Конденсация парогазовой смеси

Из хлораторов по газопроводам ПГС подаётся на конденсацию и разделение хлоридов.

Конденсация - обратный процесс испарению, это переход вещества из парообразного состояния в жидкое. Сублимация - переход твердого вещества в парообразное, минуя жидкое состояние. Асублимация - переход вещества из парообразного состояния сразу в твердое, минуя жидкое. Например, пары FeCl₃ и AlCl₃ при охлаждении сразу переходят в твердое состояние. Процессы конденсации и асублимации всегда сопровождаются выделением тепла.

В зависимости от типа хлоратора и состава исходного шлака и восстановителя, ПГС содержит:

1) высококипящие твердые хлориды (их Ткип выше температуры кипения TiCl₄): NaCl, KCl, CaCl₂, MgCl₂, MnCl₂, FeCl₂, CrCl₃, CrCl₂;

2) низкокипящие твердые хлориды (их Ткип ниже температуры кипения TiCl₄): FeCl₃, AlCl₃, C₆Cl₆, NbCl₅, NbOCl₃ и комплексные соединения хлоридов железа, калия и натрия;

3) низкокипящие жидкие хлориды: TiCl₄, SiCl₄, VOCl₃, SiOCl₆, SOCl₂, SO₂Cl₂ и др;

4) газы: СО, СО₂, N₂, Cl₂, HCl, SО₂, COCl₂, и др.

Комплекс аппаратов, технологических операций и процессов называется «конденсационной системой». Системы конденсации абсолютно герметичны, так как TiCl₄ и другие хлориды сильно гигроскопичны, склонны к гидролизу и могут осаждаться на стенках теплообменников. Это ведёт к значительным потерям четырёххлористого титана и нарушает теплообмен в процессе конденсации. Учитывая свойства и сложный состав компонентов ПГС, применяют различные конденсационные системы, каждая из которых имеет свои достоинства и недостатки.

1) Раздельная "сухая" система конденсации (рис. 5) позволяет раздельно сконденсировать твердые и жидкие хлориды, эту схему давно применяют для всех типов хлораторов.

Рисунок 5 - Схема "сухой" системы конденсации 1- хлоратор; 2- пылевые камеры-кулеры; 3- рукавный фильтр; 4- оросительные конденсаторы; 5- каплеуловитель; 6 - теплообменники «труба в трубе»

Рисунок 6 - Комбинированная система конденсации 1-хлоратор; 2- теплообменники "труба в трубе"; 3 -кулеры; 4-оросительные конденсаторы; 5- сборный бак пульпы; 6-сгуститель; 7- фильтр; 8- кюбель

Парогазовая смесь из хлоратора поступает в первый кулер, охлаждается до 400 °С и происходит асублимация паров хлоридов кальция, магния, марганца, хрома, железа и алюминия и др. Далее ПГС идёт во второй и третий кулеры, где ее температура понижается до 140 °С. Выделившиеся твердые хлориды падают в конуса кулеров и непрерывно выгружаются в кюбели. Уносимые с ПГС мельчайшие частицы отделяются уже в рукавном фильтре. Корпус фильтра термостатируют, поддерживая температуру 140 °С, чтобы TiCl₄ был в парообразном виде и проходил через фильтрующую ткань, иначе жидкий TiCl₄ будет залеплять и разрушать рукава, снижая их срок службы.

Далее ПГС проходит через два оросительных конденсатора и сверху через форсунки орошается охлаждённым тетрахлоридом титана. Охлаждают TiCl₄ в теплообменниках типа "труба в трубе". Во всех конденсаторах температура поддерживается 15-20 °С, тогда полнее происходит конденсация паров TiCl₄ и меньше потери его с отходящими газами. Содержание твёрдых взвесей в полученном TiCl₄ до 5 кг/м³, его направляют на рафинирование.

2) Комбинированная схема конденсации (рис. 6) отличается от "сухой" только отсутствием рукавного фильтра и также применяется для ПГС от всех хлораторов. Недостатки системы: наличие сгустителя, в котором невысокая скорость отстаивания пульпы и необходимость её дальнейшей переработки, а также содержание твердых частиц в конденсируемом продукте 30-40 кг/м³.

Рисунок 7 - Совместная система конденсации 1-хлоратор; 2-оросительный конденсатор; 3-конденсатор; 4 - каплеуловитель; 5-бак с насосом; 6 - фильтр для пульпы; 7- выпарной аппарат; 8 - теплообменник "труба в трубе"

Рисунок 8 – Схема "солевой" системы конденсации 1-хлоратор; 2 - пылевая камера; 3 - солевой фильтр; 4-оросительные конденсаторы

3) Совместная схема конденсации (рис. 7) применяется для конденсации ПГС только из расплавных хлораторов. Достоинство этой схемы - компактность аппаратуры конденсации и отсутствие жестких температурных условий. Сначала ПГС орошается на выходе из хлоратора возвратной пульпой из бака (6). При этом TiCl₄ испаряется и уходит с ПГС, а твёрдые частицы падают в расплав. Хлориды железа и алюминия связываются в комплексные соединения с КСl и NaСl, находящимися в избытке в расплаве хлоратора и выводятся с расплавом. Содержание твердых взвесей в пульпе в сборном баке (5) менее 100 кг/м³. Без предварительного орошения в хлораторе, жидкий TiCl₄ получался бы с содержанием твёрдого 250 кг/м³. Из сборного бака пульпа перекачивается на фильтрацию (6), из полученного осадка дополнительно испаряют TiCl₄ в аппарате (7). Фильтрат TiCl₄ отправляют на рафинирование.

4) Солевая схема конденсации (рис. 8) позволяет наиболее полно уловить твердые хлориды. ПГС пропускают через пылевую камеру, где она охлаждается до 300—400 °С и очищается от высококипящих хлоридов и твердых частиц. Затем ПГС проходит через солевой фильтр: это поваренная соль NaCl или смесь NaCl+KCl в твердом или расплавленном виде. Хлориды железа и алюминия взаимодействуют с солью, образуют легкоплавкие комплексные соединения NaAlCl₄ и NaFeCl₄ и выводятся в виде плава. Далее ПГС конденсируется в скрубберах. Полученный жидкий TiCl₄  содержит всего 2—4 кг/м³ твердых взвесей.

Полученный в любой системе конденсации жидкий тетрахлорид титана называется продуктом технической чистоты и поступает на следующее производство для очистки от примесей.

Задание 7. Изучить приведённый материал и ответить на вопросы

1 Зачем проводят процесс конденсации?

2 Как конденсируют ПГС и чем орошают в скрубберах?

3 Достоинства и недостатки схем конденсации.