年产5万吨硫酸法钛白粉生产工艺设计实现可行性方案

年产5万吨硫酸法钛白粉生产工艺设计可行性方案摘要本设计介绍了钛白粉的性质、用途、发展趋势、及各种钛白粉的生产方法并做相应的比较，最终采用目前国内普遍使用并且技术比较成熟的酸解法。

本设计的目的是完成年产5万吨酸解法钛白粉（金红石型）生产工艺设计，其中包括工艺流程设计、物料衡算、能量衡算、主要设备的选型、生产过程中的三废处理以及废副产品的利用。

关键词：钛白粉；硫酸法；水解；工艺计算目录第1章概述 (1)1.1 钛白粉的性质 (1)1.2 钛白粉的用途 (2)1.3 当前钛白粉生产质量标准 (3)1.4 全球钛白的发展情况 (5)1.4.1 国际钛白粉生产发展史 (5)1.4.2 世界钛资源分布情况 (6)1.5 国内钛白粉的发展情况 (8)1.5.1 国内钛白粉生产发展史 (8)1.5.2 我国钛矿的分布情况 (9)1.5.3 国内钛白粉行业的发展前景 (9)1.6 钛白粉生产工艺的比较及选择 (9)1.7 国内外钛白粉的主要生产厂家 (10)1.7.1 国外主要生产厂家 (10)1.7.2 国内主要生产厂家 (12)1.8 设计的目的及内容 (13)第2章酸解法钛白粉生产工艺流程设计及主要工段介绍 (14)2.1 反应原理 (14)2.2 工艺流程方框图 (14)2.3 主要工段介绍[12] (17)2.3.1 酸解工段 (17)2.3.2 浓缩工段 (19)2.3.3 晶种的制备工段 (20)2.3.4 水解工段 (21)第3章酸解法生产钛白粉的工艺计算 (24)3.1 物料衡算 (24)3.1.1 原料计算(以生产1吨100 %TiO2计) (24)3.1.3 结晶过程的物料衡算 (30)3.1.4 过滤过程物料衡算 (30)3.1.5 浓缩过程物料衡算 (31)3.1.6 水解过程中的物料衡算 (32)3.2 能量衡算(以生产1吨100 %TiO2计) (33)第4章主要设备计算及选型 (38)4.1 沉降池选型 (38)4.2 蒸发器选型 (38)4.3 水解罐选型 (38)4.5 主要设备一览表 (39)第5章污染物治理及废副产品的利用 (41)5.1 废气的治理 (41)5.2 废水的治理 (42)5.3 废渣的处理 (43)5.4 噪音及粉尘的处理 (43)5.5 废副产品的利用 (44)第6章车间布置说明 (46)致谢 (47)参考文献 (48)附录 (49)第1章概述1.1 钛白粉的性质钛白粉的化学名称为二氧化钛，化学性质稳定，在一般情况下与大部分物质不发生反应。

在自然界中二氧化钛有三种结晶：板钛型、锐钛和金红石型。

板钛型属不稳定晶型，无工业利用价值；锐钛型(Anatase，简称A型）和金红石型(Rutile，简称R 型）都具有稳定的晶格，是重要的白色颜料和瓷器釉料。

与其他白色颜料相比，有优越的白度、着色力、遮盖力、耐候性、耐热性、和化学稳定性，特别是没有毒性。

在二氧化钛晶体结构中，一个钛粒子被六个氧粒子所包围，而四价钛粒子与二价氧粒子之间又有很强的结合力。

这种晶体特性决定了二氧化钛具有较强的化学稳定性，微溶于碱和热硝酸，只有在长时间煮沸下才能完全溶于浓硫酸和氢氟酸。

若没有还原剂存在，即使在1800 ℃的高温下也不与氯气作用。

二氧化钛不溶于水，对酸的作用很弱，只有在高温和长时间煮沸下才溶于氢氟酸和浓硫酸，能微溶于碱，与强碱或碱金属碳酸盐熔融可转化为微溶于酸的钛酸盐。

以下是相关的反应式：TiO2+6HF→H2TiF6+2H2OTiO2+2H2SO4→Ti(SO4)2+2H2OTiO2+H2SO4→TiSO4+H2OTiO2+2KHSO4→Ti(SO4)2+K2SO4+H2O高温下，若有还原剂（如碳）存在，二氧化钛能被氯气氯化成四氯化钛。

反应式如下：TiO2+2C+2Cl4→TiCl4+2CO二氧化钛与金属钠反应，可生成Ti2O3、TiO和钛酸钠。

在不同的条件下，二氧化钛与碳作用，分别生成Ti2O3和TiC,钛白粉为二氧化钛多晶型化合物，它有两种晶型：金红石型为细长成双的晶体，每个晶包的两个氧化钛分子以两个棱边相连，结构密度大，折射率高，遮盖性好；锐钛晶型为八面体结构，氧位于八面体的顶角，每个锐钛型晶包含有四个二氧化钛分子，与八个棱边相接，结构松，易磨细，粘度小反射带蓝光，白度高，遮盖力较差，可根据要求在制造乳胶浆时调节两种晶型的比例。

1.2 钛白粉的用途钛白粉广泛用于涂料、塑料、橡胶、油墨、纸张、化纤、陶瓷、日化、医药、食品等行业。

涂料行业是钛白粉的最大用户，特别是金红石型钛白粉，大部分被涂料工业所消耗。

用钛白粉制造的涂料色彩鲜艳，遮盖力高，着色力强，用量省，品种多，对介质的稳定性可起到保护作用，并能增强漆膜的机械强度和附着力，防止裂纹，防止紫外线和水分透过，延长漆膜的寿命。

塑料行业是钛白粉的第二大用户，在塑料中加入钛白粉，可以提高塑料制品的耐热性，耐光性，耐候性，使朔料制品的的物理化学性质得到改善，增强制品的机械强度，延长使用寿命。

造纸行业是其第三大用户，作为纸张填料，主要用在高级纸张和薄型纸张中。

在纸张中加入钛白粉，能是纸张具有较好的白读，光泽好，强度高，薄而光滑，印刷时不易穿透，质量轻。

造纸用钛白粉一般使用未经表面处理的锐钛型钛白粉，可以起到荧光增白剂的作用，增加纸张的白度。

但层压纸要求使用经过表面处理的金红石型钛白粉，以满足耐光耐热的要求。

钛白粉还是高级油墨中不可缺少的白色颜料，含有钛白粉的油墨耐久不变色，表面润湿性好，易于分散，油墨行业所用的钛白粉有金红石型，也有锐钛型。

纺织和化学纤维行业是钛白粉的另一个重要应用领域。

化纤用钛白粉主要作为消光剂，由于锐钛型比金红型软，一般使用锐钛型化纤用钛白粉一般不需表面处理，但某些特殊品种为了降低二氧化钛的光化学作用，避免纤维在二氧化钛光催化的作用下降解，需进行表面处理。

钛白粉在橡胶行业中既作为着色剂，又具有补强、防老化、填充作用。

在白色和彩色橡胶制品中加入钛白粉，在日光照射下，耐日晒、不开裂、不变色、伸展率大及耐酸碱。

橡胶用钛白粉，主要用于汽车轮胎以及胶鞋、橡胶地板、手套、运动器材等，一般以锐钛型为主。

但用于汽车轮胎生产量，常加入一定量的金红石型产品以增强抗臭氧和抗紫外线能力。

钛白粉在化妆品中应用也日趋广泛。

由于钛白粉无毒远比铅白优越，各种香粉几乎都用钛白粉来代替铅白和锌白。

香粉中只须加入5 %-8 %的钛白粉就可以得到永久白色，使香料更滑腻，有附着力、吸收力和遮盖力!。

在水粉和冷霜中钛白粉可减弱油腻及透明的感觉。

其他各种香料如：防晒霜、皂片、白色香皂和牙膏中也可用钛白粉。

用钛白粉制得的瓷釉透明度强，具有质量小、抗冲击力强、机械性能好、色彩鲜艳、不易污染等特点。

食品和医药用钛白粉为纯度很高、重金属含量低、遮盖力强的钛白粉。

1.3 当前钛白粉生产质量标准我国原化工部早在20世纪70年代就制定了钛白粉的部颁标准，现行国家标准GB1706-93，为1993年修订，1994年10月1日开始执行。

该标准分为颜料级二氧化钛和非颜料级二氧化钛两个标准[1]。

见表1-1与表1-2表1-1 二氧化钛颜料用GB1706-93项目指标BA01-01 BA01-02 BA01-03优等品一等品合格品优等品一等品合格品优等品一等品合格品TiO2/%≥98.0 98.98.92.92.92.90.90.90.颜色（与标样比）近似不低于微差于近似不低于微差于近似不低于微差于消色力（与标样比）/% ≥100 1090 101090 101090105℃挥发物/%≤0.5 0.5 0.5 0.8 0.8 0.8 1.0 1.0 1.0 （23±2）℃、相对湿度50%±5%预处理24h后，105℃挥发物/%≤0.5 0.5 0.5 0.8 0.8 0.8 1.5 1.5 1.5水悬浮液pH值 6.5～8.0 6.5～8.06.0～8.56.5～8.06.5～8.06.0～8.56.5～8.06.5～8.06.0～8.5水溶物/% 0.4 0.5 0.6 0.3 0.3 0.5 0.3 0.3 0.5吸油量/g/100g 22 26 28 22 26 28 20 23 26筛余物（45µm）/%≤0.05 0.10.30.050.10.30.050.10.3水萃取液电阻率/Ω.㎝≥30 20 16 100 50 50 1050 50表1-2 非颜料用二氧化钛（ZBG 13004-90）项目Ⅰ型Ⅱ型一级品合格品一级品合格品TiO2/% ≥98.5 98.5 98.5 98.5S/% ≤0.05 0.06 0.03 0.05Fe2O3/% ≤0.035 0.050P/ % ≤0.035 0.50N2O5/% ≤0.05筛余物45µm/ %≤0.30 0.50 0.30 0.50 白度/% ≥85.0 80.0 75.0 70.01.4 全球钛白的发展情况1.4.1 国际钛白粉生产发展史世界上在1824年就开始了钛白粉的制备和性能研究,在1916年于挪威建成了年产1000t含25 %二氧化钛的复合颜料厂,1918年美国钛颜料公司成立(后为国家铅业公司兼并)并开始了钛白粉的工业化生产。

1923年法国采用稀释法晶种进行水解,生产出了含96 %-99 %二氧化钛的颜料钛白粉(锐钛),1925年美国国家铅业公司开始生产纯二氧化钛(锐钛)。

1930年麦克伦堡采用外加碱中和晶种法对水解制钛白粉工艺进行了改革。

1935年日本界化学工业公司开始生产锐钛型钛白粉。

1939年捷克在实验室成功的采用硫酸法技术生产出了金红石型钛白粉。

1949年杜邦公司开始研究氯化法钛白粉工艺,1951年加拿大魁北克铁钛公司采用高钛渣做硫酸法制钛白粉的原料取得成功,为硫酸法钛白粉生产减少废副产品提供了新的原料路线。

1956年杜邦公司开始用氯化法生产钛白粉。

由于氯化钛白生产的钛白粉质量优异、废副较少（采用金红石矿的前提下）、环保压力较小，成为钛白发展的趋势。

目前氯化钛白的产能已超过硫酸法钛白包的产能，但这不包括中国。

1.4.2 世界钛资源分布情况钛在地球上储量很丰富，在地壳中含钛矿物有140多种，但是目前有开采价值的仅十余种，目前世界上已发现的几十种钛矿物中能够用来提炼金属的主要矿物原料只有金红石、钛铁矿和钛磁铁矿三种。

根据美国地质调查局资料显示，中国、澳大利亚和印度居前3位，见表1-3[2-4]表1-3 世界钛资源储量（万吨）国家钛铁矿金红石储量基础储量合计储量基础储量合计中国20000 35000 55000印度8500 21000 29500 740 2000 2740澳大利亚13000 16000 29000 1900 3100 5000南非6300 22000 28300 830 2400 3230挪威3700 6000 9700加拿大3100 3600 6700美国600 5900 6500 40 180 220莫桑比克1600 2100 3700 48 57 105巴西1200 1200 2400 350 350 700乌克兰590 1300 1890 250 250 500越南240 590 830其他1170 5310 6480 842 1663 2505世界合计60000 120000 180000 5000 10000 15000目前已开采的钛铁矿和矿床可分为岩矿床和砂矿床两大类，岩矿床为火成岩矿，具有矿床集中、贮量大的特点FeO的含量高，脉石含量多，结构紧密，且多是共生矿，这类矿床的主要矿物油钛铁矿、钛磁铁矿等。