一种从氨水出发的碱式碳酸锌生产工艺及其专用设备的制作方法

本发明涉及活性氧化锌的生产工艺技术领域，尤其涉及一种从氨水出发的碱式碳酸锌生产工艺及其专用设备。

背景技术：

活性氧化锌最重要的原料即碱式碳酸锌，碱式碳酸锌xznco3•yzn（oh）2•zh2o，主要用做橡胶硫化促进剂，工业上利用锌焙砂（主要成分是zno、sio2，还含有fe2o3、cuo等）生产碱式碳酸锌的工艺流程如说明书附图所示。

由于直接从co2出发得到碱式碳酸锌的反应热力学所需的自由能较高，如下：

zno+2co2+3h2o→zn5(co3)2(oh)6,δg<-3140kj/mol；（1）

故凌远兵等（碱式碳酸锌的制备及其热解性能，凌远兵等，化工冶金，1997年2月，第18卷第1期，63-66.）开发了从nh4hco3出发得到碱式碳酸锌的反应路线，如下：

5znso4+10nh4hco3=zn5（co3）2（oh）6+8co2↑+5（nh4）2so4+2h2o，δg<-167kj/mol；（2）

由此可见，从nh4hco3出发的路线的反应速率更快，同时其产生气态的co2，更有利于反应程度的进行。

可惜的是，近年来，各产家及科研机构只研究从nh4hco3或na2co3等路线出发的碱式碳酸锌生产工艺的热力学分析，没有充分将反应式（2）的优势充分应用到实际生产过程。对此，我们认为此反应式（2）的工艺优势需要进一步开发，但现有技术中尚无人发现。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种从氨水出发的碱式碳酸锌生产工艺及其专用设备。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种从氨水出发的碱式碳酸锌生产工艺，包括以下步骤：

s1、换气装置的布局：在带搅拌桨的反应釜内，添加有硫酸锌粉末及水，使液位达反应釜1/2位置，在反应釜顶部设有抽风管，将反应产生的气体抽走，并在反应釜内顶部补充干燥加热的空气；

s2、碳酸氢铵的制备：在一个气体反应室内，持续通入二氧化碳气体，当气体反应室内压力达到0.5-1.2mpa时，通过喷雾管同时喷洒水雾气和氨气，常温下反应5-10min，得到碳酸氢铵水溶液；

s3，碱式碳酸锌的制备：并使二氧化碳气体通在碳酸氢铵水溶液的液面下，持续反应30min以上，当反应生成的碳酸氢铵水溶液液位超过气体反应室一半以上时，通过溢流管将碳酸氢铵水溶液输入到步骤s1的反应釜中，开启反应釜的搅拌桨及空气加热器，搅拌速度为200-230r/min,使空气的进气温度控制在60-80℃，反应15-30min，并将反应产生的气体抽回到步骤s2的气体反应室内；

s4，碱式碳酸锌的反应控制及检测：在反应釜底端出料口处，检测反应溶液中的各物质浓度，当锌离子浓度低于100g/l时，在顶端持续添加硫酸锌粉末；当反应釜的液位高度低于1/2时，则在顶端持续添加水；当反应釜内液体温度不在40-50℃时，则通过空气加热器升高或降低空气的进气温度，保证液体温度维持在40-50℃；

s5，碱式碳酸锌的收集：当s3的反应超过1h时，从反应釜的底部出料口处排出固液混合物，过滤，滤渣经过清洗，清洗液和之前滤液返回到反应釜内，清洗后的滤渣经过干燥、研磨粉碎，即得成品碱式碳酸锌的粉末，呈白色细微粉状，白度达75%以上。

基于前述的碱式碳酸锌生产工艺，本发明还公开了一种从氨水出发的碱式碳酸锌生产工艺的专用设备，包括液体反应釜和气体反应室，液体反应釜顶部设有电机和主动轴，主动轴伸入液体反应釜内的底端设有搅拌桨，液体反应釜的顶壁还连通有排空管和抽气管，液体反应釜顶壁的下表面垂直连接有分隔板，排空管和抽气管分别位于分隔板两侧位置；液体反应釜的顶壁还设有进料斗，液体反应釜底壁的中心位置设有出料管；

排空管远离液体反应釜一端连接有空气加热器，空气加热器的顶部设有与大气连通的烟囱口，抽气管连接有抽气泵，抽气泵通过管道连接在三通阀的一端，三通阀的另一端通过管道连接有二氧化碳储存罐，三通阀的第三端通过管道连通在气体反应室的底部位置；

气体反应室的顶部设有氨气喷管和水喷雾管，氨气喷管通过管道连通有氨气加压泵，氨气加压泵通过管道连通在氨气储存罐的底部，水喷雾管通过管道连通有水加压泵，水加压泵通过管道连通在水储存罐的底部；

气体反应室侧壁的中部设有溢流管，溢流管连通在液体反应釜的上部位置。

优选地，氨气喷管和水喷雾管均为高压喷雾头，且氨气喷管的出液流体方向与水喷雾管的出液流体方向相互垂直。

优选地，氨气喷管和溢流管内均设有止回阀。

优选地，排空管、抽气管、出料管、溢流管、抽气泵的管道、氨气加压泵的管道以及水加压泵的管道均设有电磁开关阀。

优选地，进料斗设有密封盖。

优选地，出料管的管口处设有离子浓度检测仪，液体反应釜的上部设有压力表，液体反应釜的中部设有温度表，液体反应釜的底部设有液位计。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明是针对现有碱式碳酸锌反应中二氧化碳气体的排解不及和没有回收利用的不足，对现有生产工艺进行改进，具体的是：

1）从氨气出发，将氨气和雾状水同时喷入到加压的二氧化碳气氛中，进行反应，生产较高浓度的碳酸氢铵水溶液，将其作为碱式碳酸锌的反应原料；

2）通过干燥空气对反应进行加热和换气，将回收的二氧化碳（含有一些空气和水蒸气）反馈到碳酸氢铵水溶液的反应室内，从而完成二氧化碳的回收；并且二氧化碳的不断回收，促进碳酸氢铵与硫酸锌的反应速度和反应程度。

2.本发明的生产工艺控制较简单，反应效率和产率较高，反应较完全，且基本无废气排出；所采用的专用设备结构较简单、控制较便利，有助于智能检测和自动化控制，能够适应未来精确生产的科学要求，很值得大幅度推广。

附图说明

图1为本发明提出的一种从氨水出发的碱式碳酸锌生产工艺的专用设备的内部结构示意图；

图2为现有工业上利用锌焙砂生产碱式碳酸锌的工艺流程图；

图中：液体反应釜1、气体反应室2、电机3、主动轴4、搅拌桨5、排空管6、抽气管7、分隔板8、进料斗9、出料管10、空气加热器11、抽气泵12、三通阀13、二氧化碳储存罐14、氨气喷管15、水喷雾管16、氨气加压泵17、氨气储存罐18、水加压泵19、水储存罐20、溢流管21。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

参照图1，一种从氨水出发的碱式碳酸锌生产工艺的专用设备，包括液体反应釜1和气体反应室2，液体反应釜1顶部设有电机3和主动轴4，主动轴4伸入液体反应釜1内的底端设有搅拌桨5，液体反应釜1的顶壁还连通有排空管6和抽气管7，液体反应釜1顶壁的下表面垂直连接有分隔板8，排空管6和抽气管7分别位于分隔板6两侧位置；液体反应釜1的顶壁还设有进料斗9，液体反应釜1底壁的中心位置设有出料管10；排空管6远离液体反应釜1一端连接有空气加热器11，空气加热器11的顶部设有与大气连通的烟囱口，抽气管7连接有抽气泵12，抽气泵12通过管道连接在三通阀13的一端，三通阀13的另一端通过管道连接有二氧化碳储存罐14，三通阀13的第三端通过管道连通在气体反应室2的底部位置；气体反应室2的顶部设有氨气喷管15和水喷雾管16，氨气喷管15通过管道连通有氨气加压泵17，氨气加压泵17通过管道连通在氨气储存罐18的底部，水喷雾管16通过管道连通有水加压泵19，水加压泵19通过管道连通在水储存罐20的底部；气体反应室2侧壁的中部设有溢流管21，溢流管21连通在液体反应釜1的上部位置。

参照图1，氨气喷管15和水喷雾管16均为高压喷雾头，且氨气喷管15的出液流体方向与水喷雾管16的出液流体方向相互垂直。在持续加压的二氧化碳气氛中，喷入气体状态的氨气和雾状的水汽，使氨气迅速吸潮产生氨水液滴，液滴沾取二氧化碳气体，迅速产生碳酸氢铵及部分碳酸氨，得到碳酸氢铵及部分碳酸氨液滴，液滴汇集成溶液，溶液经过二氧化碳鼓泡反应后，将剩余的碳酸氨继续反应生成碳酸氢铵，从而得到浓度较大的碳酸氢铵水溶液，测得ph值为7.8-8.0之间，当生成的碳酸氢铵水溶液达到2/3左右时，开启溢流管21，将碳酸氢铵水溶液输入到液体反应釜1中。

参照图1，氨气喷管15和溢流管21内均设有止回阀，氨气喷管15氨气连带氨水液滴倒吸到氨气储存罐18，造成负压危险；溢流管21则防止液体反应釜1中的气体直接进入气体反应室2中。

参照图1，排空管6、抽气管7、出料管10、溢流管21、抽气泵12的管道、氨气加压泵17的管道以及水加压泵19的管道均设有电磁开关阀。

参照图1，进料斗9设有密封盖，保证液体反应釜1的气体从排空管6进入抽气管7，避免不必要的气体回路。

参照图1，出料管10的管口处设有离子浓度检测仪，液体反应釜1的上部设有压力表，液体反应釜1的中部设有温度表，液体反应釜1的底部设有液位计，用于检测碱式碳酸锌的反应情况。

采用以上设备，能够得到更具体细化的一种从氨水出发的碱式碳酸锌生产工艺，包括以下步骤：

s1、换气装置的布局：旋转2000l的液体反应釜1内，添加硫酸锌粉末100kg及水1000l，关闭各路阀门，开启搅拌速度500-600r/min，搅拌10min以上；

s2、碳酸氢铵的制备：初始阶段，关闭抽气泵12所在管道的阀门，在气体反应室2内，持续通入二氧化碳气体，当气体反应室内压力达到1mpa左右时，通过氨气喷管15及水喷雾管16二者流体呈90°方向对冲，持续加压，维持气体反应室内压力在0.5mpa以上，继续反应，至反应30min以上，当反应生成的碳酸氢铵水溶液液位达到2/3体积位置；在此反应过程中，通过氨气喷管15的阀门控制氨气的流速，从而将气体反应室2内水溶液的ph控制在7.8-8.0之间；

s3，碱式碳酸锌的制备：打开反应釜的搅拌桨及空气加热器，搅拌速度为200-230r/min,使空气的进气温度控制在60-80℃，液体温度维持在40-50℃，打开溢流管21，控制阀门流速，使碳酸氢铵水溶液缓慢流入液体反应釜1内，继续s2内的反应，使溢流管21的流出速度和液体的产生速率基本持平；

打开抽气泵12所在管道的阀门，反应15-30min，并将反应产生的气体通过抽气泵12抽回到气体反应室2的底部；并对碳酸氢铵水溶液进行鼓泡，以促进少量的碳酸铵进一步反应生成碳酸氢铵；

继续反应，当液体反应釜1内液位达到2/3时，关闭溢流管21的阀门，继续搅拌300r/min、40-50℃下反应20min以上，关闭氨气喷管15和水喷雾管16，使抽气泵回收的二氧化碳气体继续对气体反应室2内的水溶液进行鼓泡，待气体反应室2内气压达到1.2mpa以上时，关闭气体反应室2与三通阀13之间管道的阀门，是多余气体储存在二氧化碳储存罐14内。

s4，碱式碳酸锌的反应控制及检测：在液体反应釜1的出料管10中，通过浓度计检测出液体反应釜1内水溶液中锌离子浓度，当浓度不足100g/l，进行补充硫酸锌；当反应釜的液位高度低于1/2时，则在顶端持续添加水；当反应釜内液体温度不在40-50℃时，则通过空气加热器升高或降低空气的进气温度，保证液体温度维持在40-50℃；

s5，碱式碳酸锌的收集：当s3的反应超过1h时，从反应釜的底部出料口处排出固液混合物，过滤，滤渣经过清洗，清洗液和之前滤液返回到反应釜内，清洗后的滤渣经过干燥、研磨粉碎，即得成品碱式碳酸锌的粉末，呈白色细微粉状，白度达75%以上，即为合格产品；

重复s1-s5的反应，共五次反应，s5步骤得到的白色细微粉末的平均质量达15.2kg，纯度检测碱式碳酸锌平均含量为97.5%左右，未反应的反应釜内溶液为硫酸锌浓度为105g/l的水溶液1655l，而气体反应室2内还得到600l（2/3）的碳酸氢铵水溶液，可直接应用于下一锅反应。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。