کلسیناسیون یا تکلیس (Calcination) اصطلاحی در علم مواد و شیمی است که به حرارت دادن مواد برای پیرولیز ، حذف رطوبت تشکیل ترکیبات واسط، انجام واکنش در حالت جامد گفته میشود . به زبان عامیانه کلسینه کردن یعنی ماده رو برای مدت زمان مشخصی در دمای مشخصی در کوره بذاریم تا یک سری مواد داخل آن پرت شود. دمای کلسیناسیون دمای خیلی زیادی است و تقریبا بین ۵۰۰ تا ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد می باشد . این عمل در کوره های مخصوص که در انواع مختلفی وجود دارد انجام می پذیرد .
کلسیناسیون و یا احیا کردن، گام مهمی در تولید رنگدانه های کادمیوم برای دستیابی به ویژگی های خاص رنگدانه است. دمای پایه پایین تر باعث ایجاد سایه روشن تر در رنگدانه می شود اما این کار را با قدرت کمتری انجام می دهد. در حالی که درجه حرارت بالاتر باعث سایه پررنگ تر و عمیق تر در رنگدانه می شود. این فرایند نیز نقش مهمی در رنگدانه های دی اکسید تیتانیوم ایفا می کند.
گاهی از کلسیناسیون به عنوان حرارت دهنده ای با دمای بالا در هوا یا اکسیژن یاد می شود. همچنین از آن برای ایجاد یک فرایند تصفیه حرارتی و یا تامین محدود هوا یا اکسیژن برای سنگ معدن و سایر مواد جامد در جهت ایجاد یک تجزیه گرمایی استفاده میشود.
گاهی از کلسیناسیون به عنوان حرارت دهنده ای با دمای بالا در هوا یا اکسیژن یاد می شود. همچنین از آن برای ایجاد یک فرایند تصفیه حرارتی و یا تامین محدود هوا یا اکسیژن برای سنگ معدن و سایر مواد جامد در جهت ایجاد یک تجزیه گرمایی استفاده میشود.
کلسیناسیون چیست؟
کلسیناسیون یک فرایند تصفیه حرارتی است که در آن مواد آمورف یا سایر مواد جامد در زیر نقطه ذوب تحت اتمسفر هوا و یا کنترل شده، حرارت داده می شوند. این فرایند برای ایجاد تجزیه گرمایی، حذف فازهای ناپایدار و یا انتقال فاز انجام میشود. به طور معمول، کورههای کلسیناسیون تا دمای فرایند ۸۰۰ سانتی گراد الی ۱۷۰۰ درجه سانتیگراد گرم میشوندکه بستگی به کاربرد و نوع موادی که می خواهند کلسینه کنند دارد. سایر پارامترهای این فرایند میتوانند شامل فشار بخر و اتمسفر محیط بر روی فرایند کلسیناسیون تاثیر گذار باشند.در واقع کلسیناسیون یک فرایند گرم کردن ماده تحت دمای کنترل شده و در یک محیط کنترل شده می باشد.
کلسیناسیون و یا احیا کردن، گام مهمی در تولید رنگدانه های کادمیوم برای دستیابی به ویژگی های خاص رنگدانه است. دمای پایه پایین تر باعث ایجاد سایه روشن تر در رنگدانه می شود اما این کار را با قدرت کمتری انجام می دهد. در حالی که درجه حرارت بالاتر باعث سایه پررنگ تر و عمیق تر در رنگدانه می شود. این فرایند نیز نقش مهمی در رنگدانه های دی اکسید تیتانیوم ایفا می کند.
گاهی از کلسیناسیون به عنوان حرارت دهنده ای با دمای بالا در هوا یا اکسیژن یاد می شود. همچنین از آن برای ایجاد یک فرایند تصفیه حرارتی و یا تامین محدود هوا یا اکسیژن برای سنگ معدن و سایر مواد جامد در جهت ایجاد یک تجزیه گرمایی استفاده میشود.
گاهی از کلسیناسیون به عنوان حرارت دهنده ای با دمای بالا در هوا یا اکسیژن یاد می شود. همچنین از آن برای ایجاد یک فرایند تصفیه حرارتی و یا تامین محدود هوا یا اکسیژن برای سنگ معدن و سایر مواد جامد در جهت ایجاد یک تجزیه گرمایی استفاده میشود.
فرایندهای کلسیناسیون
فرایندها شامل موارد زیر می باشند:
- تجزیه سنگ معدن مانند کربنات کلسیم که به عنوان کلسیناسیون از سنگ آهک برای دفع کربن دیاکسید را استفاده می شود.
- تجزیه مواد معدنی هیدراته مانند کلسیناسیون فلز و گچ، برای حذف آب متبلور شده به عنوان بخار آب.
- تجزیه و تحلیل ماده فراری که شامل پلیمرها می باشد.
- اعمال حرارت برای تغییر فاز، همانند تبدیل آناتاز به روتایل یا جداسازی مواد شیشهای
- حذف یونهای قلیایی و اسیدی
واکنش های کلسیناسیون
واکنش های کلسیناسیون معمولا در درجه حرارت تجزیه یا بالاتر برای تجزیه و انتقال فاز رخ می دهد. این درجه حرارت معمولا به عنوان دمایی تعریف شده است که در آن انرژی آزاد گیبس برای یک واکنش خاص برابر با صفر می باشد.
در علم کیمیاگری، کلسیناسیون یکی از ۱۲ فرایند حیاتی مورد نیاز برای تبدیل یک ماده می باشد.کیمیاگران دو نوع کلسیناسیون، واقعی و بالقوه را تشخیص دادند:
- نوع واقعی با آتش واقعی از چوب، ذغالسنگ یا سوخت دیگری ایجاد می شود که با افزایش آنها تا دمای خاصی بالا میرود.
- کلسیناسیون های بالقوه ناشی از آتش سوزی بالقوه مانند مواد شیمیایی خورنده است. به عنوان مثال در یک کوره بازتابی یا القایی، طلا با جیوه و سدیم آمونیاک ، نقرع با نمک معمولی و نمک قلیایی، مس با نمک و گوگرد، آها با نمک آمونیوم و سرکه، قلع با آنتیموان، سرب با گوگرد و جیوه با تیزاب کلسیناسیون شد.
انواع
آنها در انواع مختلفی ساخت و استفاده می شوند. از جمله انواع مختلف:
- کوره باکسی
- کوره های دوار یا پیوسته
- کوره های معلق یا القایی
کورههای آن میتوانند در پیکربندی خود تغییر کنند اما معمولا آنها یا به صورت کوره های باکسی، دمشی، شعله ای و خلا هستند. زمانی که یک نمونه مواد در کوره ها مورد استفاده قرار میگیرد، اغلب برای اطمینان از یکنواختی در محصول نهایی به حرکت در میآید.
کورههای شعله ای به گونه ای ساخته میشوند که منبع گرما با نمونهای که در حال کلسیناسیون است، ارتباط برقرار نمی کند و به طور معمول از آهن، آجر یا خاک رس ساخته میشوند. در این نوع کوره ، منبع گرما به طور مستقیم با نمونه تماس پیدا میکند.
کورههای متناوب یا کورههای القایی، کوره پیوسته ای می باشد که در آن قبل از اینکه نمونه خارج شود، کوره به طور دورهای سرد میشود. در حالی که نمونه در یک کوره کلسیناسیون بازتابی بدون هیچ نوع عمل سرد کردنی، کلسینه میشود. کورههای پیوسته به دلیل صرفهجویی در مصرف انرژی و زمان، یک انتخاب مناسب می باشند.
انواع مختلف کوره کلسیناسیون
کلسیناسیون پروسه انتقال حرارت است که در آن مواد معدنی یا سایر مواد در دمایی کمتر از نقطه ذوب خود حرارت می بینند. اینکار در غیاب اتمسفر هوا انجام می شود. این پروسه به این دلیل انجام می شود تا از تجزیه حرارتی جلوگیری شود، مواد فرار موجود از داخل نمونه ها خارج شوند و از استحاله فازی جلوگیری شود. کلسیناسیون قدمت بسیار طولانی در تاریخ دارد و بخشی از شاخه کیمیاگری به حساب می آمده است. کوره های متنوعی برای کلسیناسیون وجود دارد. از این رو در این مقاله به بررسی انواع کوره کلسیناسیون می پردازیم.
کوره های کلسیناسیون
به طور رایج کوره هایی برای کلسیناسیون استفاده می شوند که در بازه دمایی ۸۰۰ تا ۱۳۰۰ درجه سانتیگراد قرار داشته باشند. این بازه دمایی برای کلسیناسیون مواد مختلف متغییر است. دیگر پارامتر های کلسیناسیون باعث ایجاد مقادیر مختلف پروفیل حرارتی برای نمونه می شوند. پیکر بندی کوره های کلسینه سازی متنوع است اما به صورت کلی آنها به صورت بی صدا یا مافل، تکرار کننده، شفتی یا کیلن موجود هستند. در این کوره ها برای اطمینان از کلسیناسیون کامل، نمونه ها چرخانده می شوند تا حرارت به طور یکسان به نمونه وارد شود.
مافل ها به گونه ای طراحی شده اند که منبع گرما تماس مستقیم با نمونه نداشته باشد. جنس این کوره ها اغلب از آهن، خاک و آجر نسوز است. در اجاق های کلسیناسیون تکرار کننده، برخلاف حالت قبل، نمونه با منبع گرما در تماس مستقیم است. کوره های شفتی یا کیلن ها هم به صورت دوره ای و هم به صورت پیوسته موجود هستند. کوره های کلسیناسیون دوره ای قبل از اینکه نمونه برداشته شود سرد می شوند. در حالی که نمونه در کیلن پیوسته بدون هیچ گونه برداشتی سرد می شود. با توجه به صرفه جویی در انرژی و هزینه کوره های شفتی پیوسته گزینه بسیار محبوبی هستند.
کاربرد های کوره کلسیناسیون
کاربرد های اصلی کوره کلسیناسیون عبارتند از:
- حذف آب از نمونه، این آب در واقع همان رطوبتی است که از محیط جذب نمونه می شود
- حذف مواد فرار مانند دی اکسید گوگرد و کربن
- اکسید کردن بخشی از نمونه یا کل آن
- کاربرد اصلی این ابزار آلات تولید صمت است. صمت از تجزیه کربنات کلسیم به اکسید کلسیم و کربن دی اکسید ایجاد می شود.
- از کلسینه کردن در تولید زئولیت نیز استفاده می شود تا بتوان یون های آمونیم را حذف کرد.
- کاربرد های دیگر کوره های کلسینه سازی در جداسازی شیشه و جداسازی مواد تأثیر گذار بر استحاله های فازی می باشد.
کلسیناسیون و تشویه مواد معدنی
فرآیند کلسیناسیون (تجزیهی حرارتی) عموما به واکنشهایی گفته میشود که مواد معدنی کربناتی مانند دولومیت، سنگآهک و … در دما و زمان مناسب در کوره به مواد معدنی اکسیدی تبدیل میشوند. در صنایع مختلف مانند صنایع آهک و سیمان، صنعت تولید گچ، صنعت شیشه، صنایع آهن و فولاد، صنعت نسوز، صنایع قند و شکر، صنعت تولید منیزیم و … از فرآیندهای کلسیناسیون مواد معدنی استفاده میشود. کلسیناسیون و یا پخت مواد معدنی بسته به نوع فرآیند، در کورههایی با قابلیتهای مختلف انجام میشود. کورههای دوار و انواع کورههای عمودی از جمله کورههای مورد استفاده در فرآیندهای کلسیناسیون مواد معدنی هستند.
همچنین از فرآیندهای تشویه برای تبدیل مواد معدنی سولفیدی به مواد اکسیدی استفاده میشود. تشویه سنگ معدن سرب و روی، سنگ معدن سولفیدی مس و … از جمله رایجترین فرآیندهای تشویه میباشد که عموما در کورههای دوار یا بسترسیال صورت میگیرد. استفاده از کورههای بسترسیال برای تشویه مواد معدنی از جمله روشهای مدرن محسوب میشود که دارای راندمان بالا و میزان مصرف انرژی پایینتری نسبت به کورههای رایج است.
بررسی انواع کورههای کلسیناسیون و تشویه مواد معدنی
کورههای عمودی کلسیناسیون مواد معدنی
کورههای عمودی پخت مواد معدنی از لحاظ پروفیل گرمایی شامل ۳ منطقه مجزا میباشند که عبارتنداز:
- منطقه پیشگرم: جایی که مواد معدنی در آن در اثر حرارت خشک شده و تا نزدیکی دمای تکلیس حرارت میبیند.
- منطقه تکلیس: منطقه تجزیه ماده معدنی در اثر حرارت.
- منطقه خنککننده: منطقه خنک نمودن ماده معدنی پخته شده به کمک دمندهها.
در بین مناطق فوقالذکر، شرایط کاری منطقه تکلیس بیشترین تاثیر را روی کیفیت ماده معدنی تولیدشده دارد. گرمای مورد نیاز این منطقه باید قدرت تامین درجه حرارتی بالاتر از درجه حرارت تکلیس ماده معدنی را داشته باشد. با توجه به نوع طراحی، کورههای عمودی به ۲ دسته اصلی تقسیم میشوند:
- کوره تکمحفظه ای
- کوره دومحفظه ای
ورههای تکمحفظهای
کورههای تکمحفظهای به چند دسته مختلف تقسیم میشوند:
الف) کوره شارژ مخلوط (Mixed feed kilns)
در نوع ابتدایی کوره های عمودی که در آنها از شارژ چند لایه شامل مخلوطی از سنگ و سوخت جامد (ذغال) در قسمت بالایی کوره (منطقه پیش گرم) استفاده می شود، عبور جریان هوای گرم از پایین به بالا از میان شارژ سبب شعله ور شدن ذغال فرار و انجام عملیات تکلیس میشود و محصول نهایی از پایین کوره تخلیه میگردد.
ب) کوره وست (West kilns)
اساس این کوره بر تعبیه کاربراتورهای نفتی در بدنه منطقه تکلیس استوار است. در این قسمت بخار نفت در برخورد با گازهای داغی که از منطقه خنک کننده میآید، شعلهور شده و سبب تامین انرژی پخت مواد معدنی میشود.
ج) کوره وستوفن(Westofen kiln)
تنها تفاوت این نوع کوره با کوره وست در تعداد مشعل ها و سوخت آن می باشد. در این نوع کوره با توجه به استفاده از گاز طبیعی به جای نفت، علاوه بر بازده بیشتر و آلودگی کمتر، به انرژی اضافی جهت تبخیر نفت نیز نیازی نمی باشد.