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碳化工藝條件對輕質碳酸鈣形貌的影響分析

發布日期:2017-03-20 點擊次數:

碳化工藝條件對質碳酸鈣形貌的影響分析


      工業上一般采用碳化法生產輕質碳酸鈣,碳化法中的碳化反應體系是一個氣-液-固三相體系,主要包括以下幾個工段:

(1)煅燒:石灰與煤按一定比例混合均勻后經混料豎窯煅燒,產生氧化鈣、二氧化碳;

(2)消化:煅燒石灰除渣后進入消化池與水進行消化反應生成石灰乳,并進行精制;

(3)碳化:石灰乳精制后在一定溫度和濃度下與窯氣進行碳化反應;

(4)脫水、干燥、分級:壓濾機脫水、干燥、粉碎分級和包裝。 

    在碳化過程中,輕質碳酸鈣顆粒的形貌及尺寸不僅會受晶形控制劑的影響,還會受碳化溫度、氫氧化鈣濃度、反應攪拌速度、CO2通氣量等碳化工藝條件的影響。

1、碳化溫度碳酸鈣形貌的影響

從熱力學角度分析,隨著溫度的升高,體系中CO2溶解度和Ca(OH)2的溶度積會減小,導致液相中的碳酸鈣過飽和度減小,降低了晶體的成核與生長速率,不利于碳化反應的進行。

從動力學角度來看,溫度升高,加速了CO2與OH-生成CO32-的反應,并提高了整個擴散步驟的傳質系數,這對提高碳化速度是有利的。 

實際生產中,溫度較高時,晶體成核速率小于生長速率,晶體易長得過大,形成較大粒徑的碳酸鈣晶體;此外,溫度過高,晶體各晶面的生長激活能會發生變化,使得晶體的形貌發生變化,顆粒凝聚生長,形成粒徑較大的二次粒徑,從而不利于晶體形貌的控制。

2、Ca(OH)2濃度對碳酸鈣形貌的影響

碳化反應過程中,碳酸鈣成核和晶體生長是一種競爭關系,但一般是碳化反應前期成核占據主導地位,碳化反應中期時則是晶體生長占主導地位。成核速率增加,碳酸鈣粒徑變??;而生長速率增加,碳酸鈣晶體粒徑變大。

體系中氫氧化鈣或Ca2+濃度高,既有利于成核速率的提高,也有利于生長速率的提高,即有利于提高整個碳化反應的速率。

在實際生產中,體系中氫氧化鈣和Ca2+濃度過高時,碳化反應速率過高,反應產生大量的熱,使得體系溫度升高,易于生成大粒徑晶體,碳酸鈣產品品質容易惡化;體系中氫氧化鈣或者Ca2+濃度過低時,成核速率降低,產品的能耗增加,不適合工業化應用。

因此,通過控制氫氧化鈣漿料的濃度和起始溫度,在不加晶型控制劑的情況下制備了不同形貌的碳酸鈣。

3、攪拌速度對碳酸鈣形貌的影響

在二次成核過程中,一定范圍內的攪拌速度有利于形成小粒徑的顆粒。因此,在一定的條件下,隨著攪拌速率的增加,體系中微晶顆粒的碰撞能增加,一些吸附不是很牢固的微晶因為碰撞而容易散開,這樣不會形成大顆粒晶體。

同時,加強攪拌也有利于二氧化碳氣體的分布,隨著攪拌速率的的加快,液相中二氧化碳氣泡直徑變小,二氧化碳氣體與氫氧化鈣漿料接觸面積增加,提高了二氧化碳的溶解度和體系中CO32-離子的濃度。

4、CO2通氣量對碳酸鈣形貌的影響

二氧化碳在漿料中溶解度與其體積濃度和流量有關,它直接影響體系中CO32-的濃度,從而改變了Ca2+或CO32-離子的化學勢。

CO32-濃度越高,晶體成核速率越大,容易得到粒徑較小的晶體;CO32-濃度越低,體系成核速率越小,碳酸鈣晶體生長占主導優勢,有利于得到粒徑較大的納米碳酸鈣晶粒;此外,二氧化碳體積濃度過大時導致體系中過飽和度增大,局部生成的晶核個數太多,晶核間容易碰撞凝聚,這使得制備的碳酸鈣的粒徑分布變寬。

在二氧化碳體積濃度一定的情況下,氣體流速加大,二氧化碳的傳質速率增加,可以縮短碳化反應時間,成核階段生成的碳酸鈣微晶的晶核生長時間縮短,使得制備的碳酸鈣晶體粒徑較小,沉降體積增大。

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