2.4.8. Производство диоксида титана

Основное количество выпускаемого диоксида титана из ильменитоого концентрата (или титановых шлаков) получают сернокислотным способом., а из тетахлорида титана - способом «сжигания».

2.4.8.1. Сернокислотный способ

Включает следующие операции:

1) разложение концентрата серной кислотой;

2) очистку растворов от железа;

3) гидролитическое выделение метатитановой кислоты из сернокислого раствора;

4) прокаливание осадка с получением диоксида титана

Разложение концентрата. Процесс ведут концентрированной серной кислотой (92 – 94 %) или олеумом в стальных реакторах. Вследствие экзотермичности процесса после нагревания кислоты с измельченным концентратом до 125 – 135 ^оС реакция проходит интенсивно с саморазогревом до 180 – 200 ^оС и заканчивается за 5 – 10 минут. Получающаяся полусухая масса («плав» содержит оксосульфат титана (IV) (TiOSO₄∙H₂O), FeSO₄ и Fe₂(SO₄)₃ и 200 – 240 г/л активной H₂SO₄. Плав выщелачивают водой.

Очистка растворов от железа. Растворы содержат 110 – 120 г/л TiO₂ (в составе TiOSO₄), сульфаты железа FeSO₄ и Fe₂(SO₄)₃ и 200 – 240 г/л активной H₂SO₄. Для лчистки от основной массы железа восстанавливают Fe3+ до Fe2+ железной стружкой, а затем проводят кристаллизацию железного купороса FeSO₄∙7H₂O, охлаждая растворы до (– 5 ^оС). В результате кристллизации содержание железа в растворе понижается до ≈ 20 г/л.

Осаждение метатитановой кислоты. Из растворов, содержащих оксосульфат титана, гидролитическим разложением выделяют метатитановую кислоту (гидратированный диоксид титана):

TiOSO₄ + 2 H₂O = TiO₂ + H₂SO₄ (2.100)

Следует учитывать, что в действительности продукт гидролиза переменного состава, содержит, кроме TiO₂ и H₂O, значительные количества SO₃. Используют два способа проведения гидролиза: способ введения зародышей и способ разбавления.

При способе введения зародышей в раствор добавляют отдельно приготовленные зародыши в форме коллоидного раствора гидроксида титана в количестве ≈ 1 % от содержания TiO₂. После нагревания до кипения в осадок выпадает 95 – 96 % TiO₂.

В случае применения способа разбавления исходные растворы концентрируют выпариванием до содержания 240 – 260 г/л TiO₂ и затем нагретый раствор по определенному режиму разбавляют, вливая воду. При разбавлении раствора возникают зародыши – центры кристаллизации, а затем образуется осадок метатитановой кислоты.

Прокаливание метатитановой кислоты. Отфильтрованные и промытые осадки метатитановой кислоты прокаливают в барабанных печах, футерованных высокоглиноземистым кирпичом, при максимальной температуре 850 – 1000 ^оС (в зависимости от назначения TiO₂). Помимо воды при прокаливании удаляется содержащийся в осадках SO₃.

2.4.8.2. Способ «сжигания»

Производство диоксида титана из тетрахлорида титана методом «сжигания» основано на реакции:

TiCl₄ + O₂ = TiO₂ + 2 Cl₂ (2.101)

Эта реакция при 900 – 1000 ^оС протекает с достаточной скоростью. Получаемый хлор возвращают на хлорирование титанового сырья.

Известно несколько вариантов проведения процесса «сжигания». Рассмотрим два из них.

1) Реакцию проводят в камере, в которой установлена форсунка, куда поступают кислород и пары тетрахлорида титана, предварительно нагретые до 1000 – 1100 ^оС. На выходе из форсунки пары TiCl₄ реагируют с кислородом с образованием желто-зеленого пламени. Поток газа уносит частицы диоксида титана в пылевую камеру и рукавные фильтры. Отходящие газы, содержащие 80 – 85 % хлора, пригодны для использования в производстве TiCl₄. Основное затруднение при использовании способа состоит в необходимости предварительного нагрева реагирующих компонентов.

2) Применение плазмы в качестве источника тепла – наиболее перспективный метод. Целесообразно использовать высокочастотную плазменную горелку с факелом кислородной плазмы. В факел, имеющий температуру 6000 – 10000 ^оС, вводят пары тетрахлорида титана, которые при столь высокой температуре быстро реагируют с кислородом с образованием тонкодисперсного диоксида титана рутильной модификации.

Основные преимущества технологии получения диоксида титана из тетрахлорида титана по способу «сжигания» в сравнении с сернокислотным способом: технологическая схема проще, капитальные затраты в 1,5 раза ниже; схема замкнута (хлор утилизируется), тогда как в сернокислотной схеме затруднительна утилизация гидролизной кислоты; диоксид титана более высокой чистоты, а качество получаемого из него пигмента выше, чем получаемого сернокислотным способом.