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物理化学程序

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processo di produzione della calce 一般意义上的"石灰生产程序"是指将自然界存在的各种相关原材料的加工和熟制。

下面的化学表可以清楚的表示出在自然界不存在如此纯净的物质分离,完全是利用工业手段分离的,这些物质本身都是一些混合物。


碳酸钙 CaCO3
碳酸镁 MgCO3
白云石 CaCO3 MgCO3
水硬性石灰石 CaCO3 MgCO3SiO2 Fe2O3 Al2O3


这些化学成分的混合造成了"存在的"材料的复杂性,具体表现在加工方面以及生产过程中成品的化学和物理特性上。



 

石灰生产程序的化学基础


石灰生产程序和相关产品可以由下面的三组化学反应来表示:

CaCO3 + Kcal CaO + CO2 (+ 760 kcal/kg)
100       56   44  
               
MgCO3 + Kcal MgO + CO2 (+ 723 kcal/kg)
84       40   44  
               
CaCO3 MgCO3 + Kcal CaO MgO + 2CO2 (+ 723 kcal/kg)
184       96   88  

CaO + H2O Ca(OH)2 + Kcal (- 273 kcal/kg)
56.1   18   74.1      
               
CaO MgO + H2O Ca(OH)2 MgO + Kcal  
96.4   18   114.4      
               
CaO MgO + 2H2O Ca(OH)2 Mg(OH)2 + Kcal (- 211 kcal/kg)
96.4   36   132.4      

CaO + H2O Ca(OH)2    
56.1   18   24.1    
             
Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 + H2O
74   44   100   18



 

去除碳酸盐


对自然界存在的三种主要石灰石加工的第一个程序是去除碳酸盐。工业生产上,先是将石灰石在窑内熟制,也就是说从矿内采挖的原材料加上一定的热量使碳酸盐(CaCO3)分解成氧化物(CaO)和碳酸酐(CO2)。
吸热反应所需要的热量是通过燃料燃烧来支持的,需要760千卡/公斤来去除碳酸盐,723千卡/公斤来去除碳酸镁。

processo di produzione della calce
注意:这里所举例子,不含特殊情况,我们所指的碳酸盐和或者石灰氧化物都是举简单的例子,针对上面所说其他材料会有不同的做法,但是反应基本上十分相似。

石灰石的分解有以下五个步骤:
  • 在窑内预热区,由燃料供热到气体分离出去,以及碳酸盐的去除,温度会从环境温度升至到800度。
  • 在温度达到800度的时候,碳酸酐的分离压力相当于窑内其他气体中的二氧化碳的压力。当温度超过去除碳酸盐的温度的时候,石灰石的表面层开始去除碳酸盐的反应,当表面温度达到900度的时候,有0.5mm层的碳酸盐被去除掉(整体的5%)。
  • 在温度达到900度的时候,部分二氧化碳的压力大于一个大气压,这时去除碳酸盐的反应可以从表面向内部展开。
  • 在整个去除碳酸盐的过程中,矿物质的温度几乎是恒定的,在工业加工的过程中,温度高于去除碳酸盐的温度点或者是石灰石中的化学成分使得这个温度点降低时,石灰的晶状体结构开始坍塌(烧结)。
  • 在去除碳酸盐的过程结束后,石灰通过窑口的空气来冷却,当空气到达预热槽内部的时候就会转化成燃气。
影响去除碳酸盐速度的主要因素:
  • 石灰石的尺寸和形状(最小尺寸):
    这个因素直接影响着二氧化碳从块状中心转移到到表面进行分离的时间。
  • 所用石灰石的颗粒分布情况:
    不同的颗粒分布会有不同的石灰石和热气体的转换表面,另外热量的转移速度也不同。
  • 石灰石的化学构成:
    纯净度或者是碳酸镁都会致使开始分离的温度点有变化。
  • 窑内气体的速度和温度::
    热气流的速度和温度升高的速度都能影响能量从气体到矿物质的转换速度。
  • 炉内气体压力::
    压力越高则对二氧化碳的压力要求越大,这样才能使之从石灰石内部分离出去。


水化作用


processo di produzione della calce 石灰的水化作用或者消化作用是指氧化钙(CaO)转化成氢氧化钙(Ca(OH)2

从化学的角度来看仅仅是一种反应,但是从工业的角度来看则是两种不同的过程。

一种是真正的水化作用,是指氧与一定量的水(32%H2O)反应,结成氢氧化物,粉末状,最多含有1.5%的自由水。

一种是消化作用,是指石灰内的氧与高出定量很多的水反应,结成氢氧化物,但是根据用途的不同,氢氧化物的浓度则不同。

水化作用是非常普通的化学反应,但是从动力学的反应来看,结晶与烧结是非常复杂的,除了取决于要消化的氧化物的化学和物理特性外,还取决于制作方法,事实上有两种不同的消化方法。

温度低于350度的时候,氧化物完全与水反应,引起放热反应,放出276千卡/公斤CaO,温度越高反应的效果则会相反,过高的温度会引起水的分离反应。

processo di produzione della calce 镁氧化物和少量带水的试剂,在正常条件下只有25%反应。

为了能够进行全面的氧化镁水化作用,需要温度高于100度,并且需要使用压力平衡设备。

对水化作用有影响的因素有:
  • 所用氧化物的反应性(T60)
  • 石灰氧化物的粘稠度
  • 颗粒分布和氧化物的顶部截槽
  • 碳酸盐的百分比(L.O.I)
  • 硫的百分比
  • 镁化物的百分比
  • 水化作用过程的温度
  • 氧化物和水混合系统的效用
  • 水反应中所用的添加剂
工业环境中,水化作用是通过水化器进行的,有两种生产方式:生产干的,粉末状的氢氧化钙(化学定量的水),并要在窑内进行石灰消化;生产浆状的氢氧化钙(超量的水)。

两个系统从图上来看,都是搅动器,由于是机械搅动可以使石灰氧化物和反应水进行充分的混合。


恢复碳酸盐


processo di produzione della calce 恢复碳酸盐的反应是石灰使用周期的最后一个反应环节,通过吸取环境中存在的二氧化碳,石灰重新恢复到碳酸盐的状态,这时石灰恢复了最开始石灰石所具有的物理和化学特性。

这种反应使得石灰在被刷到墙面的时候能够硬化。

人们通过掌控石灰的这个反应来生产PCC(沉淀的碳酸钙),通过控制能够影响恢复碳酸盐的参数,来改变所生产的碳酸钙的颗粒状态和形态。

在一般的环境状态下,恢复碳酸盐是很小的一种反应,但是从290度到600的区间内,碳酸盐的恢复会迅速加快,CaO和CO2的亲合指数会快速上升。

processo di produzione della calce 另外这种反应的速度明显地加快还取决于氧化物的比表面积和碳酸酐与氧化物混合的速度。比如说氧化镁恢复碳酸盐的时间就要比氧化钙恢复碳酸盐的时间要长很多。

在正常的环境温度和压力下,水以湿度和蒸汽的形式出现,可以加快恢复碳酸盐的速度,所以说水是此种反应的催化剂。