1 绪论
1．1概述
1.1.1项目概况
基于《攀枝花市“十一五”钒钛产业规划》纲要，提出攀枝花要根据世界钒钛技术与产业发展趋势，立足于钒钛资源优势、研发能力和产业基础，结合国家产业政策，进一步确立钒钛产业为重要支柱产业和今后经济建设重点，通过开发、应用和引进国内外钒钛领域的先进科技成果；通过做大做强、积极参与国际竞争来不断促进钒钛龙头企业的升级；通过扩大开放和加强国际合作，培育多种所有制形式的企业群体，使攀枝花钒钛经济总量达到更大规模[1]。结合攀枝花发展钒钛产业得天独厚的资源优势、技术优势以及较强的研究开发能力和雄厚的钒钛产业基础，我们提出在攀枝花钒钛产业园区选址建设一个年产4万吨/年的硫酸法金红石钛白粉厂。以此大力推进技术创新体系建设，提高钒钛产业自主创新能力，不断增强钒钛科技综合实力、创新能力和成果转化能力，为钒钛产业发展提供有力的技术支撑，实现钒钛产业发展的新跨越。
1.1.2项目建设的目的、意义
钛白粉是目前世界上性能最佳的白色颜料，被广泛应用于涂料、塑料、造纸、油墨、橡胶、化纤等工业。由于其应用领域的进一步拓展，钛白粉已渗透到人们生活的各个角落，成为一种重要的无机化工产品，其销售值位于世界无机化工产品的第三位，仅次于合成氨和磷酸。因此，钛白粉消费量的多寡，可以衡量一个国家生活水平的高低。
我国钛资源十分丰富，但钛白工业却相对落后。目前全国钛白粉人均消费量不足0.3千克，相当于北美地区的二十分之一, 西欧的十分之一。除了产量低之外，国内钛白粉的产品结构也极不合理，锐钛产能过剩，而高档金红石型钛白粉严重短缺，主要依赖进口，1999年进口10.9万吨， 2000年又进口14.5万吨，花费了大量的外汇[2]。
攀枝花地区拥有占全国90%、世界35%的钛资源。然而，现有年产1万吨钛白的生产规模并没有充分发挥攀枝花的钛资源优势，与全国钛工业基地的称号也相差甚远，现有的钛白产品品种和质量也不能满足国内市场的需求，更谈不上参与国际钛白市场的竞争。在攀枝花地区建设大型硫酸法金红石型钛白装置，可以充分利用攀枝花地区丰富的钛资源、水资源、电资源、煤炭资源、石灰石资源，
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真正变资源优势为产品优势，这样企业不仅可以长期发展，还可以带动相关产业链的发展。
本工程的建设，将形成4万吨/年国内紧缺的高档金红石型钛白粉的供应能力，这对有效缓解国内市场高档钛白供应的紧张状况，替代进口产品，节省国家外汇都将起到积极的作用[3]。同时对巩固攀枝花钛工业基地的地位，推动国内钛白工业的技术进步，提高我国钛白工业在国际同行中的地位和市场竞争能力也将具有十分重要的意义。尤其是本项目以高钛渣为原料，体现了国际硫酸法钛白发展的最新方向，在“清洁生产”方面树立了新的典范，可有效带动国内硫酸法钛白产业的发展。
1.1.3设计的主要成果
①装置和设备设计大型化
装置大型化可降低单位产品投资，提高产品竞争力，同时能够更好的消化因环保治理导致成本增加的压力。设备大型化可提高设备有效利用率，减少频繁操作给产品质量带来的波动，减少装置的占地面积。
②设计适合各种用途的专用产品
由于钛白粉用途的不断拓展，新产品不断涌现。世界各大钛白粉生产厂家在保持传统行业竞争优势的同时，致力于专用产品的开发和推广应用，拥有完善的科研开发及应用体系，更加注重技术的进步。因此本次设计开发了适合各种用途的专用产品。
③注重清洁生产
硫酸法钛白粉清洁生产，除最大限度地将污染源消减和循环利用外，更重要的是改变依靠末端治理的传统思想，通过改进原料路线及生产工艺，达到消减污染保护环境的目的。本设计采用酸溶性钛渣和废酸浓缩综合利用是硫酸法钛白粉清洁生产的发展方向。
1.1.4设计中存在的问题
设计中尚存在的问题主要是在处理局部与整体的关系上不能很好把握，在进行设计的优化过程中可能顾此失彼，所以整体设计不是完美。另外在硫酸法生产钛白粉产生大量“三废”的治理上还不是很完善，这些问题都有待于在今后的工作中结合生产实际加以补充、更正。
1．2设计依据、设计原则 1.2.1设计依据
①生物与化学工程学院下发的《本科毕业设计任务书》； ②通过文献查得的基本资料和数据；
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③相关的国家标准（化工建设项目环境保护设计规定HGJ 6-86，机械制图GB 4457.4-4460-84，国际单位制及其应用GB 3100-93，热学的量和单位GB 3102.4-93）。
1.2.2设计原则
①积极贯彻执行国家基本建设的方针政策, 严格执行国家和项目所在省、市颁布的标准、规范、规定，使设计做到切合实际，技术先进，经济合理，安全适用；
②重视优化设计方案工作，提高设计水平和降低工程投资额；
③治理工艺要落实可靠，排出物必须符合国家及地方的“三废”排放标准，并尽可能做到综合利用[4]；
④节能与降耗并重，做好工艺余热的回收和水的重复利用，提高水的循环利用率。
1．3设计范围
根据生产要求设计4万吨/年硫酸法金红石钛白粉厂黑段的装置、辅助生产装置和公用工程基础。具体设计内容包括：
1.3.1钛白装置
①原料破碎工序：配置球磨机及相应配套设备； ②酸解-泥浆处理工序：配置酸解罐、沉降槽； ③浓缩：配置薄膜浓缩器。
1.3.2辅助工程
①锅炉房：配置循环流化床蒸汽锅炉； ②空压站：配置水冷螺杆式空气压缩机。
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2 硫酸法钛白生产黑段工艺设计说明
2 硫酸法钛白生产黑段工艺设计说明
到目前为止，钛白粉的工业生产方法应用较广的是硫酸法和氯化法，此次设计采用的是硫酸法生产金红石钛白[5]。硫酸法的生产操作程序非常复杂，其基本化学反应中包含有一系列的简单的化学反应，硫酸法的三步最基本的化学反应分别是在酸解、水解和煅烧阶段中发生的：
酸解：将钛渣及钛精矿中的TiO2用硫酸分解为可溶性硫酸氧钛 FeTiO3 + 2 H2SO4 → FeSO4 + TiOSO4 +2H2O
水解：硫酸氧钛水解生成水合二氧化钛（TiO2·H2O）（偏钛酸） TiOSO4 + H2O → H2TiO3 + H2SO4
煅烧：水合二氧化钛煅烧脱水变成二氧化钛 △
H2TiO3 →TiO2+H2O↑ 硫酸法金红石钛白生产工艺见图2.1： 工艺过程简述如下：
首先将钛矿原料干燥并经研磨，再用硫酸分解。酸解反应前，用机械搅拌或压缩空气先将矿粉和硫酸的混合物搅拌均匀，加入引发液利用硫酸的稀释热引发酸解反应，反应产物是钛、二价和三价铁、其它金属的硫酸盐，是一种多孔性的固相物。加入水或稀硫酸浸取固相物，得到钛的硫酸盐溶液称为钛液。在钛液中加入铁粉或铁屑，使其中的高价铁还原成亚铁，便于后面工序中分离。然后让钛液静置沉降，除去氧化硅和未反应的钛矿一类的固体残渣，钛液在沉降之前，需加入絮凝剂使其中的胶体物质絮凝沉降，为了提高沉降后钛液的质量，用过滤的方式降去一部分未沉降的杂质。初步净化后的钛液根据工艺要求的铁钛比用冷冻或真空结晶，让大部分硫酸亚铁结晶析出而得以分离，分离亚铁后通过控制过滤除去钛液中的微量残渣。然后对钛液进行浓缩，使钛液浓度提高到水解所要求的浓度。
钛液的水解是硫酸法生产钛白粉最关键的一步，为确保水解产物的质量，水解条件必须严格控制。水解快结束时用水稀释，可提高钛液的水解率，但稀释过度，则会影响水合二氧化钛的质量[6]。水解所得的水合二氧化钛经过滤除去所吸附的母液后用水洗涤，其酸性滤液应回收处理。水洗以后的水合二氧化钛在酸性和还原条件下进行漂白和漂洗除去残存的微量杂质铁，然后加入少量能控制晶体成长的物质(盐处理剂)，再进行煅烧。
水合二氧化钛的煅烧是很重要的工序，煅烧是在有一定倾角的转窑内进行的。
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2 硫酸法钛白生产黑段工艺设计说明
水合二氧化钛在转窑内首先脱除水分，再脱除吸附的三氧化硫，最后是晶体的成长以及向金红石型转化过程，其中晶体成长和晶型转化是在高温条件下进行的，必须仔细控制。煅烧后的二氧化钛粗制品经研磨、分级(如是锐钛型经研磨后就得到产品)后，用无机、有机物对二氧化钛进行表面处理，最后对表面处理后的二氧化钛进行洗涤、干燥和粉碎，得到金红石型二氧化钛产品。
钛渣、钛矿 窑前压榨 球 磨 煅 烧 尾气处理 浓硫酸 压空 小度水/废酸 尾气 打 浆 尾气处理系统 酸 解 废水去污水处理 沉 降 泥浆 砂 磨 化学品制备 板 框 过 滤 表面处理 浓 缩 过滤洗涤 水 解 废酸去废酸 浓缩系统 闪蒸干燥 水 洗 金红石晶种 废水去煅烧尾气喷淋系气流粉碎 蒸汽 漂 白 漂洗水 金红石晶种 漂 洗 晶种制备 偏钛酸 稀碱液 成品包装 废酸去废酸浓缩 去污水处理
图2.1 硫酸法金红石钛白生产工艺流程图[7]
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