Расчёт аппарата восстановления тетрахлорида титана магнием

Реактор с заглубленной крышкой и с бесштоковым устройством для слива хлористого магния

  Рис. 1.4.

На рис. 1.4. показан реактор, который нашел наибольшее применение при производстве губчатого титана. Он представляет собой цилиндр 1, на дне которого имеется ложное днище 2. Реактор накрыт заглубленной крышкой 3 с устройством для загрузки магния и TiCl₄, а тай же для подачи аргона внутрь реактора и создания в нем вакуума. Сливное устройство 4 бесштоковое. Отверстие на дне реактора используется не только для слива хлористого магния, но и для выпрессовки готового блока губчатого титана после вакуумной сепарации. Такого типа реакторы применяют для получения 1,5 т губчатого титана за цикл и более.

        Рассмотрев несколько вариантов реакторов, я пришел к выводу, что третий вариант реактора более экономически целесообразен. И он более распространен в химической промышленности. Этим способом пользуется также «Корпорация ВСМПО Ависма»,в процессах восстановления и вакуум-сепарации. Так как его конструкция проста в изготовлении и не требует каких либо лишних надстроек для проведения процесса. В дальнейшем проведя расчеты, посмотрим оправдан ли был мой выбор.

2. Описание технологической схемы

Титан губчатый производится в металлургическом цехе. Цех состоит из следующих основных подразделений:

- корпус 3, где осуществляется получение  титана губчатого  восстановлением тетрахлорида титана магнием при температуре около 850^оС, очистка титана от остатков продуктов реакции высокотемпературной вакуумной сепарацией, монтажно-демонтажные операции с аппаратами восстановления и сепарации;

- корпус 1 по извлечению и переработке блоков титана  губчатого   в  товарную продукцию, включающий операции механической очистки блоков титана губчатого, дроблению, рассеву и ручной сортировке с получением партий материала, заданного фракционного  состава.

Восстановления тетрахлорида титана магнием.

Процесс получения титана губчатого  основан на восстановлении четырёххлористого титана магнием по реакции с выделением тепла:

TiCl₄ + 2 Mg = Ti + 2 MgCl₂ + Q (кДж)

Передел восстановления состоит из следующих стадий:

- монтаж аппарата восстановления;

- процесс восстановления;

- подготовка аппарата  к передаче на процесс вакуумной  сепарации.

Работы по сборке аппарата восстановления проводятся на монтажном участке. Отвакуумированный  аппарат, поступивший с монтажного участка, устанавливается в печь, подсоединяется к вакуумной системе, системе водоохлаждения, линии подачи тетрахлорида титана, линии аргона. Печь снабжена автоматическими устройствами для поддержания в заданных пределах температуры, расхода тетрахлорида титана с заданной скоростью, избыточного давления аргона и сигнализацией отклонений от установленных параметров. После разогрева аппарата до заданной температуры производится заливка расчетного количества магния под постоянным протоком аргона, после чего начинается подача тетрахлорида титана. Процесс восстановления протекает под постоянным избыточным давлением аргона. После прекращения подачи расчётного количества тетрахлорида титана производится  выдержка для максимального отделения  дихлорида магния, а затем осуществляется последний слив дихлорида магния. В результате процесса восстановления в аппарате накапливается реакционная масса, состоящая из титана губчатого, и остатков магния и дихлорида магния. После окончательного слива дихлорида магния и отключения нагрева печи включается вентилятор обдува для замораживания сливного устройства. Затем аппарат отсоединяется от   линии подачи тетрахлорида титана, коммуникаций аргона и охлаждающей воды, извлекается из печи и переносится на монтажный участок в термостат для сборки аппарата сепарации.

Очистка титана губчатого  методом вакуумной сепарации.

Для сборки аппарата вакуумной  сепарации предварительно подготавливается реторта-конденсатор в сборе с вакуумпроводом и кессоном. Собранный аппарат сепарации устанавливается в шахтную вакуумную печь, подсоединяется к вакуумблоку, импульсной линии контроля вакуума, системе водоохлаждения.   Включаются  электронагреватели печи, начинается вакуумирование аппарата. Вакуумная сепарация реакционной массы проводится при   подводе тепла от электронагревателей до достижения постоянной температуры 1020⁰С. Регулирование температуры осуществляется автоматически. Орошение реторты конденсатора водой начинается с момента включения печи. В начальной стадии процесса вакуум в аппарате создается форвакуумными насосами, а при достижении глубокого вакуума включается диффузионный насос. Одновременно с откачкой аппарата создается контрвакуум в печи, который поддерживается постоянной откачкой насосами на уровне 70-100мм.рт.ст. Информация о величине остаточного давления и температуре по зонам печи регистрируется непрерывно в течение всего процесса. По окончании периода бурной возгонки магния и дихлорида магния и выдержки в течении 20ч. орошение реторты-конденсатора прекращается. Окончание процесса сепарации осуществляется по заданной длительности высокотемпературной выдержки. После окончания процесса аппарат заполняется аргоном до избыточного давления, извлекается из печи и устанавливается в холодильник, где охлаждается воздухом и водой. Для поддержания избыточного давления  аппарат подсоединяется к линии аргона, давление аргона поддерживается автоматически. Охлажденный аппарат извлекается из холодильника и устанавливается  в опорное кольцо поворотного устройства. Перед снятием реторты с титаном губчатым производится пассивация продуктов атмосферным воздухом в течении 30 мин. Кессон с вакуумпроводом снимается, на патрубок реторты-конденсатора устанавливается заглушка. Аппарат переворачивается на 180 градусов. Снятая реторта с титаном губчатым укладывается горизонтально на стенд, где внутренняя обечайка  подвергается чистке от остатков продуктов реакции и производится  обрезка сливного патрубка.    Реторта с конденсатом, крышкой и вставным экраном устанавливается на стенд сборки аппаратов восстановления, где производится окончательный демонтаж. Реторта с титаном губчатым  направляется на участок переработки.

Переработка блоков титана губчатого  в товарную продукцию.

    Извлечение блока  производится на горизонтальном гидравлическом прессе для выпрессовки блока из реторты. Извлеченный блок разделяется на неочищенную крицу и гарниссаж. Крицу устанавливают на подставку, чтобы она не касалась пола. Гарниссаж накапливается в отдельной емкости с маркировкой “гарниссаж” и направляется на переработку на вспомогательный поток  дробления. После извлечения блока реторта очищается от остатков  титана губчатого, которые помещают в контейнер с маркировкой “счистки”. В этот же контейнер помещают сметки со стола пресса, очищаемого после каждого блока. Крица с помощью отбойного молотка очищается по поверхности. При этом получаются очищенная крица и обруб, последний помещается в контейнер с маркировкой “обруб”.   Очищенная крица устанавливается на стол гидравлического пресса для дробления криц и дробится до крупности 300*300*300 мм.  После дробления на прессе титан губчатый подаётся на каскад дробилок для окончательного дробления и последующего рассева на грохоте на фракции -70+12 (-70+25), -25+12, -12+2.  По согласованию с потребителем титан губчатый может быть рассеян на другие фракции. Титан губчатый фракций:  70+ 12 (-70+ 25); -25+12; -12+2 мм поступает на просмотровые  конвейеры, с которых согласно эталонам удаляются куски титана губчатого с дефектами. После этого титан губчатый подвергается магнитной сепарации и засыпается в накопительный бункер, затем в смеситель. После перемешивания титан губчатый засыпается в специальную тару, при этом 10 % массы партии подается на конвейер визуального контроля ОТК и автоматически отбирается проба. Тара с титаном губчатым закрывается крышкой и хранится на промежуточном складе до получения результатов анализа. После получения анализов партиям титана губчатого присваивается марка в соответствии с  ГОСТ 17746-96.

Таблица 1

Основные  марки титановой губки по  ГОСТ 17746-96

марка	Fe %	C %	Si %	Cl2 %	N2 %	O2 %	Ni %	Hb, не         %более
ТГ-90	0,05	0,02	0,01	0,08	0,02	0,04	0,04	90
ТГ-100	0,06	0,03	0,01	0,08	0,02	0,04	0,04	100
ТГ-110	0,09	0,03	0,02	0,08	0,02	0,05	0,04	110
ТГ-120	0,11	0,03	0,02	0,08	0,02	0,06	0,04	120
ТГ-130	0,13	0,03	0,03	0,10	0,03	0,08	0,04	130
ТГ-ТВ	1,9	0,10	----	0,15	0,10	----	----	----
ТГ-150	0,2	0,03	0,03	0,12	0,03	0,10	0,04	150

 

 

Материальный и тепловой балансы

1. Расчет материального баланса процесса восстановления.

Расчёт материального баланса  ведётся на 100 кг тетрахлорида титана, производительность аппарата за процесс 5000 кг титановой губки.

Исходные данные:

Таблица 2

 

Вещество	TiCl4	2 Mg	2 MgCl2	Ti
Молекулярная масса	189.9	48,6	190,6	47,9
Кг.	100	а	б	с

В производство поступают материалы  следующего состава:

Четырёххлористый титан: 25,19 % - Ti ; 0,001 % - Fe; 0,001 % - V; 0,001 % - Si;

0,001 % - Al;  0,001 % - C;  74,8 % - Cl; 0,0004 % - O;  0,001 % - N.

Магний товарный : 99,9 % - Mg;  0,05 % - Fe ;  0,01 % - Si;  0,004 % - C ;  0,006 % - Cl ;

0,01 % - O;  0,02 % - N.

Предполагается получить титан  губчатый марки ТГ-100, имеющий по ГОСТ 17746-72 состав : 99,77 % - Ti; 0,07 % - Fe; 0,01 % - Si; 0,01 % - C; 0,08 % - Cl; 0,02 % - N; 0,04 % - О.

Расчёт ведём на 100 кг четырёххлористого  титана. Для расчёта принимаем: Потери титана со сливом хлористого магния при восстановлении 2,5% ;

Извлечение титана из четырёххлористого  титана в губчатый 97,5% ;

Реакционная масса после восстановления содержит: 60 % - Ti; 15 % - MgCl₂; 25 % - Mg.

Коэффициент использования магния (КИМ) – 60 %.

Восстановление четырёххлористого  титана протекает по реакции :

TiCl₄ + 2 Mg = 2 MgCl₂ + Ti

Определим количество расходуемого Mg и образующихся продуктов реакции. Данные приведены в таблице 2. Отсюда:

  Mg

  MgCl₂

  Ti

С учётом коэффициента использования  Mg = 60% получаем

Mg

В этом случае необходимо  товарного  Mg :

Mg т

Состав расходуемого Mg т = 42,65 Mg

42,692*0,0005 = 0,021346 Fe

42,692*0,0001 = 0,0042692 Si

42,692*0,00004 = 0,00170768 C

42,692*0,00006 = 0,00256152  CI

42,692*0,0001 =  0,0042692    O

42,692*0,0002 =  0,0085384    N

Принимаем, что при производстве 1т Ti расходуется 15 м³ Аr.

Из 25,19 кг титана в 100 кг TiCl₄  в губчатый титан переходят:   25,19* 0,975 = 24,56 ,

 при этом получается титана  губчатого:

В процессе восстановления, которого  расходуется аргон в количестве

с аргоном вносятся примеси:

  O

  N

Н

Всего примесей поступающих с аргоном = 0,0119 кг.

Количество и состав реакционной  массы и сливаемого MgCl₂ определяем:

по реакции образуется 100,2772 MgCl₂

С ним теряется титана: 25,19*0,025 = 0,63 кг.

 В реакционную массу перейдёт  титана 25,19- 0,63 = 24,56 кг.

В этом случае

 

Образующая реакционная масса  содержит 24,56 кг титана.

42,6*0,15 = 6,39 кг MgCl₂              42,6*0,25 = 10,65     Mg

Сливаемый MgCl₂ содержит 100,2772- 6,39 = 93,8872 кг MgCl₂ и 0,63 кг Ti

Всего сливается хлористого магния: 93,8872 + 0,63 = 94,5172 кг (23,954 кг Mg и 63,6 кг CI)

расчёт материального баланса приведён в сводной таблице 3.

Таблица 3.

Приход			Расход
Наименование	Количество		Наименование	Количество
	кг	%		кг	%
Тетрахлорид титана	100,0	100,0	Реакционная масса	42,6	100
Ti	25,19	25,19	Ti	24,56	57,32
Fe	0,001	0,001	Mg	10,65	30,23
Si	0,001	0,001	MgCI2	6,38	11,45
Al	0,001	0,001	Fe	0,0001	0,02
C	0,001	0,001	Si	0,0001	0,02
Cl	74,804	74,804	V	0,0003	0,06
O	0,0004	0,0004	Ae	0,0004	0,04
N	0,001	0,001	C	0,0001	0,06
ИТОГО	100	100	O	0,003	0,02
			N	0,005	0,05
			H	0,001	0,01
			ИТОГО	42,6	100
Магний товарный	42,692	100	Слив дихлорида Mg	94,5172	100
Mg	42,65	99,8	Ti	0,63	0,67
Fe	0,021346	0,07	Mg	23,954	25,5
Si	0,004269	0,01	CI	69,9	73,83
C	0,00170768	0,004
CI	0,00256	0,006	ИТОГО	94,517	100
O	0,00429	0,01
N	0,008584	0,02
ИТОГО	42,692	100

 

 

Компоненты р.м при сепарации  распределяются между губчатым титаном и конденсатом.  Переход титана при вакуумной сепарации в конденсат составляет 0,5 % от содержания его в четырёххлористом титане .

25,19*0,005 = 0,13 кг

При этом в губчатый титан переходит  титана с учётом возврата конденсата на восстановление:

24,56 – 0,13 кг = 24,43 кг 

Образуется губчатого титана

В конденсат полностью переходят  Mg, V, Al, H

Остальные составляющие реакционной  массы переходят в конденсат  за исключением элементов переходящих  в губчатый титан.

Состав конденсата после сепарации следующий:

0,13 kgTi

12,58 kg Mg

0,001 - V

0,001 - Al

0,0029--   H

4,7058- 0,018 = 4,6878 CI

0,0193 – 0,016 = 0,0033 Fe

0,0047 – 0,0024 = 0,0023 Si

0,0025 – 0,0024 = 0,0001 C

0,0095 – 0,009 = 0,0005   O

0,0155 – 0,005 =  0,0105   N

Конденсат в реакторе с участка  сепарации  поступает на участок  восстановления.

Составим суточный материальный поток  определения восстановления.

За 1 сутки получается титановой  губки 

 т/ сут.

  т/час.

Для получения 10000 тонн губки требуется:

тетрахлорида : 

т/год.

В сутки

т/сут.

Магния :

т/год

В сутки

т/сут.

Сливается хлористого магния :

т/год

В сутки

 т/сут.

На основании приведённых расчётов составим суточный материальный баланс участка восстановления таблица 4.

Таблица 4.

Поступило		Получено
Наименование	Количество, т/сут.	Наименование	Количество , т/сут
TiCl4	111,92	Титан губчатый	27,4
Товарный магний	47,78	Слив MgCl2	112,23
Примеси аргона	0,0119	Конденсат	20,08
Итого	159,7119	Итого	159,7119

 

К установке принимаем реактор  из стали 12Х18Н10Т производительностью 5000 кг губчатого титана за цикл.

На основании суточного материального потока перерабатывается и получается следующее количество материалов:

TiCl₄ :

Товарного Mg:

Слива  MgCl₂:

Конденсата:

Реакционной массы получено за цикл:

2. Тепловой баланс

Мощность печи рассчитываем по периоду  первоначального разогрева от 300 до 865 ⁰С, который должен обеспечить наибольшую скорость нагрева. Продолжительность разогрева 14 часов.

Во время разогрева печи имеют место следующие тепло потери: тепло, аккумулируемое кладкой печи Q ₁;  тепло расходуемое на нагрев реактора Q ₂;  тепло теряемое в окружающую среду Q ₄; тепло теряемое через крышку реактора Q ₃;  тепло расходуемое на нагрев воды охлаждающей фланцы Q _ф ;