一种利用微孔管制备纳米碳酸钙的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及纳米材料的制备技术领域，尤其涉及一种利用微孔管制备纳米碳酸钙的装置及方法。
【背景技术】
[0002]在纳米碳酸钙的生产工艺中，对产品质量影响关键的工序之一是碳化工艺。碳化是决定碳酸钙晶体形貌和粒径大小的控制工序。目前，我国各种纳米碳酸钙生产技术的工艺流程基本一致，其根本区别在于碳化工艺及其设备不同。根据碳化过程的不同，我国纳米碳酸钙的生产方法大致可分为如下几种:传统的低温间歇式鼓泡化法，连续喷雾碳化法，带搅拌器的反应釜碳化法，超重力反应结晶法等。
[0003]1.低温间歇鼓泡碳化技术
该法具有投资少操作简单、技术含量低、但生产不连续、自动化程度低、二氧化碳利用率不高、塔壁结垢清洗的劳动强度大、单套装置的生产规模少、产品粒度分布宽；不同批次产品的重现性差等特点，该法是国内目前应用最广泛的生产纳米碳酸钙的方法，这也是国产纳米碳酸钙产品质量普遍不如进口产品质量稳定的重要原因。
[0004]2.常温连续喷雾碳化技术
该工艺的喷雾碳化与后续工艺的喷雾干燥合称“双喷工艺”。但由于“双喷工艺”操作技术较复杂、需要较高浓度的碳化气，高浓度氢氧化钙悬浮液喷嘴雾化效果不稳定、喷头易于堵塞等问题难以解决，以及如何提高二氧化碳的利用率，如何克服碳化时黏壁、如何实现在线检测控制碳化率等问题。因此，“双喷工艺”在全国推广应用20年来，在国内应用并不普遍，仅在湖南金信化工有限责任公司还硕果仅存一套生产装置，其产品目前仅为亚微米级的微细碳酸钙。
[0005]3.低温带搅拌器的反应釜碳化技术
但该法仍属于间歇法生产，且设备投资大，操作复杂，单机生产能力少，由于受设备制造技术的限制，反应釜的高径比较少(约为2:1)，其气泡上升过程的距离较短，故二氧化碳的利用率较低。
[0006]4.超重力法快速反应技术
在无需添加晶体生长抑制剂的条件下，该法就能最终得到平均粒径达15-30nm的纳米碳酸钙。该工艺产品平均粒径小、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，由于不需要使用晶体生长抑制剂，使产品纯度明显提高，生产物料成本有所下降，达国际先进水平。其不足之处是:该工艺技术复杂，电能消耗很高，产量较低，属于间歇法生产。二氧化碳利用率较低，清洗过程复杂。因而性价比较低，适用于生产附加值较高产品。
[0007]专利申请号为201210442581.5的专利文件公开了一种氢氧化钙悬浊液通过特殊制造的文丘里管反应器的喷嘴雾化，吸附窑气与雾化氢氧化钙液滴进行碳化反应，但其二氧化碳气体没有经过分布处理，导致二氧化碳气体与氢氧化钙悬浊液混合不充分，从而影响生成的纳米碳酸钙质量，且由于窑气是自动被吸附进去的，窑气的通入量以及流速难以控制，从而导致纳米碳酸钙的生成精度难以控制，生成速率也不甚理想。
【发明内容】
[0008]本发明的目的是针对现有技术中的上述不足，提供一种利用微孔管制备纳米碳酸钙的装置及方法，引入微孔管装置，充分分散二氧化碳气体，使雾化氢氧化钙悬浊液与二氧化碳气体充分混合，且使二氧化碳气体的通入量、流速、气压等条件更加可控，提高纳米碳酸钙的生成速率。
[0009]本发明的目的通过以下技术方案实现。
[0010]一种利用微孔管制备纳米碳酸钙的装置，包括微孔管、进气管和按氢氧化钙悬浊液流向依次设置的储液罐、强力栗、文丘里管、反应管，所述文丘里管由依次连通的入口段、收缩段、喉道、扩散段组成，所述储液罐的出液口与强力栗的进液口相连，所述强力栗的出液口与文丘里管的入口段相连，所述文丘里管的扩散段与反应管的进液口相连，所述反应管的出液口与储液罐的进液口相连，所述微孔管设有通气孔、进气壁和出气壁，所述通气孔连通进气壁与出气壁，所述通气孔用于气体从进气壁穿至出气壁时在微孔管的出气壁形成气体微泡，所述出气壁设置在文丘里管的喉道内，所述微孔管的进气壁与进气管密闭相连。
[0011]本发明的装置通过微孔管将二氧化碳气体分散在微孔管的出气壁，同时由于文丘里原理，氢氧化钙悬浊液在喉道的流速达到最大值，带走出气壁的二氧化碳微泡，形成均匀的气液分散相。一方面，二氧化碳在微孔管的出气壁形成分散的微泡以及在喉道的氢氧化钙悬浊液的比表面积大大地增大，使气液分散相的分散程度大大地增强，同时由于文丘里原理在喉道的氢氧化钙悬浊液的流速得到最大的提升，使气液混合更均匀；另一方面，文丘里管的对氢氧化钙的流速的改变会导致压强的改变，从而使入口段的氢氧化钙悬浊液进入喉道增速减压，对微孔管的气体产生吸附作用，进一步增强二氧化碳气体对微孔管的穿透能力。
[0012]其中，所述微孔管可按如下方式设置:(I)所述微孔管的出气壁为微孔管的外壁，所述微孔管的进气壁为微孔管的内壁;(2)所述微孔管为所述文丘里管的喉道，所述微孔管的出气壁为微孔管的内壁，所述微孔管的进气壁为微孔管的外壁，所述微孔管的进液口与文丘里管的收缩段相连，所述微孔管的出液口与文丘里管的扩散段相连。
[0013]这两种微孔管的设置方式为优选方案，前者结构简单，易于拆卸组装，并且有减小文丘里管的喉道孔径的作用，使氢氧化钙悬浊液得到进一步地提速;后者微孔管的固定程度更高，且高流速的氢氧化钙悬浊液只对微孔管的内壁造成冲击，大大地削弱冲击的损害作用，同时，文丘里管的喉道孔径较大，不易堵塞，从而延长微孔管的使用寿命。
[0014]使用如上所述的装置的一种利用微孔管制备纳米碳酸钙的方法，包括如下步骤:
(1)进液:储液罐的氢氧化钙悬浊液在强力栗的作用下输送到文丘里管的入口段；
(2)混合:将二氧化碳气体通入进气管中，二氧化碳气体穿过微孔管的管壁形成二氧化碳微泡，与高速流过文丘里管的喉道的氢氧化钙悬浊液混合，形成气液混合泡沫；
(3)碳化反应:所述的步骤(2)气液混合泡沫进入反应管进行碳化反应；
(4)气液分离:所述的步骤(3)碳化反应后的混合液体进入储液罐，将未反应的二氧化碳气体排出储液罐外； (5)回流:所述的步骤(4)气液分离后的氢氧化钙悬浊液在强力栗的作用下输送至文丘里管的入口段。
[0015]氢氧化钙悬浊液在强力栗的作用下具有一定的流速，在文丘里管的收缩段进一步提速，在喉道流速达到最大值，并在喉道与微孔管的出气壁形成的二氧化碳微泡充分混合形成高含气率的气液混合泡沫，气液混合泡沫在扩散段增压减速，进入反应管充分反应后，回到储液罐，进入循环流程。本发明的纳米碳酸钙的制备方法可以在较短的时间内完成碳化反应，虽然在化学上单个氢氧化钙(分子)与二氧化碳(分子)碰撞瞬间就可完成化学上的沉淀反应，但是同等的碳酸钙的生成量，本发明的碳化时间仅为工业上传统的鼓泡法工艺的碳化时间的1/3，且本方法制备出的纳米碳酸钙质量优良，纳米碳酸钙粒径是10?100纳米，比表面积是10_30m2/go
[0016]其中，所述的微孔管为粉末冶金烧结材料或多孔非金属材料，如钛粉末烧结多孔介质、不锈钢粉末烧结多孔介质、铜粉末烧结多孔介质、多孔陶瓷材料或多孔塑料等等，所述微孔管的孔径为5-80μηι，管径5_20mm。
[0017]粉末冶金烧结材料或多孔非金属材料为微孔管的优选材料，本发明需在微孔管的出气壁形成直径为10-100μπι的气泡，因此对于微孔管的孔径在5-80μπι为最佳，而管径更是会影响微孔管的出气壁的面积，从而增大或减小孔径会相应的增大或减小气液分散相的含气量，同时管径也会影响微孔管的体积，从而影响在喉道的氢氧化钙悬浊液的比表面积和流速，因而，基于上述因素，发明人经过无数次的实践，得