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毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告
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钛白粉与钛酸钾晶须耦合工艺研究 |
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针对硫酸法钛白工艺高能耗高污染的特点，国内外进行了一系列的研究，主要方法综述如下：
1).碱法钛白工艺
1970年E.FOLEY和K.P.MAcKINNON[1]认为澳大利亚东部的钛铁矿不适合硫酸法生产，其原因他们认为是其中存在氯，环境污染太严重，他们用碱金属钛酸盐代替硫酸和钛铁矿反应来提取钛铁矿中的氧化钛，并研究了在不同条件下生成产物的不同。2007年ANIMESH JHA[2]等又研究用碳酸钠从钛铁矿中提取氧化钛的热力和动力学。2008年T.A. Lasheen[3]等又研究了用碳酸钠从罗塞塔钛铁矿提取氧化钛的情况。我国张懿[4]院士等也在这个方面进行了很多研究。
2).氯化法钛白工艺
氯化法生产钛白粉在1958年被杜邦公司应用于工业生产。20世纪90年代以前，硫酸法一直占据钛白粉工业的主导地位，1992年后，转为氯化法占主导地位。目前世界上新建或改扩建钛白粉厂多以氯化法为主，氯化法在技术上有一定难度，目前基本由少数几家大公司所掌握。氯化法具有工艺流程短、操作易实现连续自动化、“三废”排放少、更易获得高质量金红石型钛白等优点，而逐渐占据了全球钛白行业的主导地位。由于环保法规的日益强化和用户对产品质量要求的日益提高，氯化法在钛白生产中已占有明显的优势。但是，氯化法钛白生产技术难度大，关键设备结构复杂，要求采用耐高温耐腐蚀抗氧化的特殊材料，研究开发形成商业化生产需巨额投资，因此，氯化法钛白生产技术至今仍被国外少数几家公司所垄断[5]。
3).改造现有的硫酸法钛白工艺
彭安铮[6]等针对南京钛白化工有限责任公司的具体情况，提出了节能减排，发展循环经济才能使钛白工艺可持续发展。廖文杰等[7]通过引入了生态效率的概念，定义了钛白粉生产的生态效率指标——资源效率、能源效率和环境效率，通过工业代谢分析建立了某钛白粉生产企业的物料衡算表，分析了该企业的生态效率现状。他认为回收利用生产过程中的尾矿等废弃物是提高硫酸法钛白粉生产的生态效率、降低生产过程的环境负荷的重要途径之一。王春华等[8]按照生命周期评价 (LCA)方法 ,对攀枝花地区钒钛磁铁矿的开采、选矿、运输以及硫酸法生产阶段进行了研究 ,定量地分析了整个生产过程中的资源、能源投入、环境排放及其环境影响。胡术刚等[9]提出了钛白废酸 、废水二步中和 、二步沉淀法生产红白石膏的综合治理方案。结合红白石膏的利用途径，分析了国内外石膏工业的发展状况、石膏及化学石膏在建筑行业的应用和发展前景，并对这种治理方案的成本进行了估算。该治理方案变单纯投入性治理为综合利用治理，降低了污染治理成本。龚家竹等[10]叙述了国内外硫酸法生产钛白粉所产生的废硫酸 (钛白废酸 )的处理技术的基本情况及最新的技术进展。分析了中国开发的钛白废酸处理技术引起换热器结垢、热能利用率低、不能连续运行的问题。根据作者近年所从事的钛白废酸处理技术的研究 ,提出了钛白废酸回收利用的发展方向。熊国宣等[11]研究了以钛白副产硫酸亚铁和氯化钾为原料,采用钾石膏法,经过共沉淀、酸化、加热转化生成硫酸钾的新工艺。该工艺流程简捷,反应时间短,操作控制方便,无二次污染,产品质量符合国标要求。该方法既能处置钛白粉厂的副产硫酸亚铁,又能给企业带来一定的经济效益,是处理钛白副产硫酸亚铁的一种较理想的方法之一。梁斌等[12]研究了攀枝花钛铁矿在硫酸溶液中的动力学行为，所研究的温度范围为95-118度研究结果表明，浸出反应符合收缩未反应核棋型 ,反应速度受矿物表面的化学反应所控制。他们[13]又进行了硫酸法钛白生产中钛铁矿液相酸解反应的实验研究，研究表明低浓度硫酸液相酸解钛铁矿可以大幅度减少硫酸法钛白生产中的废酸、废气排放。通过在高液固比、强搅拌下进行的实验研究表明, 65%～80%硫酸液相酸解仍具有很好的反应活性。他们把研究成果用到攀枝花钛白生产过程酸解工艺强化项目中，使该厂钛精矿酸解能力在不投资设备的情况下提高了 50 ％；唐振宁、徐南平等[14]对陶瓷微滤膜回收钛白粉水洗液中二氧化钛粒子进行了中试实验和现场考核，考察了错流速度、浓度对渗透通量的影响及湍流促进器对微滤过程的强化效果；建立了日处理150t废水的陶瓷膜回收钛白粉成套装置，并对该装置进行了现场运行性能考察和经济核算。实验结果表明，采用陶瓷膜微滤技术回收钛白粉水洗液中二氧化钛粒子不仅在技术上是可行的，在经济上也是合理的。
参考文献
[1]E. FOLEY , KATHRYN P. MAcKINNON. Alkaline Roasting of Ilmenite[J] JOURNAL OF SOLlD STATF CHF.MISTRY,1970,1:566-575.
[2]ABHISHEK LAHIRI , ANIMESH JHA. Kinetics and Reaction Mechanism of Soda Ash Roasting of Ilmenite Ore for the Extraction of Titanium Dioxide[J]. 2007,38B:939-949.
[3]T.A. Lasheen. Soda ash roasting of titania slag product from Rosetta ilmenite[J]. Hydrometallurgy, 1993 (2008):124-128.
[4]仝启杰,齐涛,刘玉民等. KOH亚熔盐法制备钛酸钾晶须和二氧化钛[J] 过程工程学报，2007，7(1)：84-89.
[5]庄炎.再谈杜邦东营氯化法钛白粉项目的环保[J].中国涂料,2008,23(9):1-2.
[6]彭安铮.节能减排 循环经济[J].中国涂料,2009，24 (1):9-10.
[7]廖文杰,蒋文举,王春华等.钛白粉生产的生态效率分析[J].钛工业进展,2007,4(2)：41-44.
[8]王春华,王洪涛,肖定全等. 钛白粉生产过程的生命周期评价[J].无机盐工业,2006,38(11):6-9.
[9]胡术刚，马术文，王之静等. 钛白废酸废水治理及副产石膏应用探讨[J].中国资源综合利用,2003,09:2-8.
[10]龚家竹,江秀英,袁丰波. 硫酸法钛白废酸浓缩技术研究现状及发展方向[J].无机盐工业, 2008, 40(8):1~3.
[11]熊国宣,陈阳如,许文苑等. 钾石膏法生产硫酸钾的工艺研究[J].华东地质学院学报,2000, 23(4):318~322.
[12]徐舜,黄焯枢. 硫酸浸取钦铁矿的动力学研究[J].矿冶工程, 1993,13 (1): 44~48.
[13]景建林,张全忠,邱礼有等. 硫酸法钛白生产中钛铁矿液相酸解反应的实验研究[J]. 化学反应工程与工艺，2003, 19(4)：337~343.
[14]邢卫红,童金忠,徐南平等.陶瓷微滤膜回收钛白粉水洗液中TiO2颗粒中试与现场考核[J].化学工程，2001，29（3）：44~49.
２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）
节能减排指的是减少能源浪费和降低污染物排放。以化石能源为基础的现代过程工业主要关注物质转化与能量利用的最优，对排放的污染物造成的环境问题关注不够。然而，在新世纪我们对环境的要求更高，对能源要求更高的条件下，许多过程工业仅靠自身的技术改造无法实现有效的节能减排。以典型的高能耗高污染行业—钛白粉工业为例，我国钛白粉企业以硫酸法为主，其工艺流程长、原料和能量消耗多、三废排放量大，其污染物的治理需要较高能耗。对于这样的传统工业，采用绿色化学的概念从头建厂并不现实，如何将钛白粉工艺与其它工艺，考虑新能源的引入，以及污染物排放限制等约束条件下，建立合适的热力学模型，是解决这一类难题的有效方法，但目前未见相关研究报道。
对传统过程工业高耗能、高污染产业的典型代表钛白粉生产过程进行热力学剖析，以点带面为传统过程工业的发展方向提供科学依据和新的生长点。
研究思路：
- 对传统钛白粉工艺的研究及能耗分析
针对硫酸法钛白粉的工艺研究，我们从两个方面去分析整个工艺：
第一方面，物料衡算。我们通过文献查得钛铁矿中个各组分的含量，生产1t的钛白粉产生酸性废水的量和生产的石膏的量。再由上图可以看出，生产1t的钛白粉所投入的物料和产出的物料。在通过化学方程式计算出整个流程的物料横算。
第二方面，能量衡算。由热力学的一般理论可知，在恒温，恒压条件下，化学反应自发进行的判据是反应自由焓小于等于零，即：，而对于下列反应方程来说
aA bBcC dD
它在恒温，恒压条件下的反应自由焓为：
由以上的原理作为我们计算的依据，在通过查阅物性数据手册，得到参加反应的物性数据。而一些物质的物性数据无法查的，故还需要进行物性估算。再通过以上的关系，得到一个关于温度T的方程，令这个方程等于零，利用Mathlab编程序解得这个温度。再由温度得出各个方程反应的能耗，从而得到消耗的能量。
3.对高附加值的钛酸晶须工艺的研究分析（研究原理同1）
流程图如下
- 两种工艺的耦合（研究原理同1)
资料编号：[387766]
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