Одержання вапна

Мета роботи: провести та дослідити процеси розкладання (термічної дисоціації) вапняку та його гасіння, визначити вихід вапна та оксиду карбону (IV). Вивчити властивості негашеного і гашеного вапна.

8.1 Стислі теоретичні відомості

Вапно та оксид карбону (IV) одержують шляхом випалювання карбонатної сировини в шахтних та обертових печах, а також у киплячому шарі. За високих температур відбувається термічна дисоціація кальцію карбонату, якій міститься у вапняку, з поглинанням теплоти за реакцією:

кДж. (8.1)

Ця реакція оборотна та ендотермічна, тому для зміщення рівноваги вправо необхідно підвищувати температуру та знижувати парціальний тиск над кальцієм карбонатом.

Константа рівноваги реакції термічної дисоціації дорівнює:

, (8.2)

де , , і – концентрації реагуючих речовин, моль/дм³.

Оскільки та тверді речовини, то їх концентрації сталі, а концентрацію газу можна подати через його парціальний тиск, тому:

. (8.3)

Для температур, які мають практичне значення, зазвичай використовують наближений вираз (тиск у мм рт. ст.):

. (8.4)

Термічна дисоціація розпочинається вже при 873 К, при температурі близько 1173 К тиск досягає 775 мм рт. ст. (тобто практично атмосферного) і розкладання відбувається інтенсивно.

За практичними даними максимальний парціальний тиск в процесі випалювання вапняку в виробництві соди складає 35 ÷ 40 кПа (тобто 35 ÷ 40% об., враховуючи атмосферний тиск, що дорівнює ~100 кПа). Це пояснюється умовами випалювання: компенсація ендоефекта реакції (8.1) відбувається спалюванням вугілля киснем повітря, що подається в шахтну піч. Кількість повітря і визначає концентрацію оксиду карбону (IV) у газовій суміші. В печах іншої конструкції для підтримання високої температури подається топковий газ, що також призводить до розбавлення оксиду карбону (IV). З метою інтенсифікації процесу випалювання та досягнення високого ступеню термічної дисоціації у вапно у випалювальних печах підтримують температуру у межах 1173÷1473 К. Перевищення цієї межі небажано, тому що відбувається спікання маси, яке призводить до погіршення якості вапна та порушення нормального процесу випалювання.

Механізм процесу термічної дисоціації характеризується такими стадіями:

а) руйнування часточок з утворенням і ;

б) формування кристалів ;

в) десорбція, а потім дифузія .

Швидкість реакції розкладання залежить від температури, ступеню дисперсності вапняку, парціального тиску та інших чинників. Під час випалювання грудкового вапняку за високої температури і низького парціального тиску лімітуючим процесом буде передача теплоти. При відносно низькій температурі і високому парціальному тиску лімітуючим процесом буде дифузія крізь шар продуктів реакції. При дуже подрібненому вапняку лімітуючою стадією буде сама хімічна реакція.

На швидкість розкладання вапняку (крейди) впливає парціальний тиск , чим менше концентрація в навколишньому середовищі, тим вища швидкість термічної дисоціації . Одночасно із закінченням дисоціації в одному шарі шматка , у другому шарі виникає аналогічна реакція, яка, поширюючись відокремлює декарбонізовану зону від зони реакції.

Швидкість переміщення зони дисоціації вапняку (крейди) W можна розрахувати за емпіричною формулою Фернеса, мм/год:

, (8.5)

де t – температура досліду, .

Рівняння Фернеса є наближеним, оскільки в ньому не враховано вплив форми та розмірів шматків вапняку. Але відмінність між експериментальними й обчисленими даними незначна, тому її можна використовувати для практичних розрахунків.

Час , який необхідний для повного розкладання частинки вапняку певного розміру, можна визначити за формулою, год:

, (8.6)

де d – діаметр частинки вапняку, мм.

Випалене вапно (грудкове або вапно-кипілка) є лише напівпродуктом (негашене вапно). Для подальшого його застосування воно переводиться у порошкоподібний стан, в тісто або в молоко. Це здійснюють шляхом його гасінням. Гасінням називається процес взаємодії вапна з водою, при якому воно перетворюється у кальцію гідроксид. Найбільшою активністю і швидкістю гасіння характеризується вапно, випалене при 1173–1273 К.

Так, при виробництві кальцинованої соди для регенерації аміаку використовують вапняне молоко. Воно являє собою в’язку суспензію кальцію гідроксиду , яку отримують гасінням (гідратацією) вапна надлишком води за реакцією:

кДж. (8.7)

Під час гасіння вапна великою кількістю води утворюється водна суспензія з колоїдними властивостями. Така суспензія містить позитивно заряджені часточки, що є кристалітами , оточеними молекулами води. Реакція гасіння вапна оборотна. При температурі 820 К пружність пари при дисоціації (на і ) дорівнює 0,1 МПа (тобто атмосферному) і реакція іде в зворотному напряму. На практиці доцільно проводити процес при температурах не вище 373 К.

Теоретично при n=1 для гасіння вапна необхідна кількість води – 32,14% маси . На практиці для гасіння вапна потрібно значно більше води, оскільки частина її випаровується за рахунок тепла, що виділяється. Залежно від того, скільки води витрачено для гасіння, отримують три різних кінцевих продукта. Якщо кількість води становить близько 70% маси вапна, отримують гашене або гідратне вапно. Гідратне вапно – це дрібний порошок (пушонка) з розміром зерен ~0,01 мм і менше. Якщо води для гасіння взято 200÷250%, то утворюється пластичне вапняне тісто. При використані більшої кількості води отримують вапняне молоко.

На процес гасіння впливають домішки. Силікати та алюмінати, які утворились у процесі випалювання, під час гасіння поступово гідратуються. Частина ошлакованих шматків, так званий перепал, а також , що не розклався – недопал, не гасяться і залишаються у вигляді баласту.

Крихке, м’яко випалене вапно, яке містить мало домішок, гаситься швидко. Щільне вапно з великою кількістю домішок гаситься повільно. Згідно цьому вапно поділяють на три сорта: швидкого (τ гасіння не більше 8 хвилин), середнього (τ до 25 хвилин) та повільного гасіння (τ понад 25 хвилин).

Оптимальний режим приготування вапняного молока залежить від багатьох чинників: структури вихідної сировини, складу домішок, температури та тривалості випалювання карбонатної сировини в печах, температури води, що використовується для гасіння та ін. Гасіння вапна здійснюється у горизонтальних обертових барабанах підігрітою водою за температури 363÷368 К. При цьому одержують вапняне молоко, яке містить 230÷260 г/дм³ .