Діоксид титану – це нерозчинний у воді білий порошок, який по суті є білим барвником. Це дуже цікава речовина, перш за все завдяки широті свого застосування. Тому виробництво діоксиду титану є важливою складовою світової промисловості.

Виробництво діоксиду титану у світі

У середині 2000-х років у світі споживалося 42 мільйони тонн діоксиду титану. Найбільшими виробниками цієї хімічної речовини є США та Китай. Також великі частки ринку належать Великобританії, Японії та Німеччині.

Для виробництва діоксиду титану використовують руди, що містять титан:

• рутил (вміст діоксиду титану – 93-96%);
• ільменіт (44-70%);
• лейкоксен (до 90%).

Найбільші родовища титанових руд знаходяться в США, Індії, Австралії, Бразилії, ПАР і Кенії.

Області застосування діоксиду титану

Як ми вже говорили, діоксид титану має широке застосування в промисловості. Найбільшими його споживачами є:

• Лакофарбова промисловість (59% від загального споживання). Середня частка пігменту діоксиду титану в фарбах становить 25%;
• Виробництво пластмас (20%);
• Виробництво паперу (13%). Діоксид титану використовується як пігмент і поступово витісняє каолін.

На виробництво каучуку, штучних волокон, косметики, лінолеуму, штукатурних і цементних сумішей припадає відносно невелика частина від загального споживання діоксиду титану.

Виробництво діоксиду титану з ільменіту

Розглянемо виробництво діоксиду титану з ільменіту. Умовно його можна розбити на кілька етапів:

• розкладання ільменіту за допомогою сірчаної кислоти;
• розділення на розчин сульфату титану і нерозчинний осад – сульфат заліза;
• фільтрація, випарювання, прожарювання осаду сульфату титану;
• відновлення до отримання готового продукту – діоксиду титану.

Спочатку ільменіт необхідно підготувати до взаємодії з сірчаною кислотою. Для цього його висушують до залишкового вмісту вологи не більше 1%, потім подрібнюють за допомогою не енергоефективних кульових млинів, які споживають десятки й сотні кіловат потужності. Після помелу дисперсність частинок титанової руди має бути не більше 0,056 мм. Дозволяється невелика частка частинок більшого розміру: для безперервного процесу це всього 0,1%, а для періодичного – 2-5%.

Наступний етап – подача концентрату, який вже майже в стані пудри, і концентрованої сірчаної кислоти у спеціальні апарати-реактори. Саме в них при температурі 200°C відбувається розкладання ільменіту. У реакцію з сірчаною кислотою вступають основні компоненти ільменіту – TiO₂, FeO та Fe₂O₃. В результаті утворюються TiOSO₄, FeSO₄ і Fe₂(SO₄)₃, вода, і виділяється тепло. Але утвореного тепла все одно недостатньо для підтримки температури на рівні 200°C, тому процес потребує додаткових витрат на нагрівання.

Для повного розкладання подрібненого ільменіту потрібна велика витрата сірчаної кислоти. Після розкладання отримують сплав сульфатів, на дозрівання якого необхідно від одного до трьох годин. Після дозрівання і охолодження до 70°C сплав сульфатів у тому ж реакторі вилуговують злегка підкисленою водою, в результаті чого сульфати титану переходять у розчин. Процес вилуговування триває кілька годин.

Потім проводять відновлення тривалентного заліза до двовалентного за допомогою чавуну та залізної стружки, очищають розчин сульфатів титану від механічних включень, кристалізують і центрифугують розчини з метою видалення залишків залізного купоросу. Далі проводять випарювання під вакуумом і прожарювання. Після охолодження отриманий пігмент подрібнюють, пакують у мішки та відправляють кінцевому споживачу.

Підсумуємо недоліки такого підходу до виробництва діоксиду титану за допомогою сірчаної кислоти:

• багатостадійність і складність процесів;
• великі енерговитрати;
• перевитрата сірчаної кислоти;
• відходи, які утворюються у великій кількості, а деякі з них – небезпечні (розбавлена гідролізна сірчана кислота і залізний купорос);
• частина титанової сировини залишається непереробленою.

Перспективи застосування апаратів вихрового шару у виробництві діоксиду титану з ільменіту

Перераховані недоліки роблять актуальним пошук шляхів підвищення ефективності процесу виробництва діоксиду титану. У зв’язку з цим пропонується розглянути можливість впровадження в технологічні лінії апаратів вихрового шару (АВС).

Апарат вихрового шару – це універсальне обладнання, яке може одночасно подрібнювати, перемішувати, активувати і прискорювати протікання хімічних реакцій. Завдяки чому стала можливою така універсальність? Відповідь можна знайти, проаналізувавши конструкцію апаратів. До складу апарата вихрового шару входить індуктор обертового електромагнітного поля, робоча камера з немагнітного матеріалу, поміщена всередину індуктора, і феромагнітні частинки у кількості від кількох десятків до кількох сотень штук. Кількість і співвідношення геометричних розмірів феромагнітних частинок залежить від виду технологічного процесу і для кожного окремого технологічного процесу може бути різним.

Після подачі напруги на обмотку індуктора в робочій камері наводиться обертове електромагнітне поле, під впливом якого феромагнітні частинки починають рухатися і зіштовхуватися між собою та зі стінками робочої камери. В результаті траєкторія кожної частинки стає складною, а сукупність цих траєкторій утворює вихровий шар. У цьому вихровому шарі виникає ряд явищ і процесів, які позитивно впливають на оброблювані речовини:

• вплив електромагнітного поля;
• ударний вплив феромагнітних частинок;
• високі локальні тиски;
• ультразвукові коливання;
• кавітація (в рідкому середовищі) тощо.

В результаті речовини, які потрапляють у робочу камеру АВС, подрібнюються, перемішуються і набувають нових властивостей. А хімічні реакції прискорюються в десятки і сотні разів. Виходячи з необхідності подрібнення ільменітового концентрату, його хімічної взаємодії з сірчаною кислотою і тривалості процесу виробництва діоксиду титану, використання АВС є виправданим.

Виробництво діоксиду титану за допомогою АВС – результати експерименту

Для експерименту було взято два зразки ільменітового концентрату вагою по 150 грамів кожен. Подрібнення цих зразків здійснювалося в робочій камері апарата вихрового шару АВС-100 протягом 40 і 60 секунд відповідно. Після обробки обидва зразки просіювалися на ситі. Отримані результати представлені в таблиці 1.

Таблиця 1 – Результати подрібнення ільменітового концентрату в апараті вихрового шару АВС-100

Як видно з отриманих даних, для ефективного подрібнення зразка достатньо всього сорока секунд обробки.

Після подрібнення зразки розкладали в сірчаній кислоті. Розкладання відбувалося за кілька секунд обробки. Після цього, не видаляючи зразки з робочої камери апарата, їх розбавляли водою до необхідної концентрації.

Переваги апаратів вихрового шару в процесі виробництва діоксиду титану

Застосування АВС у процесі виробництва діоксиду титану має такі переваги:

• Поєднання кількох процесів, які можуть проводитися в робочій камері АВС: подрібнення ільменітового концентрату, розкладання за допомогою сірчаної кислоти, розбавлення водою. Тобто АВС замінює собою млини і реактори, що допомагає зменшити розміри технологічної лінії та площу, яку вона займає;
• Прискорення процесу отримання діоксиду титану за рахунок інтенсифікуючих факторів у робочій камері апарата. Реакція розкладання ільменіту сірчаною кислотою проходить за лічені секунди;
• Велика економія сірчаної кислоти завдяки більш швидкому і повному протіканню хімічних реакцій у робочій камері апарата;
• Економія електроенергії. У порівнянні з кульовими млинами АВС споживає не так багато потужності (залежно від моделі – 45-95 кВт);
• АВС для свого розміщення не потребує спеціальних фундаментів і легко вбудовується в діючі технологічні лінії замість млина і реакторів.

Для отримання консультації наших технічних спеціалістів щодо впровадження АВС у технологічні лінії з виробництва діоксиду титану скористайтеся контактами з відповідного розділу сайту.