Расчёт аппарата восстановления тетрахлорида титана магнием

Министерство образования  и науки РФ

Федеральное государственное  бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального  образования

Пермский национальный исследовательский политехнический  университет

Березниковский филиал

Кафедра технологии и  механизации производств

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

по курсу: «Процессы и аппараты химических производств»

на тему: «Расчёт аппарата восстановления тетрахлорида титана магнием»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: студент гр. МАХП09в

Данилов Н.М.

Проверил: преподаватель

Дёмин Д.Ю.

 

 

 

 

 

 

Березники, 2013

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

 

Введение

Впервые соединение титана было обнаружено в 1791 году английским минералогом-любителем  Мак-Грегором, который выделил его  из черного песка долины Менакан в виде оксида и назвал «менаккин». Независимо от него немецкий химик Клапрот в 1795 году обнаружил оксид доселе неизвестного ему элемента и назвал его титаном. Клапрот не мог и предположить, каким пророческим окажется это название!

Однако для установления достоверных свойств титана потребовалось более 100 лет.

Трудности получения чистого металла  заключались в том, что титан  является одним из наиболее активных химических элементов и при температуре  восстановления его соединений энергично реагирует практически со всеми элементами. Поэтому попытки многих исследователей получить титан с минимальным содержанием примесей заканчивались неудачно.

Принято считать, что впервые достаточно чистый титан был получен в 1910 году американским химиком Хантером путем восстановления натрием очищенного четыреххлористого титана в стальной колбе, из которой был вытеснен воздух.

В 30-х годах прошлого столетия в  Люксембурге Вильгельм Кроль  получил титан необходимой чистоты  при восстановлении очищенного четыреххлористого титана магнием в атмосфере чистого аргона в реакторе, который был футерован молибденом. Этот способ открыл возможность для организации промышленного производства титана.

Титан и сплавы на его основе хорошо поддаются обработке давлением  и сварке, сохраняют высокие механические свойства при пониженных и повышенных температурах и в большинстве случаев обладают очень слабой магнитной восприимчивостью.

Другим важным достоинством титана является его исключительно высокая  химическая стойкость по отношению к очень многим агрессивным средам неорганического и органического происхождения, морской воде, физиологическим растворам и пищевым кислотам.

Благодаря этим и другим качествам  титан и его сплавы широко используются в современных самолетах, подводных  лодках и морских судах, в химическом оборудовании, оборудовании для пищевой промышленности, а также в других областях современной техники.

В США в период бурного развития реактивной авиации производство титана возрастало чрезвычайно высокими темпами. Концерн «Дюпон де Немур» впервые объявил о начале промышленного производства титановой губки в сентябре 1948 года.

 

Кроме США титановая губка выпускается  Японией, Англией, а также в небольшом  количестве Германией и Китаем.

Впервые в нашей стране титановая  губка в промышленных условиях была получена в феврале 1954 года на Подольском химико-металлургическом заводе. Исходным сырьем служил диоксид титана, выделенный из ильменитовых концентратов путем обработки их серной кислотой. С учетом опыта Подольского завода проектировались и строились крупные титано-магниевые предприятия, но уже с использованием в качестве исходного сырья богатых по содержанию диоксида титана шлаков, получаемых путем электротермического восстановления ильменитовых концентратов. Были созданы и освоены мощности по выпуску титановой губки на Украине, а затем на Урале и в Казахстане.

Годом рождения первого уральского титана является 1960 год. Впервые в  мировой практике на комбинате предложены и разработаны технологии заливки  жидкого магния в аппараты восстановления, технология по получению титана в безстаканных аппаратах с конденсацией в реторту, внедрены мощные аппараты для ведения полусовмещенного процесса восстановления и дистилляции губчатого титана. Усовершенствована технология хлорирования шлаков и выплавки шлака в мощных руднотермических печах. Отработан и автоматизирован режим ректификационных колонн, полностью автоматизирован процесс дистилляции губчатого титана.

В 1963 году завод переименован в  титано-магниевый комбинат. Вошел  в число рентабельных предприятий и добился самой низкой в отрасли себестоимости титановой губки. В 1990 году предприятие выходит на зарубежные рынки и становится самостоятельным, полноправным партнером в бизнесе титана и магния.

1992 год – комбинат получил  статус акционерного общества, переименован в        ОАО «Ависма титано-магниевый комбинат», что расшифровывается как авиационные специальные материалы. Произведена сертификация губчатого титана и одобрена фирмами RMI, CEZUS, DEUTSCHE TITAN.

 

 

 

 

 

 

 

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

Многочисленные попытки создания непрерывно действующих аппаратов восстановления оказались безуспешными. Со значительными затруднениями встретились не только в связи с тем, что в процессе образования титановой губки она спекается и припекается к стенкам реактора, но и главным образом в связи с обстоятельствами, вытекающими из необходимости конкурировать с существующим аппаратом, который имеет следующие присущие только такой конструкции положительные свойства:

1. простота конструкции;
2. в период восстановления осуществляются три процесса: 
   рафинирование магния в начале процесса, восстановление, отделение основного количества хлористого магния;
3. производительность аппарата достаточно высокая — около 
   50 кг/ч титана. Имеются возможности дальнейшего ее повышения;
4. процессы восстановления и сепарации хорошо сочетаются, 
   осуществляются в одной и той же реторте, возможно проведение 
   обоих процессов в одной и той же печи (см. ниже).

Благодаря этим свойствам получается титан высокого качества, реакционная  масса содержит всего 4—6% образовавшегося при восстановлении хлористого магния.

Любой аппарат непрерывного действия в значительной мере осложняется  необходимостью рафинировать магний и  отделять от титана хлористый магний. Кроме того, встречаются осложнения в сочетании процессов восстановления и сепарации и т. д. К преимуществам аппарата непрерывного действия можно отнести высокую производительность, получение губки, однородной по составу и, вероятно, более высокий коэффициент использования магния. Сопоставление преимуществ и недостатков, существующих полунепрерывных и непрерывных аппаратов очень усложняет проблему создания непрерывно действующих аппаратов, способных конкурировать с существующими, возможности которых исчерпаны далеко не полностью.

Основными параметрами технологического процесса восстановления, от которых зависит часовая производительность аппарата, являются скорость процесса и цикловая производительность, определяющаяся величиной загрузки магния и коэффициентом его использования. Параметры для определения оптимальных размеров и цикловой производительности аппаратов изучены недостаточно.

 

 

Схема установки восстановления четыреххлористого титана.

Рис. 1.1.

 

1 — косынки для подвески печи; 2 — коллекторы для подачи воздуха; 3 — водоохлаждаемые фланцы крышки и реторты; 4 — футеровка печи; 5 — штуцер для вакуумирования и подачи аргона; 6 — узел заливки жидкого магния; 7 — узел подачи тетрахлорида; 8 — крышка реторты; .9 — реторта; 10 — термощупы для замера температур крышки и стенок реторты; 11 — нагреватели; 12 — узел крепления запора сливного устройства; 13 — песочный затвор;   14 — ток запорной иглы  сливного устройства;   15 — ложное днище

 

В настоящее время в  промышленности применяются аппараты производительностью 1,5 т и более титана за цикл. Конструктивно аппараты несколько отличаются друг от друга, но все они состоят из одних и тех же основных частей и узлов; печи, реактора (или реторты), узла ввода четыреххлористого титана, узла ввода магния, узла слива хлористого магния и приборов для контроля и регулирования процесса. На рис. 1.1. показан такой аппарат. Закрытую крышкой и проверенную на герметичность реторту устанавливают в разогретую печь, откачивают и заполняют арго ном. К реторте подсоединяют узел питания четыреххлористым титаном и узел управления сливом. После заливки магния и разогрева его до 800—850° С нагрев отключают и в реторту подают четыреххлористый титан.

По окончании процесса восстановления реторту охлаждают  в печи до 600—700° С, извлекают из печи и передают на следующий передел, где полученный губчатый титан отделяют от хлористого магния и магния методом вакуумной сепарации. Такой процесс называется раздельным, так как он проводится в двух аппаратах — восстановления и сепарации, монтируемых раздельно. Если аппарат монтируется вместе с конденсатором сразу перед процессом восстановления, то он называется совмещенным. Процесс восстановления и сепарации в таком аппарате можно проводить в одной и той же печи или в раздельных печах. Перед проведением процесса сепарации необходимо только открыть герметизирующий клапан для отвода паров магния и хлористого магния в конденсатор, поэтому не требуется охлаждения реакционной массы.

Реактор. Реактор представляет собой стальную реторту со сферическим днищем. Легированная сталь необходима главным образом для уменьшения окисления наружных стенок реактора, которые продолжительное время контактируют с воздухом при высоких температурах. Кроме того, как было указано выше, применение легированной стали несколько снижает опасность загрязнения железом. Применение дешевых хромоникелевых сталей обеспечивает получение качественного металла и достаточно продолжительную службу реактора. С точки зрения необходимости получения титана высокого качества для изготовления реакторов целесообразно применять двухслойную сталь. Слой, выполненный из титана, обращен внутрь реактора, а слой из легированной стали — наружу. Возможно, что окажется целесообразным применять стали, в меньшей степени подвергающиеся воздействию магния и четыреххлористого титана; выбор материала для реактора определяется экономикой.

Удобство эксплуатации аппарата и его показатели в значительной степени зависят от соотношения высоты реактора к его диаметру. При малой величине этого соотношения несколько уменьшается коэффициент использования объема реактора, при большой величине усложняется операция извлечения спеченного блока титановой губки из реактора после проведения процесса.

Исходя из анализа рассмотренного выше механизма процесса восстановления, можно считать, что увеличение диаметра реактора и уменьшение его высоты ускоряют процесс, так как при этом расширяется центральная зона интенсивной реакции и улучшаются условия транспортировки магния и хлористого магния. Условия транспортировки улучшаются также и при уменьшении высоты реактора. Кроме того, уменьшение высоты дает возможность снизить расход электроэнергии в процессе восстановления потому, что нижние зоны и сливное устройство при этом прогреваются за счет теплоты процесса. Увеличение диаметра дает возможность отводить большее количество тепла через крышку, что целесообразнее отвода его через стенки реактора потому, что наибольшее количество тепла выделяется в центральной части реактора на поверхности реакционной массы.

Реактор может быть выполнен из двух самостоятельных деталей реторты и стакана, который в нее вставляется на время процесса и извлекается вместе с продуктами реакции после охлаждения. Такое усложнение конструкции реактора себя не оправдывает, хотя в зарубежной практике подобные аппараты встречаются.

Рассмотрим некоторые  конструкции аппаратов   восстановления

Аппарат восстановления с верхним сливом хлористого магния

 

Рис. 1.2.

На рис. 1.2. приведена одна из первых примененных в промышленности конструкций аппарата восстановления, который состоит из реактора 11, крышки 8 с отражателем 10. Через патрубок в крышке реактора введена термопара 2, заключенная в чехол 4. На дне реактора имеется ложное днище 5, под которым установлен конец сливного колена 9 для слива хлористого магния. Сливное колено выводится из реактора через крышку. На крышке аппарата смонтировано специальное устройство 7 для загрузки магния и TiCl4, а также для подачи аргона. Реактор помещен в тигельную печь 12 типа ПВ-90, футерованную шамотом, с ленточными нагревателями 6. Печь имеет специальное устройство 3 для обдува зоны реакции в реакторе. Между крышкой аппарата и фланцем реактора в специальный канал укладывается резиновая прокладка. Канал с резиновой прокладкой охлаждается водой со стороны фланцев реактора и крышки. Аппараты восстановления типа, изображенного на рис. 1.2. обычно имеют небольшую цикловую производительность.

Аппарат восстановления  с нижним сливом хлористого магния

Рис. 1.3.

На рис. 1.3. приведена конструкция  аппарата восстановления с нижним сливом хлористого магния. Этот аппарат состоит из реактора 12, крышки с отражателями 10. Через специальное устройство 2 в реактор подается TiCl4, магний и аргон. В нижней части реактора установлено съемное ложное днище 5, под которым имеется специальное штоковое  устройство для слива хлористого   магния.  Это устройство  состоит из направляющих 6, мин ка 7 и рычага 13. Meжду фланцем реторты и крышкой   аппарата в специальном канале  имеется резиновая прокладка 8, которая служит   для  уплотнений. Она охлаждается обеих сторон — со стороны крышки и со стороны реторты. Реактор установлен в шахтную электропечь,    которая имеет специальные направляющие 9, фиксирующие реактор в определенном    положении. Печь имеет нагреватели 5 и футерована  шамотом.   Температура   аппарата   восстановления   контролируется  термощупами. Печь имеет воздухопроводы 11 для охлаждения реакционной зоны аппарата. Этот тип аппарата широко применяется в промышленности. Производительность его достигает 1,5 и более тонн.