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1、本科毕业论文(科研训练、毕业设计)题 目：8000t/a轻质碳酸钙的工艺设计姓 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：0309107510000t/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The design of 10000t/a Ultrafine Calcium Carbonate techni
2、csAbstract 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 productio
3、n, technics target aim, and requestions of work, main equipments, waste manage and so on.Keywords Ultrafine Calcium Carbonate carbonization technic flow equipments collocation目录第一章 总论11.1概述11.2文献综述41.3设计依据131.4.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162.1 轻质碳酸钙生产方法162.2 碳化法流程简图：17第三章 生产流程简述193.1 煅烧1
4、93.2 消化精制与碳化193.3 窑气净化193.4 过滤干燥203.5 后续加工20第四章 工艺计算214.1 计算基准：214.2 煅烧工段物料衡算214.3 消化工段物料衡算244.4 净化系统物料衡算254.5 碳化过程物料衡算264.6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315.1 燃料、矿石料仓设计计算315.2 石灰窑设计计算：315.3 石灰料仓设计计算：315.4 消化设备设计选型：325.5 粗浆槽设计计算：335.6 石灰乳初调槽设计计算：335.7 旋液分离器设计选型：335.8 碳化塔设计计算：345.9 碳酸钙浆液池设计计算：345.10
5、过滤设备选型计算：345.11 碳酸钙料仓设计计算：355.12 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377.1气体的治理与应用377.2废渣的处理与应用377.3废水处理与应用387.4 粉尘处理与回收38第八章 劳动安全与工业卫生398.1 劳动安全398.2 工业卫生39设计体会和收获40致 谢41参考文献42附件43A.手绘10000t/a沉淀碳酸钙工艺流程图.43B.设备一览表43C.翻译英文文献：中文；原文.43D.带控制点的工艺流程图43E.工厂平面与车间设备平面布置图43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
6、，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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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%
13、。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
14、市场，在广东、江苏、安徽、浙江等省相继建起一些年产2050kt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500650元/t，活性轻质碳酸钙为8001200元/t，油墨用超细轻质碳酸钙为18002000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
15、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
16、得。由于轻质碳酸钙的沉降体积（2.42.8mL/g）比重质碳酸钙的沉降体积（1.11.4mL/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）
17、的大小，可以将碳酸钙分为微粒碳酸钙（d5m）、微粉碳酸钙（1md5m）、微细碳酸钙（0.1md1m）、超细碳酸钙（0.02md0.1m）和超微细碳酸钙（d0.02m）。（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13m。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
18、径大，平均粒径一般为510m。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
19、、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512m，平均短轴粒径为13m。控制一定的反应条件，也可以得到平均短轴粒径为0.11.0m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0.020.1m。（3）针形碳酸钙 晶形呈针状，平均粒径为0.010.1m，平均长短轴粒径之比为510。（4）链形碳酸钙
20、晶形呈链锁状，平均粒径为0.010.1m，平均长短轴粒径之比为550。（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0.030.5m。（6）片形碳酸钙 晶形呈片状，平均粒径为13m。（7）四角柱形碳酸钙 晶形呈四角柱状，平均粒径为25m。（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2.65
21、0g/cm3。（2）硬度：方解石的莫氏硬度为3，霰石约为3.54。（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0.12mm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
22、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8.710-9。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9.510.2。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8.08.6。（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2.510-6。C-1，垂直于c轴方向的热膨胀系数约为510-6。C-1，而垂直于
23、菱面体晶格面的热膨胀系数约为1110-6。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1010-6-1、1610-6-1、和3210-6-1。（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/（kgK）。（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
24、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7.58.8，垂直于c轴方向的介电常数为8.58.8。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
25、.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。（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）
26、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
27、石灰窑中的分解主要决定于温度，一般空气中含有少量二氧化碳，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4.91104Pa，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9.81104Pa，分解则急剧进行，二氧化碳会腾涌而出，其反应方程式如
28、下： CaCO3=CaO+CO2 H0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 H0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+Al2O3X CaOAl2O3 Y CaO+Fe2O3Y CaOFe2O3 Z CaO+Si
29、O2Z CaOSiO2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+O2CO2燃料中的硫则燃烧后生成了二氧化硫酸性气体： S+O2SO2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
30、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+H2OCa(OH)2 H0生石灰中所含的氧化镁也有类似的反应 MgO+H2OMg(OH)2 H0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510-4mol/L，Ca(OH)2为6.910-3mol/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。（3）窑气的净
31、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=H2CO3CO2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
32、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+CO2CaCO
33、3 +H2O H 0 另一类似的反应为： Mg(OH)2+CO2MgCO3+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5565oC，此时，所得到的产品一般为纺锤体的形状，其颗粒直径在0.
34、55m，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
35、酸钙产品。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
36、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57m；其次采用河北科技大学化工设计研究所“双
37、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510m；后者接触表面积大，碳化比较均匀，时间短，产品平均粒径在0.040.08m。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
38、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XR1000
39、A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、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1013kt/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
40、，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
41、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（
42、HG 222691）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项目指 标优等品一等品合格品主含量（以CaCO3计），%98.0100.098.0100.097.0100.0pH值（10%悬浮液）8.010.08.010.58.011.0105。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，%： 125m试验筛 45m试验筛0.0050.300.0100.400.0150
43、.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，%96.5Al2O3+Fe2O3，%0.4（或CaO，%54）Mn，%0.0045MgCO3，%1.46P+S微量（或MgO，%0.7）粒度，mm75150SiO2，%1.5抗压强度，MPa117.681.4.2.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
44、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2040mm挥发分4.5%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/LpH6.58.5氧化铁（Fe2O3）10mg/L2. 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
