论文部分内容阅读
硫酸钙（简称为DH）或称废石膏，是一种含钙工业固体废弃物，根据来源不同可分为磷石膏、脱硫石膏、氟石膏等。废石膏消纳目前多以堆砌为主，存在污染环境、占用土地等弊端。为解决废石膏资源化利用问题，本文提出了氨碳化-钙转化两步法制备碳酸钙工艺路线。研究内容包括氨碳化过程的模拟与优化，硫酸钙与氨碳化产物（碳酸氢铵及碳酸铵）反应的结晶过程研究，硫酸钙与氨、二氧化碳反应的过程集成与优化以及硫酸钙低温转化过程关键装备的概念设计。 采用Aspen Plus软件开展氨碳化过程的工艺过程模拟。采用Aspen Plus软件，模拟分析工艺操作参数对碳化过程的影响，寻找相对优化的工艺参数，为后续硫酸钙低温转化过程研究奠定基础。通过模拟结果分别给出了碳酸氢铵和碳酸铵的制备条件。模拟的碳酸氢铵制备条件为:氨气气速略大于二氧化碳的气速，反应温度为273.15K＜T＜329.15K。碳酸铵制备的模拟工艺条件为:氨气和二氧化碳的流速比在2-4之间，反应温度T＜291.15 K。 实验研究了硫酸钙与碳酸氢铵反应过程。考察了硫酸钙粒度、停留时间、反应物料比、反应温度等操作参数对硫酸钙转化过程的影响。在单因素实验的基础上，采用响应面法确定了硫酸钙低温转化过程的主要影响因素，建立了工艺参数与硫酸钙转化率的预测方程，得到硫酸钙转化最佳工艺条件为:反应温度为320.35 K、物料比为2.1、碳铵浓度为1.8 mol·L-1、搅拌转速为337 rpm，预测最优条件下硫酸钙转化率为99.9％。在此基础上，组织最佳条件下的实验验证，测得硫酸钙转化率为99.7％。 实验研究了硫酸钙与碳酸铵反应过程。考察了硫酸钙粒度、停留时间、物料比、反应温度等操作参数对硫酸钙低温转化过程的影响。在单因素研究的基础上，设计正交实验并以正交实验结果为样本，采用BP神经网络对样本进行训练和预测，用正交-BP神经网络法，实现了对不同工艺条件下硫酸钙转化率的预测。 相比于硫酸钙和碳酸氢铵反应过程，硫酸钙与碳酸铵反应过程中，硫酸铵的高溶解度保证了后续硫酸铵蒸发结晶过程低能耗，同时碳酸钙与碳酸铵反应产品过滤性能相对较好，因此硫酸钙与碳酸铵的反应工艺路线较优。 对硫酸钙-碳酸铵反应过程的结晶动力学进行了研究。使用缩芯模型对硫酸钙-碳酸铵反应动力学进行研究，建立了工艺参数与硫酸钙转化率关系的数学模型，获得硫酸钙-碳酸铵反应过程活化能为63.38 KJ·mol-1;在间歇反应过程中，结合粒数衡算方程建立了碳酸钙的生长模型，给出了不同工艺条件下碳酸钙晶体的生长和成核参数，结合常见的粒数分布模型和粒度分布数据，对不同条件下碳酸钙晶体的生长模型进行了拟合。 在氨碳化和硫酸钙液固反应的基础上，开展了硫酸钙-氨-二氧化碳复杂体系反应结晶过程研究。研究发现，氨碳化过程模拟结果可以有效指导氨碳化产物的生成;根据氨碳化产物的不同，可以用硫酸钙-碳酸氢铵曲面响应模型或硫酸钙-碳酸铵反应中BP神经网络模型来预测硫酸钙-氨-二氧化碳的反应过程。 研究了各种杂质对硫酸钙转化过程的影响;针对硫酸钙-氨-二氧化碳反应体系，对年处理5万吨硫酸钙工艺过程中的主要设备碳化塔及相应换热器进行概念设计，获得主要几何结构参数和工艺操作参数。