Способ получения гипса

Способ получения гипса

Реферат

Изобретение относится к способу получения гипса, предназначенного для использования в качестве вяжущего в производстве строительных материалов, а также в различных отраслях химической промышленности.

В настоящее время, особенно в производстве строительных материалов, используют, в основном, природный гипс. Однако в настоящее время значительная часть месторождений гипсового камня находится не в России, а в ближайшем зарубежье, в том числе и месторождения наиболее высококачественного гипсового камня. Вследствие этого существенно обострились проблемы производства высокопрочного гипса из низкокачественного сырья месторождений России, особенно в центральных регионах и Сибири.

Известен способ получения гипса путем непосредственного смешения карбоната кальция с размером частиц 200 мкм с серной кислотой концентрацией 60-85% при температуре 20-70°С. В результате получают смесь дигидрата и полугидрата сульфата кальция. Затем проводят стабилизацию в течение 7-12 часов и сушат на воздухе в течение 20 часов или при температуре 130°С 10 часов. Концентрационные и температурные условия приводят к неполному разложению СаСО₃. Продукт, представляющий собой смесь дигидрата и полугидрата CaSO₄, нестабилен. Процесс длителен. Все это делает его неприемлемым при многотоннажном производстве (патент JP 07330329 A МИК C01F 11/46, 1995 г.).

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является другой известный способ получения гипса, включающий смешение карбоната кальция, воды и серной кислоты с последующей выдержкой полученной смеси при повышенной температуре, фильтрацией и промывкой с отделением осадка гипса и обезвоживанием его.

По этому способу карбонат кальция измельчают до размера частиц 10-40 мкм, смешивают с водой в соотношении Т:Ж=1:(1,25-10), а затем пульпу добавляют в раствор серной кислоты концентрации 8-40% (свободная кислотность в суспензии не более 4-8 г/л). В результате получают суспензию, в которой CaSO₄ находится в виде дигидрата, Т:Ж=1:(3-12). Перемешивание ведут в течение 0,25-2 часов при температуре 45-50°С. Остаточное содержание непрореагировавшего карбоната кальция составляет от 0,5 до 5%, в оптимальных условиях от 0,5 до 3%. Далее суспензию фильтруют, промывают, если необходимо сушат или разделяют на фильтр-прессе без последующей сушки.

Данный способ является технологически достаточно сложным, так как требует предварительного измельчения сырья, а следовательно, объемную аппаратуру и повышенные затраты электроэнергии, а также получение по описанной технологии мелких игольчатых кристаллов усложняет процесс фильтрации. В описанном способе предъявляются достаточно жесткие требования к исходному сырью: содержание веществ, не растворимых в соляной кислоте, белизна, крупность (патент США №5376351, 1994, C01F 11/46).

Задача нашего способа - разработка технологии получения гипса для многотоннажного производства, а следовательно, значительное упрощение процесса за счет исключения стадии измельчения сырья, а также возможности проведения стадии фильтрации с использованием широко применяемых в масштабных производствах ленточных фильтров. При этом поставлена также задача получения гипса, содержащего не более 1,2% карбоната кальция, а также минимальное содержание других примесей, которые находятся в исходном карбонате кальция (Fe, Al, Na и SiO₂).

Задача решена в предложенном способе получения гипса, включающем смешение карбоната кальция, воды и серной кислоты с последующей выдержкой полученной смеси при повышенной температуре, фильтрацией и промывкой с отделением осадка гипса и обезвоживанием его, в котором карбонат кальция и серную кислоту одновременно вводят в воду, причем серную кислоту берут концентрацией 60-93% в количестве 103-120% и взаимодействие ведут при температуре 70-85°С в течение 3,5-5,0 часа. При этом карбонат кальция берут либо в виде укрупненных частиц с размерами до 250 мкм, либо в виде суспензии - отхода производства мела с Т:Ж=1:(0,5-1,5). Обезвоживание ведут либо сушкой продукта при температуре не выше 60°С, либо центрифугированием, с последующим прессованием. При использовании прессования на стадию выдержки гипсовой пульпы до фильтрации дополнительно вводят нейтрализующие агенты, такие как мел, известь, гашеная и негашеная. В качестве карбоната кальция возможно брать конверсионный мел.

Сущность способа заключается в следующем.

Для существенного упрощения процесса важно использовать легкодоступное сырье без его предварительной подготовки и при этом получить необходимый по качеству продукт. Поэтому технологические приемы и параметры процесса направлены на то, чтобы реакция разложения серной кислотой прошла наиболее полно. На это влияет одновременная подача реагентов в воду, а также повышенная норма серной кислоты, температура процесса. При одновременной подаче реагентов в воду при разложении удается избежать пересыщения по сульфат-иону, что позволяет в конечном итоге получить крупные кристаллы. Концентрация кислоты выбрана исходя из объемов технологического оборудования, наиболее целесообразным является использование серной кислоты концентрацией 60-93%. Норма кислоты варьируется в пределах 103-120% от стехиометрии. Снижение количества кислоты ниже 103% приведет к снижению степени разложения карбоната кальция за счет недостатка серной кислоты, а при ее норме выше 120% также происходит снижение степени разложения карбоната кальция за счет образования сульфатных корок на поверхности крупных частиц и прекращения химической реакции, кроме этого возникает перерасход серной кислоты. Время процесса выбрано в таком интервале, чтобы К_разл сырья был не менее 97%. Смесь нагревают до температуры 70-85°С. Достаточная продолжительность процесса перемешивания суспензии образовавшегося гипса 3,5-5 часов.

Способ осуществляют следующим образом.

Пример осуществления способа.

Все опыты проводили на пробе следующего химического состава (мас.%): СаСО₃ 98,0; MgCO₃ 0,74; Fe 0,37; Al 0,52; н.о. 1,5; Mn 0,023; Pb 5·10^-4; As <0,001 (в пересчете на сухое вещество).

Навеску 1000 г исходного природного мела крупностью 0,25 мм смешивают с водой (или оборотным раствором, полученным после промывки гипса) в количестве 1500 г, получая 2500 г суспензии мела, которую дозируют одновременно с 1438,6 г серной кислоты концентрацией 72%, в воду массой 4906 г (или оборотный раствор, полученный после промывки гипса). Расход кислоты составляет 106% от стехиометрической нормы. В суспензию гипса на стадию перемешивания добавляют 24,3 г гашеной извести. Соотношение Т:Ж в суспензии составляет 1:3,9, рН 2,4, общая масса 8428 г, полученную суспензию перемешивают при температуре 80°С в течение 4 часов. Суспензию фильтруют и осадок - дигидрат сульфата кальция - продукт промывают водой 3 раза противотоком. Дигидрат сульфата кальция в количестве 2894,2 г влажностью 40% отправляют на стадии центрифугирования и прессования. Первый промывной раствор в количестве 4573,1 г и второй промывной раствор в количестве 1869,1 г могут быть использованы в качестве оборотного и раствора для приготовления суспензии мела. Дигидрат сульфата кальция (в пересчете на сухое вещество) содержит 97,0% основного вещества, 0,008% Fe, <0,01% Mg, 0,01% Mn, 1,0% СаСО₃, кристаллы имеют соотношение длины и ширины (3-4):1.

Условия и полученные результаты в остальных опытах сведены в прилагаемые таблицы.

В таблицах 1, 2 представлены условия проведения опытов, в таблицах 1а, 2а-показатели качества гипса, причем номера опытов в таблице 1, 2 соответствуют номерам в таблицах 1а, 2а.

Анализ представленных таблиц показывает, что предложенный способ позволяет получать гипс из относительно дешевого сырья и делает его актуальным для получения вяжущих продуктов.

Таблица 1
Технологические показатели процесса переработки мела и характеристика полученного гипса без нейтрализующих добавок
№ п/п	Т:Ж суспензии мела	% нормы от стехиометрии H2SO4	Концентрация H2SO4,%	Температура, °С	Продолжительность кристаллизации, ч	Обезвоживание
Природный мел
1	1:1	103	60	80	4,0	сушка
2	1:1	103	70	80	4,0	сушка
3	1:1	103	93	80	4,0	сушка
4	1:1	103	80	80	4,0	сушка
5	1:1	112	80	80	4,0	сушка
6	1:1	120	80	80	4,0	сушка
7	1:1	115	85	70	4,0	сушка
8	1:1	115	85	78	4,0	сушка
9	1:1	115	85	85	4,0	сушка
10	1:1	115	85	85	3,5	сушка
11	1:1	115	85	85	4,0	сушка
12	1:1	115	85	85	5,0	сушка
13	1:0,5	120	80	85	4,5	сушка
14	1:1,5	120	80	85	4,5	сушка
15	1:1,5	120	93	80	3,5	сушка
16	1:1.5	113	85	85	4,0	сушка
17	1:1,5	103	60	85	5,0	сушка
Конверсионный мел
18	1:1,5	103	93	85	4,0	сушка
19	1:1,5	120	60	75	5,0	Центрифугирова ние

Таблица 1а
Химический состав гипса, полученного без нейтрализующих добавок (мас.%).
№ п/п	CaSO42H2O	Fe	Mg	Mn	СаСО3	P2O5	Размер кристаллов, мкм
Природный мел
1	97,2	0,003	<0,01	<0,01	0,9	-	80-60×25-15
2	97,1	0,003	<0,01	<0,01	1,0	-	80-60×25-15
3	97,4	0,002	<0,01	<0,01	0,8	-	80-60×25-15
4	97,1	0,004	<0,01	<0,01	1,2	-	80-60×25-15
5	97,5	0,002	<0,01	<0,01	0,6	-	80-60×25-15
6	97,2	0,002	<0,01	<0,01	0,9	-	80-60×25-15
7	97,5	0,002	<0,01	<0,01	0,7	-	80-60×25-15
8	97,4	0,002	<0,01	<0,01	0,8	-	80-60×25-15
9	97,6	0,002	<0,01	<0,01	0,5	-	80-60×25-15
10	97,4	0,002	<0,01	<0,01	0,7	-	80-60×25-15
11	97,3	0,003	<0,01	<0,01	1,0	-	80-60×25-15
12	97,1	0,003	<0,01	<0,01	1,1	-	80-60×25-15
13	97,3	0,004	<0,01	<0,01	0,9	-	80-60×25-15
14	97,4	0,005	<0,01	<0,01	0,8	-	80-60×25-15
15	97,5	0,004	<0,01	<0,01	0,6	-	80-60×25-15
16	97,5	0,004	<0,01	<0,01	0,6	-	80-60×25-15
17	97,6	0,002	<0,01	<0,01	0,5	-	80-60×25-15
Конверсионный мел
18	97,6	0,004	<0,01	<0,01	0,7	0,02	40-60×15-20
19	98,0	0,005	<0,01	<0,01	0,5	0,02	40-60×15-20

Таблица 2Технологические показатели процесса переработки мела и характеристика полученного гипса с нейтрализующими добавками
№ п/п	Т:Ж суспензии мела	% нормы от стехиометрии H2SO4	Концентрация H2SO4,%	Температура, °С	Продолжительность кристаллизации, ч	Нейтрализующая добавка
Природный мел
1	1:0,5	103	60	80	4,5	Мел
2	1:0,5	111	93	85	3,5	Гашеная известь
3	1:0,5	120	80	75	5,0	Негашеная известь
4	1:1	120	60	80	3,5	Гашеная известь
5	1:1	110	85	85	5,0	Негашеная известь
6	1:1	103	93	75	4,0	Мел
7	1:1,5	103	60	85	4,0	Гашеная известь
8	1:1,5	110	85	75	3,5	Мел
9	1:1,5	120	93	80	5,0	Негашеная известь
10	-	103	93	75	3,5	Гашеная известь
11	-	110	85	80	4,0	Мел
12	-	120	60	85	5,0	Негашеная известь
Конверсионный мел
13	-	103	93	85	4,0	Мел
14	-	120	60	75	5,0	Негашеная известь

Таблица 2а
Химический состав гипса, полученного с нейтрализующими добавками (мас.%)
№ п/п	CaSO42H2O	Fe	Mg	Mn	СаСО3	P2O5	Размер кристаллов, мкм
Природный мел
1	97,0	0,01	<0,01	<0,01	1,2	-	80-60×25-15
2	97,7	0,002	<0,01	<0,01	0,6	-	80-60×25-15
3	97,4	0,008	<0,01	<0,01	0,8	-	80-60×25-15
4	97,1	0,009	<0,01	<0,01	1,1	-	80-60×25-15
5	97,5	0,006	<0,01	<0,01	0,7	-	80-60×25-15
6	97,2	0,008	<0,01	<0,01	1,0	-	80-60×25-15
7	97,5	0,005	<0,01	<0,01	0,7	-	80-60×25-15
8	97,0	0,009	<0,01	<0,01	1,1	-	80-60×25-15
9	97,8	0,002	<0,01	<0,01	0,6	-	80-60×25-15
10	97,3	0,006	<0,01	<0,01	0,9	-	80-60×25-15
11	97,1	0,01	<0,01	<0,01	1,1	-	80-60×25-15
12	97,6	0,004	<0,01	<0,01	0,7	-	80-60×25-15
Конверсионный мел
13	97,4	0,004	<0,01	<0,01	0,8	0,03	40-60×15-20
14	97,8	0,006	<0,01	<0,01	0,5	0,02	40-60×15-20

1. Способ получения гипса, включающий смешение карбоната кальция, воды и серной кислоты с последующей выдержкой полученной гипсовой пульпы при повышенной температуре, фильтрацией и промывкой с отделением осадка гипса и обезвоживанием его, отличающийся тем, что карбонат кальция и серную кислоту одновременно вводят в воду, причем серную кислоту берут концентрацией 60-93% в количестве 103-120% от стехиометрии и полученную гипсовую пульпу выдерживают при температуре 70-85°С в течение 3,5-5 ч.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что карбонат кальция берут размером частиц до 250 мкм или в виде суспензии - отхода производства мела с Т:Ж=1:(0,5-1,5).

3. Способ по одному из пп.1 или 2, отличающийся тем, что обезвоживание осадка гипса ведут сушкой при температуре не выше 60°С или центрифугированием с последующим прессованием.

4. Способ по одному из пп.1 или 3, отличающийся тем, что при обезвоживании осадка гипса центрифугированием с последующим прессованием на стадию выдержки гипсовой пульпы до фильтрации вводят нейтрализующие агенты, такие как мел или известь.

5. Способ по одному из пп.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве карбоната кальция берут конверсионный мел.