Modeling and validation of the milk of lime production process

Abstract

Quicklime (CaO) is used in its hydrated form (Ca(OH)2) to control the pH value in chemical processes. The hydrate, milk of lime, is produced by mixing quicklime and water in an exothermic reaction at a weight ratio of approximately 1:4. The production of milk of lime takes place in a stirred tank reactor that is called a lime slaker. A sufficiently high reaction temperature as well as constant mixing are required to produce a good quality hydrate.

In this thesis a first principles model of a lime slaker was derived to model the slaker temperature based on the lime and water addition rates. Perfect mixing and constant heat capacity, density and volume were assumed. The reaction was assumed to be first order and the possible heat losses were not considered.

The resulting model was able to predict the reactor temperature typically within 1 °C from the measured value. The studied slaker was being operated below the industry recommended temperatures and according to the model a better slaker temperature could be obtained by reducing the water addition rate by 15 %.

Sammutettua kalkkia (Ca(OH)2) käytetään teollisissa prosesseissa mm. pH-arvon säätelyyn. Kalkinsammutusprosessissa tuotetaan niin kutsuttua kalkkimaitoa syöttämällä poltettua kalkkia (CaO) ja vettä hyvin sekoitettuun säiliöön noin 1:4 massasuhteessa. Reaktio on vahvasti eksoterminen, joten seoksen lämpötila nousee reaktion edetessä, kunnes nousu tasaantuu reaktion loppumisen merkiksi. Hyvälaatuisen kalkkimaidon tuottaminen vaatii riittävän korkean reaktiolämpötilan sekä kunnollisen sekoittamisen.

Tässä työssä kehitettiin ja identifioitiin kalkinsammutusprosessin fysikaalinen malli, jonka tavoitteena oli estimoida reaktorisäiliön lämpötilaa veden ja kalkin annostelumäärien perusteella. Mallinnuksessa oletettiin täydellinen sekoittuminen, ja että reaktorin lämpökapasiteetti, tiheys sekä tilavuus pysyvät vakioina. Lisäksi oletettiin, että kyseessä on ensimmäisen kertaluvun reaktio. Lämpöhäviöitä ei huomioitu.

Identifioitu malli kykenee ennustamaan reaktorin lämpötilan tyypillisesti noin yhden celsiusasteen tarkkuudella. Tutkittua prosessia ajetaan suosituksia alemmilla lämpötiloilla. Mallin perusteella suositellut lämpötilat voisi saavuttaa vähentämällä vedensyöttöä noin 15 %.