毕业设计论文-钛白粉酸解水解工段工序设计

毕业设计论文-钛白粉酸解水解工段工序设计内容摘要：

南华大学化学化工学院毕业设计 第 14 页 共 42 页 形式 出售用于搪瓷、焊条等需要初级产品的应用领域。 其主要而且是几乎所有的钛白粉厂均要进行的表面处理，即后处理。 不过，大多数生产商都是在同一现场进行 Ti02 的表面处理。 仅有少部分厂家进行异地后处理加工。 硫酸法生产锐钛型钛白粉的工艺 流程简图 南华大学化学化工学院毕业设计 第 15 页 共 42 页 图（一）硫酸法生产锐钛型钛白粉的工艺 流程简图 南华大学化学化工学院毕业设计 第 16 页 共 42 页 1硫酸法生产钛白粉 优点：①原料便宜，易得，产品成本低 ②工艺技术成熟，操作易控制 ③设备简单，不需要特殊的耐腐蚀材料和复杂的控制系统 缺点：①湿法生产蒸气、水和能源消耗大 ②排 出的废物多，污染严重，三废处理费用大 ③生产流程大，工序多，设备庞杂 ④间歇式操作，劳动强度大 ⑤产品质量稍差，经济效益较差 2氯化法生产钛白粉 优点：①干法生产，技术先进，流程短，工序少 ②易于实现连续化和自动化，劳动效率高 ③排出废物少， 2cl 可以循环利用，三废少 ④产品消色杂质少，粒径均一，消色力大，分散性好，质量好，能耗低，成本低，经济效益好 缺点：①原料要求高且价高难得 ②技术难度大 ③要求在高温下耐 2 2 2,cl Ticl O 腐蚀的材料和设备，维修难 ④ 2TiO 粒子较易堵塞设备，除疤痕问题难以解决 ⑤操作需要复杂的控制系统 因国内需求量及设备和技术水平的限制，国内一般采用硫酸法生产钛白粉 南华大学化学化工学院毕业设计 第 17 页 共 42 页 （酸解工段） 1． 酸解 流程简图 图 2 酸解流程简图 钛 铁 矿 粉 碎 酸 解 浸 取 还 原沉 降冷 却 图 3 水解流程简图 2． 酸解 流程叙述 ①钛铁矿经粉碎使筛采≤ ％ ,将矿粉送入贮罐。 ②将浓硫酸压入酸解锅中，开通阀搅拌硫酸 ，并投入氧化锑，再投入矿粉，加完以后关闭投料口，清理周围矿粉，并通气 512 分钟。 ③加入稀释水，关闭锅口进料阀，并不断搅拌直至反应激烈，若硫酸含量高，加水温度高，则需要加水通气自然冷却到规定室温再投入矿粉。 ④到反应有剧烈振动时，启动废气回收泵，反应后关闭废气回收泵，反应结束后成熟。 ⑤成熟后通气，用废酸水稀释钛液（或自来水）浸取固相物，控制浸取水温接近工艺要求。 ⑥固相物基本溶解后，加入铁屑，调整通气量，直至三价钛合格。 ⑦浸取还原后通知沉淀工段，打开放料阀放料。 ⑧钛液全部放完以后，用水冲洗酸解锅，如 有固相物料等脏物，则需要下锅取出。 ⑨放出物料到沉降槽沉降后取出中间层物料，进行冷冻过滤，最后用板框压滤，排除胶状杂质，送到浓缩工段。 南华大学化学化工学院毕业设计 第 18 页 共 42 页 1．酸解工段的工艺原理： 3 2 4 4 2 4 23 ( ) 3F e T iO H S O T i S O F e S O H O    为防止发生 2 3 2 4 2 4 2 2()F e O H S O F e S O H O   的反应 加入 Fe 2 4 3 4( ) 3F e F e SO F eSO 2．酸解时的化学反应 钛铁矿的主 要化学成分是偏钛酸亚铁，这是一种弱酸弱碱盐，能与强酸反应，反应基本上是不以逆的，并且能进行的比较完全。 参与的酸过量就可以生成可溶性的钛盐，包括 4Ti 和 2Ti 的盐。 矿中所含的某些矿的氧化物、硫化物、砷化物和磷酸盐等也能被硫酸分解，我们可以利用溶解的特性，采用化学或物理手段有效的把锌、锰、钒、铬等元素与钛分离，制得纯净的成品，酸解反应是放热反应，最高温度可达 250℃。 采用的高沸点的硫酸沸点是 338℃，才能适应这一要求。 酸解过程的主要化学反应用下式来表示： 3 2 4 4 2 4 23 ( ) 3F e T iO H S O T i S O F e S O H O    3 2 4 4 4 222F e T iO H S O T iO S O F e S O H O    钛铁矿中铁则按下列方程式进行反应： 2 4 4 2F eO H S O F eS O H O   2 3 2 4 2 4 233F e O H S O F e S O H O   从这些反应式来看，反应结果得到的硫酸钛 42()Ti SO ， 硫酸氧钛 4TiOSO ，硫酸亚铁 4FeSO 硫酸钛 2 4 3()Fe SO 这四种物质，硫酸氧钛的生成，也可以认为是硫酸钛初步水解的产物。 4 2 2 4 2 4()T i S O H O T iO S O H S O   酸解后生成的硫酸钛 42()Ti SO 和硫酸氧钛 4TiOSO 之间的比例随酸解条件而定，从方程式中可以看出，生成硫酸钛每一份需要二份硫酸，而生成硫酸氧钛每一份硫酸 3．钛液的稳定性 稳定性有称稳定度，酸解后的溶解是否能保持很久不发生早期 水解析出胶质颗粒，这个特性我们称为溶解的稳定性，稳定性越好，钛液就能保持得很久，硫酸钛液的稳定性是每毫升钛液用 25℃蒸馏 南华大学化学化工学院毕业设计 第 19 页 共 42 页 水稀释到刚出现浑浊时，所需要的蒸馏水的毫升数表示。 影响钛液的稳定性的因素有很多，主要有以下几点： ①钛液的稳定性与酸解时操作有关，尤其与硫酸的反应浓度有关 酸解操作时的加温情况，硫酸浓度等都会影响钛液的稳定性，一般说加温速度过慢（压力低）或加温温度过低会使反应不够剧烈，这样反应初期生成的钛化物就有早期水解的倾向，使钛液的稳定性降低，另外硫酸的反应浓度不要过高，也不能过低。 根据设备条件：当 浓度﹥ 95％或﹤ 85％时，酸解后溶液的稳定性都会变差。 ②钛液的稳定性与浸取的操作有关 一般认为浸取时加浸取水的速度，酸解槽烟囱的抽动等都会影响钛液的稳定性，加浸取水时太慢，浸取初期的温度太高，则浸取液的稳定性则会下降。 ③钛液的稳定性与钛液的 F值有关 有多量游离酸存在时，能防止早期的水解，所以 F值越高，钛液的稳定性越好。 ④钛液的稳定性与钛液的保存温度有关 钛液的温度升高会促进水解反应的发生，因此，保存温度长期大于或等于 65℃时，稳定性会大大下降。 ⑤钛液的稳定性与钛液含 2TiO 有关 硫酸钛液在稀释时发生水解，因此含 2TiO 量较高的溶液不容易析出胶质颗粒，稳定性较好。 ⑥钛液的稳定性与钛液的存放时间有关 硫酸钛液有陈化倾向，陈化是指溶液变浊，因而存放时间越长，钛液的稳定性就越差 原料钛铁矿成分（攀矿） 表 2 原料钛铁矿成分（攀矿） Ilmenite raw materials position (Pan Mine) 组分 2TiO FeO 23FeO MgO 2SiO 23AlO 组成 50％ 34％ 13％ 1％ 1％ 1％ 2．钛白粉成品的质量指标 表 3 钛白粉成品的质量指标 南华大学化学化工学院毕业设计 第 20 页 共 42 页 项目 一级 合格 白度（与称样比） 不低于 近似 总钛（不少于称样） 98% 98% 消色力（不小于称样） 100% 90% 吸油量 g/100g（不小于称样） 26 28 45 mm 筛条（不大于称样） 水溶性盐（不大于称样） 水悬浮液 ph 值 105℃﹤挥发水分（不大于称样） 水解 工段的基本原理 图 3水解工段流程简图 ① 水解工序是硫酸法钛白粉生产非常关键的一步。 这一步将可溶性硫酸氧钛在 90℃ 时水解成不溶于水的水合 Ti02沉淀物，或称偏钛酸。 要获得所需粒度的高质量水解产物，必需严格控制诸如加热速度、钛 液的 Fe2+和 Ti4+含量以及其他因素等条件。 如前所述，避免出现 Fe3+是此环节的关键。 ② 为控制水解速度、水解物的过滤洗涤性能和最终产品的细度及质量指标，需要在水解时加人晶 南华大学化学化工学院毕业设计 第 21 页 共 42 页 种。 晶种的加人方式有两种：自身晶种（ Blumenfeld 法， 1928 年）和外加晶种 (Mecklenburg法， 1930 年）。 两种方式均能生产出同样质量的产品。 ③ 自身晶种是在水解时利用预先加人的水解钛液和水所产生的晶种进行水解工艺，不用另外制备晶种。 外加晶种顾名思义是向钛液加人经另外制备的金红石或锐钛型晶种，用以控制水解速度和钛白粉产品的最 终晶体类型。 为此目的的金红石晶种是用偏铁酸－盐酸或纯 TiCl4制备，而锐钛型晶种是用偏钛酸、氢氧化钠或向钛液加人水或酸产生的。 ④ 撇开所加的晶种，从硫酸氧钛溶液中沉淀出的 TiO2 为锐钛型。 不过，在此阶段加人金红石晶种是为了在煅烧时易于使偏钛酸沉淀物转化成的 Ti02为金红石型。 若采用锐钛型或自身晶种，则在煅烧时要加人金红石型煅烧晶种才有利于金红石 Ti02的生成。 ⑤ 偏钛酸的沉淀是通过几小时的钛液沸腾达到的。 在沉淀快结束时，有时要加人一定的水以提高水解率。 但是，加人的水过量则会破坏 Ti02沉淀物的质量，整 个水解沉淀过程需要 35h。 ⑥ 水解沉淀物浆料经过滤、洗涤后，在还原条件下用硫酸酸浸以除去最后微量吸附铁和其他金属，即通常所说的漂白，大约 7%8％的 S03紧紧吸附在浆料中，无法洗掉。 事实上，要经历过滤和洗涤，才能将偏钛酸沉淀分离出来。 硫酸法钛白粉生产的大部分废酸由此产生。 ⑦ 第一次过滤中的滤液（称为 “浓废酸 ”）一般含 H2SO4 22%24％。 通常每生产 It 成品钛白粉要产生 8l0t“浓废酸 ”。 如果以钛渣为原料，这种酸仍含有分解的硫酸亚铁，同时还含有大量的硫酸铝和硫酸镁。 而之后的洗涤和过滤产生的酸废物（称为 “稀废酸 ”），所含 H2SO4 低于 0. 5％。 根据水洗和过滤环节的数量，每生产 It 成品钛白粉产生的稀酸可达 60t. ⑧ 为控制粒度生长，需向偏钛酸加入调节剂，如硫酸钾、磷酸钾和锌。 有时还需在此步骤中进一步加人金红石晶种以促进煅烧时形成金红石型 Ti02。 最终用于煅烧的物料是水合 TiO2浆料，固含量为 35％一 50％。 钛液的水解过程 钛液的水解属盐类水解 ,但又与一般盐类的水解有所不同 ,它没有一个固定的 pH 值 ,只要在稀 释或者加热的条件下它即能水解而析出氢氧化钛的水合物沉淀。 在常温下用水稀释钛液时 ,析出胶体 氢氧化钛沉淀。 其反应方程式为 :TiOSO4+3H2O 室温强烈稀释 Ti (OH)4↓ +H2SO4 如果将钛液加热使其维持沸腾也会发生水解反应 ,生成白色偏钛酸沉淀。 这是硫酸法钛白生产在 工业上制取偏钛酸的惟一方法。 南华大学化学化工学院毕业设计 第 22 页 共 42 页 其反应方程式为 :TiOSO4+2H2O 沸腾 H2TiO3↓ +H2SO4 水解生成的偏钛酸具有无定型结构或者不明显 的微晶体结构 ,其直径为 3 nm~10 nm,它们按一定的方向 (20~30 个 )配位成为胶粒。 胶粒在硫酸 盐离子的作用下加速凝聚 ,构成凝聚体 (偏钛酸 )而沉析出来。 凝聚体大小约为 0 6μ m~0 7μ m,是由约 1 000 个 60nm~75nm的小微粒胶粒凝聚而成 ,每个微粒约含有 20 个 2nm的微晶体 ,这是加到液中去的晶种。 水解的过程可分为 3 个步骤 : 1. 晶核的形成。 2. 晶体的成长与沉淀的形成。 3. 沉淀物的组成以及溶液的 组成随着水解作用的进展而改变。 水解在二氧化钛生产中极为重要 ,水解的条件决定着微晶体、胶粒和粒子的大小 ,归根到底也是决定着最终产品的质量。 影响水解质量的因素分析 从工业上对水解的要求及水解的过程可知 ,响水解质量的主要因素有两大类。 一是来料 ——— 钛 液的性质和质量 ,二是水解的操作 过程。 下面对两大影响因素作具体的阐述。 钛液的性质和组成对水解的影响 钛液的稳定性和澄清度 在稳定性差的钛液中 ,水解前其本身已产生了某些胶性的结晶中心 ,水解时这些结晶中心起着不 良作用 ,使得到的偏钛酸粒子不均匀 ,并且容易附较多的杂质 ,不但使偏钛酸的洗涤时间延长 ,且在煅烧时二氧化钛的粒子容易烧结 ,使最终产的白度、着色力和分散性能都会明显下降。 澄清度与稳定性有密切关系。 稳定性差的钛液 ,澄清度也不理想。 如果是因过滤操作不当而引起的澄清度不良 ,则会使钛液含有不溶的固体悬浮杂质 ,即使其量很少也会降低产品的纯度、白度和其他颜 料性能。 钛液的浓度 水解钛液的浓度对二氧化钛成品的粒子和颜性能影响很大。 根据不同生产工艺 ,在。