轻质碳酸钙的设计方案

1、广西科技大学化工原理综合实验轻质碳酸钙的过滤和干燥实验化工 10* 班组员：一、实验目的1. 对轻质碳酸钙有一定的认识2. 了解轻质碳酸钙的工业制备方法3. 熟悉板框过滤机的结构和操作方法4. 了解洞道式干燥装置的基本结构、工艺流程和操作方法5. 学习测定物料在恒定干燥条件下干燥特性的实验方法二、实验原理1. 轻质碳酸钙( CaCO3)：一种重要的无机粉体材料。具有价格低、原料广、无毒无害等 优点，被广泛应用于塑料、橡胶、造纸、涂料、油墨、化妆品等行业作为填料，起到增加体 积、降低成本的作用。研究表明，不同晶型、不同粒度碳酸钙具有不同性质，纳米级超细碳 酸钙由于具有较大比表面，因而具有较好的补

2、强特性。轻质碳酸钙的生产方法有多种，有碳化法、纯碱 (Na2CO3)氯化钙法、苛化碱法、联钙法、 苏尔维 (Solvay) 法。本实验采用碳化法，以生石灰 CaO为原料，经消化、碳化、过滤、干燥、 粉碎而成，涉及的主要反应有：用水消化氧化钙生成石灰乳： CaO+H2O=Ca(OH2) 用二氧化碳碳化石灰乳生成碳酸钙沉淀和水： Ca(OH)2+ CO2= CaCO3+H2O2. 板式过滤的原理：过滤是利用能让液体通过而截留固体颗粒的多孔介质(滤布和滤渣) ，使悬浮液中固体、 液体得到分离的单元操作。过滤操作本质上是流体通过固体颗粒床层的流动，所不同的是， 该固体颗粒床层的厚度随着过滤过程的进行不

3、断增加。过滤操作分为恒压过滤和恒速过滤。 当恒压操作时，过滤介质两侧的压差维持不变，单位时间通过过滤介质的滤液量不断下降； 当恒速操作时，即保持过滤速度不变。恒压过滤方程 q 2qqe K (1)式中： q单位过滤面积获得的滤液体积 (m3 /m2 )；V滤液体积 (m3)A过滤面积 (m2) ；第 1 页，总共 13 页 -广西科技大学化工原理综合实验qe 单位过滤面积上的虚拟滤液体积 (m3 /m2 ) 实际过滤时间 (s) ；K过滤常数 (m2 /1 s)Kq2qeK由式 (1) 得：(2)式(2) 表明，恒压过滤时 /q与 q之间为线性关系。实验中记录下不同过滤时间 内的单 位面积滤液

4、量 q，将/q 对 q作图，可得一直线，其斜率为 1/K，而截距为 2qe /K。3. 洞道式干燥的原理：干燥是利用热量去湿的一种方法，它不仅涉及到气、固两相间的传热与传质，而且涉及到湿分以气态或液态的形式自物料内部向表面传质的机理。由于物料的含水性质和物料形状 的差异，水分传递速率的大小差别很大，概括起来，它受到物料及其含水性质，干燥介质的性质、流速，干燥介质与湿物料接触方式等各种因素的影响。按干燥过程中空气状态参数是 否变化，可将干燥过程分为恒定干燥条件操作和非恒定干燥条件操作两大类。本次实验采用 恒定干燥条件操作。AdAd干U燥速率的d定W义为单位干G燥C面d积X ( 提供湿分汽化的面积

5、 ) 、单位时间内所除去的湿分质量。 即： U3)式中：U干燥速率，又称干燥通量， kg/(m2s) ；干燥表面积， m2；W汽化的湿分量， kg；干燥时间， s ； GC绝干物料的质量， kg；物料湿含量， kg 湿分/kg 干物料，负号表示 X随干燥时间 干燥速率的测定方法： 将湿物料试样置于恒定空气流中进行干燥实验，的增加而减少。随着干燥时间的延长，水分不断汽化，湿物料质量减少。若记录物料不同时间下质量G，止，也就是物料在该条件下达到干燥极限为止，将物料烘干后称重得到绝干物料重直到物料质量不变为此时留在物料中的水分就X是平G衡水G分CGCGC，则物料中瞬间含水率 X 为： CX*。再4)

6、计算出每一时刻的瞬间含水率由已测得的干燥曲线求出不同X，然后将 Xd对X 干燥时间 作图，即为干燥曲线。X 下的斜率 d ，再由式( 3 )计算得到干燥速率 U，将 U对 X 作图，就是干燥速率曲线第 2 页，总共 13 页 -广西科技大学化工原理综合实验三、实验仪器和药品药品： CO2、生石灰、 1.0%酚酞酒精指示剂、冰块、仪器 ：消化池、泵、碳化塔、三级筛、旋液分离器、板框过滤机、洞道干燥机、温度计 实验装置：1、板式过滤器的板框结构图：2、图 1 板框结构图 板式过滤器结构图：图 2 过滤结构图3、洞道式干燥器结构图：第 3 页，总共 13 页 -广西科技大学化工原理综合实验图 3 干

7、燥结构图1. 中压风机； 2. 孔板流量计； 3. 空气进口温度计； 4. 重量传感器； 5. 被干燥物料；6. 加热器； 7. 干球温度计； 8. 湿球温度计； 9. 洞道干燥器； 10. 废气排出阀；11. 废气循环阀； 12. 新鲜空气进气阀； 13. 干球温度显示控制仪表； 14. 湿球温度显示仪表； 15. 进口温度显示 仪表； 16. 流量压差显示仪表； 17. 重量显示仪表； 18. 压力变送器四、实验步骤1. 生石灰消化：称取一定量的生石灰放入消化池中， 按照 H2O:CaO（质量比）为 5:1 的比例用 80左右的热 水在消化池进行消化，搅拌至消化基本完全时，静置冷却60mi

8、n，再搅拌 10min 后就可以放出石灰乳。2. 石灰乳的精制：用冷水将粗灰乳的浓度调和到约 13Bé后，用泵将粗灰乳送入三级筛过筛，然后再送入旋 液分离器再次进行分离，得到精制石灰乳并进行陈化。3. 碳化：将配制定量浓度 12Bé的Ca（OH）2悬浮液先进行预冷或加热至某温度 （10 40） ，加入到碳 化塔中，前期控制温度 （如加入冰袋控制至 30-40 ）. 然后通入 CO2和空气的混合气体 （其中 CO2 气体为 100ml/h ，空气为 250ml/h 左右） ，在反应后期温度控制在 50-60。从碳化塔底部的 采样口先放掉沉积在管口内的悬浮液后，再放出约 100

9、ml 的悬浮液到 500ml 的烧杯中，静置 约一分钟后向悬浮液中滴入 2 滴 1.0% 酚酞酒精指示剂并振摇，若呈红色则碳化未完全，若第 4 页，总共 13 页 -广西科技大学化工原理综合实验无色则到达终点，应该测两次。然后再碳化 10min 后停止。4. 过滤： （ 板框过滤器 ）过滤温度应在 50以上，在配浆糟中加入 CaCO3和一定量的水， 配制成 CaCO3含量为 8% 10%的溶液。按板框的编号顺序排列过滤机的板与框。安装滤布时，必须把滤布用水浸透，再将湿滤 布盖在滤框的两侧，滤布孔要对准过滤机的孔道，表面要平整不起皱纹，然后压紧螺杆和板 与框。调节贮浆罐前后各阀们的开启状态。 启

10、动泵将滤浆送入浆罐， 当滤浆高度达到浆罐得 3/4 左右时，关闭送料阀，然后停止进料泵。在压力调节阀开启的状态下，启动空压机，开启压缩空气进气阀，向系统送压缩空气。 检查有关调节阀的开启状态，用容器接滤出口处的滤液。打开滤液出口阀，开启滤液进口阀，开始过滤。选定一适当流量，记录在一定流量下的流动 时间。当滤速渐慢呈滴状流出时，停止过滤操作。洗涤，开启进水阀向洗水罐加一定量的水，进行洗涤操作。洗涤完毕后，关闭有关的阀 门旋开压紧螺杆并将板滤拉开，卸出滤饼，清洗滤布，整理滤板。实验结束，立即用压缩空气将贮料罐内的剩余悬浮液压回配浆槽及其液位计等清洗干净。5. 干燥： （洞道式干燥器 ）调节好各项参

11、数，检查天平是否正常。记录秤盘的重量（盘重） 。待空气状态稳定后，打 开干燥室门将湿产品放入。 观察天平，记录下质量每减少 0.1g 时所用的时间。 当质量稳定时， 即质量不再减少 30min 后，停止干燥。干燥结束后，将样品取出后再放入干燥室称重，记录 秤盘的重量（干重）。实验结束后，先关闭加热器再关风机。6. 沉降体积的测定 轻质碳酸钙沉降体积值含义：以定量水为连续相，定量碳酸钙为分散相，分散均匀后， 一定时间内每克沉降物样品所占有的容积即为碳酸钙沉降体积值。测定方法：准确称取 10.0g 干燥过的样品于烧杯中，加入适量去离子水，并搅拌均匀， 转移到 100ml 的量筒中，静置，记录不同时

12、刻沉降物所占体积。按下式计算沉降体积 x：x（mL/ g） V /10.0g7. 容重的测定容重是指其物体体积中所占有的重量，用公式 G/V来表达，即用克 / 立方厘米表示。重量第 5 页，总共 13 页 -广西科技大学化工原理综合实验与密度相关，密度大容重也大，密度小容重也小。测定方法X：准G确称取 10.0g 干燥过的样品尽量碾碎，转移到量筒中，静置，记录其所占的体 V0积五、实验原始数据记录1.经测量知压滤板板框边长为 11.7cm,圆的直径为 5.2cm2.沉降体积： 称取 10.0g 轻质碳酸钙与适量水混溶后，静置 5 小时后，量取其沉降物样品所占有的容积 为 V =24.3mL 。

13、3.容重：准确称取 10.0g 干燥过的样品尽量碾碎，转移到量筒中，静置，记录其所占的体积 V= 17.2 mL 。 4. 轻质碳酸钙的过滤：表 1. 过滤实验原始数据记录序号滤液量体 积 V/mL记录时间 t/s序号滤液量体 积 V/mL记录时间 t/s100:0026102006:30210000:0727104006:44320000:2028106006:58430000:4129108007:12540001:0830110007:26650001:4231112007:40755002:0232114007:558600065002:2333116008:1292:48341180

14、08:281070003:1135120008:461172003:2236121008:581274003:3337122009:051376003:4438123009:141478003:5539124009:221580004:0740125009:301682004:2141126009:381784004:3242127009:471886004:4443128009:551988004:55441290010:042090005:08451300010:122192005:19461310010:202294005:32471320010:282396005:4648133001

15、0:372498006:00491340010:4725100006575.干燥时间与重量的关系第 6 页，总共 13 页 -广西科技大学化工原理综合实验表 2. 实验数据记录物料盘直径D=8.40cm，空盘质量：69.8g ，湿物料 +空盘质量： 83.0g质量/g时间/s质量/g时间/s质量 /g时间/s83.00:0081.08:2279.016:4882.90:1980.98:3278.917:0882.80:5080.89:0478.817:3882.70:5780.79:2778.718:0482.61:1780.69:4578.618:1882.51:4

16、080.510:2378.518:4082.42:1380.410:4078.419:1982.32:3880.311:1978.319:5182.23:0180.211:3378.220:3082.13:3180.111:5678.120:5782.04:0680.012:2178.021:2081.94:2279.912:4977.922:1281.84:5279.813:1477.822:4181.75:2379.713:3877.723:3881.65:4479.614:0677.60:24:5681.56:0679.514:2977.50:26:0681.46:2879.415:00

17、77.40:29:0481.37:0279.315:2977.30:35:3181.27:2079.215:5677.20:41:2081.17:5679.116:1477.20:52:55六、实验数据处理1.计算沉降体积 x 的计算：V 24.3 xm 102.43mL/ g2. 容重的测定G 10 3X0.581g / cm3V0 17.23. 轻质碳酸钙的过滤过滤面积 A=0.117 × 0.117-3.14 ×0.026 ×0.026 ×4=0.0463m2VV 3 2单位过滤面积获得的过滤体积 q VV (m3 /m2 )A 0.04631 2

18、q由恒压过滤方程式： 1 q 2qe 表明，恒压过滤时 /q 与 q 之间为线性关系。q K K将/q 对 q 作图，可得一直线，其斜率为 1/K ，而截距为 2qe / K 。第 7 页，总共 13 页 -广西科技大学化工原理综合实验处理结果如表 3所示：表 3. 轻质碳酸钙过滤的数据处理时间/s滤液量 mLm3 m通量 q（m3/m2）/q710000.00100.0216323.92020000.00200.0432462.74130000.00300.0648632.46840000.00400.0864786.610250000.00500.1081943.912255000.005

19、50.11891026.414360000.00600.12971102.816865000.00650.14051195.919170000.00700.15131262.520272000.00720.15561298.121374000.00740.15991331.822476000.00760.16431363.723578000.00780.16861394.024780000.00800.17291428.626182000.00820.17721472.727284000.00840.18151498.328486000.00860.18591528.029588000.008

20、80.19021551.130890000.00900.19451583.531992000.00920.19881604.433294000.00940.20321634.234696000.00960.20751667.636098000.00980.21181699.7374100000.01000.21611730.5390102000.01020.22041769.1404104000.01040.22481797.4418106000.01060.22911824.6432108000.01080.23341850.8446110000.01100.23771876.0460112

21、000.01120.24211900.4475114000.01140.24641927.9492116000.01160.25071962.5508118000.01180.25501992.0526120000.01200.25932028.2538121000.01210.26152057.3545122000.01220.26372067.0554123000.01230.26582084.0562124000.01240.26802097.1第 8 页，总共 13 页 -广西科技大学化工原理综合实验570125000.01250.27022109.9578126000.01260.2

22、7232122.5587127000.01270.27452138.6595128000.01280.27662150.8604129000.01290.27882166.4612130000.01300.28102178.2620131000.01310.28312189.9628132000.01320.28532201.3637133000.01330.28742216.1647134000.01340.28962234.1657135000.01350.29182251.8根据上表 3 数据作如下：图44. 轻质碳酸钙的干燥 由实验测得绝干物料的量 GC 77.2 69.8 7.4g物

23、料含水量 X G GC G 7.4 （g水 / g绝干物料） GC7.4处理结果如下表 4 所示表 4. 轻质碳酸钙的干燥实验数据处理结果表物料托盘盘直径 D=8.40cm，得 A=0.005539m2，绝干物料质量： 7.4g第 9 页，总共 13 页 -广西科技大学化工原理综合实验间t时间 /s物料质量 G/g减少的 质量 /gX/kg 湿分 /kg 干物料干燥速率2U/kg/(m 2·s)0:00013.20.10.78380.66800:191913.10.10.77030.66800:505013.00.10.75680.66800:575712.90.10.74320.6

24、6801:177712.80.10.72970.66801:4010012.70.10.71620.66802:1313312.60.10.70270.66802:3815812.50.10.68920.66803:0118112.40.10.67570.66803:3121112.30.10.66220.66804:0624612.20.10.64860.66804:2226212.10.10.63510.66804:5229212.00.10.62160.66805:2332311.90.10.60810.66805:4434411.80.10.59460.66806:0636611.70

25、.10.58110.66806:2838811.60.10.56760.66807:0242211.50.10.55410.66807:2044011.40.10.54050.66807:5647611.30.10.52700.66808:2250211.20.10.51350.66808:3251211.10.10.50000.66809:0454411.00.10.48650.66809:2756710.90.10.47300.66809:4558510.80.10.45950.668010:2362310.70.10.44590.668010:4064010.60.10.43240.66

26、8011:1967910.50.10.41890.668011:3369310.40.10.40540.668011:5671610.30.10.39190.668012:2174110.20.10.37840.668012:4976910.10.10.36490.668013:1479410.00.10.35140.668013:388189.90.10.33780.668014:068469.80.10.32430.668014:298699.70.10.31080.668015:009009.60.10.29730.668015:299299.50.10.28380.668015:569

27、569.40.10.27030.668016:149749.30.10.25680.668016:4810089.20.10.24320.668017:0810289.10.10.22970.668017:3810589.00.10.21620.6680第 10 页，总共 13 页 -恒定干燥条件下的干燥曲线 X- 广西科技大学化工原理综合实验18:0410848.90.10.20270.668018:1810988.80.10.18920.668018:4011208.70.10.17570.668019:1911598.60.10.16220.668019:5111918.50.10.14

28、860.668020:3012308.40.10.13510.668020:5712578.30.10.12160.500721:2012808.20.10.10810.486422:1213328.10.10.09460.455022:4113618.00.10.08110.438223:3814187.90.10.06760.40650:24:5614967.80.10.05410.36600:26:0615667.70.10.04050.33270:29:0417447.60.10.02700.26010:35:3121317.50.10.01350.16390:41:2024807.4

29、0.10.00000.00000:52:5531757.400.00000.0000根据上表 4作出轻质碳酸钙干燥实验的物料含水量与时间的关系图，如下图 5 所示。0.90000.80000.70000.60000.50000.40000.30000.20000.10000.0000-0.1000由上图已测得的干燥曲线求出不同 X下的斜率 dX ，再由式（3）计算得到干燥速率 U，将 U d对 X 作图，就是干燥速率曲线，如下图第 11页，总共 13 页-广西科技大学化工原理综合实验图 5. 干燥速率 U-X 的关系图七、实验结论1. 由过滤实验数据作出的 /q 与 q 关系图可知， /q 与

30、 q 成一线性关系。这是因为本实验属于恒压1s、 r 、 c2 P1过滤，过滤时压力恒定。对于一定的悬浮液，、r0、c 亦为常数，由过滤常数 K 可知，此时 Kur0c为一定值，由过滤方程 q 2qqe K 得 /q 与 q 为一线性关系。2. 由干燥曲线可知，整个干燥过程似乎都呈现出一种比较均匀比例干燥的状态，并没有出现理论中应 当有的降速、恒速阶段。3. 由干燥速率曲线可知，干燥速率比较分散，并没有理论上的恒速阶段、降速阶段等过程出现，这可 能是实验中称取时的误差，轻质碳酸钙容易干燥，容易碎，从而引入的误差，空气的流速以及温度并不能 完全保持恒定等，或可能由于热空气与物料的接触不良，有一些

31、物料干燥较快，有些则相对较慢，导致干 燥速率有所偏离。八、讨论1.过滤实验操作要点： 实验碳酸钙粉末配制成滤浆，其量约占配料桶一半左右，配制浓度约在10%（质量）左右，用供料泵使用其循环搅匀，并可防止产生沉淀。 配料桶内通入压缩空气进行搅拌，以防止滤浆沉淀，并作为滤浆过滤时加压之用，配桶料内的压力，可 由空气机加以调节（一般压强调节在 0.05MPa 左右）。 干燥物料要充分浸湿，但不能有水滴自由滴下，否则将影响实验数据的正确性。 实验操作压强，一般可视配制的滤浆浓度选定，压强选得太高过程进行太快，来不及读数，若选得太低 实验时间就增加，一般在上述浓度时约可选0.1MPa。实验初始阶段不是恒压

32、操作，而是接近恒压操作。因此可采用两只停表交替计时，记下时间和滤液量， 并确定恒压开始时间和相应的滤液量。当滤液量很少，滤渣已充满框后，过滤阶段可结束。 2影响气流干燥过程的主要因素：（1）气流条件：气流的温度；气流的湿度；气流的流速。第 12 页，总共 13 页 -广西科技大学化工原理综合实验（2）湿物料的条件：湿物料的物性；湿物料与热气流的接触状态。3恒定干燥条件是什么 ? 答：干燥介质的温度、湿度、流速及与物料的接触方式，都在整个干燥过程中均保持恒定，可适用 于大量空气干燥少量湿物料的情况，空气的定性温度等于进、出口温度平均值。4降速干燥阶段特点： 答：随着干燥时间的延长，干基含水量 X 减小，干燥速率降低；物料表面温度大于湿球温度； 除去的水分为非结合、结合水分； 降速干燥阶段的干燥速率与物料种类