Xreferat.com » Рефераты по биологии и химии » Участок восстановления и дистилляции четыреххлористого титана

Участок восстановления и дистилляции четыреххлористого титана

Курсовая работа

Студент гр. ЭУИ-43017к Игнатьев А.В.

Уральский государственный технический университет-УПИ

Екатеринбург 2007

Введение

Свойства титана и области применения его сплавов

Титан имеет атомный номер 22 и расположен в IV переходной группе периодической системы элементов Д.И.Мендлеева. Атомная масса титана – 47,90; атомный объем – 10,7; изотопы – 46, 47, 48, 49, 50.

Титан существует в двух кристаллических модификациях – α и β. Температура полиморфного превращения титана зависит от количества примесей в нем; для чистого металла она равна 882,5°C. Низкотемпературная модификация (α-титан) имеет гексагональную решетку с плотной упаковкой атомов. Высокотемпературная модификация (β-титан) имеет объемно-центрированную кубическую решетку.

Плотность чистого α-титана при 25°C равна 4,507г/см3, β-титана при 900°C – 4,32г/см3, жидкого (технического) при температуре кристаллизации – 4,11г/см3.

Энтропия титана при 25°C равна 7,3ккал/(моль·град), скрытая теплота α→β-томная масса титана мер 22 и расположен в IV переходной группе периодической системы элементов Д.И.Мендлеева. ________________превращения – 0,83ккал/моль, точка плавления 1660°C±4, точка кипения – 3260°C.

Химический состав и механические свойства титановой губки в значительной степени определяются тем способом, которым она получена, а также технологией очистки реакционной массы.

Титан отличается малым сопротивлением ползучести, несмотря на высокую температуру рекристаллизации и плавления. Сплавы на основе титана обладают большей устойчивостью против ползучести, которая еще может быть повышена термической обработкой.

Титан обладает высокой прочностью, твердостью и хорошей пластичностью при малой плотности. По удельной плотности титан превосходит многие конструкционные материалы. Малый коэффициент линейного расширения титана обеспечивает его надежную работу в условиях теплосмен. Отличное сопротивление коррозии позволяет использовать титан для работы во многих агрессивных средах.

Титан можно подвергать всем видам механической обработки, а также сварке различных видов. Поверхность изделий из титана можно упрочнять различными способами и создавать на ней окисную пленку электролитическим путем.

Наряду с преимуществами титан имеет ряд недостатков. Один из них – низкий модуль нормальной упругости, затрудняющий создание жестких и устойчивых конструкций. Но с другой стороны это свойство можно рассматривать и как преимущество, позволяющее снизить величину напряжений, возникающий при знакопеременных нагрузках, а также величину термических напряжений, возникающих при нагреве конструкции. Низкая теплопроводность титана отрицательно сказывается на его эксплуатационных свойствах, ухудшая стойкость при работе в условиях теплосмен. В настоящее время преимущественно применяется не технический титан, а сплавы на его основе.

Титан и сплавы титана активно применяется в авиации и ракетно-космической отрасли. В самолетостроении титан применяют преимуществен для изготовления деталей двигателей, для обшивки корпусов сверхзвуковых самолетов, а также для изготовления некоторых конструкций планеров (особенно в современном гражданском авиастроении).

Другой отраслью, в которой сплавы титана находят активное применение, является химическая промышленность. Такие свойства титана как высокая коррозионная стойкость, низкая смачиваемость жидкостями, а также образование на поверхности защитной окисной пленки, выделяют сплавы титана среди прочих конструкционных материалов для производства элементов химической аппаратуры (холодильники, змеевики, роторы высокоскоростных центрифуг, лопасти и корпуса центробежных насосов для перекачивания растворов хлоридов, слабых растворов соляной кислоты, различных органических кислот).

Широкое применение получила аппаратура из титана в ряде гидрометаллургических производств. Катоды из сплава титана с палладием применяет в промышленном масштабе при производстве марганца.

Из областей, где применение титана не связано с большими масштабами, но дает существенных эффект, следует назвать медицину – изготовление медицинского инструмента, а также внутренних протезов.

Восстановление четыреххлористого титана

С теоретической и практической точек зрения наибольший интерес представляют восстановление четыреххлористого титана магнием или натрием, а также восстановление окислов титана кальцием (гидрохлоридом кальция) и алюминием.

В настоящее время промышленной производство титана основано на восстановлении четыреххлористого титана магнием (магниетермический способ) или натрием (натриетермический способ).

В первом случае для разделения продуктов восстановления титановой губки, магния и хлористого магния – применят в основном способ отгонки магния и хлористого магния от титановой губки при температуре около 1000°C и остаточном давлении в реакторе от нескольких миллиметров ртутного столба в начале процесса до нескольких микронов в конце (так называемый способ вакуумной сепарации).

Во втором случае для разделения продуктов восстановления – титановой губки, хлористого натрия и незначительного количества непрореагировавшего натрия – применяют способ выщелачивания полученного после восстановления реакционной массы слабым раствором соляной кислоты (так называемый гидрометаллургический способ).

Магниетермический способ

Магний – один из наиболее распространенных в природе элементов. Содержание его в земной коре составляет 2,35%. Благодаря крупным месторождениям магниевого сырья, высокопроизводительной технологии получения металла электролизом и сравнительно небольшой стоимости металла, производство магния осуществляется в крупных промышленных масштабах.

Магний отличается высоким сродством к хлору (Участок восстановления и дистилляции четыреххлористого титана = 55 ккал/г-атом хлора), которое при 800°C на 12,0 ккал/г-атом хлора (Участок восстановления и дистилляции четыреххлористого титана= 43 ккал/г-атом хлора), что вполне достаточно для полного восстановления Участок восстановления и дистилляции четыреххлористого титана магнием. Соотношение температур плавления и кипения магния и образующегося в результате восстановления Участок восстановления и дистилляции четыреххлористого титана благоприятно для проведения процесса в интервале температур 720-900°C. Магний и титан практически взаимно не растворимы.

Все это, а также технологические особенности процесса восстановления титана делают магний одним из наиболее благоприятных восстановителей для организации крупного производства титановой губки магниетермическим способом.

Патент на получение титановой губки магниетермическим способом был выдан в 1940г в США американскому исследователю Кроллю, проводившему опыты на крупнолабораторной установке.

Титановая губка, получаемая магниетермическим способом, в промышленных условиях содержит обычно 0,03–0,15% O2; 0,01–0,04% N2; 0,02–0,15% Fe2; 0,002–0,005% H2; 0,02–0,12% Cl; 0,01–0,05% Si; 0,01–0,03% C; около 0,01% Al; 0,01% Ni; 0,01% V и другие примеси.

Вместе с TiCl4 в губку вносится около 40% всего азота, более 20% кислорода, около 15% железа и значительная часть углерода. Вместе с магнием в губку вносится около 20% N2, 40% O2, 15% Fe. Около 50–70% железа, содержащегося в титановой губки попадает в нее в результате взаимодействия титана с материалом реактора. Установлено, что большая часть примесей из материала реактора переходит в титан в период вакуумной сепарации, особенно в последний период, когда температура на границе стенок реактора достигает максимальных значений.

Физико-химические основы восстановления

Магниетермическое производство металлического титана основано на использовании реакции:

Участок восстановления и дистилляции четыреххлористого титана

+

Участок восстановления и дистилляции четыреххлористого титана

=

Участок восстановления и дистилляции четыреххлористого титана

+

Участок восстановления и дистилляции четыреххлористого титана

(ж.пар) (ж.пар) (тв) (ж.пар)

В стандартных условиях эта реакция характеризуется высокими по абсолютной величине и отрицательными по знаку значениями энтальпии и энергии Гиббса:

Участок восстановления и дистилляции четыреххлористого титана Участок восстановления и дистилляции четыреххлористого титана

Температурная зависимость константы равновесия не может являться монотонной функцией, поскольку участвующие в реакции исходные и конечные вещества претерпевают фазовые превращения.

По аналогии со сложными реакциями, которые протекают через промежуточные соединения, восстановление титана можно представить как ступенчатое восстановление четыреххлористого титана из его низших хлоридов:

Участок восстановления и дистилляции четыреххлористого титана

Протекающие при этом реакции условно можно разбить на две группы:

Реакции восстановления четыреххлористого титана до низших хлоридов и металла:

Участок восстановления и дистилляции четыреххлористого титана

(1)

Участок восстановления и дистилляции четыреххлористого титана

(2)

Участок восстановления и дистилляции четыреххлористого титана

(3)

Участок восстановления и дистилляции четыреххлористого титана

(4)

Участок восстановления и дистилляции четыреххлористого титана

(5)

Участок восстановления и дистилляции четыреххлористого титана

(6)

Участок восстановления и дистилляции четыреххлористого титана

(7)

Вторичные реакции взаимодействия четыреххлористого титана с продуктами реакции группы 1. и реакции диспропорционирования низших хлоридов титана:

Участок восстановления и дистилляции четыреххлористого титана

(8)

Участок восстановления и дистилляции четыреххлористого титана

(9)

Участок восстановления и дистилляции четыреххлористого титана

(10)

Участок восстановления и дистилляции четыреххлористого титана

(11)

Реакция обычно осуществляется в атмосфере инертного газа. Равновесие процесса магниетермического восстановления четыреххлористого титана устанавливается при исчезающее малой концентрации тетрахлорида.

В начале процесса реакция восстановления протекает на зеркале жидкого магния, которое постепенно покрывается пленкой образующегося хлористого магния, хорошо смачивающего магний. Пленка затрудняет контакт магния с Участок восстановления и дистилляции четыреххлористого титана и препятствует дальнейшему протеканию реакции на зеркале магния. Фронт реакции к этому времени смещается к стенкам реактора, где условия взаимодействия Участок восстановления и дистилляции четыреххлористого титана с магнием наиболее благоприятны вследствие стекания соли с поверхности магния, поднимающегося за счет сил поверхностного натяжения ли капиллярных сил по стенкам реактора или по капиллярам образовавшейся на стенках губки. В дальнейшем, реакции идут в основном на стенках реактора или боковой поверхности губки с ростом ее от боков к центру реактора. Реакция в газовой фазе не идет.

Конструкции реакторов и печей восстановления

Восстановление четыреххлористого титана магнием сопровождается выделением большого количества тепла. Энтальпия суммарной реакции в стандартных условиях составляет 123,6 ккал/г-атом титана. В современных реакторах тепловыделение составляет около 100-200тыс.ккал/ч. Значительная часть этого тепла должны быть отведена от реактора.

Участок восстановления и дистилляции четыреххлористого титана

Объемные соотношения титана, магния и хлористого магния в реакторе таковы, что на каждую единицу объема, занимаемого титаном, приходится 2,8 единиц объема магния и 10,4 единицы объема образующегося хлорида магния. Поэтому для более полного использования рабочего объема реактора, хлористый магний в процессе восстановления периодически сливают из реактора.

В качестве реакторов восстановления в промышленных условиях используют цилиндрические реакторы диаметром от 850-1000 до 1300-1500мм и высотой от 1800-2000 до 3000мм. Диаметр реактора восстановления в основном лимитируется требованиями последующего процесса – вакуумной сепарации блока реакционной массы, где повышение диаметра реактора больше определенного значения приводит к ухудшению условий прогрева реакционной масса и отгонки остатков магния и хлористого магния из глубинных слоев титановой губки.

Реакция восстановения Участок восстановления и дистилляции четыреххлористого титана магнием проводится в реакторах из малоуглеродистой стали, из хромоникелевой, хромистой сталей, а также в реакторах из биметалла (наружный слой – хромоникелевая сталь, а внутренний – малоуглеродистая сталь).

На практике, учитывая очаговый характер реакций восстановления, в результате которого максимальная температура внезапно резко возрастет то в одной, то в другой зонах реактора, процесс обычно проводят при температуре 750–900°C.

Хромоникелевая сталь более окалиностойка и более устойчива при взаимодействии с парами Участок восстановления и дистилляции четыреххлористого титана в условиях высоких температур, чем малоуглеродистая сталь. Однако температура плавления эвтектики этой стали с титаном ниже, чем с малоуглеродистой сталью, на 900–100°C. Кроме того, находящийся в реакторе жидкий магний хорошо растворяет никель, входящий в состав хромоникелевой стали, загрязняется им и загрязняет титановую губку. Тем не менее, эти стали широко применяются для изготовления реакторов.

Хромистые стали типа 0Х13, Х25Т, обладая средней между малоуглеродистой и хромоникелевой сталью температурой плавления эвтектики с титаном и досочной окалиностойкостью, являются также более устойчивыми против взаимодействия с парами Участок восстановления и дистилляции четыреххлористого титана при высокой температуре, и меньше чем хромоникелевые стали растворяются в расплавленном магнии, поэтому их использование в качестве материала благоприятно.

Большой интерес для изготовления реакторов представляют биметаллы. Использование таких сталей с внутренней поверхностью из малоуглеродистой стали, стали Х25Т или титана несмотря для большую трудность в изготовлении реакторов и несколько большую их стоимость позволяет заметно повысить производительность аппарата и улучшить качество получаемого титана,.

В промышленных условиях используют обычно два типа реакторов – реактор со вставленным внутрь реакционным стаканом, изготовленным из рассмотренных выше материалов, и реактор без реакционного стакана. Реакционный стакан позволяет предохранить корпус реактора от проплавления, применить реактор из нержавеющей стали, а стакан из малоуглеродистой стали. Кроме того он облегчает извлечение реакционной массы из реактора после окончания процесса восстановления. С другой стороны, при использовании стакана образуется зазор между его стенкой и стенкой реактора, который резко ухудшает условия отвода тепла из зоны реакции, сокращает полезный объем реактора, что снижает его производительность. Кроме того, осложняется устройство для слива хлористого магния, в зазоре между стенками могут образовываться низшие хлориды титана. Внутреннюю поверхность такого реактора после каждого процесса необходимо тщательно очищать от хлоридов титана и магния, промывая раствором соляной кислоты. Эта операция трудоемка, вредна для обслуживающего персонала и приводит к повышенному износу реактора.

Недостаток реактора без стакана состоит в большей опасности проплавления корпуса, а также в необходимости более маневренного охлаждения его стенок в процессе восстановления во избежании намораживания на них гарнисажа, что может затруднить транспортировку магния в зону реакции.

Вакуумирование реактора, подача в него четыреххлористого титана и аргона осуществляют через центральную трубу, расположенную на крышке реактора. Хлористый магний сливают из реактора с помощью сифона, выходящего на рабочую площадку через крышку или боковую стенку реактора непосредственно под его фланцем.

Для отведения тепла, образующегося в ходе реакции необходима эффективная система его отвода от реактора. Поддержание области преимущественного протекания реакций в определенной зоне реактора может облегчить решение этой задачи. Расположение этой зоны по высоте реактора можно регулировать, поддерживая уровень расплава в указанной зоне и регулируя слив накапливающегося хлористого магния. Тепло от реактора отводят, как правило, охлаждая зону преимущественного протекания реакции с помощью воздуха, подаваемого в печь от вентиляционной установки. Охлаждающий воздух подают в нескольких точках по окружности печи, форсунки располагают в 2–3 ряда. Вентиляторы включают и подают

Похожие рефераты: