轻质碳酸钙工艺设计

湖南化工职业技术学院

毕业设计题毕业设计类型姓名班

级所属系部(院) 专

业校内指导教师职

称企业指导老师完成时间

毕 业 设 计

3.0万t/a轻质碳酸钙工艺设计与碳化塔选型 □ 产品设计 √工艺设计 □方案设计 刘宏伟 化工1313 化学工程学院 应用化工技术 魏义兰 助教 王宇 2015年 11 月 16 日

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轻质碳酸钙工艺设计

摘 要

本设计主要采用连续鼓泡碳化法生产轻质碳酸钙，并采用了三塔串联连续鼓泡碳化工艺；在文中介绍了轻质碳酸钙产品的性质、分类、特点和应用，详细的阐述了碳化法生产轻质碳酸钙的原理、生产方法、工艺条件、影响碳化的因素；根据3万t/a的年产量进行了生产过程的工艺计算和碳化塔设备的计算与选型；采用CAD绘出了生产过程的工艺流程图、碳化塔的结构图和设备平面布置图。 关键词：轻质碳酸钙；连续鼓泡碳化法；碳化塔选型

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轻质碳酸钙工艺设计

Abstract

This design mainly uses continuous bubbling carbonation method to produce calcium carbonate,and the three towers in series continuous bubbling carbonation process;the nature of light calcium carbonate product is introduced in this paper, classification, characteristics and application,detailed describes the principle of carbonation for producing light calcium carbonate,production method, process conditions, factors affecting carbonation; according to an annual output of 3 million T / a were calculation and selection of the production process of the process calculation and carbonization tower equipment; CAD draw using the production process of the process flow diagram, carbonation tower structure chart and equipment layout.

Key words: light calcium carbonate;continuous bubbling carbonation method; the type selection of carbonization tower

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轻质碳酸钙工艺设计

目 录

第一章 文献综述 ......................................................................................................... 0

1.1定义................................................................................................................... 0 1.2性质................................................................................................................... 0 1.3分类................................................................................................................... 0

1.3.1根据碳酸钙晶粒形状分类..................................................................... 0 1.3.2按其平均粒径(d)分类 ............................................................................ 0 1.4特点................................................................................................................... 1

1.4.1轻质碳酸钙的特点................................................................................. 1 1.4.2重质碳酸钙的特点................................................................................. 1 1.5用途................................................................................................................... 1 第二章生产工艺 ........................................................................................................... 3

2.1碳化原理........................................................................................................... 3 2.2生产方法........................................................................................................... 3

2.2.1碳化法..................................................................................................... 3 2.2.2氯化钙法................................................................................................. 3 2.2.3苛化碱法................................................................................................. 3 2.2.4联钙法..................................................................................................... 3 2.2.5苏尔维法................................................................................................. 4 2.3碳化工艺生产方法........................................................................................... 4

2.3.1间歇鼓泡碳化法..................................................................................... 4 2.3.2连续鼓泡碳化法..................................................................................... 5 2.3.3连续喷雾碳化法..................................................................................... 5 2.3.4超重力反应结晶法................................................................................. 6 2.4普通轻质碳酸钙生产的流程方框图............................................................... 6 2.5流程说明........................................................................................................... 7 2.6碳化工艺条件的影响....................................................................................... 7

2.6.1温度......................................................................................................... 7 2.6.2压力......................................................................................................... 8

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2.6.3窑气中CO₂的浓度 ............................................................................... 8 2.6.4精制石灰乳的浓度................................................................................. 8 2.6.5窑气的流量............................................................................................. 9 2.6.6游离碱..................................................................................................... 9 2.7碳化终点的指示............................................................................................... 9

2.7.1根据电导率的变化来指示终点............................................................. 9 2.7.2根据pH值的变化来指示终点 .............................................................. 9 2.7.3根据溶液的温度变化来指示终点....................................................... 10 2.7.4根据体系的压力变化来指示终点....................................................... 10 2.8连续鼓泡碳化法的工艺流程......................................................................... 10

2.8.1连续鼓泡碳化法工艺流程图............................................................... 10 2.8.2连续鼓泡碳化法工艺流程说明........................................................... 10 2.8.3连续鼓泡碳化工艺的特点................................................................... 11

第三章工艺计算 ......................................................................................................... 12

3.1物料衡算......................................................................................................... 12

3.1.1计算基准............................................................................................... 12 3.1.2轻质碳酸钙生产过程的收率和所需原料量....................................... 12 3.1.3消化过程的物料衡算........................................................................... 12 3.1.4旋液分离器的物料衡算....................................................................... 13 3.1.5石灰乳配置的物料衡算....................................................................... 13 3.1.6碳化过程物料衡算............................................................................... 13 3.1.7脱水工序的物料衡算........................................................................... 14 3.1.8干燥工序的物料衡算........................................................................... 15 3.1.9物料衡算汇总....................................................................................... 15 3.2热量衡算......................................................................................................... 16

3.2.1连续消化机的热量衡算....................................................................... 16 3.2.2碳化塔的热量衡算............................................................................... 17 3.2.3干燥系统的热量衡算........................................................................... 18 3.2.4热量衡算表........................................................................................... 19

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第四章碳化塔设备的计算与选型 ............................................................................. 20

4.1碳化塔的类型................................................................................................. 20 4.2碳化塔的设备计算......................................................................................... 20 4.3停留时间估算................................................................................................. 20 4.4由物料衡算估算............................................................................................. 21 4.5设备一览表..................................................................................................... 21 第五章设计图纸 ......................................................................................................... 22

5.1鼓泡碳化塔设备结构图................................................................................. 22 5.2轻质碳酸钙生产过程工艺流程图................................................................. 23 5.3平面布置图..................................................................................................... 24 参考书目与文献 ......................................................................................................... 25 致谢 ............................................................................................................................. 27

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第一章 文献综述

轻质碳酸钙用于工业生产已有100多年的历史了,轻质碳酸钙世界生产与应用主要集中在美国、中国、日本和西欧。我国轻质碳酸钙生产工艺已发展成熟,在工艺指标控制等方面各有其特点,今后轻质碳酸钙行业将朝着超细化、高纯化的方向发展,产品的规格品种将呈多元化,专用化。

本设计过程是以年产3万吨的生产能力为依据来对碳化过程进行工艺设计和设备选型，是以消化得到的浆液经过碳化、脱水、干燥到产品进行检测包装的过程。

1.1定义

轻质碳酸钙又称沉淀碳酸钙(简称PCC)，是由化学加工方法制得的产品，其沉降体积(2.4～2.8mL/g)与用机械方法生产得到的重质碳酸钙沉降体积(1.1～1.4mL/g)要大的多，因此被称为轻质碳酸钙。

1.2性质

轻质碳酸钙的分子式：CaCO3，分子量：100.09，它是一种无毒、无味的白色粉末，相对密度为2.7～2.9 ，难溶于水，醇。

在常温下,碳酸钙在水中的溶度积为4.96×10-9，溶解度为0.0014,碳酸钙水溶液的pH值为9.5～10.2 ,空气饱和碳酸钙水溶液的pH 值为8.0～8.6。轻质碳酸钙的沉降体积:2.5ml/g 以上，比表面积为5m2/g左右。轻质碳酸钙颗粒微细、表面较粗糙,比表面积大,因此吸油值较高,为60～90ml/100g 左右。

1.3分类

1.3.1根据碳酸钙晶粒形状分类

分为无规则体、纺锤体、立方体、针状体、链状体、球形体、片状体和无定型体碳酸钙；

1.3.2按其平均粒径(d)分类

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微粒碳酸钙（d>5m）； 微粉碳酸钙（1m1.4特点

1.4.1轻质碳酸钙的特点

a.颗粒形状规则，可视为单分散粉体，但可以是多种形状，如纺锤体、立方体、针状体、链状体、球形体、片状体等。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现粒径，再取中位粒径作为平均粒径。以后除特别说明外，平均粒径，即指平均短轴粒径。

1.4.2重质碳酸钙的特点

a.颗粒形状不规则。

b.粒径分布较宽，是多分散粉体。

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。

d.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。

1.5用途

轻质碳酸钙可用作橡胶、塑料、造纸、涂料和油墨等行业的填料，广泛用于有机合成、冶金、玻璃和石棉等生产中。还可用作工业废水的中和剂、胃与十二

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指肠溃疡病的制酸剂、酸中毒的解毒剂、含SO2废气中的SO2消除剂、乳牛饲料填加剂和油毛毡的防粘剂。也可用作牙粉、牙膏与其它化妆品的原料，以与在电缆行业能起一定的绝缘作用。还能作为牙膏的摩擦剂。 （1）橡胶行业

碳酸钙是橡胶工业中使用最早、用量最大的填充剂之一，碳酸钙大量填充在橡胶之中，可以增加制品的容积，从而节约昂贵的天然橡胶达到降低成本的目的，碳酸钙填入橡胶能获得比纯橡胶硫化物更高的抗张强度耐磨性，撕裂强度，并在天然橡胶和合成橡胶中有显著的补强作用，同时可以调整稠度。 （2）塑料行业

碳酸钙在塑料制品中能起到一种骨架作用，对塑料制品尺寸的稳定性有很大作用，能提高制品的硬度，还可以提高制品的表面光泽和表面平整性。在一般塑料制品中添加碳酸钙耐热性可以提高，由于碳酸钙白度在90%以上，还可以取代昂贵的白色颜料起到一定的增白作用。 (3)油漆行业

碳酸钙在油漆行业中的用量较大，是不可缺少的骨架，在稠漆中用量为30%以上，酚醛磁漆4-7%，酚醛细花纹皱纹漆39%以上。 （4）水性涂料行业

在水性涂料行业的应用，用途更为广泛，能使涂料不沉降，易分散，光泽好等特性，在水性涂料用量为20～60%。

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第二章生产工艺

2.1碳化原理

精石灰乳与窑气反应称为精灰乳的碳化反应，简称为精灰乳碳化反应或碳化反应。主要是精石灰乳中的主要成分氢氧化钙与窑气中二氧化碳反应生成碳酸钙，该反应称为氢氧化钙的碳化反应。主要方程式如下：

Ca(OH)2CO2CaCO3H2O

2.2生产方法

2.2.1碳化法

将石灰石等原料煅烧生成生石灰，加水消化生石灰生成石灰乳，再与通入的二氧化碳碳化生成碳酸钙沉淀，沉淀经过滤、脱水、干燥和粉碎制得轻质碳酸钙。碳化法的化学反应过程如下:

石灰烧制：CaCO3CaOCO2Q1

消化反应：CaOH2OCa(OH)2Q2

碳化反应：Ca(OH)2CO2CaCO3H2OQ3

过碳化反应：CaCO3H2OCO2Ca(HCO3)2

2.2.2氯化钙法

在纯碱水溶液中加入氯化钙,即可生成碳酸钙沉淀。主要化学反应方程式如下：Na2CO3CaCl2CaCO32NaCl

2.2.3苛化碱法

生产烧碱(NaOH) 过程中,得到副产品轻质碳酸钙。在纯碱水溶液中加入消石灰生成碳酸钙沉淀,同时也得到烧碱水溶液,最后经过脱水、干燥和粉碎得到轻质碳酸钙。主要化学方程式如下：Na2CO3Ca(OH)2CaCO32NaOH

2.2.4联钙法

通过盐酸处理过的消石灰得到的氯化钙溶液,在吸入氨气后再与二氧化碳进行碳化制轻质碳酸钙。

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主要化学方程式如下：CaCl22NH3H2OCO2CaCO32NH4Cl

2.2.5苏尔维法

在生产纯碱过程中,得到副产品轻质碳酸钙。饱和食盐水在吸入氨气后用二氧化碳进行碳化,得到重碱(碳酸氢钠)沉淀和氯化铵溶液。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进行碳化便得到碳酸钙沉淀。

2.3碳化工艺生产方法

轻质碳酸钙的生产按照碳化工艺分为间歇鼓泡碳化法、连续鼓泡碳化法、连续喷雾碳化法、超重力反应结晶法四种。

2.3.1间歇鼓泡碳化法

利用塔内有效液面高度形成的静压，使压缩后的CO2气体由塔底部经过气体分布器后进入碳化塔，与悬浮液充分混合，由于气液密度差异使气泡自行由塔底上升至塔顶排出，CO2在上升过程中与悬浮液接触溶解并发生碳化反应。该过程中气泡越小，分散越好，碳化速度也就越快，CO2吸收效率也就越高，由于气泡在上升过程中所受的压力逐渐减小，气泡逐渐膨胀，静压差越大(即塔内有效液面越高)，气泡的体积变化也就越大，较大的气泡减小了气液接触面积，从而降低了碳化反应的速度和CO2的吸收效率。

鼓泡碳化反应器有三种形式：以罗茨鼓风机为打气装置的罐式碳化反应器；以压缩机为打气装置的碳化塔；带强制搅拌的碳化塔。

以罗茨鼓风机为打气装置的罐式碳化反应器，由于罗茨鼓风机可提供的气体压力较小，但打气量比较大，不能支持较高的悬浮液液面高度，因此，这种反应器设计成直径较大、高度较小的矮、粗、胖的罐式碳化反应器。由于液位较低，气体在碳化罐内的上升距离也就小，气液接触时间较短，CO2的吸收效率较低，使得碳化时间加长。

以压缩机为打气装置的碳化反应器为细高形的碳化塔。因为压缩机提供的压缩气体压力较高，打气量相对较小，能支持较高的液位而不能支持较大直径的碳化塔。故此设计成细高形的。这种碳化塔气液接触时间较长，CO2吸收比较充分，效率较高。

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带搅拌鼓泡碳化塔主要靠搅拌器的叶片以与反应器内的多孔气体分配器对CO2气体进行分散剪切。气体在反应体系内分布均匀，并且气泡较小，利于吸收，故反应速度较快，由于受设备制造的，一般塔的高度较低，为达到一定的生产能力，必需将直径加大。一般的带强制搅拌碳化塔的直径比罐式碳化反应器小， 高度比它高。直径和高度都介于罐式碳化反应器和细高形碳化塔之间。此种碳化所用的打气装置一般为压缩机。

2.3.2连续鼓泡碳化法

连续鼓泡碳化法气液逆流操作，一般采用两级或三级串联碳化工艺，即精制石灰乳经第一级碳化塔进行部分碳化或得到反应混合液，在浆液槽中加入适当的添加剂后进入第二级碳化塔碳化制得最终产品。该法由于碳化过程分步进行，对晶型的成核、生长过程和表面处理可以分段控制，从而可得到较小的粒径、较好的晶型和粒径分布。现在，国内有些碳酸钙生产厂家可以根据用户的需求，通过严格控制石灰乳浓度、碳化温度、添加剂的类型和配比等来生产所需晶型和粒径的产品。

该工艺所用的碳化反应器一般是细高形的碳化塔，以压缩机为打气装置。并且液体停留时间、气体流量和气液比等都可以根据需要方便的调节，便于优化工艺条件；同时，气液传质效果好，CO2吸收效率高，物料反混率低，可以实现“碳化—陈化”连续操作，显著降低包裹返碱现象的发生。该工艺产品的质量稳定，晶型规整，粒度分布较窄，不同批次的产品 质量稳定性好。

2.3.3连续喷雾碳化法

连续喷雾碳化法是将 Ca(OH)2悬浮液调到一定浓度和温度，一般要加入一定量的分散剂，然后控制适当的喷入雾滴，并在碳化塔的顶部向以一定空塔速度上升的二氧化碳气体喷雾，接触碳化，使部分氢氧化钙转变为碳酸钙，成为晶核，然后放入到中间槽，经过换热调节温度，或加入一些添加剂，用泵打入第二级喷雾碳化塔。在以后的碳化塔中晶核逐渐长大，成为具有一定粒度和晶型的碳酸钙产品。

该工艺可控因素有浆液浓度、雾滴大小、CO2的空塔气速和添加剂等。由于雾化的雾滴细小，比表面积很大，气液接触充分、均匀，使反应中心很多，形成多个晶核；气液接触时间相近，使得各晶核的成长速度基本相同，因而可以保证

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产品粒径均匀，分布较窄。同时在各级碳化塔之间可以实现浆液的陈化，减少包覆现象，使得晶型规整，避免产品返碱。

该方法具有效率高，能实现自动连续大规模生产，并能获得纳米级不同晶型的碳酸钙产品。但也存在一定问题，如设备投资较高，管路复杂，喷嘴易堵塞，管理难度大等，虽然已经工业化，但目前应用较少。

2.3.4超重力反应结晶法

超重力反应结晶法是由湘潭大学和北京化工大学先后开发成功、并主要由后者推广应用的超细碳酸钙生产新工艺。该技术的特征是以强化气液传质过程为基本出发点，其核心在于碳化反应是在超重力离心反应器中进行，利用填充高速旋转产生的几十到几百倍重力加速度，可获得超重力场环境。在超重力场环境中，Ca(OH)2悬浊液在高分散、高湍动、强混合以与界面急速更新的情况下，巨大的剪切力将液体撕裂成纳米级的膜、丝、滴，与CO2气体以极大的相对速度在弯曲孔道中逆流接触，使相间传质速率提高1～3个数量级，使微观混合得到极大强化，为CaCO3成核创造了快速均匀的微观环境。而传统的碳化反应器都是非均匀的微观环境，使得传统的沉淀法生产的产品的粒度分布不均匀，不同批次产品的重现性差。这是超重力反应结晶法优于传统方法的理论根源，该法最终得到平均粒径达15～30nm的纳米级碳酸钙。该产品粒径分布均匀，不同批次产品的重现性好，且碳化反应时间仅为传统方法的1/4～1/10，达国际先进水品。2000年10月，世界上第一条3000吨/年的超重力纳米碳酸钙生产线在广东恩平化工实业有限公司建成投产以后，又先后在内蒙蒙西高新股份公司、山西芮城华新有限公司等推广应用，其产品性能达到了英国ICI公司生产的高级轿车专用的SPT纳米碳酸钙质量标准。但是受与其配套的表面活化技术和干燥技术的制约，使其产品质量在功能化方面还难以与国外产品相抗衡，故难以一时普与。

2.4普通轻质碳酸钙生产的流程方框图

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2.5流程说明

石灰石与煤一同加入石灰窑中进行煅烧，得到的生石灰经筛分后进入消化机进行消化得到石灰乳粗浆，粗浆经过粗浆槽和旋液分离器后得到精浆，精浆在陈化槽中陈化后进入精浆调浓槽，加清水调节浓度后进入碳化塔与净化后的窑气中的CO2发生碳化反应，反应后生成的碳酸钙熟浆经静置和陈化后进入过滤机过滤，得到的滤膏用导热油干燥机干燥后经粉碎、旋风分离、布袋除尘后得到产品轻质碳酸钙。

2.6碳化工艺条件的影响

2.6.1温度

从热力学角度看，温度升高，可降低CO2的溶解度系数和CaOH2的溶度积常数，CaOH2的溶解度随温度升高而降低，CaOH2的碳化反应平衡常数减小，平衡向左移动，使碳化反应推动力减小，对提高碳化速度不利。但从动力学角度来看，温度升高，有利于提高碳化速度。沉降体积越大，产品的质量就越高。沉降体积主要取决于CaCO3晶体的粒度，碳化温度越高，CaCO3粒度越小，沉降体积越大；温度降低可提高CO2的溶解系数和CaOH2的溶度积常数，从而提高了CO32和Ca2浓度以与液相的过饱和度。当过饱和度较高时，CaCO3的晶核形

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成速度大于其晶体生长速度，CaCO3晶体的粒度较小，有利于提高产品碳酸钙的沉降体积；反之，则不利于提高产品碳酸钙的沉降体积。

2.6.2压力

从热力学角度看，当提高窑气总压，CaOH2的碳化反应是体积缩小的反应，平衡向右移动，有利于提高碳化的速度；从动力学角度来看，提高窑气总压，可以提高窑气中CO2的分压，分压越高，CO2的气相扩散速度越快，所以窑气总压越高对碳化反应越有利。窑气总压受精石灰乳液柱高度来控制，总压高，则精石灰乳液柱高度要求也会相应增加，使得碳化塔制造和安装的难度也增加。另外，随着总压的升高，分压也升高，当分压升高到一定程度后，再提高分压，对提高碳化速度作用不大。总压高，对空压机的要求也高，能耗也高。

2.6.3窑气中CO2的浓度

窑气中CO2的浓度越高，CO2的气相扩散推动力越大，从而使CO2气相扩散和液相扩散速度的加快，有利于提高碳化速度，增大CaCO3的沉降体积，所以窑气中CO2的浓度越高越好。但窑气中CO2的浓度最高只能达到约35%左右，一般情况下，只能达到20%～25%。若窑气中的CO2的浓度低于20%则会影响碳化的速度，窑气中CO2的浓度调节会使得CaCO3晶体的粒度较大，沉降体积较小，导致设备利用率低，生产能力下降。然而降低空气过剩系数和防止空气漏入窑气中，是提高窑气中CO2浓度的有效方法。

2.6.4精制石灰乳的浓度

石灰乳的浓度是指单位体积的石灰乳中所含的CaOH2总量。精制石灰乳的浓度越高，精灰乳中的CaOH2粒子就越多，CaOH2的液固相界面面积就越大，

CaOH2固相的溶解阻力减小，在碳化反应前期碳化速度较快，CaOH2得到充分的反应，对提高整个碳化反应速度和沉降体积有利，反之，则不利于提高整个碳化反应速度和沉降体积，会随着碳化反应前期消失，进入碳化反应后期导致碳

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化速度逐渐降至零，从而降低整个碳化速度和沉降体积，设备利用率低，生产能力下降。

2.6.5窑气的流量

窑气的流量越大，则气相流速越大，气液接触面积越大，对精制石灰乳的搅动也增加，导致CO2的气相扩散阻力和液相扩散阻力减小，CaOH2固相的溶解阻力减小，对提高整个碳化过程的速度和沉降体积有利；反之，窑气的流量减小，则气相流速减小，气液接触面积也会随着减小，从而使的CO2的气相扩散阻力增大，使CO2的气相扩散步骤变成整个碳化反应过程的必要控制的步骤，从而降低整个碳化速度和沉降体积设备利用率低，生产能力下降。然而窑气的流量也不能过大，当窑气的流量过大，会使空压机的电耗增大CO2的吸收率降低，从而造成

CO2与CaOH2的不平衡。

2.6.6游离碱

碳化过程游离碱含量一般应小于0.05%。当产品游离碱含量超标，在平均粒径一定的情况下，表现为其沉降体积也会随之增大，填充过程与纸张纤维相容性变差，某种程度上，游离碱含量超标比平均粒径偏大或偏小的危害来得更大，因此，游离碱含量必须严格加以控制。

2.7碳化终点的指示

碳化反应终点的判断通常采用电导仪、酸度计、酚酞指示剂等其中一种方法，或者其中两种方法的结合使用，不管采用什么方法都必须使熟浆的PH值接近7。

2.7.1根据电导率的变化来指示终点

碳化反应的前期、中期，反应体系中存在CaOH2 的过饱和溶液，有大量的Ca2和OH，当反应进行到末期，体系中的Ca2和OH得浓度显著减少，导致体系的电导率发生突变性的改变，显示着碳化反应的终了。但采用电导率法来指示反应终点时，电极在体系中容易结垢，影响指示的精度，电极需要经常清洗。

2.7.2根据pH值的变化来指示终点

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当碳化反应接近终点时，体系中 OH的浓度显著减少，pH值发生突跃，可根据pH值的突跃性改变来指示指示反应终点。采用来指示反应终点也存在上述弊端，电极因结垢而需要经常清洗。在实际生产中，对敞开式的反应器，通常不采用pH计来指示终点，而是使用酸碱指示剂（如酚酞试剂等）来指示终点。

2.7.3根据溶液的温度变化来指示终点

碳化反应是放热反应，随着反应的进行，反应体系的温度会不断升高。当碳化反应不采用外界方式控温时，会发现体系的温度上升到某一值时不再升高，这就预示着碳化反应的结束。该方法不十分精确，但对具有一定操作经验的操作人员而言也是容易掌握的。

2.7.4根据体系的压力变化来指示终点

如果以高浓度的CO2气体为碳化气，常采用加压碳化法生产。碳化反应在密闭容器中进行，当碳化反应接近终点时，体系内不再消耗CO2，从而导致压力急剧上升，预示着碳化终点的到来。

2.8连续鼓泡碳化法的工艺流程

2.8.1连续鼓泡碳化法工艺流程

2.8.2连续鼓泡碳化法工艺流程说明

连续鼓泡碳化塔作为连续反应器，采用三塔串联、气相自下而上、液相则自

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上而下，二者逆流接触；气相为连续流动相，液相为连续流动相和反应相，碳化塔为空心塔，高径比约为8:1，其中1#、3#碳化塔塔身只需外设喷水冷却装置，使其出口温度控制在25℃～35℃，而2#碳化塔反应比较剧烈，塔内必须设置制冷管。在2#、3#、4#浆液槽中也需设置制冷管控制进塔物料的温度在10℃～15℃之间；在活化槽中需要设置加热装置，使活化温度提高到60℃～70℃。

2.8.3连续鼓泡碳化工艺的特点

连续鼓泡碳化法的碳化过程采用制冷和表面处理，连续化程度高，产品质量稳定，具有投资少、操作简单、生产规模能够实现大型化等特点。

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第三章工艺计算

3.1物料衡算

3.1.1计算基准

年产3万吨轻质碳酸钙，每个工艺环节的收率都为95%，按300天/年计算。

主要技术指标如下：

煅烧煤热值/kcal/kg

窑气CO2含量/%

消化灰水比（质量）

碳化浆液浓度/%

熟浆增浓后浓度/%

滤饼含水量/%

干燥煤热值/kcal/kg

产品含水量/%

6200 35 1∶5 16 20 25 5100 0.3

3.1.2轻质碳酸钙生产过程的收率和所需原料量

(1)煅烧、消化、碳化、脱水和干燥工序的收率都为95%，碳酸钙生产过程的总收率为y95%95%95%95%95%77.38%

(2)生石灰中CaO含量一般为97%。一年按300天计算，以年产3.0万吨的轻质碳酸钙为标准，则每天生产100吨碳酸钙，即1000kmol/d，亦即41.7kmol/h。 则每天所需原料石灰总量为：G141.7/(77.38%97%)55kmol/h3080kg/h 每年所需要的石灰总量为:G3080kg/h24300d/a22176t/a 年所需要的石灰石总量为：G'221765610039600t/a

3.1.3消化过程的物料衡算

消化反应：CaOH2OCa(OH)266.15kJ 石灰中CaO的含量平均为97%，

所以石灰中杂质为：3080(197%)92.4kg/h CaO的质量为308092.42987.6kg/h

一般约75%的机械杂质由消化机尾部排除，25%的机械杂质经旋液分离器排除，即消化机和旋液分离器排出的机械杂质分别为69.3kg/h与23.1kg/h，其比例关系为3:1。

消化机排出的Ca(OH)2为30805674(195%)75%152.63kg/h

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轻质碳酸钙工艺设计

石灰消化过程灰水比为1:5，消化所需的水量为W130805100kg/h， 得到粗石灰乳的质量浓度为：

c1(2987.67456152.63)(3080100152.6369.3)100%20.8%

则其中水的质量百分含量为79.2%。 消化机排出的粗石灰乳质量G2

其中Ca(OH)2的质量为：2987.6567495%3750.5kg/h 水的质量为3750.50.792/0.20814280.8kg/h 则G23750.514280.818031.3kg/h

'18031.324300129825.4t/a 年产粗石灰乳的质量为G23.1.4旋液分离器的物料衡算

旋液分离器的进料量即为生产的粗浆量18031.3kg/h,该工序的收率为95%，其生产出精浆量为G33750.514280.8152.63/323.117957.3kg/h，其中Ca(OH)2质量为3750.5152.63/33699.6kg/h

旋液分离器排出的杂质总量为152.63/323.174kg/h 年产精浆量为G3'17957.324300129292.6t/a

3.1.5石灰乳配置的物料衡算

进入碳化塔以前，石灰乳需配置到所需的浓度，即含Ca(OH)2的质量百分浓度为16%，

配置后的精浆总量为3699.616%23122.5kg/h

所需补充的水量为23122.517957.35165.2kg/h 年产精浆总量为23122.5243001682t/a

3.1.6碳化过程物料衡算

碳化反应的方程式：Ca(OH)2CO2CaCO3H2O115.35kJ （1）进入碳化塔的精浆量为23122.5kg/h，即浆液泵的最小流量6.4kg/s，实际功

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轻质碳酸钙工艺设计

率系数取1.3，则实际的最大流量为8.3kg/s，CaCO3的收率为95%，则所生成的CaCO3的量为23122.516%100/7495%4749.5kg/h，损耗的CaCO3的量为250kg/h。

（2）参加反应的CO2的体积为：23122.516%7422.41119.9Nm3/h 年吸收的CO2的体积为：1119.9243008.06106Nm3/a 假设进入碳化塔的窑气中的CO2全部被吸收，

则进入碳化塔的窑气总量为：1119.935%3199.7Nm3/h， 则排放的尾气量为：3199.71119.92079.8Nm3/h 年排放的尾气总量为：2079.8243001.5107Nm3/a （3）碳化反应生成的水量为23122.516%74189.9kg/h 由于碳化塔内水分的挥发可忽略不计，故浆液的含水量为： W水23122.584%9.920322.8kg/h

CaCO3浆液的量为：4749.520322.825072.3kg/h CaCO3的百分浓度为：4749.5/25072.3100%18.9% 增浓为 CaCO3百分含量为20%的熟浆需要脱去的水量为： 25072.34749.520%1324.8kg/h 熟浆的量为4749.520%23747.5kg/h 年产熟浆的量为23747.524300170982t/a

3.1.7脱水工序的物料衡算

（1）采用厢式压滤脱水，收率为95%，滤饼的含水量为25%,固含量为75%。 滤饼的质量为4749.595%/0.756016kg/h，其中CaCO3的质量为

4512kg/h，水的质量为1504kg/h，

年产滤饼的数量为60162430043315.2t/a （2）脱水量为：23747.580%150417494kg/h 年脱水的总量为：1749424300125956.8t/a

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轻质碳酸钙工艺设计

带出的CaCO3的量为：4749.55%237.5kg/h 排放的废水总量为17494237.517731.5kg/h

3.1.8干燥工序的物料衡算

（1）干燥工序采用滤饼喷雾干燥塔与板式干燥器相结合的二级干燥技术，得到

含水量为0.3%的产品，干燥的收率按95%计。

（2）进料总量为6016kg/h，其中CaCO3的质量为4512kg/h，水的质量为

1504kg/h。

则产品中CaCO3的质量为451295%4286.4kg/h 水分的质量为4286.40.950.3%13.5kg/h 蒸发的水分量为150413.51490.5kg/h 年蒸发的水分量为1490.52430010731.6t/a

蒸发的水分中夹带的CaCO3的质量为45124286.4225.6kg/h

3.1.9物料衡算汇总

（1005165.2）24300148069.4t/a （1）年消耗的工艺水总量为：W总 年脱水总量为：125956.810731.6136688.4t/a （2）由下文干燥工序热量衡算可得，所需干燥煤数量为：

Q入4.45106872.55kg/h G干燥51005100' 年需干燥煤数量为G干燥872.55243006282.36t/a

（2）物料衡算表

年需石灰石数量/（t/a) 年需生石灰数量/（t/a) 15 / 34

39600 22176 轻质碳酸钙工艺设计

消化用水数量/（kg/h) 年需粗石灰乳数量/（t/a) 粗石灰乳的质量浓度/% 年需精石灰乳数量/（t/a） 年吸CO2的数量/（Nm3/a） 年排放碳化尾气数量/（Nm3/a） 碳化反应生成水的数量/（kg/h) 年需质量浓度20%的熟浆数量/（t/a） 年需含水25%的滤饼数量/（t/a） 年蒸发的水分数量/（t/a） 年消耗工艺水数量/（t/a） 年脱水数量/（t/a） 年需干燥煤数量/（t/a） 100 129825.4 20.8 1682 8.06*106 1.5*107 9.9 170982 43315.2 10731.6 148069.4 136688.4 6282.36 3.2热量衡算

3.2.1连续消化机的热量衡算 1、消化机输入的热量Q入

（1）生石灰输入的热量为q1。不自产生石灰，其温度与环境温度同为25℃，

故q10。

（2）水输入的热量为q2，其温度为60℃，

则q2WCpt1004.184(6025)2.3106kJ/h （3）消化反应热为q3，由消化反应得： q32987.6/5666.151033.5106kJ/h 所以Q入q1q2q35.8106kJ/h 2、消化机输出的热量Q出

（1）假定消化反应后物料的温度上升到t℃，则水温上升所吸收的热量为q4，

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轻质碳酸钙工艺设计

则q4Wcpt14280.84.184t59750.9(t25) （2）消石灰带走的热量q5，其比热为c=0.84kJ/kg℃。则

q5(3750.5152.63)0.84(t25)3278.6(t25)

（3）设备散热q6按消化反应热的20%计，

则q65.810620%1.16106kJ/h 所以Q出q4q5q6 根据热量平衡原理Q入Q出 从而计算出消化温度t=98.6℃

消化反应过程中有部分水分气化而带走一些热量，因此实际反应温度略低于计算值，但反应温度愈高愈有利于石灰乳的细度和分散性，故消化进水温度要大于60℃，以保证消化温度高于90℃。

3.2.2碳化塔的热量衡算

1、输入热量Q1

（1）消石灰带入热量q1。消石灰(60℃)进入碳化塔以前必须经制冷降温处理 以确保较低的碳化温度和碳化初始温度（12～18℃，在此取15℃），此时需移出的热量为q'，或者称之为制冷量q'。

则q'Gct23122.5(16%0.26184%)4.184(6015)3.8106kJ/h

q1Gct23122.5(16%0.26184%)4.184151.28106kJ/h

（2）CO2带入的热量q2，

二氧化碳的热容查取为5atm、30℃时的数据。则

q2Gcpt3199.7/22.4(10.365%9.4635%)4.184301.8105kJ/h （3）碳化反应热q323122.516%/74115.34610005.8106kJ/h 所以输入热量Q1q1q2q37.26106kJ/h 2、输出热量Q2

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轻质碳酸钙工艺设计

（1）尾气带出的热量q4，则

q4Gcpt2079.8/22.410.34.184301.2105kJ/h （2）CaCO3浆液带出的热量q5，假定浆液的温度为30℃，

cp0.8518.9%4.18481.1%3.5kJ/kg℃

则q5Gct25072.33.5(3025)4.5105kJ/h，由于浆液温度接近常温，设备散热可忽略不计。 （3)假定制冷所移走的热量为q6

所以输出热量Q2q4q5q6(5.7105q6)kJ/h 根据热量平衡Q1Q2，从而计算出制冷量q6:

q67.261065.71056.69106kJ/h

加上对消石灰的制冷量q'，制冷总量Qq'q61.05107kJ/h

3.2.3干燥系统的热量衡算

假定进料温度为30℃，物料加热到80℃，气相出口温度为120℃。 （1）物料带入热量q1Gcpt,

而cp0.750.850.254.1841.68kJ/kg℃

q1Gcpt60161.68(3025)50534.4kJ/h

（2）物料带出热量q2，

其cp0.9970.850.0034.1840.86kJ/kg℃ 则q2(4286.413.5)0.86(8025)203385.3kJ/h

（3）蒸汽带出热量q3，q3包括三部分：水蒸气，燃气（组成可视为空气）以与其夹带的少量碳酸钙等，查水蒸气表，120℃时，HH2O(g)2717kJ/kg，燃气数量与水蒸气相同。则

q31490.527171490.5/18291(12025)225.60.88(12025)4.3106kJ/h18 / 34

轻质碳酸钙工艺设计

（4）设备散热q4，由于设备无保温措施，散热较大，一般为总量的20%，即

q40.2Q入。

（5）根据热量平衡原理，燃气供应的热量为Q入，则Q入q2q3q4q1 ，即

0.8Q入q2q3q1，所以，Q入4.45106kJ/h

Q入4.45106872.55kg/h 所需要的干燥煤数量G51005100年需干燥煤数量G'872.55243006282.36t/a

3.2.4热量衡算表

消化机输入输出热量/kJ/h 精浆带入热量/kJ/h CO2带入的热量/kJ/h 碳化反应热/kJ/h 碳化尾气带出的热量/kJ/h CaCO3浆液带出的热量/kJ/h 制冷总量Q/kJ/h 滤饼带入热量/kJ/h 产品带出热量/kJ/h 蒸汽带出热量/kJ/h 燃气供应的热量/kJ/h

5.8*106 1.28*106 1.8*105 5.8*106 1.2*105 4.5*105 1.05*107 50534.4 203385.3 4.3*106 4.45*106 19 / 34

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第四章碳化塔设备的计算与选型

4.1碳化塔的类型

常用的碳化塔的类型有三种，一种是塔径1.0～1.5m、塔高10～15m、装浆高度8～10m、长径比达（8～15）：1的“细高型”碳化塔，该类塔的特点是塔型不采用电动搅拌装置，可在塔内设置多层气体分布器和导流板来实现气体均匀分布和浆液的循环流动，该塔型需要配备压头较大的空压机和高压罗茨鼓风机，二化氧碳利用率较高。

第二种是直径3.8m左右、高度5.5～6.0m、装浆高度在4m以下，长径比仅为1.5：1的“矮胖型”碳化塔或碳化釜，该型碳化塔一般采用常压罗茨鼓风机，其优点是电耗低、风机故障少，同时采用电动搅拌装置来实现气体的快速均匀分布，能提高二氧化碳的利用率。

第三种是低温搅拌碳化釜，一般高径比仅为1～3.体积比为10～100m3不等，可采用密闭式加压反应，以加压快速反应速度和提高CO2利用率。

4.2碳化塔的设备计算

设碳化塔直径为1400mm，高为12000mm，高径比8.57：1，全容积为21.55m3，有效容积为17.24m3，液柱高为9.6m，在连续碳化法中三塔总的有效容积为51.72m3。

根据生产经验，采用间歇碳化法时，单塔17.24m3、浓度为16%的石灰乳所需的碳化时间约为10小时（含进料和出料时间），单塔的生产能力为

GCaCO317.241.04516%/101000288.25kgh

则采用三个同样大小的间歇鼓泡碳化塔时的总的生产能力为8.75kg/h。

4.3停留时间估算

由分析可知，间歇鼓泡碳化塔拟为全混流反应器，连续鼓泡碳化塔拟为平推流反应器，在反应器容积和转化率都相同的条件下，前者所需的停留时间为后者的两倍多；也就是说，在单位时间内，连续鼓泡碳化塔的生产能力为间歇鼓泡碳化塔的两倍多。由于碳化反应为拟一级反应，其转化率为100%，在传统的间歇

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轻质碳酸钙工艺设计

鼓泡碳化法的碳化末期，其转化率虽然只占不到10%，但反应时间却要多一半多，其主要原因是碳化反应末期溶液的pH值较低（8～10），但在连续鼓泡碳化新工艺中，碳化气为高浓度CO2，从而使碳化反应末期的反应速度与碳化反应中前期没有明显的区别，因此新工艺的停留时间又将比传统的间歇鼓泡碳化法缩小一半。加上进料和出料所花的时间，估计连续鼓泡碳化法的停留时间约为间歇鼓泡碳化法的十分之一。

4.4由物料衡算估算

由物料衡算可知，进入碳化系统的物料流量为6.4kg/s，浆液的密度取1.06kg/L，折算成体积流量为6.03L/s，为了使碳化反应进行完全，整个碳化过程的停留时间为3小时，

则体积流量应为：51.721000/(33600)4.79L/s， 则碳化过装置数：y6.031.25， 4.79可见，理论上碳化装置为2套。

4.5

设备一览表

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轻质碳酸钙工艺设计

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 设备名称 消化机 旋液分离器 皮带输送机 贮槽 碳化塔 溴化锂制冷机组 压缩机 搅拌器 离心泵 熟浆振动筛 厢式压滤机 型号规格 Φ1400×14700 Φ150 Φ3500×400 Φ1400×1200 5000kW 40m3min XZG100/200 单位 台 台 台 台 台 台 台 个 台 台 台 数量 2 6 2 6 6 2 2 14 16 2 2 备注

第五章设计图纸

5.1鼓泡碳化塔设备结构图

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轻质碳酸钙工艺设计

4536271碳化塔的结构1.支座2.窑气进口3.精灰乳进口6.溢流口.加麟酸口4.排气帽5.熟浆出口.采出槽口97.分气罩8

5.2轻质碳酸钙生产过程工艺流程图

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轻质碳酸钙工艺设计

5.3平面布置图

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轻质碳酸钙工艺设计

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轻质碳酸钙工艺设计

参考书目与文献

[1] 颜鑫,卢云峰.《轻质与纳米碳酸钙关键技术》.北京化学工业出版社,2011.10. [2] 颜鑫,生产超细碳酸钙的连续鼓泡碳化新工艺研究[D].湘潭大学硕士学位论文,2004.

[3] 颜鑫,刘跃进,王佩良.生产超细碳酸钙的连续鼓泡碳化生产新工艺[J].现代化工,2003,(01).

[4] 颜鑫,唐新军,三级连续碳化法生产纳米碳酸钙的工艺研究[J].非金属矿,2007(6).

[5] 满瑞林,余家耕,汤义武.轻质碳酸钙碳化新工艺[J].无机盐工业,1997,(10). [6] 颜鑫.生产纳米碳酸钙的绿色新工艺[J].无机盐工业,2007(11).

[7] 刘英俊.碳酸钙在塑料工业中的应用现状与进展[J].中国非金属矿工业导刊,2001(01).

[8] 姚守信.生产轻质碳酸钙用碳化塔结构的实验研究[J].无机盐工业,1997(6). [9] 韩秀山.我国轻质碳酸钙的生产应用与市场现状[J].化科技市场,2004(7). [10] 薛其信.影响轻质碳酸钙沉降体积各因素分析[J].无机盐工业.1987,(05). [11] 王国庆,催英德轻质碳酸钙生产工艺[M].化学工业出版社,2000,(09). [12] 程京波.关于碳化过程的热量计算[J].纯碱工业,1981,(05).

[13] 王徐影. HYGC鼓泡碳化塔生产轻质碳酸钙[J].河北化工,2006,29(11). [14] 蒋如铁.轻质碳酸钙pH值生产工艺探讨[J].河北化工, 1998,(9). [15] 肖品东.超细碳酸钙生产中碳化工序控制因素的分析无机[J].盐工业, 2001,(06).

[16] 轻质碳酸钙生产中碳化工序的改进[J].中国小企业科技信息,1995,(04). [17] 王远.碳化塔选型技术探讨[J].纯碱工业,2007,(06).

[18] 王国庆,催英德.轻质碳酸钙生产工艺[M].化学工业出版社,2000,(09).

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轻质碳酸钙工艺设计

致谢

本设计是在我们的指导老师魏义兰的精心指导下完成的，在设计的各个环节老师给予了细心的指导,使我得能够顺利地完成毕业设计。

从最初的选题，到资料收集，到写作设计、修改，一直到定稿，在这过程中，我遇到了许多问题，老师一直细心耐心的为我解答。指导老师渊博的知识、严谨的治学态度、为人师表的品格、孜孜不倦的进取精神和敢于创新的科学精神，一直感染并激励着我，永远是我学习的榜样，将使我终身受益。为了指导我们的毕业设计，老师放弃了自己的休息时间，这种无私奉献的敬业精神令人钦佩，也让我非常感动，在此我向她表示我诚挚的谢意。

在大学中，颜鑫教授教了我《无机化工生产技术》与《化工节能技术》两门课程，在这次设计的过程中他也给了我许多的指导与建议，他严谨治学和宽厚待人的高尚风范，我将永远铭记在心，在此对他表示衷心的感谢。祝老师一生平安，阖家幸福！

毕业设计完成了，这也标志着我的大学生活即将结束，即将毕业走入工作岗位。感谢所有任课老师和所有同学在这两年半中给我的教导与帮助，是你们教会了我专业知识，教会了我如何学习，教会了我如何做人。正是由于你们，我才能在各方面取得显著的进步，在此，我向你们表示我由衷的谢意，并祝所有的老师培养出越来越多的优秀人才，桃李满天下！ 同时也祝母校发展得越来好！

衷心感谢各位老师在百忙之中抽出宝贵时间评阅本文，由于作者能力有限，文中难免有不妥之处，敬请批评指正。

刘宏伟 2015年11月16日

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