1、 南华大学化学化工学院毕业设计第 1 页 共 44 页毕业设计（论文）钛白粉酸解水解工段工序设计南华大学化学化工学院毕业设计第 2 页 共 44 页毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日 期： 使用授权说明本人完全了
2、解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 南华大学化学化工学院毕业设计第 3 页 共 44 页第一章 概论1.1 设计的目的1 巩固和运用所学的课程知识、理论联系实际，培养工艺观点；训练、观察、分析和解决工程实际问题及独立工作能力。2掌握钛白粉生产酸解工段的知识和技能，学习和操作控制与生产管理的有关知识。3毕业设计是高等工科学
3、校教学计划的重要组成部分，是培养学生开展科研，综合运用的所学知识和技能，提高分析和解决本专业范围内的一般工程技术问题的能力的重要教学环节。1.2 设计的实际意义通过毕业设计应使学生获得工程师所必须的初步的综合训练，在不同的程度上提高调研，查阅文献和收集资料的能力，分析和制定设计或实验方案的能力，设计，计算，绘图和使用工具书的能力，技术经济的分析和组织工作的能力，撰写论文或说明书的能力等。1.3 设计的课程本设计的课题为“年产 1 万吨钛白粉厂酸解水解工序的工艺设计”1.4 设计依据1中盐珠化钛白粉厂生产经验数据；2硫酸法钛白粉生产工艺 ；3 无机盐工艺学钛白粉章节；1.5 设计方案及生产规模根
4、据中盐珠化钛白粉厂已有生产经验，结合所学工艺设计课程进行初步设计1年生产力：折算成 100锐钛型钛白粉吨2年工作时间：300 天3日产量：按 100的钛白粉计划吨1.6 设计任务1对生产钛白粉的酸解工段提出流程设计2. 对生产钛白粉的水解工段提出流程设计南华大学化学化工学院毕业设计第 4 页 共 44 页2对该工艺流程进行物料衡算3对该工艺流程的主要设备提出设计和选型4绘制带控制点的工艺流程图第二章绪论2.1 钛白粉的发展简史二氧化钛俗称钛白，它不但物理性质十分稳定，而且还具有良好的光学、电学性能和卓越的颜料特性，是当前一种最佳的白色颜料。它的一些其它特性也使它在现代工业、现代农业、现代国和现
5、代科学技术方面得到越来越广泛的应用。有关钛白粉的制备和性能的研究，始于 1824 年，由于提取的困难和寻求适当的用途，直到 1910 年在钛元素发现 100 年后，才分别由挪威的杰布森与法鲁普，法国的罗西和美国的巴顿共同完成了用硫酸法及熔融法从钛铁矿中制备二氧化钛的生产工艺研究。1916 年在挪威的菲特烈斯得建成了世界上第一个年产1000 吨含 25的二氧化钛的复合颜料厂。1918 年美国的钛颜料公司在尼亚加拉瀑布成功建厂，并于 1919 年开始生产二氧化钛复合颜料。再此期间，由于一战和当时硫酸法工艺存在缺陷，使得二氧化钛工业的发展速度非常缓慢。19211923 年，法国的布卢姆菲尔德首创采用
6、稀释法晶种对钛的硫酸盐溶液水解制备水合二氧化钛的工艺进行了重大改革，由法国的塞恩兹公司于 1923 年采用并生产出含有 9699 的颜料钛白。至于纯的 的生产，是由2Tio2Tio美国的国家铅业公司在 1925 年完成的。1930 麦克伦堡采用外加碱中和晶种，对硫酸盐水解法制备钛白的工艺作了又一次改革，接着硫酸法的工艺从各方面得到不少改进，更趋完善，促使钛白粉的成本不断降低而产品质量大幅度提高，远远超越了其它白色颜料，至 1951 年加拿大魅北克铁钛公司开始认高品位高钛渣为硫酸法钛白的颜料，为钛白生产减少了废副产品，并提供了新的原料路线。南华大学化学化工学院毕业设计第 5 页 共 44 页钛白
7、粉的初始生产几乎都是锐钛型的，金红石型被认为难以人工制造。1930-1937 年，在捷克用晶种法水解钛的硫酸盐溶液及四氯化钛加热的加热方法首先制出了金红石型钛白粉，从 1941 年起美国组织了金红石型二氧化钛工业规模的生产，并向市场提供了产品。七十多年来，硫酸生产钛白粉虽有成千上万的专利和改进，但其基本工艺仍未脱离 1910 年的雏形，钛白生产的工艺流程长，操作要求精细，生产技术繁杂，几乎要使用所有的化学单元设备，侧线手段要求多，建厂投资也很高，这是由于钛白粉的生产不仅要求化学纯度高，而且尚须具有确定的晶型，化学性质和其它应用性能。上述特点使钛白粉工业目前仍集中在少数工业技术先进的国家内生产，
8、其规模多在 2-10 万吨/年之间。目前世界约有二十多个国家，五十多家公司，一百多家工厂生产钛白粉。我国钛白粉生产始于 50 年代，70 年代初南京油脂化工厂利用化工部涂料工业的研究所的技术，开始生产金红石型的钛白粉，为了综合利用我国攀枝花的矾钛磁铁矿资源，1981 年化工部涂料工业研究所与化工部第三设计院和现江苏太白集团合作，在该厂进行的认攀矿为原料生产 500 吨涂料用金红石型硫酸法钛白粉中间试验，获得了用攀矿生产涂料用金红石型钛白粉的技术基础。自70 年代开放以来，钛白粉行业与国外同行接触频繁，发现我国钛白粉生产与国外差距很大。因此引进先进技术以加快提高我国钛白粉生产工业水平，到 80
9、年代初，全国约有 30 多家钛白粉生产单位。2.2 世界钛白粉的发展状况及产品设计意义1.世界钛白粉的发展状况及产品设计意义二氧化钛(或称钛白粉)广泛用于各类结构表面涂料、纸张涂层和填料、塑料及弹性体，其它用途还包括陶瓷、玻璃、催化剂、涂布织物、印刷油墨、屋顶铺粒和焊剂。据统计，2006 年全球二氧化钛需求达 460 万吨，其中涂料行业占 58%、塑料行业占 23%、造纸10%、其他 9%。钛白粉既可用钛铁矿、金红石制取，也可用钛渣制取。钛白粉生产工艺有两种：即硫酸盐工艺和氯化物工艺,硫酸盐法的技术比氯。化物法简单，可以用品位低和比较便宜的矿物。目前世界上约有 47%产能采用硫南华大学化学化工
10、学院毕业设计第 6 页 共 44 页酸盐工艺，53%产能为氯化物工艺。世界上第二大钛白粉生产商-美国千禧化学公司日前表示，未来几年全球钛白粉需求增速将超过产能增长速度，从而推动钛白粉装置开工率升高，预计 2010 年-2011 年世界钛白粉开工率达到 90%左右。莱昂德尔化学公司无机化学品副总裁 Gary Cianfichi 在巴塞罗那最近召开欧洲钛白粉年会上表示，全球钛白粉开工率已由 2004 年的 90%以上降低至目前的 87%-88%水平，预计未来市场将进一步转好，未来 5 年需求增速平均为 2.8%/年，而供应增速仅为 1.9%/年。目前世界钛白粉产能已由 2005 年的400 万吨/
11、年增加至 530 万吨/年，且主要集中在中国，据估计中国钛白粉产能已达 75 万吨/年。新增产能很少，主要有莱昂德尔公司的投资 2000 万美元的法国 Thann 超细钛白粉项目，Tronox 和 Kumba Resources 公司 50/50 比例的合资公司 Tiwest 计划投资 3500-4500 万美元对位于澳大利亚 Kwinana 生产厂扩能 4-5 万吨/年，计划 2009 年之前完工。亨兹曼化学公司目前正在对英国 Greatham 投资 8000 万美元新建一座 5 万吨/年钛白粉厂，将采用 Icon 技术。杜邦公司已经与中国方面签订协议，在 2010 年之前在中国东营建设一座
12、20 万吨/年新厂。钛白粉是目前最佳的、无可替代的白色无机化工颜料。由于工业化国家与发展中国家的差距,钛白粉的主要生产商均集中在欧美等发达国家和地区,近 80%的生产能力和市场占有量为不到 10 家的生产商所垄断(杜邦、美利联、科美基、亨兹曼、克洛朗斯、石原、克米娜、撒其宾)。2002年全球钛白粉生产能力约 460 万吨,市场价值约 100 亿美元。2.3 厂址选择的原则由于硫酸法生产钛白粉所生产的废水、废气、废渣对环境污染严重，且需水、矿量大，在厂址选择是应遵循以下原则：(1)厂址应选在原料，燃料供应和产品销售便利的地区，并在存储，机修，公用工程和生活设施等方面具有良好协作条件的地区。(2)
13、厂址应靠近水量充足和水质良好矿水源区。(3)应有便利矿交通条件，最好靠近铁路和河流。南华大学化学化工学院毕业设计第 7 页 共 44 页(4)选厂址是注意当地自然环境条件，并对提产后对环境可能造成的影响做出评估，生产去和居民区应同时确定。(5)厂址不占或少占耕地，自然地形应有利于厂房和管线的布置，交通联系和场地排水。2.4 钛白粉厂设计以钛铁矿或富钛料(包括钛渣，酸溶性钛渣、天然和人造金红石)为原料，用硫酸法或氯化法生产钛白粉的稀有金属冶炼厂设计。2.4.1 简史 硫酸法生产钛白粉的工厂设计，开始于 20 世纪 30 年代，到 1950 年只设计了 3家钛白粉厂。19501960 年，新设计的
14、硫酸法钛白粉厂有 20 余家，总产量达到 120.4 万 ta。用氯化法生产钛白粉厂的建设始于 1958 年，其后，类似工厂相继出现。到 1985 年，钛白粉厂总生产能力约达 300 万 ta，其中硫酸法约占 60，氯化法占 40。中国从 60 年代开始，先后设计建成了 30 多个钛自粉厂，1989 年开始设计年产 15000t 的钛白粉厂。2.4.2 车间组成与配置 硫酸法钛白粉厂的主要车间有酸解车间、水解车间、焙烧车间、后处理车间和综合回收车间。氯化法钛白粉厂有富钛料车间(多数厂家不设)、富钛料氯化车间、四氯化钛精制车间、氧化车间和后处理车间。氯气和硫酸贮库要单独布置，与生产厂房保持一定的
15、距离，满足安全技术规程的要求。氧化车间的尾部与氯化炉要靠近，防止氯气循环过程堵塞。粗四氯化钛除钒设施要靠近氯化厂房，便于钒渣返回处理。天然气、燃料油和制氧站都要单独布置在一个区域。后处理车间布置在厂区的上风向，防止废气污染产品。副产品回收和“三废”处理可以集中布置。2.4.3 设计规模 南华大学化学化工学院毕业设计第 8 页 共 44 页国外钛白粉厂的设计规模多在年产 30000t 以上。20 世纪 80 年代末，最大的达到年产 288000t，只有日本等少数国家钛白粉厂的设计规模为年产1500020000t。中国硫酸法钛白粉厂的设计规模达 6000t。新建氯化法钛白粉厂，一般年产 15000
16、t 以上，并留有发展的余地。2.4.4 产品方案 设计产品品种随应用领域的扩大逐步增多，国外钛白粉产品有 700 多个牌号，其中应用于涂料工业的约占一半。钛白粉产品品种一般以通用型为主，销量小的特殊品种为辅。为考虑多品种方案，设计应留有余地。20 世纪 80 年代末，欧洲、美洲、亚洲和太平洋地区钛白粉的消费分配率为：涂料工业占5567；塑料工业占 1416；造纸工业占 620；橡胶工业占15；油墨、纺织、陶瓷和其他工业占 815。产品按晶型分类，有金红石型和锐钛型两种。金红石型产品的产量约占 70。中国钛白粉产品的牌号，按颜料的晶型划分：锐钛型二氧化钛有 BA0101 和 BA0102；金红石
17、型二氧化钛为 RA0103。1989 年新设计的钛白粉厂产品牌号又增加了CR500、CR501、CR502、CR530 和 CR520 等(C 代表中国，R 代表金红石型)。2.5 二氧化钛的性质2.5.1物理性质是一种白色粉末，在自然界中有三中结晶形态：板钛型、锐钛型、金2Tio红石型；但在工业制品中只有锐钛型（A）和金红石型（R） 两种。在这三种晶型中，板钛型最不稳定，加温到 650时即直接转换为金红石型。锐钛型较为稳定，但在高温下也会转变金红石型，金红石型最稳定，它不会再转化，晶体结构也最致密，因此它的硬度、比重、介电常数、折光指数等也是最高的。折光指数= sin/颜料 作为一种白色的颜
18、料，指的是它的白度。遮盖力 指颜料能遮盖被涂物体表面底色的能力。南华大学化学化工学院毕业设计第 9 页 共 44 页耐侯力 指颜料在日光的曝晒下，能抵抗大气的作用，避免发生色变、失光和粉化的能力。消色力 指一种颜料和另一种颜料混合后，能保持原有颜色，消除另一种颜色的能力。 着色力 指一种颜料和另一种颜料混合后，能使混合物是它本身的颜色的能力。吸油量 指 100 g 的颜料完全湿润时，所需的用油的最低克数2.5.2化学性质钛白粉学名二氧化钛，是一种多晶型化合物。二氧化钛是一种无毒的生理惰性物质，化学性质很稳定，在常温下几乎不与其它物质反应，分子式为，分子量为 79.92Tio不溶于水，有机酸和弱
19、无机酸，能溶于氢氟酸生成氟钛酸： 2262 TiO6HFTiO在长时间煮沸的情况下，溶于浓硫酸，生成硫酸钛和硫酸氧钛，反应式如下： 24424()TiSTiSOHOH其溶解速度常和生产 时的煅烧温度有关，一般煅烧温度越高则溶解速2io度越慢。为了加速溶解可在硫酸中加硫酸铵、碱金属的硫酸盐或过氧化氢。与酸式硫酸盐（如 ） 或焦硫酸盐（如焦硫酸钾）共熔，即转变为2Tio4KS可溶性的硫酸氧钛： 244242TiOHTiSOKH能微溶于碱，与强碱或碱金属硫酸盐熔融，可转化为可溶于酸的钛酸盐：2Tio2424TiNaTi南华大学化学化工学院毕业设计第 10 页 共 44 页2342TiONaCTiOC
20、在高温下，如有还原剂存在，钛白粉能被氯气氯化成 ：4icl224icli钛白粉在高温下可被氢、钠、镁、铝、锌、钙及某些变价的元素的化合物还原成低价钛的化合物，但很难还原成金属钛2.5.3 二氧化钛的用途1冶金：钛基合金的特点是耐高温、耐腐蚀、比重轻、机械强度高，因而在国防工业中广泛用作制造飞机、火箭、导弹、和人造卫星的材料。这种耐高温的合金可以利用 经过还原反应来制备，但也可以用海绵钛（金属钛）来2Tio炼制，因此这方面需要也日趋减少。2涂料：涂料是一种由有机物或其它介质组织的粘稠悬浮液，它涂布在物体表面后会干燥固化而形成一层坚韧的涂膜，对物体起防护和装饰的作用。为了美观，常加入不同色泽的颜料
21、。由于 是一种最佳的白色颜料，因此适2Tio用于制造各种白色或浅色的颜料，世界上钛白粉的消耗量有 60以上是用于制造各种涂料。3制造玻璃：二氧化钛本身是一种氧化剂，更是一种很好的紫外线吸收剂，和 CeO 配合使用，产生多种美丽颜色。 4电子陶瓷： 的介电常数很高，因此已成为各种电子陶瓷的重要原料2Tio之一。它的使用范围正在不断扩大，由于某些杂质对钛白粉的介电常数影响很大，因此要控制铁、铝、锑、钾、钠、钙、镁、硅、硫、磷等杂质的含量，还要控制它的表面积、比重、细度。5电焊条： 是电焊条外层药皮的主要成分，它的主要作用是稳定电弧2Tio不使其发生爆溅，同时由于这种溶渣的熔点较低，使溶渣黏度降低，从而降低焊条上的金属溶滴的表面张力，使焊缝更为紧密。其次，溶渣覆盖在焊接表面可形成保护膜，使空气隔绝，防止了金属的高温氧化。最后，它还能使 焊缝容易脱渣。
