Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЕ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

Восточно-Казахстанский государственный технический университет им. Д. Серикбаева

Кафедра химии, цветной и порошковой металлургии

ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ

24026715.83ПЗ

Тема: Проектирование отделения хлорирования рутиловых концентратов на базе АО УК «ТМК»

Руководитель

Мастер основного производственного

участка ОПТГ цеха №3 АО УК «ТМК» Нема В.А.

Студент:

Группа 01-ЦМз-6Зинковский И.В.

Усть-Каменогорск 2010

РЕФЕРАТ

Проект содержит пояснительную записку на 73 стр с 9 рис., 25 табл., 8 чертежей, 16 библ. назв.

рутиловый концентрат, хлорирование, солевой хлоратор, система конденсации, материальный баланс. себестоимость, рентабельность.

Целью работы является проектирование отделения хлорирования рутиловых концентратов на базе АО УК «ТМК», производительностью 80 000 т/год по исходному концентрату.

В проекте осуществлен выбор аппаратурно-технологической схемы, выполнены расчеты материального и теплового балансов.

Экономические расчеты выполнены на основании прогрессивных норм выработки и расходных коэффициентов, отражающих современный уровень развития титанового производства.

В проекте в необходимом объеме рассмотрены вопросы автоматизации процесса и экологичности производства.

Графическая часть проекта состоит из сборочных чертежей основного оборудования цеха, монтажных чертежей, технологической схемы и принципиальной схемы автоматизации процесса хлорирования титансодержащего сырья.

• Содержание
• ВВЕДЕНИЕ
• 1. ОБЩАЯ ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
• 1.1 Краткая характеристика предприятия
• 2. ГЕНЕРАЛЬНЫЙ ПЛАН, ТРАНСПОРТ И РЕКУЛЬТИВАЦИЯ НАРУШЕННЫХ ЗЕМЕЛЬ
• 2.1 Генеральный план
• 2.1.1 Краткая характеристика района строительства
• 2.1.2 Выбор и характеристика площадки строительства
• 2.1.3 Решения по генеральному плану
• 2.1.4 Транспорт
• 2.1.5 Рекультивация нарушенных земель
• 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ
• 3.1 Характеристика сырья
• 3.2 Анализ научно-исследовательских работ
• 3.3 Описание основных технологических процессов
• 3.4 Расчеты технологического процесса
• 3.4.1 Исходные данные для расчета
• 3.4.2 Теоретические основы процесса хлорирования
• 3.4.3 Расчет рационального состава титанового шлака
• 3.4.4 Рациональный состав загружаемого электролита
• 3.4.5 Расчет реакции хлорирования
• 3.4.6 Расчет материального баланса процесса конденсации
• 3.4.7 Материальный баланс оросительного скруббера
• 3.4.8 Расчет материального баланса оросительного конденсатора
• 3.4.9 Полный материальный баланс процесса хлорирования и конденсации
• 3.4.10 Конструктивный расчет хлоратора
• 3.4.11 Тепловой расчет хлоратора
• 3.4.11.1 Расчет физического тепла загружаемого материала
• 3.4.11.2 Расход тепла
• 3.5 Выбор и технологический расчет основного оборудования
• 3.5.1 Расчет электрических параметров хлоратора
• 3.5.2 Расчет количества основных аппаратов
• 3.6 Конструктивный расчет хлоратора
• 3.7 Вспомогательные службы
• 3.8 Контроль и автоматизация процесса хлорирования
• 3.8.1 Основные понятия
• 3.8.2 Краткая характеристика хлоратора как объекта управления
• 3.8.3 Описание функциональной схемы
• 3.9 Электроснабжение и электрооборудование
• 4. БЕЗОПАСНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧНОСТЬ ПРОЕКТА
• 4.1 Анализ опасных производственных факторов
• 4.2 Организационные мероприятия
• 4.3 Технические мероприятия
• 4.3.1 Параметры микроклимата
• 4.3.2 Расчет приточной и вытяжной вентиляции
• 4.3.3 Электробезопасность
• 4.3.3.1 Расчет заземления
• 4.3.4. Освещенность
• 4.3.4.1 Расчет освещенности
• 4.4 Санитарно-гигиенические мероприятия
• 4.4.1 Обеспечение спецодеждой, бытовыми помещениями, спецпитание
• 4.4.2 Обеспечение индивидуальных средств защиты
• 4.4.3 Организация естественного и искусственного освещения
• 4.4.4 Противопожарные мероприятия
• 4.5 Экологичность
• 5. СТРОИТЕЛЬНЫЕ РЕШЕНИЯ
• 5.1 Конструктивные элементы здания
• 5.2 Отопление и вентиляция
• 5.3 Водоснабжение и канализация
• 5.4 Защита конструкций от коррозии
• ЗАКЛЮЧЕНИЕ
• СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность Хлорная металлургия, лежащая в основе технологии получения титана, открыла широкие возможности организации крупного промышленного производства металлического титана.

Промышленное производство тетрахлорида титана организовано на титано - магниевых комбинатах. В меньших масштабах его как побочную продукцию производят при хлорировании лопаритового концентрата - источника получения соединений ниобия, тантала и редкоземельных металлов.

Производство тетрахлорида титана считается самым важным на титано - магниевых предприятиях. Очищенный тетрахлорид титана в основном идет на получение титановой губки магниетермическим способом. Тетрахлорид титана служит также исходным сырьем для получения нихших хлоридов титана, используемых в химической промышленности (катализаторы при полимеризации органических соединений) и в цветной металлургии при очистке технического тетрахлорида титана от ванадия и электролитическом получении титана [1].

Развитие производства тетрахлорида титана осуществляется по пути повышения его эффективности, комплексности использования сырья и защиты окружающей среды.

Цель - проектирование отделения хлорирования рутиловых концентратов.

Проектируемую технологию предлагается разместить на базе действующего производства технического тетрахлорида титана территории АО «УК ТМК» в цехе № 2.

1. ОБЩАЯ ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

1.1 Краткая характеристика предприятия

Отделение хлорирования входит в состав цеха №2 Акционерного Общества «Усть-Каменогорский титано-магниевый комбинат» (АО «УК ТМК), расположенного в Усть-Каменогорске.

Строительство отделения и монтаж оборудования производило Усть-Каменогорское Управление треста «Алтайсвинецстрой». Отделение введено в эксплуатацию в 1965 году.

Основными технологическими агрегатами проектируемого отделения являются солевые хлораторы.

Сырьевая база и технический уровень продукции

Сырьем для получения технического тетрахлорида титана являет рутиловый концентрат, содержащий не менее 90% TiO2.

Основной продукцией отделения является технический тетрахлорид титана, который направляется в отделение ректификации для получения очищенного тетрахлорида титана.

Основные технологические и проектные решения

В соответствии с утвержденным заданием на проектирование состав сырья и продуктов хлорирования принят по данным АО «УК ТМК». При выполнении дипломного проекта рассматривались вопросы усовершенствования технологии хлорирования рутилового концентрата

В отделении будет производиться 80000 т/год технического тетрахлорида титана.

Компоновка объектов отделения хлорирования выполнена, исходя из условий технологической схемы, с учетом имеющихся свободных площадей, с максимальным приближением к существующим близким по технологическим признакам объектам.

Потребность в энергоресурсах

Основной энергетической базой АО «УК ТМК» являются энергопроизводители, входящие в систему «АЕS Алтай Пауэр», а именно: «АЕS Усть-Каменогорская ГЭС», «АЕS Согринская ТЭЦ», «АЕS Усть-Каменогорская ГЭС», «АЕS Усть-Каменогорская ТЭЦ» и «АЕS Согринская ТЭЦ».

Природоохранные мероприятия

Целью природоохранных мероприятий является соблюдение требований к качеству окружающей среды с учетом перспективных изменений, обусловленных развитием промышленности, а также получения максимального экологического эффекта от изучения окружающей среды, сбережение и более полное использование природных ресурсов. Внедрение природоохранных технологий, с одной стороны увеличивает затраты на производство технического тетрахлорида титана за счет увеличения общей стоимости основных фондов и увеличение затрат на их эксплуатацию, с другой стороны в ряде случаев улучшает технико-экономические показатели основного производства, что позволяет экономить материальные и энергетические ресурсы непосредственно в металлургическом производстве. В целях улучшения природоохранной деятельности, оздоровления окружающей среды на АО «УК ТМК» введено платное природоиспользование и платежи за загрязнение окружающей среды. Природоохранные мероприятия направлены на внедрение малоотходных и безотходных технологических процессов, комплексной переработки отходов.

Комплексное использование сырья

Сырьем в проектируемом отделении является рутиловый концентрат, при переработке которого образуются следующие продукты:

- технический тетрахлорид титана, который направляют в отделение ректификации;

- отработанный расплав титановых хлораторов можно использовать для получения скандия и калийных удобрений).

2. ГЕНЕРАЛЬНЫЙ ПЛАН, ТРАНСПОРТ И РЕКУЛЬТИВАЦИЯ НАРУШЕННЫХ ЗЕМЕЛЬ

2.1 Генеральный план

2.1.1 Краткая характеристика района строительства

В районе строительства отделения по производству технического тетрахлорида титана средняя температура наиболее холодной пятидневки t = -32° С, наиболее холодных суток t = -39° С.

Преобладают ветра юго-восточного направления. Наиболее сильные ветра в ноябре и декабре; скорость ветра до 24 м/с.

Максимальная глубина промерзания грунта - 2 метра. Уровень грунтовых вод на площадке - 5,8 метра. Грунтовые воды на площадке строительства слабощелочные.

Район строительства обладает достаточной сырьевой базой, нет затруднения с электроэнергией, водой, транспортом, трудовыми ресурсами. Поэтому район является перспективным и экологически выгодным для построения комбината в целом и цеха по производству тетрахлорида в частности.

Строительная площадка удовлетворяет санитарным требованиям в отношении естественного проветриваемого, прямого облучения, имеет относительный уклон поверхности, что обеспечивает отток поверхностных и сточных вод.

Основанием фундамента служат галесные грунты. Допустимая нагрузка на грунт от строительной конструкции будет равна Rдоп = 4 кг/ см2

Заложение подошвы фундамента составляет 2 метра. Максимальный уровень грунтовых вод находится на уровне 3,8 метра. Поэтому защита фундамента от грунтовых вод не требуется. Наружную поверхность надземной части фундамента покрасить два раза битумом, в начале растворенным в 75% бензине, а затем горячим битумом. Башмаки строительных колонн рабочих площадок залиты бетоном до отметки 0,05 метра.

Поверху фундамента необходимо устроить гидроизоляцию от грунтовой сырости из слоя цементного раствора в 2 сантиметра. Зазоры между фундаментными балками залить цементом.

Водоснабжение осуществляется от насосных станций водозабора. Водозабор расположен в трех километрах от площадки строительства на реке Ульба.

Загрязненные и кислые стоки отходов производства поступают на станцию нейтрализации и очистные сооружения, расположенные в 500 метрах за территорией комбината. После нейтрализации и очистки часть воды поступает в производство, а часть сбрасывается в реку. Сейсмичность района - 6 баллов.

2.1.2 Выбор и характеристика площадки строительства

Размещение проектируемого отделения выполняем с учетом следующих условий:

- технологической схемой производства;

- существующей застройки, существующих транспортных и инженерных коммуникаций.

Промышленная площадка комбината характеризуется следующим горно-геологическим условиями. На глубине 5-8 метров от поверхности залегают песковидные суглинки. Затем располагаются гравийно-галечные отложения, служащие основанием зданий и сооружений. Грунтовые воды вскрыты на глубине 7-11 м. Они обладают сульфатной и углекислой агрессивностью.

2.1.3 Решения по генеральному плану

Для обслуживания проектируемого отделения подъезды и разворотные площадки предусматриваются с асфальтобетонным покрытием с бордюрами. Вдоль бордюров предусматриваются дождеприемники.

Водоотвод с площадок осуществляется в существующую ливневую канализацию комбината.

Свободные от застройки площади засаживаются деревьями, кустарниками и газонами.

Обслуживание территории проектируемого отделения предусматривается существующим транспортом и оборудованием комбината.

2.1.4 Транспорт

Транспортное оборудование включает внутрицеховой транспорт, выполняющий перемещения материалов между рабочими местами, участками, межцеховой транспорт, обеспечивающий доставку на предприятие сырья, материалов, оборудования, осуществляющий вывоз готовой продукции с территории комбината.

В отделении хлорирования используются автомобильный и трубопроводный виды транспорта.

Автомобильная транспортная связь проектируемого отделения с существующими объектами комбината предусматривается по существующим авто подъездам с асфальтовым покрытием.

Для обслуживания объектов автомобильным транспортом предусматриваются разворотные площадки размером 12 на 12 м. В целях соблюдения безопасности движения предусмотрены пешеходные тротуары шириной 1 метр. Скорость и порядок движения автомашин и электрокар устанавливается администрацией и регламентируется указателями и дорожными знаками

Перемещение газообразных продуктов в другие цеха комбината осуществляется по существующим трубопроводам.

2.1.5 Рекультивация нарушенных земель

В связи с тем, что проектируемые объекты находятся на существующей территории комбината, где нарушен рельеф, поэтому срезка растительного слоя грунта не предусматривается, ввиду его отсутствия.

3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ

3.1 Характеристика сырья

Рутиловые концентраты, в отличие от ильменитовых, экономически целесообразно направлять на процесс хлорирования, т.к. по составу они близки к титановому шлаку (содержит не менее 90% TiO2). При переработке ильменитовых концентратов сначала применяют рудно-термическую восстановительную плавку, в результате которой получают шлак с содержанием TiO2 не менее 80% и лигатуру, имеющую состав общий с составом чугуна. В ходе восстановительных реакций в титановый шлак переходят и оксиды других металлов, содержащихся в концентрате: CuO, A12O3, MgO, MnO и частично SiO2.

В процессе хлорирования подготовку титаносодержащего сырья- рутилового концентрата и восстановителя осуществляют на специальном переделе, где эти вещества измельчают до определеной крупности и высушивают. При ведении процесса хлорирования важную роль играет наличие и качество пекового кокса. На рисунке 1 приведена технологическая схема измельчения пекового кокса перед процессом хлорирования. К молотому коксу предъявляют более жесткие требования, чем к рутиловому концентрату, требования по крупности.

Таким образом, требования, предъявляемые, к исходному сырью, заключаются в следующем:

1) рутиловый концентрат (измельченный) - содержание влаги не более 0,1% массовой доли; содержание фракции +0,16 мм не более 10%;

2) кокс пековый (измельченный) - содержание влаги не более 0,1% массовой доли; содержание фракции +0,16 мм не более 7%.



Рисунок 1 - Технологическая схема подготовки пекового кокса

3.2 Анализ научно-исследовательских работ

Большинство металлов получают из их оксидов восстановлением углеродом или другими материалами. Для титана применение углерода в качестве восстановителя оказывается невозможным из-за образования прочных соединений металла углерода - карбида титана. Из-за высокой прочности оксидов титана затруднено его получение и с помощью других восстановителей и поэтому приходится титан переводить из его оксида в хлориды, очищать их от примесей и восстанавливать другими элементами или электролизом.

Существуют три способа получения:

- восстановление хлоридов магнием или натрием;

- восстановление оксида титана кальцием или гидридом кальция;

- электролитический способ получения металла.

В некоторых количествах титан в виде мелкозернистых порошков получают восстановлением кальцием или гидридом кальция (СаН2) двуокиси титана при температуре 1000 - 1100° С.

Восстановление оксида титана кальцием или гидридом кальция происходит по реакции:

ТiO2 + 2Са = ТiO + 2СаО(1)

TiO2 + 2СаН2 = TiO + 2СаО + 2Н2 (2)

Для самопроизвольного хода реакции их теплоты недостаточно, необходимо подводить тепло.

Порошки такого типа используют для получения компактных заготовок и изделий из титана [2].

Электролитический способ получения титана в расплавленных солях находится в стадии опытно-промышленных испытаний. Наиболее широко проводятся работы по электролизу хлоридов титана с использованием в качестве электролита смеси хлоридов щелочных и щелочно-земельных металлов (NaCl, KC1, TiCl3, TiCl2). При электролизе на катоде выделяется титан, на аноде - хлор.

Анодом служат корзины, куда насыпается стружка титана, катодом является стальная пластина, на которой выделяется титан.

Таким образом, получают титановый порошок, который обрабатываются слабыми растворами соляной кислоты. Этот способ позволяет осуществить непрерывный процесс восстановления титана с получением титана высокого качества.

Подавляющую часть металлического титана производят магнийтермическим методом на титано-магниевых предприятиях, на которых получение данного металла связано с электролитическим производством магния [1].

В настоящее время для хлорирования титаносодержащего сырья применяют три основных способа:

- хлорирование брикетированной шихты в фильтрующем слое с использованием шахтных хлораторов;

хлорирование порошкообразной шихты в кипящем слое с использованием шахтных хлораторов кипящего слоя;

- хлорирование измельченной шихты в расплаве хлористых солей с применением солевых растворов.

При хлорировании в шахтных хлораторах с подвижным слоем применяются только брикетированные шихты. Процесс подготовки шихты - дозирование перед смешением, смешение, брикетирование, сушка и коксование значительно усложняет технологию получения и повышает себестоимость четыреххлористого титана. Использование брикетированной или гранулированной шихты затрудняет оперативный контроль состава шихты и возможность автоматизации процесса.

При хлорировании в кипящем слое применяется измельченная или гранулированная шихта, представляющая собой смесь титанового шлака и кокса. По сравнению с шахтным хлоратором хлорирование в кипящем слое имеет такие преимущества как более высокая скорость процесса хлорирования, более равномерная температура процесса по сечению из-за лучшего массо- и теплообмена шихты в кипящем слое. Однако при хлорировании в кипящем слое образуется легкокипящие хлориды магния и кальция, которые обваливают (сплавляют) шихту, образуя свищи в слое шихты. Поэтому кипящий слой может быть использован для хлорирования шихты с лимитированным содержанием легкоплавких компонентов. Кипящий слой имеет следующие недостатки:

- при кипении слой шихты имеет перемещение непрохлорированных частиц в нижнюю зону, в результате чего в выгруженном огарке содержится повышенное содержание двуокиси титана;

- повышенный износ футеровки стенки хлоратора;

- растянута по высоте зона реакции из-за более интенсивного теплообмена по высоте [3].

Оба описанных способа хлорирования имеют один общий недостаток -это высокую температуру процесса.

Из всех выше описанных способов данных недостатков лишен способ хлорирования титаносодержащих материалов в расплаве хлористых солей щелочных и щелочноземельных металлов. Этот способ получил наибольшее распространение в странах бывшего СССР.

Этот способ по сравнению с другими имеет ряд преимуществ:

- упрощается технологическая схема подготовки шихты из-за отсутствия переделов брикетирования и коксования;

- интенсивный барботаж обеспечивает интенсивный тепло- и массообмен и высокую производительность;

- наиболее просто решается вопрос терморегулирования процесса;

- улучшается процесс конденсации парогазовой смеси за счет увеличения парциального давления тетрахлорида титана;

- из-за ведения процесса при более низкой температуре, технический тетрахлорид титана менее загрязнен примесями, что обеспечивает его последующую конденсацию;

- процесс идет с образованием СО2, а не СО, что исключает образование взрывоопасных смесей и упрощает эксплуатацию оборудования;

- предъявляются менее жесткие требования к титаносодержащему сырью по содержанию оксидов натрия, кальция, магния, калия;

- присутствие в расплаве хлорида способствует ослаблению межатомных связей металл - кислород, ускоряя процесс хлорирования [1,2].

3.3 Описание основных технологических процессов

Технологическая схема получения тетрахлорида титана представлена на рисунке 2.

Через весовой дозатор шламоэлектролитная смесь (ШЭС) и рутиловый концентрат поступают в промежуточный бункер через шнековый питатель или весы фирмы «Хаслер», где смешивается с коксом, который поступает через шнековый питатель. Затем шихта через шнековый питатель подается на зеркало расплава хлоратора. Снизу через фурмы в хлоратор подается анодный хлоргаз. В хлораторе протекают реакции хлорирования с получением парогазовой смеси от исходного расплава. Из хлоратора парогазовая смесь поступает в пылевую камеру. В пылевой камере происходит очистка парогазовой смеси от высококипящих хлоридов (хлоридов магния, тантала, алюминия, железа и других, а также пыли уносимой из хлоратора). Затем парогазовая смесь попадает в оросительный скруббер, где ее орошают пульпой из танка пульпы, охлажденной водой в холодильнике типа «труба в трубе».

В оросительном скруббере парогазовая смесь, очищенная от твердых примесей, продолжает дальнейшее движение. Другая ее часть, которая подверглась орошению, идет на образование пульпы, которая накапливается в танке, а затем подается на зеркало расплава хлоратора для поддержания температурного режима процесса хлорирования.

Из оросительного скруббера парогазовая смесь поступает в каплеуловитель, в котором улавливаются капельки пульпы, захваченные потоком парогазовой смеси. Эти капельки улавливаются и переливаются в танк пульпы.

После каплеулавливания парогазовая смесь поступает в первый оросительный конденсатор, где орошается техническим тетрахлоридом титана, охлажденным уже рассолом СаС12 в холодильнике типа «труба в трубе» до температуры - 12 С. Такое глубокое охлаждение необходимо для того, чтобы весь тетрахлорид титана сконденсировался, так как у тетрахлорида титана высокая упругость пара и такое охлаждение позволяет уменьшить потери тетрахлорида титана с охлажденными газами до минимума.



Рисунок 2 - Технологическая схема получения технического TiCl4.

Уловленный оросителем тетрахлорид титана сливается в танки оросительного конденсатора в первый и второй, далее по линии перелива в баки-сборники готового продукта.

Отходящие газы, пройдя пыле- и каплеулавливание, под действием вентилятора, который обеспечивает разряжение в системе, подаются в цех газоочистки и нейтрализации.

3.4 Расчеты технологического процесса

3.4.1 Исходные данные для расчета

Состав рутилового концентрата, %: TiO2 - 90,0; FeO - 2,6; SiO2-3,15; СаО-1,76; MgO - 2,52; MnO-1,1; A12O3 - 2,85; V2O5-0,14; прочие - ост. ;

Состав заливаемого электролита, %: КС1 - 80; NaCl-10; MgCl2 - 6,5; СаС12 - 2,7; MgO - 0,04; А12О3 - 0,3; Fe2O3 - 0,06; SiO2 - 0,2; зола - 2,33%; летучие - 1,52 % ; сера - 0,7 %; пр. - ост.;

Состав хлоргаза, %: хлор-85,1; кислород-3,4 %; азот-11,3%.

Составы заливаемого электролита и восстановителя взят по данным практики АО «УК ТМК».

Принимаем, что входящие в состав концентрата оксиды железа хлорируются следующим образом: 25 % до FeCl2 и 75 % до FeCl3.

Степень использования хлора 99 % (потери в ПГС - 0,5 %, неучтенные потери - 0,5 %). Запыленность ПГС по коксу - 0,5 %. Содержание углерода в отработанном расплаве - 3-5 %. Считать, что весь углерод за вычетом потерь идет на образование СО2.

Степень хлорирования компонентов шихты согласно анализам практических данных составляет,%: ТiO2-97,2; А12О3-59,8; МnО-100; FeO - 97; SiO2 -10; MgO - 100; СаО-100; Fe2O3 - 99; V2O5-100.

3.4.2 Теоретические основы процесса хлорирования

Хлорирование - это процесс, в котором хлор взаимодействует с оксидом металла или другими их соединениями, образуя хлорид или оксихлорид металла. Хлор при этом замещает кислород в оксиде. Хлориды металлов имеют равную температуру плавления и кипения, что позволяет в процессе хлорирования выделить чистый хлорид, из которого восстановлением или электролизом можно получить чистый металл.

Процесс хлорирования можно выразить уравнением:

МеО + С12 = МеС12 + 1/2 О2(1)

Оксиды металлов имеют разную склонность к хлорированию. Поэтому признаки их можно в следующий ряд:

К2О - Na2O - СаО - МnО - FeO - MgO - TiO2 - А12О3 - SiO2

При принятой температуре хлорирования оксиды К2О, Na2O, СаО или FeO можно хлорировать без углерода. Реакции хлорирования оксидов MgO, TiO2 , А12Оз , SiO2 практически невозможно осуществить без восстановителя, так как выделившийся после хлорирования кислород необходимо связать с каким-либо элементом.

В качестве восстановителя используют углерод, который связывает выделившийся кислород в СО2 и СО по уравнениям:

МеО + С + С12 = МеСL4 + СО2(2)

МеО + С + С12 = МеС12 + 2СО(3)

В зависимости от температуры и способов хлорирования реакции в присутствии углерода могут идти с образованием СО2 и СО. При температуре хлорирования 740-760°С реакция протекает с образованием СО2 . Реакции хлорирования идут с большим выделением тепла, поэтому носят название -экзотермические.

Реакция хлорирования оксида титана в присутствии углерода имеет вид:

TiO2 + С + 2С12 = TiCl4 + СО2 + Q(4)

Важное значение для протекания процесса хлорирования оксида титана имеет последовательность протекания реакции, то есть механизм процесса хлорирования. Хлорирование оксида титана в присутствии углерода является многоступенчатым процессом и протекает в несколько стадий.

1-я стадия хлора углеродом и компонентами расплава, имеющими большое сродство к хлору, чем диоксид титана. При этом молекулярный хлор переходит в активную атомарную форму:

С + 2С12 = С + 4С1(5)

2-я стадия - атомарный хлор взаимодействует с диоксидом титана с образованием тетрахлорида титана и атомарного кислорода:

TiO2 + 4C1 = TiCl4 + 20(6)

3-я стадия - атомарный кислород реагирует с углеродом с образованием СO2:

2О + С = СО2(7)

Поскольку титан имеет переменную валентность, 2-я стадия может протекать ступенчато, то есть с образованием трихлорида титана:

TiO2 + ЗС1 = TiCl3 + 2О(8)

TiCl3 + Cl = TiCl4(9)

Скорость хлорирования диоксида титана зависит от температуры процесса, активности хлорируемых оксидов, вида восстановителя и хлорирующего агента, природы расплава, каталитических свойств участвующих в реакции компонентов, скорости подачи и концентрации хлорирующего агента.

3.4.3 Расчет рационального состава титанового шлака

Расчет ведем следующим образом. В одной тонне подаваемого материала содержится 849 кг TiO2. Определяем количество компонентов

ТiO2: 1000 кг- 900 кг ТiO2

79,9 кг TiO2 - 47,9 кг Ti

900х47,9/79,9 = 508 кг Ti

В 900 кг TiO2 содержится кислорода 900х32/79,9 = 341 кг

FeO: 1000кг-26 кг FeO

72 кг FeO - 56 кг Fe

SiO2: 1000 кг-31,5 кг SiO2

60 кг SiO2 - 28 кг Si

СаО: 1000 кг-17,6 кг Са

56 кг CaO - 17,6 кг Ca

MgO: 1000 кг - 25,2 кг Mg

40 кг MgO - 24 кг Mg

МnО: 1000 кг - 11 кг МnО

71 кг МnО-55 кг Мn

А12О3: 1000кг - 28,5 кг А12О3

102 кг А12О3-54 кг Аl

V2O5 : 1000кг-1,4 кг V2О5

182 кг V2О5-102 кг V

Прочие : 0,96 х 1000 / 100 = 9,6 кг

Таблица 1 - Рациональный состав титанового шлака

Компо ненты	Содер-е в шлаке	Ti	Si	Fe	Са	Mg	Mn	Al	V	Пр	O2
	%	кг
TiO2	90,0	900	508									341
SiO2	3,15	31,5		14,7								16,8
FeO	2,6	26			20,2							5,7
CaO	1,76	17,6				12,5						5,1
MgO	2,52	25,2					15,1					10,1
MnO	1,1	11						8,5				2,5
A12O3	2,85	28,5							15			13,5
V2O3	0,14	1,4								0,78		0,6
прочие	0,96	9,6									9,6
итого	100	1000	508	14,7	20,2	12,5	15,1	8,5	15	0,78	9,6	395,3

3.4.4 Рациональный состав загружаемого электролита

Расчет ведем на 1000 кг рутилового концентрата. В процесс загружаем 15 % отработанного электролита.

Общий вес электролита 150 кг.

КС1: 150х 80 / 100= 120 кг

Из них К : 120 х 39,1 / 74,6 = 62,89 кг

С1: 120х35,5/74,6 = 57,11 кг

NaCl: 150х 100/100 =15 кг

Из них Na: 15 х 23 / 100 = 5,89 кг

С1: 15 х35,5/58,5 = 9,11 кг

MgCl2: 150 х 6,5 / 100 = 9,75 кг

Из них Mg: 9,75 х 48 / 111 = 3,51 кг

С1:9,75 х 71/111 =6,24 кг

СаС1: 150х 2,7/100 = 4,05 кг

Из них Са: 4,05 х 12 / 83 = 0,59 кг

С1: 4,05 х71 /83 =3,46 кг

MgO: 0,04 х 150 / 100 = 0,06 кг

Из них Mg: 0,04 * 48 / 40 = 0,036 кг

О2:0,06х 16/40 = 0,024 кг

А12О3: 150х0,3/100 = 0,45

Из них А1: 0,45 х54 / 102 = 0,24 кг

О2: 0,45х 48 /102 = 0,21 кг

Fe2O3: 150 х 0,06 /100 = 0,09 кг

Из них Fe: 0,09 х 112 /160 = 0,063 кг

О2: 0,09х 48/160 = 0,027 кг

SiO2: 150х 0,2/100 = 0,3 кг

Из них Si: 0,3 х 2,8 / 60 = 0,14 кг

О2: 0,3 х 32/60 = 0,16 кг

Прочие: 0,2 х 150 / 100 = 0,3 кг

Таблица 2 - Рациональный состав электролита

Компо ненты	Содер-е	К	Na	Mg	Са	Al	Fe	Si	пp	o2	Cl2
	%	кг
КС1	80	120	62,9									57,1
NaCl	10	15		5,89								9,1
MgCl2	6,5	9,15			3,54							6,24
CaCl	2,7	4,05				0,89						9,46
MgO	0,04	0,06			0,036						0,02
A12O3	0,3	0,45					0,24				0,21
Fe2O3	0,06	0,09						0,06			0,03
SiO2	0,2	0,3							0,14
прочие	0,2	0,3								0,3
итого	100	150	62,9	5,89	3,37	0,89	0,24	0,06	0,14	0,3	0,42	75,9

3.4.5 Расчет реакции хлорирования

Хлорирование ведется анодным хлоргазом.

Состав% объем% весовой

С1 290 85,15

О 26,3 3,46

N 223,7 11,39

Степень использования С12 примерно 100%.

Весь углерод за вычетом потерь с расплавом и с ПГС идет на образование СО2.

Определяем:

ТiO2 - 849 х 0,972 = 825,2 кг

SiO2-31,45 х 0,1 =3,1 кг

А12О3-28,5х 0,59 =16,8 кг

FeO-26х 0,97 = 25,2 кг

СаО-17,6кг

MgO-25,2rar

V2О5-1,4кг

МnО - 11 кг

В процессе хлорирования протекают следующие реакции:

TiO2 + С + 2С12 = TiCl4 + СО2 + Q(10)

SiO2 + С + 2С12 = SiCl4 + СО2 + Q(11)

2А12О3 + ЗС + 6С12 = 4А1С13 + ЗСО2 + Q(12)

2МnО + С + 2С12 = 2МnС12 + СО2 + Q(13)

2MgO + С + 2С12 = 2MgCl2 + СО2 + Q(14)

2СаО + С + 2С12 = 2СаС12 + СО2 + Q(15)

2V2O5 + ЗС + 6С12 = 4VOC13 + ЗСО2 + Q(16)

2FeO + С + 4С12 = 2FeCl3 + СО2 + Q(17)

2Fe2O3 + ЗС + 4C12 = 4FeCl2 + 3CO2 + Q(18)

2Fe2O3 + 3C + 6C12 = 4FeCl3 + 3CO2 + Q(19)

В реакцию вступает 825,2 кг TiO2

С = 825,2х 12/80= 123,7 кг

С1 = 825,2 х 2 х71 / 80 = 1464,7 кг

При этом образуется:

TiCl4 = 825,2 х 190 / 80 = 1959,8 кг

СО2 = 825,2 х 44 / 80 = 453,8 кг

В реакцию вступает 3,1 кг SiO2

SiO2 + С + 2С12 = SiCl4 + СО2

60 12 2*71 170 44

С = 3,1 х 12 / 60 = 0,62 кгС1 = 3,1 х 142 / 60 = 7,3 кг

При этом образуется:

SiCl4 = 3,1 х 170 / 60 = 8,9 кг

СО2 = 3,1 х 44/60 = 2,3 кг

В реакцию вступает 16,8 кг А12О3

2А12О3 + ЗС + 6С12 = 4А1С13 + ЗСО2

С = 16,8 х 3 х 12 / (2х12) = 2,9 кгС1 = 16,8 х 6 х 71 / (2х102) = 35 кг

Образуется:

А1С13 = 16,8 х 4 х 133,5 / 204 = 43,9 кг

СО2 = 16,8 х 3 х 44 / 204 = 10,8 кг

В реакцию вступает 11 кг МnО

2МnО + С + 2С12 = 2МnС12 + СО2

С = 11 х 12 / (2х71) = 0,92 кгС1 = 11 х 142 / 142 = 11 кг

При этом образуется:

МnС12 = 11 х 252 /142 = 19,5 кг

СО2=11 х 44/142 = 3,4 кг

В реакцию вступает 17,6 кг СаО

2СаО + С + 2С12 = 2СаС12 + СО2

С = 17,6 х 12 / (2х56) = 1,8 кгС1 = 17,6 х 2 х 71 / (2х56) = 22,3 кг

При этом образуется:

СаС12 = 34,8 кг СО2 = 6,9 кг

В реакцию вступает 25,2 кг MgO

2MgO + С + 2С12 = 2MgCl2 + СО2

С = 3,7 кгС1 = 44,7

При этом образуется:

MgCl2 = 59 кг СО2 = 13 кг

В реакцию вступает 1,4 кг V2O5

2V2O5 + ЗС + 6С12 = 4VOC13 + ЗСО2

С = 0,13 кгС1 =1,63 кг

При этом образуется:

VOC13 = 2,66 кг СО2 = 0,5 кг

В реакцию вступает 25,5 кг

2FeO + С + ЗС12 = 2FeCl3 + СО2

Хлорирование окисла железа идет с образованием 25% хлорного железа и 75% хлористого.

FeO = 25,2х 0,75 = 18,9 кг

С =1,57 кгС1 = 28 кг

При этом образуется:

FeCl3 = 42,7 кг СО2 = 5,7 кг

2FeO + С + 2С12 = 2FeCl2 + СО2

Расход по FeO = 25,2 * 0,25 = 6,3 кг

С = 0,52 кгС1 = 6,2 кг

При этом образуется:

FeCl2= 11,1 кг СО2=1,9кг

Всего по реакциям расход:

С = 123,7+0,62+2,9+0,92+3,7+1,8+0,13+1,57+0,52=135,8 кг

С12 = 1464,7+7,3+35+11+44,7+22,3+1,63+28+6,2 = 1620,83 кг

СО2 = 453,8+2,3+10,8+3,4+13+6,9+0,5+5,7+1,9 = 510 кг

Расход анодного хлоргаза

По реакциям требуется С12 1620,83 кг, с С1 вводится кислород в количестве

О2 = 1620,83 х 3,46 / 85,15 = 65,8 кг

N2= 1620,8 х 11,39 / 85,15 =216 кг

Кислород хлоргаза связывается с S и С. Предполагаем, что S связывает 3,2 кг О2, тогда нужно добавлять С для связывания О2 65,8 х 3,2 = 65,6 кг. Для спекания этого количества О2 необходимо добавить С по реакции:

С + О2 = СО212х 62,6/32 = 23,4 кг

12 32 44

Общее количество С: 135,8 + 23,4 = 159,2 кг

Или пекового кокса: 159,2 х 100 / 95,45 = 166,7 кг

В этом количестве кокса содержится серы: 166,7 х 0,7 / 100 = 1,16 кг

Всего серы - 1,16 кг

При сгорании С выделяется СО2 в количестве - 44 х 62,6 / 32 = 86 кг

Общее количество СО2 : 510 + 86 = 596 кг

По реакции образуется SO2 :

S + O2 = SO21,16х 64/32 = 2,32 кг

32 32 64

Требуется О2 = 1,16 х 32 / 32 = 1,16 кг

Хлорирование 1000 кг титанового шлака приводит к образованию

TiCl4 - 1959 кг все 100 % в ПГС

SiCl4 - 8,9 кг все 100 % в ПГС

А1С13 -43,9х 0,92 = 40,3 кг в ПГС

43,9 х 0,08 = 3,51 кг в расплав

МnС12: 19,5 х 0,05 = 0,97 кг в ПГС

19,5 х 0,95 = 18,5 кг в расплав

MgCl2 : 59 х 0,045 = 2,6 кг в ПГС

59 х 0,955 = 56,3 кг в расплав

VOC13 : 2,66 кг в ПГС

FeCl2 : 11,1 х 0,6 = 6,66 кг в ПГС

11,1 х 0,4 = 4,44 кг в расплав

FeCl3 : 42,7 х 0,7 = 28,89 кг в ПГС

42,7 х 0,3 = 12,81 кг в расплав

КС1: 120 х 0,09 = 10,08 кг в ПГС

120 х 0,91 = 109,2 кг в расплав

FeO и зола переходят на 100 % в расплав.

TiO2 23,77 х 0,7 = 16,6 кг в ПГС

23,77 х 0,3 =7,1 кг в расплав

А12О3 11,9х 0,152 = 1,8 кг в ПГС

11,9 х 0,85 = 10,1 кг в расплав

SiO2 28,9 х 0,02 = 0,57 кг в ПГС

28,9 х 0,98 = 28,3 кг в расплав

Потери углерода с ПГС составляют 7 %.

167,31 х 7/100 = 11,7 кг

с расплавом - 8 %

167,31 х 8/100 =13,3 кг

Общее количество углерода составит:

167,31 + 11,7+ 13,3 = 192,31 кг

Для введения этого количества углерода необходимо пекового кокса:

192,31 х 100 / 95,45 = 201,47 кг

В этом коксе золы: 201,47 х 2,33 / 100 = 4,69 кг

летучих: 201,47 х 1,52 / 100 = 3,06 кг

серы: 201,47 х 0,7 / 100 = 1,41 кг

По полученным данным составляем таблицу 3.

Таблица 3 - Материальный баланс процесса хлорирования

Поступает в процесс	Выходит из процесса
Наимено- вание	Всего	В том числе	Наимено- вание	Всего	В том числе
	кг	кг	%		кг	кг	%
1 Шлак	1000		100	1 ПГС	2934,1		100
в том числе:				в том числе:
TiO2		900	90	TiCl4		1959	67,04
FeO		26	2,6	SiCl4		8,9	0,3
SiO2		31,5	3,15	А1С13		40,3	1,3
CaO		17,6	1,76	MnCl2		0,97	0,03
MgO		25,2	2,52	MnCl2		2,6	0,08
MnO		11	и	СаС12		24,3	0,8
A12O3		28,5	2,85	VOCl3		2,66	0,09
V2O5		1,4	0,14	FeCl3		29,89	1,02
прочие		9,6	0,96	FeCl2		6,66	0,22
2 Кокс				A12O3		1,8	0,06
пековый	176,29		100	KC1		10,08	0,34
С		167,3	95,4	NaCl		0,6	0,02
3 Летучие		2,66	1,52	SO2		2,32	0,07
S		1,3	0,7	CO2		596	19,9
зола		4,2	2,33	N2		216	7,3
4 Анодный				летучие		2,96	0,1
хлоргаз	1902,6		100	TiO2		16,6	0,5
С1		1620,8	85,1	SiO2		0,57	0,01
O2		65,8	3,4	С		11,7	0,4
N2		216	11,3	1 Расплав	293,38		100
5 Электро-				TiO2		7,1	2,4
лит	150		100	SiO2		28,3	9,6
КС1		120	80	A12O3		10,1	3,4
NaCl		15	10	FeO		0,49	0,16
MgCl2		9,75	6,5	MgO		0,02	0,006
СаС12		4,05	2,7	MnCl2		18,5	6,3
MgO		0,06	0,04	MgCl2		56,3	19,1
А12О3		0,45	0,3	CaCl2		10,04	3,4
Fe2O3		0,09	0,06	KC1		109,2	37 2
SiO2		0,3	0,2	NaCl		14,4	4,9
прочие		0,3	0,2	FeCl3		12,81	4,3
				FeCl2		4,44	1,5
				зола		3,63	1,2
				С		13,3	4,5
				S		0,25	0,08
				А1С13		3,51	1,1
Всего	3227,8			Всего	3227,8

3.4.6 Расчет материального баланса процесса конденсации

Из хлоратора ПГС поступает в пылевую камеру при температуре 500° С, происходит очистка от твердых и высококипящих хлоридов.

По данным АО «УК ТМК» твердые возгоны имеют следующий химический состав, %: TiO2 -1,1;FeCl2 - 15,7; SiO2-0,36;FeCl3-28,6; A12O3 - 0,46; MgCl2 - 0,2 ; MnCl2 - 0,36; NaCl - 0,42; СаС12-0,4;С-1,5; KC1 -15,5; прочие - 9,9.

По данным практики очистка ПГС в пылевой камере от хлорида алюминия составляет 30%, то есть в твердые возгоны перейдет 40,3 х 0,3 = =12,09 кг А1С13 . Что составляет 28,6 % от общего количества возгонов. Тогда всего возгонов будет уловлено:

12,09х 100 /28,6 = 42,2 кг Из этого будет следовать, что в пылевой камере будет уловлено, кг: TiO2 - 0,41,MgCl2 - 0,06, SiO2-0,ll,МnС12-0,7, А12О3-0,14,КС1-5,7, FeCl2-3,5,NaCl-0,16, FeCl3-5,7,CaCl2-17,63, А1С13 - 12,1, прочие - 0,007. Всего - 42,2 кг

На основании полученных данных составим таблицу материального баланса пылевой камеры.

хлорирование конденсация тепловой материальный

Таблица 4 - Материальный баланс пылевой камеры

Поступило		Получено
Компоненты		Всего, кг	Компоненты		Всего, кг
1 ПГС			1 ПГС		2875,9
в том числе:			в том числе:
TiCl4		1959	TiCl4		1959
SiCl4		8,9	SiCl4		8,9
А1С13		40,3	AICl3		28,2
MnCl2		0,97	MnCl2		0,27
MgCl2		2,6	MgCl2		2,5
СаС12		24,3	СаС12		6,67
VOCl3		2,66	VOCl3		2,66
FeCl3		29,89	FeCl3		24,19
FeCl2		6,66	FeCl2		3,16
A12O3		1,8	A12O3		1,66
KC1		10,08	KC1		4,38
NaCl		0,6	NaCl		0,44
SO2		2,32	SO2		2,32
CO2		596	CO2		596
N2		216	N2		216
летучие		2,96	летучие		2,96
TiO2		16,6	TiO2		16,1
SiO2		0,57	2 Тверд.остаток		53,9
			TiO2		0,41
			SiO2		0,57
			A12O3		0,14
			FeCl2		3,5
			FeCl3		5,7
			AICl3		12,09
			MgCl2		0,06
			MnCl2		0,7
			КС1 NaCl СаС12		5,7 0,16 17,63
Всего		2934,1	Всего		2934,1

3.4.7 Материальный баланс оросительного скруббера

Из пылевой камеры ПГС при t = 180 С поступает в оросительный скруббер, где орошается, охлаждаемой до 70° С пульпой четыреххлористого титана. В оросительном скруббере происходит отмывка от оставшихся твердых хлоридов и пыли и частичная конденсация TiCl4.

По данным практики пульпой оросительного скруббера улавливается,%: TiCl4 -48;ТiO2-90; А1С13 - 99,98 ;кокс - 100 ; VOCl3-82;KCl-100;FeCl3 - 99,98 ;NaCl - 100 ; FeCl2 - 99,98;CaCl2 - 100; MnCl2 - 99,9;A12O3 - 100; MgCl2 - 99,8;летучие - 100;

На основании этих данных находим количество и состав пульпы. В пульпе оросительного скруббера будет содержаться тетрахлорида титана:

1959 Х 0,48 = 940,3 кг

Аналогично находим содержание других компонентов, и результаты расчетов заносим в таблицу 5.

Таблица 5 - Материальный баланс оросительного скруббера

Поступило	Получено
Компоненты		Всего, кг	Компоненты		Всего, кг
1 ПГС		2875,9	1 ПГС		1844,3
в том числе:			в том числе:
TiCl4		1959	TiCl4		1018,7
SiCl4		8,9	SiCl4		8,9
А1С13		28,2	AlCl3		0,1
МnС12		0,27	МnС12		0,001
MgCl2		2,5	MgCl2		0,02
СаС12		6,67	VOCl3		0,56
VOCl3		2,66	FeCl		0,09
FeCl3		24,19			0,003
FeCl2		3,16			2,32
Al2O3		1,66	FeCl2
KC1		4,38	SO2		596
NaCl		0,44	CO2		216
SO2		2,32	N2		1,61
CO2		596	TiO2		1031
N2		216	2 пульпа		940,3
летучие		2,96	TiCl4		28,1
TiO2		16,1	А1С13		2,1
			VOCl3		3,157
			FeCl2		24,1
			FeCl3		0,26
			MnCl2		2,48
			MgCl2		14,4
			TiO2		4,38
			KC1		0,44
			NaCl		6,67
			CaCl2		1,66
			A12O3		2,96
			летучие
ВСЕГО		2875,9	ВСЕГО		2875,9

3.4.8 Расчет материального баланса оросительного конденсатора

Для поддержания теплового режима процесса, пульпа подается обратно в хлоратор на зеркало расплава, где испаряется вместе с ПГС через пылевую камеру и оросительный скруббер в систему конденсации TiCl4. Поскольку пульпа подается в хлоратор при низкой температуре, то из нее при нагревании испаряются преимущественно низко кипящие хлориды. По данным АО УК ТМК из пульпы испаряется,%: TiCl4-100; VOC13-100; ALCl3 - 20; FeCl3-10.

То есть на оросительный конденсатор поступает ПГС следующего состава:

TiCl4 - 1018,7 + 940,3 = 1959 кг

ТiO2-1,61 кг

SiCl4 - 8,9 кг

VOC13-0,56+ 2,1 =2,66 кг

А1С13- 0,1 +28,1 х 0,2 = 5,7 кг

FeCl3 - 0,09 + 24,1 х 0,1 = 2,5 кг

FeCl2 - 0,003 кг

МnС12- 0,001 кг

MgCl2 - 0,02 кг

SO2 - 2,32 кг

СО2 - 584 кг.

В хлораторе остается компонентов:

А1С13- 28,1 -5,7 = 22,4 кг

FeCl2-3,157 кг

FeCl3-24,1-2,5 =21,6 кг

МnС12 - 0,26 кг

MgCl2 - 2,48 кг

ТiO2-14,4кг

КС1-4,38кг

NaCl - 0,44 кг

СаС12 - 6,67 кг

С-13,3 кг

летучие - 2,96 кг

Всего остается - 75,78 кг.

В системе конденсации тетрохлорида титана, состоящей из двух, последовательно установленных, оросительных конденсаторов, по данным практики на АО УК ТМК, конденсируется, %: TiCl4 - 99;MgCl2 - 100; SiCl4 - 90;FeCl2 - 100; VOC13 - 98;FeCl3 - 100; MnCl2-100;

Остальные компоненты остаются в отходящих газах. На пути отходящих газов, перед хвостовым вентилятором, стоит каплеулавливатель, в котором задерживаются уносимые потоком газа капельки жидкости (хлоридов). По данным практики на АО УК ТМК в каплеулавливателе задерживается, %: TiCl4-50; SiCl4 - 70; VOCl3 - 60.

Остальные пары идут в цех газоочистки, где их предварительно очищают, затем выбрасывают в атмосферу. На основе выше указанных данных составляем материальный баланс оросительного конденсатора.

Таблица 6 - Материальный баланс оросительного конденсатора

Поступило		Получено
Компоненты		Всего, кг	Компоненты		Всего, кг
1)ПГС		2791,7	1) Конденсат		1958,3
в том числе:			в том числе:
TiCl4		1959	TiCl4		1939,41
TiO2		1,61	SiCl4		8,1
SiCl4		8,9	VOCI3		2,6
VOCl3		2,66	AICI3		5,7
AlCl3		5,7	FeCl3		2,5
FeCl3		2,5	FeCl2		0,003
FeCl2		0,003	MnCl2		0,001
MnCl2		0,001	MgCl2		0,02
MgCl2		0,02	2)ПГС		821,4
SO2		2,32	TiCl4		19,59
N2		216	SiCl4		0,8
CO2		596	VOCI3		0,06
			TiO2		1,61
			SO2		2,32
			CO2		596
			N2		216
ВСЕГО		2791,7	ВСЕГО		2791,7

Тогда состав конденсата с учетом очистки газов в каплеулавливателе составит:

TiCl4 - 1939,41 + (19,59 - 9,79) = 1949,21 кг

SiCl4 - 8,1 + (0,8 - 0,24) = 8,66 кг

VOC13 - 2,6 + (0,06 - 0,024) = 2,63 кг

А1С13 - 5,7 кг

МnС12-0,001 кг

MgCl2 - 0,02 кг

Итого- 1966,2 кг

3.4.9 Полный материальный баланс процесса хлорирования и конденсации

На основании выше приведенных данных составляем полный материальный баланс процесса хлорирования титанового шлака и системы конденсации.

Таблица 7 - Полный материальный баланс процесса хлорирования и конденсации

Поступило	Получено
Компоненты	Всего, кг	Компоненты		Всего, кг
Шлак		1000	ТТТ (TiCl4 тех.)		1966,2
Электролит		150	Отработанный расплав		293,3
Хлоргаз		1902,6	Возгоны пылевой
Кокс		175,29	камеры		53,9
			Газы		825,9
			Пульпа в хлоратор из
			оросит, скруббера		89,08
Всего		3227,8	Всего		3227,8

Определяем коэффициент пересчета на 1000 кг технического TiCl4: 1000/1966,2 = 0,508

Из этого следует, что на 1000 кг TiCl4 будет израсходовано:

шлака - 1000 х 0,508 = 508 кг;

кокса - 135,85 х 0,508 = 69,01 кг;

электролита - 150 х 0,508 = 76,2 кг;

хлоргаза - 1902,6 х 0,508 = 966,5 кг.

При этом будет получено:

Отработанного расплава с учетом подачи пульпы:

(285,9 + 75,78) х 0,508 = 183,7 кг

Возгонов (твердых) пылевой камеры:

42,2 х 0,508 = 21,4 кг

Отходящих газов:

813,9х 0,508 = 413 кг

Определяем объем отходящих газов:

TiCl4 - 9,79 х 22,4 / 100 = 2,19 м3;

SiCl4 - 0,24 х 22,4 / 170 = 0,03 м3;

VOC13 - 0,024 х 22,4 / 173,4 = 0,003 м3;

N2- 216х 22,4 /28= 172,8 м3;

СО2 - 596 х 22,4 / 28 = 297,3 м3.

Также в составе отходящих газов присутствует СаCl2 , объем которого по практическим данным составляет 0,4 м 3.

3.4.10 Конструктивный расчет хлоратора

По данным практики АО «УК ТМК» принимаем удельную производительность хлоратора 22 т/м3 в сутки. Определяем площадь сечения рабочей зоны:

F = A/Q;(20)

где F - площадь сечения рабочей зоны хлоратора;

А - суточная производительность;

Q - удельная производительность хлоратора.

F= 100 / 22 = 4,5 м2

Конструктивно принимаем диаметр рабочей зоны хлоратора - 2,53 м.

Толщина подины и боковых стенок хлоратора под расплавом - 160 мм.

Засыпка шамотной крошкой - 30 мм.

Диабазовая плитка - 50 мм.

Металлический корпус - 10 мм.

Габаритные размеры хлоратора:

?вн = 2,55 м; ?нар = 4,23 м; h = 10,4 м.

3.4.11 Тепловой расчет хлоратора

3.4.11.1 Расчет физического тепла загружаемого материала

Физическое тепло загружаемого шлака, кокса, отработанного электролита рассчитываем по формуле:

Qфиз.= m*c*t, (20)

где m - количество одного из компонентов кг.

c - теплоемкость материалов кДж/кг0С

t - температура 0С

1) Физическое тепло шлака.

t=200С;

c= 0,942 кДж/кг0С;

m=1000 кг.

Qфиз.=1000*0,942*20=18840 кДж.

2) Физическое тепло, вносимое коксом.

t=200С;

c=0,836 кДж/кг0С;

m=175,29 кг.

Qфиз.=175,29*0,836*20=2930,8 кДж.

3) Физическое тепло, вносимое электролитом.

t=200С;

c=0,794 кДж/кг0С;

m=150 кг.

Qфиз.=150*0,794*20=2382 кДж.

4) Физическое тепло, вносимое хлоргазом.

t=200С;

c=0,564 кДж/кг0С;

m=1902,6 кг.

Qфиз. = 1902,6*0,564*20 = 21461 кДж

Qф.м. = Qфиз.

Qф.м. = 18840+2930,8+2382+21461 = 45613 кДж

5) Теплота реакций хлорирования

В процессе хлорирования все реакции протекают с выделением тепла.

TiO2+C+2Cl2 = TiCl4+CO2+C(21)

SiO2+C+2Cl2 = SiCl4+CO2+Q(22)

2Al2O3+6Cl2+3C = 4AlCl3+3CO2+Q(23)



2MgO+2Cl2+C = 2MgCl2+CO2+Q(24)

2MgO+2Cl2+C = 2MgCl2+CO2+Q(25)

2CaO+2Cl2+C = 2CaCl2+CO2+Q(26)

2V2O5+6Cl2+3C = 4VOCl3+3CO2+Q(27)

2FeO+2Cl2+C = 2FeCl2+CO2+Q(28)

Определяем общее количество тепла выделяемое при хлорировании 1000 кг шлака

Qобщ.=Qобр.

Qобщ.=539645,6+19451+20753+10384+35470+26722+994,4+71386 = (674806ккал) = 2820621,5 кДж.

Общий приход тепла

Производительность хлоратора 100т/сут. TiCl4. В час необходимо получить TiCl4:

100/24=4,16т/час=4160кг/час

из 1000 кг титанового шлака получается:

1000 - 2011,86

- 4160

Определяем коэффициент пересчета:

2067/1000=2,067

Общий приход тепла составит:

2,067 (Qфиз. + Qобщ.) = 2,067*(42254+2820621,5) = 5917563,3 кДж

3.4.11.2 Расход тепла

Тепло, уносимое реагентами, рассчитывается по формуле:

Q=m[c(tпл-tср)+ tрл+с (tраспл.-tпл)],(29)

гдеtраспл. - температура расплава

c - теплоемкость вещества кДж/кг0С

tпл. - теплота плавления

tср. - температура окружающей среды

Тепло, уносимое компонентами расплава, у которых температура плавления выше, чем температура расплава (TiO2, SiO2, Al2O3) рассчитываем по формуле:

Q=m*c (t1-t2)(30)

t1 = 7300С t2 = 200С

1) Определяем тепло, уносимое SiO2

Q = 28,3*0,28 (730-20=5626 ккал = 23516,2 кДж)

2) Определяем тепло, уносимое TiO2

Q = 7,1*0,409 (730-720 = 2061,7 ккал = 8617,9 кДж)

3) Тепло, уносимое Al2O3

Q = 10,1*0,33 (730-20 = 2366,4 ккал = 9891,4 кДж)

4) Тепло, уносимое MgCl2

tпл. = 10300/95 = 108,42 ккал/кг

Q = 56,3 [0,19(718-20)+108,42+0,744 (730-718)] =

= 14073,1 ккал = 58824,5 кДж

5) Тепло, уносимое MnCl2

tпл. = 9000/126 = (71,43 ккал/кг) = 299,2 кДж

Q = 18,5 [0,14 (650-20) + 71,43+0,23 (730-650)] =

= 3293,5 ккал = 13766,73 кДж

6) Тепло, уносимое FeCl2

tпл. = 10300/127 = 81,1 ккал/кг

Q = 4,44[0,2(674-20) + 64,6 + 0,32 (730-302)] = 1475,6 ккал = 6168,1 кДж

7) Тепло, уносимое FeCl3

tпл. = 10500/162,5 = 64,6 ккал/кг

Q = 12,81[0,2(302-20) + 64,6 + 0,32 (730-302)] = 3304 ккал = 13812,3 кДж

8) Тепло, уносимое AlCl3

tпл. = 13140/133,5 = 98,4 ккал/кг

Q = 3,51[0,15(194-20) + 98,4 + 0,24 (730-194)] = 888,5 ккал = 3713,9 кДж

9) Тепло, уносимое CaCl2

Q = 10,04*11,46 (730-20) = 81691 ккал = 341462,1 кДж

10) Тепло, уносимое углеродом

Q = 13,3*11,73 (730-20) = 110766,3 ккал = 462992,4 кДж

11) Тепло, уносимое КCl

Q = 109,2*0,19 (730-20) = 14731 ккал = 61574,4 кДж

12) Тепло, уносимое NaCl

Q = 14,4*0,19 (730-20) = 1942,5 ккал = 8119,7 кДж

Полученные данные заносим в таблицу

Таблица 8 - Потери тепла с расплавом

Компоненты	Количество, кг	Тепло, кДж
TiO2	7,1	8617,9
SiO2	28,3	23516,2
Al2O3	10,1	9891,4
MgCl2	56,3	58824,5
MnCl2	18,5	13766,73
FeCl2	4,44	6168,1
FeCl3	12,81	13812,3
AlCl3	3,51	3713,9
CaCl2	10,04	341462,1
KCl	109,2	61574,4
NaCl	14,4	8119,7
C	13,3	462992,4
ИТОГО	288	1012459,6

Тепло, уносимое парогазовой смесью

Температуру отходящих газов принимаем 7300С, расчет ведем по формуле:

Q = m [c*tкип. + tисп. + с (tпр.-tкип.)],(31)

где m - масса компонента кг

c - теплоемкость

tисп. - теплота испарения

tпр. - температура процесса

tкип. - температура кипения

1) Определяем тепло, уносимое TiCl4

Q = 1959 [0,19*136 + 11,9 + 0,19 (730-136)] = 295025,4 ккал = 1233176,6 кДж

2) Тепло, уносимое SiCl4

Q = 8,9 [0,3*57 + 7,55 + 0,3 (730-57)] = 2016,2 ккал = 8427,9 кДж

3) Тепло, уносимое AlCl3

Q = 40,3[0,15*183 + 105,8 + 0,15 (730-183)] = 8674,5 ккал = 36258,8 кДж

4) Тепло, уносимое FeCl3

Q = 29,89[0,17*319 + 24,24 + 0,17 (730-319)] = 4433 ккал = 18533 кДж

5) Тепло, уносимое VOCl3

Q = 2,66[0,17*127 + 12,35 + 0,17 (730-127)] = 362,9 ккал = 1517,1 кДж

Тепло, уносимое высококипящими хлоридами по формуле:

Q = m [cтв. (tпл. - tср.) + 2пл. + ств. (tпр. - tпл.) + Qкип.](32)

6) Тепло, уносимое MgCl2

Q = 2,6[0,19 (718-20) + 121,17 + 0,29 (730-718) + 775,8] = 2685,9 ккал = 11227,1 кДж

7) Тепло, уносимое CaCl2

Q = 24,3[0,16 (782-20) + 61,26 + 0,28 (730-782) = 7273,4 ккал = 30402,4 кДж

8) Тепло, уносимое FeCl2

Q = 6,66[0,2 (677-20) + 63,58 + 0,28 (730-677) + 2413] = 17467,4 ккал = 73012,1 кДж

9) Тепло, уносимое KCl

Q = 10,08[0,17 (780-20) + 81,77 + 0,31 (730-780) + 2518,6] = 27357,1 ккал = 114350 кДж

10) Тепло, уносимое N2

Q = 216*0,07*730 = (11037,6 ккал) = 46136 кДж

11) Тепло уносимое С

Q = 11,7*0,23*730 = (1964,4 ккал) = 8211,1 кДж

12) Тепло уносимое CO2

Q = 584*0,07*730 = (29842,4 ккал) = 124738,2 кДж

Определяем общее количество тепла уносимого парогазовой смесью

Q = 123317,6 + 8427,9 + 36258,8 + 18533 + 1517,1 + 11227,1 + 30402,4 + 73012,1 + 114350 + 46136 + 8211,1 + 124738,2 = 1705989,7 кДж

Потери тепла в окружающую среду

Для расчета теплового баланса хлоратора определим потери тепла в окружающую среду по уравнению:

Qт. = k*f(tвн-tн)(33)

Qт. = передача тепла теплопроводностью: складывается из передачи тепла конвекцией от середины к стенке хлоратора и передачей тепла лучеиспусканием через стенку хлоратора.

Тогда:

Qт. = Qк+Qл,(34)

Qк = к*F1 (tст - tвозд)(35)

,(36)

где к - коэффициент теплоотдачи конвекцией

F1 - теплопередающая поверхность

E - степень черноты

t - температура

Для более тесного определения к воспользуемся критерием Прандля (Pr) и Грасгоффа (2)

Критерий Pr характеризует режим движения теплоносителя при свободной конвекции.

Критерий 2 определяется по уравнению:

,(37)

гдеg = 9,8 м/сек2

l - размер поверхности

- коэффициент вязкости

- коэффициент объемного расширения воздуха

t = tст. - tвозд.

Критерий Pr характеризует физическое состояние воздуха Pr = 0,72

Если (Pr *2) = 1*10-3/5*10-2 - переходный режим воздуха, то 2 рассчитываем по формуле:

(38)

Если (Pr *2) = 50*2*10-7 - ламинарный режим воздуха, то:

(39)

Если (Pr *2) 2*10-7 - вихревой режим

(40)

Температура и потери тепла через свод хлоратора l свода = 3,6 м

l свода = 4,34

F = 3,6*4,34 = 15,62 м2

Для определения наружной температуры стенки хлоратора задаемся тремя значениями температур: 600С, 800С, 1000С

Определяем теплопотери для каждой из температур. По полученным данным строим график и определяем по пересечению кривых истинную температуру наружной стенки свода.

1) t = 600С

t = 60-30 = 300С

Определяем

*106 = 18,1

= 1,81*10-5

Pr = 1,2*1011*0,72 = 8,6*1010

Режим вихревой пользуемся формулой:

к = А3 (t)113

А3 определяем по графику

А3 = 1,27

к = 1,27*(30)113 = 3,94 ккал/м2/ч0С

2) t = 800С

t = 80-30 = 500С

*106 = 19,1

= 1,91*10-5

Pr 2 = 0,72*1.8*1011 = 1,3*1011

А3 = 1,22; к = 1,22*(50)113 = 4,49 ккал/м2/ч0С

3) t = 1000С

t = 100-30 = 700С

*106 = 20

= 2*10-5

Pr *2= 0,72*2,28*1011 = 1,64*1011

А3 = 1,19; к = 1,19*(70)113 = 4,9 ккал/м2/ч0С

Определяем Qт и Qл+к для этих точек Qт = K*F (tвн - tнар)

, (41)

Где - толщина стенки свода 230 мм;

- коэффициент теплопроводности шамота - 0,82

Qт1 = 3,56*15,62 (730-60) = (37256,82 ккал) = 155733,5 кДж

Qт2 = 3,56*15,62 (730-80) = (36144,68 ккал) = 191084,8 кДж

Qт3 = 3,56*15,62 (730-100) = (35032,54 ккал) = 146436 кДж

Qт = k*F (tвн-tн) = 3,56*15,66 (730-198) = (30695,17 ккал) = 128305,8 кДж

Потери тепла через вертикальные стенки хлоратора

Принимаем температуру стенки 600С, 800С, 1000С

F1 и F2 - внутренняя и наружная поверхность

F1 = 2*1,9 (9,15-3,2) + 2*2,64 (9,15-3,2) = 54,026 м2

F2 = 2*3,6 (9,15-3,2) + 2*4,34 (9,15-3,2) = 94,48 м2

Q = K*F (tвн - tнар),(42)

где K - коэффициент теплопередачи

,

где 1 = 0,23 - толщина кладки

2 = 0,03 - засыпка шамотной крошкой

3 = 0,05 - толщина диабазовой плитки

1, 2, 3 - теплопроводность шамота, шамотной крошки, диабазовой плитки

Qт = к*F(tн-tв)(43)

Определяем к для 600С = 2,2м

2*Pr = 0,72*3,0*1010 = 2,16*1010

А3 = 1,27

k1 = 1,27*(30)113 = 3,94

А3 = 1,22

k2 = 1,22*(50)113 = 4,49

А3 = 1,19

k3 = 1,19*(70)113 = 4,9

Qт1 = k*F (tв-tн) = 2,5*71,44 (730-60) = (119662 ккал) = 500187 кДж

Qт2 = 2,5*71,44 (730-80) = (116090 ккал) = 485256,2 кДж

Qт3 = 2,5*71,44 (730-100) = (112518 ккал) = 470326,24 кДж

Q1k+ = 3,94*71,44 (60-30)+4,9*075*71,44(122,96-86,28) = (18074,25 ккал) = 75550,36 кДж

Q2k+ = 4,49*71,44 (80-30)+4,9*075*71,44(155,27-86,28) = (34151,05 ккал) = 142751,38 кДж

Q3k+ = 4,9*71,44 (100-30)+4,9*075*71,44

(193,56-86,28) = 52669,43 ккал = 220158,2 кДж