Теория процесса восстановления

Восстановление четыреххлористого титана магнием относится к металлотермическому процессу и протекает сложно, ступенчато, через ряд основных стадий:

TiCl₄ + Mg = TiCl₂ + MgCl₂

TiCl₂ + Mg = Ti +MgCl₂

Протекают и другие побочные реакции с образованием низших хлоридов титана  TiCl₃ и TiCl. В общем виде процесс можно представить реакцией:

TiCl₄ + 2Mg = Ti + 2MgCl₂

Аппаратурное оформление и технология восстановления учитывают свойства титана и магния:

- титан в нагретом состоянии активно взаимодействует с кислородом, азотом, углеродом, парами воды, поэтому процесс восстановления ведут в защитной атмосфере инертного газа – гелия или аргона;

- контакт TiCl₄ и расплавленного магния с воздухом недопустим как с точки зрения их загрязнения, так и по условиямохраны труда. Необходимо обеспечить условия их герметичной загрузки в аппарат;

- способность титана налипать на всех металлических поверхностях реактора и значительное затруднение его извлечения из аппарата. Это главное препятствие для создания непрерывного процесса;

- восстановление TiCl₄ магнием – экзотермический процесс, излишнее тепло необходимо отводить от аппарата;

- при нагреве выше 1353 К титан с железом образует легкоплавкую эвтектику;

- объём образующегося хлорида магния в 10, 4 раз превышает объём образующейся титановой губки.

Конструкция аппарата восстановления

В промышленности применяются аппараты производительностью 5– 7 тонн титана в виде губки за цикл восстановления длительностью 30—50 часов. Конструктивно аппараты несколько отличаются друг от друга, но все они состоят из одних и тех же основных частей и узлов.

 

Рисунок 1 – Конструкция аппарата восстановления: 1-опора печи; 2-коллекторы подачи и отвода воздуха; 3-водоохлаждаемый фланец; 4-футеровка; 5-штуцер вакуумирования и подачи аргона; 6-узел заливки магния; 7-узел подачи TiCl4; 8-крышка реактора; 9-реторта; 10-контактные термопары; 11-нагреватели; 12- песочный затвор; 13-сливной узел; 14–ложное дно

Рисунок 2 - Схема процесса восстановления TiCl4 в промышленном реакторе

Реактор - это цилиндрическая стальная реторта высотой 2—3 м с фланцем и сферическим днищем. Конструкция устойчива, технологична в изготовлении, удобна в эксплуатации. Легированная хромоникелевая сталь уменьшает окисление наружных стенок реактора, которые контактируют с воздухом при высоких температурах. Крышка реактора служит для его герметизации с помощью резиновой прокладки. Применяется конструкция вогнутой крышки с несложным монтажом и демонтажом. Заливка жидкого магния производится из обогреваемого ковша с нижним сливом, что надежно предохраняет магний от контакта с воздухом в период загрузки. Скорость подачи TiCl₄ измеряется ротаметром. Общий расход измеряют по изменению уровня в расходном баке или расходомером. Запорное устройство узла слива хлористого магния находится внизу сферического днища реторты. Для предотвращения попадания титановой губки в запорное устройство в реторте устанавливают ложное дно.

Подвод тепла в реактор необходим только для подогрева магния для начала процесса (750—850° С). В процессе восстановления выделяется тепло, которое необходимо отводить, обдувая стенки реторты в зоне реакции воздухом через коллекторы. Температура зоны реакции измеряется контактными термопарами по стенке реактора.

Подготовка аппарата восстановления

В промышленных условиях восстановление ведется периодическим способом. Физико-химические свойства TiCl₄ таковы, что позволяют непрерывно подавать его в реактор при обычной температуре, а магний технически просто сразу весь загружать в жидком виде перед началом реакции. Установка восстановления должна обеспечивать как подвод тепла к реторте, так и его отвод, материал реторты должен быть коррозионностоек в данных средах. Конструкции печи и реактора, должны удовлетворять противоречивым требованиям технологии:

а) для удаления MgCl₂  необходимо поддерживать температуру несколько выше его точки плавления;

б) но для обеспечения оптимальной технологии  необходимо интенсивное охлаждение реактора.

Подготовка аппарата восстановления состоит из повторяющихся для каждого цикла операций.

1) Реторту закрывают крышкой, тщательно проверяют на герметичность и устанавливают в электропечь.

2) Проводят монтаж установки: подсоединяют линии вакуума и аргона, узлы загрузки магния и TiCl₄, водоохлаждения, сливного устройства, устанавливают термопары.

3) Нагревают реактор до температуры 700 °С во избежание взрыва из-за контакта горячего магния с холодными стенками реторты.

4) Вакуумируют реактор и заполняют его очищенным и осушенным инертным газом аргоном.

5) Заливают расплавленный рафинированный магний с избытком от теоретически необходимого количества (160—170%), чтобы восстановление TiCl₄ прошло более полно.

6) Разогревают реторту с магнием до 800—850 °С

7) Начинают подачу четыреххлористого титана и отключают нагрев реторты.

 

⇐ Предыдущая1234567Следующая ⇒

Поделиться: