一种用于纳米碳酸钙生产的中空纤维膜反应器及设备

摘要

本发明公开一种用于纳米碳酸钙生产的中空纤维膜反应器，包括容器主体（15），所述容器主体（15）底部设有大小匹配的下封头（16），所述下封头（16）底部设有出料口（17）；所述容器主体（15）顶部设有上盖板（8），所述上盖板（8）内设有顶端膜组件。本发明的中空纤维膜反应器具有结构简单、能耗低、产品质量高和方便连续生产的特点。包含该中空纤维膜反应器的用于纳米碳酸钙生产的设备，它包括原料液储槽、气体储瓶、中空纤维膜反应器、产品液储槽、离心机和干燥机。该设备得到的纳米碳酸钙其粒径范围为40-80nm，平均粒径为60nm。

说明书

技术领域

本发明属于纳米碳酸钙的生产领域，具体是一种用于纳米碳酸钙生产的中空纤维膜反应器及设备。

背景技术

纳米碳酸钙一般情况下特指颗粒直径为1-100nm的超细碳酸钙。纳米CaCO₃作为一种优质的功能性填料和白色颜料, 广泛应用在橡胶、塑料、造纸、涂料、油墨、医药等众多行业，不但可以起到增加体积，降低成本的目的，而且还可增强相应石化产品（塑料，橡胶等）的强度，改善产品性能，使其应用范围得到拓展。

在碳酸钙领域，我国是世界上资源和生产大国，目前我国碳酸钙工业生产能力达600万吨年，但具有一定技术附加值的沉淀碳酸钙仅占7.7%，其中具有高附加值的品种不足总产量的0.5%，高档碳酸钙产品主要依赖进口，与国外有很大差距。

目前纳米碳酸钙生产中所使用的碳化反应器按照其工作方式不同可分为间歇鼓泡碳化法、连续鼓泡碳化法、连续喷雾碳化法、超重力反应结晶法、膜分散法。

间歇鼓泡碳化法：该法是在锥底圆柱体碳化塔中加入精制氢氧化钙悬浊液和适当的添加剂，然后从塔底通入二氧化碳碳化至终点，得到所要求的碳酸钙产品。在使用此种反应器生产纳米碳酸钙操作简单，适合小型企业使用，但必须严格控制反应条件，生产过程不连续，自动化程度低，劳动强度大，不同批次的产品在晶型，粒度分布等方面差异较大，产品难于适应高端应用。

连续鼓泡碳化法：该方法生产过程中，精制石灰乳先经第一级碳化塔部分碳化得到反应混合液，然后在浆液槽中加入适当的添加剂后进入第二级碳化塔碳化反应得到产品。该法碳化过程可较容易控制碳化温度，所以可得到较好的晶形、较小的粒径和粒径分布，但设备投资较大，较难适应一般小厂的投资能力。

连续喷雾碳化法：该法生产过程中，精制石灰乳从第一级碳化塔顶部喷雾成0.01～0.1mm的液滴进入碳化塔，二氧化碳从塔底通入塔中，气液两相逆流接触发生碳化反应。该方法技术理念先进，气液相接触面积大，反应速度快，所得碳酸钙产品粒径为40～80nm，但投资较高、技术较复杂、操作难度较大、设备工作不稳定。

超重力反应结晶法：其设计理念是强化气液传质过程，核心设备是超重力离心反应器，该设备利用填充床高速旋转产生的几十到几百倍重力加速度，可获得超重力场环境，并通过CO₂和Ca(0H)₂悬浊液在超重力专用设备中逆流接触，同时添加分散剂，控制晶体生长，最终可得到平均粒径达1 5～30nm的纳米级碳酸钙。该法粒径分布均匀，不同批次产品的重现性好，碳化反应时间短，不过该方法设备投资亦较高，适合大中型企业使用。

膜分散法：该方法炭化反应在板式膜反应装置中进行，CO₂通过膜的一侧扩散到另一侧与Ca(OH)₂反应，生成CaCO₃，该方法能精准控制CO₂的扩散速率，操作较为简单，适合连续生产，能很好的控制产品粒径分布，操作成本较低。目前，膜分散法设备的研究较少，我们也尚未查到关于膜分散法设备的公开文献。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述技术问题，提供一种用于纳米碳酸钙生产的中空纤维膜反应器及设备，本发明的中空纤维膜反应器具有结构简单、能耗低、产品质量高和方便连续生产的特点。

为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种用于纳米碳酸钙生产的中空纤维膜反应器，包括容器主体，所述容器主体底部设有大小匹配的下封头，所述下封头底部设有出料口；所述容器主体顶部设有上盖板，所述上盖板内设有顶端膜组件，所述顶端膜组件包括上顶盖、下顶盖和中空纤维膜，所述上顶盖和下顶盖相连接，所述上顶盖顶部设有进气口，所述下顶盖中央设有导气槽，所述导气槽上设有数个插膜孔；所述中空纤维膜一端固定于束膜管内，所述束膜管从下顶盖下方固定于插膜孔内。

作为进一步限定，以上所述上盖板中央设有持液槽，所述持液槽中央设有用于固定下顶盖的插膜槽，所述中空纤维膜由插膜槽伸入容器主体内。

作为进一步限定，以上所述下顶盖两侧设有溢流堰，所述溢流堰与下顶盖一同设于插膜槽内。

作为进一步限定，以上所述溢流堰呈“L”形，夹角为120°～150°。

作为进一步限定，以上所述容器主体为一圆柱筒，在所述圆柱筒两端设有分别用于连接上盖板和下封头的法兰盘。

作为进一步限定，以上所述下封头呈倒圆锥形，其圆锥底面设有用于连接容器主体的法兰盘。

作为进一步限定，以上所述下封头底面与容器主体直径相同，其底面直径与高之比为4∶3。

作为进一步限定，以上所述中空纤维膜为聚醚砜微滤膜，以8～10根膜丝为一组。

一种包含上述中空纤维膜反应器的用于纳米碳酸钙生产的设备，它包括原料液储槽、气体储瓶、中空纤维膜反应器、产品液储槽、离心机和干燥机，所述原料液储槽的出料口与中空纤维膜反应器的持液槽连接，所述气体储瓶的出气口与中空纤维膜反应器的进气口连接，所述中空纤维膜反应器的出料口与产品液储槽的进料口连接，所述产品液储槽的出料口与离心机的进料口连接，所述离心机与干燥机的进料口连接。

作为进一步限定，以上所述离心机还与废液处理槽连接。

本发明的原理是： Ca(OH)₂乳流入中空纤维膜反应器的持液槽，并由持液槽经过溢流堰流入容器主体中，二氧化碳和氮气气体则通入进气口，经中空纤维膜扩散至容器主体中，原料液中的Ca(OH)₂与流入反应器中的二氧化碳反应，生成碳酸钙。碳酸钙不溶于水，则在其生成的同时发生结晶现象，形成纳米碳酸钙颗粒，从而达到生产纳米碳酸钙的目的。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明与现有的纳米碳酸钙反应器相比具有结构简单，安装和扩容方便的特点。在纳米碳酸钙生产过程中较易控制反应温度，二氧化碳的供应量。所得纳米碳酸钙粒径分布为40-90nm。应用过程中，产品质量稳定，能耗低，设备投资成本亦较低，有较大的实用价值。

附图说明

图1是本发明中空纤维膜反应器的结构示意图；

图2是本发明中空纤维膜反应器的剖视图；

图3是本发明顶端膜组件的拆解示意图；

图4是本发明上盖板的结构示意图；

图5是本发明溢流堰的结构示意图；

图6是本发明容器主体的结构示意图；

图7是本发明反应器安装示意图；

图8是本发明用于纳米碳酸钙生产的设备结构示意图。

附图标记：

1-束膜管，2-中空纤维膜，3-插膜孔，4-下顶盖，5-上顶盖，6-进气口，7-螺栓孔，8-上盖板，9-持液槽，10-插膜槽，11-上盖板膜组件粘合面，12-溢流堰，13-溢流堰粘合面，14-上盖板溢流堰粘合面，15-容器主体，16-下封头，17-出料口，18-导气槽。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式并不局限于实施例表示的范围。

实施例1：

如图1-7所示，用于纳米碳酸钙生产的中空纤维膜反应器，除中空纤维膜采用聚醚砜微滤膜外，其它部分均采用PP塑料制造，包括容器主体15，容器主体15底部设有大小匹配的下封头16，下封头16为一底面直径160mm，高120mm的圆锥壳体，壁厚20mm，底面设有一直径220mm法兰盘，顶端设有内径8mm，外径12mm，高30mm的出料口17；容器主体15顶部设有上盖板8，上盖板8为一底面直径为220mm，高40mm的圆柱体，上盖板8内设有顶端膜组件，上盖板8中央设有直径为140mm，深20mm的持液槽9，持液槽9中央设有一长130mm，宽50mm，深20mm的插膜槽10，中空纤维膜2由插膜槽10伸入容器主体15内，将组装完毕的顶端膜组件两个较小的侧面粘合在膜插槽10上的上盖板膜组件粘合面11的中央；顶端膜组件包括上顶盖5、下顶盖4和中空纤维膜2，上顶盖5为长130mm，宽40mm，高30mm的矩形，下顶盖4为长130mm，宽40mm，高30mm的矩形，上顶盖5和下顶盖4通过8组螺栓孔7使用螺栓连接为一体，上顶盖5顶部设有直径为8mm，高为30mm进气口6，下顶盖4中央设有长100mm，宽10mm，深15mm的导气槽18，导气槽18底部均匀分布10个直径为8mm的插膜孔3；中空纤维膜2一端固定于束膜管1内，束膜管1从下顶盖4下方固定于插膜孔3内，10组中空纤维膜一端的束膜管分别用环氧树脂固定在10个插膜孔3中，束膜管1为外径8mm，长20mm的聚乙烯塑料管，中空纤维膜2为长800mm的聚醚砜微滤膜，以8～10根膜丝为一组，用环氧树脂固定在束膜管1中。下顶盖4两侧设有溢流堰12，溢流堰12与下顶盖4一同设于插膜槽10内。溢流堰12呈“L”形，夹角为120°。其竖端板尺寸为长130mm，宽5mm，高35mm，斜端板为长130mm，宽5mm，高35mm，将两块溢流堰12的溢流堰粘合面13分别胶合到插膜槽10的上盖板溢流堰粘合面14的中央位置。容器主体15为一内径140mm，壁厚20mm，高800mm的塑料圆筒，两端带有外径为220mm，厚20mm的法兰盘，其中使用螺栓连接上盖板8，另一端连接底部封头16。

 

实施例2：

如图1-7所示，用于纳米碳酸钙生产的中空纤维膜反应器，除中空纤维膜采用聚醚砜微滤膜外，其它部分均采用PP塑料制造，包括容器主体15，容器主体15底部设有大小匹配的下封头16，下封头16为一底面直径160mm，高120mm的圆锥壳体，壁厚20mm，底面设有一直径220mm法兰盘，顶端设有内径8mm，外径12mm，高30mm的出料口17；容器主体15顶部设有上盖板8，上盖板8为一底面直径为220mm，高40mm的圆柱体，上盖板8内设有顶端膜组件，上盖板8中央设有直径为140mm，深20mm的持液槽9，持液槽9中央设有一长130mm，宽50mm，深20mm的插膜槽10，中空纤维膜2由插膜槽10伸入容器主体15内，将组装完毕的顶端膜组件两个较小的侧面粘合在膜插槽10上的上盖板膜组件粘合面11的中央；顶端膜组件包括上顶盖5、下顶盖4和中空纤维膜2，上顶盖5为长130mm，宽40mm，高30mm的矩形，下顶盖4为长130mm，宽40mm，高30mm的矩形，上顶盖5和下顶盖4通过8组螺栓孔7使用螺栓连接为一体，上顶盖5顶部设有直径为8mm，高为30mm进气口6，下顶盖4中央设有长100mm，宽10mm，深15mm的导气槽18，导气槽18底部均匀分布10个直径为8mm的插膜孔3；中空纤维膜2一端固定于束膜管1内，束膜管1从下顶盖4下方固定于插膜孔3内，10组中空纤维膜一端的束膜管分别用环氧树脂固定在10个插膜孔3中，束膜管1为外径8mm，长20mm的聚乙烯塑料管，中空纤维膜2为长800mm的聚醚砜微滤膜，以8～10根膜丝为一组，用环氧树脂固定在束膜管1中。下顶盖4两侧设有溢流堰12，溢流堰12与下顶盖4一同设于插膜槽10内。溢流堰12呈“L”形，夹角为130°。其竖端板尺寸为长130mm，宽5mm，高35mm，斜端板为长130mm，宽5mm，高35mm，将两块溢流堰12的溢流堰粘合面13分别胶合到插膜槽10的上盖板溢流堰粘合面14的中央位置。容器主体15为一内径140mm，壁厚20mm，高800mm的塑料圆筒，两端带有外径为220mm，厚20mm的法兰盘，其中使用螺栓连接上盖板8，另一端连接底部封头16。

 

实施例3：

如图1-7所示，用于纳米碳酸钙生产的中空纤维膜反应器，除中空纤维膜采用聚醚砜微滤膜外，其它部分均采用PP塑料制造，包括容器主体15，容器主体15底部设有大小匹配的下封头16，下封头16为一底面直径160mm，高120mm的圆锥壳体，壁厚20mm，底面设有一直径220mm法兰盘，顶端设有内径8mm，外径12mm，高30mm的出料口17；容器主体15顶部设有上盖板8，上盖板8为一底面直径为220mm，高40mm的圆柱体，上盖板8内设有顶端膜组件，上盖板8中央设有直径为140mm，深20mm的持液槽9，持液槽9中央设有一长130mm，宽50mm，深20mm的插膜槽10，中空纤维膜2由插膜槽10伸入容器主体15内，将组装完毕的顶端膜组件两个较小的侧面粘合在膜插槽10上的上盖板膜组件粘合面11的中央；顶端膜组件包括上顶盖5、下顶盖4和中空纤维膜2，上顶盖5为长130mm，宽40mm，高30mm的矩形，下顶盖4为长130mm，宽40mm，高30mm的矩形，上顶盖5和下顶盖4通过8组螺栓孔7使用螺栓连接为一体，上顶盖5顶部设有直径为8mm，高为30mm进气口6，下顶盖4中央设有长100mm，宽10mm，深15mm的导气槽18，导气槽18底部均匀分布10个直径为8mm的插膜孔3；中空纤维膜2一端固定于束膜管1内，束膜管1从下顶盖4下方固定于插膜孔3内，10组中空纤维膜一端的束膜管分别用环氧树脂固定在10个插膜孔3中，束膜管1为外径8mm，长20mm的聚乙烯塑料管，中空纤维膜2为长800mm的聚醚砜微滤膜，以8～10根膜丝为一组，用环氧树脂固定在束膜管1中。下顶盖4两侧设有溢流堰12，溢流堰12与下顶盖4一同设于插膜槽10内。溢流堰12呈“L”形，夹角为150°。其竖端板尺寸为长130mm，宽5mm，高35mm，斜端板为长130mm，宽5mm，高35mm，将两块溢流堰12的溢流堰粘合面13分别胶合到插膜槽10的上盖板溢流堰粘合面14的中央位置。容器主体15为一内径140mm，壁厚20mm，高800mm的塑料圆筒，两端带有外径为220mm，厚20mm的法兰盘，其中使用螺栓连接上盖板8，另一端连接底部封头16。

使用实施例1-3的反应器时，Ca(OH)₂乳流入中空纤维膜反应器的持液槽9，并由持液槽9经过溢流堰12流入容器主体15中，二氧化碳和氮气气体则通入进气口6，经中空纤维膜2扩散至容器主体15中，原料液中的Ca(OH)₂与流入反应器中的二氧化碳反应，生成碳酸钙。碳酸钙不溶于水，则在其生成的同时发生结晶现象，形成纳米碳酸钙颗粒，从而达到生产纳米碳酸钙的目的。

实施例4：

如图8所示，包含实施例1-3中任意中空纤维膜反应器的设备用于纳米碳酸钙生产的，它包括原料液储槽、气体储瓶、中空纤维膜反应器、产品液储槽、离心机和干燥机，原料液储槽的出料口与中空纤维膜反应器的持液槽9连接，气体储瓶的出气口与中空纤维膜反应器的进气口6连接，中空纤维膜反应器的出料口17与产品液储槽的进料口连接，产品液储槽的出料口与离心机的进料口连接，离心机与干燥机的进料口连接，离心机还与废液处理槽连接。 

原料液储槽中的Ca(OH)₂乳液中Ca(OH)₂的浓度为100 g·L-1，气体储瓶中的二氧化碳与氮气体积比为1∶2，将原料液储槽中原料夜以流速为30 ml·min-1的速度注入中空纤维膜反应器的持液槽9，将气体储瓶中的气体减压到3公斤后以600ml·min-1的流速通过顶端膜组件进气口6注入中空纤维膜反应器中，原料液与气体中的二氧化碳反应生成纳米碳酸钙后从出料口17进入产品液储槽，再从产品液储槽进离心机分离，分离所得碳酸钙进入干燥机干燥得到最终产品，分离所得水送入废液处理槽加碳酸钠做无害化处理。运行24小时后得到纳米碳酸钙5公斤，其粒径范围为40-80nm，平均粒径为60nm。