阅读说明：本技术 一种采用超临界二氧化碳制备沉淀碳酸钙的装置 (Device for preparing precipitated calcium carbonate by adopting supercritical carbon dioxide ) 是由 杨靖 窦明远 邹帅 李浩铭 滕家皇 邓富康 李康春 黄福川 于 2021-09-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种采用超临界二氧化碳制备沉淀碳酸钙的装置,包括精浆入口,超临界CO-(2)输入喷管,碳化反应器,正反桨涡轮组合,晶型控制剂入口、拉瓦尔喷口及中心轴,超临界CO-(2)输入喷管设于精浆入口上,精浆入口设于碳化反应器的入口处,精浆入口是一个逐渐缩小的喇叭管,碳化反应器的入口是喇叭的小口,碳化反应器的出口连接拉瓦尔喷口。碳化反应器是一个入料口至出料端逐渐增大后又逐渐减小的密封罐体,碳化反应器的前端上部设有晶型控制剂入口,正反桨涡轮组合设在碳化反应器内部安装在中心轴上。本发明的装置碳化过程、长径比、晶型可控,成品粒度均匀且分布窄,可用于不同领域的多种晶型碳酸钙生成。(The invention discloses a device for preparing precipitated calcium carbonate by adopting supercritical carbon dioxide, which comprises a fine pulp inlet and supercritical CO 2 An input spray pipe, a carbonization reactor, a positive and negative paddle turbine combination, a crystal form control agent inlet, a Laval nozzle, a central shaft and supercritical CO 2 The input spray pipe is arranged on the fine pulp inlet, the fine pulp inlet is arranged at the inlet of the carbonization reactor, the fine pulp inlet is a flared pipe which is gradually reduced, the inlet of the carbonization reactor is a small opening of a horn, and the outlet of the carbonization reactor is connected with a Laval nozzle. The carbonization reactor is a sealed tank body which is gradually increased from a feeding port to a discharging end and then gradually reduced, a crystal form control agent inlet is arranged at the upper part of the front end of the carbonization reactor,the positive and negative paddle turbine combination is arranged in the carbonization reactor and is arranged on the central shaft. The device has controllable carbonization process, length-diameter ratio and crystal form, and the finished product has uniform granularity and narrow distribution, and can be used for generating various crystal forms of calcium carbonate in different fields.)

一种采用超临界二氧化碳制备沉淀碳酸钙的装置

技术领域

本发明属于轻质和纳米碳酸钙的生产领域，具体是一种采用超临界二氧化碳制备沉淀碳酸钙的装置。

背景技术

PCC(Precipitated Calcium Carbonate)是沉淀碳酸钙的简称，碳酸钙是一种常见的无机化合物，是石灰岩石(简称石灰石)的主要成分，分子式为CaCO₃，相对分子量为100.09。碳酸钙按生产方法不同，将碳酸钙分为轻质碳酸钙、重质碳酸钙和活性碳酸钙。

1、轻质碳酸钙，又称为沉淀碳酸钙(简称轻钙)。是将石灰石等原料煅烧生成石灰和二氧化碳，再加水消化石灰生成石灰乳(主要成分为氢氧化钙)；然后再通入二氧化碳，碳化石灰乳，生成碳酸钙沉淀；经脱水干燥和粉碎制得。

2、重质碳酸钙(简称重钙)，是利用机械方法直接粉碎天然的石灰石、方解石、白垩、贝壳等而制成。因为重质碳酸钙的沉淀体积比轻质碳酸钙沉淀体积小，所以称之为重质碳酸钙。

3、活性碳酸钙、改性碳酸钙、表面处理碳酸钙、胶质碳酸钙或(简称活钙)，是用表面改性剂对轻质碳酸钙或重质碳酸钙进行表面改性而制得。由于经表面改性剂改性后的碳酸钙，通常都具有多种强化相关性能的作用，因此，习惯上把改性碳酸钙都称之为活性碳酸钙。

在1909年，日本人白石衡二发明了用石灰乳和石灰窑产窑气中的CO₂，反应生产出沉淀碳酸钙的方法，称为碳化法。用此法得到的纳米钙及轻钙粉体的主要特点有：粒度小，其平均粒径在微米级；粒度分布专一性高，可以视为单分散粉体；粉体晶型多样化。在碳化工艺中，可以根据不同需求，添加不同的晶型导向剂或表面活性剂，来获得不同品型和粒径的轻质碳酸钙。

在PCC生产工艺中，对产品质量影响最关键的工艺之一就是碳化工艺。碳化工艺是决定PCC晶体形状和粒径大小的关键控制操作。按碳化过程的不同，其生产工艺大致有以下四种：低温间歇鼓泡碳化法、连续喷雾碳化法、搅拌反应釜碳化法和超重力反应塔方法等。采用以上碳化工艺生产PCC在分散性和稳定性方面不理想，其原因与碳化工艺、CO₂的利用率和设备技术控制操作的差距有关，尤其是批次质量之间的差异尤为明显。

碳化法涉及的化学反应式如下：

石灰烧制：

消化反应(也称化灰反应)：CaO+H₂O→Ca(OH)₂+Q₂

碳化反应：Ca(OH)₂+CO₂→CaCO₃↓+Q₃

过碳化反应(也称为饱和碳化反应)：

CaCO₃+H₂O+CO₂→Ca(HCO₃)₂

随着环境的温度和压力变化，任何一种物质都存在三种相态：气相，液相，固相。三相成平衡态共存的点叫三相点。液、气两相相界面消失的状态点叫超临界点。在临界点时的温度和压力称为临界温度和临界压力，不同的物质其临界点的压力和温度各不相同。超临界流体(Super Critical fluid，简称SCF)是指温度和压力均高于其临界点的流体。二氧化碳在温度高于临界温度Tc＝31.26℃，压力高于临界压力Pc＝72.9atm的状态下，性质会发生变化。其密度近于液体，粘度近于气体，扩散系数为液体的100倍，因而具有惊人的溶解能力。故而使用超临界CO₂与氢氧化钙进行碳化反应，可以制得更为精细，粒度分布范围更窄，晶型一致性好，综合性能更强的PCC粉体。

拉瓦尔喷管在超高声速及高超声速、超音速飞机、火箭的尾喷管上得到广泛应用。拉瓦尔喷管是航空发动机推力室的重要组成部分。喷管的前半部是由大变小向中间收缩至一个窄喉。窄喉之后又由小变大向外扩张至箭底。箭体中的气体受高压流入喷嘴的前半部，穿过窄喉后由后半部逸出。在这一阶段，流体运动遵循"流体在管中运动时，截面小处流速大，截面大处流速小"的原理，因此流体不断加速。当到达窄喉时，流速已经大大增加。而高速的流体在运动时却不再遵循"截面小处流速大，截面大处流速小"的原理，而是恰恰相反，截面越大，流速越快，这样就产生了巨大的推力。这一架构可使流体的速度因喷截面积的变化而变化，使气流从亚音速到音速，直至加速至超音速。所以，人们把这种喇叭形喷管叫跨音速喷管。由于它是瑞典人拉瓦尔发明的，因此也称为"拉瓦尔喷管"。拉瓦尔喷管实际上起到了一个"流速增大器"的作用。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种采用超临界二氧化碳制备沉淀碳酸钙的装置，以改善PCC碳化生产过程中出现的分散性及稳定性问题，促进碳化反应，使生产出的PCC粒径范围小，品型一致性好。

为实现上述目的，本发明采用了以下的技术手段：

一种采用超临界二氧化碳制备沉淀碳酸钙的装置，包括精浆入口、超临界CO₂输入喷管、碳化反应器、晶型控制剂入口、正反桨涡轮组合、拉瓦尔喷口及中心轴，超临界CO₂输入喷管设于精浆入口上，精浆入口连接碳化反应器的入口处，精浆入口是一个逐渐缩小的喇叭管，连接碳化反应器的入料口连接喇叭管的小口，碳化反应器的出料口连接拉瓦尔喷口，碳化反应器是一个入料口至出料端逐渐增大后又逐渐减小的密封罐体，碳化反应器的前端上部设有晶型控制剂入口，正反桨涡轮组合设在碳化反应器内部安装在中心轴上，中心轴设在碳化反应器的中心线上。

所述的正反桨涡轮组合至少有1组。

所述的正反桨涡轮组合为三组，每组桨由正转桨和反转桨组成，同一组浆的正转桨和反转桨旋转方向相反，三组桨半径比值为1：1.5：2。

所述的精浆入口的最大直径与碳化反应器的最大直径的口径比为1:5。

所述的精浆入口及超临界CO₂输入喷管采取保温处理措施。

所述装置多个串联在一起使用。

所述装置碳化反应器的设有检修人孔。

一种采用超临界二氧化碳制备沉淀碳酸钙的装置制备PCC的方法，包括以下步骤：

(1)将饱和氢氧化钙浆液从精浆入口加压送入；

(2)从超临界CO₂输入喷管送入超临界CO₂；

(3)将饱和氢氧化钙浆液和超临界CO₂通过逐渐缩小的变径管道加速压入碳化反应器中；

(4)通过正反桨涡轮组合将送入碳化反应器的饱和氢氧化钙浆液和超临界CO₂搅拌，同时通过晶型控制剂入口加入晶型控制剂；

(5)将反应生成碳酸钙浆体从瓦尔喷口排出。

本发明达到的有益效果是：

1、利用超临界液体CO₂有极强的溶解力的特点，在迅速的相变及多状态的传质传热过程中，使得碳化反应物得以充分反应，生成的浆体更为细密，粒径范围小，品型一致性好。

2、本装置结构简单，检修及日常维护方便。

3、正反桨涡轮组合的搅拌，能对反应物进行均质化，加快多状态的传热传质过程。

4、本装置具有较高的可靠性，便于操作。

5、正反桨涡轮组合的搅拌，可加速沉淀碳酸钙的反应生成。

附图说明

图1是本发明的结构示意剖视图。

图2是本发明的桨叶示意图。

图3是本发明的正反桨涡轮组合示意图。

图中标记为：精浆入口1、超临界CO₂输入喷管2、碳化反应器3、正反桨涡轮组合4、晶型控制剂入口5、拉瓦尔喷口6、中心轴7、检修人孔8。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明。应当理解，此处所描述的具体实施案例仅仅用于解释本发明，并不是对本发明的限制。

实施例1

如图1所示，本实施例为本发明所述的采用超临界CO₂制PCC的多相态蜗壳连续碳化装置的一个实例，组成构件包括精浆入口1、超临界CO₂输入喷管2、碳化反应器3、正反桨涡轮组合4、晶型控制剂入口5、拉瓦尔喷口6、中心轴7、检修人孔8。组成构件的具体位置和连接关系如下：

所述超临界CO₂输入喷管2设于精浆入口1上，精浆入口1连接碳化反应器3的入口处，精浆入口1是一个逐渐缩小的喇叭管，碳化反应器3的入料口连接精浆入口的小口，碳化反应器的出料口连接拉瓦尔喷口，碳化反应器是从一个入料口至出料端逐渐增大后又逐渐减小的密封罐体，碳化反应器的前端上部设有晶型控制剂入口，正反桨涡轮组合设在碳化反应器内部通过轴承安装在中心轴上，中心轴设在碳化反应器的中心线上。

正反桨涡轮组合是一个不实际连接在一起的组合体，每组正反桨涡轮组合的正传桨与反转桨都可独立转动。

正反桨涡轮组合依靠流体产生转动，不需要驱动模块带动。正反桨涡轮组合的使用，可以促进CO₂与精浆的流动，从而促进反应的进行。

入料口处进行保温处理目的是使超临界CO₂不提前气化。

实施例2

本实施例是采用超临界二氧化碳制备沉淀碳酸钙的装置制备PCC的方法的实例，包括以下步骤：

(1)将饱和氢氧化钙浆液从精浆入口加压送入，使饱和氢氧化钙浆液流速为1马赫。

(2)从超临界CO₂输入喷管送入超临界CO₂；并加速到1.5马赫。

(3)将饱和氢氧化钙浆液和超临界CO₂通过逐渐缩小的变径管道加速压入碳化反应器中；

(4)通过正反桨涡轮组合将送入碳化反应器的饱和氢氧化钙浆液和超临界CO₂搅拌，同时通过晶型控制剂入口加入晶型控制剂；

(5)将反应生成碳酸钙浆体从瓦尔喷口排出，排出物即为沉淀碳酸钙。

应当注意的是，将超临界CO₂加速到1.5马赫目的只是为了将超临界CO₂压入到精浆入口并深入到饱和氢氧化钙浆液中。

本发明装置的工作原理及过程：

饱和氢氧化钙溶液自精浆入口1进入碳化反应器3，超临界CO₂从超临界CO₂输入喷管2喷入碳化反应器3。饱和氢氧化钙溶液和超临界CO₂同时进入碳化反应器3进行反应，生成碳酸钙浆体。正反桨涡轮组合4与中心轴7通过轴承连接，由于装配方向不同，一个涡轮正转，另一个反转，共同对沉淀碳酸钙浆体进行搅拌，使得生成的碳酸钙粒径更为细小，并不断把生成的碳酸钙浆体向后推动，同时也起到高速均化的作用。晶型控制剂自晶型控制剂入口5加入，对碳酸钙浆体进行表面包裹改性。加工好的碳酸钙浆体自拉瓦尔喷口6排出。设备检修时从人孔8进入进行检修维护。

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示的技术范围内，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。