唐文騫,劉 麗
(中海油山東化學(xué)工程有限責(zé)任公司,山東 濟(jì)南 250013)
鈦白工程設(shè)計(jì)中過(guò)濾與分離設(shè)備選型及優(yōu)化
唐文騫,劉 麗
(中海油山東化學(xué)工程有限責(zé)任公司,山東 濟(jì)南 250013)
在硫酸法鈦白生產(chǎn)過(guò)程中涉及到多個(gè)化學(xué)單元操作過(guò)程,其中過(guò)濾分離是一個(gè)重要的單元操作過(guò)程,其生產(chǎn)工序包括熱過(guò)濾、硫酸亞鐵分離、一次水洗、二次水洗、鹽處理后的漿料脫水、三次水洗等,所用設(shè)備包括管式過(guò)濾機(jī)、壓濾機(jī)、葉濾機(jī)、真空轉(zhuǎn)鼓過(guò)濾機(jī)、離心機(jī)等。對(duì)各工序在設(shè)備選型、工程造價(jià)、建筑面積、運(yùn)行成本以及分離效果等方面作出技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析,以期能對(duì)鈦白企業(yè)在過(guò)濾分離工序選擇合理的工藝路線和設(shè)備有所幫助,以提高企業(yè)節(jié)能降耗的水平。
鈦白;過(guò)濾與分離;設(shè)備選型
硫酸法鈦白生產(chǎn)中涉及到多個(gè)化學(xué)單元操作過(guò)程,其中過(guò)濾分離是一個(gè)重要的單元操作過(guò)程,與此相關(guān)聯(lián)的生產(chǎn)工序有熱過(guò)濾、硫酸亞鐵分離、精濾、偏鈦酸一次水洗、二次水洗、鹽處理后的漿液脫水、包膜后的水洗等,其使用的設(shè)備有管式過(guò)濾機(jī)、壓濾機(jī)、葉濾機(jī)、真空轉(zhuǎn)鼓過(guò)濾機(jī)、離心機(jī)等,如何根據(jù)各工序的具體要求合理地選用設(shè)備是擺在鈦白工作者面前的一項(xiàng)重要課題。筆者對(duì)鈦白生產(chǎn)過(guò)程中過(guò)濾與分離單元操作所涉及到的幾個(gè)工序在設(shè)備選型、工程造價(jià)、建筑面積及分離效果等方面進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析,以期能對(duì)正確選擇工藝技術(shù)路線和設(shè)備選型有所幫助。
酸解制得的黑鈦液屬于極其復(fù)雜的懸濁體系,里面既含有未分解的鈦鐵礦,也有沒(méi)參加反應(yīng)的白石、長(zhǎng)條石、石英砂等固體細(xì)小顆粒,也有硅、鋁等元素形成的膠體雜質(zhì)顆粒,另外還有大量硫酸鹽類等可溶性雜質(zhì)。尤其是中國(guó)的鈦白生產(chǎn)企業(yè),基本沒(méi)有固定的礦源,按市場(chǎng)供求關(guān)系采購(gòu)鈦鐵礦,礦源來(lái)源復(fù)雜,造成黑鈦液成分相當(dāng)復(fù)雜,特別是硅、鋁等元素形成的膠體雜質(zhì)以及鈦液早期水解產(chǎn)生的微量二氧化鈦溶膠等。這些雜質(zhì)顆粒在自然沉降過(guò)程中不可能全部沉降下來(lái),一旦帶到結(jié)晶工序會(huì)使鈦液的黏度增大,影響硫酸亞鐵分離工序中七水硫酸亞鐵的分離效果,造成硫酸亞鐵中殘鈦量偏高,這將嚴(yán)重影響產(chǎn)品的收率。故近10年來(lái)鈦白生產(chǎn)企業(yè)增加鈦液的熱過(guò)濾工序是很有必要的。
熱過(guò)濾工序的過(guò)濾設(shè)備一般選用壓濾機(jī),壓濾機(jī)屬于液固分離的老產(chǎn)品,在此不予贅述。從2012年以來(lái),有的企業(yè)(如江西添光等)選用管式過(guò)濾機(jī)在熱過(guò)濾中應(yīng)用,取得了可喜的成果,現(xiàn)介紹如下。
管式過(guò)濾機(jī)系統(tǒng)由罐體裝置、預(yù)涂裝置、計(jì)量裝置、程控裝置、定期清洗裝置、減壓裝置、系統(tǒng)管線、泵閥及控制儀表組成,其中罐體裝置還包括噴淋裝置、反吹反洗裝置、緩沖裝置、防膨脹裝置、濾芯元件裝置、濾芯懸掛及配重裝置、電伴熱裝置、搓洗裝置等。
操作流程:1)過(guò)濾過(guò)程,充液排氣→預(yù)反吹→預(yù)搓洗→預(yù)涂循環(huán)→預(yù)過(guò)濾→過(guò)濾→反吹→排渣→噴淋→下一循環(huán)開(kāi)始;2)定期清洗過(guò)程,充稀酸→反洗、正洗→反吹→搓洗→排放→充清水→反洗、正洗→反吹→搓洗→排放。
熱過(guò)濾設(shè)備選型方案比較見(jiàn)表1。
表1 5萬(wàn)t/a鈦白生產(chǎn)裝置熱過(guò)濾設(shè)備選型方案比較
從表1可見(jiàn),管式過(guò)濾機(jī)與板框式壓濾機(jī)相比其設(shè)備費(fèi)用基本持平,但電耗相差較大,管式過(guò)濾機(jī)的電耗是板框式壓濾機(jī)的1/2。同時(shí),管式過(guò)濾機(jī)的過(guò)濾精度能夠達(dá)到1×10-5以下,這個(gè)過(guò)濾精度可以達(dá)到采用板框式壓濾機(jī)進(jìn)行熱過(guò)濾+精過(guò)濾2個(gè)工序的要求,同時(shí)管式過(guò)濾機(jī)還具有自動(dòng)化程度高、工人勞動(dòng)強(qiáng)度低、占地面積少等優(yōu)點(diǎn),其優(yōu)勢(shì)相當(dāng)明顯。
黑鈦液中的硫酸亞鐵結(jié)晶后是以FeSO4·7H2O的形式存在的,其結(jié)晶方法有真空結(jié)晶法和冷凍結(jié)晶法兩種,在目前的工業(yè)生產(chǎn)中一般采用真空結(jié)晶法。真空結(jié)晶法由于降溫速度快、晶體成長(zhǎng)時(shí)間短、攪拌強(qiáng)度大,所以得到的硫酸亞鐵顆粒較小,一般為0.1~0.8mm(顆粒小,對(duì)過(guò)濾設(shè)備要求比較高,給設(shè)備選擇增加難度)。硫酸亞鐵的分離屬于固液分離,可以選擇以真空方式為動(dòng)力的真空抽濾機(jī)和圓盤真空過(guò)濾機(jī),或者選擇以離心方式為動(dòng)力的離心機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)硫酸亞鐵與黑鈦液的分離。在目前的鈦白生產(chǎn)線上,年產(chǎn)萬(wàn)噸以上規(guī)模的企業(yè)已不適用真空抽濾,筆者著重介紹圓盤真空過(guò)濾機(jī)和離心機(jī)兩種分離設(shè)備。
1)圓盤真空過(guò)濾機(jī)。其規(guī)格有8、14、18、20、25m2等,單機(jī)鈦白生產(chǎn)能力為1.5萬(wàn)~3.0萬(wàn)t/a,材質(zhì)用00Cr17Ni14Mo2,內(nèi)襯聚丙烯,濾布為聚丙烯,過(guò)濾機(jī)驅(qū)動(dòng)器為無(wú)級(jí)調(diào)速。
2)離心機(jī)。離心分離是依靠慣性離心力的作用而實(shí)現(xiàn)分離的過(guò)程。中國(guó)的硫酸法鈦白生產(chǎn)企業(yè)在硫酸亞鐵的分離上使用過(guò)多種離心機(jī),如三足式離心機(jī)、虹吸式刮刀卸料離心機(jī)、臥式活塞推料離心機(jī),還有引進(jìn)德國(guó)克勞斯·瑪菲(KraussMaffei)公司的雙支撐臥式刮刀卸料離心機(jī)等。考慮到現(xiàn)有工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用情況,主要介紹臥式活塞推料離心機(jī)和雙支撐臥式刮刀卸料離心機(jī)兩種。
臥式活塞推料離心機(jī)是自動(dòng)操作、連續(xù)加料、脈沖式卸料的一種離心機(jī)。該設(shè)備一般要求固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于24%,因此用于硫酸亞鐵的分離時(shí)需要在前面增設(shè)一臺(tái)增稠器,以提高鈦液中的固體含量。臥式活塞推料離心機(jī)的型號(hào)為HR型。
雙支撐臥式刮刀卸料離心機(jī)屬于大型離心機(jī),中國(guó)很少生產(chǎn),應(yīng)用也很少,典型代表為引進(jìn)生產(chǎn)線中購(gòu)買的德國(guó)克勞斯·瑪菲公司的產(chǎn)品。濟(jì)南裕興鈦白工程曾引進(jìn)Ф2050刮刀式卸料離心機(jī),黑鈦液分離后的硫酸亞鐵含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%~7%,單機(jī)應(yīng)用分離效果好。這種離心機(jī)與中國(guó)產(chǎn)虹吸式刮刀卸料離心機(jī)結(jié)構(gòu)基本相同,不同之處是沒(méi)有虹吸口,轉(zhuǎn)鼓分離出來(lái)的鈦液由轉(zhuǎn)鼓外的機(jī)殼收集后靠重力自流排出,其余在原理上與虹吸式刮刀卸料離心機(jī)是一致的。硫酸亞鐵分離設(shè)備選型方案比較見(jiàn)表2。
表2 5萬(wàn)t/a鈦白生產(chǎn)裝置硫酸亞鐵分離設(shè)備選型方案比較
從表2可見(jiàn),采用引進(jìn)德國(guó)克勞斯·瑪菲公司的Ф2050離心機(jī),具有一次過(guò)濾性能好、電耗低的特點(diǎn),但是設(shè)備造價(jià)昂貴而且零部件損耗及維護(hù)費(fèi)用高,目前中國(guó)使用此設(shè)備的廠家較少。中國(guó)企業(yè)為了保證硫酸亞鐵分離后具有低的含水量一般采用兩級(jí)分離,即一級(jí)采用圓盤真空過(guò)濾機(jī)、二級(jí)采用RH630-N離心機(jī),能夠確保硫酸亞鐵產(chǎn)品含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)在5%~7%,又具有較為經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行成本。
3.1 水洗的要求
水解后偏鈦酸漿液的化學(xué)組成:TiO2,160~180 g/L;H2SO4,22~30 g/L;FeSO4·7H2O,200~250 g/L。這種懸浮體系是比較容易進(jìn)行固液分離的。但是,由于水合二氧化鈦表面吸附著大量的母液,而母液中含有大量的硫酸亞鐵及鎂、鋁、鉻、釩、錳、銅、鉛等金屬的硫酸鹽,這些雜質(zhì)的存在會(huì)嚴(yán)重影響最終產(chǎn)品的光學(xué)性質(zhì)、顏料性能及應(yīng)用性能,因此必須除去這些雜質(zhì)。可以采用水洗的方式將雜質(zhì)除去,稱之為一次水洗,其指標(biāo)是偏鈦酸中含鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.01%(以TiO2為100計(jì))。
偏鈦酸經(jīng)過(guò)一次水洗后很難將雜質(zhì)離子含量洗到很低的濃度。而且,在水洗的過(guò)程中偏鈦酸中的一些金屬離子,特別是Fe2+,在水洗的后期可能會(huì)因?yàn)樗岫鹊慕档投趸蒄e3+,并形成部分的Fe(OH)3沉淀夾雜在濾餅中無(wú)法除去,影響濾餅中的鐵含量。因此,在一次水洗后都配置了一道漂白工序,就是將水洗偏鈦酸打漿后加入濃硫酸和還原劑,把一次水洗過(guò)程中形成的金屬沉淀重新溶解為離子狀態(tài),高價(jià)氧化物(主要是鐵)還原為低價(jià)氧化物,再進(jìn)行第二次水洗(也稱漂洗)進(jìn)而達(dá)到凈化偏鈦酸的目的。二次水洗物料含鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)低于0.003%(以TiO2為100計(jì))。
3.2 水洗設(shè)備選型
偏鈦酸洗滌與過(guò)濾屬于固液分離范疇,其水洗設(shè)備通常選用真空葉濾機(jī)、真空轉(zhuǎn)鼓過(guò)濾機(jī)和離心機(jī),目前大多使用真空葉濾機(jī)和大型隔膜壓濾機(jī)。根據(jù)現(xiàn)有工業(yè)應(yīng)用情況,著重介紹真空葉濾機(jī)和隔膜壓濾機(jī)兩種型式。
1)真空葉濾機(jī)水洗?,F(xiàn)有引進(jìn)生產(chǎn)線所用的葉濾機(jī)每組均為180m2。一些廠家制作的葉濾機(jī)組為200、268m2,此種機(jī)組使用效果不錯(cuò),中國(guó)的制造廠商并不多,比較有代表性的為山東鄒平天利鈦塑廠,其葉濾機(jī)圖紙為國(guó)外圖紙的改進(jìn)版,其優(yōu)勢(shì)是擁有自己的鈦白粉生產(chǎn)線,并根據(jù)自己的生產(chǎn)線開(kāi)發(fā)了大、小型葉濾機(jī)組。
2)隔膜壓濾機(jī)水洗。1992年英國(guó)Tioxide公司在馬來(lái)西亞的一座5萬(wàn)t/a生產(chǎn)線上率先將德國(guó)連恩舍(Lenser)的隔膜壓濾機(jī)用于鈦白生產(chǎn)中的水洗,取得了滿意的效果。2001年中國(guó)龍蟒、東佳引進(jìn)德國(guó)連恩舍(Lenser)的隔膜壓濾機(jī)應(yīng)用于鈦白生產(chǎn)中的水洗工序取得了初步成效。隨后中國(guó)產(chǎn)景津等牌號(hào)的壓濾機(jī)也應(yīng)用于鈦白生產(chǎn)中的水洗,其效果與國(guó)外壓濾機(jī)相媲美,壓濾機(jī)在鈦白行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用,可以說(shuō)在鈦白水洗工序國(guó)產(chǎn)壓濾機(jī)與傳統(tǒng)的葉濾機(jī)呈“平分秋色”的局面。一、二次水洗過(guò)濾設(shè)備選型方案比較見(jiàn)表3。
表3 5萬(wàn)t/a鈦白生產(chǎn)裝置一、二次水洗過(guò)濾設(shè)備選型方案比較
從表3可見(jiàn),一、二次水洗選用壓濾機(jī)與葉濾機(jī)相比具有投資省、運(yùn)行成本低和水耗少等優(yōu)點(diǎn)。鈦白生產(chǎn)過(guò)程一、二次水洗采用壓濾機(jī)還是葉濾機(jī)是有爭(zhēng)論的,自2001年壓濾機(jī)應(yīng)用于鈦白生產(chǎn)以來(lái)其爭(zhēng)論從未停止過(guò),曾一度認(rèn)為壓濾機(jī)洗滌液分布不均勻,洗滌效果欠佳,所以葉濾機(jī)優(yōu)于壓濾機(jī)?,F(xiàn)在,壓濾機(jī)流道有了改進(jìn),洗滌效果大有提高,壓濾機(jī)和葉濾機(jī)可相媲美。選用何種機(jī)型,業(yè)主可根據(jù)自身情況酌情選定。
偏鈦酸經(jīng)過(guò)鹽處理后呈黏稠的漿液狀態(tài)。偏鈦酸進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行煅燒的過(guò)程中,首先要用大量的熱量將偏鈦酸中的水分蒸發(fā)掉,然后才能開(kāi)始脫硫和晶型轉(zhuǎn)化,因此進(jìn)窯的偏鈦酸含水量越低越能節(jié)省煅燒的能耗。同時(shí),偏鈦酸含水量低還可以加快在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的脫水速度,脫硫區(qū)也可以提前,這樣可以提高回轉(zhuǎn)窯的產(chǎn)量。因此,在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中,人們?cè)絹?lái)越重視回轉(zhuǎn)窯進(jìn)料前偏鈦酸的機(jī)械脫水。
脫水的方法有離心機(jī)脫水、葉濾機(jī)脫水、真空轉(zhuǎn)鼓過(guò)濾機(jī)脫水和隔膜壓濾機(jī)脫水。
1)離心機(jī)脫水。離心機(jī)脫水一般使用三足式離心機(jī)。在離心機(jī)的轉(zhuǎn)鼓內(nèi)鋪好濾布,將鹽處理后的漿液加入到離心機(jī)內(nèi),開(kāi)啟離心機(jī),將漿液中的水分通過(guò)離心力分離。分離過(guò)程完畢后,人工將轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的偏鈦酸鏟出,送至窯前物料的儲(chǔ)槽,用螺桿泵或者擠壓泵送至回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行煅燒。
2)葉濾機(jī)脫水。鹽處理后物料脫水使用的葉濾機(jī)和前面介紹的水洗葉濾機(jī)屬于同一種設(shè)備,用在這個(gè)工序就是重復(fù)一下葉濾機(jī)水洗的上片過(guò)程。上片到一定的厚度以后將葉濾機(jī)吊起,行至窯前儲(chǔ)槽上部或卸片槽上部,抽干一段時(shí)間后直接將濾餅卸下,通過(guò)擠壓泵或螺桿泵將其送入回轉(zhuǎn)窯內(nèi)。
3)真空轉(zhuǎn)鼓過(guò)濾機(jī)脫水。真空轉(zhuǎn)鼓過(guò)濾機(jī)是一種連續(xù)操作的負(fù)壓過(guò)濾設(shè)備,適用于分離易過(guò)濾且不太稀薄的懸浮液,并且具有連續(xù)操作處理量大、濾布容易再生、可以洗滌濾餅等優(yōu)點(diǎn),適用范圍很廣。其基本結(jié)構(gòu)為,在敞口的漿料槽上橫向安裝著圓筒狀的轉(zhuǎn)鼓,轉(zhuǎn)鼓借助兩端的臥式主軸旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)鼓在槽中有一定的浸沒(méi)深度。隨著轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)動(dòng),每一個(gè)隔室都會(huì)浸沒(méi)在濾液中,在真空的作用下將濾液透過(guò)濾布抽走,而濾餅截留在濾布的表面。當(dāng)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度時(shí),其表面的濾餅被緊貼轉(zhuǎn)鼓表面的刮刀卸掉,接著重復(fù)下一個(gè)上料循環(huán)。卸下來(lái)的濾餅通過(guò)螺旋輸送機(jī)或擠壓泵等設(shè)備送入回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行煅燒。
4)隔膜壓榨脫水。隔膜壓榨脫水使用的是隔膜壓濾機(jī)。使用隔膜壓濾機(jī)進(jìn)行壓榨脫水時(shí)一般的壓榨壓力達(dá)到1.0MPa以上,進(jìn)口壓濾機(jī)甚至可以達(dá)到1.6MPa。在如此高的壓力下偏鈦酸中的游離水被擠壓脫除了絕大部分。
上述4種脫水方法在鈦白生產(chǎn)的不同發(fā)展階段都曾使用過(guò),現(xiàn)階段脫水方法一般選用真空轉(zhuǎn)鼓過(guò)濾機(jī)和隔膜壓濾機(jī),現(xiàn)將這兩種脫水方法進(jìn)行比較,見(jiàn)表4。
表4 5萬(wàn)t/a鈦白生產(chǎn)裝置鹽處理后漿液脫水設(shè)備選型方案比較
從表4可見(jiàn),國(guó)外引進(jìn)的真空轉(zhuǎn)鼓過(guò)濾機(jī)存在造價(jià)昂貴、運(yùn)行費(fèi)用高、濾餅含水量高等問(wèn)題,現(xiàn)已被造價(jià)低、運(yùn)行費(fèi)用低和過(guò)濾所得濾餅含水量低的國(guó)產(chǎn)隔膜壓濾機(jī)取代。
包膜后水洗其作用有2個(gè),一是清除沉淀在二氧化鈦顆粒上的可溶性鹽類,二是水洗后的濾餅含水量低,為下個(gè)干燥工序節(jié)能做好準(zhǔn)備。通常選用的設(shè)備為葉濾機(jī)和壓濾機(jī),二者比較結(jié)果見(jiàn)表5。從表5可見(jiàn),葉濾機(jī)與壓濾機(jī)相比裝置總造價(jià)高、水耗高、濾餅含水量高,只有電耗略低。三洗選用隔膜壓濾機(jī)的優(yōu)勢(shì)明顯,這在行業(yè)內(nèi)已形成共識(shí)。
表5 5萬(wàn)t/a鈦白生產(chǎn)裝置三洗設(shè)備選型方案比較
鈦白生產(chǎn)中過(guò)濾與分離涉及到的工序有熱過(guò)濾、硫酸亞鐵分離、一次水洗、二次水洗、鹽處理后的漿液脫水、三洗等,其電能消耗約占鈦白生產(chǎn)總電耗的15%,若能正確選擇合理的工藝路線與設(shè)備,仍有較大的節(jié)能降耗空間。以熱過(guò)濾為例,選用管式過(guò)濾機(jī)比用板框式壓濾機(jī)節(jié)能50%以上。
聯(lián)系方式:0531-83195224
Selection and optim ization of filtration-and-separation equipment in
titanium dioxideengineering design
TangWenqian,Liu Li
(CNOOCShandong Chemical Engineering Co.,Ltd.,Jinan 250013,China)
There are several chemicalunitoperation processes in titanium dioxide production with sulfuric acidmethod.The filtration-and-separation is an important unit operation process.Its production process includes hot filtration,ferrous sulfate separation,once washing,twice washing,salt slurry dehydration after treatment,and three-times washing etc..The devices comprise the tube type filter,pressure filter,leaf filter,vacuum drum filter,and centrifuge etc..Technicaland economic analysiswasmade for each working procedure in the aspectsofequipment selection,construction cost,construction area,operation cost,and separation effectetc.,so as to help the enterprisesmaking a reasonable choice for process route and equipment in the filtration and separation process,to improve the energy-saving and cost-reducing level.
titanium dioxide;filtration and separation;equipmentselection
TQ134.11
A
1006-4990(2014)09-0048-04
2014-03-12
唐文騫(1938—),男,教授級(jí)高級(jí)工程師,副總工程師,發(fā)表論文112篇,曾獲山東省、原化學(xué)工業(yè)部?jī)?yōu)秀設(shè)計(jì)一、二、三等獎(jiǎng),獲3項(xiàng)專利、3項(xiàng)專有技術(shù),享受國(guó)家政府特殊津貼。