碳化塔結構對碳酸鈣晶體質量影響分析

（新疆至臻化工工程研究中心有限公司，新疆石河子市，832000） 高 凱

碳化塔控制設備是化工行業的核心設備，而碳化反應制碳酸鈣又是生產工序中非常重要的環節，在碳化反應的過程中，同時在氣、液、固三種狀態下，涉及能量轉換、化學反應、溶質擴散、過飽和溶液結晶，包含多種化學和物理反應過程，同環境下共存并發生反應，因此想要實現碳化過程的生產工藝改進和工藝流程控制等措施難度較大。

根據碳化塔設備結構，分析其對碳酸鈣質量的影響，并對碳化塔結構提出改進措施，進而分析改進后的碳化塔結構對碳酸鈣質量的影響和變化，以通過其結構來控制碳化反應過程中的反應要素，達到改變碳酸鈣晶體形成過程的目的，本文圍繞碳化塔的結構，為制備各種品質的碳酸鈣所配置的碳化塔結構進行綜合分析。

1 鼓泡碳化塔結構對碳酸鈣質量的影響

鼓泡碳化塔是圓柱形反應釜，柱體高徑比偏大，主要由傘狀鼓泡裝置、五角星形氣孔、二氧化碳管線、碳化塔主體等組成，如圖1。碳化反應時二氧化碳氣體從碳化塔塔底部進入，二氧化碳由下至上傳輸，與塔內氫氧化鈣溶液產生碳化反應，但因沒有攪拌等裝置，氣液接觸效果差，工藝條件不好把控，導致碳酸鈣晶體的粒度不均勻，粒度分布寬，碳化比表面積不穩定，碳化反應過程中易產生包裹現象，碳化反應不完全，生成的碳酸鈣粒徑和形貌參差不齊，且每塔碳化的碳酸鈣質量差別比較大，適用于制備質量要求不高的微米輕質碳酸鈣，廣東省龍門縣精細碳酸鈣廠在早期的碳酸鈣生產中就采用此碳化塔。

圖1 鼓泡碳化塔結構圖

對此碳化塔結構進行改進，在鼓泡碳化塔內加設的傘狀鼓泡裝置，在傘狀鼓泡裝置上分布些均勻的星行孔，傘面底邊周圈為連續鋸齒狀裝置，星形孔和傘面底邊周圈的聯系鋸齒將二氧化碳氣體進行分散，將二氧化碳氣體氣泡體積變小，提高二氧化碳利用率，減少了碳化時間，二氧化碳與碳化塔內氫氧化鈣乳液充分接觸并進行反應，生成較上述輕質碳酸鈣粒度更加微小的輕質碳酸鈣，增加升了產品微細顆粒數量，可以提高輕質碳酸鈣品質。

2 間歇式攪拌碳化塔結構對碳酸鈣質量的影響

間歇式攪拌碳化塔是基于鼓泡碳化塔基礎，在其結構上加設了攪拌器而改造的，是對鼓泡碳化塔的改良，結構上主要增加了攪拌器、傳動軸等，如圖2。也是目前國內大多數納米碳酸鈣廠家應用的碳化設備結構，在碳化反應過程中，二氧化碳氣體從塔底進入，與從塔頂進入的氫氧化鈣溶液在高速攪拌器的作用下進行混合、反應，使氣相、液相進行了充分接觸，大大提升了溶液中晶體顆粒的互相碰撞的幾率，而部分吸附不牢固的碳酸鈣晶體，因重復碰撞而分散，此碳化反應的生成物難以形成大顆粒的晶體，有助于生成超細碳酸鈣粒子，攪拌裝置在攪拌的過程中增加了二氧化碳氣體在碳化塔內的分散，液相中的氣泡體積逐步減小，二氧化碳氣體與氫氧化鈣浮液接觸面積增加，碳化反應徹底，碳酸鈣粒徑分布窄。采用此攪拌碳化法的廠家有山西蘭花華明納米材料股份有限公司和上海卓越納米新材料股份有限公司等。

圖2 間歇式攪拌碳化塔結構圖

在制備碳酸鈣的過程中，碳化反應是放熱反應，而碳酸鈣的細度對溫度的穩定性要求較高，所以需要控制碳化溫度，通過大量試驗得出溫度控制在20℃左右較好，有利于形成的碳酸鈣晶體粒度達到納米級,因此對此碳化塔結構進行改進，在碳化塔塔壁上周圍加設冷卻夾層，夾層內裝有冷卻液，恒溫冷卻液會降低塔內溶液溫度，進而使二氧化碳氣體溶解度增加，逐步提升了晶體的成核速率，晶體不易團聚、不易生成的過大，確保了碳化鈣晶粒的細化，進一步提高了納米碳酸鈣的產品等級，經此改造的碳化塔制得的納米碳酸鈣晶體質量較好。

3 噴霧碳化塔結構對碳酸鈣質量的影響

噴霧碳化塔優于間歇式攪拌碳化塔的結構形式，其加設進料口霧化器、漿料噴頭、和二氧化碳噴頭，液相與氣相在進入塔后都以霧化的形式存在，充分增加了液相與氣相的接觸面積，在碳化塔底部加裝漿液過濾器、出渣口等措施，如圖3。碳化反應過程中從進漿口至霧化器霧化的氫氧化鈣溶液和從二氧化碳管線至二氧化碳噴頭分散后二氧化碳氣體兩者進行充分混合，氫氧化鈣溶液以霧狀噴出，在溶液整個運動過程中，始終可以保持和二氧化碳充分接觸，保證了氣液的混合時間，強化了碳化的反應過程，增加了液相和氣相接觸反應的速度，并用攪拌和噴霧混合兩種方式進一步增大了碳化塔內溶液和二氧化碳氣體的接觸面積，促進二氧化碳氣體能被充分吸收，二氧化碳氣體和氫氧化鈣溶液的碳化反應會更加充分，碳酸鈣的質量得到了保障。湖南大乘資氮集團有限公司曾用此碳化塔制備碳酸鈣。

圖3 噴霧碳化塔結構圖

對此碳化塔結構進行改進，在碳化塔底部加漿液裝過濾器，塔內溶液碳化完畢后經過底部過濾器排出出料口進入下個工序，而塔內的雜質和結塊則被過濾器擋住，并隨出渣口排出，此過濾裝置有利于提升碳酸鈣晶體質量，除了此碳化塔碳化反應劇烈、高效外，且可及時清除碳化塔內雜物和結塊，使碳酸碳晶體質量得到了良好的保障，得到碳酸鈣粒徑分布在30～60nm 的范圍內，可制得高品質納米碳酸鈣。

4 超重力碳化裝置結構對碳酸鈣質量的影響

超重力碳化裝置是由二氧化碳氣體鋼瓶、氣體流量計、旋轉填充床、循環料液釜、酸度計、料液進口、恒溫水浴器組成，如圖4。

圖4 超重力碳化裝置結構圖

二氧化碳氣體通過閥門和氣體流量計進入旋轉填充床，旋轉填充床在高速度下進行旋轉，并且獲得超重力加速度，即在進行超重力旋轉運動，在此動力作用下，氫氧化鈣溶液進入旋轉填充床后，在高速運動、分散和強混合及接觸面急速變換的情況下，巨大的作用力將氫氧化鈣溶液分裂成粒度為納米級的滴、絲和膜，并和進入旋轉填充床的二氧化碳氣體以極大的相對速度在生產系統裝置內逆向接觸，以最大的能力完成了氣相、液相充分的接觸面積，最大限度的提升了碳化反應的速度，相間傳質離心速度可提高2～3個數量級，使微觀混合效果得到最大限度的提升，為碳酸鈣的成核提供了快速、均勻的微觀環境，用此方法生成的碳酸鈣粒徑分布均勻，碳酸鈣質量穩定可靠，其質量指標已達到國際先進水平。此超重力碳化裝置碳化法是由工業化實驗得出的結論，山西芮城華新納米材料有限公司已投產進行制備納米碳酸鈣。

5 結論

本文從碳化塔的結構出發，對不同結構的碳化塔的碳化反應產物碳酸鈣晶體的反應過程進行了分析，通過對反應過程的分析得出因碳化塔結構的不同，造成了反應物二氧化碳氣體和氫氧化鈣乳液的體積、流速、接觸面積、接觸速度的不同，這些變量則直接影響了碳酸鈣晶體的質量和品質。對于高質量碳酸鈣的生成，需要選擇結構合理的碳化塔進行碳化反應。