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Le procès chimique et physique de la chaux

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processo di produzione della calceCe qui est défini généralement « le procès de production de la chaux », s’occupe normalement de la cuisson et de l’exécution de sous-produits obtenus par des différentes typologies de minéraux disponibles en nature.

La schématisation chimique sur mentionnée, citée pour des raisons explicatives, en nature ne trouve pas une ainsi nette répartition entre les minéraux utilisés industriellement, lesquels représentent un mixage, plus ou moins complexe, des typologies citées.


Carbonate de calcium CaCO3
Carbonate de magnésium MgCO3
Dolomite CaCO3 MgCO3
Calcaire hydraulique CaCO3 MgCO3SiO2 Fe2O3 Al2O3

Ce mixage de possibles compositions chimiques du minéral de départ, donne évidemment une complexité majeure du comportement du matériel « réel», soit pendant son travail, qu’en termes de caractéristiques chimiques et physiques des produits finis des procès productifs.



 

CHIMIQUE DE BASE DU PROCES DE PRODUCTION DE LA CHAUX


Le procès productif de la chaux et de ses dérivés peut être résumé fondamentalement par les trois groups chimiques de réaction suivants:

la réaction chimique de la décarbonatation du calcaire et de la dolomie
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  

la réaction d’hydratation des oxydes de calcium et magnésium
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      

la réaction de recarbonation des oxydes de calcium et magnésium
CaO + H2O Ca(OH)2    
56.1   18   24.1    
             
Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 + H2O
74   44   100   18



 

LA DECARBONATATION


Le premier group résume le procès de décarbonatation de trois principales typologies de carbonates existantes en nature.
Elles représentent la réaction que, industriellement, arrive dans le four de cuisson du calcaire quand, commençant du minéral provenant de la carrière et fournissant une quantité préfixé de chaleur, on obtient la dissociation du carbonate (CaCO3) dans un oxyde (CaO) et anhydride carbonique (CO2).
processo di produzione della calceLa réaction est endothermique et pour se développer elle a besoin d’un apport calorique obtenu par l’emploi d’un combustible.
760 kcal/kg sont nécessaires pour décarbonater CaCO3 et 723 kcal/kg pour MgCO3.

Nota: ci-dessous, fait exception quelque note particulière, nous référerons au carbonate de calcium et/ou à l’oxyde de chaux pour simplicité, dans le cas des autres typologies de components cités, les mécanismes par lesquels la réaction arrive sont assez similaires.

La dissociation du calcaire arrive en suivant les cinq phases successives :
  • Dans la zone de préchauffage du four, la chaleur générée par le combustible est transférée par les gaz de combustion au minéral à décarbonater qui passe de la température ambiant jusque 800° C.
  • A la température de 800° C, la pression de l’anhydride carbonique produite par la dissociation est égal à la pression partielle de CO2 dans les gaz qui traversent le four. Au moment dans lequel la température commence à s’élever au-delà de la valeur de décarbonatation, la couche superficielle du calcaire commence sa décarbonatation. Quand la température superficielle est arrivée à environ 900° C, une couche de 0,5 mm s’est décarbonatée (5% de la masse totale).
  • A la température de 900° C, la pression partielle de CO2 est majeure d’une atmosphère et le procès de décarbonatation peut procéder de la surface vers le centre du calcaire.
  • Pendant tout le procès de décarbonatation, la température du minéral reste presque constante, et si pour des raisons jointes au procès industriel la température s’élève au-delà du point de décarbonatation ou la composition chimique du calcaire utilisé réduit la température de décarbonatation, la structure cristalline de la chaux produite commence à collapser (sintérisation).
  • Finie la décarbonatation, la chaux est refroidie par l’air en entrée dans le four qu’en salant préchauffé dans la cuve, il deviendra l’air de combustion.
Les facteurs principaux qui influent sur la vélocité de décarbonatation sont :
  • dimension et forme du calcaire (dimension au minimum):
    ce facteur grève sur le temps de migration de CO2 du centre de la masse en décarbonatation à la surface
  • distribution granulométrique du calcaire utilisé :
    une différente distribution granulométrique du calcaire implique une différente surface d’échange entre le calcaire et du gaz chaud donc une différente vélocité de transfert de la chaleur.
  • composition chimique du calcaire :
    la présence d’impureté ou de carbonate de magnésium donne une variation dans la température théorique à laquelle la décarbonatation commence.
  • vélocité du gaz dans le four et température :
    la vélocité du fluide chauffant et le gradient de température sont des facteurs qui grèvent la vélocité de transfert de l’énergie des gaz au minéral.
  • pression des gaz dedans le four :
    pressions plus élevées demandent une pression majeure de CO2 pour migrer au-dedans du calcaire.


L’HYDRATATION


processo di produzione della calcePar le mot hydratation ou extinction de la chaux, il peut être entendu le procès par lequel l’oxyde de chaux (CaO) se transforme en hydroxyde de chaux (Ca(OH)2).

Du point de vue chimique il s’agit d’une typologie de réaction mais du point de vue industrielle on peut avoir deux typologies différentes de procès.

Le premier est le même procès d’hydratation, où l’oxyde est mis à réagir avec la quantité stœchiométrique d’eau (32% H2O) résultant un hydroxyde en forme de poudre qui contient max 1,5% d’eau libre.

L’autre est le procès d’extinction où l’oxyde de chaux est mis à réagir avec une quantité d’eau plus élevée du contenu stœchiométrique en obtenant un hydroxyde de chaux en suspension avec des valeurs de concentration très variables en fonction de l’emploi.

La chimique de la réaction d’hydratation est très basique mais la cinétique de réaction connectée à la cristallisation et l’agglomération est beaucoup plus complexe et ne dépend pas seulement des caractéristiques physiques et chimiques de l’oxyde à éteindre, mais elle dépend aussi de la manière dont la simple réaction est réalisée et pour cette raison qu’on a développé les deux méthodes différentes d’extinction indiquées.

processo di produzione della calce À températures inférieures à 350 °C, l’oxyde réagit totalement avec l’eau donnant origine à une réaction exothermique avec le développement de 276 kcal/kg. CaO, à températures plus élevées la réaction arrive en sens contraire en donnant origine à la séparation de l’eau de réaction.

L’oxyde de magnésium n’est pas trop réactif avec l’eau et en conditions normales, seulement le 25% du même réagit.

En façon d’obtenir l’hydratation complète du MgO c’est nécessaire que la réaction arrive à une température supérieure à 100° C en utilisant des équipements en pression.

Les facteurs principaux qui influent sur l’hydratation sont :
  • la réactivité de l’oxyde utilisé (T60)
  • la densité apparente de l’oxyde de chaux
  • la distribution granulométrique et le « top cut » de l’oxyde
  • la pourcentage de carbonate (L.O.I.)
  • la pourcentage de soufre
  • la pourcentage d’oxyde de magnésium
  • la température à laquelle le procès d’hydratation arrive
  • l’efficacité du système de mélange entre oxyde et eau
  • additifs utilisés dans l’eau de réaction
Dans le domaine industriel, la réaction d’hydratation est réalisée en utilisant des hydrateurs, dans le cas qu’on veut produire de l’hydroxyde pulvérulent sur base sèche (eau stœchiométrique) et, des extincteur de chaux à tambour roulant si on veut produire de l’oxyde de chaux comme pâte (avec excès d’eau).

Les deux systèmes sont des malaxeurs dans lesquels par l’ agitateur mécanique on obtient un contact intime entre l’oxyde de chaux et l’eau de réaction.


LA RECARBONATION


processo di produzione della calceLa réaction de recarbonation représente la dernière réaction du cycle de vie de la chaux, elle contrôle le procès qui transforme la chaux de nouveau en carbonate réabsorbent la CO2 de l’ambiant et redonnant à la chaux les caractéristiques chimiques et physiques que le calcaire avait au départ.

Ceci est la réaction fondamentale qui permet à la chaux, lorsqu’elle est appliquée sur le mur à faire prise en se durcissant.

L’homme a appris à contrôler cette réaction à son emploi pour la production de PCC (Carbonate de Calcium Précipité), procès dans lequel en contrôlant les paramètres qui influencent la recarbonation, c’est possible modifier la granulométrie et la morphologie du carbonate de calcium produit.

En conditions ambiant la recarbonation de la chaux est très modeste, mais à partir de 290° C et jusque 600° C la vélocité de recarbonation augmente rapidement en augmentant en façon exponentielle l’affinité de CaO avec la CO2.

processo di produzione della calceEn outre la vélocité de cette réaction est augmentée en façon significative soit de la surface spécifique de l’oxyde soit de la rapidité par lequel l’oxyde est mixé avec l’anhydride carbonique. On veut faire noter comme l’oxyde de magnésium a des temps de recarbonation sensiblement plus longs respect l’oxyde de calcium.

La présence d’eau soit comme humidité que vapeur, permet d’activer une recarbonation rapide même à température et pression ambiant parce que l’eau comporte dans la réaction comme catalyseur de la même.