Проектирование отделения вакуумной сепарации титановой губки на базе АО "УК ТМК" (стр. 4 из 14)
Рисунок 1 - Технологическая схема отделения вакуумной сепарации
Вакуумные насосы могут откачать газы из реторты до остаточного давления (0,13 – 13,3)Па, однако, вследствие интенсивного выделения газов в начальный период сепарации давление повышается до (133 – 1328) Па.
Процесс сепарации имеет три основные стадии. В первой стадии происходит дегазация реакционной массы и ее нагрев. В случае быстрого нагрева часть газов (в основном воды и адсорбируемого стенками реактора воздуха) поглощаются титаном. Во второй стадии происходит интенсивное испарение магния и хлорида магния с открытой поверхности и из крупных пор. В третьей стадии испаряется, в основном, хлорид магния и оставшийся в мелких порах магний. Из диаграмм сепарации [3] следует, что самым продолжительным периодом является третий. Продолжительность отгонки основного количества конденсата составляет (25 – 35)% общего времени сепарации. Продолжительность третьего периода резко увеличивается при увеличении длины пути паров с хлоридом магния. В аналогичных условиях находится губка в центральных зонах промышленного блока. Поэтому исследование процесса в третьем периоде – отгонка последних (2 – 3)% хлорида магния – является основным направлением при изучении процесса сепарации.
В первой и второй стадиях сепарации давление почти не влияет на скорость процесса.
Интенсивность испарения определяется количеством подводимого к материалу тепла и скоростью отвода массы пара. Во второй стадии испарение происходит интенсивно, следовательно, тепло подводится в достаточном количестве. В этот период удаление хлорида магния происходит путем углубления поверхности испарения внутрь тела (внутри крупных пор). В третьей стадии процесса условия для подвода тепла остаются такими же, однако, скорость испарения резко падает, процесс лимитируется возрастающим коэффициентом сопротивления переносу пара. Снижение скорости процесса происходит в результате наличия мелких пор, в которых остается (2 – 3)% хлорида магния.
Процесс сепарации резко замедляется при остаточном содержании хлорида магния около 2%.
Повышенное содержание хлора в губке, расположенной в верхней половине центральной зоны блока, объясняется не только тем, что эта зона прогревается в последнюю очередь, но главным образом, тем, что губка, формирующаяся в этой зоне, имеет структуру, неблагоприятную для сепарации. Другим существенным фактором, влияющим на скорость процесса сепарации, является расстояние от зоны испарения до поверхности блока губки. В случае, если блок имеет простую геометрическую форму: цилиндр, параллелепипед и т.п., этот фактор определяется соотношением массы блока и его поверхности.
Из изложенного следует, что продолжительность процесса сепарации определяется температурой, давлением, геометрической формой и размерами блока, структурой губки.
Остаточное давление, создаваемое в аппарате определяется возможностью вакуумных насосов. Применяемые в промышленности вакуумные насосы в сочетании с бустерными насосами создают в конце процесса остаточное давление порядка одного Паскаля. Снижение давления ниже одного Паскаля несущественно влияет на скорость процесса, создание же более низкого давления весьма сложно. Поэтому создаваемое существующим вакуумным оборудованием остаточное давление можно считать приемлемым.
Процесс сепарации заканчивается тогда, когда вся губка прогревается до температуры (940 – 960)0С. Исходя из этого, параметры для определения окончания процесса могло бы служить достижение этой температуры в той точке реакционной массы, которая прогревается в последнюю очередь. Такой точкой обычно является середина поверхности блока реакционной массы. Однако, этот параметр, во-первых, трудно замерить, во-вторых, он не всегда достаточно надежен.
Вторым, более точным методом определения окончания процесса является метод замера изменения давления газов в реторте после отключения вакуум – линии. Поворот газового потока определяет окончание процесса сепарации, он происходит вследствие того, что после прекращения выделения газов ( в основном, водорода) из губки, которое происходит в течение всего процесса, губка начинает поглощать газы, натекающие в реторту через неплотности, а также из вакуум - линии.
После окончания процесса аппарат охлаждают сначала в печи, потом транспортируют его мостовым краном в так называемый холодильник, где он охлаждается сначала воздухом, затем водой.
3.3 Металлургические расчёты
Расчет состава реакционной массы
Состав реакционной массы, которую перерабатывают в отделении вакуумной сепарации, находят из предварительного расчета процесса восстановления тетрахлорида титана магнием.
Процесс восстановления протекает по следующей реакции:
TiCl4 + 2Mg = 2MgCl2 + Ti. (5)
Процесс восстановления протекает в инертной среде, т. е. в среде аргона.
Расчет ведем на 1 тону губчатого титана с последующим пересчетом на цикловую производительность аппарата. В расчете принимается следующий состав:
- состав очищенного тетрахлорида титана, %: TiCl4 - 99,98; FeCl3- 0,003; SiCl4- 0.005; AlCl3 - 0.005; VOCl3- 0,0034; O- 0,0006.
- состав магния – восстановителя марки, %: Mg -99,832; O -0.02; Fe -0,05;N -0.02; Ni -0,05;Cl -0,008.
- примеси аргона, %: O - 0,005; N - 0,002.
Восстановление идет по реакции (5):
3960,541014,82 10003975,36
TiCl4 + 2Mg = Ti + 2MgCl2
189,72 48,61 47,9 190,42
На 47,9 кг титана потребуется 189,71 кг тетрахлорида титана
На 1000 кг титана потребуется х кг тетрахлорида титана
х = 3960,54 кг тетрахлорида титана
Находим количество тетрахлорида титана с примесями:
3960,54 / 0,99983 = 3961,21 кг,
в том числе:
FeCl3: 3961,21·3·10-5 = 0,118 кг
SiCl4: 3961,21·5·10-5 = 0,198 кг
AlCl3: 3961,21·5·10-5 = 0,198 кг
VOCl3: 3961,21·3,4·10-5 = 0,134 кг
O: 3961,21·0,6·10-5 = 0,023 кг
0,118 0,053 00,081 0,207
2FeiCl3 + 3Mg = 2Fe + 3MgCl2
162,2 72,9 111,7 285,6
0,198 0,056 0,032 0,221
SiCl4 + 2Mg = Si + 2MgCl2
169,8 48,61 28,08 190,42
0,198 0,054 0,02 0,212
AlCl3 + 3Mg = 2Al + 3MgCl2
266,66 72,9 26,98 285,6
0,134 0,009 0,106 0,036
2VOCl3 + Mg = 2VOCl2 + MgCl2
346,58 24,3 275,68 95,2
Кислород = 0,023 кг.
Общее количество магния составляет:
1014,84 + 0,053 + 0,056 + 0,054 + 0,009 = 1015,012 кг.
Количество магния с примесями:
1015,72 / 0,99832 = 1016,72 кг.
Коэффициент использования Mg принимаем равным за 60%:
1016,72 / 0,6 = 1694,533 кг.
Избыток Mg: 1694,533 - 1016,72 = 677,813 кг.
Mg = 1694,533 · 0,99832 = 1691,686 кг,
Fe = 1694,533 · 0,0005 = 0,847 кг,
Ni = 1694,533 · 0,0005 = 0,847 кг,
O = 1694,533 · 0,0002 = 0,338 кг,
N = 1694,533 · 0,0002 = 0,338 кг,
Si = 1694,533 · 0,0002 = 0,338 кг,
Cl = 1694,533 · 0,00008 = 0,135 кг.
Общее количество MgCl2 образующегося во время восстановления:
3975,36 + 0,207 + 0,221 + 0,212 + 0,036 = 3976,036 кг.
По данным практики титано – магниевых заводов для получения одной тоны губки расходуется 7 м3 аргона.
Количество примесей переходящих из аргона в титановую губку [3]:
,где V – расход Ar на 1 т титановой губки;
а - содержание примесей в Ar, общий %;
т - молекулярная масса примесей.
кг, 
кг.Титан имеет способность активно взаимодействовать в нагретом состоянии со многими элементами и материалами. В процессе магниетермического получения титана образуется интерметаллические соединения. Основными каналами поступления примесей является Mg, TiCl4 и Ar. Главным составляющим, загрязняющим титан железом, является магний. Железо легко извлекается из магния первыми порциями TiCl4 и концентрируется в донной и гарниссажной частях блока.
Общее количество примесей, переходящих в титановую губку:
(0,338 + 0,0017) + (0,338 + 0,023 + 0,005) + (0,338 + 0,032) + +0,135 +(0,847 + 0,081) +0,847+0,02=3,00 кг.
Количество губки вместе с примесями: 1000 + 3,005 = 1003,005 кг.
Из практики следует, что во время процесса восстановления сливается 96% MgCl2.: 3976,036 . 0,96 = 3816,994 кг.
В реакционной массе остается MgCl2:
3976,036 – 3816,994 = 159,041 кг.
На основе получения данных составим таблицу 2 материального баланса процесса восстановления, в котором представлен состав реакционной массы.
Расчет материального баланса процесса вакуумной сепарации
Состав исходного продукта – реакционной массы – взят из предварительного расчета (таблица 3.1). В отделении, согласно проекту предполагается получать титан губчатый марки ТГ – 90, имеющий состав ГОСТ 17749-79, %: Ti – 99,74; Fe – 0,05; C – 0,02; Cl – 0,08; N2 – 0,02; O2 -0,04; Si – 0,01; Ni – 0,04.
Образуется губчатого титана: 1000 . 100 / 99,74 = 1002,606 кг.
Состав губчатого титана после сепарации, кг:
1002,606 . 0,9974 = 999,999 титана
1002,606 . 0,00005 = 0,501 железа
1002,606 . 0,0002 = 0,2 углерода
1002,606 . 0,0008 = 0,802 хлора
1002,606 . 0,0002 = 0,2 азота
1002,606 . 0,0004 = 0,401 кислорода
1002,606 . 0,0001 = 0,1 кремния
1002,606 . 0,0004 = 0,401 никеля
В конденсат полностью переходит магний, алюминий.
Состав конденсата после сепарации, кг:
Mg из MgCl2
677,813 + 40,595 = 718,408 магния,
Cl из MgCl2