此文檔為WORD格式，下載后您可任意編輯修改畢業設計（論文）鈦白粉酸解水解工段工序設計畢業設計（論文）原創性聲明和使用授權說明原創性聲明本人鄭重承諾所呈交的畢業設計（論文），是我個人在指導教師的指導下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經發表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得及其它教育機構的學位或學歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作者簽名日期指導教師簽名日期使用授權說明本人完全了解大學關于收集、保存、使用畢業設計（論文）的規定，即按照學校要求提交畢業設計（論文）的印刷本和電子版本；學校有權保存畢業設計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務；學?？梢圆捎糜坝?、縮印、數字化或其它復制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績热?。作者簽名日期第一章概論11設計的目的1鞏固和運用所學的課程知識、理論聯系實際，培養工藝觀點；訓練、觀察、分析和解決工程實際問題及獨立工作能力。2掌握鈦白粉生產酸解工段的知識和技能，學習和操作控制與生產管理的有關知識。3畢業設計是高等工科學校教學計劃的重要組成部分，是培養學生開展科研，綜合運用的所學知識和技能，提高分析和解決本專業范圍內的一般工程技術問題的能力的重要教學環節。12設計的實際意義通過畢業設計應使學生獲得工程師所必須的初步的綜合訓練，在不同的程度上提高調研，查閱文獻和收集資料的能力，分析和制定設計或實驗方案的能力，設計，計算，繪圖和使用工具書的能力，技術經濟的分析和組織工作的能力，撰寫論文或說明書的能力等。13設計的課程本設計的課題為“年產1萬噸鈦白粉廠酸解水解工序的工藝設計”14設計依據1中鹽珠化鈦白粉廠生產經驗數據；2硫酸法鈦白粉生產工藝；3無機鹽工藝學鈦白粉章節；15設計方案及生產規模根據中鹽珠化鈦白粉廠已有生產經驗，結合所學工藝設計課程進行初步設計1年生產力折算成100銳鈦型鈦白粉噸2年工作時間300天3日產量按100的鈦白粉計劃噸16設計任務1對生產鈦白粉的酸解工段提出流程設計2對生產鈦白粉的水解工段提出流程設計2對該工藝流程進行物料衡算3對該工藝流程的主要設備提出設計和選型4繪制帶控制點的工藝流程圖第二章緒論21鈦白粉的發展簡史二氧化鈦俗稱鈦白，它不但物理性質十分穩定，而且還具有良好的光學、電學性能和卓越的顏料特性，是當前一種最佳的白色顏料。它的一些其它特性也使它在現代工業、現代農業、現代國和現代科學技術方面得到越來越廣泛的應用。有關鈦白粉的制備和性能的研究，始于1824年，由于提取的困難和尋求適當的用途，直到1910年在鈦元素發現100年后，才分別由挪威的杰布森與法魯普，法國的羅西和美國的巴頓共同完成了用硫酸法及熔融法從鈦鐵礦中制備二氧化鈦的生產工藝研究。1916年在挪威的菲特烈斯得建成了世界上第一個年產1000噸含25的二氧化鈦的復合顏料廠。1918年美國的鈦顏料公司在尼亞加拉瀑布成功建廠，并于1919年開始生產二氧化鈦復合顏料。再此期間，由于一戰和當時硫酸法工藝存在缺陷，使得二氧化鈦工業的發展速度非常緩慢。19211923年，法國的布盧姆菲爾德首創采用稀釋法晶種對鈦的硫酸鹽溶液水解制備水合二氧化鈦的工藝進行了重大改革，由法國的塞恩茲公司于1923年采用并生產出含有9699的顏料鈦白。至于純的的生產，是由2TIO2TIO美國的國家鉛業公司在1925年完成的。1930麥克倫堡采用外加堿中和晶種，對硫酸鹽水解法制備鈦白的工藝作了又一次改革，接著硫酸法的工藝從各方面得到不少改進，更趨完善，促使鈦白粉的成本不斷降低而產品質量大幅度提高，遠遠超越了其它白色顏料，至1951年加拿大魅北克鐵鈦公司開始認高品位高鈦渣為硫酸法鈦白的顏料，為鈦白生產減少了廢副產品，并提供了新的原料路線。鈦白粉的初始生產幾乎都是銳鈦型的，金紅石型被認為難以人工制造。19301937年，在捷克用晶種法水解鈦的硫酸鹽溶液及四氯化鈦加熱的加熱方法首先制出了金紅石型鈦白粉，從1941年起美國組織了金紅石型二氧化鈦工業規模的生產，并向市場提供了產品。七十多年來，硫酸生產鈦白粉雖有成千上萬的專利和改進，但其基本工藝仍未脫離1910年的雛形，鈦白生產的工藝流程長，操作要求精細，生產技術繁雜，幾乎要使用所有的化學單元設備，側線手段要求多，建廠投資也很高，這是由于鈦白粉的生產不僅要求化學純度高，而且尚須具有確定的晶型，化學性質和其它應用性能。上述特點使鈦白粉工業目前仍集中在少數工業技術先進的國家內生產，其規模多在210萬噸年之間。目前世界約有二十多個國家，五十多家公司，一百多家工廠生產鈦白粉。我國鈦白粉生產始于50年代，70年代初南京油脂化工廠利用化工部涂料工業的研究所的技術，開始生產金紅石型的鈦白粉，為了綜合利用我國攀枝花的礬鈦磁鐵礦資源，1981年化工部涂料工業研究所與化工部第三設計院和現江蘇太白集團合作，在該廠進行的認攀礦為原料生產500噸涂料用金紅石型硫酸法鈦白粉中間試驗，獲得了用攀礦生產涂料用金紅石型鈦白粉的技術基礎。自70年代開放以來，鈦白粉行業與國外同行接觸頻繁，發現我國鈦白粉生產與國外差距很大。因此引進先進技術以加快提高我國鈦白粉生產工業水平，到80年代初，全國約有30多家鈦白粉生產單位。22世界鈦白粉的發展狀況及產品設計意義1世界鈦白粉的發展狀況及產品設計意義二氧化鈦或稱鈦白粉廣泛用于各類結構表面涂料、紙張涂層和填料、塑料及彈性體，其它用途還包括陶瓷、玻璃、催化劑、涂布織物、印刷油墨、屋頂鋪粒和焊劑。據統計，2006年全球二氧化鈦需求達460萬噸，其中涂料行業占58、塑料行業占23、造紙10、其他9。鈦白粉既可用鈦鐵礦、金紅石制取，也可用鈦渣制取。鈦白粉生產工藝有兩種即硫酸鹽工藝和氯化物工藝,硫酸鹽法的技術比氯。化物法簡單，可以用品位低和比較便宜的礦物。目前世界上約有47產能采用硫酸鹽工藝，53產能為氯化物工藝。世界上第二大鈦白粉生產商美國千禧化學公司日前表示，未來幾年全球鈦白粉需求增速將超過產能增長速度，從而推動鈦白粉裝置開工率升高，預計2010年2011年世界鈦白粉開工率達到90左右。萊昂德爾化學公司無機化學品副總裁GARYCIANFICHI在巴塞羅那最近召開歐洲鈦白粉年會上表示，全球鈦白粉開工率已由2004年的90以上降低至目前的8788水平，預計未來市場將進一步轉好，未來5年需求增速平均為28年，而供應增速僅為19年。目前世界鈦白粉產能已由2005年的400萬噸年增加至530萬噸年，且主要集中在中國，據估計中國鈦白粉產能已達75萬噸年。新增產能很少，主要有萊昂德爾公司的投資2000萬美元的法國THANN超細鈦白粉項目，TRONOX和KUMBARESOURCES公司5050比例的合資公司TIWEST計劃投資35004500萬美元對位于澳大利亞KWINANA生產廠擴能45萬噸年，計劃2009年之前完工。亨茲曼化學公司目前正在對英國GREATHAM投資8000萬美元新建一座5萬噸年鈦白粉廠，將采用ICON技術。杜邦公司已經與中國方面簽訂協議，在2010年之前在中國東營建設一座20萬噸年新廠。鈦白粉是目前最佳的、無可替代的白色無機化工顏料。由于工業化國家與發展中國家的差距,鈦白粉的主要生產商均集中在歐美等發達國家和地區,近80的生產能力和市場占有量為不到10家的生產商所壟斷杜邦、美利聯、科美基、亨茲曼、克洛朗斯、石原、克米娜、撒其賓。2002年全球鈦白粉生產能力約460萬噸,市場價值約100億美元。23廠址選擇的原則由于硫酸法生產鈦白粉所生產的廢水、廢氣、廢渣對環境污染嚴重，且需水、礦量大，在廠址選擇是應遵循以下原則1廠址應選在原料，燃料供應和產品銷售便利的地區，并在存儲，機修，公用工程和生活設施等方面具有良好協作條件的地區。2廠址應靠近水量充足和水質良好礦水源區。3應有便利礦交通條件，最好靠近鐵路和河流。4選廠址是注意當地自然環境條件，并對提產后對環境可能造成的影響做出評估，生產去和居民區應同時確定。5廠址不占或少占耕地，自然地形應有利于廠房和管線的布置，交通聯系和場地排水。24鈦白粉廠設計以鈦鐵礦或富鈦料包括鈦渣，酸溶性鈦渣、天然和人造金紅石為原料，用硫酸法或氯化法生產鈦白粉的稀有金屬冶煉廠設計。241簡史硫酸法生產鈦白粉的工廠設計，開始于20世紀30年代，到1950年只設計了3家鈦白粉廠。19501960年，新設計的硫酸法鈦白粉廠有20余家，總產量達到1204萬TA。用氯化法生產鈦白粉廠的建設始于1958年，其后，類似工廠相繼出現。到1985年，鈦白粉廠總生產能力約達300萬TA，其中硫酸法約占60，氯化法占40。中國從60年代開始，先后設計建成了30多個鈦自粉廠，1989年開始設計年產15000T的鈦白粉廠。242車間組成與配置硫酸法鈦白粉廠的主要車間有酸解車間、水解車間、焙燒車間、后處理車間和綜合回收車間。氯化法鈦白粉廠有富鈦料車間多數廠家不設、富鈦料氯化車間、四氯化鈦精制車間、氧化車間和后處理車間。氯氣和硫酸貯庫要單獨布置，與生產廠房保持一定的距離，滿足安全技術規程的要求。氧化車間的尾部與氯化爐要靠近，防止氯氣循環過程堵塞。粗四氯化鈦除釩設施要靠近氯化廠房，便于釩渣返回處理。天然氣、燃料油和制氧站都要單獨布置在一個區域。后處理車間布置在廠區的上風向，防止廢氣污染產品。副產品回收和“三廢”處理可以集中布置。243設計規模國外鈦白粉廠的設計規模多在年產30000T以上。20世紀80年代末，最大的達到年產288000T，只有日本等少數國家鈦白粉廠的設計規模為年產1500020000T。中國硫酸法鈦白粉廠的設計規模達6000T。新建氯化法鈦白粉廠，一般年產15000T以上，并留有發展的余地。244產品方案設計產品品種隨應用領域的擴大逐步增多，國外鈦白粉產品有700多個牌號，其中應用于涂料工業的約占一半。鈦白粉產品品種一般以通用型為主，銷量小的特殊品種為輔。為考慮多品種方案，設計應留有余地。20世紀80年代末，歐洲、美洲、亞洲和太平洋地區鈦白粉的消費分配率為涂料工業占5567；塑料工業占1416；造紙工業占620；橡膠工業占15；油墨、紡織、陶瓷和其他工業占815。產品按晶型分類，有金紅石型和銳鈦型兩種。金紅石型產品的產量約占70。中國鈦白粉產品的牌號，按顏料的晶型劃分銳鈦型二氧化鈦有BA0101和BA0102；金紅石型二氧化鈦為RA0103。1989年新設計的鈦白粉廠產品牌號又增加了CR500、CR501、CR502、CR530和CR520等C代表中國，R代表金紅石型。25二氧化鈦的性質251物理性質是一種白色粉末，在自然界中有三中結晶形態板鈦型、銳鈦型、金2TIO紅石型；但在工業制品中只有銳鈦型（A）和金紅石型（R）兩種。在這三種晶型中，板鈦型最不穩定，加溫到650時即直接轉換為金紅石型。銳鈦型較為穩定，但在高溫下也會轉變金紅石型，金紅石型最穩定，它不會再轉化，晶體結構也最致密，因此它的硬度、比重、介電常數、折光指數等也是最高的。折光指數SIN/顏料作為一種白色的顏料，指的是它的白度。遮蓋力指顏料能遮蓋被涂物體表面底色的能力。耐侯力指顏料在日光的曝曬下，能抵抗大氣的作用，避免發生色變、失光和粉化的能力。消色力指一種顏料和另一種顏料混合后，能保持原有顏色，消除另一種顏色的能力。著色力指一種顏料和另一種顏料混合后，能使混合物是它本身的顏色的能力。吸油量指100G的顏料完全濕潤時，所需的用油的最低克數252化學性質鈦白粉學名二氧化鈦，是一種多晶型化合物。二氧化鈦是一種無毒的生理惰性物質，化學性質很穩定，在常溫下幾乎不與其它物質反應，分子式為，分子量為7992TIO不溶于水，有機酸和弱無機酸，能溶于氫氟酸生成氟鈦酸2262TIO6HFTIO在長時間煮沸的情況下，溶于濃硫酸，生成硫酸鈦和硫酸氧鈦，反應式如下24424TISTISOHOH其溶解速度常和生產時的煅燒溫度有關，一般煅燒溫度越高則溶解速2IO度越慢。為了加速溶解可在硫酸中加硫酸銨、堿金屬的硫酸鹽或過氧化氫。與酸式硫酸鹽（如）或焦硫酸鹽（如焦硫酸鉀）共熔，即轉變為2TIO4KS可溶性的硫酸氧鈦244242TIOHTISOKH能微溶于堿，與強堿或堿金屬硫酸鹽熔融，可轉化為可溶于酸的鈦酸鹽2TIO2424TINATI2342TIONACTIOC在高溫下，如有還原劑存在，鈦白粉能被氯氣氯化成4ICL224ICLI鈦白粉在高溫下可被氫、鈉、鎂、鋁、鋅、鈣及某些變價的元素的化合物還原成低價鈦的化合物，但很難還原成金屬鈦253二氧化鈦的用途1冶金鈦基合金的特點是耐高溫、耐腐蝕、比重輕、機械強度高，因而在國防工業中廣泛用作制造飛機、火箭、導彈、和人造衛星的材料。這種耐高溫的合金可以利用經過還原反應來制備，但也可以用海綿鈦（金屬鈦）來2TIO煉制，因此這方面需要也日趨減少。2涂料涂料是一種由有機物或其它介質組織的粘稠懸浮液，它涂布在物體表面后會干燥固化而形成一層堅韌的涂膜，對物體起防護和裝飾的作用。為了美觀，常加入不同色澤的顏料。由于是一種最佳的白色顏料，因此適2TIO用于制造各種白色或淺色的顏料，世界上鈦白粉的消耗量有60以上是用于制造各種涂料。3制造玻璃二氧化鈦本身是一種氧化劑，更是一種很好的紫外線吸收劑，和CEO配合使用，產生多種美麗顏色。4電子陶瓷的介電常數很高，因此已成為各種電子陶瓷的重要原料2TIO之一。它的使用范圍正在不斷擴大，由于某些雜質對鈦白粉的介電常數影響很大，因此要控制鐵、鋁、銻、鉀、鈉、鈣、鎂、硅、硫、磷等雜質的含量，還要控制它的表面積、比重、細度。5電焊條是電焊條外層藥皮的主要成分，它的主要作用是穩定電弧2TIO不使其發生爆濺，同時由于這種溶渣的熔點較低，使溶渣黏度降低，從而降低焊條上的金屬溶滴的表面張力，使焊縫更為緊密。其次，溶渣覆蓋在焊接表面可形成保護膜，使空氣隔絕，防止了金屬的高溫氧化。最后，它還能使焊縫容易脫渣。6用于提高HTV硅橡膠的熱穩定性由于能有效地吸收紫外光，TITANIUMDIOXIDEP25也用在化妝品工業中。而且它在催化領域中也有不同的用途。納米涂料中起光催化作用，會吸收紫外線達到殺菌、分解游離分子效果。提供特殊顏料隨角度變色的光學效果。廣泛用于納米抗菌涂料、化妝品防曬油、HTV硅橡膠的熱穩定劑、空氣凈化器及有機廢水處理等用途。7硬質合金在高溫高壓下能與碳、氮、硼生成一系列硬度很高的化2TIO合物，這些化合物常常和碳化鎢等組成各種硬質合金，用來制造高速切削工具的頭和拉絲模子等，對于這類用途對的純度要求也比較高。2TIO8其它鈦白粉廣泛用作塑料、橡膠和紙張的填充劑。在香皂、香粉、香脂、手膏等化妝品中用作白色填料。它可以制造含鈦的各種玻璃，在皮草和制藥工業中用作著色劑。制造電子計算機的記錄紙時也少不了它，還可以用來制造人工寶石。晶體的一些物理常數表1晶體的一些物理常數CRYSTALSOMEPHYSICALCONSTANTS晶系晶型莫氏硬度比重平均介電常數熔點折光指數板鈦型斜方板型412423銳鈦型正方錐型5560383978255金紅石型正方針型70754243173180185271第三章工藝敘述31鈦白粉的生產工藝流程TIO2原料用硫酸酸解；沉降，將可溶性硫酸氧鈦從固體雜質中分離出來；水解硫酸氧鈦形成不溶水解產物或稱偏鈦酸；煅燒除去水分，生成干燥的純TI02。若采用的最初原料配料的鐵含量高或鈦含量較低時，則要在凈化和水解之間增加去除和回收FES047H20和濃縮鈦液工藝步驟。1酸解經研磨、干燥的鈦鐵礦（含4260的TIO2）和或酸溶性鈦渣TIO2含量72一78）一般在鉛襯反應器中用濃硫酸在150180的溫度下酸解。為便于酸解，原料通常要磨到200目左右。需要指出的是，白鈦石、人造金紅石和金紅石不溶解于硫酸，因此不能用硫酸法鈦白的生產方法。酸一料混合物一般用空氣進行氣流攪拌并通過吹人蒸汽加熱。大多數生產廠使用濃度為8592的硫酸，劇烈的放熱反應在160左右就開始了。而某些廠則先進行酸礦預混物料，這樣有助于緩和劇烈的反應。鈦鐵礦中的鐵含量越高TIO2含量越低），所用硫酸的稀釋程度就越高。對處理巖礦而言，合適的酸濃度為85。而處理鈦渣，酸中的H2S04一般為9192。為了獲得平緩的反應，不需用比此更濃的硫酸。之后，鈦液被逐漸稀釋，首先用酸，然后用水。無論酸的濃度如何，反應固相物的形態都是疏松的多孔餅，其主要組成是FE2S043和TIOS04（硫酸氧鈦）。由于原料中存在的釩、鉻和其他金屬要在硫酸中分解，因此多孔餅中也含有這類金屬硫酸鹽。酸解反應通常用能裝3040T反應物的酸解罐進行間歇式操作。劇烈的放熱反應一般持續約30MIN，然后將多孔餅固相物冷卻3H左右。硫酸法產生的空氣污染大部分來自于酸解。反應中，大量硫氧化物、酸霧和夾帶的未反應原料粒子在很短時間內釋放出來。這些放散物被暫時收集到氣體洗滌塔和固體物質除塵系統中。有些工廠，如美禮聯在薩爾瓦多（巴西）、亨茲曼在蒂魯卡?。R來西亞）的工廠和鈦工業公司在宇部（日本）的工廠以及韓口公司（韓國）為便于更好地控制反應和降低硫氧化物的釋放，采用了連續酸解工藝。接下來是用水和或稀硫酸將硫酸鹽多孔餅浸出。這種餅的分解和三價鐵二價鐵的還原通常要進行1112H，使在酸解罐處的總反應時間達1415H如果以鈦鐵礦為原料，鈦液要用鐵屑處理將三價鐵FE3）還原成二價鐵FE2）。如果以鈦渣為基本原料，由于只有FE2，故省掉這一步工序。還原持續到產生一些三價鈦（TI3）為止，目的是使所有的鐵在隨后各步驟中都保持二價形式。通常指標為2的TI3就行了，大部分鈦以四價（TI4）形式存在。正如連續酸解一樣，還原也可采用連續方式進行。如果讓FE3進人水解階段，它們將吸附在TIO2粒子表面，造成最終鈦白粉產品白度指標低。因此，在整個工藝過程中使鐵保持二價形態至關重要。2澄清沉降冷卻酸解液、固體惰性物質和未反應的原料殘余物溶液從酸解罐的底部全部排放到寬底的低位沉淀池沉降池中。此處是將由鈦礦雜質形成的可溶性殘余物去掉。這些殘余物可能包括硅石、鋯石硫酸鋯、白鈦石和或金紅石。加人酪蛋白、淀粉或其他有機絮凝劑，液體便通過簡單的重力分離沉淀在沉降池中?？扇苄詺堄辔锏某两悼梢栽诖穗A段輔以硫化銻SBS3沉淀的形式進行。為此，需在酸解階段將氧化銻加人到最初的原料中，沉降時加人硫化鈉以沉淀SBS3。用旋轉耙從沉降池中將固體物質去除。通常，在沉降池底部有一集中排放點。固體物質排除后，先用廢酸洗滌以回收未反應的原料，然后用水洗掉殘留酸。沉降后的鈦液通過精濾除掉細小的殘余粒子。這些精濾濾渣與從沉降池中收集的其他固體物合在一起送往許可的堆放場。整個沉降過程大約8H。3綠礬回收鈦液冷卻至10左右，以便以“綠礬”的形式析出大部分的鐵。綠礬主要是FES047H20,混雜有鉻、釩、錳和其他金屬硫酸鹽。這些金屬是最初的原料夾帶的。剩余的FE2仍留在鈦液中。綠礬可以以紅泥漿的形式濾掉。處置綠礬是硫酸法工藝的主要問題之一。在現代化的硫酸法工廠中，綠礬用專門的真空冷凍結晶系統去除，該系統設計為能生成很大的FES047H20晶體，而鉻、釩雜質含量最少。大晶體便于處理和儲存，這一點非常重要，因為大多數鈦白生產商將回收的綠礬加工成副產品銷售，如用做土壤調節劑或水處理劑。如果只用鈦渣作原料，此階段沒有大量的鐵析出。這樣，鈦白粉生產商就避免了隨之而來的綠礬處理問題。FESO4TI02的臨界比值是710。如果鈦液的FESO4含量很高，則在此階段必須除去綠礬。但如果比值小于07,則沒有必要除綠礬。綠礬除去后，余下的鈦液通常通過真空蒸發濃縮到25攝氏度時167的相對密度。此步之后，如果原料是鈦鐵礦，鈦液的TI02含量為230GL。如果原料是鈦渣，則TIO2含量為250GL。盡管經過了析出綠礬除鐵，但通過鈦鐵礦獲取的鈦液中的鐵含量仍高于鈦渣鈦液。4水解水解工序是硫酸法鈦白粉生產非常關鍵的一步。這一步將可溶性硫酸氧鈦在90時水解成不溶于水的水合TI02沉淀物，或稱偏鈦酸。要獲得所需粒度的高質量水解產物，必需嚴格控制諸如加熱速度、鈦液的FE2和TI4含量以及其他因素等條件。如前所述，避免出現FE3是此環節的關鍵。為控制水解速度、水解物的過濾洗滌性能和最終產品的細度及質量指標，需要在水解時加人晶種。晶種的加人方式有兩種自身晶種（BLUMENFELD法，1928年）和外加晶種MECKLENBURG法，1930年）。兩種方式均能生產出同樣質量的產品。自身晶種是在水解時利用預先加人的水解鈦液和水所產生的晶種進行水解工藝，不用另外制備晶種。外加晶種顧名思義是向鈦液加人經另外制備的金紅石或銳鈦型晶種，用以控制水解速度和鈦白粉產品的最終晶體類型。為此目的的金紅石晶種是用偏鐵酸鹽酸或純TICL4制備，而銳鈦型晶種是用偏鈦酸、氫氧化鈉或向鈦液加人水或酸產生的。撇開所加的晶種，從硫酸氧鈦溶液中沉淀出的TIO2為銳鈦型。不過，在此階段加人金紅石晶種是為了在煅燒時易于使偏鈦酸沉淀物轉化成的TI02為金紅石型。若采用銳鈦型或自身晶種，則在煅燒時要加人金紅石型煅燒晶種才有利于金紅石TI02的生成。偏鈦酸的沉淀是通過幾小時的鈦液沸騰達到的。在沉淀快結束時，有時要加人一定的水以提高水解率。但是，加人的水過量則會破壞TI02沉淀物的質量，整個水解沉淀過程需要35H。水解沉淀物漿料經過濾、洗滌后，在還原條件下用硫酸酸浸以除去最后微量吸附鐵和其他金屬，即通常所說的漂白，大約78的S03緊緊吸附在漿料中，無法洗掉。事實上，要經歷過濾和洗滌，才能將偏鈦酸沉淀分離出來。硫酸法鈦白粉生產的大部分廢酸由此產生。第一次過濾中的濾液（稱為“濃廢酸”）一般含H2SO42224。通常每生產IT成品鈦白粉要產生8L0T“濃廢酸”。如果以鈦渣為原料，這種酸仍含有分解的硫酸亞鐵，同時還含有大量的硫酸鋁和硫酸鎂。而之后的洗滌和過濾產生的酸廢物（稱為“稀廢酸”），所含H2SO4低于05。根據水洗和過濾環節的數量，每生產IT成品鈦白粉產生的稀酸可達60T為控制粒度生長，需向偏鈦酸加入調節劑，如硫酸鉀、磷酸鉀和鋅。有時還需在此步驟中進一步加人金紅石晶種以促進煅燒時形成金紅石型TI02。最終用于煅燒的物料是水合TIO2漿料，固含量為35一50。5煅燒煅燒是在一個微傾的內燃式回轉窯中進行的。在重力作用下，水合TI02漿料在回轉窯中緩緩前移。煅燒溫度為9001250攝氏度。為了達到所需的鈦白粉類型，實際溫度需要按幾個等級嚴格控制。一般生產金紅石型鈦白粉所需的溫度要高一些。通過煅燒環節脫去水分和除去殘余的微量S03，同時還可以將銳鈦型轉變成金紅石型。煅燒還有助于增強最終鈦白粉產品的化學惰性和確定其粒度，盡管粒度的確定主要是在水解階段。通過過程取樣和對顏色、消色力及粒度的物理檢測可以對煅燒過程的嚴密控制起輔助作用。在煅燒階段，隨著S03和酸霧的排除，不可避免要夾帶一些細微的TIO2粒子，縷縷煙氣明顯可見。因此，工廠必須設有回收TI02粒子、除塵和除酸霧的裝置，以使煅燒尾氣不對環境造成危害。煅燒后，TI02經研磨破碎燒結顆粒。其后，一些鈦白粉以未包膜TI02初品的形式出售用于搪瓷、焊條等需要初級產品的應用領域。其主要而且是幾乎所有的鈦白粉廠均要進行的表面處理，即后處理。不過，大多數生產商都是在同一現場進行TI02的表面處理。僅有少部分廠家進行異地后處理加工。32硫酸法生產銳鈦型鈦白粉的工藝流程簡圖圖（一）硫酸法生產銳鈦型鈦白粉的工藝流程簡圖33硫酸法與氯化法工藝路線比較1硫酸法生產鈦白粉優點原料便宜，易得，產品成本低工藝技術成熟，操作易控制設備簡單，不需要特殊的耐腐蝕材料和復雜的控制系統缺點濕法生產蒸氣、水和能源消耗大排出的廢物多，污染嚴重，三廢處理費用大生產流程大，工序多，設備龐雜間歇式操作，勞動強度大產品質量稍差，經濟效益較差2氯化法生產鈦白粉優點干法生產，技術先進，流程短，工序少易于實現連續化和自動化，勞動效率高排出廢物少，可以循環利用，三廢少2CL產品消色雜質少，粒徑均一，消色力大，分散性好，質量好，能耗低，成本低，經濟效益好缺點原料要求高且價高難得技術難度大要求在高溫下耐腐蝕的材料和設備，維修難22,CLTIO粒子較易堵塞設備，除疤痕問題難以解決2TIO操作需要復雜的控制系統因國內需求量及設備和技術水平的限制，國內一般采用硫酸法生產鈦白粉34設計部分工藝簡介（酸解工段）1酸解流程簡圖圖2酸解流程簡圖圖3水解流程簡圖2酸解流程敘述鈦鐵礦經粉碎使篩采02,將礦粉送入貯罐。將濃硫酸壓入酸解鍋中，開通閥攪拌硫酸，并投入氧化銻，再投入礦粉，加完以后關閉投料口，清理周圍礦粉，并通氣512分鐘。加入稀釋水，關閉鍋口進料閥，并不斷攪拌直至反應激烈，若硫酸含量高，加水溫度高，則需要加水通氣自然冷卻到規定室溫再投入礦粉。到反應有劇烈振動時，啟動廢氣回收泵，反應后關閉廢氣回收泵，反應結束后成熟。成熟后通氣，用廢酸水稀釋鈦液（或自來水）浸取固相物，控制浸取水溫接近工藝要求。固相物基本溶解后，加入鐵屑，調整通氣量，直至三價鈦合格。浸取還原后通知沉淀工段，打開放料閥放料。鈦液全部放完以后，用水沖洗酸解鍋，如有固相物料等臟物，則需要下鍋取出。放出物料到沉降槽沉降后取出中間層物料，進行冷凍過濾，最后用板框壓濾，排除膠狀雜質，送到濃縮工段。35酸解工段的基本原理1酸解工段的工藝原理32442423FETIOHSTIOFESHO為防止發生的反應24加入FE34EE2酸解時的化學反應鈦鐵礦的主要化學成分是偏鈦酸亞鐵，這是一種弱酸弱堿鹽，能與強酸反應，反應基本上是不以逆的，并且能進行的比較完全。參與的酸過量就可以生成可溶性的鈦鹽，包括和的鹽。礦中4TI2所含的某些礦的氧化物、硫化物、砷化物和磷酸鹽等也能被硫酸分解，我們可以利用溶解的特性，采用化學或物理手段有效的把鋅、錳、釩、鉻等元素與鈦分離，制得純凈的成品，酸解反應是放熱反應，最高溫度可達250。采用的高沸點的硫酸沸點是338，才能適應這一要求。酸解過程的主要化學反應用下式來表示32442423FETIOHSTIOFESHO鈦鐵礦中鐵則按下列方程式進行反應2442FESE2323OHFOH從這些反應式來看，反應結果得到的硫酸鈦，硫酸氧鈦，硫酸亞鐵硫4TI4TIS4FESO酸鈦這四種物質，硫酸氧鈦的生成，也可以認為是硫酸鈦初步水解的產物。243FESO42424ISOHISO酸解后生成的硫酸鈦和硫酸氧鈦之間的比例隨酸解條件而定，從方程式中可以看42TIS4TI出，生成硫酸鈦每一份需要二份硫酸，而生成硫酸氧鈦每一份硫酸3鈦液的穩定性穩定性有稱穩定度，酸解后的溶解是否能保持很久不發生早期水解析出膠質顆粒，這個特性我們稱為溶解的穩定性，穩定性越好，鈦液就能保持得很久，硫酸鈦液的穩定性是每毫升鈦液用25蒸餾水稀釋到剛出現渾濁時，所需要的蒸餾水的毫升數表示。影響鈦液的穩定性的因素有很多，主要有以下幾點鈦液的穩定性與酸解時操作有關，尤其與硫酸的反應濃度有關酸解操作時的加溫情況，硫酸濃度等都會影響鈦液的穩定性，一般說加溫速度過慢（壓力低）或加溫溫度過低會使反應不夠劇烈，這樣反應初期生成的鈦化物就有早期水解的傾向，使鈦液的穩定性降低，另外硫酸的反應濃度不要過高，也不能過低。根據設備條件當濃度95或85時，酸解后溶液的穩定性都會變差。鈦液的穩定性與浸取的操作有關一般認為浸取時加浸取水的速度，酸解槽煙囪的抽動等都會影響鈦液的穩定性，加浸取水時太慢，浸取初期的溫度太高，則浸取液的穩定性則會下降。鈦液的穩定性與鈦液的F值有關有多量游離酸存在時，能防止早期的水解，所以F值越高，鈦液的穩定性越好。鈦液的穩定性與鈦液的保存溫度有關鈦液的溫度升高會促進水解反應的發生，因此，保存溫度長期大于或等于65時，穩定性會大大下降。鈦液的穩定性與鈦液含有關2TIO硫酸鈦液在稀釋時發生水解，因此含量較高的溶液不容易析出膠質顆粒，穩定性較好。2I鈦液的穩定性與鈦液的存放時間有關硫酸鈦液有陳化傾向，陳化是指溶液變濁，因而存放時間越長，鈦液的穩定性就越差36原料及產品的技術條件原料鈦鐵礦成分（攀礦）表2原料鈦鐵礦成分（攀礦）ILMENITERAWMATERIALSCOMPOSITIONPANMINE組分2TIOFE23EOMG2SIO23AL組成5034131112鈦白粉成品的質量指標表3鈦白粉成品的質量指標項目一級合格白度（與稱樣比）不低于近似總鈦（不少于稱樣）9898消色力（不小于稱樣）10090吸油量G100G（不小于稱樣）262845MM篩條（不大于稱樣）0103水溶性鹽（不大于稱樣）0506水懸浮液PH值65856085105揮發水分（不大于稱樣）050537水解工段的基本原理圖3水解工段流程簡圖371水解流程敘述水解工序是硫酸法鈦白粉生產非常關鍵的一步。這一步將可溶性硫酸氧鈦在90時水解成不溶于水的水合TI02沉淀物，或稱偏鈦酸。要獲得所需粒度的高質量水解產物，必需嚴格控制諸如加熱速度、鈦液的FE2和TI4含量以及其他因素等條件。如前所述，避免出現FE3是此環節的關鍵。為控制水解速度、水解物的過濾洗滌性能和最終產品的細度及質量指標，需要在水解時加人晶種。晶種的加人方式有兩種自身晶種（BLUMENFELD法，1928年）和外加晶種MECKLENBURG法，1930年）。兩種方式均能生產出同樣質量的產品。自身晶種是在水解時利用預先加人的水解鈦液和水所產生的晶種進行水解工藝，不用另外制備晶種。外加晶種顧名思義是向鈦液加人經另外制備的金紅石或銳鈦型晶種，用以控制水解速度和鈦白粉產品的最終晶體類型。為此目的的金紅石晶種是用偏鐵酸鹽酸或純TICL4制備，而銳鈦型晶種是用偏鈦酸、氫氧化鈉或向鈦液加人水或酸產生的。撇開所加的晶種，從硫酸氧鈦溶液中沉淀出的TIO2為銳鈦型。不過，在此階段加人金紅石晶種是為了在煅燒時易于使偏鈦酸沉淀物轉化成的TI02為金紅石型。若采用銳鈦型或自身晶種，則在煅燒時要加人金紅石型煅燒晶種才有利于金紅石TI02的生成。偏鈦酸的沉淀是通過幾小時的鈦液沸騰達到的。在沉淀快結束時，有時要加人一定的水以提高水解率。但是，加人的水過量則會破壞TI02沉淀物的質量，整個水解沉淀過程需要35H。水解沉淀物漿料經過濾、洗滌后，在還原條件下用硫酸酸浸以除去最后微量吸附鐵和其他金屬，即通常所說的漂白，大約78的S03緊緊吸附在漿料中，無法洗掉。事實上，要經歷過濾和洗滌，才能將偏鈦酸沉淀分離出來。硫酸法鈦白粉生產的大部分廢酸由此產生。第一次過濾中的濾液（稱為“濃廢酸”）一般含H2SO42224。通常每生產IT成品鈦白粉要產生8L0T“濃廢酸”。如果以鈦渣為原料，這種酸仍含有分解的硫酸亞鐵，同時還含有大量的硫酸鋁和硫酸鎂。而之后的洗滌和過濾產生的酸廢物（稱為“稀廢酸”），所含H2SO4低于05。根據水洗和過濾環節的數量，每生產IT成品鈦白粉產生的稀酸可達60T為控制粒度生長，需向偏鈦酸加入調節劑，如硫酸鉀、磷酸鉀和鋅。有時還需在此步驟中進一步加人金紅石晶種以促進煅燒時形成金紅石型TI02。最終用于煅燒的物料是水合TIO2漿料，固含量為35一50。372鈦液的水解過程鈦液的水解屬鹽類水解,但又與一般鹽類的水解有所不同,它沒有一個固定的PH值,只要在稀釋或者加熱的條件下它即能水解而析出氫氧化鈦的水合物沉淀。在常溫下用水稀釋鈦液時,析出膠體氫氧化鈦沉淀。其反應方程式為TIOSO43H2O室溫強烈稀釋TIOH4H2SO4如果將鈦液加熱使其維持沸騰也會發生水解反應,生成白色偏鈦酸沉淀。這是硫酸法鈦白生產在工業上制取偏鈦酸的惟一方法。其反應方程式為TIOSO42H2O沸騰H2TIO3H2SO4水解生成的偏鈦酸具有無定型結構或者不明顯的微晶體結構,其直徑為3NM10NM,它們按一定的方向2030個配位成為膠粒。膠粒在硫酸鹽離子的作用下加速凝聚,構成凝聚體偏鈦酸而沉析出來。凝聚體大小約為06M07M,是由約1000個60NM75NM的小微粒膠粒凝聚而成,每個微粒約含有20個2NM的微晶體,這是加到液中去的晶種。水解的過程可分為3個步驟1晶核的形成2晶體的成長與沉淀的形成3沉淀物的組成以及溶液的組成隨著水解作用的進展而改變。水解在二氧化鈦生產中極為重要,水解的條件決定著微晶體、膠粒和粒子的大小,歸根到底也是決定著最終產品的質量。373影響水解質量的因素分析從工業上對水解的要求及水解的過程可知,響水解質量的主要因素有兩大類。一是來料鈦液的性質和質量,二是水解的操作過程。下面對兩大影響因素作具體的闡述。1、鈦液的性質和組成對水解的影響11鈦液的穩定性和澄清度在穩定性差的鈦液中,水解前其本身已產生了某些膠性的結晶中心,水解時這些結晶中心起著不良作用,使得到的偏鈦酸粒子不均勻,并且容易附較多的雜質,不但使偏鈦酸的洗滌時間延長,且在煅燒時二氧化鈦的粒子容易燒結,使最終產的白度、著色力和分散性能都會明顯下降。澄清度與穩定性有密切關系。穩定性差的鈦液,澄清度也不理想。如果是因過濾操作不當而引起的澄清度不良,則會使鈦液含有不溶的固體懸浮雜質,即使其量很少也會降低產品的純度、白度和其他顏料性能。12鈦液的濃度水解鈦液的濃度對二氧化鈦成品的粒子和顏性能影響很大。根據不同生產工藝,在決定鈦液濃度指標時,既要滿足產品的質量要求,也要考慮到水解操作的收率,以及水解和濃縮工序的經濟合理性。當水解鈦液濃度較低時,隨著TIO2濃度的提高,最終產品的著色力也隨著提高。但是提高TIO2濃度會減慢水解速度,開始水解的時間也相對延長,水解率會下降,而當TIO2濃度200GL時,濃度的提高對產品著色力的影響已不顯著。13鐵鈦比在水解時,鈦液中FESO4濃度的高低對水解反應也有一定的影響。FESO4的存在能增加溶液的密度和粘度,提高總離子濃度。所以提高FESO4濃度,熱水解速度便減慢,水解率也會降低。14酸度系數F值在相同濃度的鈦液中,F值大則酸度也高,水解反應便受到抑制,使水解速度變慢,水解率降低。但鈦液的F值過低,它的穩定性便大大下降,有早期水解的危險。15三價鈦的濃度鈦液中三價鈦離子的存在能防止亞鐵氧化生成高鐵,但三價鈦也不應過多存在,首先它不發生水解留在母液中而降低回收率,并且它對熱水解還有抑制作用。16鈦液的雜質含量除了FESO4外,鈦液中還有其他可溶性雜質和不可溶于硫酸的雜質,固體雜質可以通過過濾來除去。某些溶解的雜質侵入偏鈦酸中會影響成品質量,雜質的含量是影響質量的主要因素之一。2操作條件對水解的影響21晶種的活性和加入量晶種是以它規則的結晶中心來誘導水解進行的,因此晶種的活性和數量都對熱水解有很大的影響。晶種的活性由制備條件而定,故操作時必須嚴格執行條件。晶種量不單影響水解速度和水解收率,并對偏鈦酸粒子的大小也有影響。晶種加入量小于06時,因晶種數量不足,著色力急劇下降。但當晶種加入量大于3時著色力也開始緩慢下降。且二氧化鈦的平均粒度隨著晶種加入量的增加而有增大的趨勢。22水解時間水解時間的長短能決定水解過程進行的完全程度。水解時間長,能提高水解率,但對偏鈦酸粒度的大小和均勻度有顯著的影響。隨著水解時間的延長,由于偏鈦酸粒度變粗,著色力有所下降。23水解三循環水解三循環是指加熱循環、攪拌循環和稀釋循環。在鈦液和晶種質量良好的情況下,水解的操作就顯得十分重要了。水解必須在嚴格的工藝條件下進行,其關鍵在于恰當地掌握好加熱循環、攪拌循環和稀釋循環,這三個循環被稱為水解操作“三要素”。加熱循環、攪拌循環對水合TIO2的過濾性能和水洗四物料衡算質量守恒定律即進入一個系統的全部物料量必等于離開這個系統的全部物料量，再加上過程中損失量和在系統中積累量。依據質量守恒定律，對研究系統作物料衡算，可用下式表示G進G出G損G積式中G進輸入物料量總和；G出離開物料量總和；G損總的損失量；G積系統中積累量。41計算依據1鈦鐵礦的組成（）2投料礦酸比約為1160（100）24HSO3氧化銻（98）加量約為礦粉量的0223SBO4鐵屑（85）加量為礦粉的55FE5硫化鐵（70）加量為礦粉的036硫酸濃度稀釋前925稀釋后887廢酸濃度100GT958固相物用廢酸用量為浸取水量的169酸解率9410水解率98510鐵液的質量指標濃度130GT含量為3GT穩定性4002TIO3TI沉降凈化收率98511計算標準以每噸100計2TIO12年操作日根據設計任務，鈦白粉的年生產能力為10000噸每年，開工因子生產裝置時間年自然時間，為了充分利用設備，開工因子應取的較大，接近1，但又不能等于1，因為還要考慮到設備的檢修以及開停車等情況，開工因子一般取為0809，全年365天，則年生產300330天；因此除去季保養、月保養、修理、放假等總計65天，則年工作日為（36565）天300天，定晝夜生產為三班。13化合物分子量和元素原子量如下表4分子量和元素原子量2TIOI4TIS4IOH23TI243ISO24HNAO24S4FEO7994791599115997938399793991419151942各工序收率分配圖圖3各工序收率分配圖注1表示每噸成品需要處理的物料量（公斤）（以為準）2TIO2表示每小時需要處理的物料量（公斤）（以為準）3工序收率4工序累計收率43酸解水解物料衡算計算基準（單位除標注處，均以KGT計）2TIO日產100003003333噸每小時產3333100024138875KG1原料輔助材料消耗量A鈦鐵礦粉的用量1368502736KGT2TIOB氧化銻用量2736025472KGTC硫化鐵用量273603821KGT2ID鐵屑用量27365515048KGTTOE硫酸用量273616437760KGT2I2礦粉酸解理論計算A礦粉中與反應2TIO4HS2442TIOHSTIOH1242736509791576KG/TTIOX153TIS122482/TIXHOB礦粉中與反應FE42442FEHSOE24273697189KG/TTIOXHSO50E22426/TIXC與反應23FEO24HS2324423FEOHSFEOH3242751971603KG/TTIOX5E322634284/TIXHO4719716095KGTOFESD為了保證鈦液中含量為3GT,需要加入的鐵屑與硫酸反應時3TI因為酸解浸取后的鈦液體積為2736509413098932/MTTI所以鈦液中的重量為（以計）3TI2TIO39892967KG由2與的關系IO243IS2967383927997128KG243TIS2442432OFEHSEOTISHO419873958KG/TIXI250ES46214/TTIOXF223783968KGHO因此鐵屑總用量為換算成85的鐵屑則用量為1499134210/TIXEKGT,鐵屑與礦粉的用量比為1499127365482TIO實際生產中鐵屑加量55是允許的E礦粉中與反應2MNO4HS2442MNOHSNO52427361971356KG/TTIX0S52248/TIOXHOF礦粉中與反應23AL423242423ALSALH624276197106KG/TTIOXHSO38L6224523/TIXG礦粉中的與硫酸反應2SIO當礦粉中的以元素硅存在時，可以認為是不參加反應，但當硅酸鹽存在時硅組成能參與酸解反應，并生成帶正電的硅酸，本計算假定它不與硫酸反應H與反應23SB24H23242432SBOHSBOH824327609851697KG/TTIOX750H822242/TIXOI與反應FES242442FESHOES9242736097860KG/TTIOX1593EO92273603482KG/TTIOXHS又與反應243SBO2所以2432324BOSBHS9271056187KG/TTIOXH239S942340/TIXO由上述計算得的剩余用量為2H92925XHS綜合計算結果，酸解中硫酸理論需要量與反應后的生成物組成如下24215768961375346704603508KG/TTIOXSO23240KG/TTIOTI24KG/TTIX218958938517/TIFESO24326/TIOXAL70KGTMN228918465213609845KG/TTIOXHO432/TIOSB3稀釋濃硫酸（925的硫酸）用廢酸水（95的硫酸）的量生產一噸鈦白粉需要100的硫酸437760KG，按酸解時配制的88的硫酸計為43760/84975GKG其中，2596HOGKG24HSOKG假設925硫酸用量為KGA95廢酸用量為KGBG92543760A5BG上兩式聯列方程組解得，8AGKG26971BGKG其中4351977A24HSO水3528632562BG24水244094酸解排出廢氣量參考國內某廠生產測定數據，酸解主反應時，每噸每分鐘排出56廢氣，其中含5003M2HO，76,1183/GMSO3/G2S3/GM酸解反應與上述類似，當投礦量為2736KG鍋，主反應時間為10分鐘，則排出廢氣量為其中33227610516/QTTIO廢2325017608/HOGKGTTIO34S232168/OKTI考慮到酸解其它階段的排氣，假定主反應排出的廢氣為總排出廢氣量的80所以每噸100排出的廢氣量為2TI21532690/80QKGTTIO廢其中227/HOGTI3415SK2286/0SOGTTIO將和換算成或的量，則排出的廢酸組成為3SO224HSO23229576180261809536/GKGTTIO242597/HSOKTI234G5酸解固相物的浸取由酸解反應可知，進酸解鍋的物料量（以生產一噸100的計）2TIO227364957160KG/TIG進所以排出廢氣量為2242328974/HOSHSOQTTI廢所以固相物量為271609461/GKGTIO固進廢由VDA固水其中V浸取后鈦液的體積98932/MTTIOD浸取后鈦液的比重1530KG所以29815306748390/GKGTI水其中廢酸水的用量參考國內某廠經驗約為浸取水量的16，則加入的廢酸水的量為2/15/TTIO廢酸水其中24139853284HSOKG226/GTI因此自來水的量為28390183524715/KGTTIO自來水6固相物浸取后鈦液中雜質的含量A已知酸解率為94即另有6的礦粉不酸解，并殘留在鈦液中122736146/WKGTTIOB礦粉中假定1不反應，認為全部殘留在鈦液