Проектирование отделения вакуумной сепарации титановой губки

Министерство образования и науки Республики Казахстан

 

Восточно-Казахстанский государственный технический университет

им. Д. Серикбаева

 

 

Проектирование отделения вакуумной сепарации титановой губки

 

 

Курсовая работа

 

 

специальность 5B070900 - «Металлургия»

 

Выполнил: Петерс Д.Э.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Усть-Каменогорск 2015

 

Содержание

 

Введение

1. Аналитический обзор

1.1 Обзор технологий

2. Выбор и обоснование принимаемого в проекте технологического решения

3. Технологическая часть

3.1 Номенклатура сырья и продукции

3.2 Описание основного технологического процесса

3.3 Вакуумированый аппарат сепарации

3.4 Металлургические расчёты

4. Мероприятия по охране труда и технике безопасности

Заключение

Список литературы

Приложение А

 

Введение

металлургия титан технологический автоматизация

Титан, благодаря своей высокой прочности, твердости и высокой коррозийной стойкости, нашел широкое применение почти во всех отраслях промышленности: пищевой, медицинской, авиакосмической и т.д.

Современное производство титана базируется на хлорной технологии: получение тетрахлорида титана с последующим его восстановление магнием и очисткой полученной реакционной массы ( титановая губка, загрязненная продуктами восстановления - магнием и хлористым магнием) методом вакуумной сепарации.

Переработка реакционной массы методом вакуумной сепарации является одним из основных переделов в технологии производства титана, так как конечным продуктом переработки является получение товарной титановой губки. Этот процесс является довольно сложным и дорогостоящим, так как к качеству товарного губчатого титана предъявляются очень высокие требования.

Поэтому вопросы, связанные с улучшением технико-экономических показателей процесса вакуумной сепарации - уменьшение расхода электроэнергии, повышение качества титановой губки и т.д. являются на сегодняшний день наиболее актуальными.

Целью настоящего дипломного проекта является проектирование отделения переработки реакционной массы методом вакуумной сепарации производительностью 30000 тонн в год титановой губки..

Новизна и практическая ценность заключается в снижении удельного расхода электроэнергии, расхода воды подаваемой на охлаждение аппарата.В уменьшении потерь магния с отвальным конденсатом на 40%. Годовой экономический эффект от внедрения предлагаемых решений составит около 1000000 тыс.тенге.

 

 

1. Аналитический обзор

 

1.1 Обзор технологий

 

В основном, современное производство титана базируется на хлорной технологии: получение тетрахлорида титана хлорированием титаносодержащего сырья с последующим его восстановлением магнием и очисткой полученной реакционной массы (титановой губки, загрязненной продуктами восстановления - магнием и хлоридом магния) методом вакуумной сепарации.

В СНГ все три предприятия - Запорожский титано-магниевый комбинат, расположенный на Украине; Березниковский титано-магниевый комбинат, расположенный в России; Усть-каменогорский титано-магниевый комбинат производят титан по хлорной технологии, используя в качестве восстановителя магний.

Магниетермический способ получения титана из тетрахлорида титана оказался наиболее экономически и технологически целесообразнее только при комбинировании титанового и магниевого производств, которые обеспечивают наиболее рациональную регенерацию продуктов (магний и хлор) и переработку отходов (хлорид магния).

В процессе металлотермического восстановления образуется металлический титан, загрязненный продуктами восстановления (так называется реакционная масса). В странах СНГ получают металлический титан с использованием в качестве восстановителя металлический магний.

Помимо магниетермического способа получения титана в аппарате периодического действия, широко применяемого в мировой практике, существуют и другие. Важным является производство титана натриетермическим способом, используемым за рубежом, в частности в Англии.

Этот способ основан на следующей экзотермической реакции:

 

TiCl4 (Г) + 4Na(Ж) = Ti (тв.) + 4NaCl(Ж) + Q   (1.1)

 

Натриетермический способ имеет определенные преимущества перед магниетермическим (легкость транспортировки натрия вследствие низкой 198оС) температуры его плавления; высокая скорость реакции восстановления и прохождение ее со стопроцентным коэффициентом использования натрия; отсутствие сложного и энергоемкого передела вакуумной сепарации; возможность ведения полунепрерывного процесса. Вместе с тем, этому методу свойственны существенные недостатки. Натрий очень активен на воздухе. Он быстро окисляется, а с водой реагирует с взрывом. Все это требует принятия специальных мер безопасности. Отрицательными сторонами этого метода также является высокая экзотермичность процесса восстановления, большой объем восстановления и продуктов реакции, что приводит к необходимости применения громоздкой аппаратуры [1].

Из-за других способов производства титана известны восстановление двуокиси титана кальцием по реакции:

 

TiO2 = 2Ca = Ti + 2CaO,     (1.2)

 

гидридом кальция по реакции:

 

TiO2 + 2CaH2 = Ti + 2CaO + 2H2.     (1.3)

 

Интересен йодный метод, с помощью которого может быть получен высокочистый титан:

 

TiJ4 = Ti + 2J2.      (1.4)

 

Все эти способы применяются ограниченно и по своим масштабам значительно уступают магние- и натриетермическому способу [2, 3].

Весьма перспективен электролитический способ титана. Главное его преимущество - отсутствие металлического восстановителя. Достигнуто значительные успехи по разработке и усовершенствованию этого метода. Идея метода уже используется в промышленной практике при электротехническом рафинировании титана (например, некачественного губчатого титана, отходов плавки титана и его сплавов). В этом процессе анодом служим загрязненный титан, погруженный в расплав электроплиты. Последний содержит хлориды щелочных металлов и низшие хлориды титана. При электролизе, проходящем при (800 - 850)0С титан переходит в электролит и осаждается на катоде. Катодный осадок после гидрометаллургической обработки, просеивания, служит отличным сырьем для порошковой металлургии [2].

На первых этапах развития магниетермического производства титана для очистки титановой губки от хлорида магния и магния применяли гидрометаллургический способ, который состоит в обработке реакционной массы разбавленной (однопроцентной) хлороводородной кислотой на холоду для извлечения основного количества магния и его хлорида. Остаточное количество выщелачиваем после мокрого измельчения губки в шаровой мельнице десятипроцентной шароводородной кислотой при 45оС. Готовый титановый порошок содержит (0,1 - 0,3)% водорода, 1% кислорода, примесь которого, в основном, окислением титана при контакте с водяным раствором [3].

Также разработан способ выщелачивания магниетермической реакционной массы в насыщенных растворах хлорида магния. Этот метод позволяет регламентировать скорость процесса растворения хлористых солей изменением их концентрации в растворе [4].

Реализация этого способа возможна двумя технологическими вариантами процесса выщелачивания:

- в предварительно приготовленный насыщенный раствор хлорида магния одновременно вводятся реакционная масса и хлороводородный водный раствор в таком соотношении, чтобы образующаяся в результате выщелачивания жидкая фаза также представляла собой насыщенный или близкий к насыщенному раствор хлорида магния. При этом скорость введения веществ регламентируется обеспечением изотермичности процесса выщелачивания.

- в предварительно приготовленный насыщенный раствор хлорида магния одновременно или большими порциями вводится реакционной массы, а затем производится регламентированное введение хлороводороднго водного раствора.

Проведенные исследования показали практическую возможность реализации обоих вариантов очистки реакционной массы. Однако, гидрометаллургические способы обладают рядом недостатков:

- при выщелачивании реакционной массы теряется металл - восстановитель;

- в случае переработки магниетермической реакционной массы хлорид магния при выщелачивании частично гидролизуется и остатки гидратов, которые не могут быть полностью удалены из титановой губки при выщелачивании при последующей плавке, взаимодействуют с титаном, загрязняя его кислородом, водородом и др.

Для улучшения качества титана был разработан способ вакуумной отгонки (сепарации) магния и хлорида магния из реакционной массы, который в настоящее время стал доминирующим [3-5].

Вакуумная сепарация основана на различной упругости паров титана, магния и хлорида магния. Так, температура кипения при атмосферном давлении у титана магния и хлорида магния соответственно 3260, 1107, 1417оС. Отделение вакуумной дистилляции. Однако, максимальная температура на стенке реторты не должна превышать 1085оС. При этой температуре железо заметно взаимодействует с титаном с образованием легкоплавкого соединения - эвтектики. Поэтому для более полного удаления магния и хлорида магния и снижения температуры процесса возгонку ведут под глубоким вакуумом.

Передел вакуумной сепарации непосредственно связан с переделом восстановления и может иметь разное аппаратурно-технологическое оформление. При так называемом раздельном способе магниетермического получения титановой губки процесс восстановления ведут в отдельном аппарате и отдельной печи. После окончания процесса аппарат восстановления охлаждают, передают на отдельный участок, вскрывают, очищают, переоборудуют на аппарат вакуумной сепарации и устанавливают в другую электротермическую печь для проведения высокотемпературной вакуумной сепарации. При таком раздельном способе аппарат восстановления с печами размещают в одном помещении или корпусе, а аппараты сепарации с печами - в другом. Раздельный процесс наименее экономичен и практически не используется.

При совещенном способе получения титановой губки аппараты восстановления и сепарации собраны в один агрегат, и процессы восстановления и сепарации можно проводить в одной печи или в различных печах, но в одном корпусе. Совмещенный процесс был разработан в СССР, и в разные годы был опробован на Запорожском и на Усть-Каменогорском титано-магниевых комбинатах. На тот период он не показал заметных преимуществ перед полусовмещенным процессом и не нашел промышленного применения. Совмещенный процесс имеет ряд преимуществ: снижение энергозатрат, трудозатрат, повышение качества титана. Кроме того, в случае использования для конденсации магния и хлорида магния рядом стоящего конденсатора и возможностью демонтажа аппарата сепарации в горячем состоянии совмещенный процесс дает дополнительные преимущества, повышающие эффективность его использования: значительное снижение массы и высоты транспортируемого аппарата сепарации. Это позволяет при существующих высотах зданий и действующих мостовых кранов эксплуатировать аппараты большой цикловой производительности. Наряду с рядом преимуществ, совмещенный процесс имеет ряд существенных недостатков, связанных с более сложными конструкциями аппаратов и печей, не достаточно эффективным использованием оборудования, приборов контроля и управления, вакуумных насосов и вентиляторов. При использовании аппаратов с боковым конденсатором снижается коэффициент использования производственных площадей. При существующей конструкции совмещенных аппаратов с верхним конденсатором горячий демонтаж аппаратов сепарации невозможен. Поэтому поиск технических решений здесь необходим [6].

В СНГ, в основном, применяется полусовмещенный способ получения титановой губки. Отличие его от раздельного заключается в том, что после процесса восстановления аппарат не охлаждают и не разбирают, а в горячем состоянии в крышке монтируют легкоплавкую магниевую заглушку. На аппарат с магниевой заглушкой сверху монтируют оборотную реторту - конденсатор и в собранном виде аппарат сепарации устанавливают в печь сепарации в другом корпусе. При полусовмещенном способе расход электроэнергии ниже, а качество титановой губки лучше, чем при раздельном.

Как правило, при раздельном и полусовмещенном способах переделы восстановления и сепарации размещаются в разных корпусах, а между ними организуется передел подготовки аппаратов восстановления и сепарации (монтажный участок). Это вызвано однотипностью оборудования и технологии [4,5].

В процессе вакуумной сепарации хлорид магния и магний испаряются и осаждаются в конденсаторе. Конденсат испаряется и часть самовозгорается в контакте с воздухом при демонтаже аппарата сепарации. Скорость увлажнения и вероятность возгорания возрастают с увеличением удельной поверхности и содержания дисперсного магния. Поскольку конденсат является оборотным, кислород, содержащийся в продуктах увлажнения и горения, попадает в титановую губку, ухудшая ее качество. Поэтому на монтажном участке применяется инертный газ - аргон, который вытесняет воздух из реторты - конденсатора при монтаже аппарата восстановления.

Одним из основных факторов, определяющих условие конденсации и структуры конденсата, является тепловой режим конденсатора, обуславливаемый скоростью отгонки магния и хлорида магния из титановой губки, конструктивными особенностями, габаритами аппарата сепарации и режимом охлаждения поверхности конденсатора. В настоящее время применяется водное и воздушное охлаждение, интенсивность которого, в основном, задается в начале сепарации и не изменяется в ходе процесса, что приводит к образованию рыхлого конденсата в аппаратах большой цикловой производительности, характеризующейся повышенной тепловой нагрузкой на конденсатор.

Исследования показали, что наиболее плотный конденсат образуется при охлаждении водой конденсатора в течении 10-15 часов с момента установки аппарата в печь. Однако, установленный режим оказался неприемлемым для данной конструкции аппарата, поскольку создавалась опасность проплавления резиновой прокладки между фланцем аппарата и патрубком, через который производится откачка аппарата. Магний и хлорид магния конденсируется в зоне разделения нижней реторты и конденсатора, в том числе и на экране, где начинается преимущественное осаждение конденсата, когда экран не успевает прогреться до начала периода бурной возгонки.