一种纳米碳酸钙喷射碳化方法及系统与流程

本发明属于纳米碳酸钙制备技术领域，具体涉及一种纳米碳酸钙喷射碳化方法及系统。

背景技术：

纳米碳酸钙的生产流程中碳化工序非常重要。结晶控制技术包括纯粹的工艺控制技术和添加助剂控制技术，日本的纳米碳酸钙生产以工艺控制技术为主，德国等欧洲国家以添加助剂控制技术为主。简单落后的碳化设备，所需要的过程控控制工艺参数很多且严格，稍有波动便影响粒子的形貌及大小。但是在现实生产过程中，有很多工艺条件，例如:石灰窑尾气二氧化碳的含量及流量、天气环境温度的变化等等，都是难以控制的，并且间歇生产，每一塔的质量难以保证重现性，产品质量经常性出现不稳定,严重制约了纳米碳酸钙的应用发展,一种先进的纳米碳酸钙碳化技术显得十分重要了。

目前,国内制备纳米碳酸钙的碳化技术有很多种,包括有传统的间歇鼓泡碳化、鼓泡搅拌碳化,以及新使用的喷雾碳化、超重力碳化等。传统的碳化技术存在着质量难控制、分散性差、间歇生产不连续、无法实现规模化及自动化生产,生产成本高、能耗大等问题。

通过不断的生产实践摸索，发现将喷射碳化技术应用于纳米碳酸钙碳化工序，能有效地控制纳米碳酸钙的粒子晶型稳定。

在一些特殊领域中，对纳米碳酸钙的粒径范围有一定的要求，太小或太大均不符合要求，然而现有的喷射碳化技术在单次喷射碳化的过程中无法使氢氧化碳浆料中的氢氧化碳完全转化为纳米碳酸钙，同时单次喷射碳化形成的晶核的尺寸也无法满足纳米碳酸钙的要求，还需要对氢氧化碳浆料进行循环喷射碳化处理，在多次循环的过程中，容易导致新生成的氢氧化碳浆料晶核与多次循环长大的纳米碳酸钙在尺寸上存在较大差异，从而导致最终得到的纳米碳酸钙粒径分布不均匀，同时多次循环的过程也较为耗时，影响生产效率。

现有一种喷射碳化技术采用连续式碳化工序，即采用多套喷射碳化反应塔，由第一套喷射碳化反应塔反应得到的浆料排入第二套喷射碳化反应塔中继续进行喷射碳化，再导入第三套喷射碳化反应塔，依次循环直至氢氧化碳浆料完全转化为纳米碳酸钙。该种连续式碳化工序虽然提升了尺寸一致性，但一套工艺需设置的设备数量较多，设备成本较高，不利于实际生产使用。

技术实现要素：

针对现有喷射碳化技术存在粒径分布不均、生产效率低以及设备成本高的问题，本发明提供了一种纳米碳酸钙喷射碳化方法及系统。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

一方面，本发明提供了一种纳米碳酸钙喷射碳化方法，包括以下操作步骤：

将氢氧化钙浆料泵入喷射碳化器中，所述喷射碳化器中设置有缩径部，通过氢氧化钙浆料高速通过所述缩径部产生的负压抽吸二氧化碳气体进行混合，吸入的二氧化碳气体对氢氧化钙浆料进行雾化分散，氢氧化钙碳化形成晶核；

通过喷射碳化器形成的气液混合物通过延伸管导入鼓泡罐中，所述延伸管插入至所述鼓泡罐中液面以下，未反应的二氧化碳气体在鼓泡罐中进行鼓泡，晶核长大得到纳米碳酸钙；

得到的气液混合物通过导出管导入缓冲器中进行气液分离，气液分离后的液体重新导入喷射碳化器中进行循环反应。

可选的，当缓冲器中的ph值达到7时，停止循环反应，通过所述缓冲器将浆料排出。

可选的，所述氢氧化钙浆料的制备方法包括：

将石灰石进行煅烧制成氧化钙，通过回转消化机化灰，加水反应得到生浆，生浆通过振动筛，精制去除粗渣后，陈化，调节温度和浓度得到氢氧化钙浆料。

可选的，石灰石烧制过程产生的二氧化碳气体用于喷射碳化器中二氧化碳气体的供应。

可选的，缓冲器中气液分离后的液体经过滤膜筛分后，通过滤膜的浆料再重新导入喷射碳化器进行循环反应。

可选的，所述氢氧化钙浆料的进液温度为25～40℃，所述鼓泡罐中的物料温度为30～65℃。

另一方面，本发明提供了一种纳米碳酸钙喷射碳化系统，包括缓冲器、鼓泡罐、喷射碳化器、延伸管、导出管、进气管和循环管，所述缓冲器顶部设置有出气口，所述循环管连接所述缓冲器的底部和所述喷射碳化器，所述循环管上设置有流量计和喷射泵，所述循环管用于将所述缓冲器中的氢氧化钙浆料泵入所述喷射碳化器中；所述进气管连接所述喷射碳化器，所述进气管用于提供二氧化碳气体；所述延伸管连接于所述喷射碳化器的底部，所述延伸管插入至所述鼓泡罐中液面以下，所述导出管分别连接所述鼓泡罐的顶部和所述缓冲器。

可选的，所述循环管与所述缓冲器连接的位置设置有滤膜。

可选的，所述喷射碳化器包括喷射接头、进气腔、进气接头、缩径部和扩容腔，所述进气腔、所述缩径部和所述扩容腔在竖直方向由上至下依次设置，所述进气腔的内径大于所述缩径部，且所述进气腔的底部逐渐缩径至与所述缩径部的内径相等并连通所述缩径部，所述喷射接头由所述进气腔的顶部穿入所述进气腔，所述喷射接头的底部设有喷口，所述喷口朝向所述缩径部，所述喷射接头连接所述循环管，所述进气接头由水平方向接入所述进气腔，所述扩容腔的顶部与所述缩径部连通，所述扩容腔的内径由上至下逐渐扩大，所述延伸管连接所述扩容腔的底部。

可选的，所述导出管沿切线方向接入所述缓冲器的内腔。

根据本发明提供的纳米碳酸钙喷射碳化系统，设置有喷射碳化器，通过文丘里混合器的原理，使氢氧化钙浆料的高速流动喷射产生负压，进而将二氧化碳吸入混合，吸入的二氧化碳在强大负压和高速射流的共同作用下，将吸入气液混合腔中的二氧化碳气体剪切、粉碎和乳化。强烈的紊流又改变了气液双膜之间的气压梯度和浓度梯度，同时负压和强烈剪切及搅拌促使双膜界面高频振荡，使气泡直径大幅度减小，气泡数目急剧增加，增大了气泡的比表面积、极大降低了传质阻力。由于喷射碳化器对氢氧化钙的充分雾化作用，氢氧化钙浆料在喷射碳化器中以成核过程为主，形成有分散于浆料中的大量密集碳酸钙晶核，将形成晶核的氢氧化钙浆料的气液混合物导入至鼓泡罐中，同时使未反应的二氧化碳在鼓泡罐中进行鼓泡，使形成的碳酸钙晶核进行长大，从而提升了氢氧化钙转化为碳酸钙的效率，减少了氢氧化钙浆料完全转化所需的循环次数，进而保证了纳米碳酸钙的尺寸一致性，减少粒径过大或过小的颗粒占比，提高生产效率。

附图说明

图1是本发明提供的纳米碳酸钙喷射碳化系统的结构示意图；

图2是本发明提供的纳米碳酸钙喷射碳化系统其喷射碳化器的内部结构示意图。

说明书附图中的附图标记如下：

1、缓冲器；11、出气口；2、循环管；21、流量计；22、喷射泵；3、鼓泡罐；4、延伸管；5、喷射碳化器；51、喷射接头；52、进气腔；53、进气接头；54、缩径部；55、扩容腔；6、导出管。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例公开了一种纳米碳酸钙喷射碳化方法，包括以下操作步骤：

将氢氧化钙浆料泵入喷射碳化器中，所述喷射碳化器中设置有缩径部，通过氢氧化钙浆料高速通过所述缩径部产生的负压抽吸二氧化碳气体进行混合，吸入的二氧化碳气体对氢氧化钙浆料进行雾化分散，氢氧化钙碳化形成晶核；

通过喷射碳化器形成的气液混合物通过延伸管导入鼓泡罐中，所述延伸管插入至所述鼓泡罐中液面以下，未反应的二氧化碳气体在鼓泡罐中进行鼓泡，晶核长大得到纳米碳酸钙；

得到的气液混合物通过导出管导入缓冲器中进行气液分离，气液分离后的液体重新导入喷射碳化器中进行循环反应。

所述纳米碳酸钙喷射碳化系统设置有喷射碳化器，通过文丘里混合器的原理，使氢氧化钙浆料的高速流动喷射产生负压，进而将二氧化碳吸入混合，吸入的二氧化碳在强大负压和高速射流的共同作用下，将吸入气液混合腔中的二氧化碳气体剪切、粉碎和乳化。强烈的紊流又改变了气液双膜之间的气压梯度和浓度梯度，同时负压和强烈剪切及搅拌促使双膜界面高频振荡，使气泡直径大幅度减小，气泡数目急剧增加，增大了气泡的比表面积、极大降低了传质阻力。由于喷射碳化器对氢氧化钙的充分雾化作用，氢氧化钙浆料在喷射碳化器中以成核过程为主，形成有分散于浆料中的大量密集碳酸钙晶核，将形成晶核的氢氧化钙浆料的气液混合物导入至鼓泡罐中，同时使未反应的二氧化碳在鼓泡罐中进行鼓泡，使形成的碳酸钙晶核进行长大，从而提升了氢氧化钙转化为碳酸钙的效率，减少了氢氧化钙浆料完全转化所需的循环次数，进而保证了纳米碳酸钙的尺寸一致性，减少粒径过大或过小的颗粒占比，提高生产效率。

在一些实施例中，当缓冲器中的ph值达到7时，停止循环反应，通过所述缓冲器将浆料排出。

氢氧化钙微溶于水，氢氧化钙浆料呈碱性，其ph值大于7，当浆料的ph值达到7，即表明氢氧化钙浆料中的氢氧化钙完全转化为碳酸钙，可结束反应。

在一些实施例中，所述氢氧化钙浆料的制备方法包括：

将石灰石进行煅烧制成氧化钙，通过回转消化机化灰，加水反应得到生浆，生浆通过振动筛，精制去除粗渣后，陈化，调节温度和浓度得到氢氧化钙浆料。

调节好氢氧化钙浆料的浓度和温度后，将氢氧化钙浆料泵入存液塔备用。

在一些实施例中，石灰石烧制过程产生的二氧化碳气体用于喷射碳化器中二氧化碳气体的供应，从而实现反应中间物的充分利用。

含有co2的窑气从煅烧窑的顶部引出，经过重力除尘后送往筛板塔洗涤，气体由塔底通入，塔顶用含cao约0.7％石灰水喷淋，将so2等酸性较强的气体洗去，然后经过泡沫除尘器和装有焦炭的油水分离器，净化的气体进入缓冲罐，经压缩机压缩后送往喷射碳化器。

作为本发明的一种优选实施例，缓冲器中气液分离后的液体经过滤膜筛分后，通过滤膜的浆料再重新导入喷射碳化器进行循环反应。

所述滤膜的目数可根据需要的纳米碳酸钙的目数进行选择，通过将缓冲器中的液体进行滤膜过滤，能够将粒径满足要求的纳米碳酸钙保留在缓冲器中，而粒径较小的纳米碳酸钙、晶核以及未反应的氢氧化钙回流至喷射碳化器和鼓泡罐中进行碳化，从而避免循环反应过程中前期生成的碳酸钙生长过大导致的粒径不均匀的问题。

在一些实施例中，所述氢氧化钙浆料的进液温度为25～40℃，所述鼓泡罐中的物料温度为30～65℃。

氢氧化钙在碳化的过程中会不断释放出热量，由于喷射碳化器中喷射碳化的二氧化碳分压较高，气相扩散推动力较大，二氧化碳传质速率快，提高碳化速度，故喷射碳化器中碳化反应受温度影响较小；温度过高或过低均不利于鼓泡罐中碳酸钙晶核的长大，通过控制氢氧化钙浆料的进液温度可避免其在碳化反应中的温度上升过高，以使鼓泡罐中的温度满足鼓泡罐中碳酸钙晶核的长大的需求。

参见图1和图2所示，本发明的另一实施例提供了一种纳米碳酸钙喷射碳化系统，包括缓冲器1、鼓泡罐3、喷射碳化器5、延伸管4、导出管6、进气管(未图示)和循环管2，所述缓冲器1顶部设置有出气口11，所述循环管2连接所述缓冲器1的底部和所述喷射碳化器5，所述循环管2上设置有流量计21和喷射泵22，所述循环管2用于将所述缓冲器1中的氢氧化钙浆料泵入所述喷射碳化器5中；所述进气管连接所述喷射碳化器5，所述进气管用于提供二氧化碳气体；所述延伸管4连接于所述喷射碳化器5的底部，所述延伸管4插入至所述鼓泡罐3中液面以下，所述导出管6分别连接所述鼓泡罐3的顶部和所述缓冲器1。

在一些实施例中，所述循环管2与所述缓冲器1连接的位置设置有滤膜。

通过所述滤膜对缓冲器1中的纳米碳酸钙进行筛分，将粒径达到尺寸要求的颗粒保留在缓冲器1中，粒径过小的颗粒和未反应的氢氧化钙由循环管2回流至喷射碳化器5和鼓泡罐3中继续碳化，保证尺寸一致性。

在一些实施例中，所述喷射碳化器5包括喷射接头51、进气腔52、进气接头53、缩径部54和扩容腔55，所述进气腔52、所述缩径部54和所述扩容腔55在竖直方向由上至下依次设置，所述进气腔52的内径大于所述缩径部54，且所述进气腔52的底部逐渐缩径至与所述缩径部54的内径相等并连通所述缩径部54，所述喷射接头51由所述进气腔52的顶部穿入所述进气腔52，所述喷射接头51的底部设有喷口，所述喷口朝向所述缩径部54，所述喷射接头51连接所述循环管2，所述进气接头53由水平方向接入所述进气腔52，所述扩容腔55的顶部与所述缩径部54连通，所述扩容腔55的内径由上至下逐渐扩大，所述延伸管4连接所述扩容腔55的底部。

在一些实施例中，所述导出管6沿切线方向接入所述缓冲器1的内腔，有利于将气液混合物沿所述缓冲器1内壁的切线方向导入缓冲器1中，从而使气液混合物在缓冲器1的内壁中做螺旋下降运动，有利于提高气液分离的效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。