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.

Также существует конструкция аппарата с нижним расположением конденсатора. Принципиально эта конструкция аналогична аппарату сепарации с верхним расположением конденсатора. Однако, в этом аппарате применяется колпаковая съемная печь. Аппарат устанавливается на специальный стенд. Учитывая специфику процесса, нижнюю часть сборника для конденсатора делают неразъемной в виде усеченного конуса, а верхнюю часть осадителя - разъемной. На поверхность экрана устанавливают специальную кольцевую подставку, которая препятствует опусканию блока реакционной массы в процессе сепарации. Между стенками экрана и реторты при монтаже аппарата, засыпают слой хлорида магния, который создает гидравлический затвор, и препятствует проникновению расплавленного магния. Такие реторты не применяются на заводах из-за сложного аппаратурного оформления и сложности проводимых работ [7-9].

Проводились исследования по конструкции аппаратов сепарации с рядом стоящим конденсатором. Такой аппарат состоит из реактора с заглубленной крышкой, установленный в электропечь, конденсатор, помещенный в рядом стоящий с печью холодильник, соединенные между собой обогреваемым паропроводом и вакуумпроводом. Холодильник установлен в тележке с возможностью перемещения в горизонтальном направлении для компенсации температурного расширения материала трубопровода. Устройство стыковых обогреваемых патрубков паропровода обеспечивается маневром тележки с установленным на ней холодильником и конденсатором по колее (рельсам), а также подъемом и опусканием последних при помощи гидроподъемников, установленных на раме тележки. Недостатком установки является сложность и громоздкость конструкций, обеспечивающих передвижение конденсатора в горизонтальной и вертикальной плоскостях при стыковке патрубков паропровода. Так, наличие тележки с колесами обуславливает необходимость установки рельсового пути, а наличие грузоподъемников на маме тележки - необходимость иметь маслонасосную станцию с маслопроводами, что повышает трудоемкость обслуживания устройства. Наличие большого числа деталей требует значительного времени на подготовку устройства и монтажу, на их ремонт, повышает вероятность их поломки во время эксплуатации, что в целом снижает производительность устройства из-за непроизводительных простоев и его надежность.

На АО "УК ТМК" был опробован аналогичный аппарат. Основными недостатками были: зарастание внутреннего сечения сливного стояка, зарастание паропровода на выходе в конденсатор, к тому же колпаковые печи, обогреваемые паропровод, потреблял очень много электроэнергии (так же, как печь вакуумной сепарации).

Кроме того, если рассматривать конструкцию осуществления компенсации расширения материалов паропровода за счет перемещения холодильника на тележке, то конструкция тележки настолько металлоемка, что она не позволит осуществить перемещение относительно оси паропровода, что осложняет стыковку фланцев патрубков при монтаже установки, тем самым повышает трудоемкость обслуживания. Как следствие, непроизводительные простои при сборке устройства, при проведении процесса сепарации и при его разборке после процесса, ведут к снижению производительности процесса.

Благодаря исследованиям, проведенным в области вакуумтермической очистки титановой губки, установлено, что устройство, состоящее из реторт, одна из которых является термостатированным конденсатором, создаются благоприятные условия для достижения необходимого температурного градиента между номерами испарения и конденсации. Пары магния и хлорида магния, попадая в термостатированный конденсатор резко не теряют свою температуру. Конструкция вертикального обогреваемого паропровода, в сравнении с горизонтальным по прототипу, обеспечивают максимально свободный доступ парогазового потока к поверхности конденсации за счет сокращения длины пути с парами магния и хлорида магния. Использование устройства позволяет повысить производительность, дополнительно снизить затраты электроэнергии за счет сокращения продолжительности высокотемпературной выдержки [10].

С целью повышения производительности аппаратов применяемых в производстве губчатого титана проводили исследования с использованием индукционного нагрева [11].

Это объясняется тем, что в этом случае значительная часть энергии выделяется в непосредственно нагреваемом теле. Изменение вида нагрева будет заключаться в том, что вместо резисторного нагревателя в печи будет установлен источник электромагнитной энергии - индуктор.

При использовании резисторно - индуктивного нагревателя существенная часть энергии должна выделяться непосредственно в блоке реакционной массы. Частично будет нагреваться стальная стенка реактора, в котором находится реакционная масса, за счет радиационного излучения нагревателя. Выделение тепловой энергии происходит непосредственно в блоке реакционной массы, то есть источник тепловой энергии перемещается внутрь блока, что способствует увеличению теплового коэффициента полезного действия процесса сепарации. Улучшение качества титановой губки достигается действием динамических сил в блоке реакционной массы. Индуктор располагается в пространстве между ретортой и внутренней стенкой печи. Индуктор выполняется из трех - четырех секций, переключением которых можно регулировать величину электромагнитного поля и тепловой режим печи. Секции могут быть включены параллельно, последовательно или смешанно. Таким включением можно получить широкий диапазон регулирования температуры.

Приведенный обзор научно-исследовательских работ и практика работы титано - магниевых комбинатов показали, что на данный момент наиболее приемлемым для очистки реакционной массы является метод вакуумной сепарации с верхним расположением конденсатора.

2. Выбор и обоснование принимаемого в проекте технологического решения

Как показал обзор, приведенный в п. 1.1 при сепарации реакционной массы, во время процесса может происходить перегорание нагревателей, что приводит к ухудшению качества титановой губки, увеличению расхода электроэнергии, дополнительным трудозатратам и т.д. Разрушение защитной пленки на поверхности нагревателей может быть результатом воздействия материалов футеровки или появления окислительной среды в печном пространстве при разгерметизации швов аппарата.

Кроме того, работа печей сопротивления сопровождается довольно большим расходом электроэнергии. Основными путями снижения удельного расхода электроэнергии является: уменьшение тепловых потерь, улучшение теплоизоляции, повышение мощности печи, уменьшение потерь на аккумуляцию тепла, рационализацию электрического и технологического режима работы [5, 12, 13].

Анализ теплового баланса аппарата вакуумной сепарации показывает, что полезный расход тепла на нагрев и сублимацию магния и хлорида магния из реакционной массы составляет незначительную величину по сравнению с тепловыми потерями: 26% от израсходованного за цикл. Печи вакуумной сепарации работают в периодическом режиме и остывают между отдельными кампаниями, поэтому применение наиболее эффективных теплоизоляционных материалов позволит значительно снизить удельный расход электроэнергии.

На АО«УК ТМК» для футеровки электропечей используется шамот - легковес марок ШЛ-1 и ШЛ-1,3 в виде кирпича. Электропечи с такой футеровкой эксплуатируются более двух лет без капитального ремонта, но они имеют сравнительно высокую теплопроводность, что не позволяет снижать температуру кожуха печи и приводит к потерям тепла и увеличению расхода электроэнергии. Для снижения тепловых потерь можно рекомендовать новый футеровочный материал на основе стекловолокна, который успешно прошел испытания на Березниковском титано-магниевом комбинате [13].

Мероприятия по рационализации электрических и технологических режимов работ печей вакуумной сепарации: сокращение длительности технологического процесса за счет его совершенствования, применяя, например, новые виды нагрева. Небольшое повышение температуры ведения процесса также может сократить длительность печного цикла.

Повышение единичной мощности имеющихся аппаратов позволит на тех же площадях увеличить выпуск титановой губки и, следовательно, снизить удельный расход электроэнергии.

3. Технологическая часть

3.1 Номенклатура сырья и продукции

Исходным сырьем, перерабатываемым в отделение является реакционная массы, поступающая из отделения восстановления и представляющая собой титановую губку, пропитанную магнием и хлоридом магния.

Реакционная масса поступает в отделение вакуумной сепарации в ретортах и имеет следующий состав: (50 - 70)% титановой губки; (8 - 15)% хлористого магния (25 - 37)% магния.

В таблице 1 приведены требования к качеству титановой губки по ГОСТ 11746-79.

Таблица 1.

Состав и твердость титановой губки

3.2 Описание основного технологического процесса

В отделении вакуумной сепарации применяется полусовмещенная схема получения титановой губки, при которой монтаж аппарата сепарации осуществляется без охлаждения аппарата восстановления, процесс сепарации ведется в специализированной электропечи. После процесса сепарации реторта - конденсатор с магнием с хлоридом магния отправляется на процесс восстановления. Из нее сливают хлорид магния, затем добавляют магний и подают тетрахлорид титана, образуется реакционная масса после прохождения реакции восстановления, эту реторту уже называют ретортой - конденсатором. А реторта с блоком титановой губки освобождают и монтируют на реторту - реактор, устанавливая между ними магниевую заглушку. Такая реторта становится ретортой - конденсатором. Этот метод получил название «Метод оборотных реторт». Технологическая схема отделения вакуумной сепарации представлена на рисунке 3.1

После процесса восстановления в реакторе остается спекшийся блок реакционной массы, представляющий собой титановую губку, пропитанную магнием и хлоридом магния.

Состав реакционной массы (средний по блоку) примерно следующий: (55 - 60)% титана,(25-35)% магния, (8 - 12)% хлорида магния, (0,01 - 0,1)% низших хлоридов титана. Блок прочно спаян со стенками реактора в верхней зоне, и его невозможно извлечь без разрушения места спая. Целью передела вакуумной сепарации является очистка титановой губки от магния, хлорида магния и низших хлоридов титана.

Вакуумная сепарация реакционной массы основана на различной упругости паров титана, магния и хлорида магния. Так, температуры кипения у титана, магния и хлорида магния соответственно равны 3260, 1107 и 1417 0С. Следовательно, при 1417 0С и атмосферном давлении от титана отгоняются магний и хлорид магния. Однако, при этих условиях, практически невозможно добиться полного отделения магния и хлорида магния от титана. Кроме того, при температуре 1085 0С железо стенки реторты интенсивно взаимодействует с титаном с образованием легкоплавкого вещества - эвтектики. Скорость испарения магния и хлорида магния из реакционной массы зависит от упругости паров, общего давления над реакционной массой и температуры. Как показали исследования, зависимости давления паров магния и хлорида магния от температуры [3], при 900 0С эти величины соответственно равны 0,13·105 Па. Для титана скорость испарения близка к нулю.

Это значит, что уже при 9000С над реакционной массой находятся пары магния и хлорида магния в количестве, пропорциональном давлению их паров. Если эти пары отводить, то из реакционной массы будут испаряться новые порции. Для отвода паров магния и хлорида магния в аппарате сепарации применяют конденсатор, в котором, с помощью охлаждения, создается низкая температура, следовательно, более низкое давление паров магния и хлорида магния. Таким образом, движение паров из реактора в конденсатор происходит в результате разности давления в этих зонах аппарата.

Из реакционной массы в период сепарации выделяются и другие газы (главным образом водород). Эти газы непрерывно откачиваются вакуумным насосом через конденсатор. Когда говорится о давлении в реторте в период сепарации, то под этим подразумевается давление газов (водорода, паров воды, паров хлоропроводной кислоты и другие), замеряемое на выходе из конденсатора. Измерение паров магния и хлорида магния не производят, так как в место замера давления эти вещества могут попасть только в конденсированном состоянии. Когда говорится о температуре сепарации, то под этим подразумевается температура наружной стенки реторты, реакционная масса в течение процесса прогревается от стенки к центру.