2 硫酸法钛白生产黑段工艺设计
钛白粉黑段主要包括原矿粉碎工序、酸解、沉降、控制过滤、真空浓缩工序。下面就此次设计的黑段部分主要工艺流程作如下叙述。
2．1原矿粉碎 2.1.1工艺目的
经过精选的钛铁矿砂，或是经初步破碎的高钛渣，粒度不规范比较粗，为了与硫酸反应能顺利进行并反应完全，提高酸解率，因此在使用前必须先把它磨细，以增加反应接触面。粒度越细反应速度越快，反应越完全。
2.1.2矿粉粒度要求
①要求细，一般来说，与酸解反应所用的硫酸浓度和酸解反应器的大小有关，硫酸浓度低，则矿粉应该细一些，否则反应便不够完全；酸解反应器大，相对来说矿粉可粗一些。龙蟒钛白粉生产工艺要求细度为过325目筛余15~25%[8]。
②粒度分布应该窄而均匀，使酸解反应在每一颗粒上差不多同时开始反应和同时完毕。如果粗细悬殊，则粗颗粒来不及完全反应而总反应已经结束，会增加未反应残渣，而细颗粒则过早反应完毕，就会降低钛液的稳定性，并增加发生早期水解的可能性。
2.1.3粉碎设备
粉碎设备一般采用雷蒙磨和风扫磨，本流程粉碎设备采用风扫磨，它属于一种卧式球磨机。有一横卧圆筒，筒中放置研磨介质，通常都是球形的，故称球磨机。球的直径大小不等。研磨时加入矿粉，开动磨机使圆筒转动，球与球之间的摩擦使其间的矿粉被研细，粉碎后的物料由热风炉送入的热空气流携出到分级机进行分级，达到工艺要求粒径的细矿粉被送入酸解工序，粗颗粒返回磨机，继续粉碎[9]。
2.1.4原矿粉碎工艺流程简述
原料钛铁矿粉由斗式提升机送入磨前贮斗，经圆盘给料机定量加入风扫磨进行粉碎。磨细矿粉从风扫磨里被空气流带入粗粉分离器，在此处将粗粒从磨细的矿粉中分离出来，并返回到风扫磨再研磨。符合要求细度的矿粉靠空气流送入旋风分离器并进行分离，含尘气体由循环风机抽吸，抽出的含尘气体的输送分三个支流：一部分含尘气体去风扫磨机头作为补充风量，一部分含尘气体去风扫磨机尾作为输送矿粉的动力，另一部分含尘气体经布袋除尘器收尘后清净的尾气由排风机排入大气；旋风分离后的矿粉经振动料斗送入仓式输送泵，经仓式输送泵用压缩空气把矿粉送入矿粉计量贮斗作为酸解工序原料备用。
2.1.5原矿粉碎工艺流程框图
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排空 排风机 酸溶钛渣、钛精矿 磨前贮斗 原料库 分极机 旋风分离器 振动料斗 循环风机 布袋除尘器 粗粉 风扫磨 原矿贮斗 给料器 热风炉 仓式输送泵 计量贮斗 斗提机 图2.2 原矿粉碎工艺流程图
酸解
2.2酸解
2.2.1酸解的目的
把难溶的钛铁矿中的钛、铁等元素化合物转化为可溶性的硫酸盐类，以便后面各工序把杂质除去。
2.2.2酸解的原理
钛铁矿主要化学成份是偏钛酸铁，属弱酸弱碱盐，所以用硫酸这样的强酸与它反应，反应基本上是不可逆的，并能够进行得比较完全，若与过量的硫酸反应可生成可溶性的钛盐(包括Ti4+和TiO2+的盐)。从热力学数据可知，酸解是放热反应。矿中所含其它矿分的氧化物、硫化物、砷化物、磷酸盐等也被硫酸分解而转入到溶液中，利用溶液的特性，通过物理和化学方法，可有效地把铁、硅、锰、钒、铬等元素与钛分离，制得纯净的成品。
硫酸分解钛铁矿发生的反应，可用下列反应式来表示： FeTiO3 + 3H2SO4 FeSO4 + Ti(SO4)2 + 3H2O Fe2O3 + 3 H2SO4 Fe2(SO4)3 +3H2O+33.8千卡 Ti(SO4)2 + H2O TiOSO4 + H2SO4
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（1） （3）
FeTiO3 + 2 H2SO4 FeSO4 + TiOSO4 +2H2O+Q(5.84+29)千卡 （2） 其中，硫酸氧钛的生成，也可视为硫酸钛初步水解的产物：
（4）
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上述反应是能够发生且可进行得比较完全。但化学反应是只有活化分子才能参加反应，要达到钛铁矿的活化能，就必须使其分子活化。由于硫酸稀释时释放出大量的热能，所以就先利用硫酸的稀释热来引发反应，然后再利用其自身反应所放出的反应热来完成钛铁矿的分解反应。
2.2.3钛铁矿的酸解工艺过程
钛铁矿的酸解工艺操作，大致可分为以下四个步骤：钛铁矿的分解、反应产物的熟化与冷却、浸取、还原[10]。
①钛铁矿的分解
钛铁矿与硫酸在不超过40℃的温度下混匀后由预混合罐放入酸解罐中，在压缩空气激烈搅拌下加起始水（工艺水或25%硫酸）引发反应。反应开始时酸解罐中有白烟从人孔处外溢，酸解罐有轻微振感，由于反应放热，温度急剧上升，数分钟内可猛增百余度，最高温度可达200℃左右，随着白烟越来越浓，酸解罐明显振动，反应体系体积瞬间膨胀产生大量泡沫。硫酸中的水分以水蒸汽的形式夹带着酸雾、二氧化硫、三氧化硫及矿粉很快蒸发。主反应在大约6分钟内结束，形成多孔疏松的固相物。
②反应产物的熟化与冷却
主反应结束后，减小压缩空气流量，此时固相物温度约180~200℃，保温熟化一段时间让其慢慢冷却，使未反应的钛铁矿利用此温度与固相物中残存的游离硫酸继续反应。一般来说，钛精矿的酸解率可达95%~97%，而实际生产中酸解率的85%~90%是在主反应期间完成的，熟化一定时间可使酸解率提高5%~10%。确定熟化时间的长短应根据主反应的激烈程度、投矿量的大小、室温的高低以及酸解罐的构造和完善程度而定。熟化的起始时间以主反应结束计。熟化时间过长，则由于固相物温度的逐步降低而使得其与游离硫酸的反应逐渐停止，酸解率的提高便不明显，而浸取的时间却要明显增长；熟化时间过短，则起不到熟化以提高酸解率的作用。对于此次设计选用160m3这样的大型酸解罐来说，熟化时间需要90~150分钟[11]。
③浸取
浸取是指在压缩空气搅拌、严格控制浸取液浓度和酸度的情况下，用水或部分稀废酸、小度水（低TiO2浓度的回收液）将反应固相物溶解，使钛和铁等金属的硫酸盐转至溶液中的过程。加水浸取的时间为两小时。
工业生产中一般先加稀废酸（水解产物偏钛酸过滤后的母液）后加水或小度水。酸解时加入稀废酸不仅可以降低浸取时的温度、增加溶液的酸度以防止早期水解(所谓早期水解是指钛液尚未进行热水解就开始析出偏钛酸或正钛酸)，还可以同时降低反应时的酸矿比而节约硫酸的消耗。由于小度水是洗涤泥渣、亚铁和清
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洗钛液贮槽等含有低浓度TiO2的钛液，所以用小度水则可提高钛的收率、降低钛的损失。
浸取时重新增大压缩空气的流量，在压缩空气搅拌下先以大量的浸取液（水或稀废酸）迅速浸没固相物后，再以一定的速率把浸取液加入酸解罐中。如果加水速度太慢，则由于刚开始浸取时固相物温度仍较高，水量较少将导致表面浸出物局部温度过高容易造成早期水解；加水速度太快，由于固相物的溶解有一个过程，则会致使短时间内局部溶液浓度和酸度过低，加之此时的温度还较高，也易发生早期水解。早期水解生成的不定型的的乳白色胶体颗粒粒径细而不规则，不仅影响浸取而且在沉淀时部分会随泥渣一道沉降下来使钛的收率降低，在过滤时这些胶体颗粒又会堵塞滤布，增加过滤操作的难度，更为严重的是水解时它们还会充当不良的结晶中心，影响水解产物的粒径和粒径分布，从而最终降低颜料的性能。
④还原
从电极电位可知氧化型的氧化能力为Fe2+
（5）
2TiOSO4 + Fe + 2H2SO4 = Ti2(SO4)3+ FeSO4 + 2H2O （6）
根据氧化还原反应的电极电位，溶液中的还原剂首先与氧化性作用较强的三价铁反应，待溶液中的三价铁全部被还原成二价铁后，四价钛才参与反应被还原成三价钛。因此一旦溶液中出现三价钛就表明体系中的三价铁已全部被还原成了二价铁。溶液中保持一定的三价钛含量可以有效防止已被还原的低价态的金属离子在以后的生产中再被氧化成高价状态，但由于三价钛只有在pH大于3时才能水解，因此其含量过高虽然对质量有好处却会降低水解率，增加钛的损失，经济上很不划算。所以工业生产中一般保持钛液中的三价钛含量（以TiO2计）在1~3g/l左右。
2.2.4酸解工艺流程简述
来自硫酸计量槽中一定数量的硫酸，与来自称量槽中经准确计量的钛铁矿粉
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在预混合槽内通过机械搅拌，混合均匀后放入酸解反应罐中，据工艺情况可采用以下两种方法启动酸解反应：
①工艺水启动：在酸解罐中加入来自水计量槽经准确计量的一定数量的水，酸被稀释放出的热量使混合物的温度升高，到一定温度时开始发生酸解反应。
②22%左右废酸启动：在酸解反应罐中加入废酸计量槽中经准确计量的一定数量的废酸，此时酸稀释放出的热量足以发生酸解反应。
上述两种情况下均可发生酸解反应，反应中产生的气体经水力喷射器喷淋再经酸解喷淋烟囱排入大气，所用喷淋水经循环水池用泵送入水力喷射器和喷淋烟囱，喷淋后的水回流至循环水池。其循环水池的水达到一定浓度后送入废水处理系统进行处理，补充水由水站供应或工艺废水进行补充。经15分钟左右的酸解反应后，产物进行1.5~2小时的熟化，然后加一定量的水进行浸取操作，加水时间为2小时，在加水1小时后，使用铁粉进行三价钛铁离子还原，2小时内加水至要求的料位，补充铁屑由吊篮经电动葫芦浸入溶液中，尔后进行6~8小时的还原反应，还原期间，调节压缩空气量控制料液温度不得超过70摄氏度，还原结束后取样送化验室，制备好的钛液经钛液泵槽由钛液泵送入后工序澄清池。
2.2.5酸解工艺流程框图
小 度 98%酸计量槽 铁粉 矿粉计量贮斗 预混槽 酸 解 锅 25%酸贮槽 浸取水 水 贮 槽 水力喷射器 排空 喷淋烟囱 98%酸 尾气 引发液计量槽 压缩空气循环水池 钛液料浆泵槽 补充水 去污水处理 钛液去沉降工段 图2.3 酸解工艺流程图
2.3沉降及热过滤 2.3.1沉降的目的
沉降是借助于重力作用，除去钛液中的不溶性杂质和胶体颗粒，将钛液初步
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