年產(chǎn)8000噸活性輕質碳酸鈣的工藝設計—消化池的設計含CAD圖

年產(chǎn)8000噸活性輕質碳酸鈣的工藝設計—消化池的設計含CAD圖,年產(chǎn),活性,碳酸鈣,工藝,設計,消化,cad 1年產(chǎn) 8000 噸活性輕質碳酸鈣的工藝設計—消化池的設計摘 要：輕質碳酸鈣是我國傳統(tǒng)的化工產(chǎn)品之一，本文綜述了輕質碳酸鈣的來源、性質、用途、前景及制造工藝。它的生產(chǎn)過程一般包括石灰石的煅燒、生石灰的消化、消石灰碳化、懸浮液的液固分離以及濾餅的干燥等。本設計首先通過對消化原理及影響因素的分析，選擇了這種帶攪拌的混合釜的材料，確定了攪拌容器以及攪拌器的形式，最后對物料體積的計算，進而確定設備的經(jīng)濟尺寸，并進行了壓力試驗和應力校核從而保證消化過程的順利進行，確保任務順利完成。關鍵詞：輕質碳酸鈣 生石灰的消化 帶攪拌的混合釜2Process Design of Light Calcium Carbonate Activity with Production of 8000 tons per year：Design of Digester Abstract: Precipitated calcium carbonate is one of the chemical products of our traditional ,this paper, the source of light calcium carbonate, nature, purpose, prospects and manufacturing process. It is generally taken to include the production process of the calcination of limestone, quicklime digestion, lime carbonation, suspension and the liquid-solid separation, such as dry cake. First of all,bassing on the design principle of digestion and analysis of influencing factors, choose this materials of kettle with stirring a mixture, mixing container and stirrer, and finally acorrding to the calculation of the volume of material, and then determine equipment economic size， and pressure stress testing and verification to ensure the smooth progress of the digestive process, to ensure the successful completion of tasks.Key words: light calcium carbonate digestion quicklime mixed with stirring kettle.3目錄摘 要 .1ABSTRACT21. 概述 .51.1 輕質碳酸鈣的簡介 51.2 輕質碳酸鈣的原料來源 51.3 輕質碳酸鈣的生產(chǎn)方法 51.4 輕酸鈣的市場現(xiàn)質碳狀及應用 71.4.1 市場現(xiàn)狀 71.4.2 應用領域 72 原料、輔料產(chǎn)品的主要技術規(guī)格 92.1 原料的要求： 92.2 輔料的要求 .103 消化池的設計 .113.1 石灰消化的機理 .113.2 消化的影響因素 .113.2.1 石灰的質量 .113.2.2 灰水比 .133.2.3 溫度 .143.2.4 石灰的粒度 .144.1 消化池材料的選擇 .154.2 消化池的選型 .154.2.1 攪拌容器 .154.2.2 攪拌器的選擇 .165. 消化池的工藝計算 165．1 消化工序物料衡算 1645.1.1 計算基準 .165.1.2 物料衡算 .175.2 消化池設備的尺寸計算 .175.2.1 消化池實際體積的計算 .175.2.2 消化池經(jīng)濟尺寸的選取 .185.2.3 消化池壁厚的計算 .195.2.4 壓力試驗，應力校核 .196 設計結果 .20謝 辭 .2351. 概述1.1 輕質碳酸鈣的簡介輕質碳酸鈣(Light Calcium Carbonate)又稱沉淀碳酸鈣( Precipitated Calcium Carbonate，簡稱 PCC) ，是將石灰石等原料段燒生成石灰（主要成分為氧化鈣）和二氧化碳，再加水消化石灰生成石灰乳（主要成分為氫氧化鈣） ，然后再通入二氧化碳碳化石灰乳生成碳酸鈣沉淀，最后經(jīng)脫水、干燥和粉碎而制得，或者先用碳酸鈉和氯化鈣進行復分解反應生成碳酸鈣沉淀，然后經(jīng)脫水、干燥和粉碎而制得。由于輕質碳酸鈣的沉降體積（2.4-2.8mL/g ）比重質碳酸鈣的沉降體積（1.1-1.4mL/g ）大，所以稱之為輕質碳酸鈣。 輕質碳酸鈣的形狀根據(jù)碳酸鈣晶粒形狀的不同,可將輕質碳酸鈣分為紡錘形、立方形、針形、鏈形、球形、片形和四角柱形碳酸鈣,這些不同晶形的碳酸鈣可由控制反應條件制得。輕質碳酸鈣按其原始平均粒徑(d) 分為: 微粒碳酸鈣(5μm)、微粉碳酸鈣(1～5μm)、微細碳酸鈣 (0.1～1μm) 、超細碳酸鈣 (0.02～0.1μm)、超微細碳酸鈣(0.02μm) 。輕質碳酸鈣的沉降體積 :2.5ml/g 以上，比表面積為 5m2/g左右。輕質碳酸鈣顆粒微細、表面較粗糙,比表面積大,因此吸油值較高,為60～90ml/100g 左右。 輕 質 碳 酸 鈣 的 粉 體 特 點 : a.顆 粒 形 狀 規(guī) 則 ,可 視 為 單 分 散 粉 體 ; b. 粒 度 分布 較 窄 ; c. 粒 徑 小 。1.2 輕質碳酸鈣的原料來源石灰石的主要成分是碳酸鈣。在自然界中，純碳酸鈣罕見，但含有各種雜質的碳酸鈣卻普遍存在，石灰石、方解石、大理石、白云石等，幾乎遍布于地表。在外層地殼中約占 0.25%，在沉積巖中僅次于泥質沿和沙巖，占第三位。1.3 輕質碳酸鈣的生產(chǎn)方法輕質碳酸鈣的生產(chǎn)方法有多種，但在國內的工業(yè)生產(chǎn)的主要是碳化法。1)碳化法 :將石灰石等原料煅燒生成石灰(主要成份為氧化鈣) 和二氧化碳,再加水消化石灰生成石灰乳(主要成份為氫氧化鈣),然后再通入二氧化碳碳化石灰6乳生成碳酸鈣沉淀,最后碳酸鈣沉淀經(jīng)脫水、干燥和粉碎便制得輕質碳酸鈣。 QCOaC23???l6.15kJ/mo(H)aO2?+Q() 232圖 1：活性輕質碳酸鈣碳化法生產(chǎn)工藝流程圖2)純堿 (Na2CO3)氯化鈣法:在純堿水溶液中加入氯化鈣 ,即可生成碳酸鈣沉淀。3)苛化堿法:在生產(chǎn)燒堿(NaOH) 過程中,可得到副產(chǎn)品輕質碳酸鈣。在純堿水溶液中加入消石灰即可生成碳酸鈣沉淀,并同時得到燒堿水溶液,最后碳酸鈣沉淀經(jīng)脫水、干燥和粉碎便制得輕質碳酸鈣。4)聯(lián)鈣法 :用鹽酸處理消石灰得到氯化鈣溶液,氯化鈣溶液在吸入氨氣后用二氧化碳進行碳化便得到碳酸鈣沉淀。5)蘇爾維法:在生產(chǎn)純堿過程中,可得到副產(chǎn)品輕質碳酸鈣。飽和食鹽水在吸入氨氣后用二氧化碳進行碳化,便得到重堿(碳酸氫鈉)沉淀和氯化銨溶液。在氯化銨溶液中加入石灰乳便得到氯化鈣氨水溶液,然后用二氧化碳對其進行碳化便得到碳酸鈣沉淀。71.4 輕酸鈣的市場現(xiàn)質碳狀及應用1.4.1 市場現(xiàn)狀我國是世界上碳酸鈣資源和生產(chǎn)大國。目前，我國碳酸鈣工業(yè)總生產(chǎn)能力達 400 萬 t/a。但是，統(tǒng)計結果顯示，在我國碳酸鈣行業(yè)中，具有一定技術附加值的沉淀碳酸鈣在產(chǎn)品結構中僅占 7.7%，其中具有高附加值的品種不足總產(chǎn)能的 0.5% ,而國外納米級超細碳酸鈣已形成大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。表 1：產(chǎn)品質量指標I 型 II 型級數(shù)和指標指標名稱 一級 二級 一級 二級98.0 97.0 98.0 97.0水分 0.30 0.40 0.40 0.40篩余物 0.005 0.005 0.005 0.005沉降體積 2.8 2.5 2.8 2.5鹽酸不溶物 0.1 0.2. 0.20 0.30游離堿 0.10 0.10 0.10 0.15鐵 0.10 0.10 0.10 0.10錳 0.0045 0.003 —— ——白度 —— —— 90.0 ——輕質碳酸鈣國內有生產(chǎn)企業(yè) 300 余家。據(jù)統(tǒng)計，2002 年 1 一 9 月，全國生產(chǎn)輕質碳酸鈣 127.14 萬 t， 表觀消費量 129.83 萬 t。前國內超細鈣產(chǎn)企業(yè)尚未形成規(guī)模 ，僅廣東恩平化有限公司、北京化工建材廠、湖南大乘資氮集團公司、上海華明高科集團公司等幾家企業(yè)生產(chǎn)超細鈣年總產(chǎn)量在 3 萬 t 左右。 目前我國市場普通輕質碳酸鈣的價格為 500 一 650 元/t，活性輕質碳酸鈣價格為 800一 1200 元/t ，油墨用超細輕質碳酸鈣價格為 1800 一 2000 元/t， 輕質碳酸鈣的價格比同一細度的重質碳酸鈣高一倍以上 。1.4.2 應用領域近年我國對納米級超細活性碳酸鈣的需求量預計每年以 15% 的增長率增長。我國橡膠 、塑料 、油墨、特殊紙制品、轎車漆及橡膠等主要行業(yè)對納米碳酸鈣有較大的需求量，到 2005 年預計將增加到 8 萬 t 以上。橡膠行業(yè)是我國輕質碳酸鈣的最大用戶，其用量占輕質碳酸鈣總產(chǎn)量的 40%左右。預計輕質碳酸鈣在橡膠行業(yè)用量的增長率約為 10%。8涂料、建筑等行業(yè)輕質碳酸鈣的用量占其總產(chǎn)量的 30%左右。由于國家一直在大力實施安居工程，建筑業(yè)明年獎有較大幅度增長，預計該行業(yè)消費輕質碳酸鈣將增長 14%左右。國內塑料市場中，輕質碳酸鈣用量占輕質碳酸鈣總產(chǎn)量的 15%左右。碳酸鈣添加在塑料中可增加塑料體積，降低產(chǎn)品成本，提高塑料制品的尺寸穩(wěn)定性硬度和剛性，改善塑料的加工性能。目前在 PVC 制品的生產(chǎn)加工中少量使用輕質碳酸鈣可提高 PVC 制品的拉伸強度。輕質碳酸鈣的品質除由天然碳酸鈣的品位決定外，其緞燒等化學反應條件及分級細度也是十分重要的因素。油墨、牙膏等行業(yè)輕質碳酸鈣的用量占其總量的 10%左右。造紙工業(yè)是國內碳酸鈣最具開發(fā)潛力的應用領域。用輕質碳酸鈣作造紙?zhí)盍?，可提高紙制品白度和蔽光性，可使造紙廠減少紙漿用量 ，大幅降低生產(chǎn)成本目前我國造紙用輕質碳酸鈣用量占輕質碳酸鈣總產(chǎn)量的 5%。 在沿海開發(fā)放地區(qū)，許多新建、擴建的大中型中外造紙企業(yè)己采用中性工藝，隨著這些行業(yè)的發(fā)展，輕質碳酸鈣用量將穩(wěn)定增長，市場前景樂觀。1.5 輕質碳酸鈣的前景與展望綜觀國內輕質碳酸鈣市場，以上海為中心的江蘇、浙江沿海經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，橡膠、塑料 、油墨、造紙加工制品制造業(yè)水平較高，對輕質碳酸鈣的需求較大且質量要求高，主要需求超細碳酸鈣、超微細碳酸鈣、造紙專用碳酸鈣等高附加值碳酸鈣。另外，浙江杭州、寧波、江蘇蘇州、鎮(zhèn)江等地，廣東深圳、東莞等地，塑料加工、玩具生產(chǎn)業(yè)發(fā)達，對輕質碳酸鈣需求較大，主要是普通碳酸鈣和活性碳酸鈣，對橡膠用超細碳酸鈣、油墨用超細碳酸鈣也有一定的需求。近年來，我國每年進口高檔碳酸鈣制品量高達 6 萬 ～10 萬 t，市場潛力巨大。美國市場中粗碳酸鈣價格為 70～135 美元/t，微細碳酸鈣價格為 15～275 美元/t, 超細碳酸鈣價格為 275～485 美元 /t。日本市場超細輕質碳酸鈣價格為 434美元/t 。不同行業(yè)對碳酸鈣產(chǎn)品的要求不同，因此碳酸鈣產(chǎn)品必將朝系列化、精細高檔化的方向發(fā)展。近年來，英國、西班牙、日本等國的碳酸鈣生產(chǎn)商紛紛看好我國市場，在廣東、江蘇、 安徽、浙江等省相繼建起一些年產(chǎn) 2 萬～5 萬 t9超細碳酸鈣規(guī)模的獨資或合資企產(chǎn)， 目前英國瓷土公司已在安徽建設了 2 萬t/a 的造紙用超細碳酸鈣生產(chǎn)廠，并準備在寧波再建 1 套 5 萬 t/a 的生產(chǎn)裝置。瑞士的有關公司也派專家來我國考察碳酸鈣原料礦的情況，探討與我國合作的可能性。我國碳酸鈣對國外公司吸引由此可見一斑，同時也顯示了超細碳酸鈣在我國有著廣闊的發(fā)展前景。2 原料、輔料產(chǎn)品的主要技術規(guī)格2.1 原料的要求：石灰石:沉淀（輕質）碳酸鈣產(chǎn)品的質量很大程度上取決于原料石灰石的質量。石灰石所含的雜質主要是硅、鎂、鐵、鋁等的氧化物或碳酸鹽。生產(chǎn)上對原料石灰石質量的要求為：表 2：石灰石質量的要求CaO≥54% MgO≤0.7%CaCO3≥96.4% MgCO3≤1.46%SiO2≤1.5% Fe2O3+Al2O3≤0.4%Mn≤0.0045% P+S 微量煅燒石灰石的燃料:在沉淀（輕質）碳酸鈣生產(chǎn)中，煅燒石灰石的燃料，我國是以固體燃料為主，基于設備和工藝要求，多使用焦炭和無煙煤。而現(xiàn)代化的直窯和回轉窯，則主要使用液體燃料和氣體燃料。機械化立窯所用燃料多為焦炭，而一般直窯煅燒石灰石較普遍使用的燃料則是無煙煤。立窯煅燒石灰石用無煙煤應符合下列條件：發(fā)熱量≥6500kcal/kg(27214.2kJ/kg) ；固定炭≥60%； 灰分≤12% 。 無煙煤與焦炭相比，機械強度差，易碎成小塊或粉末，故作為立窯燃料用的無煙煤應以塊狀為佳，塊度控制在 3-7cm(按立方體邊長計 )范圍內。102.2 輔料的要求：工藝用水制造沉淀（輕質）碳酸鈣的工藝用水，可來源于自來水、深井水、泉水、喝水、湖水等，但都必須符合下列條件：懸浮物 ≤20mg/L透明度 ≥30cm鹽酸不溶物 ≤10mg/L氧化鐵 ≤10mg/L氧化鎂 ≤100mg/L錳 ≤0.5mg/LpH 值 5.8~6沉淀（輕質）碳酸鈣生產(chǎn)中，水質的優(yōu)劣與成品有直接的關系。因石灰乳為強堿性，在石灰懸浮液中，大多數(shù)可溶性的金屬離子及懸浮物，均將沉降進入固相，除鈣離子外，在產(chǎn)品中均屬有害成分。如懸浮物中的泥砂，將增大鹽酸不溶物指標，并影響產(chǎn)品白度；氧化鐵的存在，白度也不好，使絕緣橡膠制品降低電絕緣性能；錳元素的存在，影響橡膠制品加工工藝，出現(xiàn)早期硫化；氧化鎂的存在，不僅使產(chǎn)品的純度降低，而且生產(chǎn)中，使固液分離、篩分等操作困難。因此，沉淀（輕質）碳酸鈣制造中，工藝用水的水質量是十分重要的因素。3 消化池的設計3.1 石灰消化的機理白灰是乳白色的，多微孔物，化學名稱為氧化鈣（CaO）,分子量 56，石灰與水作用的過程稱為石灰的消化，其反應式為：kJ/mol6.15Ca(OH)a22???反應物石灰為固相水為液相，故石灰的消化過程屬多相反應。除受溫度、濃度等因素的影響外，還與反應時相界面的狀態(tài)有關。即其反應速度與固體的表面狀態(tài)（晶體結構、表面積的大小、表面緊密或多孔等） ，已經(jīng)界面擴散過程11密切相關。在石灰消化過程中，水分子與石灰顆粒接觸并由其表面滲透進入微孔，此時在石灰與水界面上發(fā)生化學反應，氧化鈣水合生成氫氧化鈣，其反應按下述步驟進行：1）固相表面吸水；2）中間產(chǎn)物 的生成；O2HCa?3）轉化反應 。QOHa()2??由于反應熱的放出,水急劇升溫而汽化,變?yōu)檎羝麜r體積膨脹,將 CaO 粒塊崩裂而分散于水相中。此時，由于溫度升高及水汽化的快，CaO 表面水相移向界面，以及 離開界面的擴散過程連續(xù)發(fā)生，在穩(wěn)定的溫度條件下，CaO2Ca(OH)消化作用劇烈進行，直至全過程完成。3.2 消化的影響因素3.2.1 石灰的質量石灰消化成石灰乳的過程中，石灰乳的質量很打程度上取決于石灰的質量及消化過程的條件，如消化水量、消化溫度、攪拌強度等。表 3 種煅燒度石灰的消化情況比較石灰種類煅燒溫度/ C0外觀 水化條件 水化現(xiàn)象 石灰乳產(chǎn)率/ml·（g CaO)石灰乳性狀樣量/g水量/m水溫/ C012生燒800 外白色，內灰色20 100 80 反應時間短，升溫至 53C02.32 粒度細，乳液稀過燒1200 灰黃色，斷面致密20 100 80 反應緩慢，無劇烈升溫2.66 粒度粗，成砂狀，無附著力輕燒950 白色，斷面多微孔20 100 80 反應劇烈，沸騰，溫升至 99 C04.59 粒度細，成膏狀，附著力強石灰的煅燒程度不同有輕燒、中燒、過燒 3 種情況，3 種煅燒度石灰的消化情況比較如上表。可看出輕燒石灰晶體小，比表面積大，氣孔率高，體積密度小，反應性強，即常稱“活性石灰 ”。石灰的活性度取決于煅燒的溫度和時間。石灰的煅燒溫度在 950—1000 最佳，若超過，則石灰的消化速度將隨石灰煅燒溫度的提高而C0降低。有關試驗結果表明，950 條件下煅燒石灰，其每克產(chǎn)出之石灰乳體積為01200 煅燒石灰所產(chǎn)石灰乳體積的 1.73 倍。0石灰石煅燒時，物理結構發(fā)生變化，其結果單元的形狀，由 的斜方3CaO六面變?yōu)?CaO 的立方體，新的結構單元比舊的重點多。輕燒的石灰，有極細的微孔。而過燒的石灰，由于 CaO 結構單元互相結合，空隙被填充，體積縮小到約為原有的 60％，密實度加大，結構單元的空間，局部或全部減少甚至消失，使得消化時水分子進入石灰顆粒內部困難，影響石灰消化的速度和石灰乳的質量。因此，在 950—1000 溫度下，煅燒石灰石制得到石灰，具有較高的活性，C0消化速度快，產(chǎn)出的石灰乳物性良好，并易于精制。故可知，輕燒石灰經(jīng)消化得到的石灰的煅燒度應為輕燒。由于石灰石含鐵、硅、鋁、鎂等雜質，將影響水同石灰的消化過程。其中，氧化鐵、氧化鋁、氧化硅等，在煅燒時同氧化鈣發(fā)生反應生成較易熔融的化合物，而使石灰顆粒的氣孔率降低。氧化鈣和氧化硅在高溫下能生成一系列的硅13酸鈣化合物，其反應在 800 即開始。氧化鎂的存在，對硅酸鈣的生成起加速C0作用。當石灰中硅酸鈣、鋁酸鈣和亞鐵酸鈣的含量高時，會使石灰的活性降低，影響石灰消化的速度和質量，使石灰乳中氫氧化鈣粒粗切質量差。石灰中硅酸鈣的存在，具有顯著的水硬性，使氫氧化鈣粒子分散性降低；而氧化鎂的存在將使水化程度緩慢。3.2.2 灰水比純 中含 75.7％CaO 和 24.3％ ,故 CaO 消化的理論用水量為其2Ca(OH) OH2重量的 32.1％。在濕法消化過程中，加入理論量 10 倍的水，可制得石灰膏，在輕質碳酸鈣制造過程中，為了制取石灰乳（氫氧化鈣在水中的懸浮液） ，則需加入約為理論量 15 倍的水，即：: ＝1:4 ～5( 重量比)CaOH2水量不足會使石灰消化不完全，水量過多則將引起消化體系中溫度的下降，出現(xiàn)石灰消化速度緩慢、灰乳粒子粗、分散不良、性質低劣等現(xiàn)象。研究指出，將石灰用理論水量消化成熟石灰和用超理論水量消化成石灰乳，所生成粒子的平均粒徑有顯著的區(qū)別。熟石灰粒子的平均直徑為 6 m,比表面2Ca(OH) μ積為 4.000 ；而石灰乳的粒子平均直徑為 1 m，比表面積為 20.000/gcm2 μ。比表面積后者是前者的 5 倍。/c23.2.3 溫度無論是石灰的溫度還是消化用水的溫度，都會影響消化作用的速度，溫度越高，則速度越快。G·弗蘭克求出在液相中消化石灰時，其速度常數(shù)與溫度的關系式為：=TKΔT01.35?—溫度 T 時的速度常數(shù)；—溫度 時的速度常數(shù)；00當 值大時，則消化作用的速度常數(shù) 值也越大T?TK石灰消化屬放熱反應，基于前述石灰消化機理，溫度為影響過程的重要因素，而 在水中的溶解度具有隨溫度升高而減小的特點。如無穩(wěn)定的溫2Ca(OH)度條件，溫度較低時，界面化學反應及擴散作用均緩慢；雖然氫氧化鈣的溶解14度增大，但未消化的氧化鈣表面處于氫氧化鈣的包圍，使石灰粒子內部的 CaO水合消化作用受到抑制，停止與水接觸而延緩了消化過程。為保證消化作用的繼續(xù)進行，所以穩(wěn)定的溫度條件十分重要.理想的石灰消化溫度，是保證水蒸汽的溫度 100 ，所以應將消化用水預C0熱到一定的溫度。3.2.4 石灰的粒度比表面積的大小，對石灰的消化速度有很大的影響。在其它條件相同時，其塊度越小消化過程越快、越完全。因此，將石灰預先粉碎能加速消化過程。在消化過燒的石灰時，預先粉碎會得到特別良好的效果。粉碎的石灰較未粉碎的石灰消化時間縮短 30～40﹪，這是因為反應過程中，粒度小弟石灰較石灰粒度打的石灰表面積增大之故。所以，對于提高石灰乳質量及消化設備生產(chǎn)效率來說，將石灰粉碎與采用熱水消化同樣重要。石灰乳的精制，是利用氫氧化鈣粒子與雜質相對密度之不同，或兩者大小的不同使其分離。石灰乳懸浮液濃度越低及溫度越高時，則粘度越低，越容易精制。4 設備選型4.1 消化池材料的選擇選擇材料的一般要求：1）材料品種應符合我國資源和供應情況；2）材質可靠，能保證使用壽命；3)要有足夠的強度，良好的塑性和韌性，對腐蝕性介質能耐腐蝕；4）便于制造和加工，焊接性能好；5）經(jīng)濟上合算。溶液對鋼材的腐蝕性不大，且水溫取 60℃時，消化完成時水溫不2Ca(OH)超過 100℃，故不考慮水蒸氣的揮發(fā)。整個反應的壓力不太大，取 P=0.2MPa，屬于低壓容器范圍（0.1≤P≤1.6MPa） ，T ＜350℃，我們選擇一般的碳素鋼 Q235-B 即可。154.2 消化池的選型4.2.1 攪拌容器攪拌容器被稱作攪拌釜或攪拌槽，通常為立式圓筒形攪拌機頂插式中心安裝，其作用式為物料攪拌提供合適的空間。反應器按設備結構形式分為攪拌式釜（槽）式，管式，固定床，流化床等反應容器。本設計是固液混合攪拌，屬于多相反應，可以間接操作，也可連續(xù)操作，故我們選擇機械攪拌反應器。機械攪拌反應器靈活性大，可控范圍大，結束后出料容易。攪拌容器包括筒體，換熱元件及內構件。攪拌容器基本是圓筒，封閉頭常采用橢圓形封頭，錐形封頭和平蓋，以橢圓形封頭應用最為廣泛。本設計采用平蓋。攪拌容器的安裝方式有立式安裝和臥式安裝兩種，一般最常用的是立式安裝。立式釜在常壓下操作時，為降低釜底的制造成本，一般可采用平底釜結構，當物料對環(huán)境沒有污染且被攪拌物料對空氣中塵埃的落入并不敏感時，釜體上部又可設計成敞口式；當攪拌物料中含有較大顆粒的於漿時，為便于固體粒子出粒，下封頭常采用錐殼。當攪拌釜臥式放置時，大多進行半釜操作，因此臥式與立式釜相比有更多的氣—液接觸面積，因而臥式釜常用于氣—液傳質過程，如氣—液吸收或高粘度液體中脫除少量易揮發(fā)物質；另一方面，臥式釜的料層較淺，有利于攪拌器將粉末攪動，并殼攪拌器的高速回轉使粉體拋揚起來，使粉體在瞬間失重狀態(tài)下進行混合。4.2.2 攪拌器的選擇攪拌器又稱攪拌槳或攪拌葉輪，是攪拌反應的最關鍵部分，其功能是提供過程所需的能量和適宜的流動狀態(tài)。攪拌器按結構可以分為平葉，折葉（槳式，渦旋式，框式盒矛式的槳葉都有平葉赫折葉兩種結構）和螺旋面葉（推進式，螺桿式盒螺帶式槳葉為螺旋面葉） 。攪拌器選型一般考慮三個方面：攪拌目的、物料黏度和攪拌容積的大小。槳式攪拌器是攪拌器中結構最簡單的一種攪拌器，主要用于流體的循環(huán)，應用于：液—液系中用于防止分離，使攪拌容器的溫度均一，固—液系中多用于防止固體沉降；推進式攪拌器（又稱船用攪拌器） ，常用于低粘度流體，流量大的場合，利用較小的攪拌功率，通過高速轉動的槳葉能獲得較好的攪拌效果；16渦輪式攪拌器（又稱透平式葉輪） ，是應用較廣的 一種攪拌器，能有效的完成幾乎所有的攪拌操作，并能處理粘度范圍很廣的流體。根據(jù)本設計的工藝流程及要求，我們選用中心攪拌機，為了使 CaO 和充分反應，我們選擇儲罐最常用的是三葉螺旋槳推進式攪拌器。這種攪拌OH2器廣泛應用于化工、石油、輕工部門。主要作用是池內的液體混合均勻、溫度均勻、促進稀釋、溶解、分散、強化傳熱。5. 消化池的工藝計算5．1 消化工序物料衡算5.1.1 計算基準1）裝置生產(chǎn)規(guī)模是 8000t/a,實際生產(chǎn)時間按 300d/a,則日平均產(chǎn)量為26.6667t，產(chǎn)品中的 含量為 95﹪。3CaO2)產(chǎn)品各工序效率干燥、粉碎、分級、包裝總收率越 98﹪壓濾及送料系統(tǒng)收率約 97﹪碳化及活化系統(tǒng)收率約 97﹪消化系統(tǒng)收率約 96﹪5.1.2 物料衡算1）消化石灰進料量 依據(jù)以上條件可計算出石灰進料量 為1M＝ ＝667.78kg/h1M2498%79610562.3??2)消化進水量 2＝75.7％ ＝ 24.3％2Ca(OH)m2Ca(OH)m理論用水量為其質量的 ＝32.10%%7.534實際用水量為理論的 15 倍，即 32.10%×15：100=4.815：117則 ＝ 4.815 =4.815×667.78=3215.36 kg/h2M13)粗漿總量 3＝ ＋ ＝667.78× ＋3215.36＝882.42＋3215.365674125674＝4097.78 kg/h5.2 消化池設備的尺寸計算計算基準：CaO 的質量：667.78kg/h 的質量：3215.36kg/hOH2粗漿總量：4097.78kg/h 濃度是 20%時 的密度：1.1325× kg/2Ca(O)310m＝ ＝3.27 /hH2V98.356＝ ＝0.21 /hCaO310.7?3＝ ＝3．62 /h2a(H).543m5.2.1 消化池實際體積的計算決定儲罐類儀器實際體積應考慮裝料系數(shù) ，裝料系數(shù)是防止物料溢出η的安全系數(shù)，所以 與不同物料和不同操作情況有關，通常 可取 0.6～0.8,對η于沸騰操作或易發(fā)泡的反應設備 =0.6～0.7，如果物料反應平穩(wěn)， 可取ηη0.8～0.85（物料黏度大可取大值） ，因此，罐體的體積與實際操作容積有如下關系: ηV0?在實際工作中要根據(jù)物料的性質，反應時的狀態(tài)和生成物的特點，合理的選取物料系數(shù)，以盡量提高槽體的利用率。此設計中我們選取裝料系數(shù)=0.8，則槽體的體積是 :η hm4.52083.6V30??溶液的體積按一天計算 V＝4.525×24＝108.6 /a2Ca(OH) 3一天要完成的 V=108.6 的生產(chǎn)任務，每天分二批完成。將其分成 7 個同3m18樣型號、大小的容器來完成。則每個容器的體積dm7.61408.V3?5.2.2 消化池經(jīng)濟尺寸的選取表 4 幾種攪拌設備筒體的高徑比種類 一般攪拌罐 聚合釜 發(fā)酵罐類管內物料類型高徑比液固相 氣液相液液相1～ 1.3 1～2懸浮液、乳化液2.08～3.85發(fā)酵液1.7～2.5一般我們選取高徑比 1～2，從材料和費用角度考慮，經(jīng)濟尺寸取 H/D=1.25最合適。儲槽高度和內徑的計算公式如下：＝ ＝VHD4π2i )(i3i＝ ＝ ＝ 1.99mi?3iπ31.576?圓整公稱直徑為 2000mmH=1.25×2000=2500mm 5.2.3 消化池壁厚的計算選用的材料是 Q235-B，已知 D=2m P=0.2Mpa 在小于 150℃范圍內的許用應力 ＝ 113Mpa，焊接采用雙面焊 100％無損探傷檢查，焊接接頭系數(shù)??t?＝ 1.00，負偏差 ＝0mm(壁厚小于 3.5mm)，腐蝕欲量 ＝1mmφ1C2C＝ +C＝ =2.77mmdδ??Pσ2Dti?1a0.2320.???圓整公稱壁厚為 3mm5.2.4 壓力試驗，應力校核容器制成以后（或檢修后投入生產(chǎn)之前） ，必須做壓力試驗，其目的在于檢驗容器是宏觀強度和有無滲漏現(xiàn)象，即考慮容器的密封性，以確保設備的安全運行19液壓試驗 ＝TP??tσ1.25—試驗壓力，Mpa P—設計壓力， MpaTP—容器元件材料在試驗溫度下的許用應力，Mpa??σ—容器元件材料在設計溫度下的許用應力，Mpat/ ——當溫度小于 200℃時， / ≈1t ??σt=1.25×0.2=0.25 MpaTP應力校核 在試驗之前，應對試驗壓力下產(chǎn)生的圓筒應力進行校核，即容器壁內產(chǎn)生的最大應力不超過所有材料在試驗溫度上的屈服極限的 90%(液壓試驗)，即= ( + )≤0.9Tσe2δPiDesφδQ235-B 材料的 =235 Mpa，故 0.9×1×235=211.5 Mpas?= - - =3-0-1=2mmed1C2—圓筒壁在試驗壓力下的計算應力，MpaTσ—試驗壓力，MpaP—圓筒的有效壁厚，mmeδ—圓筒材料在試驗溫度 T 的屈服點，Mpas—圓筒的焊接接頭系數(shù)φ=0.25/4*(2000+2)=125.125＜211.5 MpaTσ故滿足水試壓要求。6 設計結果本設計用選用碳素鋼 Q-235B, 攪拌容器采用立式安裝，平底釜結構，一天要完成體積是 108.6 的任務，需要設計如下的設備 14 個來完成任務，設備設3m計的工藝參數(shù)如下：1. 根據(jù)本設計的工藝流程及要求，我們選用中心攪拌機，為了使 CaO和 充分反應，我們選擇儲罐最常用的船用三葉螺旋槳推進式攪拌器OH2202. 取 P=0.2MPa，屬于低壓容器范圍（0.1≤P≤1.6MPa ） ，3. T＜350℃ 水溫取 60℃4. 取在消化釜中的反應時間為 6 小時5. 消化池的材料一般選擇的碳素鋼 Q235-B6. 灰水比 : ＝1:4～5(重量比)CaOH27. 消化池體積 V=7.76 3m8. 直徑 D=2000mm 9. 壁厚 =3mm dδ10.高度 H=2500mm參考文獻[1] 房鼎業(yè)，黃仲九．化學工藝學[M]. 高等教育出版社， 2001.183-199.[2] 匡國柱，史啟才.化工單元過程及設備課程設計[M]. 化學工業(yè)出版社， 2001. 51-185.[3] 全國化工化學工程設計技術中心站.化工單元操作設計手冊 [M].化學工業(yè)出版社，2001. 85-100.[4] 馬沛生.石油化工基礎數(shù)據(jù)手冊[M]. 化學工業(yè)出版社， 1998. 100-120.[5] 汪家鼎.化學工程手冊[M]. 化學工業(yè)出版社，2001. 58-205.[6] 蔣維鈞，余立新.化工原理化工分離過程[M]. 清華大學出版社， 1999.365—378[7] 董大勤.化工設備機械基礎[M]. 化學工業(yè)出版社，2004.136-196.[8] 趙國方.化工工藝設計概論[M]. 化學工業(yè)出版社，2003.154-203.[9] 中國石化集團上海工程有限公司.化工工藝設計手冊[M].化學工業(yè)出版社，2002.68-230.[10] 周有英.無機鹽工藝學[M]. 化學工業(yè)出版社，1995，146-18021結束語本文主要介紹了生產(chǎn) 8000 噸輕質碳酸鈣工藝設計過程中消化池的設計。在設計過程中，重溫了物理化學、化工原理、化工設備機械基礎及化工制圖的一些知識，也學會了如何用捷徑的方法查找所需的資料。由于所設計的產(chǎn)品工藝中許多相關中間產(chǎn)物的物性參數(shù)欠缺，很多數(shù)據(jù)是根據(jù)經(jīng)驗公式和其他相似物質的參數(shù)及相關工業(yè)設計的經(jīng)驗數(shù)據(jù)計算所得，所以難免會有很多誤差。此外，由于自身知識有限和經(jīng)驗不足，雖然完成了此設計任務，但還有許多不成熟之處，所以，在以后的設計中還需繼續(xù)努力。22謝 辭在這里首先要感謝我的導師 XX 老師。XX 老師平日里工作繁多，但在我做畢業(yè)設計的每個階段，從查閱資料到設計草案的確定和修改，中期檢查，后期詳細設計，裝配草圖等整個過程中都給予了我悉心的指導。我的設計較為復雜煩瑣，但是 XX 老師仍然細心地糾正圖紙中的錯誤。除了敬佩 XX 老師的專業(yè)水平外，他的治學嚴謹和科學研究的精神也是我永遠學習的榜樣，并將積極影響我今后的學習和工作。 其次要感謝和我一起作畢業(yè)設計的同學，他們在本次設計中勤奮工作，克服了許多困難來完成此次畢業(yè)設計。如果沒有他們的努力工作，此次設計的完成將變得非常困難。然后還要感謝大學四年來所有的老師，為我們打下化學工程與工藝專業(yè)知識的基礎；同時還要感謝所有的同學們，正是因為有了你們的支持和鼓勵。此次畢業(yè)設計才會順利完成。 最后感謝 XX 及 XX 四年來對我的大力栽培。1年產(chǎn) 8000 噸活性輕質碳酸鈣的工藝設計—消化池的設計摘 要：輕質碳酸鈣是我國傳統(tǒng)的化工產(chǎn)品之一，本文綜述了輕質碳酸鈣的來源、性質、用途、前景及制造工藝。它的生產(chǎn)過程一般包括石灰石的煅燒、生石灰的消化、消石灰碳化、懸浮液的液固分離以及濾餅的干燥等。本設計首先通過對消化原理及影響因素的分析，選擇了這種帶攪拌的混合釜的材料，確定了攪拌容器以及攪拌器的形式，最后對物料體積的計算，進而確定設備的經(jīng)濟尺寸，并進行了壓力試驗和應力校核從而保證消化過程的順利進行，確保任務順利完成。關鍵詞：輕質碳酸鈣 生石灰的消化 帶攪拌的混合釜2Process Design of Light Calcium Carbonate Activity with Production of 8000 tons per year：Design of Digester Abstract: Precipitated calcium carbonate is one of the chemical products of our traditional ,this paper, the source of light calcium carbonate, nature, purpose, prospects and manufacturing process. It is generally taken to include the production process of the calcination of limestone, quicklime digestion, lime carbonation, suspension and the liquid-solid separation, such as dry cake. First of all,bassing on the design principle of digestion and analysis of influencing factors, choose this materials of kettle with stirring a mixture, mixing container and stirrer, and finally acorrding to the calculation of the volume of material, and then determine equipment economic size， and pressure stress testing and verification to ensure the smooth progress of the digestive process, to ensure the successful completion of tasks.Key words: light calcium carbonate digestion quicklime mixed with stirring kettle.3目錄摘 要 .1ABSTRACT21. 概述 .51.1 輕質碳酸鈣的簡介 51.2 輕質碳酸鈣的原料來源 51.3 輕質碳酸鈣的生產(chǎn)方法 51.4 輕酸鈣的市場現(xiàn)質碳狀及應用 71.4.1 市場現(xiàn)狀 71.4.2 應用領域 72 原料、輔料產(chǎn)品的主要技術規(guī)格 92.1 原料的要求： 92.2 輔料的要求 .103 消化池的設計 .113.1 石灰消化的機理 .113.2 消化的影響因素 .113.2.1 石灰的質量 .113.2.2 灰水比 .133.2.3 溫度 .143.2.4 石灰的粒度 .144.1 消化池材料的選擇 .154.2 消化池的選型 .154.2.1 攪拌容器 .154.2.2 攪拌器的選擇 .165. 消化池的工藝計算 165．1 消化工序物料衡算 1645.1.1 計算基準 .165.1.2 物料衡算 .175.2 消化池設備的尺寸計算 .175.2.1 消化池實際體積的計算 .175.2.2 消化池經(jīng)濟尺寸的選取 .185.2.3 消化池壁厚的計算 .195.2.4 壓力試驗，應力校核 .196 設計結果 .20謝 辭 .2351. 概述1.1 輕質碳酸鈣的簡介輕質碳酸鈣(Light Calcium Carbonate)又稱沉淀碳酸鈣( Precipitated Calcium Carbonate，簡稱 PCC) ，是將石灰石等原料段燒生成石灰（主要成分為氧化鈣）和二氧化碳，再加水消化石灰生成石灰乳（主要成分為氫氧化鈣） ，然后再通入二氧化碳碳化石灰乳生成碳酸鈣沉淀，最后經(jīng)脫水、干燥和粉碎而制得，或者先用碳酸鈉和氯化鈣進行復分解反應生成碳酸鈣沉淀，然后經(jīng)脫水、干燥和粉碎而制得。由于輕質碳酸鈣的沉降體積（2.4-2.8mL/g ）比重質碳酸鈣的沉降體積（1.1-1.4mL/g ）大，所以稱之為輕質碳酸鈣。 輕質碳酸鈣的形狀根據(jù)碳酸鈣晶粒形狀的不同,可將輕質碳酸鈣分為紡錘形、立方形、針形、鏈形、球形、片形和四角柱形碳酸鈣,這些不同晶形的碳酸鈣可由控制反應條件制得。輕質碳酸鈣按其原始平均粒徑(d) 分為: 微粒碳酸鈣(5μm)、微粉碳酸鈣(1～5μm)、微細碳酸鈣 (0.1～1μm) 、超細碳酸鈣 (0.02～0.1μm)、超微細碳酸鈣(0.02μm) 。輕質碳酸鈣的沉降體積 :2.5ml/g 以上，比表面積為 5m2/g左右。輕質碳酸鈣顆粒微細、表面較粗糙,比表面積大,因此吸油值較高,為60～90ml/100g 左右。 輕 質 碳 酸 鈣 的 粉 體 特 點 : a.顆 粒 形 狀 規(guī) 則 ,可 視 為 單 分 散 粉 體 ; b. 粒 度 分布 較 窄 ; c. 粒 徑 小 。1.2 輕質碳酸鈣的原料來源石灰石的主要成分是碳酸鈣。在自然界中，純碳酸鈣罕見，但含有各種雜質的碳酸鈣卻普遍存在，石灰石、方解石、大理石、白云石等，幾乎遍布于地表。在外層地殼中約占 0.25%，在沉積巖中僅次于泥質沿和沙巖，占第三位。1.3 輕質碳酸鈣的生產(chǎn)方法輕質碳酸鈣的生產(chǎn)方法有多種，但在國內的工業(yè)生產(chǎn)的主要是碳化法。1)碳化法 :將石灰石等原料煅燒生成石灰(主要成份為氧化鈣) 和二氧化碳,再加水消化石灰生成石灰乳(主要成份為氫氧化鈣),然后再通入二氧化碳碳化石灰6乳生成碳酸鈣沉淀,最后碳酸鈣沉淀經(jīng)脫水、干燥和粉碎便制得輕質碳酸鈣。 QCOaC23???l6.15kJ/mo(H)aO2?+Q() 232圖 1：活性輕質碳酸鈣碳化法生產(chǎn)工藝流程圖2)純堿 (Na2CO3)氯化鈣法:在純堿水溶液中加入氯化鈣 ,即可生成碳酸鈣沉淀。3)苛化堿法:在生產(chǎn)燒堿(NaOH) 過程中,可得到副產(chǎn)品輕質碳酸鈣。在純堿水溶液中加入消石灰即可生成碳酸鈣沉淀,并同時得到燒堿水溶液,最后碳酸鈣沉淀經(jīng)脫水、干燥和粉碎便制得輕質碳酸鈣。4)聯(lián)鈣法 :用鹽酸處理消石灰得到氯化鈣溶液,氯化鈣溶液在吸入氨氣后用二氧化碳進行碳化便得到碳酸鈣沉淀。5)蘇爾維法:在生產(chǎn)純堿過程中,可得到副產(chǎn)品輕質碳酸鈣。飽和食鹽水在吸入氨氣后用二氧化碳進行碳化,便得到重堿(碳酸氫鈉)沉淀和氯化銨溶液。在氯化銨溶液中加入石灰乳便得到氯化鈣氨水溶液,然后用二氧化碳對其進行碳化便得到碳酸鈣沉淀。71.4 輕酸鈣的市場現(xiàn)質碳狀及應用1.4.1 市場現(xiàn)狀我國是世界上碳酸鈣資源和生產(chǎn)大國。目前，我國碳酸鈣工業(yè)總生產(chǎn)能力達 400 萬 t/a。但是，統(tǒng)計結果顯示，在我國碳酸鈣行業(yè)中，具有一定技術附加值的沉淀碳酸鈣在產(chǎn)品結構中僅占 7.7%，其中具有高附加值的品種不足總產(chǎn)能的 0.5% ,而國外納米級超細碳酸鈣已形成大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。表 1：產(chǎn)品質量指標I 型 II 型級數(shù)和指標指標名稱 一級 二級 一級 二級98.0 97.0 98.0 97.0水分 0.30 0.40 0.40 0.40篩余物 0.005 0.005 0.005 0.005沉降體積 2.8 2.5 2.8 2.5鹽酸不溶物 0.1 0.2. 0.20 0.30游離堿 0.10 0.10 0.10 0.15鐵 0.10 0.10 0.10 0.10錳 0.0045 0.003 —— ——白度 —— —— 90.0 ——輕質碳酸鈣國內有生產(chǎn)企業(yè) 300 余家。據(jù)統(tǒng)計，2002 年 1 一 9 月，全國生產(chǎn)輕質碳酸鈣 127.14 萬 t， 表觀消費量 129.83 萬 t。前國內超細鈣產(chǎn)企業(yè)尚未形成規(guī)模 ，僅廣東恩平化有限公司、北京化工建材廠、湖南大乘資氮集團公司、上海華明高科集團公司等幾家企業(yè)生產(chǎn)超細鈣年總產(chǎn)量在 3 萬 t 左右。 目前我國市場普通輕質碳酸鈣的價格為 500 一 650 元/t，活性輕質碳酸鈣價格為 800一 1200 元/t ，油墨用超細輕質碳酸鈣價格為 1800 一 2000 元/t， 輕質碳酸鈣的價格比同一細度的重質碳酸鈣高一倍以上 。1.4.2 應用領域近年我國對納米級超細活性碳酸鈣的需求量預計每年以 15% 的增長率增長。我國橡膠 、塑料 、油墨、特殊紙制品、轎車漆及橡膠等主要行業(yè)對納米碳酸鈣有較大的需求量，到 2005 年預計將增加到 8 萬 t 以上。橡膠行業(yè)是我國輕質碳酸鈣的最大用戶，其用量占輕質碳酸鈣總產(chǎn)量的 40%左右。預計輕質碳酸鈣在橡膠行業(yè)用量的增長率約為 10%。8涂料、建筑等行業(yè)輕質碳酸鈣的用量占其總產(chǎn)量的 30%左右。由于國家一直在大力實施安居工程，建筑業(yè)明年獎有較大幅度增長，預計該行業(yè)消費輕質碳酸鈣將增長 14%左右。國內塑料市場中，輕質碳酸鈣用量占輕質碳酸鈣總產(chǎn)量的 15%左右。碳酸鈣添加在塑料中可增加塑料體積，降低產(chǎn)品成本，提高塑料制品的尺寸穩(wěn)定性硬度和剛性，改善塑料的加工性能。目前在 PVC 制品的生產(chǎn)加工中少量使用輕質碳酸鈣可提高 PVC 制品的拉伸強度。輕質碳酸鈣的品質除由天然碳酸鈣的品位決定外，其緞燒等化學反應條件及分級細度也是十分重要的因素。油墨、牙膏等行業(yè)輕質碳酸鈣的用量占其總量的 10%左右。造紙工業(yè)是國內碳酸鈣最具開發(fā)潛力的應用領域。用輕質碳酸鈣作造紙?zhí)盍?，可提高紙制品白度和蔽光性，可使造紙廠減少紙漿用量 ，大幅降低生產(chǎn)成本目前我國造紙用輕質碳酸鈣用量占輕質碳酸鈣總產(chǎn)量的 5%。 在沿海開發(fā)放地區(qū)，許多新建、擴建的大中型中外造紙企業(yè)己采用中性工藝，隨著這些行業(yè)的發(fā)展，輕質碳酸鈣用量將穩(wěn)定增長，市場前景樂觀。1.5 輕質碳酸鈣的前景與展望綜觀國內輕質碳酸鈣市場，以上海為中心的江蘇、浙江沿海經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，橡膠、塑料 、油墨、造紙加工制品制造業(yè)水平較高，對輕質碳酸鈣的需求較大且質量要求高，主要需求超細碳酸鈣、超微細碳酸鈣、造紙專用碳酸鈣等高附加值碳酸鈣。另外，浙江杭州、寧波、江蘇蘇州、鎮(zhèn)江等地，廣東深圳、東莞等地，塑料加工、玩具生產(chǎn)業(yè)發(fā)達，對輕質碳酸鈣需求較大，主要是普通碳酸鈣和活性碳酸鈣，對橡膠用超細碳酸鈣、油墨用超細碳酸鈣也有一定的需求。近年來，我國每年進口高檔碳酸鈣制品量高達 6 萬 ～10 萬 t，市場潛力巨大。美國市場中粗碳酸鈣價格為 70～135 美元/t，微細碳酸鈣價格為 15～275 美元/t, 超細碳酸鈣價格為 275～485 美元 /t。日本市場超細輕質碳酸鈣價格為 434美元/t 。不同行業(yè)對碳酸鈣產(chǎn)品的要求不同，因此碳酸鈣產(chǎn)品必將朝系列化、精細高檔化的方向發(fā)展。近年來，英國、西班牙、日本等國的碳酸鈣生產(chǎn)商紛紛看好我國市場，在廣東、江蘇、 安徽、浙江等省相繼建起一些年產(chǎn) 2 萬～5 萬 t9超細碳酸鈣規(guī)模的獨資或合資企產(chǎn)， 目前英國瓷土公司已在安徽建設了 2 萬t/a 的造紙用超細碳酸鈣生產(chǎn)廠，并準備在寧波再建 1 套 5 萬 t/a 的生產(chǎn)裝置。瑞士的有關公司也派專家來我國考察碳酸鈣原料礦的情況，探討與我國合作的可能性。我國碳酸鈣對國外公司吸引由此可見一斑，同時也顯示了超細碳酸鈣在我國有著廣闊的發(fā)展前景。2 原料、輔料產(chǎn)品的主要技術規(guī)格2.1 原料的要求：石灰石:沉淀（輕質）碳酸鈣產(chǎn)品的質量很大程度上取決于原料石灰石的質量。石灰石所含的雜質主要是硅、鎂、鐵、鋁等的氧化物或碳酸鹽。生產(chǎn)上對原料石灰石質量的要求為：表 2：石灰石質量的要求CaO≥54% MgO≤0.7%CaCO3≥96.4% MgCO3≤1.46%SiO2≤1.5% Fe2O3+Al2O3≤0.4%Mn≤0.0045% P+S 微量煅燒石灰石的燃料:在沉淀（輕質）碳酸鈣生產(chǎn)中，煅燒石灰石的燃料，我國是以固體燃料為主，基于設備和工藝要求，多使用焦炭和無煙煤。而現(xiàn)代化的直窯和回轉窯，則主要使用液體燃料和氣體燃料。機械化立窯所用燃料多為焦炭，而一般直窯煅燒石灰石較普遍使用的燃料則是無煙煤。立窯煅燒石灰石用無煙煤應符合下列條件：發(fā)熱量≥6500kcal/kg(27214.2kJ/kg) ；固定炭≥60%； 灰分≤12% 。 無煙煤與焦炭相比，機械強度差，易碎成小塊或粉末，故作為立窯燃料用的無煙煤應以塊狀為佳，塊度控制在 3-7cm(按立方體邊長計 )范圍內。102.2 輔料的要求：工藝用水制造沉淀（輕質）碳酸鈣的工藝用水，可來源于自來水、深井水、泉水、喝水、湖水等，但都必須符合下列條件：懸浮物 ≤20mg/L透明度 ≥30cm鹽酸不溶物 ≤10mg/L氧化鐵 ≤10mg/L氧化鎂 ≤100mg/L錳 ≤0.5mg/LpH 值 5.8~6沉淀（輕質）碳酸鈣生產(chǎn)中，水質的優(yōu)劣與成品有直接的關系。因石灰乳為強堿性，在石灰懸浮液中，大多數(shù)可溶性的金屬離子及懸浮物，均將沉降進入固相，除鈣離子外，在產(chǎn)品中均屬有害成分。如懸浮物中的泥砂，將增大鹽酸不溶物指標，并影響產(chǎn)品白度；氧化鐵的存在，白度也不好，使絕緣橡膠制品降低電絕緣性能；錳元素的存在，影響橡膠制品加工工藝，出現(xiàn)早期硫化；氧化鎂的存在，不僅使產(chǎn)品的純度降低，而且生產(chǎn)中，使固液分離、篩分等操作困難。因此，沉淀（輕質）碳酸鈣制造中，工藝用水的水質量是十分重要的因素。3 消化池的設計3.1 石灰消化的機理白灰是乳白色的，多微孔物，化學名稱為氧化鈣（CaO）,分子量 56，石灰與水作用的過程稱為石灰的消化，其反應式為：kJ/mol6.15Ca(OH)a22???反應物石灰為固相水為液相，故石灰的消化過程屬多相反應。除受溫度、濃度等因素的影響外，還與反應時相界面的狀態(tài)有關。即其反應速度與固體的表面狀態(tài)（晶體結構、表面積的大小、表面緊密或多孔等） ，已經(jīng)界面擴散過程11密切相關。在石灰消化過程中，水分子與石灰顆粒接觸并由其表面滲透進入微孔，此時在石灰與水界面上發(fā)生化學反應，氧化鈣水合生成氫氧化鈣，其反應按下述步驟進行：1）固相表面吸水；2）中間產(chǎn)物 的生成；O2HCa?3）轉化反應 。QOHa()2??由于反應熱的放出,水急劇升溫而汽化,變?yōu)檎羝麜r體積膨脹,將 CaO 粒塊崩裂而分散于水相中。此時，由于溫度升高及水汽化的快，CaO 表面水相移向界面，以及 離開界面的擴散過程連續(xù)發(fā)生，在穩(wěn)定的溫度條件下，CaO2Ca(OH)消化作用劇烈進行，直至全過程完成。3.2 消化的影響因素3.2.1 石灰的質量石灰消化成石灰乳的過程中，石灰乳的質量很打程度上取決于石灰的質量及消化過程的條件，如消化水量、消化溫度、攪拌強度等。表 3 種煅燒度石灰的消化情況比較石灰種類煅燒溫度/ C0外觀 水化條件 水化現(xiàn)象 石灰乳產(chǎn)率/ml·（g CaO)石灰乳性狀樣量/g水量/m水溫/ C012生燒800 外白色，內灰色20 100 80 反應時間短，升溫至 53C02.32 粒度細，乳液稀過燒1200 灰黃色，斷面致密20 100 80 反應緩慢，無劇烈升溫2.66 粒度粗，成砂狀，無附著力輕燒950 白色，斷面多微孔20 100 80 反應劇烈，沸騰，溫升至 99 C04.59 粒度細，成膏狀，附著力強石灰的煅燒程度不同有輕燒、中燒、過燒 3 種情況，3 種煅燒度石灰的消化情況比較如上表?？煽闯鲚p燒石灰晶體小，比表面積大，氣孔率高，體積密度小，反應性強，即常稱“活性石灰 ”。石灰的活性度取決于煅燒的溫度和時間。石灰的煅燒溫度在 950—1000 最佳，若超過，則石灰的消化速度將隨石灰煅燒溫度的提高而C0降低。有關試驗結果表明，950 條件下煅燒石灰，其每克產(chǎn)出之石灰乳體積為01200 煅燒石灰所產(chǎn)石灰乳體積的 1.73 倍。0石灰石煅燒時，物理結構發(fā)生變化，其結果單元的形狀，由 的斜方3CaO六面變?yōu)?CaO 的立方體，新的結構單元比舊的重點多。輕燒的石灰，有極細的微孔。而過燒的石灰，由于 CaO 結構單元互相結合，空隙被填充，體積縮小到約為原有的 60％，密實度加大，結構單元的空間，局部或全部減少甚至消失，使得消化時水分子進入石灰顆粒內部困難，影響石灰消化的速度和石灰乳的質量。因此，在 950—1000 溫度下，煅燒石灰石制得到石灰，具有較高的活性，C0消化速度快，產(chǎn)出的石灰乳物性良好，并易于精制。故可知，輕燒石灰經(jīng)消化得到的石灰的煅燒度應為輕燒。由于石灰石含鐵、硅、鋁、鎂等雜質，將影響水同石灰的消化過程。其中，氧化鐵、氧化鋁、氧化硅等，在煅燒時同氧化鈣發(fā)生反應生成較易熔融的化合物，而使石灰顆粒的氣孔率降低。氧化鈣和氧化硅在高溫下能生成一系列的硅13酸鈣化合物，其反應在 800 即開始。氧化鎂的存在，對硅酸鈣的生成起加速C0作用。當石灰中硅酸鈣、鋁酸鈣和亞鐵酸鈣的含量高時，會使石灰的活性降低，影響石灰消化的速度和質量，使石灰乳中氫氧化鈣粒粗切質量差。石灰中硅酸鈣的存在，具有顯著的水硬性，使氫氧化鈣粒子分散性降低；而氧化鎂的存在將使水化程度緩慢。3.2.2 灰水比純 中含 75.7％CaO 和 24.3％ ,故 CaO 消化的理論用水量為其2Ca(OH) OH2重量的 32.1％。在濕法消化過程中，加入理論量 10 倍的水，可制得石灰膏，在輕質碳酸鈣制造過程中，為了制取石灰乳（氫氧化鈣在水中的懸浮液） ，則需加入約為理論量 15 倍的水，即：: ＝1:4 ～5( 重量比)CaOH2水量不足會使石灰消化不完全，水量過多則將引起消化體系中溫度的下降，出現(xiàn)石灰消化速度緩慢、灰乳粒子粗、分散不良、性質低劣等現(xiàn)象。研究指出，將石灰用理論水量消化成熟石灰和用超理論水量消化成石灰乳，所生成粒子的平均粒徑有顯著的區(qū)別。熟石灰粒子的平均直徑為 6 m,比表面2Ca(OH) μ積為 4.000 ；而石灰乳的粒子平均直徑為 1 m，比表面積為 20.000/gcm2 μ。比表面積后者是前者的 5 倍。/c23.2.3 溫度無論是石灰的溫度還是消化用水的溫度，都會影響消化作用的速度，溫度越高，則速度越快。G·弗蘭克求出在液相中消化石灰時，其速度常數(shù)與溫度的關系式為：=TKΔT01.35?—溫度 T 時的速度常數(shù)；—溫度 時的速度常數(shù)；00當 值大時，則消化作用的速度常數(shù) 值也越大T?TK石灰消化屬放熱反應，基于前述石灰消化機理，溫度為影響過程的重要因素，而 在水中的溶解度具有隨溫度升高而減小的特點。如無穩(wěn)定的溫2Ca(OH)度條件，溫度較低時，界面化學反應及擴散作用均緩慢；雖然氫氧化鈣的溶解14度增大，但未消化的氧化鈣表面處于氫氧化鈣的包圍，使石灰粒子內部的 CaO水合消化作用受到抑制，停止與水接觸而延緩了消化過程。為保證消化作用的繼續(xù)進行，所以穩(wěn)定的溫度條件十分重要.理想的石灰消化溫度，是保證水蒸汽的溫度 100 ，所以應將消化用水預C0熱到一定的溫度。3.2.4 石灰的粒度比表面積的大小，對石灰的消化速度有很大的影響。在其它條件相同時，其塊度越小消化過程越快、越完全。因此，將石灰預先粉碎能加速消化過程。在消化過燒的石灰時，預先粉碎會得到特別良好的效果。粉碎的石灰較未粉碎的石灰消化時間縮短 30～40﹪，這是因為反應過程中，粒度小弟石灰較石灰粒度打的石灰表面積增大之故。所以，對于提高石灰乳質量及消化設備生產(chǎn)效率來說，將石灰粉碎與采用熱水消化同樣重要。石灰乳的精制，是利用氫氧化鈣粒子與雜質相對密度之不同，或兩者大小的不同使其分離。石灰乳懸浮液濃度越低及溫度越高時，則粘度越低，越容易精制。4 設備選型4.1 消化池材料的選擇選擇材料的一般要求：1）材料品種應符合我國資源和供應情況；2）材質可靠，能保證使用壽命；3)要有足夠的強度，良好的塑性和韌性，對腐蝕性介質能耐腐蝕；4）便于制造和加工，焊接性能好；5）經(jīng)濟上合算。溶液對鋼材的腐蝕性不大，且水溫取 60℃時，消化完成時水溫不2Ca(OH)超過 100℃，故不考慮水蒸氣的揮發(fā)。整個反應的壓力不太大，取 P=0.2MPa，屬于低壓容器范圍（0.1≤P≤1.6MPa） ，T ＜350℃，我們選擇一般的碳素鋼 Q235-B 即可。154.2 消化池的選型4.2.1 攪拌容器攪拌容器被稱作攪拌釜或攪拌槽，通常為立式圓筒形攪拌機頂插式中心安裝，其作用式為物料攪拌提供合適的空間。反應器按設備結構形式分為攪拌式釜（槽）式，管式，固定床，流化床等反應容器。本設計是固液混合攪拌，屬于多相反應，可以間接操作，也可連續(xù)操作，故我們選擇機械攪拌反應器。機械攪拌反應器靈活性大，可控范圍大，結束后出料容易。攪拌容器包括筒體，換熱元件及內構件。攪拌容器基本是圓筒，封閉頭常采用橢圓形封頭，錐形封頭和平蓋，以橢圓形封頭應用最為廣泛。本設計采用平蓋。攪拌容器的安裝方式有立式安裝和臥式安裝兩種，一般最常用的是立式安裝。立式釜在常壓下操作時，為降低釜底的制造成本，一般可采用平底釜結構，當物料對環(huán)境沒有污染且被攪拌物料對空氣中塵埃的落入并不敏感時，釜體上部又可設計成敞口式；當攪拌物料中含有較大顆粒的於漿時，為便于固體粒子出粒，下封頭常采用錐殼。當攪拌釜臥式放置時，大多進行半釜操作，因此臥式與立式釜相比有更多的氣—液接觸面積，因而臥式釜常用于氣—液傳質過程，如氣—液吸收或高粘度液體中脫除少量易揮發(fā)物質；另一方面，臥式釜的料層較淺，有利于攪拌器將粉末攪動，并殼攪拌器的高速回轉使粉體拋揚起來，使粉體在瞬間失重狀態(tài)下進行混合。4.2.2 攪拌器的選擇攪拌器又稱攪拌槳或攪拌葉輪，是攪拌反應的最關鍵部分，其功能是提供過程所需的能量和適宜的流動狀態(tài)。攪拌器按結構可以分為平葉，折葉（槳式，渦旋式，框式盒矛式的槳葉都有平葉赫折葉兩種結構）和螺旋面葉（推進式，螺桿式盒螺帶式槳葉為螺旋面葉） 。攪拌器選型一般考慮三個方面：攪拌目的、物料黏度和攪拌容積的大小。槳式攪拌器是攪拌器中結構最簡單的一種攪拌器，主要用于流體的循環(huán)，應用于：液—液系中用于防止分離，使攪拌容器的溫度均一，固—液系中多用于防止固體沉降；推進式攪拌器（又稱船用攪拌器） ，常用于低粘度流體，流量大的場合，利用較小的攪拌功率，通過高速轉動的槳葉能獲得較好的攪拌效果；16渦輪式攪拌器（又稱透平式葉輪） ，是應用較廣的 一種攪拌器，能有效的完成幾乎所有的攪拌操作，并能處理粘度范圍很廣的流體。根據(jù)本設計的工藝流程及要求，我們選用中心攪拌機，為了使 CaO 和充分反應，我們選擇儲罐最常用的是三葉螺旋槳推進式攪拌器。這種攪拌OH2器廣泛應用于化工、石油、輕工部門。主要作用是池內的液體混合均勻、溫度均勻、促進稀釋、溶解、分散、強化傳熱。5. 消化池的工藝計算5．1 消化工序物料衡算5.1.1 計算基準1）裝置生產(chǎn)規(guī)模是 8000t/a,實際生產(chǎn)時間按 300d/a,則日平均產(chǎn)量為26.6667t，產(chǎn)品中的 含量為 95﹪。3CaO2)產(chǎn)品各工序效率干燥、粉碎、分級、包裝總收率越 98﹪壓濾及送料系統(tǒng)收率約 97﹪碳化及活化系統(tǒng)收率約 97﹪消化系統(tǒng)收率約 96﹪5.1.2 物料衡算1）消化石灰進料量 依據(jù)以上條件可計算出石灰進料量 為1M＝ ＝667.78kg/h1M2498%79610562.3??2)消化進水量 2＝75.7％ ＝ 24.3％2Ca(OH)m2Ca(OH)m理論用水量為其質量的 ＝32.10%%7.534實際用水量為理論的 15 倍，即 32.10%×15：100=4.815：117則 ＝ 4.815 =4.815×667.78=3215.36 kg/h2M13)粗漿總量 3＝ ＋ ＝667.78× ＋3215.36＝882.42＋3215.365674125674＝4097.78 kg/h5.2 消化池設備的尺寸計算計算基準：CaO 的質量：667.78kg/h 的質量：3215.36kg/hOH2粗漿總量：4097.78kg/h 濃度是 20%時 的密度：1.1325× kg/2Ca(O)310m＝ ＝3.27 /hH2V98.356＝ ＝0.21 /hCaO310.7?3＝ ＝3．62 /h2a(H).543m5.2.1 消化池實際體積的計算決定儲罐類儀器實際體積應考慮裝料系數(shù) ，裝料系數(shù)是防止物料溢出η的安全系數(shù)，所以 與不同物料和不同操作情況有關，通常 可取 0.6～0.8,對η于沸騰操作或易發(fā)泡的反應設備 =0.6～0.7，如果物料反應平穩(wěn)， 可取ηη0.8～0.85（物料黏度大可取大值） ，因此，罐體的體積與實際操作容積有如下關系: ηV0?在實際工作中要根據(jù)物料的性質，反應時的狀態(tài)和生成物的特點，合理的選取物料系數(shù)，以盡量提高槽體的利用率。此設計中我們選取裝料系數(shù)=0.8，則槽體的體積是 :η hm4.52083.6V30??溶液的體積按一天計算 V＝4.525×24＝108.6 /a2Ca(OH) 3一天要完成的 V=108.6 的生產(chǎn)任務，每天分二批完成。將其分成 7 個同3m18樣型號、大小的容器來完成。則每個容器的體積dm7.61408.V3?5.2.2 消化池經(jīng)濟尺寸的選取表 4 幾種攪拌設備筒體的高徑比種類 一般攪拌罐 聚合釜 發(fā)酵罐類管內物料類型高徑比液固相 氣液相液液相1～ 1.3 1～2懸浮液、乳化液2.08～3.85發(fā)酵液1.7～2.5一般我們選取高徑比 1～2，從材料和費用角度考慮，經(jīng)濟尺寸取 H/D=1.25最合適。儲槽高度和內徑的計算公式如下：＝ ＝VHD4π2i )(i3i＝ ＝ ＝ 1.99mi?3iπ31.576?圓整公稱直徑為 2000mmH=1.25×2000=2500mm 5.2.3 消化池壁厚的計算選用的材料是 Q235-B，已知 D=2m P=0.2Mpa 在小于 150℃范圍內的許用應力 ＝ 113Mpa，焊接采用雙面焊 100％無損探傷檢查，焊接接頭系數(shù)??t?＝ 1.00，負偏差 ＝0mm(壁厚小于 3.5mm)，腐蝕欲量 ＝1mmφ1C2C＝ +C＝ =2.77mmdδ??Pσ2Dti?1a0.2320.???圓整公稱壁厚為 3mm5.2.4 壓力試驗，應力校核容器制成以后（或檢修后投入生產(chǎn)之前） ，必須做壓力試驗，其目的在于檢驗容器是宏觀強度和有無滲漏現(xiàn)象，即考慮容器的密封性，以確保設備的安全運行19液壓試驗 ＝TP??tσ1.25—試驗壓力，Mpa P—設計壓力， MpaTP—容器元件材料在試驗溫度下的許用應力，Mpa??σ—容器元件材料在設計溫度下的許用應力，Mpat/ ——當溫度小于 200℃時， / ≈1t ??σt=1.25×0.2=0.25 MpaTP應力校核 在試驗之前，應對試驗壓力下產(chǎn)生的圓筒應力進行校核，即容器壁內產(chǎn)生的最大應力不超過所有材料在試驗溫度上的屈服極限的 90%(液壓試驗)，即= ( + )≤0.9Tσe2δPiDesφδQ235-B 材料的 =235 Mpa，故 0.9×1×235=211.5 Mpas?= - - =3-0-1=2mmed1C2—圓筒壁在試驗壓力下的計算應力，MpaTσ—試驗壓力，MpaP—圓筒的有效壁厚，mmeδ—圓筒材料在試驗溫度 T 的屈服點，Mpas—圓筒的焊接接頭系數(shù)φ=0.25/4*(2000+2)=125.125＜211.5 MpaTσ故滿足水試壓要求。6 設計結果本設計用選用碳素鋼 Q-235B, 攪拌容器采用立式安裝，平底釜結構，一天要完成體積是 108.6 的任務，需要設計如下的設備 14 個來完成任務，設備設3m計的工藝參數(shù)如下：1. 根據(jù)本設計的工藝流程及要求，我們選用中心攪拌機，為了使 CaO和 充分反應，我們選擇儲罐最常用的船用三葉螺旋槳推進式攪拌器OH2202. 取 P=0.2MPa，屬于低壓容器范圍（0.1≤P≤1.6MPa ） ，3. T＜350℃ 水溫取 60℃4. 取在消化釜中的反應時間為 6 小時5. 消化池的材料一般選擇的碳素鋼 Q235-B6. 灰水比 : ＝1:4～5(重量比)CaOH27. 消化池體積 V=7.76 3m8. 直徑 D=2000mm 9. 壁厚 =3mm dδ10.高度 H=2500mm參考文獻[1] 房鼎業(yè)，黃仲九．化學工藝學[M]. 高等教育出版社， 2001.183-199.[2] 匡國柱，史啟才.化工單元過程及設備課程設計[M]. 化學工業(yè)出版社， 2001. 51-185.[3] 全國化工化學工程設計技術中心站.化工單元操作設計手冊 [M].化學工業(yè)出版社，2001. 85-100.[4] 馬沛生.石油化工基礎數(shù)據(jù)手冊[M]. 化學工業(yè)出版社， 1998. 100-120.[5] 汪家鼎.化學工程手冊[M]. 化學工業(yè)出版社，2001. 58-205.[6] 蔣維鈞，余立新.化工原理化工分離過程[M]. 清華大學出版社， 1999.365—378[7] 董大勤.化工設備機械基礎[M]. 化學工業(yè)出版社，2004.136-196.[8] 趙國方.化工工藝設計概論[M]. 化學工業(yè)出版社，2003.154-203.[9] 中國石化集團上海工程有限公司.化工工藝設計手冊[M].化學工業(yè)出版社，2002.68-230.[10] 周有英.無機鹽工藝學[M]. 化學工業(yè)出版社，1995，146-18021結束語本文主要介紹了生產(chǎn) 8000 噸輕質碳酸鈣工藝設計過程中消化池的設計。在設計過程中，重溫了物理化學、化工原理、化工設備機械基礎及化工制圖的一些知識，也學會了如何用捷徑的方法查找所需的資料。由于所設計的產(chǎn)品工藝中許多相關中間產(chǎn)物的物性參數(shù)欠缺，很多數(shù)據(jù)是根據(jù)經(jīng)驗公式和其他相似物質的參數(shù)及相關工業(yè)設計的經(jīng)驗數(shù)據(jù)計算所得，所以難免會有很多誤差。此外，由于自身知識有限和經(jīng)驗不足，雖然完成了此設計任務，但還有許多不成熟之處，所以，在以后的設計中還需繼續(xù)努力。22謝 辭在這里首先要感謝我的導師 XX 老師。XX 老師平日里工作繁多，但在我做畢業(yè)設計的每個階段，從查閱資料到設計草案的確定和修改，中期檢查，后期詳細設計，裝配草圖等整個過程中都給予了我悉心的指導。我的設計較為復雜煩瑣，但是 XX 老師仍然細心地糾正圖紙中的錯誤。除了敬佩 XX 老師的專業(yè)水平外，他的治學嚴謹和科學研究的精神也是我永遠學習的榜樣，并將積極影響我今后的學習和工作。 其次要感謝和我一起作畢業(yè)設計的同學，他們在本次設計中勤奮工作，克服了許多困難來完成此次畢業(yè)設計。如果沒有他們的努力工作，此次設計的完成將變得非常困難。然后還要感謝大學四年來所有的老師，為我們打下化學工程與工藝專業(yè)知識的基礎；同時還要感謝所有的同學們，正是因為有了你們的支持和鼓勵。此次畢業(yè)設計才會順利完成。 最后感謝 XX 及 XX 四年來對我的大力栽培。