CZ300346B6

CZ300346B6 - Reaktor, zejména pro výrobu titanu

Info

Publication number: CZ300346B6
Application number: CZ20060104A
Authority: CZ
Inventors: Lysytchuk@Oleg
Priority date: 2006-02-17
Filing date: 2006-02-17
Publication date: 2009-04-29
Also published as: WO2007093135A1; ATE533868T1; EP1989336B1; CZ2006104A3; EP1989336A1

Abstract

Reaktor, zejména pro výrobu titanu, je tvoren telesem (1), jehož dutý plášt je ochlazován chladicím médiem, které je opatreno tavicími elektrodami (5) a které je jednak uzpusobeno pro zajištení prívodu plynného média obsahujícího titan, pro zajištení prívodu kapalného redukcního cinidla a pro zavážení tavicích prísad, a jednak je uzpusobeno pro odvod vedlejších produktu a odber vyrobeného titanu. Vnitrní prostor reaktoru je rozdelen na redukcní sekci (2) a tavicí sekci (3), které jsou vzájemne oddeleny prepážkou (4) opatrenou prepouštecím otvorem (41). Tavicí sekce (3) je tvorena tavicí komorou (31), v níž jsou umísteny sady hlavních tavicích elektrod (5) a která je v horní cásti opatrena násypkou (32) pro zavážení tavicích prísad. Redukcní sekce (2) je tvorena reakcní komorou (21), do níž jsou vyústeny prodouvací kanály (22) vyvedené ze smešovacích komor (23), do nichž jsou shora zaústeny prívodní kanály (24) prodouvacího plynu obsahujícího titan, které jsou propojeny s nálevkovou komorou (25) sloužící k zajištení prívodu kapalného redukcního cinidla.

Description

Reaktor, zejména pro výrobu titanu

Oblast techniky

Vynález spadá do oblasti metalurgie barevných kovů a řeší konstrukci reaktoru určeného k výrobě čistého titanu jednostupňovým zpracováním chloridu titaničitého za použití sodíku nebo hořčíku.

Dosavadnístav techniky '' ' ,

K výrobě barevných kovů se používají různé tavící pece či reaktory, jejichž konstrukce je závislá jak na druhu zpracovávané rudy a použité technologii jejího zpracování tak na požadované kva15 lité výsledného produktu.

Jsou známé konstrukce reaktorů sloužících k výrobě oxidu titaničitého, popsané například ve spisech GB 1202581 nebo GB 1429333 a obsahující různé reakční zóny, do nichž je přiváděn redukční plyn. Tyto reaktory však není možno použít k výrobě čistého titanu. Ve spise

GB 1260021 je pak popsán proces kontinuálního zpracování titanové rudy pomocí kyseliny chlorovodíkové, který využívá zařízení obsahující dva či více spojených reaktorů, které v podstatě tvoří kaskádu kotlů s míchacími zařízeními, kde teplota v každém z reaktorů je vytvářena pomocí exotermických reakcí chloridu titaničitého a stabilizuje se pomocí regulace proudu reagentů procházejících zařízením. Po vyluhování pevných suspenzí se pak pomocí hydrolýzy získává oxid titaničitý. Reaktor tedy slouží k primárnímu zpracování titanové rudy na TiCU s následnou výrobou TÍO₂ a nevztahuje se k výrobě čistého titanu, K výrobě pyrogenního TiO? s jemně dispergovanými částicemi se pak vztahuje spis GB 1187864, kde je využíváno reakce plynného TíCl₄ s kyslíkem, přičemž výsledná plynná směs s obsahem TiO₂ prochází při teplotě 400 až 800 °C přes τ elektrické pole, které se nachází v komoře reaktoru a je .generováno pomocí elektrod. Toto elek30 trické pole brání vytváření usazenin na stěnách reaktoru. Po ochlazení se TiO₂ z plynné směsi odděluje zpravidla mechanicky nebo pomocí elektrostatického odlučování prachu.

Konstrukce reaktoru k výrobě titanu je uvedena ve spise GB 814181, kde je popsán způsob kontinuální redukce par TiCL» za přítomnosti zásaditých látek či kovů alkalických zemin, rozpuště35 ných v tavenině s obsahem halidů či jiných kovů, přičemž reakce probíhají v nádobě, jejíž konstrukce zabraňuje, aby neroztavený redukční kov přišel do kontaktu s parami TiO₂. Titan zformovaný v komoře reaktoru se usazuje na dno a může být vypouštěn jako suspenze v tavenině soli nebo může být vytažen vpodobě ztuhlého bloku soli s obsahem titánu. Nevýhodou tohoto září- ’ zení je nízká výrobní kapacita zařízení a skutečnost, že výsledným produktem není čistý titan ale pouze jeho suspenze v tavenině nebo ztuhlý blok soli s obsahem titanu.

Získávání titanu z jeho halidů je popsáno ve spise GB 717930, kde TiCl₄ reaguje se sodíkem v inertní atmosféře od 200 °C do teploty tavení NaCI, nejlépe v rozsahu 480 až 620 °C, přičemž se v reaktoru vytváří promíchaná sypká a nelepkavá vrstva reakčních produktů s následnou redukcí titanu. Před redukcí se mohou produkty zahřívat v inertní atmosféře na více než 800 °C. NaCI může být vyloučen pomocí zahřívání v přítomnosti vody nebo jednoprocentního roztoku H₂SO₄nebo se může odpařovat v inertní atmosféře při teplotě přesahující teplotu tavení titanu, který se následně slévá. Nevýhodou tohoto řešení je, že reakce TiO₂ a sodíku probíhají v režimu laminámí difúze, což způsobuje, že efektivita a výrobní kapacita zařízení je nízká.

-1 CZ 300346 B6

Podstata vynálezu

Uvedené nevýhody řeší vynález, kterým je reaktor, zejména pro výrobu titanu, tvořený tělesem, jehož dutý plášť je ochlazován chladicím médiem, které je opatřeno tavícími elektrodami a které je jednak uzpůsobeno pro zajištění přívodu plynného média obsahujícího titan, pro zajištění přívodu kapalného redukčního Činidla a pro zavážení tavících přísad, a jednak je uzpůsobeno pro odvod vedlejších produktů a odběr vyrobeného titanu. Podstata vynálezu spočívá v tom, že vnitřní prostor reaktoru je rozdělen na redukční sekcí a tavící sekci, které jsou vzájemně odděleny io přepážkou opatřenou přepouštěcím otvorem, kde tavící sekce je tvořena tavící komorou, v níž jsou umístěny sady hlavních tavících elektrod a která je v horní části opatřena násypkou pro zavážení tavících přísad, a kde redukční sekce je tvořena reakční komorou, do níž jsou vyústěny prodouvací kanály vyvedené ze směšovacích komor, do nichž jsou shora zaústěny přívodní kanály prodouvacího plynu obsahujícího titan, a které jsou propojeny s nálevkovou komorou sloužící k zajištění přívodu kapalného redukčního činidla.

Další podstatou vynálezu je, že prodouvací kanály jsou vedeny do reakční komory směrem šikmo vzhůru a symetricky proti sobě a ve výhodném provedení jsou nakloněny vzhledem k horizontální rovině pod úhlem 30 až 60° a mají pravoúhlý průřez.

Také je podstatou vynálezu, že tavící sekce je opatřena odtahovým potrubím pro odvod par a sifonovým výtokem zakončeným pánví k odvodu kondenzované kapalné částí a strusky jako vedlejších produktů výroby.

V různých konstrukčních modifikacích jsou buď v dnové části tavící komory vytvořeny nístějové , krystalizátory, které jsou opatřeny vytahovacími mechanizmy uzpůsobenými k uchycení a vytahování ztuhlých ingotů titanu, a nebo je tavící sekce opatřena vypouštecí sekcí napojenou do tavící komory přes vypouštěcí otvor a tvořenou sifonovým průtokem, v němž jsou umístěny pomocné tavící elektrody a který je vyústěn do výstupního žlabu. , ........

Novým vynálezem se dosahuje vyššího účinku v tom, že v důsledku kinetické energie vysoké rychlosti proudícího plynu se v prodouvaných kanálech a v reakční komoře vytváří režim turbulentní difúze, díky němuž prakticky okamžitě probíhají pyrometalurgické reakce, které mají rychlý průběh a umožňují velmi rychlý průběh tavení materiálu, čímž se minimalizuje negativní vliv vzájemného působení mezi výslednými produkty a reagenty, tedy struskou, a plynem což je typickým nedostatkem stávajících typů metalurgických zařízení, jako jsou konvektory, reflektorové pece či rafinační pece. Zařízení je poměrně konstrukčně jednoduché, přičemž vykazuje mnohonásobně vyšší efektivnost výroby a téměř beze zbytku využívá veškerý hořčík, dodávaný do redukční sekce. Rychlost probíhajících reakcí je při vysokých teplotách řízena pouze pro40 střednictvím rychlosti transportních článků, tedy rychlostí podáváním reagentů do reaktoru, a rychlostí odvádění výsledných produktů z reakční sekce.

Popis obrázků na připojených výkresech

Konkrétní příklady provedení vynálezu jsou schématicky znázorněny na připojených výkresech, kde obr. 1 je podélný řez základním provedením reaktoru obr. 2 je půdorys reaktoru z obr. 1 obr. 3 je příčný řez reaktorem z obr. 1 v rovině A-A obr. 4 je podélný řez alternativním provedením reaktoru upraveným pro vypouštění roztaveného titanu.

-2CZ 300346 B6

Příklady provedení vynálezu

Podle vynálezu je reaktor tvořen tvarovaným tělesem i, jehož dutý plášť sestává z redukční sekce

2 a tavící sekce 3, které jsou vzájemně odděleny přepážkou 4 opatřenou přepouštěcím otvorem

4Í, která vytváří teplotní předěl mezi oběma zónami, když v redukční sekci 2 je udržována teplota cca 650 °C a v taviči sekci 3 teplota v rozmezí 1800 až 2000 °C. Plášť tělesa 1 je ochlazován chladicím médiem, například směsí dusitanů a dusičnanů KNO₃, NaNO₃ a NaNO₂, které je přiváděno a odváděno chladicím potrubím 101.

io

Redukční sekce '2 je tvořena reakční komorou 21, do níž jsou vyústěny směrem šikmo vzhůru symetricky proti sobě směrované prodouvací kanály 22, vyvedené ze směšovacích komor 23, do nichž jsou shora zaústěny přívodní kanály 24 prodouvacího plynu obsahujícího titan, například plynného TÍCI4, a které jsou propojeny s nálevkovou komorou 25 opatřenou trychtýřovitými hrdly 26 a sloužící k zajištění přívodu kapalného redukčního činidla, například hořčíku nebo sodíku. Prodouvací kanály 22 mají pravoúhlý, s výhodou obdélníkový, průřez a jsou nakloněny vzhledem k horizontální rovině pod úhlem 30 až 60° a jsou konstruovány tak, aby jejich optimální pracovní parametry byly dány hodnotami:

- rychlost plynu v kanálu...........................................50 až 300 m/s

- specifická spotřeba taveniny rafinačního plynu...... 0,5 až 3 kg/m

Taviči sekce 3 je tvořena tavící komorou 31, v níž jsou umístěny sady hlavních tavících elektrod 5 á která je v horní části opatřena jednak násypkou 32 pro umožnění zavážení tavících přísad, například CaF2, a jednak profukovacími tryskami 34 pro přívod a odvod argonu, sloužícího k vytvoření inertní atmosféry při tavení. V dnové části tavící komory 31 jsou vytvořeny nístějové krystal i zátory 33, které jsou opatřeny vytahovacími mechanizmy 6 uzpůsobenými k uchycení a vytahování ztuhlých ingotů 7 titanu. Tavící sekce 3 je dále opatřena odtahovým potrubím 35 pro odvod par MgCl₂ a bočně vyvedeným sifonovým výtokem 36 zakončeným pánví 37 sloužícím k ' odvodu kondenzované kapalné části MgCl₂ á střusky.

Před zahájením výrobního procesu se celý reaktor profukuje argonem, který je do jeho vnitřního prostoru vháněn pomocí profukovacích trysek 34 do okamžiku odstranění zbytků atmosféry obsahující kyslík. Vytahovací mechanizmy 6 jsou zdviženy do horní polohy a jako první náplň jsou do nístějových kry stal izátórů 33 umístěny chladné titanové ingoty 7, čímž je umožněno za dalšího běžného provozu reaktoru nepřetržité vytahování ingotů 7 z tavící sekce 3T . . Při výrobě je do redukční sekce 2 vpouštěn přívodními kanály 24 pod tlakem 0,5 až 1,5 kPa plynný TiCl₄ a přes nálevkovou komoru 25 je dodáván kapalný hořčík o teplotě 550 až 750 °C, který částečně zaplňuje prodouvací kanály 22 prodouvané T1CI4. Díky své kinetické energii s sebou T1CI4 unáší kapalný hořčík a bezprostředně jej drobí na velké množství kapek. Prakticky okamžitě dochází k redukčním pyrometalurgickým reakcím podle vzorce

2Mg + TiCl₄ -» Ti + 2MgCl₂ + 85 kcal/mol při nichž se s využitím kapalného hořčíku získává z T1CI4 elementární titan. Rychlost pyrometalurgických reakcí se zvyšuje v reakční komoře 21, v níž dochází ke vzájemnému střetu proudů plynu vycházejících ze dvou prodouvacich kanálů 22 a obsahujících kapky kapalného hořčíku, zbytky plynného T1CI4 a částice titanu. V důsledku silné turbulence, vznikající v proudu plynu a taveniny, která je štěpena na malé kapky o rozměru 50 až 400 pm a pěnu s vysoce rozvinutým aktivním heterogenním povrchem. Tím jsou vytvořeny nezbytné podmínky k rychlému průběhu pyrometalurgických reakcí mezi složkami taveniny a raftnačním plynem a dochází k dokončení chemických reakcí, když TiCl₄ je prakticky okamžitě a stoprocentně redukován na Čistý titan a výsledným produktem jsou částice pevného titanu a páry MgCI₂. Z reakční komory 21 jsou částice pevného titanu a tavenina MgCl₂ odváděny přepouštěcím otvorem 41 mezi dělicí přepážkou 4

-3CZ 300346 B6 a pláštěm tělesa I do tavící sekce 3. Přibližně polovina par MgCL se nepřetržitě odvádí z tavící komory 3J_ přes odtahové potrubí 35 a zbývající polovina MgCb kondenzuje a v podobě kapaliny je odváděna, tedy slévána, přes sifonový výtok 36 pomocí pánve 37.

Další část výrobního procesu probíhá v taviči komoře 31 taviči sekce 3, kam je přes násypku. 32 zavážen pevný materiál určený k tavení včetně tavících přísad, např. CaF2, a kde jsou umístěny hlavní tavící elektrody 5 připojené k neznázorněnému zdroji střídavého proudu a ponořené do taveniny soli MgCI₂ a strusek. Pomocí hlavních tavících elektrod 5 se tavenina obsahující suspendované částice pevného titanu zahřívá na teplotu 1800 až 2000 °C a roztavený titan, jehož teplota tavení je 1668 °C, následně plní spodní část tavící komory 31, spojuje se s ingoty 7 a po zchlazení je v závislosti na míře vytvoření pevné struktury z reaktoru vytahován pomocí vytahovacích mechanizmů 6 a následně je řezán na kusy neznázoměnými laserovými řezacími nástroji.

Při provozu reaktoru se na vnitřním povrchu chlazeného pláště taviči sekce 3 a rovněž chlazené přepážky 4 vytváří ochranná vrstva gamisáže 9 složená z částic titanu, MgCI₂ a chloridů titanu, která zabezpečuje dlouhotrvající chod reaktoru bez potřeby speciální žáruvzdorné vyzdívky. Tloušťka ochranné vrstvy činí od 3 do 50 cm, v průměru 10 až 20 cm, v závislosti na toku tepla a tepelném výkonu reaktoru.

Popsaná konstrukce reaktoru není jediným možným řešením podle vynálezu, ale podle obr. 4 je možno v případě potřeby nepřetržitého nebo periodického odvádění kapalného titanu nahradit nístějové katalyzátory 33 vypouštěcí sekcí 8 napojenou přes vypouštěcí otvor 38 tavící sekce 3 a tvořenou sifonovým průtokem 81., v němž jsou umístěny pomocné tavící elektrody 82 a který je vyústěn do výstupního žlabu 83.

Průmyslová využitelnost

Reaktor s konstrukčními znaky charakterizovanými ve. vynálezu lze využít .v. metalurgii barev30 nýeh kovů pro výrobu čistého titanu.

Claims

35 PATENTOVÉ NÁROKY

1. Reaktor, zejména pro výrobu titanu, tvořený tělesem (l), jehož dutý plášť je ůchlázován chladicím médiem, které je opatřeno tavícími elektrodami (5) a které je jednak uzpůsobeno pro

40 zajištění přívodu plynného média obsahujícího titan, pro zajištění přívodu kapalného redukčního činidla a pro zavážení tavících přísad, a jednak je uzpůsobeno pro odvod vedlejších produktů a odběr vyrobeného titanu, vyznačující se tím, že vnitřní prostor reaktoru je rozdělen na redukční sekci (2) a tavící sekci (3), které jsou vzájemně odděleny přepážkou (4) opatřenou přepouštěcím otvorem (41), kde tavící sekce (3) je tvořena tavící komorou (31), v níž jsou umístěny

45 sady hlavních tavících elektrod (5) a která je v horní části opatřena násypkou (32) pro zavážení tavících přísad, a kde redukční sekce (2) je tvořena reakční komorou (21), do níž jsou vyústěny prodouvací kanály (22) vyvedené ze směšovacích komor (23), do nichž jsou shora zaústěny přívodní kanály (24) přodouvacího plynu obsahujícího titan, a které jsou propojeny s nálevkovou komorou (25) sloužící k zajištění přívodu kapalného redukčního činidla.

2. Reaktor podle nároku 1, vy z n aČ u j í c í se tím, že prodouvací kanály (22) jsou vedeny do reakční komory (21) směrem šikmo vzhůru a symetricky proti sobě.

3. Reaktor podle nároků 1 a2, vyzna č u j í cí se t í m , že prodouvací kanály (22) jsou

55 nakloněny vzhledem k horizontální rovině pod úhlem 30 až 60°.

-4CZ 300346 B6

4. Reaktor podle některého z nároků 1 až 3, v y z n a č u j í c í se t í m , že prodouvací kanály (22) mají pravoúhlý průřez.

5 5. Reaktor podle některého z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že tavící sekce (3) je opatřena odtahovým potrubím (35) pro odvod par a sifonovým výtokem (36) zakončeným pánví (37) k odvodu kondenzované kapalné části a strusky jako vedlejších produktů výroby.

6. Reaktor podle některého z nároků laž 5, vyznačující se t í m , že v dnové části io tavící komory (31) jsou vytvořeny nístějové krystal izátory (33), které jsou opatřeny vytahovacími mechanizmy (6) uzpůsobeným i k uchycení a vytahování ztuhlých ingotů (7) titánu.

7. Reaktor podle některého z nároků 1 až 5, v y z n a č u j í c í se t í m , že tavící sekce (3) je opatřena vypouštěcí sekcí (8) napojenou do tavící komory (31) přes vypouštěcí otvor (38) a tvo15 řenou sifonovým průtokem (81), v němž jsou um ístěny pomocné tavící elektrody (82) a který je vyústěn do výstupního žlabu (83).