Технология процесса вакуумной сепарации массы титана
|
Приведенные закономерности раскрывают общий характер кинетики и механизма процесса вакуумной сепарации. Целесообразно рассмотреть макромеханизм, т.е. закономерности протекания процесса в крупных аппаратах, где существенно сказывается масштабный характер. Под температурой сепарации обычно подразумевают температуру наружной стенки реторты: реакционная масса в течение процесса имеет переменную температуру, так как прогревается от стенки к центру. Под давлением в реторте в период сепарации подразумевают давление неконденсирующихся паров и газов (Н2, Н2О, HCl, TiCl4 и др.), измеряемое на выходе из конденсатора. Давление паров магния и хлорида магния наружными приборами нельзя измерить, так как в место замера давления эти вещества могут попасть только в конденсируемом состоянии. Процесс вакуумной сепарации заключается в том, что реакционную массу нагревают в герметичном аппарате, в котором создают вакуум. Хлорид магния и магний испаряются и осаждаются в конденсаторе. Реактор с реакционной массой стыкуется непосредственно с конденсатором. Изменяя интенсивность его внешней теплопередачи, можно управлять процессом конденсации. Регулируемым параметром обычно является температура стенки конденсатора, характер изменения которой подобен изменению скорости конденсации. Это обстоятельство накладывает отпечаток на технологический режим сепарации. Выше было показано, что продолжительность процесса сепарации определяется температурой, давлением, геометрической формой и размерами блока и структурой титановой губки. Температура процесса лимитируется температурой стальной стенки реторты и не должна превышать 1085 °С, как при проведении процесса восстановления. Следовательно, регулирование температуры ограничивается созданием равномерного обогрева блока со всех сторон пои максимально возможной температуре стенки реторты. Увеличить скорость прогрева реакционной массы можно путем интенсификации теплопередачи внутри реторты от стенок к блоку. Это можно сделать, например, подавая в реторту в определенный период сепарации на несколько часов инертный газ. Характер изменения температуры в различных точках крупных блоков сепарируемой реакционной массы (рис. 62) свидетельствует о том, что вначале разогрев происходит равномерно и с одинаковой большой скоростью вплоть до температуры 600—700 °С. Это объясняется присутствием значительных количеств магния (с высокой теплопроводностью) в порах титановой губки. Затем начинается собственно сепарация. В периоде постоянной скорости по диаметру и высоте блока устанавливается градиент температуры, изменение которого зависит от интенсивности и последовательности испарения магния и хлорида магния из пор. Однако локальные температуры остаются послойно почти неизмененными (в пределах 650-750 °С) до того момента, пока из пор нe удалится основная масса летучих.  Температурный градиент в блоке в этот период свидетельствует о том, что процесс испарения распространяется внутрь последовательно, так что период постоянной скорости наступает в каждом отдельном слое с некоторым запаздыванием по сравнению со слоями, расположенными ближе к греющим поверхностям. Вместе с тем, градиент возникает вследствие увеличения термического сопротивления по мере освобождения пористого тела от более теплопроводного компонента магния. Перенос тепла в блоке реакционной массы в периоде постоянной скорости происходит в основном за счет теплопроводности. Конвективный перенос тепла в жидкой и газовой фазах незначителен, и им можно пренебречь. Передача тепла внутри капилляров излучением также мала, так как температура блока в этот период не превышает 750 °С. Процесс внешнего переноса тепла от поверхности реакционной массы в конденсатор протекает как передача лучистой энергии и движение нагретой паро-газовой смеси. Чем больше количество подведенного тепла, тем быстрее поднимается температура в слое реакционной массы и больше скорость испарения. При быстром нагревании отводится больше летучих и затрачивается больше тепла на испарение, по мере удаления летучих снижается давление паров компонентов, в результате уменьшается скорость испарения. Это вновь привадит к повышению температуры и т. д. Следовательно, в системе возникает саморегулирование процесса отгонки. Такой процесс называется автотермическим. Как следует из рис. 62, в период падающей скорости температура в центре блока реакционной массы, содержащей 1—2 % и менее MgCl2, изменяется так, как если бы это был сплошной цилиндр из плотного материала при постоянной температуре его поверхности. По характеру изменения температуры центральной точки блока реакционной массы можно судить о наступлении той или иной стадии процесса и дать оценку эффективности сепарации в аппаратах различных геометрических размеров. В периоде падающей скорости теплопередача в блоке сепарируемой титановой губки обусловлена теплопроводностью губки и излучением ее нагретых слоев, перенос тепла в конденсатор — теплопроводностью паров и остаточных газов и излучением поверхности блока губки. Доля излучения в общей теплопередаче резко возрастает по достижении 900 °С. На рис. 63 представлена диаграмма сепарации реакционной массы при различных давлениях. В приведенном интервале давлений (0,1—266 Па) в первый период процесса скорость его не зависит от давления (все кривые сливаются).  К технологическим приемам, посредством которых можно интенсифицировать процесс сепарации благодаря сокращению длины пути паров хлорида магния, можно отнести: просверливание блока реакционной массы в центре после восстановления, получение губки при восстановлении с крупнопористой структурой. Из изложенного следует, что особенности технологического режима и конструктивного оформления процесса вакуумной сепарации обусловлены характером структуры губчатого титана, получаемой при восстановлении, и во многом зависят непосредственно от параметров процесса восстановления. Процесс сепарации заканчивается тогда, когда вся губка прогрета до максимально возможной температуры. Исходя из этого, об окончании процесса можно было бы судить по достижению этой температуры в той точке реакционной массы, которая прогревается в последнюю очередь. Такой точкой обычно является середина поверхности блока реакционной массы. Однако этот параметр, во-первых, трудно замерить, во-вторых, он не всегда достаточно надежен. Вторым, более точным методом определения окончания процесса является метод измерения давления газов в реторте после отключения вакуумной линии. На рис. 64 показано давление в реторте и температур в некоторых точках. Процесс сепарации был прекращен в тот момент, когда температуры во всех точках поверхности блока (t1, t2 и t3) сравнялись. Hа кривой давления векторами a1, a2, a3 и a4 обозначены давления, которые достигаются в реторте через 3 мин после перекрытии вакуумного вентиля. Последний вектор направлен вниз, в этот момент поели перекрытия вентиля давление не увеличивалось, а уменьшилось. Следовательно, был такой момент, когда давления в реторте и в вакуумной линии были равны и движения газов ни в ту, ни в другую сторону не происходило. Этот момент принято называть точкой поворота газового потока. Данная точка с на кривой давления находится в районе пересечения кривой давления линией, соединяющей концы векторов а3 и а4. Точка поворота газового потока определяет окончание процесса сепарации. Газовый поток поворачивается вследствие того, что прекращается выделение газов (в основном водорода) из губки, которое происходит в течение всего процесса, и тогда губка начинает поглощать газы, натекающие в реторту через неплотности. Давление в реторте (вектор а4) в этот момент становится меньше, чем в вакуумной линии.  Дальнейший ход кривой давления свидетельствует о том. что давление в реторте начинает возрастать только после того, как температура губки станет меньше 200 °С. Тогда губка перестает поглощать натекающие в реторту газы. Другие способы определения момента окончания сепарации основаны главным образом на измерении количества тепла, затрачиваемого на возгонку летучих. |
