Курсовая работа: Участок восстановления и дистилляции четыреххлористого титана

Реакции восстановления четыреххлористого титана до низших хлоридов и металла:

	(1)
	(2)
	(3)
	(4)
	(5)
	(6)
	(7)

Вторичные реакции взаимодействия четыреххлористого титана с продуктами реакции группы 1. и реакции диспропорционирования низших хлоридов титана:

	(8)
	(9)
	(10)
	(11)

Реакция обычно осуществляется в атмосфере инертного газа. Равновесие процесса магниетермического восстановления четыреххлористого титана устанавливается при исчезающее малой концентрации тетрахлорида.

В начале процесса реакция восстановления протекает на зеркале жидкого магния, которое постепенно покрывается пленкой образующегося хлористого магния, хорошо смачивающего магний. Пленка затрудняет контакт магния с и препятствует дальнейшему протеканию реакции на зеркале магния. Фронт реакции к этому времени смещается к стенкам реактора, где условия взаимодействия с магнием наиболее благоприятны вследствие стекания соли с поверхности магния, поднимающегося за счет сил поверхностного натяжения ли капиллярных сил по стенкам реактора или по капиллярам образовавшейся на стенках губки. В дальнейшем, реакции идут в основном на стенках реактора или боковой поверхности губки с ростом ее от боков к центру реактора. Реакция в газовой фазе не идет.

Конструкции реакторов и печей восстановления

Восстановление четыреххлористого титана магнием сопровождается выделением большого количества тепла. Энтальпия суммарной реакции в стандартных условиях составляет 123,6 ккал/г-атом титана. В современных реакторах тепловыделение составляет около 100-200тыс.ккал/ч. Значительная часть этого тепла должны быть отведена от реактора.

Объемные соотношения титана, магния и хлористого магния в реакторе таковы, что на каждую единицу объема, занимаемого титаном, приходится 2,8 единиц объема магния и 10,4 единицы объема образующегося хлорида магния. Поэтому для более полного использования рабочего объема реактора, хлористый магний в процессе восстановления периодически сливают из реактора.

В качестве реакторов восстановления в промышленных условиях используют цилиндрические реакторы диаметром от 850-1000 до 1300-1500мм и высотой от 1800-2000 до 3000мм. Диаметр реактора восстановления в основном лимитируется требованиями последующего процесса – вакуумной сепарации блока реакционной массы, где повышение диаметра реактора больше определенного значения приводит к ухудшению условий прогрева реакционной масса и отгонки остатков магния и хлористого магния из глубинных слоев титановой губки.

Реакция восстановения магнием проводится в реакторах из малоуглеродистой стали, из хромоникелевой, хромистой сталей, а также в реакторах из биметалла (наружный слой – хромоникелевая сталь, а внутренний – малоуглеродистая сталь).

На практике, учитывая очаговый характер реакций восстановления, в результате которого максимальная температура внезапно резко возрастет то в одной, то в другой зонах реактора, процесс обычно проводят при температуре 750–900°C.

Хромоникелевая сталь более окалиностойка и более устойчива при взаимодействии с парами в условиях высоких температур, чем малоуглеродистая сталь. Однако температура плавления эвтектики этой стали с титаном ниже, чем с малоуглеродистой сталью, на 900–100°C. Кроме того, находящийся в реакторе жидкий магний хорошо растворяет никель, входящий в состав хромоникелевой стали, загрязняется им и загрязняет титановую губку. Тем не менее, эти стали широко применяются для изготовления реакторов.

Хромистые стали типа 0Х13, Х25Т, обладая средней между малоуглеродистой и хромоникелевой сталью температурой плавления эвтектики с титаном и досочной окалиностойкостью, являются также более устойчивыми против взаимодействия с парами при высокой температуре, и меньше чем хромоникелевые стали растворяются в расплавленном магнии, поэтому их использование в качестве материала благоприятно.

Большой интерес для изготовления реакторов представляют биметаллы. Использование таких сталей с внутренней поверхностью из малоуглеродистой стали, стали Х25Т или титана несмотря для большую трудность в изготовлении реакторов и несколько большую их стоимость позволяет заметно повысить производительность аппарата и улучшить качество получаемого титана,.

В промышленных условиях используют обычно два типа реакторов – реактор со вставленным внутрь реакционным стаканом, изготовленным из рассмотренных выше материалов, и реактор без реакционного стакана. Реакционный стакан позволяет предохранить корпус реактора от проплавления, применить реактор из нержавеющей стали, а стакан из малоуглеродистой стали. Кроме того он облегчает извлечение реакционной массы из реактора после окончания процесса восстановления. С другой стороны, при использовании стакана образуется зазор между его стенкой и стенкой реактора, который резко ухудшает условия отвода тепла из зоны реакции, сокращает полезный объем реактора, что снижает его производительность. Кроме того, осложняется устройство для слива хлористого магния, в зазоре между стенками могут образовываться низшие хлориды титана. Внутреннюю поверхность такого реактора после каждого процесса необходимо тщательно очищать от хлоридов титана и магния, промывая раствором соляной кислоты. Эта операция трудоемка, вредна для обслуживающего персонала и приводит к повышенному износу реактора.

Недостаток реактора без стакана состоит в большей опасности проплавления корпуса, а также в необходимости более маневренного охлаждения его стенок в процессе восстановления во избежании намораживания на них гарнисажа, что может затруднить транспортировку магния в зону реакции.

Вакуумирование реактора, подача в него четыреххлористого титана и аргона осуществляют через центральную трубу, расположенную на крышке реактора. Хлористый магний сливают из реактора с помощью сифона, выходящего на рабочую площадку через крышку или боковую стенку реактора непосредственно под его фланцем.

Для отведения тепла, образующегося в ходе реакции необходима эффективная система его отвода от реактора. Поддержание области преимущественного протекания реакций в определенной зоне реактора может облегчить решение этой задачи. Расположение этой зоны по высоте реактора можно регулировать, поддерживая уровень расплава в указанной зоне и регулируя слив накапливающегося хлористого магния. Тепло от реактора отводят, как правило, охлаждая зону преимущественного протекания реакции с помощью воздуха, подаваемого в печь от вентиляционной установки. Охлаждающий воздух подают в нескольких точках по окружности печи, форсунки располагают в 2–3 ряда. Вентиляторы включают и подают охлаждающий воздух периодически с помощью автоматической схемы, подающей сигнал о повышении температура в той или иной зоне реактора.

Для нормально протекания процесса при охлаждении зоны реакции обычно необходимо подогревать нижнюю часть реактора. Подогрев необходим для поддержания хлористого магния в жидком состоянии, что обеспечивает расслоение магния и бесперебойную подачу магния в зону реакции, а также облегчает регулярный слив хлористого магния из реактора.

Переохлаждение реактора ниже зоны протекания реакции приводит к замедлению поступления магния в эту зону и к расстройству процесса восстановления, который при этом резко замедляется и идет с образованием большого количества низших хлоридов титана.

Для предотвращения загрязнения титановой губки газами и влагой, адсорбированными на внутренних стенках аппарата, а также кислородом из окисных пленок и гидролизовавшегося хлористого магния, реакционный стакан и реактор перед проведением в них процесса восстановления тщательно очищают.

Технология восстановления

Магний загружают в реактор в твердом состоянии, в виде чушек и крупных слитков (поверхность предварительно очищают от оксидных пленок и шлаковых включений путем травления в растворе соляной кислоты), или в расплавленном состоянии (температура до 800°C).

Реактор с загруженным в него магнием перед установкой в печь вакуумируют и проверяют на герметичность. Затем реактор заполняется осушенным инертным газом (обычно аргоном) и устанавливают в печь восстановления, где реактор разогревается до температуры полного расплавления и некоторого перегрева магния (650–760°C).

После того как весь магний расплавился (740–780°C) начинают подачу в реактор четыреххлористого титана, через центральный патрубок, расположенный в крышке реактора. С наибольшей скоростью четыреххлористый титан подают в аппарат в начальной и средней стадиях процесса, когда в зоне реакции имеется достаточное количество магния. К концу процесса транспорт магния в зону реакции затрудняется, что сопровождается ростом давления в аппарате за счет паров не успевающего прореагировать четыреххлористого титана. Реакция восстановления начинает приобретать очаговый характер, что может привести к местному перегреву и проплавлению стенок реактора. Поэтому скорость подачи в аппарат в конце процесса постепенно снижается. Окончание процесса восстановления определяется по росту давления в аппарате или расчетным путем по заданному коэффициенту использования магния.

После прекращения подачи аппарат выдерживают в печи в течении 1ч при 1123°K, затем, как можно более полно, сливают хлористый магний. В печи аппарат охлаждают до 873–923°K, после чего его извлекают и устанавливают в холодильник, где его поверхность орошают вводом или обдувают воздухом для охлаждения до температуры 20-40°C.

Охлажденная реакционная масса представляет собой 50-70% губчатого титана, поры которого заполнены магнием и хлористым магнием, 30-35% магния и 15-20% хлористого магния. Среднее содержание в реакционной массе основных компонентов составляет (по массе): Ti–60%, Mg–20-30%, MgC2–10-20%. Содержание металлического магния максимально в нижней части блока, поскольку эта часть магния оказывается как бы заблокированной от взаимодействия с . Содержание хлористого магния максимально в верхней части блока. Предельно допустимое содержание хлора и магния в очищенной товарной губке не должно быть выше 0,08–0,12% и 0,1–0,5% соответственно.

Присутствие магния и хлористого магния в губчатом титане определяет особенности его поведения на воздухе. Хлористый магний, свободно сообщающийся с атмосферным воздухом, может увлажняться. В свою очередь металлический магний взаимодействует с выделением водорода. Поэтому во избежание ухудшения качества титана контакт реакционной массы с воздухом должен быть исключен или сведен до минимума.

Разделять реакционную массу можно одним из двух принципиальных способов: отгонкой хлористого магния в вакууме при высоких температурах или выщелачиванием реакционной массы в 0,5–1,0%-ном растворе соляной кислоты.

Вакуумная сепарация реакционной массы

Отгонка хлористого магния и магния из реакционной массы при вакуумной сепарации основана на большой разности упругости паров компонентов реакционной массы при высокой температуре. Магний может быть отогнан из реакционной массы при температуре выше температуры кипений магния (1103°C), а хлористый магний – при температуре выше температуре кипения хлористого магния (1418°C). Однако при этих температурах титановая губка интенсивно взаимодействует с материалами, из которых изготовлен реактор, в результате чего качество губки резко ухудшается.