氨碱盐泥碳化反应宏观动力学研究

doi:10.19964/j.issn.1006-4990.2021-0580

摘要/Abstract

摘要：

盐泥是氨碱法纯碱生产过程中盐水精制过程产生的固体废弃物，有效成分为氢氧化镁、硫酸钙、碳酸钙、氯化钠等，全球每年产生大约5 500万t盐泥，其资源化利用已成为纯碱生产企业亟待解决的问题。提出采用碳化法分离盐泥中的钙和镁，使其转化为碳酸钙和硫酸镁产品，探讨了固液比、反应温度、盐泥颗粒粒度等工艺条件对镁提取率的影响。研究结果表明：随着固液比、盐泥颗粒粒度的减小以及反应温度的升高，镁的提取率逐渐升高，当固液质量体积比（g/mL）为1/10、反应温度为50 ℃、盐泥颗粒粒度≤75 μm条件下，盐泥中镁的提取率达到96.04%；通过将实验数据带入缩芯模型中进行拟合，结果表明氨碱盐泥碳化过程符合颗粒粒径不变的缩芯模型，经计算该反应的活化能为24.22 kJ/mol，并且该过程为盐泥中氢氧化镁的溶解控制。此为碳化反应器的放大提供了理论基础。

关键词: 氨碱盐泥, 碳化法, 宏观动力学, 活化能

Abstract:

Salt sludge is the waste discharged from the refined brine process during the production of soda，its effective components is mainly Mg（OH）₂，CaSO₄，CaCO₃，NaCl，etc.In the world，about 55 million tons of salt sludge is produced every year，and its comprehensive utilization techniques has become an urgent problem to be solved by soda production enterprises.A carbonization method was proposed to separate calcium and magnesium from salt sludge and convert them into calcium carbonate and magnesium sulfate products.The effect of solid-liquid ratio，reaction temperature，salt sludge particle size on magnesium extraction rate was researched.The results showed that with the decrease of solid?liquid ratio，the size of salt sludge particles and the increase of reaction temperature，the extraction rate of magnesium was gradually increased. It was found that the extraction rate of magnesium in salt sludge reached 96.04% under the conditions of solid?liquid ratio（g/mL） of 1∶10，reaction temperature of 50 ℃ and salt sludge particle size of ≤75 μm.The shrinking core model was used for fitting，and the carbonization process could be fitted the shrinking core model with constant particle size.The results showed that the rate controlling step of salt sludge on carbon dioxide absorption process was magnesium hydroxide dissolu?

tion control，and the activation energy was 24.22 kJ/mol.This research could provide basic theory for the scale?up of salt sludge carbonization reactors.

Key words: ammonia alkali salt sludge, carbonization, macro kinetics, activation energy

中图分类号:

TQ132.2

张少康,赵华,刘润静. 氨碱盐泥碳化反应宏观动力学研究[J]. 无机盐工业, 2022, 54(6): 120-124.

ZHANG Shaokang,ZHAO Hua,LIU Runjing. Study on macro?kinetics of carbonization reaction of ammonia alkali salt sludge[J]. Inorganic Chemicals Industry, 2022, 54(6): 120-124.

图/表 10

图1

图2

图3

图4

图5

图6

表1

表2

表 3

图7

参考文献 25

1	刘润静，刘兴，罗慧慧，等.氯化铵浸取法回收盐泥中的镁［J］.化工环保，2019，39（5）：552-556.
	LIU Runjing， LIU Xing， LUO Huihui，et al.Recovery of magnesium from salt sludge by leaching with ammonium chloride［J］.Environmental Protection of Chemical Industry，2019，39（5）：552-556.
2	王锐清.氨碱法纯碱生产废渣的开发利用进展［J］.纯碱工业，2005（6）：16-19.
	WANG Ruiqing.Progress on exploitation and utilization of waste residue in ammonia soda industry［J］.Soda Industry，2005（6）：16-19.
3	张润泽.氨碱法纯碱生产中废液废渣的治理和综合利用［J］.化工管理，2015（8）：225.
	ZHANG Runze.The comprehensive utilization and harnessing of waste liquid and waste residuce in producing process of sodium carbonate［J］.Chemical Enterprise Management，2015（8）：225.
4	王晓娜，张云净，王亚飞，等.氨碱法纯碱厂废渣综合利用［J］.化学工程师，2014，28（2）：32-34.
	WANG Xiaona， ZHANG Yunjing， WANG Yafei，et al.Comprehensive utilization for alkaline slag in the soda production by ammonia⁃soda process［J］.Chemical Engineer，2014，28（2）：32-34.
5	朱春来，刘素芹.基于氨碱法纯碱生产中废液及碱渣的综合利用研究［J］.化工管理，2018（14）：144-145.
	ZHU Chunlai， LIU Suqin.Study on comprehensive utilization of waste liquid and alkali residue in soda ash production based on ammonia⁃alkali method［J］.Chemical Enterprise Management，2018（14）：144-145.
6	崔耀星，陈留平，徐俊辉，等.盐泥资源综合利用的研究进展［J］.氯碱工业，2018，54（4）：33-36，40.
	CUI Yaoxing， CHEN Liuping， XU Junhui，et al.Research progress on comprehensive utilization of salt mud resources［J］.Chlor⁃Alkali Industry，2018，54（4）：33-36，40.
7	颜鑫，吴健谊，卢云峰，等.氨碱厂碱渣充分综合利用新技术的研究［J］.无机盐工业，2021，53（1）：68-71.
	YAN Xin， WU Jianyi， LU Yunfeng，et al.Study on new technology of comprehensive utilization of alkali residue in ammonia alkali plant［J］.Inorganic Chemicals Industry，2021，53（1）：68-71.
8	黎艳，王娟芳，吴彬，等.利用盐泥制取轻质氧化镁［J］.化工环保，2013，33（2）：144-148.
	LI Yan， WANG Juanfang， WU Bin，et al.Preparation of light magnesium oxide from salt mud［J］.Environmental Protection of Che⁃
	Industry mical，2013，33（2）：144-148.
9	孙维兵，侯梦迪.浅谈石灰纯碱法精制盐水［J］.纯碱工业，2019（2）：11-13.
	SUN Weibing， HOU Mengdi.Refining brine technique by using lime⁃soda method［J］.Soda Industry，2019（2）：11-13.
10	云玉娥，刘艳娟，王秉钧.盐水精制过程中用硫酸钠除钙可行性试验分析［J］.化学工程师，2016，30（6）：79-80，72.
	YUN Yue， LIU Yanjuan， WANG Bingjun.Experimentation of the brine purity for removing calcium by sodium sulfate［J］.Chemical Engineer，2016，30（6）：79-80，72.
11	刘润静，刘兴，赵华，等.一种盐泥生产轻质碳酸钙和七水硫酸镁的方法：中国，109574055B［P］.2021-03-26.
	LIU Runjing， LIU Xing， ZHAO Hua，et al.A method for producing light calcium carbonate and magnesium sulfate heptahydrate from salt mud：CN，109574055B［P］.2021-03-26.
12	陈建峰，刘润静，沈志刚，等.超重力反应沉淀法制备碳酸钙的过程与形态控制［J］.过程工程学报，2002，2（4）：309-313.
	CHEN Jianfeng， LIU Runjing， SHEN Zhigang，et al.High⁃gravity reactive precipitation process and morphology control for precipitated calcium carbonate［J］.The Chinese Journal of Process Engineering，2002，2（4）：309-313.
13	周相廷，翟学良，刘百年，等.Mg（OH）₂的结晶性和粒度对碳酸化的影响：Ⅱ.影响Mg（OH）₂浆液碳酸化的因素［J］.无机盐工业，1996，28（5）：13-15.
	ZHOU Xiangting， ZHAI Xueliang， LIU Bainian，et al.Effect of Mg（OH）₂crystallinity and particle size Mg（OH）₂ on the carbonationⅡ.Factors affecting the carbonation of the slurry［J］.Inorganic Chemicals Industry，1996，28（5）：13-15.
14	YANG Weiguo， WANG Jinfu， JIN Yong.Gas⁃liquid mass transfer in a slurry bubble column reactor under high temperature and high pressure［J］.Chinese Journal of Chemical Engineering，2001，
	9（3）：253-257.
15	DU Yi， FU Changqing， GONG Bengen，et al.Real⁃time investigation of the CO₂ mineral carbonation reaction rate through direct aqueous route using semi-dry desulfurization slag［J］.Journal of CO₂ Utilization，2021，51.Doi：10.1016/j.jcou.2021.101614 .
16	BHARADWAJ H K， LEE J Y， LI Xin，et al.Dissolution kinetics of magnesium hydroxide for CO₂ separation from coal⁃fired power plants［J］.Journal of Hazardous Materials，2013，250-251：292- 297.
17	ANTONY M P，JHA A， TATHAVADKAR V.Alkali roasting of Indian chromite ores：Thermodynamic and kinetic consideratio⁃
	ns［J］.Mineral Processing and Extractive Metallurgy，2006，115（2）：71-79.
18	伊元荣，韩敏芳.钢渣湿法捕获CO₂反应机制研究［J］.环境科学与技术，2013，36（6）：159-163，190.
	YI Yuanrong， HAN Minfang.Study on reaction mechanism of CO₂ capture by wet steel slag［J］.Environmental Science & Technology，2013，36（6）：159-163，190.
19	王余莲，印万忠，张夏翔，等.三水碳酸镁法制备碱式碳酸镁过程研究［J］.矿产保护与利用，2017（4）：81-86.
	WANG Yulian， YIN Wanzhong， ZHANG Xiaxiang，et al.Preparation of hydromagnesite using nesquehonite method［J］.Conservation and Utilization of Mineral Resources，2017（4）：81-86.
20	伊文涛，闫春燕，马培华.碳酸锂常压鼓泡碳化宏观反应动力学研究［J］.化工矿物与加工，2009，38（3）：1-4，27.
	YI Wentao， YAN Chunyan， MA Peihua.Macro⁃kinetics study on bubbling carbonation of Li₂CO₃ slurries at atmospheric pressure［J］.Industrial Minerals & Processing，2009，38（3）：1-4，27.
21	CATTANEO A， GUALTIERI A F， ARTIOLI G.Kinetic study of the dehydroxylation of chrysotile asbestos with temperature by in situ XRPD［J］.Physics and Chemistry of Minerals，2003，30（3）：177-183.
22	朱炳辰.化学反应工程［M］.北京：化学工业出版社，1993.
	ZHU Bingchen.Chemical reaction engineering［M］.Beijing：Che⁃
	mical Industy Press，1993.
23	XIE Pengfei， LI Liqing， HE Zhicheng，et al.Gas⁃liquid mass trans⁃
	fer of carbon dioxide capture by magnesium hydroxide slurry in a bubble column reactor［J］.Journal of Central South University，2019，26（6）：1592-1606.
24	ASHRAF W， OLEK J.Carbonation activated binders from pure calcium silicates：Reaction kinetics and performance controlling factors［J］.Cement and Concrete Composites，2018，93：85-98.
25	丁珂，孙晓君，李会杰，等.氧化镁蒸氨反应的动力学和机理研究［J］.无机盐工业，2019，51（11）：31-35.
	DING Ke， SUN Xiaojun， LI Huijie，et al.Study on kinetics and mechanism of ammonia evaporation reaction of magnesium oxi⁃
	de［J］.Inorganic Chemicals Industry，2019，51（11）：31-35.

动力学控制步骤	颗粒大小不变	颗粒缩小
外扩散控制	η=k₁t①	1-（1-η）^2/3=k₄t④
化学反应控制	1-（1-η）^1/3=k₂t②
内扩散控制	1-3（1-η）^2/3+2（1-η）=k₃t③

方程	R²
方程	20 ℃	40 ℃	50 ℃	60 ℃	80 ℃
①	0.923 1	0.924 4	0.924 6	0.923 2	0.921 1
②	0.965 4	0.966 2	0.968 9	0.967 5	0.967 1
③	0.992 7	0.993 9	0.997 3	0.992 6	0.995 6
④	0.969 5	0.972 1	0.969 7	0.961 1	0.971 6

模型	温度/℃	R²	k
③	20	0.992 7	0.005 3
	40	0.993 9	0.008 4
	50	0.997 3	0.012 2
	60	0.992 6	0.013 8
	80	0.995 6	0.017 2

[1]	向梦琪, 孟华, 王烨, 孟宪章, 白宇航, 王余军垚, 张译丹. 钛石膏中铁浸出动力学及其酸浸循环工艺研究[J]. 无机盐工业, 2024, 56(1): 114-120.
[2]	陈燕萌, 莫慧玲, 钟家美, 杨鹏飞, 蓝峻峰. 碳化法制备多孔碳酸钙的工艺研究[J]. 无机盐工业, 2023, 55(8): 102-108.
[3]	田朋, 周若辉, 徐前进, 刘坤吉, 庞洪昌, 宁桂玲. 不同粒径薄水铝石微晶的合成及其脱水动力学分析[J]. 无机盐工业, 2023, 55(11): 27-36.
[4]	张少康,赵华,刘润静. 氨碱盐泥碳化反应宏观动力学研究[J]. 无机盐工业, 2022, 54(6): 120-124.
[5]	赵历,卓民权,龚福忠,王俊,阮恒,李开成,李艳琳. 碳化法制备球霰石碳酸钙微球及形成机理[J]. 无机盐工业, 2021, 53(3): 38-43.
[6]	谢娟,刘松林,陶绍程,胡厚美,刘旭. 高镁磷尾矿碳化法制备碱式碳酸镁研究[J]. 无机盐工业, 2021, 53(12): 135-139.
[7]	徐大瑛,耿文娟,钱德全,薛瑞. 几种糖类物质对纳米碳酸钙结晶的影响[J]. 无机盐工业, 2021, 53(11): 77-80.
[8]	杨晓红,薛希仕,张露露,常军. 电解锰渣盐酸浸取钙的动力学研究[J]. 无机盐工业, 2021, 53(1): 82-86.
[9]	张燕,赵振中,马朝辉,赵彦才,陈治毓,马正强. 碳化法制备电池级碳酸锂工艺优化研究[J]. 无机盐工业, 2020, 52(3): 68-71.
[10]	王耀宣,袁爱群,周泽广,黄增尉,马少妹,韦冬萍. 球霰石型纳米碳酸钙椭球形颗粒的合成[J]. 无机盐工业, 2020, 52(1): 54-58.
[11]	丁珂1，孙晓君1，李会杰1，黄娜娜1，仇龙1，刘云义1，2，李雪1，2. 氧化镁蒸氨反应的动力学和机理研究[J]. 无机盐工业, 2019, 51(11): 31-35.
[12]	向乐凯, 李枫, 赵宁, 王峰, 肖福魁, 王军威. 二氧化碳鼓泡碳化法制备碳酸钙的研究[J]. 无机盐工业, 2016, 48(8): 46-.
[13]	王苗捷, 郝雅娟, 杨恒权, 程芳琴. 碳化法制备高比表面积白炭黑工艺研究[J]. 无机盐工业, 2016, 48(3): 59-.
[14]	金维, 徐跃鑫, 周骏宏, 王珏. 磷尾矿水洗-碳化法制氢氧化镁和碳酸钙研究[J]. 无机盐工业, 2016, 48(3): 49-.
[15]	陈建铭, 牛晓红, 王晓彤, 宋云华. 采用定-转子碳化反应器制备高活性氧化镁[J]. 无机盐工业, 2016, 48(12): 40-.

首页

全国无机盐信息中心

中国化工学会

无机酸碱盐专业委员会