的硫则燃烧后生成了二氧化硫酸性气体 s o2 so2 这些燃烧产物都会进入窑气中 前者可以增加窑气的二氧化碳的含量 而 后者将对窑气净化设备造成严重的腐蚀 2 生石灰的消化 将石灰窑所得的生石灰 即氧化钙 cao 加水消化 产生消石灰 即氢 氧化钙 ca ho 2 其反应如下 cao h2o ca oh 2 h 0 生石灰中所含的氧化镁也有类似的反应 mgo h2o mg oh 2 h 0 以上两个反应为放热反应 生成两种碱 其中氢氧化钙为强碱 而氢氧化 镁为中强的碱 氢氧化钙在水中的溶解度较氢氧化镁大 如在 20 水中的溶解 度 mg oh 2为 5 10 4mol l ca oh 2为 6 9 10 3mol l 由于钙 镁离子性 质相近 且都难溶于水 因此石灰乳中不易将氢氧化镁除去 为了获得颗粒度 细 分散度高的石灰乳 消化反应最好在较高温度下进行 本科毕业论文 13 3 窑气的净化降温 石灰窑气分解出的二氧化碳随同窑气一起排出 由于窑气中含有硫的氧化 物 炭粒粉尘和焦油 同时窑气温度较高 所以窑气需要净化 降温 净化降 温采用水洗涤方式 在洗涤过程中 吸收了二氧化硫气体 同时也损失了一部 分二氧化碳气体 co2 h2o h2so4 co2 h2o h2co3 co2与水的反应一般在常温常压下很难进行 只有在压力下才能部分反应 co2损失的部分是由于它在水中的溶解所引起的 co2 在水中的溶解度较大 在 常压下 100 单位体积的水所能溶解 co2 的单位体积如下 当 0oc 时为 171 15oc 时为 100 42oc 时为 50 它随着温度的升高而降低 二氧化硫在水 中的溶解度也同样随着温度上升而降低 100 克水在 10oc 时能溶解 16 21 克 so2 而 40oc 时仅能溶解 5 14 克 10oc 为 40oc 时的三倍 对于净化过程用水 量以及最终窑气温度应有所限制 用水量应考虑能尽量除去二氧化碳 且窑气 温度在 30 40 度范围内 这样既可以除去二氧化硫气体 又可以使粉尘得以洗 涤去除 损失的二氧化硫一般为用水量的 0 67 0 52 倍 体积比 洗涤的目 的还为了使含尘量降低到 50 毫克 米 3以下 以保证压缩机的正常运转 实际上 这个限制一般不易达到 目前洗涤后的窑气含尘量一般在 100 毫克 米 3左右 4 消石灰的碳 酸 化 氢氧化钙与二氧化碳在碳化塔内反应 生成碳酸钙 其反应为 ca oh 2 co2 caco3 h2o h 0 另一类似的反应为 本科毕业论文 14 mg oh 2 co2 mgco3 h20 h 0 以上前两式为放热反应 实际上碳化反应首先是溶解在水中的那部分氢氧 化钙先与二氧化碳反应 然后固相迅速补充到液相中使反应连续进行下去 故 氢氧化钙活性越大 对碳化反应越有利 对碳化反应而言 无疑压力高 二氧 化碳的分压高 使反应向生成沉淀的方向进行 对反应有利 窑气的压力可以 通过压缩机来增压 但窑气中的二氧化碳浓度一般是取决于石灰窑的类型 不 同的石灰窑产生的窑气质量不同 铁壳立窑的窑气二氧化碳含量高 而简易窑 的二氧化碳含量低 碳化温度一般控制在 55 65oc 此时 所得到的产品一般为纺锤体的形状 其颗粒直径在 0 5 5 m 但由于它们粒子之间的相互吸引 颗粒一般呈聚集 状态 碳酸钙后处理的离心脱水 干燥 粉碎 筛分等均系物理过程 后处理所采 用的设备对碳酸钙的物理性质有一定的影响 1 2 5 沉淀碳酸钙生产方法及新工艺试验概况 目前 国内轻质碳酸钙生产厂家大都采用碳化法工艺 碳化法主要工艺过 程为 将石灰石和无烟煤从石灰窑顶加入石灰窑内与空气进行煅烧 从石灰窑底 部出来的石灰与热水进消化机进行消化反应 得到的石灰乳精制后送入碳化塔 中与窑气进行碳化反应 从石灰窑顶部出来的窑气经换热 除尘净化 压缩后 进入碳化塔与精灰乳进行碳化反应生产碳酸钙沉淀 从碳化塔出来的碳酸钙悬 浮液通过重力沉降增浓后经脱水 干燥和粉碎便制得轻质碳酸钙产品 本科毕业论文 15 碳化法是生产轻质碳酸钙比较成熟的一种工艺 其主要设备包括石灰石煅 烧设备 碳化设备 脱水设备和干燥设备 目前国内针对这些设备的改进试验 进展如下 1 石灰石煅烧设备 1 中国新式石灰普通立窑 现正在推广的 中国新式石灰普通立窑 与旧式普通立窑相比 其窑形结构上主要特点 一是采用曲线锥形窑形 旧式 窑形常采用直筒形 矮坛形 截圆锥形等 二是窑的上部设置窑口环形烟道 和烟囱联合排烟 下部采用轴流式通风机送风的 上抽下送 的通风排烟方式 三是采用伞型炉栅 旧式窑采用平炉栅 这种窑型是两个大小不同的正截圆 锥形和一个曲线锥形 中间夹一个直筒形所构成 其中预热带为一正截圆面积 煅烧带为正截锥形加另外半个直筒形 2 旋流动态煅烧设备 生产实践表明 旋流动态煅烧设备的各种参数 稳定易控 反应速度快 精度高 采用自动煅烧机具有自动配风 自动点火及 燃烧充分等多项功能 能保证炉内气氛干净 耐火材料采用高级不定形耐火浇 注料捣实成型后烧结而成 能保证高温条件下表面不剥落 产品无污染 2 碳化设备 轻质碳酸钙生产过程对产品晶形 粒径 碱度等起决定作用的是碳化工序 其设备选型至关重要 目前碳化工序设备绝大多数厂选用间歇鼓泡式碳化塔 使用压缩机的生产厂碳化塔直径多为 1 2m 还有 1 4m 1 6m 高在 10m 以上 使用罗茨风机的生产厂碳化塔直径一般在 3 0m 左右 高为 5 7m 其次采用河 北科技大学化工设计研究所 双喷新工艺生产超细碳酸钙 技术的企业 碳化 工序采用三级连续喷雾碳化塔 其直径为 1 4m 1 6m 高 10m 以上 前二者投 本科毕业论文 16 资小 操作方便 但气 液接触表面积小 碳化不均匀 时间长 产品平均粒 径 5 10 m 后者接触表面积大 碳化比较均匀 时间短 产品平均粒径在 0 04 0 08 m 为了提高碳化效率 生产超细或超微细碳酸钙产品 在原碳化 塔内部或外部加冷冻装置 降低碳化反应温度 保持低温下碳化反应 这是目 前国内外碳酸钙企业广泛采用的形式之一 现就目前国内正在研究 中试 生 产采用的几种设备简介如下 1 喷射碳化器 窑气通过除尘降温后 经罗茨风机或压缩机送入喷射 碳化器中 石灰乳用浆液泵送入喷射碳化器中 在碳化器狭窄的喉管处 窑气 与石灰乳高度分散 相互剪切混合 因而具有很大的气液接触面积 气液沿长 长的反应管 流入石灰乳液池 实现充分反应 该设备投资少 碳化器投资为 原碳化塔的 50 设备简单 维修方便 碳化效率高 能耗低 可节省电耗 30 产品粒度细 比表面积大 提高了产品质量 该设备由中南工业大学满瑞林等 研究并进行中试 2 垂直筛板碳化塔 垂直筛板碳化塔是由河北科技大学化工设计研究 所设计 该设备高效 低耗 碳化效率高 体积小 3 脱水设备 目前轻质碳酸钙生产中脱水绝大多数企业采用上悬式离心机 该设备生产 能力大 下卸料 操作简单 适用 为进一步提高分离效率 降低水分含量 唐山化工机械厂最近推出 xr1000a 微机控制调速上悬式离心机 经使用证明相 同装机容量 相同操作周期时 滤饼水分可降低 13 生产超细或超微细碳酸钙 脱水一般选用板框过滤机 根据多年来生产实 践证明 采用增强聚乙烯双隔膜箱式压滤机防腐 结构简单 性能稳定 可靠 本科毕业论文 17 操作方便 由于采用压榨技术使滤饼水分降低 10 15 节煤节电效果明显 4 干燥设备 全国碳酸钙企业万吨级以上生产厂绝大多数使用回转干燥机 单台设备可 达 10 13kt a 小型厂大多数采用炕式干燥 其优点是投资小 电耗低 但产品 质量不易保证 操作环境恶劣等 近年来生产超细碳酸钙厂采用喷雾干燥机 旋转闪蒸干燥机 气流干燥机等全动态干燥设备 省去筛分等工序 自动化程 度高 产品质量好 可达到清洁生产 1 2 6 碳酸钙研究的发展趋势 橡胶 塑料 造纸 涂料工业及复合材料中 根据填充的基质及应用性能 不同 对碳酸钙的性能要求也越来越高 1 碳酸钙的结构复杂化 目前已有纺锤形 立方形 针形 球形 链锁形 片状及非晶态沉淀碳酸 钙 同时其晶体结构也从方解石型向文石型发展 由于后者具有更好的分散性 碳酸钙的形状及晶型不同 性能也不同 其用途也就不同 2 碳酸钙粒径微细化 粒子微细化是工业碳酸钙的主要发展方向之一 碳酸钙产品粒径越小 粉 体表面积越大 与被填充物的总界面作用力相应增大 其补强效果就更好 从 而提高碳酸钙的应用价值 3 碳酸钙粒子的表面处理 普通碳酸钙作为填料与有机高聚物并用时存在的主要缺点是碳酸钙表面亲 水疏油 在有机高聚物中分散性差 碳酸钙对有机高聚合物不能吸收 因而几 本科毕业论文 18 乎没有补强性 还会导致某些性能降低 碳酸钙粉末表面处理为碳酸钙的应用 注入了新的活力 经过表面处理的改性技术是各国竞相开发的又一热点 每年 都有新的碳酸钙表面处理技术专利 1 2 7 沉淀碳酸钙生产方法 目前沉淀碳酸钙生产方法主要有以下几种方法 碳化法 纯碱 碳酸钠 氯化钙法或碳酸钾 氯化钙法 苛化法 联钙法 苏维尔法等等 关于这几种 方法的具体介绍会在第二章中讲到 1 3 设计依据 设计任务的来源 导师指定 10000t a 沉淀碳酸钙的工艺设计 产品规模 10000t a 沉淀碳酸钙 产品规格 轻质碳酸钙产品规格 hg 2226 91 一 外观 白色粉末 二 轻质碳酸钙的技术要求列于表 1 1 中 表 1 1 轻质碳酸钙的技术要求 指 标 指标项目 优等品一等品合格品 主含量 以 caco3 计 98 0 100 0 98 0 100 0 97 0 100 0 ph 值 10 悬浮液 8 0 10 08 0 10 58 0 11 0 本科毕业论文 19 105 c 下挥发物含量 0 400 701 00 盐酸不溶物含量 0 100 200 30 沉降体积 ml g 2 82 62 4 铁 fe 含量 0 080 100 10 锰 mn 含量 0 0060 0080 010 筛余物 125 m 试验 筛 45 m 试验筛 0 005 0 30 0 010 0 40 0 015 0 50 白度 90 090 0 年工作日 300 天 工作班次 五班三运转 1 4 产品主要来源 规格 水电汽 气 等供应方式 1 4 1 石灰石 本科毕业论文 20 生产所需原料石灰石在自然界的蕴藏极为丰富 国内各省区均有丰富的石 灰石资源 轻质碳酸钙生产所需石灰石的标准见表 1 2 表 1 2 生产轻质碳酸钙对石灰石的要求 项 目指 标项 目指 标 caco3 96 5 al2o3 fe2o3 0 4 或 cao 54 mn 0 0045 mgco3 1 46p s 微量 或 mgo 0 7 粒度 mm75 150 sio2 1 5 抗压强度 mpa 117 68 1 4 2 煤 石灰石中碳酸钙的分解反应是一个吸热反应 所以需要用燃料提供热量 立窑煅烧石灰石可以采用的燃料有焦炭 无烟煤 重油 天然气 焦炉煤气和 高炉煤气等 有些地区受条件限制 也有采用烟煤 褐煤 泥煤 煤矸石甚至 柴草作燃料的 但用来生产轻质碳酸钙最常用的煅烧燃料是无烟煤 轻质碳酸 钙生产所需石灰石的标准见表 1 3 表 1 3 生产轻质碳酸钙对无烟煤的要求 项 目指 标项 目指 标 热值 29309kj kg 灰分 16 固定碳 80 粒度20 40mm 挥发分 4 5 本科毕业论文 21 1 4 3 水 1 消化用水 消化用水是石灰消化时加入到石灰中的水 由于该消化用水进入了工艺系 统 所以消化用水的质量对产品质量有很大影响 消化用水可以是天然水或自 来水 但其水质必须满足一定的要求 有的厂家为了节约用水 循环使用增浓 时和沉降时排出的清液来作为部分消化用水 石灰消化对水的要求列于表 1 4 表 1 4 石灰消化用水的指标 项 目指 标项 目指 标 悬浮物 20mg l 氧化镁 mgo 100mg l 透明度 30cm 锰 mn 0 5mg l 盐酸不溶物 sio2 10mg lph 6 5 8 5 氧化铁 fe2o3 10mg l 2 洗涤用水 洗涤用水是窑气净化时加入到窑气中的水 虽然该洗涤用水也进入工艺系 统 但由于窑气在进入碳化塔对精灰乳进行碳化之前 窑气中的洗涤用水已基 本上排出工艺系统 只有少量的洗涤用水以微滴或蒸汽的形式夹在窑气中进行 碳化塔 所以洗涤用水的质量对产品质量的影响不大 因此 没有明显悬浮物 的水就可作为洗涤用水 增浓时排出的清液和沉降时排出的清液常回收作为洗 本科毕业论文 22 涤用水以减少耗水量 另外 在活性碳酸钙的生产中 要用水蒸气对产品进行干燥 所以要使用 蒸汽锅炉 蒸汽锅炉的用水则按锅炉给水标准 第二章生产流程和生产方案的确定 2 1 轻质碳酸钙生产方法 本科毕业论文 23 2 1 1 碳化法 将石灰石等原料煅烧成生石灰 主要成分为氧化钙 和二氧化碳 再加水 消化石灰生成石灰乳 主要成分为氢氧化钙 然后再通入二氧化碳和石灰乳 生成碳酸钙沉淀 最后碳酸钙沉淀经脱水 干燥和粉碎便制得轻质碳酸钙 主 要化学反应如下 1 石灰石在高温下分解成氧化钙和二氧化碳 caco3 cao co2 2 用水消化氧化钙生成石灰乳 ca oh 2 cao h2o ca oh 2 3 用二氧化碳碳化石灰乳生成碳酸钙沉淀和水 ca oh 2 co2 caco3 h2o 2 1 2 纯碱 碳酸钠 氯化钙法或碳酸钾 氯化钙法 在纯碱 碳酸钠 或碳酸钾水溶液中加入氯化钙即可生成碳酸钙沉淀 最 后碳酸钙沉淀经脱水 干燥和粉碎便制得轻质碳酸钙 主要化学反应如下 naco3 cacl2 caco3 2nacl k2co3 cacl2 caco3 2kcl 2 1 3 苛化法 生产烧碱 氢氧化钠 时副产轻质碳酸钙 在纯碱水溶液中加入消石灰 主要成分为氢氧化钙 即可生成碳酸钙沉淀 并同时得到烧碱水溶液 最后 碳酸钙沉淀经脱水 干燥和粉碎便制得轻质碳酸钙 主要化学反应如下 本科毕业论文 24 na2co3 ca oh 2 caco3 2naoh 2 1 4 联钙法 用盐酸处理消石灰得到氯化钙溶液 氯化钙溶液在吸入氨气后用二氧化碳 进行碳化便得到碳酸钙沉淀 最后碳酸钙沉淀经脱水 干燥和粉碎便制得轻质 碳酸钙 主要化学反应如下 ca oh 2 2hcl cacl2 2h2o cacl2 2nh3 h2o co2 caco3 2nh4cl h2o 2 1 5 苏尔维法 苏尔维法是生产纯碱的一种方法 也可以用来生产轻质碳酸钙 饱和食盐 水 氯化钠 在吸入氨气后用二氧化碳及行碳化便得到重碱 碳酸氢钠 沉淀 和氯化铵溶液 中建沉淀经脱水 煅烧便得到纯碱 在氯化铵溶液中加入石灰 乳便得到氯化钙氨水溶液 然后用二氧化碳对其碳化便得到碳酸钙沉淀经脱水 干燥和粉碎便制得轻质碳酸钙 主要化学反应如下 nh3 co2 nacl h2o nahco3 nh4cl 2nahco3 na2co3 co2 h2o caco3 cao co2 cao h2o ca oh 2 ca oh 2 2nh4cl 2nh3 cacl2 2h2o 2nh3 cacl2 co2 h2o 2nh4cl caco3 轻质碳酸钙的生产方法虽然不少 但在国内实现工业生产的几乎只有碳化 本科毕业论文 25 法 因为其他方法要么消耗昂贵的 na2co3 nh3 要么工艺复杂 这在国内是 没有经济效益的 中国目前广泛采用的工艺是以 1909 年日本白石恒二发明的 碳化法为基础的工艺 用该工艺生产的轻质碳酸钙是平均粒径为 1 3 m 的纺 锤形碳酸钙 本项目即采用碳化法工艺 2 2碳化法流程简图 轻钙包装 粉碎 干燥脱水 增浓 沉降 碳化精制调和消化煅烧 冷却净化压缩 石灰石 无烟煤 石灰粗灰乳精灰乳 熟浆 清液 冷水 冷水 水蒸气 空气 浓浆湿料干料粉料 热水 窑气 母液 浓浆 清液 图2 1 碳化法流程简图 本科毕业论文 26 第三章生产流程简述 3 1 煅烧 如果石场开采的石灰石粒度很大 就要将大块的石灰石破碎成为粒度为 80 120 mm 的石灰石再和粒度为 50 90mm 的无烟煤按一定的配煤率 100 12 100 15 一定的间隔 2h 一定的总量 由生产能力确定 从石灰窑顶加入石 本科毕业论文 27 灰窑内与空气进行煅烧反应 空气按需要量 空气过剩系数为 1105 1110 从石 灰窑送入 强制通风或自然通风 石灰按一定的间隔 2h 与加料相配合 先 加料后出灰 一定的温度 60 80 从石灰窑底部出窑 窑气则连续按一定温 度 120 150 从石灰窑顶部出窑 通过控制石灰窑底部石灰的出料量来控制 生产能力和窑的煅烧温度 3 2 消化精制与碳化 从石灰窑底部出来的石灰运到消化车间与来自夹套换热器的热水在消化机 或消化池中进行消化反应 石灰与水之比为 1 4 8 消化得到的石灰乳的浓度 约为 20 b 用冷水调和至 30 b 先经过流槽沉淀粗渣后再用三级筛和旋 液分离器进行精制并调至 12 b 然后精灰乳送入碳化塔中与窑气进行碳化反 应 3 3 窑气净化 从石灰窑顶部出来的窑气经夹套换热器与冷水换热 温度降至 60 80 后 再经惯性除尘器 旋风除尘器 喷淋除尘器 筛板除尘塔 气水分离器和焦油 吸附器净化 温度降至约 40 然后进入空气压缩机进行压缩 从空压机出来 的窑气经油气分离器分离出所夹带的油雾后进入储气罐缓冲稳压 然后进入碳 化塔与精灰乳进行碳化反应生产碳酸钙沉淀 本科毕业论文 28 3 4 过滤干燥 从碳化塔出来的碳酸钙悬浮液 熟浆 15 b 进入熟浆池中通过重力沉降 进行增浓 增浓后的熟浆 20 b 送入高位槽后靠位差进入上悬式离心机进行 过滤 脱水 过滤得到的滤液 母液 进入沉降池中进行重力沉降回收其中的碳 酸钙 加收的碳酸钙返回熟浆池 沉降时排出的清液与增浓时排出的清液一起 返回喷淋除尘器筛板除尘塔以净化窑气 从离心机出来的滤饼 湿料 含水量 35 经打散机打散后 用皮带输送机送入转筒干燥器中进行干燥 除去大部 分水 3 5 后续加工 从干燥器出来的干料 含水量 0 4 经除铁器除铁后 送入高速离心粉碎 机中进行粉碎 从粉碎机出来的粉料 99 995 过 125 m 筛 99 7 过 45 m 筛 即为产品碳酸钙 进入旋风收尘器 绝大部分较粗的产品碳酸钙旋风收尘器的 底部出来后即包装入库 少部分较细的产品碳酸钙从旋风收尘器的顶部出来后 进入布袋集尘器收集起来后也作为产品 而且是高质量产品 包装入库 本科毕业论文 29 第四章工艺计算 4 1 计算基准 生产能力 10000 吨 年 工作时间 300 天 年 安全系数 1 15 日生产能力 33 33 吨 天 考虑安全系数后 38 33 吨 天 即 1 6 吨 小时 生产方法 普通燃煤式立窑 间歇式鼓泡碳化塔生产工艺 各工段收率 1 石灰石煅烧工序 考虑石灰石过烧和生烧等因素 取石灰石转化率为 95 石灰石中 gaco3含量 97 煅烧及输送过程损失 3 该过程总收率 95 97 97 89 39 2 石灰消化及精制 收率为 93 损耗在消化机和旋液分离器中 消化机 本科毕业论文 30 中石灰乳随同大块渣石一起排除 旋液也分离器中石灰乳则随一定粒度的僵 石灰或尚未化好的粒子由旋液分离器底部排除 3 碳化工序 通常 co2过量 石灰乳可视为完全反应 取 99 9 4 后处理工序 离心脱水 随滤过液带去约 1 2 的碳酸钙 但这部分可 返回消化机中 回收使用 考虑该部分收率为 99 9 回转窑干燥收率为 99 9 筛分 包装等操作收率为 99 8 碳酸钙总收率 89 31 98 99 99 99 99 84 08 消耗石灰石量 38 33 84 08 45 59 吨 天 即 1 90 吨 小时 4 2 石灰石煅烧物料衡算 按 38 33t d 计 即 16kmol h 100 gaco3 石灰窑进料 1 石灰石 16 0 8263 19 36kmol h 1936kg h 其中 gaco3 0 970 1877 92kg h mgco3 0 012 23 23kg h h2o 0 005 9 68kg h fe mn al 等杂质 0 013 25 17kg h 2 焦炭 按石灰石投料量的 8 计算 则焦炭量为 1936 0 08 154 88kg h 本科毕业论文 31 其中 含碳 0 800 123 9kg h 水分 0 030 4 65kg h 灰分子 0 120 18 59kg h 挥发分子 0 045 6 97kg h 硫酸 0 005 0 77kg h 3 空气量确定 空气过剩系统取 按此系数所得到的窑气一般为还原性1 10 气体 这种气体对净化系统的腐蚀情况可以得到很大的缓和 算得总需氧量为 391 56kg h 相应氮气量为 1436 34kg h 则总空气量为 1827 9kg h 4 产出生石灰 cao 量根据反应方程式 caco3 cao co2 则 cao 量为 19 36 0 97 0 95 56 999 05kg h 未反应的碳酸钙量 19 36 0 97 0 0