以粗四氯化钛为原料,经除硅、钒等杂质后,产出精四氯化钛的海绵钛厂车间设计。精四氯化钛是海绵钛厂和钛白粉厂的原料。
四氯化钛精制分两道工序,即除硅、除钒和除氯氧化物等杂质。分离粗四氯化钛中的四氯化硅,一般多采用精馏法。除氯氧化物和硅等杂质用精馏法。中国设计中曾采用填料塔,1966年在抚顺铝厂钛车间采用浮阀塔试验成功,以后各钛厂相继改用浮阀塔。工业上采用的除钒方法有铜粉法、硫化氢法和矿物油法,美国和日本钛厂曾采用硫化氢法,20世纪60年代先后改用矿物油法。前苏联采用铜粉法和铝粉法除钒,铜粉法除钒应先加入增湿的活性炭。中国在50年代曾用过铜粉法,后改为铜丝球法除钒。在1989年,锦州钛白粉工程设计中,首次引进矿物油除钒技术。
工艺流程选择 精制工艺流程根据产品用途确定,随产品用途的不同,精四氯化钛的成分稍有差异。钛白粉生产用四氯化钛,不控制四氯化硅的含量,不设除四氯化硅的工序。海绵钛厂精制四氯化钛流程有二塔系(除硅塔、除钒塔)和三塔系(除硅塔、除高沸点杂质塔和除钒塔)之分,设计中一般选用二塔系,其流程见图。二塔系的优点是工艺流程简单、占地面积小、投资少、热能利用好,四氯化钛成本低。精馏塔中加料温度为25℃,塔顶温度为60~70℃,塔底温度为139~142℃,蒸馏釜中四氯化钛蒸气温度为144~146℃。除钒塔塔顶温度为137~139℃,塔底温度为139~141℃。
设备选择 主要设备有除硅塔、除高沸点杂质精馏塔和除钒设备。
精馏塔。有填料塔、栅板塔、泡罩塔、筛析塔和浮阀塔等。浮阀塔直径由φ273mm扩大到φ410mm。其优点是操作弹性好,塔盘效率高(比泡罩塔高5%~10%),生产能力大(比泡罩塔高20%~30%,是填料塔的1.5倍)。塔身结构简单、检修方便、不易堵塞、适应性好,能处理高杂质含量的物料。浮阀塔由精馏段和提馏段组成。其理论塔板数由分别计算精馏段和提馏段塔板数确定。计算精馏段塔板数用的精馏段操作方程式为:
式中n为塔板数;Yn+1,为n+1层塔板上汽相中SiCl4分子浓度百分数;Xn为塔内n层塔板液相中SiCl4的分子浓度百分数;R为回流比;Xp为塔顶馏出物中SiCl4的分子浓度百分数。Y与X的平衡方程式为:
式中α为平均相对挥发度。以上二式联立,可求得Xn、Yn之值,当Xn<Xf时,第n块理论塔板为加料板。Xf为原料液相粗TiCl4中低沸点物的含量,分子浓度百分数。
提馏段塔板数:提馏段方程Yn=ƒ(Xn)与平衡方程(2)联立可得Xn,当Xn<Xw时即可满足要求;Xw为塔底流出物中低沸点物的克分子浓度百分数。实际塔板数按下式确定:
精馏段实际塔板数:
提馏段实际塔板数:
式中n为提馏段的塔板数:0.4为精馏段塔板效率;0.3为提馏段塔板效率。
除钒设备有矿物油除钒系统和铜丝球塔等。铜丝球塔优点是设备结构简单(内装φ2mm紫铜丝绕成的φ100~150mm的铜丝球),操作方便。但铜的价格高、供应困难、生产操作不能连续化。
车间配置与技术要求 仪表控制室配置在生产操作较集中处,各生产设备按工艺流程方向配置;塔顶冷凝系统设备可考虑露天配置。生产系统的设施要求严格密闭,设备及管道检修完毕,必须干燥后方可组装。车间内应设有设备干燥室。为保证产品质量,浮阀塔系统后面的设备及管道采用不锈钢制作。
主要技术指标 粗四氯化钛的质量要求见富钛料氯化车间设计,精四氯化钛的质量要求见表。
生产每吨精TiCl4的消耗指标为粗TiCl4 1.05~1.073t;电124~174kW•h;精TiCl4的实收率为95%左右。