CN110777256B - 一种反应塔、使用方法和从含镁和/或钙碳酸盐矿中提取镁和/或钙的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种反应塔、使用方法和从含镁和/或钙碳酸盐矿中提取镁和/或钙的方法。反应塔包括反应塔本体，反应塔本体内设有本体腔体；进料口、蒸汽进口、出料口和气相出口，设于反应塔本体上且与本体腔体连通；搅拌轴和间隔设于搅拌轴上的若干搅拌桨叶，设于本体腔体内；多层塔板，设于本体腔体内且竖直方向间隔设置，搅拌轴贯穿多层塔板，搅拌轴与塔板之间设有间隙；塔板上还设有降液管。本发明特殊的塔内结构设计使得物料能够按照较为理想的方式接触反应，从而高效地实现含镁和/或钙碳酸盐矿中镁和/或钙的分离，含镁和/或钙碳酸盐矿中镁和/或钙的提取率高达97％，塔顶得到的气相产物中碳铵的浓度可达55wt％。

Description

一种反应塔、使用方法和从含镁和/或钙碳酸盐矿中提取镁 和/或钙的方法

技术领域

本发明涉及无机化工生产技术领域，具体涉及一种从含镁和/或钙碳酸盐矿中提取镁和/或钙的反应塔、使用方法和从含镁和/或钙碳酸盐矿中提取镁和/或钙的方法。

背景技术

镁化合物产品在国民经济建设中有着举足轻重的作用和地位，并且随着社会的发展，节能、环保和新材料类产品形态愈发成为大的趋势。金属镁是仅次于钢铁和铝的第三大金属材料，镁及镁合金更是凭借其优异的各项性能被成为21世纪绿色工程金属材料。在冶金及耐火材料、橡胶工业和石化等领域中氧化镁有着非常广泛的应用，而以氢氧化镁为代表的无机阻燃剂取代原有的卤素类产品，正在成为一个高速发展的产品品类。

我国的镁资源储量位居世界第一位，但由于历史原因及相对落后的技术水平使得国内对于镁资源的利用显得有些低效、浪费，大量镁资源以低价的矿产或低阶镁盐产品的形式出口，经发达国家进一步加工后又以高附加值的镁盐产品进口回来。

我国生产镁化合物的原料主要有固体矿物和液体矿两种。液体矿以海水、地下卤水、盐湖卤水为主。固体矿则以菱镁矿、白云石矿、水镁石矿为主。针对固体矿镁资源特别是以菱镁矿和白云石矿为代表的碳酸盐类矿石，为获得其中的镁，第一步便是通过煅烧的方式将碳酸镁分解成氧化镁，然后依据不同的产品方向进行不同的工艺处理。煅烧镁盐矿石比较常见的设备有立窑、普通回转窑、隧道窑和沸腾炉等，随着技术的进步又出现了节能型回转窑和套筒窑。随着规模的扩大与降低成本的需求，回转窑成为了主要的煅烧设备。

含镁碳酸盐矿石的分解都需要较高的温度，如菱镁矿在640℃左右开始分解，完全分解则需约900℃，为得到不同的产品类型，煅烧温度更是达到近2000℃。白云石由于含有碳酸钙，相应煅烧温度较菱镁矿会更高，工业上常规的煅烧温度在1100～1250℃，这样对于煅烧设备本身的性能也提出了很高的要求，所以，从矿石中通过煅烧提取镁是一个高能耗的过程。另外，矿石中其它各类杂质如氧化钙、氧化硅、氧化铁、氧化铝、锰等在煅烧过程中易被带入产品氧化镁中，不仅增加了分离提纯的难度，也影响到了产品品质。

传统的煅烧工艺煅烧温度为700-1000℃，甚至更高，生产能耗成本非常高，由于传统煅烧工艺不能选择性的分离镁，使得很多杂质也会进入镁盐产品，从而降低了镁盐产品的品位。但是随着镁盐产品的精细化和市场对更多高附加价值的镁盐产品的需求，采用固相分离难以达到产品要求，研究者们试图通过液相分离含的方式，得到高产质的镁盐产品。

专利CN105347703A介绍了一种采用铵盐溶液分解钙镁碳酸盐矿的方法，所述分解反应在串联的多级反应器或塔式反应器中进行，通过引入多级逆流串联反应釜或塔式反应器，解决了单级反应釜存在的水蒸发量大，能耗浪费，碳铵浓度偏低且不稳定的问题。但由于该方法单釜反应效率低，必须三个以上的反应釜串联才能达到工艺要求，设备投资大，工艺流程长。其次，由于该反应体系的反应温度有接近200℃，压力1.0Mpa，固液相体系，釜与釜之间很难找到合适的输送设备实现长期连续稳定的运行。

专利CN104843756A介绍了一种类似填料塔方案的液相碳酸盐矿的分解方法，该方法将一定粒径的碳酸盐矿石作为填料/反应物装填到反应塔中，然后用铵盐溶液从塔顶进入反应塔参与反应。该发明在一个反应塔内实现碳酸盐矿的分解和氨的回收同步进行。但该方法铵盐及矿石的转化率偏低，并且作为填料的矿石在反应过程中会板结成块，物料反应不彻底，运行效率低且造成卸料困难。

综上所述，含镁碳酸盐矿直接煅烧成本高、产品品质低，而液相分解较直接煅烧工艺更节能、经济，而开发一种合适的反应塔及工艺至关重要。

发明内容

本发明针对当前含镁和/或钙碳酸盐矿利用过程中出现的高能耗、高成本、低品质等问题，结合湿法碳酸盐矿分离方法，提供一种反应塔、使用方法和从含镁和/或钙碳酸盐矿中提取镁和/或钙的方法，所述反应塔有别于现有碳酸盐矿工艺设备，是一种物理上带有搅拌、多层塔板和特殊气体分布器，功能上同时具备气液传质和化学反应功能的反应塔，特殊的塔内结构设计使得物料能够按照较为理想的方式接触反应，从而高效地实现含镁和/或钙碳酸盐矿中镁和/或钙的分离，含镁和/或钙碳酸盐矿中镁和/或钙的提取率高达97％，塔顶得到的气相产物中碳铵的浓度可达55wt％。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明第一方面提供一种反应塔，包括：

反应塔本体，所述反应塔本体内设有本体腔体；

进料口、蒸汽进口、出料口和气相出口，设于所述反应塔本体上且与所述本体腔体连通；

搅拌轴和间隔设于所述搅拌轴上的若干搅拌桨叶，设于所述本体腔体内；

多层塔板，所述多层塔板设于所述本体腔体内且竖直方向间隔设置，所述搅拌轴贯穿所述多层塔板，所述搅拌轴与所述塔板之间设有间隙；所述塔板上还设有降液管。

优选地，还包括如下技术特征中的至少一项：

1)所述反应塔还包括与所述进料口连通的进料分布器，所述进料分布器设于所述本体腔体内；

2)所述反应塔还包括与所述蒸汽进口连通的蒸汽分布器，所述蒸汽分布器设于所述本体腔体内；

3)所述进料口设于多层塔板中最顶层塔板的上方；

4)所述蒸汽进口设于多层塔板中最底层塔板的下方；

5)所述出料口设于所述反应塔本体的底部；

6)所述气相出口设于所述反应塔本体的顶部；

7)所述若干搅拌桨叶分布设于每一层塔板上；

8)所述搅拌轴从塔顶贯穿近本体腔体的底部；

9)位于塔板上的降液管长度小于位于塔板下的降液管长度；

10)降液管的长度大于塔板间距；

11)所述反应塔还包括卸料口，所述卸料口设于所述反应塔本体上且与所述本体腔体连通。

更优选地，还包括如下技术特征中的至少一项：

1)特征7)中，所述反应塔还包括若干压板，每一层塔板上设有一个压板，每个压板固定于所述搅拌轴上且设于该层塔板上的搅拌桨叶的下方；

2)特征11)中，所述卸料口设于所述出料口的下方。

本发明第二方面提供上述反应塔的使用方法，将待反应浆料从所述进料口通入所述本体腔体，水蒸汽从所述蒸汽进口通入所述本体腔体，反应得到的盐溶液和/或固相从所述出料口排出，气相从所述气相出口排出，其中，所述待反应浆料为含镁和/或钙碳酸盐矿粉和铵盐溶液的混合物。

本发明第三方面提供一种从含镁和/或钙碳酸盐矿中提取镁和/或钙的方法，采用上述反应塔，将待反应浆料从所述进料口通入所述本体腔体，水蒸汽从所述蒸汽进口通入所述本体腔体，反应得到的盐溶液和/或固相物料从所述出料口排出，气相从所述气相出口排出，其中，所述待反应浆料为含镁和/或钙碳酸盐矿粉和铵盐溶液的混合物。

反应方程式如下所示：

MgCO₃+2NH₄X→MgX₂+(NH₄)₂CO₃

MgCO₃+(NH₄)₂Y→MgY+(NH₄)₂CO₃

CaCO₃+(NH₄)₂Y→CaY₂+(NH₄)₂CO₃

CaCO₃+(NH₄)₂Y→CaY+(NH₄)₂CO₃

其中，X为一价阴离子；Y为二价阴离子；

优选地，还包括如下技术特征中的至少一项：

1)含镁和/或钙碳酸盐矿粉选自石灰石、白云石和菱镁石中的至少一种；

2)铵盐为硫酸铵、氯化铵或硝酸铵；

3)铵盐溶液浓度为30～55wt％，如30～45wt％或45～55wt％；

4)待反应浆料中碳酸盐和铵盐的摩尔比为0.4～1.2：1，如0.4～1：1或1～1.2：1；

5)反应温度为148～263℃，如148～152℃、152～172℃、172～183℃、183～246℃或246～263℃；所述反应温度是指全塔的温度范围，即塔顶温度至塔釜温度的范围；

6)反应压力为0.6～1.67Mpa，如0.6～0.65Mpa、0.65～1.0Mpa、1.0～1.05Mpa、1.05～1.6Mpa或1.6～1.67Mpa；所述反应压力是指全塔的压力范围，即塔顶压力至塔釜压力的范围；

7)待反应浆料中碳酸盐浓度为15～25wt％，如15～20wt％或20～25wt％。

更优选地，将所述气相出口排出的气相冷却得到碳铵溶液。

进一步更优选地，所述碳铵溶液中碳铵浓度为30～55wt％，如30～45wt％或45～55wt％。

进一步更优选地，还包括选自如下步骤之一：

2a)当所述出料口排出的物料为盐溶液(如氯化镁溶液、硝酸镁溶液、硫酸镁溶液、氯化钙溶液或硝酸钙溶液)时，所述盐溶液与所述气相出口排出的气相冷却得到的碳铵溶液反应，得到固相碳酸盐(如碳酸镁、碳酸钙)和铵盐溶液(如氯化铵溶液、硫酸铵溶液或硝酸铵溶液)；

反应方程式如下所示：

MgX₂+(NH₄)₂CO₃→MgCO₃+2NH₄X

MgY+(NH₄)₂CO₃→MgCO₃+(NH₄)₂Y

CaX₂+(NH₄)₂CO₃→CaCO₃+2NH₄X

2b)当所述出料口排出的物料为盐溶液(如硫酸镁溶液)和固相(如硫酸钙)时，先进行固液分离分别得到盐溶液(如硫酸镁溶液)和固相物(如硫酸钙)，所述气相出口排出的气相冷却得到的碳铵溶液分成两部分，第一部分的碳铵溶液与所述盐溶液(如硫酸镁溶液)反应，得到第一固相碳酸盐(如碳酸镁)和第一铵盐溶液(如硫酸铵溶液)，第二部分的碳铵溶液与所述固相物(如硫酸钙)反应，得到第二固相碳酸盐(如碳酸钙)和第二铵盐溶液(如硫酸铵溶液)；

所述出料口排出的物料中的固相为钙盐固体，主要是非碳酸钙钙盐，与碳铵溶液进行反应，可得到相应的钙盐产品，如碳酸钙。

反应方程式如下所示：

MgY+(NH₄)₂CO₃→MgCO₃+(NH₄)₂Y

CaY+(NH₄)₂CO₃→CaCO₃+(NH₄)₂Y

如：控制反应温度范围为40～60℃。

2c)当所述出料口排出的物料为固相物(如硫酸钙)时，所述固相物(如硫酸钙)与所述气相出口排出的气相冷却得到的碳铵溶液反应，得到固相碳酸盐(如碳酸钙)和铵盐溶液(硫酸铵溶液)。

反应方程式如下所示：

CaY+(NH₄)₂CO₃→CaCO₃+(NH₄)₂Y

再进一步更优选地，还包括选自如下步骤之一：

3a)步骤2a)得到的固相碳酸盐和铵盐溶液进行固液分离分别得到固相碳酸盐和铵盐溶液，所述铵盐溶液循环通入所述本体腔体；

3b)步骤2b)得到的第一固相碳酸盐和铵盐溶液进行固液分离分别得到第一固相碳酸盐和第一铵盐溶液，所述第一铵盐溶液循环通入所述本体腔体；步骤2b)得到的第二固相碳酸盐和第二铵盐溶液进行固液分离分别得到第二固相碳酸盐和第二铵盐溶液，所述第二铵盐溶液循环通入所述本体腔体；

3c)步骤2c)得到的固相碳酸盐和铵盐溶液进行固液分离分别得到固相碳酸盐和铵盐溶液，所述铵盐溶液循环通入所述本体腔体。

待反应浆料从进料口通入反应塔，经进料分布器和搅拌桨叶搅拌后均匀的落到塔板上，从塔板上的降液管依次经过第一层，第二层直至流到最底下一层塔板；蒸汽从蒸汽进口进入，通过蒸汽分布器分布后从最底层塔板由下往上升，在上升过程中与反应浆料即含镁和/或钙碳酸盐矿和铵盐溶液的混合物接触反应，控制反应塔内的温度、压力，得到盐溶液和/或固相物料从塔底出料口排出，碳铵蒸汽从气相出口排出。

本发明将精馏思维引入到湿法碳酸盐矿的分解工艺中，并以本发明所述的特殊的反应塔结构实现以下有益效果中的至少一项：

(1)本发明特殊的结构设计使得物料能够按照较为理想的方式接触反应，从而高效地实现含镁和/或钙碳酸盐矿中镁和/或钙的分离，含镁和/或钙碳酸盐矿中钙或镁的提取率高达97％，塔顶得到的气相产物中碳铵的浓度可达55wt％。

(2)采用多层塔板并带有搅拌功能的反应塔，反应过程不会出现板结堵塞难卸料的情况，可实现连续稳定生产。

(3)采用铵盐湿法分离工艺，反应过程对含镁和/或钙碳酸盐矿中镁和/或钙的提取具有较好的选择性。

(4)本发明反应温度在150～250℃，大幅度降低能耗成本。

因此，本发明工艺具有能耗低，操作简单，效率高，生产成本低，产品品质好等优点。

附图说明

图1为本发明反应塔的整体结构示意图。

图2为本发明反应塔的塔板结构俯视图。

图3为本发明反应塔的塔板结构侧视图。

图4为塔板与搅拌轴间的间隙。

图5为本发明从含镁和/或钙碳酸盐矿中提取镁和/或钙的方法的流程图一。

图6为本发明从含镁和/或钙碳酸盐矿中提取镁和/或钙的方法的流程图二。

图7为本发明从含镁和/或钙碳酸盐矿中提取镁和/或钙的方法的流程图三。

附图标记：

1 反应塔本体

2 本体腔体

3 进料口

4 蒸汽进口

5 出料口

6 气相出口

7 搅拌轴

8 搅拌桨叶

9 塔板

91 间隙

92 降液管

10 进料分布器

11 蒸汽分布器

12 卸料口

13 压板

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的技术方案。应理解，本发明提到的一个或多个方法步骤并不排斥在所述组合步骤前后还存在其他方法步骤或在这些明确提到的步骤之间还可以插入其他方法步骤；还应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。而且，除非另有说明，各方法步骤的编号仅为鉴别各方法步骤的便利工具，而非为限制各方法步骤的排列次序或限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容的情况下，当亦视为本发明可实施的范畴。

一种反应塔，如图1和图2所示，包括：

反应塔本体1，所述反应塔本体1内设有本体腔体2；

进料口3、蒸汽进口4、出料口5和气相出口6，设于所述反应塔本体1上且与所述本体腔体2连通；

搅拌轴7和间隔设于所述搅拌轴7上的若干搅拌桨叶8，设于所述本体腔体2内；搅拌桨叶可以防止固相料在塔板上长时间沉积导致结垢堵塞，同时也能使固液相分布更均匀；

多层塔板9，所述多层塔板9设于所述本体腔体2内且竖直方向间隔设置，所述搅拌轴7贯穿所述多层塔板9，所述搅拌轴7与所述塔板9之间设有间隙91；所述塔板9上还设有降液管92。

所述间隙91作为反应塔中气体通路。所述降液管92是液固相浆料在反应塔中流动的主要通道。

本发明反应塔中，还包括如下技术特征中的至少一项：

1)所述反应塔还包括与所述进料口3连通的进料分布器10，所述进料分布器10设于所述本体腔体2内；

2)所述反应塔还包括与所述蒸汽进口4连通的蒸汽分布器11，所述蒸汽分布器11设于所述本体腔体2内；

3)所述进料口3设于多层塔板中最顶层塔板的上方；

4)所述蒸汽进口4设于多层塔板中最底层塔板的下方；

5)所述出料口5设于所述反应塔本体1的底部；

6)所述气相出口6设于所述反应塔本体1的顶部；

7)所述若干搅拌桨叶8分布设于每一层塔板9上；

8)所述搅拌轴7从塔顶贯穿近本体腔体2的底部；

9)如图3所示，位于塔板上的降液管长度小于位于塔板下的降液管长度；降液管在塔板上呈现上短下长的结构，起到液封的作用，防止气体从降液管通过；

10)降液管的长度大于塔板间距；

11)所述反应塔还包括卸料口12，所述卸料口12设于所述反应塔本体1上且与所述本体腔体2连通。

本发明反应塔中，还包括如下技术特征中的至少一项：

1)特征7)中，如图4所示，所述反应塔还包括若干压板13，每一层塔板9上设有一个压板13，每个压板13固定于所述搅拌轴7上且设于该层塔板9上的搅拌桨叶8的下方；压板可防止气体沿着搅拌轴与塔板之间的缝隙从塔底直接上升到塔顶，而是从塔板四周逸出，充分与液固相浆料进行接触反应，从而强化传质传热过程，提高气相产物中氨的浓度；

2)特征11)中，所述卸料口12设于所述出料口5的下方。

所述反应塔即从含镁和/或钙碳酸盐矿中提取镁和/或钙的装置，其基本工作原理是，反应原料浆料自图1中进料口和进料分布器进入反应塔内，当浆料落在第一层塔板上后便被搅拌桨叶在塔板上分布均匀并开始反应。

同时，加热蒸汽自塔底蒸汽进口及蒸汽分布器进入反应塔内，并沿着各层塔板上的间隙即气体通路逐层上升。当气体自第二层塔板经间隙即气体通路(搅拌轴与塔板间的间隙，可以为环形间隙，如图4所示)上升到第一层塔板时，经压板与搅拌轴的再次分布后便与落在第一层塔板上反应的原料物料接触进行能量及气液物质交换，随后便上升离开第一层塔板。上升的气体带走了反应的气相产物，进入塔内顶部空间进行进一步的气液分离后从塔顶气相出口(如图1中所示)离开反应塔。

已经反应至一定程度的固液相浆料经降液管(如图1中所示)进入第二层塔板开始进行如前述一样过程的热量及气液物质交换。以此类推，待液固相浆料离开最底层的塔板进入塔底空间时，提取钙和/或镁的反应基本达到预期要求，浆料在此进行最后的停留直至经由塔釜出料口(如图1所示)离开反应塔。待反应塔停车时，塔底残留浆料经由卸料口(如图1所示)排出。

反应塔即从含镁和/或钙碳酸盐矿中提取镁和/或钙的装置主要特征参数包括以下若干项：

1)反应塔的塔径，如图1中D1所示；

2)反应塔的有效高度，其主要由四部分组成，分别如图1中的H1、H2、H3、H4所示；其中H1代表塔内顶部空间高度；H2代表塔主体高度，即塔板区高度；H3代表塔内底部空间高度；H4代表塔裙座高度；

3)反应塔内的塔板数，如图1中N所示；

4)反应塔搅拌桨叶的形式及长度，如图2中搅拌桨叶和图3中搅拌桨叶长度L0所示；

5)反应塔的降液管的形式及尺寸参数，如图2和图3中的d1、L1和L2所示；

6)反应塔的压板形式、尺寸和安装参数，如图2中D3和图3中n1所示；

7)反应塔内搅拌轴与塔板间的间隙如环形间隙即气体通路的尺寸，如图4中平均径向长度n2所示。

更具体的，反应塔即从含镁和/或钙碳酸盐矿中提取镁和/或钙的装置各项特征参数由下列因素共同确定(可通过现有反应塔设计方法来确定各项特征参数)：

1)该反应塔同时具备常规板式塔气液分离功能和反应设备化学反应的功能，其主体结构尺寸基本按照常规板式塔的设计要求进行即可，即包括塔径D1、塔高H1-H4，塔板间距等依据工艺条件、生产能力等确定；

2)反应塔内塔板数量N主要由目标转化率下从含镁和/或钙碳酸盐矿中提取镁和/或钙的化学反应速率确定。由于原料浆料从上至下与从下至上的上升气流进行逆流接触，在第一层塔板上(如图1中所示)，原料浆料中反应物的浓度是最高的，此时对应的反应速率最快，随着浆料的逐层下降，反应物的浓度下降、产物的浓度上升，反应的速率下降，整个反应过程呈现一个速率越来越慢的拖尾状态，此时，一个确定的转化率便能确定最终反应所需要的时间，进而将总的反应时间平均分配到各塔板，确定塔板数；

3)所述搅拌桨叶主要功能是将原料浆料中的固、液相物质混合均匀，同时防止局部的固体堆积、结垢。为实现上述功能，搅拌桨叶采用折叶形式，桨叶与旋转方向成45°倾斜角，搅拌桨叶的长度L0则与塔径及降液管的位置相关，搅拌桨叶与降液管相对位置示意图则如图3中所示；

4)所述降液管采用每层塔板上单个、圆形的形式，降液管分为位于塔板上的降液管即塔板上部部分和位于塔板下的降液管即塔板下部部分(如图3所示)。降液管的直径d1由反应塔的处理能力(流经的固液相总流率)确定，降液管的塔板上部长度L1(如图3所示)由浆料在一层塔板上的必要停留时间确定，同时，为了避免发生返混、气体短路等情况，还需要确保降液管的总长度(L1+L2)大于塔板间距；

5)所述压板，设于该层塔板9上的搅拌桨叶8的下方，随搅拌轴同步转动，压板一般采用圆形板的形式，其直径D3(如图2中所示)主要由反应塔的生产能力(气相总流率)确定。压板在反应塔塔中主要实现3个功能，一是防止气相从塔板与搅拌轴间的间隙如环形间隙(如图4中所示)沿着搅拌轴一路从塔底直通塔顶，无法实现气液交换，改变气体的流动方向；二是圆形压板让气体可以从各个方向运动，从而实现了气体的分布功能，强化气液交换效果；三是防止大量液固相料从所述间隙如环形间隙掉落下去，形成漏液；压板与塔板的间距n1(如图3中所示)则主要由反应塔的生成能力和实际气液交换效果所决定；

6)所述反应塔塔板与搅拌轴间的间隙如环形间隙(如图4中所示)，其主要功能是作为塔内气体在塔板层间的通路，气体自下而上运行。环形间隙的平均径向长度n2主要由反应塔的生产能力确定。

上述反应塔用于从含镁和/或钙碳酸盐矿中提取镁和/或钙，流程图见图5、图6或图7，本发明实施例的反应塔技术参数如下：

a.反应塔径D1＝2.4米；

b.反应塔有效高度，H1＝3米；H2＝3.2米；H3＝1.8米；H4＝2米，总有效高度为10米；

c.反应塔内塔板数N＝9块；

d.搅拌桨叶长度L0＝2.0米；

e.降液管直径d1＝160毫米；降液管板上长度L1＝10厘米；降液管板下长度L2＝30厘米；

f.反应塔搅拌桨叶下压盘直径D3＝1.5米；

g.压盘与塔板间距离n1＝12毫米；

h.搅拌桨与塔板将的环形间隙长度n2＝10毫米。

一种从含镁和/或钙碳酸盐矿中提取镁和/或钙的方法，采用上述反应塔，将待反应浆料从所述进料口通入所述本体腔体，水蒸汽从所述蒸汽进口通入所述本体腔体，反应得到的盐溶液和/或固相物料从所述出料口排出，气相从所述气相出口排出，其中，所述待反应浆料为含镁和/或钙碳酸盐矿粉和铵盐溶液的混合物。

其中，将所述气相出口排出的气相冷却得到碳铵溶液。

具体地，所述方法包括选自如下方法之一：

方法一，流程图如图5和图6所示：

2a)当所述出料口排出的物料为盐溶液(如氯化镁溶液、硝酸镁溶液、硫酸镁溶液、氯化钙溶液或硝酸钙溶液)时，所述盐溶液与所述气相出口排出的气相冷却得到的碳铵溶液反应，得到固相碳酸盐(如碳酸镁、碳酸钙)和铵盐溶液(如氯化铵溶液、硫酸铵溶液或硝酸铵溶液)；

3a)步骤2a)得到的固相碳酸盐和铵盐溶液进行固液分离分别得到固相碳酸盐和铵盐溶液，所述铵盐溶液循环通入所述本体腔体。

方法二，流程图如图5所示：

2b)当所述出料口排出的物料为盐溶液(如硫酸镁溶液)和固相(如硫酸钙)时，先进行固液分离分别得到盐溶液(如硫酸镁溶液)和固相物(如硫酸钙)，所述气相出口排出的气相冷却得到的碳铵溶液分成两部分，第一部分的碳铵溶液与所述盐溶液(如硫酸镁溶液)反应，得到第一固相碳酸盐(如碳酸镁)和第一铵盐溶液(如硫酸铵溶液)，第二部分的碳铵溶液与所述固相物(如硫酸钙)反应，得到第二固相碳酸盐(如碳酸钙)和第二铵盐溶液(如硫酸铵溶液)；

3b)步骤2b)得到的第一固相碳酸盐和铵盐溶液进行固液分离分别得到第一固相碳酸盐和第一铵盐溶液，所述第一铵盐溶液循环通入所述本体腔体；步骤2b)得到的第二固相碳酸盐和第二铵盐溶液进行固液分离分别得到第二固相碳酸盐和第二铵盐溶液，所述第二铵盐溶液循环通入所述本体腔体。

方法三，流程图如图7所示：

2c)当所述出料口排出的物料为固相物(如硫酸钙)时，所述固相物(如硫酸钙)与所述气相出口排出的气相冷却得到的碳铵溶液反应，得到固相碳酸盐(如碳酸钙)和铵盐溶液(硫酸铵溶液)。

3c)步骤2c)得到的固相碳酸盐和铵盐溶液进行固液分离分别得到固相碳酸盐和铵盐溶液，所述铵盐溶液循环通入所述本体腔体。

实施例1

1.如图1所示，将磨成粉状的菱镁矿和30wt％浓度的氯化铵溶液进行充分混合得到待反应浆料，菱镁矿中碳酸镁与氯化铵的摩尔比为0.4：1，浆料中矿粉质量占比约20wt％。待反应浆料经由输送设备经由上述实施例反应塔中进料口3和进料分布器10进入该反应塔参与反应。待反应浆料落到第一层塔板上，并被第一层塔板上的搅拌桨叶8搅拌均匀。

2.第一块塔板上的浆料发生反应，第一块塔板上温度为175℃，第一块塔板上压力为1.0Mpa，其中，塔顶温度为172℃，塔釜温度为183℃，塔顶压力为1.0Mpa，塔釜压力为1.05Mpa。随着后续待反应浆料的持续加入，第一块塔板上的浆料液位超过降液管92口的水平高度，并开始经由第一块塔板的降液管落入到第二层塔板，落入第二层塔板的浆料经历第一层塔板上浆料搅拌、反应、向下传递的过程。

3.与第二层塔板的固液相进行充分气液交换的含碳铵上升蒸汽离开第二层塔板经由第一层塔板与搅拌轴7之间的环形间隙91进入第一层塔板，并与第一层塔板上的液固相浆料进行气液交换，带走反应产生的碳铵，含碳铵的蒸汽继续上升，并经气相出口6离开该反应塔，其中，气相中碳铵蒸汽的含量为45wt％。

4.待反应浆料如步骤1和2中所描述的逐层下降直至反应基本结束离开第九层塔板进入塔釜，并最终经由出料口5离开该反应塔。此时产物浆料主要为约20wt％浓度的氯化镁溶液和少量未反应完全的菱镁矿固体和固体杂质，其中菱镁矿中镁的转化率达到97％。

5.步骤3得到的含50wt％浓度的碳铵蒸汽经冷凝成为50wt％浓度的碳铵溶液；这部分碳铵溶液与步骤4中经过滤和精制的约20wt％浓度的氯化镁溶液进行反应，得到碳酸镁固体产品和氯化铵溶液，其中，碳酸镁固体产品优于GBT 27814-2011的无水碳酸镁规格，反应方程式如下：

MgCl₂+(NH₄)₂CO₃→MgCO₃+(NH₄)₂Cl₂

6.步骤5中得到的氯化铵溶液循环回步骤1中的待反应浆料配制环节，实现铵盐溶液的循环。

实施例2

1.如图1所示，将磨成粉状的白云石和45wt％浓度的硫酸铵溶液进行充分混合得到待反应浆料，CaMg(CO₃₎₂与硫酸铵的摩尔比为1：1，浆料中矿粉质量占比约25wt％。待反应浆料经由输送设备经由上述实施例反应塔中进料口3和进料分布器10进入该反应塔参与反应。待反应浆料落到第一层塔板上，并被第一层塔板上的搅拌桨叶8搅拌均匀。

2.第一块塔板上的浆料发生反应，第一块塔板上温度为250℃，第一块塔板上压力为1.6Mpa，其中，塔顶温度为246℃，塔釜温度为263℃，塔顶压力为1.6Mpa，塔釜压力为1.67Mpa。随着后续待反应浆料的持续加入，第一块塔板上的浆料液位超过降液管92口的水平高度，并开始经由第一块塔板的降液管落入到第二层塔板，落入第二层塔板的浆料经历第一层塔板上浆料搅拌、反应、向下传递的过程。

3.与第二层塔板的固液相进行充分气液交换的含碳铵上升蒸汽离开第二层塔板经由第一层塔板与搅拌轴7之间的环形间隙91进入第一层塔板，并与第一层塔板上的液固相浆料进行气液交换，带走反应产生的碳铵，含碳铵的蒸汽继续上升，并经气相出口6离开该反应塔，其中，气相中碳铵蒸汽的含量为55wt％。

4.待反应浆料如步骤1和2中所描述的逐层下降直至反应基本结束离开第九层塔板进入塔釜，并最终经由出料口5离开该反应塔。此时产物浆料主要为约18wt％浓度的硫酸镁溶液和硫酸钙、未反应完白云石、固体杂质，其中白云石中镁和钙的转化率达到96％。

5.步骤3得到的含55wt％浓度的碳铵蒸汽经冷凝成为55wt％浓度的碳铵溶液；这部分碳铵溶液与步骤4中经过滤和精制的约18wt％浓度的硫酸镁溶液进行反应，得到碳酸镁固体产品、碳酸钙固体产品和硫酸铵溶液，其中，碳酸镁产品中的含钙浓度低于0.1％，远远优于传统白云石碳化法得到的碳酸镁产品，反应方程式如下：

MgSO₄+(NH₄)₂CO₃→MgCO₃+(NH₄)₂SO₄

CaSO₄+(NH₄)₂CO₃→CaCO₃+(NH₄)₂SO₄

6.步骤5中得到的硫酸铵溶液循环回步骤1中的待反应浆料配制环节，实现铵盐溶液的循环。

实施例3

1.如图1所示，将磨成分装的石灰石和55％浓度的硝酸铵溶液进行充分混合得到待反应的浆料，石灰石中碳酸钙与硝酸铵的摩尔比为1：2.4≈0.42：1，浆料中矿粉质量占比约15％。待反应浆料经由输送设备经由上述实施例反应塔中进料口3和进料分布器10进入反应塔参与反应。待反应浆料落到第一层塔板上，并被第一层塔板上的搅拌桨叶8搅拌均匀。

2.第一块塔板上的浆料发生反应，第一块塔板上温度为150℃，第一块塔板上压力为0.6Mpa，其中，塔顶温度为148℃，塔釜温度为152℃，塔顶压力为0.6Mpa，塔釜压力为0.65Mpa。随着后续待反应浆料的持续加入，第一块塔板上的浆料液位超过降液管92口的水平高度，并开始经由第一块塔板的降液管落入到第二层塔板，落入第二层塔板的浆料经历第一层塔板上浆料搅拌、反应、向下传递的过程。

3.与底层塔板的固液相进行充分气液交换的含碳铵上升蒸汽离开第二层塔板经由第一层塔板与搅拌轴7之间的环形间隙91进入第一层塔板，并与第一层塔板上的液固相浆料进行气液交换，带走反应产生的碳铵，含碳铵的蒸汽继续上升，并经气相出口6离开该反应塔，其中，气相中碳铵蒸汽的含量为30％。

4.待反应浆料如步骤1和2中所描述的逐层下降直至反应基本结束离开第九层塔板进入塔釜，并最终经由出料口5离开该反应塔。此时产物浆料主要为约36％浓度的硝酸钙溶液和含杂质及未反应完碳酸钙的石灰石粉渣，其中，石灰石中碳酸钙的转化率达到95％。

5.步骤3中得到的含35％浓度的碳铵蒸汽经冷凝成为35％浓度的碳铵溶液；这部分碳铵溶液与步骤4中经过滤和精制的约36％浓度的硝酸钙溶液进行反应，得到碳酸钙固体产品，产品纯度超过99％，反应方程式如下：

Ca(NH₄)₂+(NH₄)₂CO₃→CaCO₃+2NH₄NO₃

6.步骤5中得到的硝酸铵溶液循环回步骤1中的待反应浆料配制环节，实现铵盐溶液的循环。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种反应塔，其特征在于，包括

反应塔本体(1)，所述反应塔本体(1)内设有本体腔体(2)；

进料口(3)、蒸汽进口(4)、出料口(5)和气相出口(6)，设于所述反应塔本体(1)上且与所述本体腔体(2)连通；

搅拌轴(7)和间隔设于所述搅拌轴(7)上的若干搅拌桨叶(8)，设于所述本体腔体(2)内；

多层塔板(9)，所述多层塔板(9)设于所述本体腔体(2)内且竖直方向间隔设置，所述搅拌轴(7)贯穿所述多层塔板(9)，所述搅拌轴(7)与所述塔板(9)之间设有间隙(91)；所述塔板(9)上还设有降液管(92)；

所述若干搅拌桨叶(8)分布设于每一层塔板(9)上；所述反应塔还包括若干压板(13)，每一层塔板(9)上设有一个压板(13)，每个压板(13)固定于所述搅拌轴(7)上且设于该层塔板(9)上的搅拌桨叶(8)的下方。

2.如权利要求1所述的反应塔，其特征在于，还包括如下技术特征中的至少一项：

1)所述反应塔还包括与所述进料口(3)连通的进料分布器(10)，所述进料分布器(10)设于所述本体腔体(2)内；

2)所述反应塔还包括与所述蒸汽进口(4)连通的蒸汽分布器(11)，所述蒸汽分布器(11)设于所述本体腔体(2)内；

3)所述进料口(3)设于多层塔板中最顶层塔板的上方；

4)所述蒸汽进口(4)设于多层塔板中最底层塔板的下方；

5)所述出料口(5)设于所述反应塔本体(1)的底部；

6)所述气相出口(6)设于所述反应塔本体(1)的顶部；

7)所述搅拌轴(7)从塔顶贯穿进 本体腔体(2)的底部；

8)位于塔板上的降液管长度小于位于塔板下的降液管长度；

9)降液管的长度大于塔板间距；

10)所述反应塔还包括卸料口(12)，所述卸料口(12)设于所述反应塔本体(1)上且与所述本体腔体(2)连通。

3.如权利要求2所述的反应塔，其特征在于，特征10)中，所述卸料口(12)设于所述出料口(5)的下方。

4.如权利要求1至3任一项所述的反应塔的使用方法，其特征在于，将待反应浆料从所述进料口(3)通入所述本体腔体(2)，水蒸汽从所述蒸汽进口(4)通入所述本体腔体(2)，反应得到的盐溶液和/或固相从所述出料口(5)排出，气相从所述气相出口(6)排出，其中，所述待反应浆料为含镁和/或钙碳酸盐矿粉和铵盐溶液的混合物。

5.一种从含镁和/或钙碳酸盐矿中提取镁和/或钙的方法，其特征在于，采用权利要求1至3任一项所述的反应塔，将待反应浆料从所述进料口(3)通入所述本体腔体(2)，水蒸汽从所述蒸汽进口(4)通入所述本体腔体(2)，反应得到的盐溶液和/或固相物料从所述出料口(5)排出，气相从所述气相出口(6)排出，其中，所述待反应浆料为含镁和/或钙碳酸盐矿粉和铵盐溶液的混合物。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括如下技术特征中的至少一项：

1)含镁和/或钙碳酸盐矿粉选自石灰石、白云石和菱镁石中的至少一种；

2)铵盐为硫酸铵、氯化铵或硝酸铵；

3)铵盐溶液浓度为30～55wt％；

4)待反应浆料中碳酸盐和铵盐的摩尔比为0.4～1.2：1；

5)反应温度为148～263℃；

6)反应压力为0.6～1.67MPa ；

7)待反应浆料中碳酸盐浓度为15～25wt％。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，将所述气相出口(6)排出的气相冷却得到碳铵溶液。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述碳铵溶液中碳铵浓度为30～55wt％。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括选自如下步骤之一：

2a)当所述出料口(5)排出的物料为盐溶液时，所述盐溶液与所述气相出口(6)排出的气相冷却得到的碳铵溶液反应，得到固相碳酸盐和铵盐溶液；

2b)当所述出料口(5)排出的物料为盐溶液和固相时，先进行固液分离分别得到盐溶液和固相物，所述气相出口(6)排出的气相冷却得到的碳铵溶液分成两部分，第一部分的碳铵溶液与所述盐溶液反应，得到第一固相碳酸盐和第一铵盐溶液，第二部分的碳铵溶液与所述固相物反应，得到第二固相碳酸盐和第二铵盐溶液；

2c)当所述出料口(5)排出的物料为固相物时，所述固相物与所述气相出口(6)排出的气相冷却得到的碳铵溶液反应，得到固相碳酸盐和铵盐溶液。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括选自如下步骤之一：

3a)步骤2a)得到的固相碳酸盐和铵盐溶液进行固液分离分别得到固相碳酸盐和铵盐溶液，所述铵盐溶液循环通入所述本体腔体(2)；

3b)步骤2b)得到的第一固相碳酸盐和铵盐溶液进行固液分离分别得到第一固相碳酸盐和第一铵盐溶液，所述第一铵盐溶液循环通入所述本体腔体(2)；步骤2b)得到的第二固相碳酸盐和第二铵盐溶液进行固液分离分别得到第二固相碳酸盐和第二铵盐溶液，所述第二铵盐溶液循环通入所述本体腔体(2)；

3c)步骤2c)得到的固相碳酸盐和铵盐溶液进行固液分离分别得到固相碳酸盐和铵盐溶液，所述铵盐溶液循环通入所述本体腔体(2)。

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