CN102295420B - 一种以醇水溶液为结晶介质制备α-半水石膏方法 - Google Patents
一种以醇水溶液为结晶介质制备α-半水石膏方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种以醇水溶液为结晶介质制备α-半水石膏的方法,包括如下步骤:(1)将二水石膏加入到醇的水溶液中,混匀后形成二水石膏悬浊浆液;(2)将二水石膏悬浊浆液加热,进行常压水热相转化反应,得到α-半水石膏悬浊浆液;(3)将α-半水石膏悬浊浆液进行固液分离,分离出的固相用热水洗涤并干燥,得到α-半水石膏产品。本发明方法具有常压盐溶液法制备α-半水石膏的优点,弥补了杂质含量偏高、腐蚀生产系统等不足之处,生产条件则更加温和。
Description
技术领域
本发明涉及α-半水石膏的制备工艺,具体涉及以二水石膏为原料,常压溶液法制备α-半水石膏的方法。
背景技术
α-半水石膏是一种性能优良的石膏类型,其制品具有硬度大、强度高、耐磨性好等特点,价值远高于其他石膏类型,广泛应用于模具、模型、建筑、工艺美术、医学等领域。但自然产出的石膏是二水石膏和无水石膏,α-半水石膏则通过二水石膏脱水转化制得。
目前已经推广应用的α-半水石膏制备工艺大致分为两大类:气相蒸压法和液相蒸压法。这两类工艺的大致操作过程为:将经破碎、筛选或压制成型的二水石膏原料放置于密闭的高压反应釜,通入热蒸汽或热的媒晶剂溶液,在一定的压力条件下(如0.1-1MPa),控制温度高于二水石膏的脱水温度(如120-180℃),转化一段时间后将产物干燥或固液分离得到α-半水石膏。这些工艺采用压力设备,温度较高,多采用间歇式操作,生产周期长、能耗大,成本较高。
1960年,德国首次提出常压盐溶液法,其大致内容为:将二水石膏投入水中溶解,并加入一定质量浓度的电解质盐,包括氯化钙,氯化镁和氯化钾中的一种或几种,混匀后加热到一定温度,在常压下结晶反应一段时间,将产物经抽滤分离、洗涤和干燥后得到α-半水石膏。该工艺反应温度维持在90-100℃,无需高压设备,产品质量较好且易于控制,弥补了蒸压法的不足,近几年发展较快,国内已于2009年在常压盐溶液中完成脱硫石膏(二水石膏为主要成分)转化为α-半水石膏中试规模的研究。但该工艺还存在一些亟待改善的问题,主要包括1)采用盐酸盐水溶液为结晶介质,导致产品中混入较高含量的氯根离子,限制了产品的品级;2)盐酸盐夹带在α-半水石膏中,导致产品强度降低;3)高浓度盐酸盐溶液容易腐蚀金属设备。为此,人们正致力于开发能避免上述缺点的常压溶液结晶法制备α-半水石膏的工艺技术。目前有人提出一些以强酸为结晶介质的二水石膏生产α-半水石膏的方法,但仍基于电解质溶液为结晶介质。
发明内容
本发明提供一种常压下、在醇水溶液中,以二水石膏为原料制备α-半水石膏的结晶转化工艺。该方法具有常压盐溶液法制备α-半水石膏的优点,弥补了杂质含量偏高、腐蚀生产系统等不足之处,生产条件则更加温和。
一种以醇水溶液为结晶介质制备α-半水石膏的方法,包括如下步骤:
(1)将二水石膏加入到醇的水溶液中,混匀后形成二水石膏悬浊浆液;
(2)将二水石膏悬浊浆液加热,进行常压水热相转化反应,得到α-半水石膏悬浊浆液;
(3)将α-半水石膏悬浊浆液进行固液分离,分离出的固相用热水洗涤并干燥,得到α-半水石膏产品。
作为一种优选,可将步骤(3)分离出的液相和洗涤固相得到的洗涤液直接或回收醇后返回步骤(1)中使用。
所述的二水石膏的粒径优选20-150μm,由于在水溶液中二水石膏必须先溶解,才能结晶转化为α-半水石膏,二水石膏原料应优选为细颗粒状、粉末状,对于块状二水石膏,需经破碎磨细。
所述的醇为能与水混溶的水溶性醇中的一种或多种,优选乙醇、丙醇、乙二醇和甘油中的一种或者多种。醇类与石膏以及水作用程度较强的基团主要是羟基,含羟基比例高的醇类更能有效降低水活度;且此类醇沸点较高,不易挥发,更适合工业应用。
所述的醇水溶液中醇的质量浓度为5%-60%。醇质量浓度越高,则溶液中水活度越低,二水石膏转化的推动力加大,转化速率越快。
步骤(1)中所述的二水石膏悬浊浆液中固体含量(质量百分含量)为3%-50%。
步骤(2)中所述的水热反应温度为60-90℃,水热反应时间为3-36h。反应温度与溶液中醇类的浓度有关,醇类浓度越大,水活度降低程度越大,则所需反应温度越低。
步骤(3)中所述的固液分离可采用离心分离或过滤设备(如真空带式过滤机、板框压滤机、转鼓真空过滤机等)方式中的一种或数种的组合。
步骤(3)中所述洗涤的热水温度为50-100℃。
步骤(3)中所述的干燥可采用烘箱、气流干燥器、流化床干燥器等干燥方式中的一种或几种的组合;干燥温度为40-105℃。
该发明所依据的原理如下:
水溶液中,二水石膏脱水转化生成α-半水石膏可表示为:
该反应吉布斯自由能变化ΔGr可以通过以下方程计算:
式中K为反应平衡常数,R为气体常数,aw为水的活度。“o”指常压1atm,给定温度和标准态浓度的标准反应条件,所标识参数仅为反应温度的函数。ΔGr的数值决定反应的方向,当ΔGr<0,则反应能向正方向进行。
ΔGr计算式表明,二水石膏要在某一温度下转化为α-半水石膏,即ΔGr<0,溶液中水活度aw必须小于对应温度下的(Ko)2/3。图1表明(Ko)2/3在0-100℃温度范围内数值小于1.0,且随反应温度的降低而减小。纯水中水活度aw=1.0,不能满足aw<(Ko)2/3,无法促使二水石膏转化。而当纯水中混入醇类溶剂,溶液中的水活度就会下降,当醇的加入使水活度下降到aw<(Ko)2/3,即可满足二水石膏向α-半水石膏结晶转化的物理化学条件。因此,该发明从原理上来说,采用了以非电解质为结晶介质来改变水活度,从而实现二水石膏向α-半水石膏的转化。
本发明工艺具有如下优点:
1)在悬浊液环境中结晶,通过控制结晶速度和晶形,易于得到质量稳定的产品;
2)反应介质为醇类水溶液,不带入其他杂质离子,易于得到纯度高的产品;
3)采用常压溶液结晶反应器,无需压力设备,能耗低、操作简单,适合连续生产;
4)醇类物质容易回用、回收,提高了生产的经济性;
5)醇水溶液对金属反应装置无腐蚀作用,适于工业应用。
附图说明
图1为转化反应平衡常数(Ko)2/3随温度的变化情况;
图2为本发明的工艺流程示意图。
具体实施方式
实施例1
按照图2所示的工艺流程,配制质量浓度为60%的乙醇水溶液,加入二水石膏混匀形成固体质量浓度为3%的浆液。将浆液输送至结晶反应器,维持反应器内浆液温度在80℃,控制浆液停留时间6.5h,转化完成后,将浆液抽出,送至真空带式过滤机进行固液分离。分离后的固相用50℃的热水洗涤,然后送至烘箱在40℃下干燥,收集后即为α-半水石膏。分离出的液相直接回用或与洗涤水合并蒸馏,回收乙醇。
实施例2
按照图2所示的工艺流程,配制质量浓度为44%的乙醇-异丙醇-水溶液,其中乙醇和异丙醇的质量比为1.0,加入二水石膏混匀形成固体质量浓度为36%的浆液。将浆液输送至结晶反应器,维持反应器内浆液温度在90℃,控制浆液停留时间4.3h,转化完成后,将浆液抽出,送至真空带式过滤机进行固液分离。分离后的固相用54℃的热水洗涤,然后送至烘箱在77℃下干燥,收集后即为α-半水石膏。分离出的液相直接回用或与洗涤水合并蒸馏,回收乙醇和异丙醇。
实施例3
按照图2所示的工艺流程,配制质量浓度为50%的正丙醇水溶液,加入二水石膏混匀形成固体质量浓度为18%的浆液。将浆液输送至结晶反应器,维持反应器内浆液温度在82℃,控制浆液停留时间17.2h,转化完成后,将浆液抽出,送至板框压滤机进行固液分离。分离后的固相用70℃的热水洗涤,然后送至气流干燥器在96℃下干燥,收集后即为α-半水石膏。分离出的液相直接回用或与洗涤水合并蒸馏,回收正丙醇。
实施例4
按照图2所示的工艺流程,配制质量浓度为30%的异丙醇-乙二醇-水溶液,其中异丙醇和乙二醇的质量比为1.0,加入二水石膏混匀形成固体质量浓度为24%的浆液。将浆液输送至结晶反应器,维持反应器内浆液温度在73℃,控制浆液停留时间17.5h,转化完成后,将浆液抽出,送至真空带式过滤机进行固液分离。分离后的固相用91℃的热水洗涤,然后送至气流干燥器在100℃下干燥,收集后即为α-半水石膏。分离出的液相直接回用或与洗涤水合并蒸馏,回收异丙醇和乙二醇。
实施例5
按照图2所示的工艺流程,配制质量浓度为25%乙二醇水溶液,加入二水石膏混匀形成固体质量浓度为50%的浆液。将浆液输送至结晶反应器,维持反应器内浆液温度在70℃,控制浆液停留时间36h,转化完成后,将浆液抽出,送至转鼓真空过滤机进行固液分离。分离后的固相用90℃的热水洗涤,然后送至气流干燥器在85℃下干燥,收集后即为α-半水石膏。分离出的液相直接回用或与洗涤水合并蒸馏,回收乙二醇。
实施例6
按照图2所示的工艺流程,配制质量浓度为28%的己二醇-甘油-水溶液,其中己二醇和甘油的比例为0.5,加入二水石膏混匀形成固体质量浓度为18%的浆液。将浆液输送至结晶反应器,维持反应器内浆液温度在88℃,控制浆液停留时间11.8h,转化完成后,将浆液抽出,送至板框压滤机进行固液分离。分离后的固相用100℃的热水洗涤,然后送至流化床干燥器在105℃下干燥,收集后即为α-半水石膏。分离出的液相直接回用或与洗涤水合并蒸馏,回收己二醇和甘油。
实施例7
按照图2所示的工艺流程,配制质量浓度为25%的甘油水溶液,加入二水石膏混匀形成固体质量浓度为24%的浆液。将浆液输送至结晶反应器,维持反应器内浆液温度在88℃,控制浆液停留时间15.5h,转化完成后,将浆液抽出,送至板框压滤机进行固液分离。分离后的固相用100℃的热水洗涤,然后送至流化床干燥器在100℃下干燥,收集后即为α-半水石膏。分离出的液相直接回用或与洗涤水合并蒸馏,回收甘油。
实施例8
按照图2所示的工艺流程,配制质量浓度为5%的丁四醇水溶液,加入二水石膏混匀形成固体质量浓度为24%的浆液。将浆液输送至结晶反应器,维持反应器内浆液温度在60℃,控制浆液停留时间16h,转化完成后,将浆液抽出,送至真空带式过滤机进行固液分离。分离后的固相用100℃的热水洗涤,然后送至流化床干燥器在105℃下干燥,收集后即为α-半水石膏。分离出的液相直接回用或与洗涤水合并蒸馏,回收丁四醇。
实施例9
按照图2所示的工艺流程,配制质量浓度为7%的1-丁醇水溶液,加入二水石膏混匀形成固体质量浓度为5%的浆液。将浆液输送至结晶反应器,维持反应器内浆液温度在80℃,控制浆液停留时间3h,转化完成后,将浆液抽出,送至转鼓真空过滤机进行固液分离。分离后的固相用100℃的热水洗涤,然后送至流化床干燥器在105℃下干燥,收集后即为α-半水石膏。分离出的液相直接回用或与洗涤水合并蒸馏,回收1-丁醇。
Claims (8)
1.一种以醇水溶液为结晶介质制备α-半水石膏的方法,包括如下步骤:
(1)将二水石膏加入到醇水溶液中,混匀后形成二水石膏悬浊浆液;
(2)将二水石膏悬浊浆液加热,进行常压水热相转化反应,得到α-半水石膏悬浊浆液;
(3)将α-半水石膏悬浊浆液进行固液分离,分离出的固相用热水洗涤并干燥,得到α-半水石膏产品;
所述醇水溶液中的醇为能与水混溶的水溶性醇中的一种或者多种;
所述的醇水溶液中醇的质量浓度为5%-60%。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于:所述醇水溶液中的醇为乙醇、丙醇、乙二醇、甘油中的一种或者多种。
3.如权利要求1所述的方法,其特征在于:所述的二水石膏悬浊浆液中固体的质量百分含量为3%-50%。
4.如权利要求1所述的方法,其特征在于:所述的水热反应温度为60-90℃。
5.如权利要求1所述的方法,其特征在于:所述的水热反应时间为3-36h。
6.如权利要求1所述的方法,其特征在于:步骤(3)中洗涤固相的热水温度为50-100℃。
7.如权利要求1所述的方法,其特征在于:步骤(3)中所述的干燥温度为40-105℃。
8.如权利要求1所述的方法,其特征在于:步骤(3)分离出的液相和洗涤固相得到的洗涤液直接或回收醇后返回步骤(1)中使用。
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