一种四氯化钛悬浮液回收四氯化钛的系统以及方法
阅读说明：本技术 一种四氯化钛悬浮液回收四氯化钛的系统以及方法 (System and method for recovering titanium tetrachloride from titanium tetrachloride suspension ) 是由 吕天宝 侯宝瑞 乔仲春 王景顺 刘永松 王瑞涛 于 2019-10-29 设计创作，主要内容包括：一种四氯化钛悬浮液回收四氯化钛的系统,四氯化钛经除钒反应器进行矿物油除钒后,经悬浮液泵送至螺旋板换热器,经过螺旋板换热器降温后的除钒悬浮液进入到缓冲罐,缓冲罐顶部设置尾气排出装置,缓冲罐内的气态四氯化硅通过尾气装置排放到尾气处理系统,缓冲罐内的悬浮液通过悬浮液泵送至悬浮液离心机,在离心力的作用下使液固快速分离。(The utility model provides a titanium tetrachloride suspension retrieves system of titanium tetrachloride, titanium tetrachloride carries out mineral oil through removing the vanadium reactor and removes the vanadium after, sends to the spiral plate heat exchanger through the suspension pump, and the suspension that removes after the spiral plate heat exchanger cooling enters into the buffer tank, and the buffer tank top sets up tail gas eduction gear, and gaseous silicon tetrachloride in the buffer tank discharges the tail gas processing system through the tail gas device, and the suspension in the buffer tank passes through the suspension pump and sends to suspension centrifuge, makes the solid rapid separation of liquid under the effect of centrifugal force.)
技术领域
本发明属于四氯化钛回收领域，特别涉及一种四氯化钛悬浮液回收四氯化钛的系统以及方法。
背景技术
四氯化钛是生产海绵钛和氯化法钛白最重要的的原料。目前世界上工业四氯化钛主要采用氯化法生产，氯化法所采用的原料都含有一定的杂质，二氧化钛被氯化的同时杂质元素也被氯化，生成相应的氯化物，这些杂质直接影响海绵钛的质量，因此，必须将粗四氯化钛加以提纯精制才能用于生产海绵钛和钛白。由于粗四氯化钛中的钒杂质主要以三铝氧化钒(V0C13)形式存在，其沸点(127℃)与四氯化钛沸点(136℃)是十分接近，因而采用精馏方法难以将钒从四氯化钛中分离除去。本发明是应用在矿物油除钒泥浆中，四氯化钛的回收。
四氯化钛泥浆回收较普通的固液分离难度主要体现在整个过程均要求在密闭状态下进行,四氯化钛接触空气水解冒白烟,刺激呼吸道,危害人体健康；四氯化钛溅到皮肤上或跟睛里,将水解灼烧皮肤和眼睛,造成难以治愈的皮肤烫伤或视力下降甚至失明；且浆粘度大,回收工艺及设备的研制要妥善解决密闭和粘度大这两方面的问题。
目前对于除钒泥浆产生的含钒四氯化钛泥浆处理方法之一是先采用水解沉降，再利用矿浆蒸发炉进行四氯化钛回收，剩下含钒残渣加石灰中和处理。该方法处理工艺控制过程繁琐，矿浆蒸发后排渣时环境污染严重，对四氯化钛的回收利用率不高。
另外一种比较普遍的方法是将含钒四氯化钛泥浆浓密机沉降后，直接打入沸腾氯化炉，利用氯化炉产生的余热将泥浆中四氯化钛汽化，产生的四氯化钛气体随生产的四氯化钛混合气体进入后部系统收集。该方法虽然能较好的回收四氯化钛，但是由于氯化炉的温度控制，不能持续加入，从而不能连续回收，同时在加入氯化炉时要均匀小流量加入，回收四氯化钛量有限，不能处理大量泥浆。
螺旋卸料沉降离心机对污泥进行分离是一个非线性的过程,非线性变化主要是来自离心机的分离特性,分离颗粒的物理性质以及对颗粒分离的操作情况，在分离过程的不同时间里由于给定的控制变量不能达到相同的分离效果,因此,采用古典控制很难使分离过程达到优化以及提高分离效果。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种氯化法钛白粉生产中四氯化钛矿物油除钒泥浆中回收四氯化钛的方法，该方法可以实现对矿物油除钒泥浆的连续处理，并且矿物油除钒泥浆中四氯化钛与含钒固体分离效率高，从而可以充分回收四氯化钛。
本发明的技术方案为：一种四氯化钛悬浮液回收四氯化钛的系统，包括除钒反应器、悬浮液泵、螺旋板换热器、缓冲罐、尾气排出装置、悬浮液离心机、氯化炉冷却导管、液体泵、旋风分离器、氯化炉排渣槽，四氯化钛经除钒反应器进行矿物油除钒后，经悬浮液泵送至螺旋板换热器，经过螺旋板换热器降温后的除钒悬浮液进入到缓冲罐，缓冲罐顶部设置尾气排出装置，缓冲罐内的气态四氯化硅通过尾气装置排放到尾气处理系统，缓冲罐内的悬浮液通过悬浮液泵送至悬浮液离心机，在离心力的作用下使液固快速分离，将液固分离后的液体通过液体泵送至氯化炉冷却导管进行喷淋，使该液体气化进入旋风分离器，氯化炉冷却导管是指氯化炉顶部四氯化钛混合气体进入旋风分离器的U型管道，该液体气化进入旋风分离器，同时对冷却导管内的四氯化钛混合气体进行冷却,液固分离后的固体送至氯化炉排渣槽进行中和处理。
一种四氯化钛悬浮液回收四氯化钛的方法，该方法包括以下步骤：
步骤1、将四氯化钛经矿物油除钒的悬浮液泵送至螺旋板换热器，四氯化钛经矿物油除钒的悬浮液是指四氯化钛经过矿物油除钒后除钒反应器底部排放的泥，除钒反应器底部排放的悬浮液温度在120～130℃，控制螺旋板换热器出口温度为56.5～100℃；
步骤2、经过螺旋板换热器降温后的除钒悬浮液进入到缓冲罐，缓冲罐顶部设置尾气排出装置，经螺旋板换热器冷凝后的悬浮液是指四氯化钛经过矿物油除钒后除钒反应器底部排放的悬浮液经过换热器冷却后的悬浮液，缓冲罐内悬浮液温度在56.5～100℃，由于除钒悬浮液中含有少量四氯化硅，四氯化硅的沸点为56.5℃，在缓冲罐内四氯化硅为气态，气态的四氯化硅通过缓冲罐顶部的尾气装置排放到尾气处理系统；
步骤3、悬浮液离心机启动开始工作，缓冲罐内的悬浮液泵送至悬浮液离心机，在离心力的作用下使液固快速分离，悬浮液离心机是指通过离心力对悬浮液进行液固分离的装置，悬浮液离心机允许介质温度为-10℃～100℃；
步骤4、将液固分离后的液体用泵送至氯化工段中氯化炉冷却导管进行喷淋，使液体气化进入旋风分离器，氯化炉冷却导管是指氯化炉顶部四氯化钛混合气体进入旋风分离器的U型管道，该液体气化进入旋风分离器，同时对冷却导管内的四氯化钛混合气体进行冷却；
步骤5、液固分离后的固体送至氯化炉排渣槽进行中和处理。
本发明的有益效果：
(1)本发明方法利用氯化炉冷却导管对除钒悬浮液中的四氯化钛进行回收，一方面可减少传统工艺中的矿浆蒸发工艺流程，节约矿浆蒸发时额外需要的加热电耗和处理时间；另一方面可解决传统工艺在矿浆蒸发排渣时面临的大量四氯化钛烟气，环境恶劣，环保压力等问题。本发明利用悬浮液离心机在离心力的作用下使悬浮液快速实现液固分离，再通过氯化炉冷却导管进行使液体气化进入氯化系统中，实现四氯化钛的有效回收。悬浮液离心泵自动化程度高，可实现连续进料，连续出料，能耗低、工作负荷轻、结构紧凑、占地面积小、安装维护方便。本发明方法不仅节约了能源，而且对可使回收的四氯化钛液体对冷却导管进行冷却，减少能耗。
(2)本发明将根据进料浓度的不同设计出合理的运行方式,以及根据排渣含湿度的变化,采用模糊控制的方法实时调节转鼓转速,进而改变差转速,以达到最佳的分离效果；
本发明的离心机工作时,转鼓与螺旋输料器同向高速旋转,但螺旋输料器的转速与转鼓转速之间存在转速差,转鼓转速以及与螺旋输料器之间的差速,决定着物料的分离效果和产量等指标,是离心机很重要的可变参数田，而对离心机转速的控制实际上就是对电机转速的控制，随着物料的不同,转鼓的转速以及转鼓与螺旋输料器之间的转速差也要随之改变；而同一种物料在不同的时刻,悬浊液浓度可能发生变化,即要求离心机可根据物料的数据变化,相应的调节转鼓与螺旋输料器之间的转速差,以达到最佳的分离效果；
(3)本发明的悬浮液离心机的有以下优点:
适应性好：在工艺上充分考虑了物料、工艺对离心机提出的各种特殊要求，对主要部件实施了专用性、可调性方面的优化设计；
自动化程度高：离心机在工作时的进料、分离、卸料、等工序是在高速运转下连续自动进行的。采用可编程序控制器实现离心分离和离心冲洗过程的自动控制；
运行稳定性好：离心机使用的差速器为摆线轮差速器或行星轮差速器，具有扭矩大、调节范围广等特点；
工艺性强：离心机采用双电机双变频能量反馈差转速系统控制，对差转速进行柔性无级调节，并根据物料的变化随时调节差转速；
操作环境好：离心机对物料的分离是在完全密闭条件下进行的，保证操作现场整洁无污染，并保持生产环境的整洁卫生，实现文明生产；
安全保护装置齐全可靠：离心机设有扭矩保护，功率控制等多重保护，能有效地排除或减少突发故障对机器造成的损害；
造型美观：本机的机座采用优质碳钢焊接而成，表面均经特殊工艺处理，光滑平整。轻巧、大方、美观，给人以整体美感。
附图说明
图1为本发明的悬浮液离心机的结构图；
图2为本发明的回收四氯化钛的方法流程图；
其中，进料管；2-主电机皮带轮；3-主轴承注油孔；4-螺旋轴承一；5-螺旋叶片；6-转鼓；7-螺旋轴承二；8-主轴承一；9-主轴承注油孔；10-辅电机皮带轮；11-主轴承二；12-固形物排出口；13-出料口；14-液相排出口；15-挡液板；16-差速器。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。
本发明的实施例参考图1-2所示。
一种四氯化钛悬浮液回收四氯化钛的系统，包括除钒反应器、悬浮液泵、螺旋板换热器、缓冲罐、尾气排出装置、悬浮液离心机、氯化炉冷却导管、液体泵、旋风分离器、氯化炉排渣槽，四氯化钛经除钒反应器进行矿物油除钒后，经悬浮液泵送至螺旋板换热器，经过螺旋板换热器降温后的除钒悬浮液进入到缓冲罐，缓冲罐顶部设置尾气排出装置，缓冲罐内的气态四氯化硅通过尾气装置排放到尾气处理系统，缓冲罐内的悬浮液通过悬浮液泵送至悬浮液离心机，在离心力的作用下使液固快速分离，将液固分离后的液体通过液体泵送至氯化炉冷却导管进行喷淋，使该液体气化进入旋风分离器，氯化炉冷却导管是指氯化炉顶部四氯化钛混合气体进入旋风分离器的U型管道，该液体气化进入旋风分离器，同时对冷却导管内的四氯化钛混合气体进行冷却,液固分离后的固体送至氯化炉排渣槽进行中和处理。
其中，悬浮液离心机包括主电机、辅电机、进料管、主电机皮带轮、主轴承注油孔、螺旋轴承一、螺旋叶片、转鼓、螺旋轴承二、主轴承一、主轴承注油孔、辅电机皮带轮、主轴承二、固形物排出口、出料口、液相排出口、挡液板、差速器、离合器、电机启动装置、报警装置、调节控制装置、显示装置，
报警装置用于轴承温度报警和过载报警、调节控制装置用于根据悬浮液的数据变化对转鼓转速、螺旋叶片转速以及二者之间的差速进行调节、显示装置用于对运行情况、转速、温度、电流、报警以及螺旋叶片的旋转电压进行显示，调节控制装置包括PLC构成的模糊控制器、变频器以及浊度计，模糊控制器用于生成模糊控制量控制变频器的输出，变频器用于对主电机的转速进行控制，浊度计测量分离出的沉渣含湿度；
悬浮液经进料管1从出料口13进入转鼓6，转鼓6在差速器的高速旋转产生的离心力作用下，比重较大的固相颗粒沉积在转鼓内壁上，与转鼓作相对运动的螺旋叶片5不断地将沉积在转鼓内壁上的固相颗粒刮下并推出固形物排出口12,分离后的清液经液层调节板的液相排出口14溢流出转鼓，螺旋叶片与转鼓之间的差速旋转是通过差速器16来实现的，其大小由辅电机来控制，从而实现离心机对物料的连续分离；
主轴承一和主轴承二连接在外壳和转鼓之间，螺旋轴承一和螺旋轴承二连接在螺旋叶片和转鼓之间，从而使螺旋叶片和转鼓能够旋转。
一种四氯化钛悬浮液回收四氯化钛的方法，该方法包括以下步骤：
步骤1、将四氯化钛经矿物油除钒的悬浮液泵送至螺旋板换热器，四氯化钛经矿物油除钒的悬浮液是指四氯化钛经过矿物油除钒后除钒反应器底部排放的泥，除钒反应器底部排放的悬浮液温度在120～130℃，控制螺旋板换热器出口温度为56.5～100℃；
步骤2、经过螺旋板换热器降温后的除钒悬浮液进入到缓冲罐，缓冲罐顶部设置尾气排出装置，经螺旋板换热器冷凝后的悬浮液是指四氯化钛经过矿物油除钒后除钒反应器底部排放的悬浮液经过换热器冷却后的悬浮液，缓冲罐内悬浮液温度在56.5～100℃，由于除钒悬浮液中含有少量四氯化硅，四氯化硅的沸点为56.5℃，在缓冲罐内四氯化硅为气态，气态的四氯化硅通过缓冲罐顶部的尾气装置排放到尾气处理系统；
步骤3、悬浮液离心机启动开始工作，缓冲罐内的悬浮液泵送至悬浮液离心机，在离心力的作用下使液固快速分离，悬浮液离心机是指通过离心力对悬浮液进行液固分离的装置，悬浮液离心机允许介质温度为-10℃～100℃；
步骤4、将液固分离后的液体用泵送至氯化工段中氯化炉冷却导管进行喷淋，使液体气化进入旋风分离器，氯化炉冷却导管是指氯化炉顶部四氯化钛混合气体进入旋风分离器的U型管道，该液体气化进入旋风分离器，同时对冷却导管内的四氯化钛混合气体进行冷却；
步骤5、液固分离后的固体送至氯化炉排渣槽进行中和处理。
当悬浮液离心机工作时，由于进入转鼓的悬浮液密度的不均匀，会使转鼓的负载发生变化，为使悬浮液离心机在负载变动的工况下，仍然能保持较好的运行特性，应使悬浮液泵、转鼓和螺旋叶片的转速可调，
悬浮液离心机的转鼓和螺旋叶片采用变频器调速方式驱动，实现了对转鼓和螺旋叶片的无级调速，悬浮液离心机运行时要求转鼓的转速较高，负荷较大并且需要长期工作；为保证设备长期可靠的运行，应对转鼓支承轴承的温度自动监控。
步骤3中，悬浮液离心机工作步骤具体如下:
步骤3.1、从现场采集监测点的模拟量，模拟量包括电机温度、轴承温度、转鼓扭矩大小、排渣含湿量大小；
步骤3.2、根据步骤3.1的模拟量判断悬浮液离心机的备妥情况，决定悬浮液离心机是否可以启动，采集来的现场的电机温度、轴承温度与设定报警值和停机值进行对比，如果超出设定报警值和停机值则进行报警或者继续停机，否则进入步骤3.3；
步骤3.3、模拟量符合要求，则所有悬浮液离心机都处于准备好状态，悬浮液离心机启动；
步骤3.4、启动辅电机，带动辅电机皮带轮，螺旋叶片以低速运转，排除上次运行中可能留下的残余物质，避免转鼓启动时可能发生的由于残留物分布不均匀而造成的启动震动大的情况，清除完残余物质后，启动主电机，带主电机皮带轮，带动转鼓开始运转，达到稳定转速后进行工作方式的选择，工作方式分为手动、自动和停止；
步骤3.5、在关闭悬浮液离心机时，将转鼓速度降低，然后由螺旋叶片继续将残余物质排出机外，直到操作人员认为满意为止，转鼓和螺旋叶片分开独立驱动，在悬浮液离心机发生堵塞的情况下单独启动螺旋叶片，在低速的情况下排出停留在悬浮液离心机内的残余物质；
转鼓和螺旋叶片分开独立驱动简化了保养和维修的过程。
其中，步骤3.4中，
在手动运行时，操作人员设置转鼓转速以及差速器的转速差，并开启悬浮液泵，从而实现手动运行；
在自动运行时，测量进料的浓度是否小于给定浓度，调节控制装置判断选择差速运行或是零差速运行，当检测到进料浓度小于给定浓度时，悬浮液离心机采用零差速运行，零差速运行是指当悬浮液固相浓度很小时，转鼓与螺旋叶片同速运行；当检测到进料浓度大于给定浓度时，调节控制装置的模糊控制器基于模糊控制方法进行差速运行；
在停止运行时，悬浮液泵关闭，主电机关闭，辅电机关闭；
其中，所述步骤3.4自动运行时的零差速运行具体步骤为：
步骤3.4.A1、当悬浮液离心机进行零差速运行时，主电机升速，转鼓转速升至预设转速，主电机带动差速器齿壳，通过离合器的作用使差速器整体旋转，差速器内部的齿壳和输入轴无相对运动，转鼓和螺旋叶片以相同的速度同向旋转；
步骤3.4.A2、关闭辅电机；
步骤3.4.A3、打开悬浮液泵；
步骤3.4.A4、判断转鼓的转矩是否大于预设上限转矩，如果大于预设上限转矩，则进入步骤3.4.A5，否则返回步骤3.4.A 3；
步骤3.4.A5、在分离过程中，同时并连续从进料管进料和从液相排出口排出清液，当沉降在转鼓内的沉渣层积累到一定厚度时，关闭悬浮液泵，停止供料和排液；
步骤3.4.A6、在全速运转条件下起动辅电机，带动差速器输入轴，螺旋叶片以预定速度旋转；
步骤3.4.A7、沉渣从转鼓的固形物排出口卸出；
步骤3.4.A8、判断转鼓的转矩是否小于预设下限转矩，如果小于预设下限转矩，则返回步骤3.4.A2，否则返回步骤3.4.A7。
其中，所述步骤3.4自动运行时模糊控制方法具体为：
悬浮液的物理参数是随着时间的推移而改变的，其中浓度就是一个动态的参变量，在固定的分离参量下，浓度的变化会使分离效果性能发生变化；同时悬浮液输入流量的变化也会使悬浮液的含湿量发生波动，当进料浓度大于给定浓度时，悬浮液离心机进行差速运行，根据排渣含湿量的变化，利用模糊控制方法实时调节转速差，控制对象是沉渣的含湿量；执行元件是带动转鼓的主电动机；测量元件是浊度计，测量分离出的沉渣含湿度，将湿度转换为电压信号，再经过放大和滤波处理；模糊控制器将浊度计采样得到的信号进行模糊化，对模糊量进行模糊运算得到模糊输出量，再对输出量进行解模糊得到精确量，由变频器控制主电动机对执行元件的动力输出；
模糊控制器将已建立的离线的模糊控制查询表按照一定的规律将其存放在PLC存储器中，模糊控制器实时控制时，对采样后得到的精确量进行等级量化，得到其相应的模糊化论域元素，通过查表获得输出控制量的量化值，将此量化值乘以比例因子即可得到最终的精确控制量。
具体步骤为:
步骤3.4.B1、确定模糊控制器的结构；
步骤3.4.B2、确定语言变量；
具体为：
步骤3.4.B2.1、沉渣给定湿度为cd，测得沉渣实际湿度是c，则沉渣湿度误差e，
e＝cd-c，
其语言变量为E，论域为:X＝{-3,-2,-1,0,+1,+2,+3}，论域上模糊子集是
{负大(NB)，负中(NM)，负小(NS)，零(ZO)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)}，分别表示当前测得沉渣实际湿度c相对于沉渣给定湿度cd为:极高，很高，偏高，正好，偏低，很低，极低；
步骤3.4.B2.2、沉渣湿度误差前后两次采样值的变化量为ec：ec＝c2-c1，
其语言变量为EC，论域为:Y＝{-2,-1,0,+1,+2}，论域上模糊子集是
{负大(NB)，负小(NS)，零(ZO)，正小(PS)，正大(PB)}分别表示当前沉渣湿度的变化c2-c1为:快速减小，减小，不变，增大，快速增大；
步骤3.4.B2.3、输出控制量u，其语言变量为U，论域Z＝{-3,-2,-1,0,+1,+2,+3}，论域上模糊子集是
{负大(NB)，负中(NM)，负小(NS)，零(ZO)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)}，分别表示控制执行机构的动作为:转鼓转速减速量大，转鼓转速减速量中，转鼓转速减速量小，转鼓转速不变，转鼓转速加速量小，转鼓转速加速量中，转鼓转速加速量大；
步骤3.4.B3、建立语言变量赋值表，如下所示；
表1语言变量E赋值表
该表为在不同语言变量E和模糊子集
表2语言变量EC赋值表
该表为在不同语言变量EC和模糊子集
表3语言变量U赋值表
该表为在不同语言变量U和模糊子集对应输出值，
步骤3.4.B4、根据专家知识和熟练操作人员的经验积累,给出模糊控制规则，当误差大或较大时,选择控制量的变化应尽量使误差迅速减小,消除误差；而当误差较小时,除了要消除误差以外,还要考虑系统的稳定性,防止系统产生不必要的超调,甚至震荡，根据模糊控制规则建立模糊规则表,如下所示：
表4模糊规则表
该表的为在不同语言变量E，EC条件下语言变量U的模糊值；
步骤3.4.B5、根据语言变量E和EC论域的量化等级,对所有可能情况一一合成推理,并采用加权平均法解模糊方法运算求出全部相应的输出值结合表1-4,合成模糊控制查询表，如下所示：
表5模糊控制查询表
该表的为在不同语言变量E，EC条件下输出控制量u的控制值；步骤3.4.B6、输出控制量u经过尺度变换输出变频器，进而控制主电机的转速，从而实现模糊控制。
以上所述实施方式仅表达了本发明的一种实施方式，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。