УСТАНОВКА ДЛЯ ХИМИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ТЕТРАХЛОРИДА ТИТАНА ОТ ПРИМЕСЕЙ
INSTALLATION FOR CHEMICAL PURIFICATION OF TITANIUM TETRACHLORIDE FROM ADMIXTURES

Изобретение относится к области неорганической химии и к области цветной металлургии, в частности к получению галогенидов тугоплавких металлов в виде тетрахлорида титана, с последующей его химической очисткой от примесей в установке для дальнейшего применения в производстве губчатого титана магниетермическим восстановлением тетрахлорида титана.
Тетрахлорид титана получает в процессе хлорирования титансодержащего сырья в расплаве хлористых солей в виде технического тетрахлорида титана, который представляет собой многокомпонентную систему, содержащую широкий спектр примесей. Технический тетрахлорид титана нельзя применять для получения губчатого титана или диоксида титана, так как большая часть примесей переходит в титан и ухудшает его качество. Для этого требуется очистка технического тетрахлорида титана, которая достигается комбинированием различных способов и установок для его очистки. (ст. Сравнительная оценка различных способов очистки четыреххлористого титана - Нисельсон Л.А., Голубков Ю.В., Худайбергенов Т.Е. - Ж. Цветные металлы. - 1971 г., №11, стр.41-45).
Известна установка для химической очистки тетрахлорида титана от примесей (Кн. Металлургия титана. - А.В. Тарасов - М. ИКЦ. Академкнига. - 2003, стр.176-178), включающая емкость для хранения тетрахлорида титана, группу реакторов с герметичными крышками, установленными в ряд и соединенными между собой наклонными переливными трубами, с патрубками для ввода и вывода тетрахлорида титана. Мешалки пропеллерного типа закреплены на крышках всех реакторов и выполнены в виде двигателя, привода и лопастей. После реакторов установлен сгуститель с емкостью для сбора очищенного тетрахлорида титана и кюбелем для твердого остатка. Первый реактор дополнительно содержит нагреватель, патрубок для ввода тетрахлорида титана, патрубок для вывода тетрахлорида титана во второй реактор и патрубки для подачи влажного активированного угля и медного порошка.
Основными недостатками установки для химической очистки тетрахлорида титана от примесей является то, что в процессе очистки тетрахлорида титана медным реагентом у боковых стенок и в донной части реактора образуются застойные зоны. В результате химической очистки медным реагентом примеси тетрахлорида титана, вступая в реакцию взаимодействия с медью, образуют твердый осадок, который осаждается в этих зонах и начинает цементироваться. Это затрудняет передвижение смеси тетрахлорида титана с твердым осадком (медно-ванадиевым кеком) в каскаде реакторов, а также приводит к значительным трудозатратам на удаление осадка из реакторов и из наклонных переливных труб, что значительно снижает производительность установки. Кроме того, вокруг оси мешалки при перемешивании образуется воронка, которая вызывает подсос в реактор воздуха, кислород которого взаимодействует с тетрахлоридом титана с образованием оксихлорида титана, примеси, растворенной в тетрахлориде титана и очень трудно удаляемой в процессе очистки, и кислородных соединений меди, которые не выпадают в осадок и, находясь в растворенном виде в тетрахлориде титана, поступают на процесс получения губчатого титана. Это приводит к ухудшению качества тетрахлорида титана и в дальнейшем, к ухудшению качества губчатого титана.
Известна установка для химической очистки тетрахлорида титана от примесей (Кн. Металлургия титана. - В.М. Мальшин, В.Н. Завадовская, Н.А. Пампушко. - М., Металлургия, 1991, стр.97-99.), по количеству общих признаков принятая за ближайший аналог-прототип и включающая емкость для хранения тетрахлорида титана, группу реакторов с герметичными крышками, установленными в ряд и соединенными между собой наклонными переливными трубами, с патрубками для ввода и вывода тетрахлорида титана. Мешалки пропеллерного типа установлены на крышках всех реакторов и выполнены в виде двигателя, привода и лопастей. После реакторов установлен сгуститель с емкостью для сбора очищенного тетрахлорида титана и кюбелем для твердого остатка. Первый реактор дополнительно содержит нагреватель, патрубок для ввода тетрахлорида титана, патрубок для вывода тетрахлорида титана во второй реактор и патрубки для подачи влажного активированного угля и медного порошка.
Основными недостатками установки для химической очистки тетрахлорида титана от примесей является то, что в процессе очистки тетрахлорида титана медным реагентом у боковых стенок и в донной части реактора образуются застойные зоны. В результате химической очистки медным реагентом примеси тетрахлорида титана, вступая в реакцию взаимодействия с медью, образуют твердый осадок, который осаждается в этих зонах и начинает цементироваться. Это затрудняет передвижение смеси тетрахлорида титана с твердым осадком (медно-ванадиевым кеком) в каскаде реакторов, а также приводит к значительным трудозатратам на удаление осадка из реакторов и из наклонных переливных труб, что значительно снижает производительность установки. Кроме того, вокруг оси мешалки при перемешивании образуется воронка, которая вызывает подсос в реактор воздуха, кислород которого взаимодействует с тетрахлоридом титана с образованием оксихлорида титана, примеси, растворенной в тетрахлориде титана и очень трудно удаляемой в процессе очистки, и кислородных соединений меди, которые не выпадают в осадок и, находясь в растворенном виде в тетрахлориде титана, поступают на процесс получения губчатого титана. Это приводит к ухудшению качества тетрахлорида титана и в дальнейшем, к ухудшению качества губчатого титана.
Технический результат направлен на устранение недостатков прототипа и позволяет исключить образование застойных зон и воронки при перемешивании и тем самым:
- увеличить производительность установки за счет увеличения скорости передвижения тетрахлорида титана в каскаде реакторов, снижения простоев на удаление отложений в реакторах и в наклонных переливных трубах и использования ручного труда,
- улучшить качество тетрахлорида титана за счет уменьшения попадания воздуха в реактор и исключения образования оксидных соединений титана и меди,
- улучшить безопасность ведения процесса очистки тетрахлорида титана за счет уменьшения использования ручного труда на удаление отложений в реакторах и наклонных переливных трубах.
Задачами, на решение которых направлено изобретение, являются повышение производительности работы установки и улучшение качества тетрахлорида титана.
Поставленные задачи решаются тем, что в установке для химической очистки тетрахлорида титана от примесей, включающей емкость для хранения тетрахлорида титана, группу реакторов с герметичными крышками, установленными в ряд и соединенными между собой наклонными переливными трубами, с патрубками для ввода и вывода тетрахлорида титана, с мешалками пропеллерного типа, установленными на крышках каждого реактора и состоящими из двигателя, привода и лопастей, нагреватель, установленный в первом реакторе, и сгуститель с емкостью для очищенного тетрахлорида титана и кюбелем для твердого остатка, новым является то, что второй и последующие реакторы дополнительно снабжены диффузорами, выполненными в виде полых цилиндрических обечаек, жестко прикрепленных с помощью держателей к крышке реактора и к приводу мешалки и установленных соосно с приводами мешалок, и ребрами, жестко прикрепленными попарно напротив друг друга к внешней стороне полой цилиндрической обечайки диффузора, а на крышке второго реактора выполнен патрубок для подачи медного реагента.
Кроме того, количество ребер на полой цилиндрической обечайке диффузора равно четырем и более.
Кроме того, ребра на полой цилиндрической обечайке диффузора выполнены выше высоты полой цилиндрической обечайки.
1
Кроме того, соотношение высоты H ребра к высоте h полой цилиндрической обечайки диффузора равно (1,3-1,7):1.
2
1
Кроме того, соотношение расстояния D между внешними сторонами ребер к диаметру D полой цилиндрической обечайки диффузора равно (1,2-1,8):1.
1
Кроме того, соотношение внутреннего диаметра D полой цилиндрической обечайки диффузора к диаметру D реактора равно (0,15-0,3):1.
1
2
Кроме того, соотношение высоты H уровня тетрахлорида титана в реакторе к расстоянию h от верхней кромки ребер до уровня жидкости равно 1:(0,2-0,4).
1
Кроме того, соотношение диаметра d лопастей мешалки к диаметру D полой цилиндрической обечайки диффузора равно (0,7-0,8):1.
В результате проведенных опытно-промышленных исследований было доказано, что установка в каждом из реакторов диффузора в виде полой цилиндрической обечайки с ребрами на ее внешней стороне позволяет исключить образование воронки при вращении мешалки в верхней части реактора, что исключает подсос воздуха в реактор. Тем самым исключается окисление тетрахлорида титана до оксихлорида титана и повышается его качество.
Выбранное оптимальное соотношение диаметров полой цилиндрической обечайки диффузора к диаметру реактора и диаметру лопастей мешалок позволяет исключить образование застойных зон в нижней и боковой частях реактора, что позволяет увеличить производительность установки.
Подобранная опытным путем конструкция диффузора в виде полой цилиндрической обечайки с ребрами на ее внешней стороне позволяет повысить скорость передвижения тетрахлорида титана с твердым осадком в каскаде реакторов с мешалками, что в свою очередь повышает производительность установки.
Кроме того, за счет снижения простоев на удаление отложений в реакторах и в наклонных переливных трубах, а также за счет исключения использования ручного труда повышается производительность установки для химической очистки тетрахлорида титана от примесей.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными (идентичными) всем существенным признакам изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков, изложенных в пунктах формулы изобретения в заявленной установке для химической очистки тетрахлорида титана от примесей. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию ″новизна″.
Для проверки соответствия заявленного изобретения условию ″изобретательский уровень″ заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками и технического результата. В результате поиска выявлено, что в технике известно применение диффузора совместно с пропеллерными мешалками (см. кн. Основные процессы и аппараты химической технологии. - Касаткин А.Г. - М. Химия, 1971, стр.266-270). Пропеллерные мешалки создают осевые потоки перемешиваемой среды и, как следствие этого, большой насосный эффект, что позволяет существенно сократить продолжительность перемешивания. Однако при установке их в прямоугольных баках интенсивность перемешивания падает из-за образования застойных зон. Для улучшения перемешивания и организации направленного течения жидкости используют диффузор. В заявленном изобретении диффузор выполнен в виде полой цилиндрической обечайки с ребрами на ее наружной стороне и предназначен для повышения производительности установки за счет исключения образования застойных зон в нижней части реактора. Исключение образования воронки около привода мешалки позволяет уменьшить подсос воздуха в реактор и тем самым улучшить качество тетрахлорида титана. Новая совокупность признаков и их взаимосвязь между собой является отличительным свойством заявленного изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию ″изобретательский уровень″.
На фиг.1 показана установка для химической очистки тетрахлорида титана от примесей, на фиг.2 - вид первого реактора с нагревателем, на фиг.3 - вид второго реактора с мешалкой пропеллерного типа и с диффузором и с патрубком для подачи медного реагента.
1
1
1
1
2
1
2
1
1
2
1
2
1
1
Установка для химической очистки тетрахлорида титана от примесей включает группу из шести реакторов 1, 2, 3, 4, 5, 6 и емкость 7 для хранения тетрахлорида титана. Реакторы снабжены герметичными крышками 8 с наклонными переливными трубами 9, с патрубками 10 для ввода и патрубками 11 для вывода тетрахлорида титана, мешалками 12 пропеллерного типа, состоящими из двигателя 13, привода 14 и лопастей 15, диффузорами 16, выполненными в виде полой цилиндрической обечайки 17 с держателями 18 и 19 и ребрами 20, при соотношении высоты H ребра к высоте h полой цилиндрической обечайки (H:h), равном (1,3-1,5):1; при соотношении внутреннего диаметра D полой цилиндрической обечайки к диаметру D реактора D:D, равном (0,15-0,3):1; при соотношении расстояния D между внешними сторонами ребер к диаметру D полой цилиндрической обечайки (D:D), равном (1,2-1,8):1; при соотношении высоты H уровня 21 тетрахлорида титана в реакторе к расстоянию h от верхней кромки ребер диффузора до уровня жидкости H:h, равном 1:(0,2-0,4), при соотношении диаметра d лопастей мешалки к диаметру D цилиндрической обечайки d:D, равном (0,7-0,8):1. Установка включает также уровень жидкости 21. Нагреватель 22 и патрубок 23 для подачи тетрахлорида титана размещены на крышке 8 первого реактора 1. Патрубок 24 для подачи медного реагента размещен на крышке 8 второго реактора 2. В конце установки установлен сгуститель 25 с емкостью 26 для очищенного тетрахлорида титана и кюбелем 27 для твердого остатка.
Промышленную применимость предлагаемого изобретения подтверждает следующий пример осуществления способа.
3
Технический тетрахлорид титана получают в результате хлорирования титансодержащей шихты (титановый шлак + нефтяной или пековый кокс и хлорид натрия) с хлором в хлораторах расплавного типа. В результате хлорирования получают газообразные хлориды металлов (парогазовую смесь), из которых при последующей конденсации и разделении получают технический тетрахлорид титана (ТУ 1715-455-05785388-2011, введенный в действие 10.09.2011). По химическому составу технический тетрахлорид титана соответствует следующему содержанию примесей, масс.%: ванадий - не более 0,15, хлор - не более 0,12, кремний - не более 0,006, фосген - не более 0,008. Содержание твердых взвесей - не более 4,0 г/дм.
1
1
1
2
1
4
3
3
Монтаж установки для химической очистки тетрахлорида титана от примесей производят следующим образом. Каждый из шести реакторов 1, 2, 3, 4, 5 и 6 представляет собой металлическую емкость диаметром 2100 мм и высотой 1400 мм. На боковых стенках реакторов 2, 3, 4, 5, 6 выполнены отверстия, к которым приварены патрубки 10 для ввода тетрахлорида титана и патрубки 11 для вывода тетрахлорида титана в другой реактор. Реакторы соединяют путем сварки между собой наклонными переливными трубами 9, верхняя часть которых приварена к верхнему патрубку 11 для вывода тетрахлорида титана, а нижняя часть - к патрубку 10 для ввода тетрахлорида титана. В крышке 8 первого реактора 1 устанавливают патрубок 23 для подачи тетрахлорида титана, соединенный через линию слива с емкостью 7, нагреватель 22 и мешалку 12 пропеллерного типа. Крышку 8 приваривают к реактору 1. В крышке 8 реактора 2 устанавливают патрубок 24 для подачи медного реагента и мешалку 12 пропеллерного типа с диффузором 16. На отдельном стенде изготавливают диффузор 16 в виде полой цилиндрической обечайки 17 диаметром 400 мм и высотой 300 мм при соотношении внутреннего диаметра D полой цилиндрической обечайки 17 к диаметру D реакторов 2, 3, 4, 5, 6, равном 0,19:1. К наружной стороне полой цилиндрической обечайки 17 приваривают попарно напротив друг друга ребра 20 в количестве 4 штук высотой 400 мм и шириной 150 мм, при соотношении высоты H ребра 20 к высоте h полой цилиндрической обечайки 17, равном H:h=1,3:1, и при соотношении расстояния D между внешними сторонами ребер 20 к диаметру D полой цилиндрической обечайки 17, равном 1,75:1. Цилиндрическую обечайку 17 диффузора 16 крепят с помощью сварки держателями 18 (не менее 3) к крышке 8 реактора 2, а держателями 19 - к приводу 14 мешалки 12, и устанавливают его соосно с приводом 14 мешалки 12. Ребра размещают в реакторе таким образом, чтобы соотношение высоты уровня тетрахлорида титана в реакторах 2, 3, 4, 5 и 6 к расстоянию от верхней кромки ребер 20 до уровня 21 тетрахлорида титана должно быть равно 1:0,3. Собранную крышку 8 приваривают к реактору 2. Таким же образом устанавливают диффузоры 16 мешалки 12 в реакторах 3, 4, 5, 6 и приваривают к ним герметично крышки 8. Технический тетрахлорид титана в количестве 20 т/час из емкости 7 по линии слива подают через регулирующий клапан в патрубок 23 крышки 8 реактора 1 с мешалкой 12 пропеллерного типа и нагревают нагревателем 22 до температуры 65°C для устранения соединений хлора из тетрахлорида титана. Время перемешивания мешалкой 12 подогреваемого тетрахлорида титана составляет 0,6 часа. Из реактора 1 тетрахлорид титана, очищенный от хлора до 0,010 мас.%, поступает через патрубки 11 для вывода тетрахлорида титана по наклонным переливным трубам 9 к патрубку 10 для ввода тетрахлорида титана в реактор 2. Шнековым питателем через патрубок 24 в крышке 8 загружают медный реагент, например, медный порошок (ТУ 1714-031-57453307-2011, введен в действие 10.05.2011 «Порошок медный» ОАО «Уралэлектромедь») марки ПМЛ-1, насыпной плотностью 1250-1900 кг/м в количестве 1,3 кг на 1 тонну тетрахлорида титана, при непрерывном перемешивании для очистки технического TiCl от VOCl по реакции:
3
2
VOCl+Cu=VOCl+CuCl
4
3
3
Затем смесь тетрахлорида титана, меди и медно-ванадиевого кека поступает в следующие четыре последовательно расположенные реакторы 3, 4, 5 и 6. Реакторы 2, 3, 4, 5 и 6 снабжены перемешивающими устройствами - мешалками 12 пропеллерного типа с диффузорами 16. Применение диффузора 16 с ребрами 20 позволяет избежать образования застойных зон и воронок в зоне перемешивания. Кроме соединений ванадия, медный порошок удаляет серу и некоторые органические вещества. Во время очистки технический TiCl обесцвечивается. Медь реагирует также с растворенным в техническом тетрахлориде титана хлором, хлоридами железа и алюминия. В последующих четырех реакторах 3, 4, 5 и 6 при интенсивном перемешивании происходит доочистка тетрахлорида титана до содержания ванадия 0,002-0,008 масс.% и хлора до 0,010 мас.%. Из последнего реактора 6 ежечасно отбирают пробу на содержание ванадия в тетрахлориде титана и сравнивают полученные результаты с эталонными образцами. Пройдя все реакторы 2, 3, 4, 5 и 6, очищенный от ванадия тетрахлорид титана самотеком непрерывно сливается в сгуститель 25 (например, отстойник Дорра, объемом 35 м), где происходит отделение взвешенных твердых примесей от жидкого тетрахлорида титана за счет разности в значениях плотности. Сгущенную пульпу из кармана сгустителя 25 шнековым питателем через течку сгружают в кюбель 27 со сливным устройством или специальную емкость. Выгруженную из сгустителя 25 пульпу транспортируют на установку по переработке медно-ванадиевой пульпы. Осветленный тетрахлорид титана поступает в емкость 26 вместимостью 10 м (бак фильтрата) и по мере заполнения откачивается насосом в отделение ректификации.
Таким образом, установка для химической очистки тетрахлорида титана от примесей позволяет:
- увеличить производительность установки за счет увеличения скорости передвижения тетрахлорида титана в каскаде реакторов, снижения простоев на удаление отложений в реакторах и в наклонных переливных трубах и использования ручного труда,
- улучшить качество тетрахлорида титана за счет уменьшения попадания воздуха в реактор и исключения образования оксидных соединений титана и меди,
- улучшить безопасность ведения процесса очистки тетрахлорида титана за счет уменьшения использования ручного труда на удаление отложений в реакторах и наклонных переливных трубах.