Участок восстановления и дистилляции четыреххлористого титана
Реферат - Экономика
Другие рефераты по предмету Экономика
того титана магнием или натрием, а также восстановление окислов титана кальцием (гидрохлоридом кальция) и алюминием.
В настоящее время промышленной производство титана основано на восстановлении четыреххлористого титана магнием (магниетермический способ) или натрием (натриетермический способ).
В первом случае для разделения продуктов восстановления титановой губки, магния и хлористого магния применят в основном способ отгонки магния и хлористого магния от титановой губки при температуре около 1000C и остаточном давлении в реакторе от нескольких миллиметров ртутного столба в начале процесса до нескольких микронов в конце (так называемый способ вакуумной сепарации).
Во втором случае для разделения продуктов восстановления титановой губки, хлористого натрия и незначительного количества непрореагировавшего натрия применяют способ выщелачивания полученного после восстановления реакционной массы слабым раствором соляной кислоты (так называемый гидрометаллургический способ).
Магниетермический способ
Магний один из наиболее распространенных в природе элементов. Содержание его в земной коре составляет 2,35%. Благодаря крупным месторождениям магниевого сырья, высокопроизводительной технологии получения металла электролизом и сравнительно небольшой стоимости металла, производство магния осуществляется в крупных промышленных масштабах.
Магний отличается высоким сродством к хлору ( = 55ккал/г-атомхлора), которое при 800C на 12,0ккал/г-атомхлора (= 43ккал/г-атомхлора), что вполне достаточно для полного восстановления магнием. Соотношение температур плавления и кипения магния и образующегося в результате восстановления благоприятно для проведения процесса в интервале температур 720-900C. Магний и титан практически взаимно не растворимы.
Все это, а также технологические особенности процесса восстановления титана делают магний одним из наиболее благоприятных восстановителей для организации крупного производства титановой губки магниетермическим способом.
Патент на получение титановой губки магниетермическим способом был выдан в 1940г в США американскому исследователю Кроллю, проводившему опыты на крупнолабораторной установке.
Титановая губка, получаемая магниетермическим способом, в промышленных условиях содержит обычно 0,030,15% O2; 0,010,04% N2; 0,020,15% Fe2; 0,0020,005% H2; 0,020,12% Cl; 0,010,05% Si; 0,010,03% C; около 0,01% Al; 0,01% Ni; 0,01% V и другие примеси.
Вместе с TiCl4 в губку вносится около 40% всего азота, более 20% кислорода, около 15% железа и значительная часть углерода. Вместе с магнием в губку вносится около 20% N2, 40% O2, 15% Fe. Около 5070% железа, содержащегося в титановой губки попадает в нее в результате взаимодействия титана с материалом реактора. Установлено, что большая часть примесей из материала реактора переходит в титан в период вакуумной сепарации, особенно в последний период, когда температура на границе стенок реактора достигает максимальных значений.
Физико-химические основы восстановления
Магниетермическое производство металлического титана основано на использовании реакции:
+=+(ж.пар)(ж.пар)(тв)(ж.пар)В стандартных условиях эта реакция характеризуется высокими по абсолютной величине и отрицательными по знаку значениями энтальпии и энергии Гиббса:
Температурная зависимость константы равновесия не может являться монотонной функцией, поскольку участвующие в реакции исходные и конечные вещества претерпевают фазовые превращения.
По аналогии со сложными реакциями, которые протекают через промежуточные соединения, восстановление титана можно представить как ступенчатое восстановление четыреххлористого титана из его низших хлоридов:
Протекающие при этом реакции условно можно разбить на две группы:
- 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:
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-атомтитана. В современных реакторах тепловыделение составляет около 100-200тыс.ккал/ч. Значительная часть этого тепла должны быть отведена от реактора.
Объемные соотнош