钛白工程设计中过滤与分离设备选型及优化

唐文骞，刘 丽

（中海油山东化学工程有限责任公司，山东 济南 250013）

钛白工程设计中过滤与分离设备选型及优化

唐文骞，刘 丽

（中海油山东化学工程有限责任公司，山东 济南 250013）

在硫酸法钛白生产过程中涉及到多个化学单元操作过程，其中过滤分离是一个重要的单元操作过程，其生产工序包括热过滤、硫酸亚铁分离、一次水洗、二次水洗、盐处理后的浆料脱水、三次水洗等，所用设备包括管式过滤机、压滤机、叶滤机、真空转鼓过滤机、离心机等。对各工序在设备选型、工程造价、建筑面积、运行成本以及分离效果等方面作出技术经济分析，以期能对钛白企业在过滤分离工序选择合理的工艺路线和设备有所帮助，以提高企业节能降耗的水平。

钛白；过滤与分离；设备选型

硫酸法钛白生产中涉及到多个化学单元操作过程，其中过滤分离是一个重要的单元操作过程，与此相关联的生产工序有热过滤、硫酸亚铁分离、精滤、偏钛酸一次水洗、二次水洗、盐处理后的浆液脱水、包膜后的水洗等，其使用的设备有管式过滤机、压滤机、叶滤机、真空转鼓过滤机、离心机等，如何根据各工序的具体要求合理地选用设备是摆在钛白工作者面前的一项重要课题。笔者对钛白生产过程中过滤与分离单元操作所涉及到的几个工序在设备选型、工程造价、建筑面积及分离效果等方面进行技术经济分析，以期能对正确选择工艺技术路线和设备选型有所帮助。

1 钛液的热过滤

酸解制得的黑钛液属于极其复杂的悬浊体系，里面既含有未分解的钛铁矿，也有没参加反应的白石、长条石、石英砂等固体细小颗粒，也有硅、铝等元素形成的胶体杂质颗粒，另外还有大量硫酸盐类等可溶性杂质。尤其是中国的钛白生产企业，基本没有固定的矿源，按市场供求关系采购钛铁矿，矿源来源复杂，造成黑钛液成分相当复杂，特别是硅、铝等元素形成的胶体杂质以及钛液早期水解产生的微量二氧化钛溶胶等。这些杂质颗粒在自然沉降过程中不可能全部沉降下来，一旦带到结晶工序会使钛液的黏度增大，影响硫酸亚铁分离工序中七水硫酸亚铁的分离效果，造成硫酸亚铁中残钛量偏高，这将严重影响产品的收率。故近10年来钛白生产企业增加钛液的热过滤工序是很有必要的。

热过滤工序的过滤设备一般选用压滤机，压滤机属于液固分离的老产品，在此不予赘述。从2012年以来，有的企业（如江西添光等）选用管式过滤机在热过滤中应用，取得了可喜的成果，现介绍如下。

管式过滤机系统由罐体装置、预涂装置、计量装置、程控装置、定期清洗装置、减压装置、系统管线、泵阀及控制仪表组成，其中罐体装置还包括喷淋装置、反吹反洗装置、缓冲装置、防膨胀装置、滤芯元件装置、滤芯悬挂及配重装置、电伴热装置、搓洗装置等。

操作流程：1）过滤过程，充液排气→预反吹→预搓洗→预涂循环→预过滤→过滤→反吹→排渣→喷淋→下一循环开始；2）定期清洗过程，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。

热过滤设备选型方案比较见表1。

表1 5万t/a钛白生产装置热过滤设备选型方案比较

从表1可见，管式过滤机与板框式压滤机相比其设备费用基本持平，但电耗相差较大，管式过滤机的电耗是板框式压滤机的1/2。同时，管式过滤机的过滤精度能够达到1×10-5以下，这个过滤精度可以达到采用板框式压滤机进行热过滤+精过滤2个工序的要求，同时管式过滤机还具有自动化程度高、工人劳动强度低、占地面积少等优点，其优势相当明显。

2 硫酸亚铁的分离

黑钛液中的硫酸亚铁结晶后是以FeSO4·7H2O的形式存在的，其结晶方法有真空结晶法和冷冻结晶法两种，在目前的工业生产中一般采用真空结晶法。真空结晶法由于降温速度快、晶体成长时间短、搅拌强度大，所以得到的硫酸亚铁颗粒较小，一般为0.1～0.8mm（颗粒小，对过滤设备要求比较高，给设备选择增加难度）。硫酸亚铁的分离属于固液分离，可以选择以真空方式为动力的真空抽滤机和圆盘真空过滤机，或者选择以离心方式为动力的离心机来实现硫酸亚铁与黑钛液的分离。在目前的钛白生产线上，年产万吨以上规模的企业已不适用真空抽滤，笔者着重介绍圆盘真空过滤机和离心机两种分离设备。

1）圆盘真空过滤机。其规格有8、14、18、20、25m2等，单机钛白生产能力为1.5万～3.0万t/a，材质用00Cr17Ni14Mo2，内衬聚丙烯，滤布为聚丙烯，过滤机驱动器为无级调速。

2）离心机。离心分离是依靠惯性离心力的作用而实现分离的过程。中国的硫酸法钛白生产企业在硫酸亚铁的分离上使用过多种离心机，如三足式离心机、虹吸式刮刀卸料离心机、卧式活塞推料离心机，还有引进德国克劳斯·玛菲（KraussMaffei）公司的双支撑卧式刮刀卸料离心机等。考虑到现有工业生产应用情况，主要介绍卧式活塞推料离心机和双支撑卧式刮刀卸料离心机两种。

卧式活塞推料离心机是自动操作、连续加料、脉冲式卸料的一种离心机。该设备一般要求固体质量分数大于24％，因此用于硫酸亚铁的分离时需要在前面增设一台增稠器，以提高钛液中的固体含量。卧式活塞推料离心机的型号为HR型。

双支撑卧式刮刀卸料离心机属于大型离心机，中国很少生产，应用也很少，典型代表为引进生产线中购买的德国克劳斯·玛菲公司的产品。济南裕兴钛白工程曾引进Ф2050刮刀式卸料离心机，黑钛液分离后的硫酸亚铁含水质量分数为5％～7％，单机应用分离效果好。这种离心机与中国产虹吸式刮刀卸料离心机结构基本相同，不同之处是没有虹吸口，转鼓分离出来的钛液由转鼓外的机壳收集后靠重力自流排出，其余在原理上与虹吸式刮刀卸料离心机是一致的。硫酸亚铁分离设备选型方案比较见表2。

表2 5万t/a钛白生产装置硫酸亚铁分离设备选型方案比较

从表2可见，采用引进德国克劳斯·玛菲公司的Ф2050离心机，具有一次过滤性能好、电耗低的特点，但是设备造价昂贵而且零部件损耗及维护费用高，目前中国使用此设备的厂家较少。中国企业为了保证硫酸亚铁分离后具有低的含水量一般采用两级分离，即一级采用圆盘真空过滤机、二级采用RH630-N离心机，能够确保硫酸亚铁产品含水质量分数在5％～7％，又具有较为经济的运行成本。

3 偏钛酸洗涤与过滤（又称一、二次水洗）

3.1 水洗的要求

水解后偏钛酸浆液的化学组成：TiO2，160～180 g/L；H2SO4，22～30 g/L；FeSO4·7H2O，200～250 g/L。这种悬浮体系是比较容易进行固液分离的。但是，由于水合二氧化钛表面吸附着大量的母液，而母液中含有大量的硫酸亚铁及镁、铝、铬、钒、锰、铜、铅等金属的硫酸盐，这些杂质的存在会严重影响最终产品的光学性质、颜料性能及应用性能，因此必须除去这些杂质。可以采用水洗的方式将杂质除去，称之为一次水洗，其指标是偏钛酸中含铁质量分数约为0.01％（以TiO2为100计）。

偏钛酸经过一次水洗后很难将杂质离子含量洗到很低的浓度。而且，在水洗的过程中偏钛酸中的一些金属离子，特别是Fe2+，在水洗的后期可能会因为酸度的降低而氧化生成Fe3+，并形成部分的Fe（OH）3沉淀夹杂在滤饼中无法除去，影响滤饼中的铁含量。因此，在一次水洗后都配置了一道漂白工序，就是将水洗偏钛酸打浆后加入浓硫酸和还原剂，把一次水洗过程中形成的金属沉淀重新溶解为离子状态，高价氧化物（主要是铁）还原为低价氧化物，再进行第二次水洗（也称漂洗）进而达到净化偏钛酸的目的。二次水洗物料含铁质量分数应低于0.003％（以TiO2为100计）。

3.2 水洗设备选型

偏钛酸洗涤与过滤属于固液分离范畴，其水洗设备通常选用真空叶滤机、真空转鼓过滤机和离心机，目前大多使用真空叶滤机和大型隔膜压滤机。根据现有工业应用情况，着重介绍真空叶滤机和隔膜压滤机两种型式。

1）真空叶滤机水洗。现有引进生产线所用的叶滤机每组均为180m2。一些厂家制作的叶滤机组为200、268m2，此种机组使用效果不错，中国的制造厂商并不多，比较有代表性的为山东邹平天利钛塑厂，其叶滤机图纸为国外图纸的改进版，其优势是拥有自己的钛白粉生产线，并根据自己的生产线开发了大、小型叶滤机组。

2）隔膜压滤机水洗。1992年英国Tioxide公司在马来西亚的一座5万t/a生产线上率先将德国连恩舍（Lenser）的隔膜压滤机用于钛白生产中的水洗，取得了满意的效果。2001年中国龙蟒、东佳引进德国连恩舍（Lenser）的隔膜压滤机应用于钛白生产中的水洗工序取得了初步成效。随后中国产景津等牌号的压滤机也应用于钛白生产中的水洗，其效果与国外压滤机相媲美，压滤机在钛白行业得到了广泛的应用，可以说在钛白水洗工序国产压滤机与传统的叶滤机呈“平分秋色”的局面。一、二次水洗过滤设备选型方案比较见表3。

表3 5万t/a钛白生产装置一、二次水洗过滤设备选型方案比较

从表3可见，一、二次水洗选用压滤机与叶滤机相比具有投资省、运行成本低和水耗少等优点。钛白生产过程一、二次水洗采用压滤机还是叶滤机是有争论的，自2001年压滤机应用于钛白生产以来其争论从未停止过，曾一度认为压滤机洗涤液分布不均匀，洗涤效果欠佳，所以叶滤机优于压滤机。现在，压滤机流道有了改进，洗涤效果大有提高，压滤机和叶滤机可相媲美。选用何种机型，业主可根据自身情况酌情选定。

4 盐处理后的浆液脱水

偏钛酸经过盐处理后呈黏稠的浆液状态。偏钛酸进入回转窑进行煅烧的过程中，首先要用大量的热量将偏钛酸中的水分蒸发掉，然后才能开始脱硫和晶型转化，因此进窑的偏钛酸含水量越低越能节省煅烧的能耗。同时，偏钛酸含水量低还可以加快在回转窑内的脱水速度，脱硫区也可以提前，这样可以提高回转窑的产量。因此，在现代化的工业生产中，人们越来越重视回转窑进料前偏钛酸的机械脱水。

脱水的方法有离心机脱水、叶滤机脱水、真空转鼓过滤机脱水和隔膜压滤机脱水。

1）离心机脱水。离心机脱水一般使用三足式离心机。在离心机的转鼓内铺好滤布，将盐处理后的浆液加入到离心机内，开启离心机，将浆液中的水分通过离心力分离。分离过程完毕后，人工将转鼓内的偏钛酸铲出，送至窑前物料的储槽，用螺杆泵或者挤压泵送至回转窑进行煅烧。

2）叶滤机脱水。盐处理后物料脱水使用的叶滤机和前面介绍的水洗叶滤机属于同一种设备，用在这个工序就是重复一下叶滤机水洗的上片过程。上片到一定的厚度以后将叶滤机吊起，行至窑前储槽上部或卸片槽上部，抽干一段时间后直接将滤饼卸下，通过挤压泵或螺杆泵将其送入回转窑内。

3）真空转鼓过滤机脱水。真空转鼓过滤机是一种连续操作的负压过滤设备，适用于分离易过滤且不太稀薄的悬浮液，并且具有连续操作处理量大、滤布容易再生、可以洗涤滤饼等优点，适用范围很广。其基本结构为，在敞口的浆料槽上横向安装着圆筒状的转鼓，转鼓借助两端的卧式主轴旋转，转鼓在槽中有一定的浸没深度。随着转鼓的转动，每一个隔室都会浸没在滤液中，在真空的作用下将滤液透过滤布抽走，而滤饼截留在滤布的表面。当转鼓转动一定角度时，其表面的滤饼被紧贴转鼓表面的刮刀卸掉，接着重复下一个上料循环。卸下来的滤饼通过螺旋输送机或挤压泵等设备送入回转窑进行煅烧。

4）隔膜压榨脱水。隔膜压榨脱水使用的是隔膜压滤机。使用隔膜压滤机进行压榨脱水时一般的压榨压力达到1.0MPa以上，进口压滤机甚至可以达到1.6MPa。在如此高的压力下偏钛酸中的游离水被挤压脱除了绝大部分。

上述4种脱水方法在钛白生产的不同发展阶段都曾使用过，现阶段脱水方法一般选用真空转鼓过滤机和隔膜压滤机，现将这两种脱水方法进行比较，见表4。

表4 5万t/a钛白生产装置盐处理后浆液脱水设备选型方案比较

从表4可见，国外引进的真空转鼓过滤机存在造价昂贵、运行费用高、滤饼含水量高等问题，现已被造价低、运行费用低和过滤所得滤饼含水量低的国产隔膜压滤机取代。

5 包膜后的水洗（称“三洗”）

包膜后水洗其作用有2个，一是清除沉淀在二氧化钛颗粒上的可溶性盐类，二是水洗后的滤饼含水量低，为下个干燥工序节能做好准备。通常选用的设备为叶滤机和压滤机，二者比较结果见表5。从表5可见，叶滤机与压滤机相比装置总造价高、水耗高、滤饼含水量高，只有电耗略低。三洗选用隔膜压滤机的优势明显，这在行业内已形成共识。

表5 5万t/a钛白生产装置三洗设备选型方案比较

6 结束语

钛白生产中过滤与分离涉及到的工序有热过滤、硫酸亚铁分离、一次水洗、二次水洗、盐处理后的浆液脱水、三洗等，其电能消耗约占钛白生产总电耗的15％，若能正确选择合理的工艺路线与设备，仍有较大的节能降耗空间。以热过滤为例，选用管式过滤机比用板框式压滤机节能50％以上。

联系方式：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

唐文骞（1938—），男，教授级高级工程师，副总工程师，发表论文112篇，曾获山东省、原化学工业部优秀设计一、二、三等奖，获3项专利、3项专有技术，享受国家政府特殊津贴。