2万吨年硫酸法钛白黑段设计.docx
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2万吨年硫酸法钛白黑段设计
2万吨/年硫酸法钛白黑段设计
摘要
针对攀枝花钛精矿原料的特性，本设计采用硫酸法生产钛白粉工艺，设计规模为年产量2万吨。
生产过程包括原矿粉碎、酸解、沉降、泥浆压滤、结晶、圆盘过滤、控制过滤、浓缩以及三废处理等工序并对这些工序工艺进行了设计，提出了各工序的工艺流程图。
在设计中，以每天产能为依据，对酸解、沉降、结晶、浓缩等工序进行物料衡算和热量衡算，为设备选型提供了依据。
在设备选型阶段，对主要设备进行了计算和选型。
通过物料衡算、热量衡算及设备选型和车间布置说明，最后得出了设计说明书、设备定型一览表和带控制点的流程图。
关键词：
钛白粉，硫酸法，黑段工程设计
ABSTRACT
InviewofthecharacteristicsoflimoniterawmaterialsinPanZhihua,thispaperdesignswithtitaniumwhitesulfuricacidproductionprocessandthescaleofannualproductionis20,000tons.Theproductionprocessincludesundressedoresmashing,acidolysis,subsidence,filterpressing,crystallization,discfiltrationcontrolledfilter,concentration,andtheprocessofwastetreatment.Thepaperdesignsontheseprocess-esandillustratestheflowchartoftheseprocess.Basedonthedailyproduction,thepaperdesignsonacidolysis,subsidence,crystallizationandconcentrationprocesseswithmaterialbalanceandenergybalance.Therefore,itprovidesthebasisfortheequipmentselection.
Intheequipmentshapingstage,itdesignsonmajorinstallationforcomputation
andshaping.Baseontheexplanationofmaterialweight,thermalweight,equipmentshapingandworkshoparrangement,finallyitobtainedthedesigninstruction,equip–mentlistandflowchartwithcontrollingpoint.
Keywordstitaniumdioxide,Sulfuricacidmethod,Processdesignofblacksection
摘要………………………………………………………………………………….Ⅰ
ABSTRACT…………………………………………………………………………Ⅱ
1绪论
1.1概述
1.1.1课题背景
基于《攀枝花市“十一五”钒钛产业规划》纲要，提出攀枝花要根据世界钒钛技术与产业发展趋向，立足于钒钛资源优势、研发能力和产业基础，结合国家产业政策，进一步确立钒钛产业为重要支柱产业和今后经济建设重点，通过开发、应用和引进国内外钒钛领域的先进科技成果[1]；通过做大做强、积极参与国际竞争来不断促进钒钛龙头企业的升级；通过扩大开放和加强国际合作，培育多种所有制形式的企业群体，使攀枝花钒钛经济总量达到更大规模。
结合攀枝花发展钒钛产业得天独厚的资源优势、技术优势以及较强的研究开发能力和雄厚的钒钛产业基础，大力推进技术创新体系建设，提高钒钛产业自主创新能力，不断增强钒钛科技综合实力、创新能力和成果转化能力，为钒钛产业发展提供有力的技术支撑，实现钒钛产业发展的新跨越[2]。
1.1.2设计的目的、意义
钛白粉具有稳定的物理、化学性质，良好的光学、电性性质以及优异的颜料性能，钛白粉行业在整个化工领域里占举足轻重的地位，它作为一种大宗的化工原料因此其用途十分广泛，涂料、塑料、造纸、化纤、油墨、橡胶、电子工业、化妆品、电焊条、搪瓷[5]。
陶瓷和冶金等都要用到钛白粉。
特别是颜料钛白粉，因其有其他白色颜料无可比拟的多种优异性能，以至于其面世后，很快就取代了传统的铅白、锌白、锌钡等白色颜料，成为白色颜料之王。
由于白色和浅色最好的遮盖颜料和销色颜料，因此被广泛地应用于需要着色或浅色的涂料、纸张、塑料、油墨、橡胶等领域。
随着世界经济的发展和人类科技的进步，人们对钛白粉的认识越来越深，钛白粉的应用领域将越来越广，所以钛白粉有着极其宽广的发展和应用前景。
因此钛白粉的生产备受各工业发达国家的重视，与国民经济的发展紧密相关，经济的快速发展，必然给钛白粉工业带来广阔的发展空间[3]。
研究钛白粉的生产，并改进技术方面的问题，是现今阶段的比较首要的课题，本课题是研究钛白粉黑段设计，采用硫酸法生产钛白粉，主要工艺是从原矿经过酸解、沉降、结晶、过滤、浓缩等一系列工艺过程，这在整个钛白粉生产中是比较重要的工序。
本设计的课题研究的是年产两万吨钛白粉的生产，现今国内钛白粉厂都是比较小的生产能力，一般都是几千吨的设计能力，能达到上万吨的能力的都比较少，本课题设计的目的就是为了研究设计能力大的钛白粉生产，这对于整个钛白粉市场来说都是具有重大的意思，有助于推动国内钛白粉工业进步，也进一步利用攀枝花特有的钛资源，生产具有质量和功能的新型钛白粉。
1.1.3国内外现状、水平、发展趋势
鉴于钛白粉的用途广泛，其生产和发展已受到世界各国的重视。
近年来，高档钛白粉受到青睐，而且产品逐渐向功能化和系列化方向发展，尤其是超细TiO2的开发，进一步扩大了其应用范围。
目前市场销售旺盛，具有广阔的市场前景。
当前世界钛白粉工业的发展趋势为：
（1）全球形成超大规模企业的兼并收购浪潮。
（2）在工艺技术方面。
由于氯化法技术先进，对环境友好，故其技术发展趋势将是硫酸法向氯化法转移。
（3）产品销售价格仍存有上涨。
国外钛白粉金红石型占80﹪以上，进入中国的大约80﹪为金红石型，其中氯化法产品占75﹪以上，我国钛白粉进口数量中，每年都占我国钛白粉总销量的40﹪以上，几乎垄断了我国高档和专用钛白粉市场[4]。
该法生产的钛白粉质量好，白度好、遮盖力高、易分散、耐候性良好等特性，通用性也强。
氯化法钛白粉生产比硫酸法生产具有生产流程短、工序少、占地面积小、采用连续式之自动化干法生产、生产技术先进、劳动生产率高、生产能力大、产品质量高、生产成本低、经济效益好、闭路生产、氯气循环使用、派出废料少、三废污染少等诸多优势，以至于国外氯化法钛白生产发展迅速。
国外钛白粉厂设有应用技术实验室，重视应用技术研究，有针对性的开发适销对路的产品，国外提钛白粉厂有的自己的后处理车间，有的还有自己的后处理厂，建立后处理厂的作用是增强钛白粉生产线的灵活性，可以根据市场需要将二氧化钛初品处理成个性化的成品，以满足不同用户的需求[1]。
国外钛白粉厂的生产规模都比较大，都能形成规模效益。
国外大企业钛白粉的特点：
生产高度集中；工厂规模大，生产成本低、经济效益好。
各大公司都形成了从原料到成品的应用完整体系，这样有利于工艺改进、提高产品质量和推广新产品；各大公司很重视技术改进，各自拥有科研和实验室，从事工艺、设备、和新产品的研制；各厂家高度垄断和严密封锁技术，只出售技术，从未公开技术，在报刊资料中也无完整技术介绍；开发以云母包覆钛系珠光颜料、钛白水浆和纳米钛白粉；高度分散性、高耐久性、高光泽、低成本是各大公司追求的永恒目标。
国外开发的钛白粉新品种的特点是光散射能力、光泽、白度、分散性、耐久性等性能的高度统一。
要求具有低吸油量、优异的分散性、高的光学性能和适当的耐久性。
今后全球二氧化钛在质量和品种上的发展趋势，可概括为一下五个方面：
（1）光亮度更高（杂质含量更低）；
（2）底色更蓝（粒径要更小些）；
（3）粒度分布更狭窄；
（4）光泽度更高；
（5）耐候性更好；
钛白粉的主要应用领域是涂料、塑料和造纸行业，其次是油墨和化纤行业。
但这些领域所需要的多是金红石型和有特殊要求的锐钛型钛白粉，在此基础上虽然全行业生产能力不断扩大，产量持续增加，但这种扩张主要是量的扩张，缺少质的提高。
行业整体素质不高，产品结构不合理，技术装备落后，大量中小型钛白粉生产企业产品以低端为主，高端产品至今仍主要依赖进口[8]。
面对这一局面，全行业必须有清醒的认识，积极跟进世界先进生产工艺，紧扣市场脉搏，各生产企业联合行动做大做强整个行业的实力。
并确定适合中国钛白粉行业发展环境的全行业战略，才能与境外强敌相抗衡，求得生存和发展的空间。
我国钛白粉厂点多，规模小，生产能力低，且钛白粉生产技术落后，产品质量差，档次低，满足不了国内用户对高档钛白粉的要求，再次是生产厂家分布区域广，布局分散，生产集约性差，管理水平低，还有资源浪费大，环境污染严重，原材料和能耗高，生产成本高，经济效益低，资金实力有限。
这些都是我国钛白粉工业的致命弱点，因此也就缺乏具有参与全方位市场竞争的实力。
近年来，我国钛白粉工业增长速度惊人，仅次于美国成为全球第二大钛白粉生产国，业内专家指出，我国钛白粉应当抓住当前产销两旺的好时机做大做强，但前提是必须解决行业内存的一些问题。
我国从1954年开始钛白粉研究，至今只有50年历史，这期间通过业内大力研究与开发，钛白粉的生产，无论在生产规模、生产能力、生产方法、生产技术、产品质量，还是在应用领域的扩大和环境污染的治理方面都有了突飞猛进的发展。
在生产技术上，我国主要以硫酸法生产为主；大部分钛白生产厂家在工艺技术、生产设备、自动控制、“三废”治理等方面与国外先进水平相比还有相当的差距；在生产规模上，我国钛白粉生产装置规模偏小，点多分散，造成了能耗和生产成本较高，也导致产品质量不稳定；在原料方面，国内基本上使用的是钛精矿；在产品质量上，国内硫酸法钛白粉以锐钛型产品为主，大部分未经过表面处理，专用产品极少[6]。
今年来，近年来中国钛白粉产量平均每年增长30﹪以上，但是在国际市场上还没有竞争力，也不能满足国内需求，进口钛白粉占我国钛白粉产量的50﹪左右。
其主要原因是产品质量档次低、企业规模小、工艺设备落后、技术开发能力薄弱、没有成规模的原材料基地[9]。
此外，市场竞争不规范，环境保护问题比较严峻。
但是国内钛白粉行业内低水平、低技术含量产品比重过大，小规模企业过多，导致优势产能的扩张没有得到有效的市场实现。
这已成为我国钛白粉工业发展的严峻问题。
为此，首先有增加品种，提高质量档次，其次还要关注并开发新的钛白粉生产方法[16]。
我国钛白粉工业经历40年的发展，如今整体规模和生产水平都有了相当的基础。
钛白粉行业存在的问题是多方面的，但是核心问题是企业缺乏具有竞争力的规模和科技水平[11]。
因此，新时期钛白粉行业应向这两个主方向发展。
我国钛白粉生产已迅速向规模化化发展，今后在通过联合、收购、兼并等整合重组方式将其演变成大型化集团，这样，原材料、装备、生产、品种、品质和开发新品种等整体生产便得到进一步提高，便具有参与全球市场竞争的可能。
总之，我国钛白粉行业前途还是光明的[10]。
1.2设计依据和设计原则
1.2.1设计依据
（1）攀枝花学院生物与化学工程学院下发的《毕业设计任务书》。
（2）各资料文献上查得的基本资料和数据。
（3）相关的国家标准[20]。
大气污染物质排放标准执行GB8978-1996《工业炉窑大气污染物排放标准》。
水体污染物排放标准执行GB8978-96《污水综合排放标准》。
工业噪声执行GB12348-90《工业企业厂界噪声标准》
优质碳素结构钢技术条件GB699-88
普通碳素结构钢GB700-88
低合金结构钢GB1591-88
可锻铸铁件GB9440-88
《化工管道设计规范》HG20695-1987
《玻璃钢管和管件》HG/T21633-1991
《化工用硬聚氯乙烯（PVC-U）管材》GB/T4219-1996
《化工配管用无缝及焊接钢管尺寸系列》HG20553-93（Ⅱ）
《输送流体用无缝钢管》GB/T8163-1999
《工业企业管道工程施工及验收规范》GB50235-1997
《工业金属管道工程质量检验及评定标准》GB50184-1993
《化工金属管道工程及验收规范》GB20225-1995
《不锈钢无缝钢管》GB/T14976-1994
《衬塑钢管和管件》（衬PVC或聚乙烯）HG20538-1992
《碳钢紧衬聚烯烃（PO/CS）防腐蚀系列》Q/WSF01-1996
过程检测和控制流程图例符号和文字代号GB2625-81
自动化仪表选型规定HG20507-92
供配电系统设计规范GB50052-95
1.2.2设计原则
（1）积极贯彻执行国家基本建设的方针政策,严格执行国家和项目所在省、市颁布的标准、规范、规定，使设计做到切合实际，技术先进，经济合理，安全适用；
（2）重视优化设计方案工作，提高设计水平和降低工程投资额；
（3）治理工艺要落实可靠，排出物必须符合国家及地方的“三废”排放标准，并尽可能做到综合利用；
（4）节能与降耗并重，做好工艺余热的回收和水的重复利用，提高水的循环利用率。
1.3设计基础资料
气象条件
（1）气温
年平均气温22.2℃；极端最高温度39.8℃；极端最低温度2.3℃。
（2）气压
年平均气压868kPa；年最高气压89.58kPa；年最低气压86.59kPa。
（3）湿度
年平均相对湿度60.0%；年最小相对湿度6.0%。
（4）日照
年日照时数2512小时；日照百分率57%；全年晴天日数108天；
1.4设计范围
根据生产要求设计2万吨/年硫酸法钛白粉装置、辅助生产装置和公用工程基础。
具体设计内容包括：
酸解工段
（1）酸解工序设计
（2）酸解物料衡算和热量衡算
（3）风扫磨系统、酸解锅及酸解尾气处理系统设计
结晶工段
（1）结晶工段工序设计
（2）结晶工段物料衡算、热量衡算
（3）连续沉降池、结晶器、真空圆盘过滤机以及薄膜浓缩蒸发器的设计
2工程分析
2.1建设项目概况
2.1.1建设项目名称、性质和地点
项目名称：
2万吨／年硫酸法钛白工程
项目性质：
新建
项目地点：
攀枝花市安宁工业园区
2.1.2建设规模、内容
产品方案：
项目建设规模为2万t/a硫酸法金红石型颜料钛白。
原材料的主要技术规格
（1）钛精矿
攀枝花钛精矿的化学组分如下：
化学成份
TiO2
FeO
Fe2O3
MgO
SiO2
Al2O3
CaO
MnO
含量%
〉47.0
34.27
5.85
6.12
<3.0
1.34
0.75
0.65
化学成份
S
Cu
P
V2O5
Ni
Co
Cr
As
含量%
<0.19
0.0052
<0.0049
0.095
0.0087
0.0013
<0.005
0.0077
（2）浓硫酸（98%H2SO4）
质量符合GB534-89一级品，硫酸的化学组分如下：
序号
名称
指标（%wt）
1
硫酸（H2SO4）含量≥
98.0
2
灰份≤
0.03
3
铁（Fe）含量≤
0.01
4
砷（As）含量≤
0.0001
5
铅（Pb）含量≤
0.01
6
透明度≥
50mm
7
色度≤
2.0mL
建设内容：
新建年产2万t/a钛白粉黑段装置及配套公用工程、辅助设施。
3两万吨/年钛白粉生产黑段工艺设计
3.1黑段工艺流程图
废气经处理后排放、
配酸
磨粉
、浸取
浓硫酸、水
酸解
蒸汽、压缩空气
浸取
水、废酸
还原
铁粉小度水
泥浆压滤
沉降
沉降剂
泥浆打浆
真空结晶
圆盘过滤
绿矾去污水处理
真空浓缩
蒸汽浓钛液
图1：
黑段工艺流程图
3.2酸解工段工艺设计
3.2.1原矿粉碎工序
（1）工艺目的
经过精选的钛精矿，粒度不规范且比较粗，为了与硫酸反应能顺利进行并反应完全，提高酸解率，在使用前必须先把它磨细，以增加反应接触面。
粒度越细反应速度越快，反应越完全。
（2）工艺要求
原矿质量要求
a.要求钛铁矿的钛含量尽可能高，一般来讲，钛含量要在45%~60%（以二氧化钛计）；
b.要求钛铁矿中钛成份酸溶性要好，即钛铁矿中金红石含量要低。
一般要求金红石含量要低于3%；
c.要求钛铁矿中的亚铁与高铁含量符合
≥94%，高铁含量应低于13%；
d.必须控制钛铁矿中危害性杂质的含量，如Cr、Co、Al2O3、SiO2的含量及胶体性质对酸解产物的质量和钛液中残渣的沉降效果有极大影响。
矿粉粒度要求
a.要求细，一般来说，与酸解反应所用的硫酸浓度和酸解反应器的大小有关，硫酸浓度低，则矿粉应该细一些，否则反应便不够完全；酸解反应器大，相对来说矿粉可粗一些。
120m3以上的大型酸解锅生产工艺要求细度为325目，筛余15~25%。
b.粒度分布应该窄而均匀，使酸解反应在每一颗粒上差不多同时开始反应和同时完毕。
如果粗细悬殊，则粗颗粒来不及完全反应而总反应已经结束，会增加未反应残渣，而细颗粒则过早反应完毕，就会降低钛液的稳定性，并增加发生早期水解的可能性。
（3）粉碎设备
粉碎设备一般采用雷蒙磨和风扫磨，本流程粉碎设备采用风扫磨，它属于一种卧式球磨机。
有一横卧圆筒，筒中放置研磨介质，通常都是球形的，故称球磨机。
球的直径大小不等。
研磨时加入矿粉，开动磨机使圆筒转动，球与球之间的摩擦使其间的矿粉被研细，粉碎后的物料由空气流携出到分级机进行分级，达到工艺要求粒径的细矿粉被送入酸解工序，粗颗粒返回磨机，继续粉碎[1]。
（4）本工艺流程简述
原料钛铁矿粉由皮带输送机送入磨前贮斗，经星型给料器后由圆盘给料机加入风扫磨中进行粉碎。
磨细矿粉从风扫磨里被空气流带入粗粉分离器，在此处将粗粒从磨细的矿粉中分离出来，并返回到风扫磨再研磨。
符合要求细度的矿粉靠空气流送入旋风分离器并进行分离，含尘气体由风机抽吸，抽出的含尘气体经脉冲除尘器分离后，矿粉由螺旋送入成品料仓储备而气体则分成三个支流：
一部份去磨头做补充风量。
一部分去磨尾做输送矿粉的动力；另一部分由风机排入大气。
钛精矿
排空
皮运机
排风机
粗粉
磨前贮斗
脉冲除尘器
旋风分离器
分级机
给料器
风扫磨
螺旋输送机
成品料仓
去酸解工序
图2：
原矿粉碎工序工艺流程图
3.2.3酸解工序
（1）工艺目的
酸解工艺目的是钛精矿在93﹪的浓硫酸作用下进行酸解生产硫酸氧钛和硫酸钛,然后用废酸和小度水浸取得到酸解钛液,在铁粉的作用下把三价铁还原成二价铁.
（2）酸解工艺原理
钛铁矿主要化学成份是偏钛酸铁，属弱酸弱碱盐，所以用硫酸这样的强酸与它反应，反应基本上是不可逆的，并能够进行得比较完全，若与过量的硫酸反应可生成可溶性的钛盐（包括Ti4+和TiO2+的盐）。
从热力学数据可知，酸解是放热反应。
矿中所含其它矿分的氧化物、硫化物、砷化物、磷酸盐等也被硫酸分解而转入到溶液中，利用溶液的特性，通过物理和化学方法，可有效地把铁、硅、锰、钒、铬等元素与钛分离，制得纯净的成品。
酸解反应中分为主反应、浸取和还原反应，可用下列反应式来表示：
FeTiO3+3H2SO4FeSO4+Ti（SO4）2+3H2O
（1）
FeTiO3+2H2SO4FeSO4+TiOSO4+2H2O+Q（5.84+29）千卡
（2）
Fe2O3+3H2SO4Fe2（SO4）3+3H2O+33.8千卡（3）
Fe2（SO4）3+FeFeSO4（4）
TiOSO4+Fe+H2SO4Ti2（SO4）3+FeSO4+H2O（5）
其中，硫酸氧钛的生成，也可视为硫酸钛初步水解的产物：
Ti（SO4）2+H2OTiOSO4+H2SO4（6）
上述反应是能够发生且可进行得比较完全。
但化学反应是只有活化分子才能参加反应，要达到钛铁矿的活化能，就必须使其分子活化。
由于硫酸稀释时释放出大量的热能，所以就先利用硫酸的稀释热来引发反应，然后再利用其自身反应所放出的反应热来完成钛铁矿的分解反应[17]。
（3）本工艺流程简述
来自硫酸计量槽中一定数量的硫酸，与来自称量槽中经准确计量的钛铁矿粉在预混合槽内通过机械搅拌，混合均匀后放入酸解反应罐中，据工艺情况可采用以下两种方法启动酸解反应：
a.工艺水启动：
在酸解罐中加入来自水计量槽经准确计量的一定数量的水，酸被稀释放出的热量使混合物的温度升高，到一定温度时开始发生酸解反应。
b.20%左右废酸启动：
在酸解反应罐中加入废酸计量槽中经准确计量的一定数量的废酸，此时酸稀释放出的热量足以发生酸解反应。
上述两种情况下均可发生酸解反应，反应中产生的气体经酸解喷淋烟囱排入大气，所用喷淋水经循环水池用泵送入喷淋烟囱，喷淋后的水回流至循环水池。
其循环水池的水达到一定酸度后送入废水处理系统进行处理，补充水由水站供应或工艺废水进行补充。
经15分钟左右的酸解反应后，产物进行1.5~2小时的熟化，然后加一定量的水进行浸取操作，加水时间为2小时。
在加水1小时后，使用铁粉进行三价钛铁离子还原，2小时内加水至要求的料位，补充铁屑由吊篮经电动葫芦浸入溶液中，尔后进行6~8小时的还原反应。
还原期间，调节压缩空气量控制料液温度不得超过70℃，还原结束后取样送化验室，制备好的钛液送入后工序沉降槽。
矿粉来自矿粉料仓工艺水20%酸
矿粉计量槽
93%酸计量槽
水计量槽
20%酸计量槽
预混合槽
大气
工艺水压空蒸汽铁粉小度水
酸解罐烟囱
喷淋水
酸解罐
分布缸
93%酸泵
喷淋泵
循环水槽
93%酸贮槽
澄清槽
图3：
酸解工序工艺流程图
3.2.3沉降/泥浆压滤工序
（1）工艺目的
沉降是借助于重力作用，除去钛液中不溶性杂质和胶体颗粒，将钛液初步净化，通过沉降除去杂质，可提高副产品硫酸亚铁的质量并加快它的过滤速度，同时胶体颗粒如不除去，在以后的水解时便成为一种无一定组成和数量的晶核，会影响水解过程、水解产物的组成和结构、水洗的难易程度及最终产品质量。
（2）基本原理
沉降是利用重力作用使体系中的悬浮固体颗粒沉降下来。
为了加速沉降过滤，同时加入带相反电荷或大量极性基团的溶胶与固体颗粒、胶体等产生共沉淀，以除去钛液中不溶性杂质和胶体杂质。
沉降的一般方法按操作分类，沉降的方法可分为间歇法和连续法两类。
间歇法是将钛液在压缩空气的搅拌下，加入一定量的沉降剂，待其分散均匀后，将钛液静置，使固相物自然沉降，经过一定时间后测定澄清效果，达到工艺要求后，根据不同的工艺路线，或吸取上层清液到厢式压滤机进行热过滤后再送至后
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