Способ получения продукта на основе гипса
METHOD FOR PLASTER-BASED PRODUCT MANUFACTURE

Настоящее изобретение относится к способу получения продукта на основе гипса.
Гипс встречается в природе в качестве исходного материала в виде дигидрата сульфата кальция. Продукты, содержащие гипс, такие как гипсокартон, получают путем образования смеси обожженного или обезвоженного гипса, а именно полугидрата сульфата кальция, с водой, с образованием отверждаемой суспензии, которую затем отливают в заранее заданную форму. Полугидрат реагирует с водой и становится повторно гидратированным до кристаллов дигидрата, которые затем отверждают или сушат до твердого состояния.
Полугидратная форма гипса, как известно, зависит от процесса обжига, и может существовать в двух основных формах альфа-полугидрата и бета-полугидрата. Бета-полугидрат обычно получают путем нагревания гипса при атмосферном давлении, чтобы удалить всю влагу и химически связанную воду с образованием высушенных кристаллов, которые затем можно измельчить в мелкий порошок. Бета-полугидрат на протяжении длительного времени является предпочтительным в производстве гипсовых или гипсокартонных стеновых плит из-за быстрой регидратации кристаллов при получении суспензии. Однако гипсовый продукт, полученный из бета-полугидрата, как правило, является мягким, а бета-гидрат требует больших объемов воды для получения требуемой текучести суспензии.
Альфа-полугидрат получают при нагревании гипса под давлением, чтобы аналогичным образом удалить связанную с ним воду. Однако установлено, что гипсовый продукт, полученный из альфа-полугидрата, является более твердым, имеет более высокую прочность и плотность по сравнению с гипсовым продуктом, полученным из бета-полугидрата.
Для обеспечения надлежащей текучести суспензии необходимо использовать значительные количества воды в гипсовых суспензиях. К сожалению, большая часть этой воды, в конечном счете, должна быть удалена путем нагревания, которое является затратным из-за высокой стоимости топлива, используемого для нагревания. К тому же стадия нагревания занимает много времени. Известно, что альфа-полугидрат имеет существенно более низкую потребность в воде, чем бета-полугидрат, а это означает, что в случае использования альфа-полугидрата для создания стеновой плиты, существенно уменьшилась бы потребность в воде и, следовательно, затраты и время, необходимое для получения стеновой плиты. Это еще одно преимущество использования альфа-полугидрата.
Тем не менее, альфа-полугидрат обычно не используют коммерчески для производства гипсовых стеновых плит в первую очередь из-за его низкой скорости гидратации по сравнению с бета-полугидратом, что влечет за собой более медленное прохождение доски по производственной линии.
Патентная заявка № WO 2007/084346 описывает способ производства гипса альфа-типа. Жидкое гипсовое тесто поступает в автоклав, где его нагревают обычно до температуры приблизительно 280°F (137°C) под давлением 3-4 бар и преобразуют в альфа-полугидрат. Гипсовое тесто выходит из автоклава под давлением через клапан сброса и поступает в испарительный резервуар, где его охлаждают, и избыток пара собирают.
Патентная заявка № US 2008/0069762 описывает способ изготовления смеси альфа- и бета-штукатурки. Процесс включает в себя стадию обжига, на которой густую суспензию гипса выдерживают в реакторе при температуре, например, 149°C и давлении, например, от 3,4 до 4,8 бар. Частично обожженный гипсовый продукт выходит из реактора в виде густой суспензии, содержащей дигидрат сульфата кальция и альфа-полугидрат сульфата кальция, и поступает в накопительный резервуар, который выпускает пар, когда давление на суспензию падает до атмосферного давления. Суспензия затем выходит из накопительного резервуара и поступает в блок обезвоживания, где удаляют воду с получением обезвоженного твердого продукта и потока воды. Обезвоженный продукт содержит от 2 до 6 мас.% свободной воды. Обезвоженный продукт подают в гипсоварочный котел-кальцинатор в условиях, обеспечивающих преобразование большей части или всего гипса в обезвоженном продукте в бета-полугидрат сульфата кальция.
Согласно настоящему изобретению, как видно из первого аспекта, предложен способ получения продукта на основе гипса, способ включает стадии:
обжига смеси воды и гипса в условиях повышенной температуры и давления в емкости с получением в ней суспензии альфа-полугидрата;
пропускания суспензии альфа-полугидрата из емкости в смеситель для смешивания с дополнительным количеством воды с получением отверждаемой суспензии, которая при затвердевании образует продукт на основе гипса.
Предпочтительно, способ устраняет необходимость сушки полугидрата, которую обычно проводят для образования отверждаемой суспензии, и, следовательно, снижает энергетические затраты метода. Кроме того, снижение количества воды, необходимой для достижения желаемой текучести отверждаемой суспензии альфа-полугидрата по сравнению с бета-полугидратом, обеспечивает дополнительное энергосбережение, так как меньшее количество воды необходимо будет удалить во время сушки гипсового продукта.
Предпочтительно, стадия обжига включает заполнение емкости водой и гипсом таким образом, чтобы в емкости по существу не оставалось свободного пространства для того, чтобы предотвратить испарение воды, полученной в ходе обжига гипса.
Предпочтительно, повышенная температура включает температуру в пределах от 110 до 170°C, предпочтительно от 120 до 150°C, более предпочтительно от 130 до 140°C.
Обычно давление регулируют в соответствии с рабочей температурой, так что рабочее давление соответствует давлению пара потока при рабочей температуре. Предпочтительно, повышенное давление, включает давление в диапазоне от 2 до 8 бар, более предпочтительно от 3 до 5 бар.
Предпочтительно, способ дополнительно включает стадию охлаждения суспензии альфа-полугидрата после стадии обжига. Как правило, стадия охлаждения суспензии альфа-полугидрата происходит в то время, как суспензия альфа-полугидрата все еще находится под давлением приблизительно от 2 до 8 бар. Как правило, стадию охлаждения суспензии альфа-полугидрата осуществляют с помощью теплообменника. Предпочтительно, альфа-полугидрат охлаждают до температуры менее 100°C, например до 90°C.
Предпочтительно, после стадии охлаждения суспензии альфа-полугидрата, давление на суспензию понижают до 1 бар (т.е. до атмосферного давления).
Как правило, способ дополнительно содержит стадию, по существу, отделения воды от суспензии альфа-полугидрата после стадии снижения давления, действующего на суспензию альфа-полугидрата. Это может быть сделано, например, с использованием ленточного фильтра или центробежного сепаратора, т.е. гидроциклона.
Предпочтительно, в данном случае, отделенная вода циркулирует, то есть повторно используется для смеси со свежим количеством гипса, для введения в емкость, чтобы начать дальнейший процесс обжига. В этом случае тепловая энергия, содержащаяся в отделенной воде, снижает потребность в нагреве емкости для достижения повышенной температуры, например, от 110 до 180°C.
В случае, когда воду отделяют от суспензии альфа-полугидрата, содержание свободной воды в остатке суспензии составляет, как правило, 1-30 мас.%, предпочтительно 5-30 мас.%, более предпочтительно 8-30 мас.%.
Предпочтительно, способ дополнительно включает стадию измельчения суспензии альфа-полугидрата, чтобы уменьшить размер ее частиц. Считается, что измельчение суспензии альфа-полугидрата приводит к большей реакционной способности частиц альфа-полугидрата, повышению скорости гидратации частиц альфа-полугидрата на стадии формирования отверждаемой суспензии. Стадию измельчения суспензии альфа-полугидрата можно проводить с использованием влажных методов размола. В этом случае измельчение может быть осуществлено при температуре 50°C или выше, предпочтительно 70°C или выше, более предпочтительно 80°C или выше.
Методы контроля размера частиц альфа-полугидрата на стадии обжига известны в данной области и могут быть использованы в качестве альтернативы или в дополнение к стадии измельчения.
Предпочтительно, во время стадии прохождения суспензии альфа-полугидрата из емкости для обжига в смеситель, температуру суспензии альфа-полугидрата поддерживают при 70°C или выше. Считают, что поддержание температуры суспензии альфа-полугидрата на этом уровне позволяет избежать гидратации частиц альфа-полугидрата с образованием отверждаемого гипсового продукта до входа суспензии альфа-полугидрата в смеситель. Предпочтительно, температуру суспензии альфа-полугидрата поддерживают на уровне выше 80°C, более предпочтительно на уровне выше 85°C.
Кроме того, желательно, чтобы стадия прохождения суспензии альфа-полугидрата из емкости для обжига в смеситель не занимала много времени, так чтобы в дальнейшем избежать гидратации частиц альфа-полугидрата до ввода частиц в смеситель. Как правило, время, необходимое для прохождения суспензии альфа-полугидрата из емкости прокаливания в смеситель, занимает менее 120 мин, предпочтительно менее 60 минут, более предпочтительно менее 30 минут.
Считается, что добавление холодной воды (например, примерно 20-30°C) в смеситель для смешивания с суспензией альфа-полугидрата быстро снизит температуру суспензии альфа-полугидрата с тем, чтобы способствовать гидратации частиц альфа-полугидрата с образованием отверждаемого гипсового продукта.
Способ дополнительно включает добавление одной или более добавок к суспензии полугидрата в смесителе, например ускорителей и пенообразователей.
Предпочтительно, продукт на основе гипса включает гипсовую плиту. Согласно настоящему изобретению, как видно из второго аспекта, предложен способ получения продукта на основе гипса, способ содержит стадии:
обжиг смеси воды и гипса в условиях повышенной температуры и давления в емкости с получением в ней суспензии альфа-полугидрата;
пропускание суспензии альфа-полугидрата из емкости для обжига в смеситель для смешивания с дополнительным количеством воды для получения отверждаемой суспензии, которая при затвердевании образует продукт на основе гипса, где суспензию альфа-полугидрата пропускают из емкости в смеситель без осуществления стадии сушки.
Предпочтительные особенности способа из второго аспекта могут включать один или более предпочтительных особенностей способа из первого аспекта.
Один из вариантов осуществления настоящего изобретения будет теперь описан с помощью примера со ссылкой на прилагаемый чертеж, который схематически иллюстрирует стадии, связанные с методом по одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.
Ссылаясь на чертеж, способ по одному из вариантов осуществления настоящего изобретения включает начальную стадию формирования смеси 20 воды и гипса 10 в соотношении примерно 1 часть гипса на 1,5 частей воды, нагнетание давления на смесь в нагнетателе 30 и предварительный нагрев ее с помощью теплообменника 40 (например, теплообменника вода/вода).
Затем смесь помещают в емкость для обжига 50, например, с помощью насоса или длинной водяной колонки. Затем смесь нагревают до температуры в диапазоне от 130 до 140°C и повышают давление на емкость 50 до давления от 3 до 5 бар. емкость 50, по существу, заполнена смесью так, чтобы не оставалось никакого свободного места, чтобы предотвратить испарение и, таким образом, потерю из емкости 50 воды, полученной при обжиге гипса.
После стадии обжига полученную смесь воды и суспензии альфа-полугидрата 60 охлаждают до температуры приблизительно 90°C с помощью теплообменника 40, снижают давление на смесь в установке по снижению давления 70 и подают смесь в разделительную установку 80, где суспензию полугидрата по существу отделяют от воды.
Вода циркулирует из разделительной установки 80 назад в емкость 50, чтобы подогреть воду и гипс перед вхождением в емкость 50 и тем самым снизить энергозатраты, связанные с нагреванием смеси. Суспензию альфа-полугидрата, содержащую примерно 6% воды, передают из разделительной установки 80 в смеситель 90, для последующей постообработки суспензии, включающей добавление воды 100 и необязательных добавок, таких как ускорители 110 (для уменьшения времени затвердевания) и пенообразователи 120 для получения отверждаемой суспензии.
Предполагается также, однако, что постобработка может дополнительно включать измельчение суспензии полугидрата (например, в винтовой дробилке 140), чтобы уменьшить размер частиц, находящихся в ней, до введения суспензии альфа-полугидрата в смеситель 90. В этом отношении, суспензию полугидрата пропускают в смеситель 90 для достижения требуемой текучести и характеристик затвердевания, без проведения какой-либо стадии сушки, тем самым уменьшая энергопотребление в производстве гипсового продукта.
Кроме того, полученная отверждаемая суспензия, содержащая 30-40% воды, которую затем направляют на производственную линию 130 для последующего получения гипсового продукта, такого как гипсокартон, будет требовать меньше «выдерживания» за счет снижения количества воды, необходимого для достижения желаемой текучести альфа-полугидрата, по сравнению с количеством воды, необходимым для достижения желаемой текучести отверждаемой суспензии бета-полугидрата. Поскольку альфа-полугидрат, как правило, имеет более низкую скорость гидратации, чем бета-полугидрат, время затвердевания для суспензии альфа-полугидрата, как правило, дольше, чем для суспензии бета-полугидрата. Таким образом, при изготовлении гипсовых плит обычно желательно при использовании суспензии альфа-полугидрата иметь более длинную формирующую ленту, чтобы обеспечить достаточное время для затвердевания суспензии.