Диоксид титана – нерастворимый в воде белый порошок, по сути, белый краситель. Это очень интересное вещество, в первую очередь, широтой своего применения. Поэтому производство диоксида титана является важной составляющей мировой промышленности.

Производство диоксида титана в мире

В середине 2000-х годов в мире потреблялось 4,2 миллиона тонн диоксида титана. Наиболее крупные производители этого химического вещества – США и Китай. Также большие доли рынка принадлежат Великобритании, Японии и Германии.

Для производства диоксида титана используют титансодержащие руды:

• рутилы (содержание диоксида титана – 93-96%);
• ильмениты (44-70%);
• люкоксены (до 90%).

Самые крупные залежи титановых руд находятся в США, Индии, Австралии, Бразилии, ЮАР и Кении.

Области применения диоксида титана

Как мы уже говорили, диоксид титана находит широкое применение в промышленности. Самыми большими его потребителями являются:

• лакокрасочная промышленность (59% от общего потребления). Средняя доля пигмента диоксида титана в красках равна 25%;
• производство пластмасс (20%);
• производство бумаги (13%). Диоксид титана используется в качестве пигмента и постепенно вытесняет каолин.

На производство каучука, искусственных волокон, косметики, линолеума, штукатурных и цементных смесей приходится относительно небольшая часть от общего потребления диоксида титана.

Производство диоксида титана из ильменита

Рассмотрим производство диоксида титана из ильменита. Условно его можно разбить на несколько этапов:

1. разложение ильменита с помощью серной кислоты;
2. разделение на раствор сульфата титана и нерастворимый осадок – сульфат железа;
3. фильтрация, упаривание, прокалка осадка сульфата титана;
4. восстановление до получения готового продукта – диоксида титана.

Сначала ильменит необходимо подготовить к взаимодействию с серной кислотой. Для этого его сушат до остаточного содержания влаги не более 1%, далее измельчают с помощью неэнергоэффективных шаровых мельниц, которые потребляют десятки и сотни киловатт мощности. После размола дисперсность частиц титанового концентрата должна быть не больше 0,056 мм. Небольшая доля частиц большего размера допускается: для непрерывного процесса это всего 0,1%, а для периодического – 2-5%.

Следующий этап – подача концентрата, который уже пребывает практически в состоянии пудры, и концентрированной серной кислоты в специальные аппараты-реакторы. Именно в них при температуре 200°С происходит разложение ильменита. В реакцию с серной кислотой вступают основные компоненты ильменита – TiO₂, FeO и Fe₂O₃.  В результате образуются TiOSO₄, FeSO₄ и Fe₂(SO₄)₃, вода и выделяется тепло. Но образованного тепла все равно не достаточно для того, чтобы поддерживать температуру на уровне 200°С, поэтому процесс требует дополнительных энергозатрат на нагрев.

Для полного разложения измельченного ильменита требуется большой расход серной кислоты. После разложения получают сплав сульфатов, на вызревания которого необходимо от одного до трех часов времени. После вызревания и остывания до 70°С сплав сульфатов в том же реакторе выщелачивают слегка подкисленной водой, в результате чего сульфаты титана переходят в раствор. Процесс выщелачивания длится несколько часов.

Затем проводят восстановление трехвалентного железа до двухвалентного с помощью чугуна и железной стружки, очищают раствор сульфатов титана от механических включений, кристаллизуют и центрифугируют растворы с целью удаления остатков железного купороса. Далее проводят упаривание под вакуумом и прокалку. После охлаждения полученный пигмент измельчают, пакуют в мешки и отправляют конечному потребителю.

Обобщим недостатки такого подхода к производству диоксида титана с помощью серной кислоты:

• многостадийность и сложность процессов;
• большие энергозатраты;
• перерасход серной кислоты;
• отходы, которые образуются в большом количестве, а некоторые – опасные (разбавленная гидролизная серная кислота и железный купорос);
• часть титанового сырья остается непереработанным.

Перспективы аппаратов вихревого слоя в производстве диоксида титана из ильменита

Перечисленные недостатки делают поиск путей повышения эффективности процесса производства диоксида титана актуальными. В связи с этим предлагаем рассмотреть возможность внедрения в технологические линии такого рода аппаратов вихревого слоя (АВС).

Аппарат вихревого слоя  – это универсальное оборудование, которое может одновременно измельчать, перемешивать, активировать и ускорять протекание химических реакций. За счет чего стала возможной такая универсальность? Ответ можно найти, проанализировав конструкцию аппаратов. В состав аппарата вихревого слоя входит индуктор вращающегося электромагнитного поля, рабочая камера из немагнитного материала, помещенная внутрь индуктора, и ферромагнитные частицы в количестве от нескольких десятков до нескольких сотен штук. Количество и соотношение геометрических размеров ферромагнитных частиц зависит от вида технологического процесса и для каждого отдельного технологического процесса может быть разным.

После подачи напряжения на обмотку индуктора в рабочей камере наводится вращающееся электромагнитное поле, под влиянием которого ферромагнитные частицы начинают двигаться и соударяться между собой и со стенками рабочей камеры. В результате траектория каждой частицы становится сложной, а совокупность этих траекторий образует вихревой слой. В этом вихревом слое возникает ряд явлений и процессов, которые благоприятно сказываются на обрабатываемых веществах:

• воздействие электромагнитного поля;
• ударное воздействия ферромагнитных частиц;
• высокие локальные давления;
• ультразвуковые колебания;
• кавитация (в жидкой среде) и др.

В результате вещества, которые попадают в рабочую камеру АВС, измельчаются, перемешиваются, приобретают новые свойства. А химические реакции ускоряются в десятки и сотни раз. Исходя из необходимости измельчения ильменитового концентрата, его химического взаимодействия с серной кислотой и большой длительности процесса производства диоксида титана использование АВС представляется оправданным.

Производство диоксида титана с помощью АВС – результаты эксперимента

Для эксперимента были взяты два образца ильменитового концентрата весом по 150 граммов каждый. Измельчение этих образцов осуществлялось в рабочей камере аппарата вихревого слоя АВС-100 на протяжении 40 и 60 секунд соответственно. После обработки оба образца просеивались на сите. Полученные результаты представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Результаты измельчения ильменитового концентрата в аппарате вихревого слоя АВС-100

Исходный образец, мм	Сито (ячейка), мм	Образец №1 (обработка 40 с), % остатка на сите	Образец №2 (обработка 60с), % остатка на сите
4,4	0,2	0,1	0
30,5	0,1	0,4	0,1
63,6	0,05	1,9	0,4
1,5	Меньше чем 0,05	97,6	99,5

Как видно из полученных данных для эффективного измельчения образца достаточно всего сорока секунд обработки.

После измельчения образцы разлагали в серной кислоте. Разложение происходило за несколько секунд обработки. После этого, не удаляя образцы из рабочей камеры аппарата, разбавляли их водой до необходимой концентрации.

Преимущества аппаратов вихревого слоя в производстве диоксида титана

Применение АВС в процессе производства диоксида титана обладает следующими преимуществами:

• совмещение нескольких процессов, которые могут проводиться в рабочей камере АВС: измельчение ильменитового концентрата, разложение с помощью серной кислоты, разбавление водой. То есть АВС заменяет собой мельницы и реакторы, что помогает уменьшить размеры технологической линии и площадь, которую она занимает;
• ускорение процесса получения диоксида титана за счет интенсифицирующих факторов в рабочей камере аппарата. Реакция разложения ильменита серной кислотой протекает за считанные секунды;
• большая экономия серной кислоты за счет более быстрого и полного протекания химических реакций в рабочей камере аппарата;
• экономия электроэнергии. В сравнении с шаровыми мельницами АВС потребляет не много мощности (в зависимости от модели – 4,5-9,5 кВт);
• АВС для своего размещения не требует специальных фундаментов и легко встраивается в действующие технологических линии вместо мельницы и реакторов.

Для получения консультации наших технических специалистов по поводу внедрения АВС в технологические линии по производству диоксида титана воспользуйтесь контактами из соответствующего раздела сайта.