鈦白工程設計中過濾與分離設備選型及優化

唐文騫，劉 麗

（中海油山東化學工程有限責任公司，山東 濟南 250013）

鈦白工程設計中過濾與分離設備選型及優化

唐文騫，劉 麗

（中海油山東化學工程有限責任公司，山東 濟南 250013）

在硫酸法鈦白生產過程中涉及到多個化學單元操作過程，其中過濾分離是一個重要的單元操作過程，其生產工序包括熱過濾、硫酸亞鐵分離、一次水洗、二次水洗、鹽處理后的漿料脫水、三次水洗等，所用設備包括管式過濾機、壓濾機、葉濾機、真空轉鼓過濾機、離心機等。對各工序在設備選型、工程造價、建筑面積、運行成本以及分離效果等方面作出技術經濟分析，以期能對鈦白企業在過濾分離工序選擇合理的工藝路線和設備有所幫助，以提高企業節能降耗的水平。

鈦白；過濾與分離；設備選型

硫酸法鈦白生產中涉及到多個化學單元操作過程，其中過濾分離是一個重要的單元操作過程，與此相關聯的生產工序有熱過濾、硫酸亞鐵分離、精濾、偏鈦酸一次水洗、二次水洗、鹽處理后的漿液脫水、包膜后的水洗等，其使用的設備有管式過濾機、壓濾機、葉濾機、真空轉鼓過濾機、離心機等，如何根據各工序的具體要求合理地選用設備是擺在鈦白工作者面前的一項重要課題。筆者對鈦白生產過程中過濾與分離單元操作所涉及到的幾個工序在設備選型、工程造價、建筑面積及分離效果等方面進行技術經濟分析，以期能對正確選擇工藝技術路線和設備選型有所幫助。

1 鈦液的熱過濾

酸解制得的黑鈦液屬于極其復雜的懸濁體系，里面既含有未分解的鈦鐵礦，也有沒參加反應的白石、長條石、石英砂等固體細小顆粒，也有硅、鋁等元素形成的膠體雜質顆粒，另外還有大量硫酸鹽類等可溶性雜質。尤其是中國的鈦白生產企業，基本沒有固定的礦源，按市場供求關系采購鈦鐵礦，礦源來源復雜，造成黑鈦液成分相當復雜，特別是硅、鋁等元素形成的膠體雜質以及鈦液早期水解產生的微量二氧化鈦溶膠等。這些雜質顆粒在自然沉降過程中不可能全部沉降下來，一旦帶到結晶工序會使鈦液的黏度增大，影響硫酸亞鐵分離工序中七水硫酸亞鐵的分離效果，造成硫酸亞鐵中殘鈦量偏高，這將嚴重影響產品的收率。故近10年來鈦白生產企業增加鈦液的熱過濾工序是很有必要的。

熱過濾工序的過濾設備一般選用壓濾機，壓濾機屬于液固分離的老產品，在此不予贅述。從2012年以來，有的企業（如江西添光等）選用管式過濾機在熱過濾中應用，取得了可喜的成果，現介紹如下。

管式過濾機系統由罐體裝置、預涂裝置、計量裝置、程控裝置、定期清洗裝置、減壓裝置、系統管線、泵閥及控制儀表組成，其中罐體裝置還包括噴淋裝置、反吹反洗裝置、緩沖裝置、防膨脹裝置、濾芯元件裝置、濾芯懸掛及配重裝置、電伴熱裝置、搓洗裝置等。

操作流程：1）過濾過程，充液排氣→預反吹→預搓洗→預涂循環→預過濾→過濾→反吹→排渣→噴淋→下一循環開始；2）定期清洗過程，充稀酸→反洗、正洗→反吹→搓洗→排放→充清水→反洗、正洗→反吹→搓洗→排放。

熱過濾設備選型方案比較見表1。

表1 5萬t/a鈦白生產裝置熱過濾設備選型方案比較

從表1可見，管式過濾機與板框式壓濾機相比其設備費用基本持平，但電耗相差較大，管式過濾機的電耗是板框式壓濾機的1/2。同時，管式過濾機的過濾精度能夠達到1×10-5以下，這個過濾精度可以達到采用板框式壓濾機進行熱過濾+精過濾2個工序的要求，同時管式過濾機還具有自動化程度高、工人勞動強度低、占地面積少等優點，其優勢相當明顯。

2 硫酸亞鐵的分離

黑鈦液中的硫酸亞鐵結晶后是以FeSO4·7H2O的形式存在的，其結晶方法有真空結晶法和冷凍結晶法兩種，在目前的工業生產中一般采用真空結晶法。真空結晶法由于降溫速度快、晶體成長時間短、攪拌強度大，所以得到的硫酸亞鐵顆粒較小，一般為0.1～0.8mm（顆粒小，對過濾設備要求比較高，給設備選擇增加難度）。硫酸亞鐵的分離屬于固液分離，可以選擇以真空方式為動力的真空抽濾機和圓盤真空過濾機，或者選擇以離心方式為動力的離心機來實現硫酸亞鐵與黑鈦液的分離。在目前的鈦白生產線上，年產萬噸以上規模的企業已不適用真空抽濾，筆者著重介紹圓盤真空過濾機和離心機兩種分離設備。

1）圓盤真空過濾機。其規格有8、14、18、20、25m2等，單機鈦白生產能力為1.5萬～3.0萬t/a，材質用00Cr17Ni14Mo2，內襯聚丙烯，濾布為聚丙烯，過濾機驅動器為無級調速。

2）離心機。離心分離是依靠慣性離心力的作用而實現分離的過程。中國的硫酸法鈦白生產企業在硫酸亞鐵的分離上使用過多種離心機，如三足式離心機、虹吸式刮刀卸料離心機、臥式活塞推料離心機，還有引進德國克勞斯·瑪菲（KraussMaffei）公司的雙支撐臥式刮刀卸料離心機等?？紤]到現有工業生產應用情況，主要介紹臥式活塞推料離心機和雙支撐臥式刮刀卸料離心機兩種。

臥式活塞推料離心機是自動操作、連續加料、脈沖式卸料的一種離心機。該設備一般要求固體質量分數大于24％，因此用于硫酸亞鐵的分離時需要在前面增設一臺增稠器，以提高鈦液中的固體含量。臥式活塞推料離心機的型號為HR型。

雙支撐臥式刮刀卸料離心機屬于大型離心機，中國很少生產，應用也很少，典型代表為引進生產線中購買的德國克勞斯·瑪菲公司的產品。濟南裕興鈦白工程曾引進Ф2050刮刀式卸料離心機，黑鈦液分離后的硫酸亞鐵含水質量分數為5％～7％，單機應用分離效果好。這種離心機與中國產虹吸式刮刀卸料離心機結構基本相同，不同之處是沒有虹吸口，轉鼓分離出來的鈦液由轉鼓外的機殼收集后靠重力自流排出，其余在原理上與虹吸式刮刀卸料離心機是一致的。硫酸亞鐵分離設備選型方案比較見表2。

表2 5萬t/a鈦白生產裝置硫酸亞鐵分離設備選型方案比較

從表2可見，采用引進德國克勞斯·瑪菲公司的Ф2050離心機，具有一次過濾性能好、電耗低的特點，但是設備造價昂貴而且零部件損耗及維護費用高，目前中國使用此設備的廠家較少。中國企業為了保證硫酸亞鐵分離后具有低的含水量一般采用兩級分離，即一級采用圓盤真空過濾機、二級采用RH630-N離心機，能夠確保硫酸亞鐵產品含水質量分數在5％～7％，又具有較為經濟的運行成本。

3 偏鈦酸洗滌與過濾（又稱一、二次水洗）

3.1 水洗的要求

水解后偏鈦酸漿液的化學組成：TiO2，160～180 g/L；H2SO4，22～30 g/L；FeSO4·7H2O，200～250 g/L。這種懸浮體系是比較容易進行固液分離的。但是，由于水合二氧化鈦表面吸附著大量的母液，而母液中含有大量的硫酸亞鐵及鎂、鋁、鉻、釩、錳、銅、鉛等金屬的硫酸鹽，這些雜質的存在會嚴重影響最終產品的光學性質、顏料性能及應用性能，因此必須除去這些雜質?？梢圆捎盟吹姆绞綄㈦s質除去，稱之為一次水洗，其指標是偏鈦酸中含鐵質量分數約為0.01％（以TiO2為100計）。

偏鈦酸經過一次水洗后很難將雜質離子含量洗到很低的濃度。而且，在水洗的過程中偏鈦酸中的一些金屬離子，特別是Fe2+，在水洗的后期可能會因為酸度的降低而氧化生成Fe3+，并形成部分的Fe（OH）3沉淀夾雜在濾餅中無法除去，影響濾餅中的鐵含量。因此，在一次水洗后都配置了一道漂白工序，就是將水洗偏鈦酸打漿后加入濃硫酸和還原劑，把一次水洗過程中形成的金屬沉淀重新溶解為離子狀態，高價氧化物（主要是鐵）還原為低價氧化物，再進行第二次水洗（也稱漂洗）進而達到凈化偏鈦酸的目的。二次水洗物料含鐵質量分數應低于0.003％（以TiO2為100計）。

3.2 水洗設備選型

偏鈦酸洗滌與過濾屬于固液分離范疇，其水洗設備通常選用真空葉濾機、真空轉鼓過濾機和離心機，目前大多使用真空葉濾機和大型隔膜壓濾機。根據現有工業應用情況，著重介紹真空葉濾機和隔膜壓濾機兩種型式。

1）真空葉濾機水洗?，F有引進生產線所用的葉濾機每組均為180m2。一些廠家制作的葉濾機組為200、268m2，此種機組使用效果不錯，中國的制造廠商并不多，比較有代表性的為山東鄒平天利鈦塑廠，其葉濾機圖紙為國外圖紙的改進版，其優勢是擁有自己的鈦白粉生產線，并根據自己的生產線開發了大、小型葉濾機組。

2）隔膜壓濾機水洗。1992年英國Tioxide公司在馬來西亞的一座5萬t/a生產線上率先將德國連恩舍（Lenser）的隔膜壓濾機用于鈦白生產中的水洗，取得了滿意的效果。2001年中國龍蟒、東佳引進德國連恩舍（Lenser）的隔膜壓濾機應用于鈦白生產中的水洗工序取得了初步成效。隨后中國產景津等牌號的壓濾機也應用于鈦白生產中的水洗，其效果與國外壓濾機相媲美，壓濾機在鈦白行業得到了廣泛的應用，可以說在鈦白水洗工序國產壓濾機與傳統的葉濾機呈“平分秋色”的局面。一、二次水洗過濾設備選型方案比較見表3。

表3 5萬t/a鈦白生產裝置一、二次水洗過濾設備選型方案比較

從表3可見，一、二次水洗選用壓濾機與葉濾機相比具有投資省、運行成本低和水耗少等優點。鈦白生產過程一、二次水洗采用壓濾機還是葉濾機是有爭論的，自2001年壓濾機應用于鈦白生產以來其爭論從未停止過，曾一度認為壓濾機洗滌液分布不均勻，洗滌效果欠佳，所以葉濾機優于壓濾機?，F在，壓濾機流道有了改進，洗滌效果大有提高，壓濾機和葉濾機可相媲美。選用何種機型，業主可根據自身情況酌情選定。

4 鹽處理后的漿液脫水

偏鈦酸經過鹽處理后呈黏稠的漿液狀態。偏鈦酸進入回轉窯進行煅燒的過程中，首先要用大量的熱量將偏鈦酸中的水分蒸發掉，然后才能開始脫硫和晶型轉化，因此進窯的偏鈦酸含水量越低越能節省煅燒的能耗。同時，偏鈦酸含水量低還可以加快在回轉窯內的脫水速度，脫硫區也可以提前，這樣可以提高回轉窯的產量。因此，在現代化的工業生產中，人們越來越重視回轉窯進料前偏鈦酸的機械脫水。

脫水的方法有離心機脫水、葉濾機脫水、真空轉鼓過濾機脫水和隔膜壓濾機脫水。

1）離心機脫水。離心機脫水一般使用三足式離心機。在離心機的轉鼓內鋪好濾布，將鹽處理后的漿液加入到離心機內，開啟離心機，將漿液中的水分通過離心力分離。分離過程完畢后，人工將轉鼓內的偏鈦酸鏟出，送至窯前物料的儲槽，用螺桿泵或者擠壓泵送至回轉窯進行煅燒。

2）葉濾機脫水。鹽處理后物料脫水使用的葉濾機和前面介紹的水洗葉濾機屬于同一種設備，用在這個工序就是重復一下葉濾機水洗的上片過程。上片到一定的厚度以后將葉濾機吊起，行至窯前儲槽上部或卸片槽上部，抽干一段時間后直接將濾餅卸下，通過擠壓泵或螺桿泵將其送入回轉窯內。

3）真空轉鼓過濾機脫水。真空轉鼓過濾機是一種連續操作的負壓過濾設備，適用于分離易過濾且不太稀薄的懸浮液，并且具有連續操作處理量大、濾布容易再生、可以洗滌濾餅等優點，適用范圍很廣。其基本結構為，在敞口的漿料槽上橫向安裝著圓筒狀的轉鼓，轉鼓借助兩端的臥式主軸旋轉，轉鼓在槽中有一定的浸沒深度。隨著轉鼓的轉動，每一個隔室都會浸沒在濾液中，在真空的作用下將濾液透過濾布抽走，而濾餅截留在濾布的表面。當轉鼓轉動一定角度時，其表面的濾餅被緊貼轉鼓表面的刮刀卸掉，接著重復下一個上料循環。卸下來的濾餅通過螺旋輸送機或擠壓泵等設備送入回轉窯進行煅燒。

4）隔膜壓榨脫水。隔膜壓榨脫水使用的是隔膜壓濾機。使用隔膜壓濾機進行壓榨脫水時一般的壓榨壓力達到1.0MPa以上，進口壓濾機甚至可以達到1.6MPa。在如此高的壓力下偏鈦酸中的游離水被擠壓脫除了絕大部分。

上述4種脫水方法在鈦白生產的不同發展階段都曾使用過，現階段脫水方法一般選用真空轉鼓過濾機和隔膜壓濾機，現將這兩種脫水方法進行比較，見表4。

表4 5萬t/a鈦白生產裝置鹽處理后漿液脫水設備選型方案比較

從表4可見，國外引進的真空轉鼓過濾機存在造價昂貴、運行費用高、濾餅含水量高等問題，現已被造價低、運行費用低和過濾所得濾餅含水量低的國產隔膜壓濾機取代。

5 包膜后的水洗（稱“三洗”）

包膜后水洗其作用有2個，一是清除沉淀在二氧化鈦顆粒上的可溶性鹽類，二是水洗后的濾餅含水量低，為下個干燥工序節能做好準備。通常選用的設備為葉濾機和壓濾機，二者比較結果見表5。從表5可見，葉濾機與壓濾機相比裝置總造價高、水耗高、濾餅含水量高，只有電耗略低。三洗選用隔膜壓濾機的優勢明顯，這在行業內已形成共識。

表5 5萬t/a鈦白生產裝置三洗設備選型方案比較

6 結束語

鈦白生產中過濾與分離涉及到的工序有熱過濾、硫酸亞鐵分離、一次水洗、二次水洗、鹽處理后的漿液脫水、三洗等，其電能消耗約占鈦白生產總電耗的15％，若能正確選擇合理的工藝路線與設備，仍有較大的節能降耗空間。以熱過濾為例，選用管式過濾機比用板框式壓濾機節能50％以上。

聯系方式：0531-83195224

Selection and optim ization of filtration-and-separation equipment in
titanium dioxideengineering design

TangWenqian，Liu Li
（CNOOCShandong Chemical Engineering Co.，Ltd.，Jinan 250013，China）

There are several chemicalunitoperation processes in titanium dioxide production with sulfuric acidmethod.The filtration-and-separation is an important unit operation process.Its production process includes hot filtration，ferrous sulfate separation，once washing，twice washing，salt slurry dehydration after treatment，and three-times washing etc..The devices comprise the tube type filter，pressure filter，leaf filter，vacuum drum filter，and centrifuge etc..Technicaland economic analysiswasmade for each working procedure in the aspectsofequipment selection，construction cost，construction area，operation cost，and separation effectetc.，so as to help the enterprisesmaking a reasonable choice for process route and equipment in the filtration and separation process，to improve the energy-saving and cost-reducing level.

titanium dioxide；filtration and separation；equipmentselection

TQ134.11

A

1006-4990（2014）09-0048-04

2014-03-12

唐文騫（1938—），男，教授級高級工程師，副總工程師，發表論文112篇，曾獲山東省、原化學工業部優秀設計一、二、三等獎，獲3項專利、3項專有技術，享受國家政府特殊津貼。