CN108913896A - 一种新型节能且不消耗反应器的海绵钛还原蒸馏系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种新型节能且不消耗反应器的海绵钛还原蒸馏系统，包括加热炉、热端反应器、大盖一、冷端保护套、冷端反应器、大盖二、受热器以及设在加热炉外通过导管依次串联的放热器、缓冲罐、气体发生器、罗茨风机；受热器由多圈环形管构成，每圈环形管焊接在热端反应器外壁上，且每圈环形管都设有一个气体进口与气体出口；气体出口与放热器通过导管一连通，气体进口与罗茨风机通过导管二连通形；在加热炉与热端反应器之间以及在冷端保护套与冷端反应器之间都填充有惰性气体。本发明杜绝了反应器与空气中氧的接触、隔绝了反应器与水的接触，使反应器不氧化不腐蚀不消耗、节能、可以实现还原反应热和蒸馏冷却热的回收利用，可有效节约成本。

Description

一种新型节能且不消耗反应器的海绵钛还原蒸馏系统

技术领域

本发明属于属于海绵钛生产制造技术领域，具体涉及一种新型节能且不消耗反应器的海绵钛还原蒸馏系统。

背景技术

经过六十年的发展，海绵钛生产工艺逐渐趋于统一：克劳尔法（镁法）及还原——蒸馏联合生产，设备、产能朝大型化发展。

海绵钛还原蒸馏工序，是由四氯化钛生产海绵钛的重要环节，是海绵钛的质量、成本控制的关键。在反应装置内，一次性加入镁，然后在还原过程中，连续不断地加入四氯化钛，液体镁与气化后的四氯化钛在液体镁表面反应，生成液体氯化镁（沉入反应装置底部并被间断排出）和固态的海绵状（富含毛细管）的钛。还原结束后，在真空及高温状态下，将反应装置中残存的镁和氯化镁，蒸馏至冷凝器内，实现对海绵钛的提纯。海绵钛要实现应用，须将钛坨破碎、压制成电极、真空电弧炉熔炼铸锭、制成型材。

目前国内使用镁热还原法（克劳尔法）生产海绵钛的还原蒸馏系统主要为倒Ｕ型并联炉，目前的倒U型并联炉生产海绵钛存在以下问题：

（1）倒U型并联炉还原反应热的散发都是采用空气冷却法（有自然通风和强制通风两种），这导致了反应器和空气的高温接触而氧化损耗，反应器每生产一炉次，都会敲下几百公斤铁锈块，平均每炉次的锈蚀深度在2mm以上，所以生产8-9炉次以后差不多腐蚀了一大半，不得不报废终止使用，因为再继续使用有可能导致反应器漏气产品报废。比如：一台壁厚为δ=28mm，重达10吨，价值8-9万元/台的反应器竟然只能使用8-9次，使用一次消耗的成本高达1万元以上。分析反应器的报废原因有三：a、还原过程中的高温氧化；b、蒸馏过程泡水中冷却导致的电化学腐蚀；c、高温重力拉伸变形。

（2）目前的倒U型并联炉还蒸系统由于还原反应热和蒸馏冷端热量均采用发散式散热，无法回收利用，造成大量热能浪费，反应器的氧化在蒸馏冷端也比较严重，因为冷端是泡在水中冷却的，电化学腐蚀强烈。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于，提供一种使用低温气体冷却还原反应器反应段（热端反应器），实现反应热的取出，使得热端反应器反应段温度始终保持在800℃左右，而且有效阻断反应器和空气的接触，避免反应器的高温氧化，降低海绵钛生产的钢材消耗和生产成本，并实现热能回收利用的新型节能且不消耗反应器的海绵钛还原蒸馏系统。具体技术方案如下：

一种新型节能且不消耗反应器的海绵钛还原蒸馏系统，包括加热炉、安装在加热炉内的筒形热端反应器、安装在热端反应器顶部的大盖一、并排设在加热炉侧面的冷端保护套、安装在冷端保护套内的筒形冷端反应器、安装在冷端反应器顶部的大盖二；在热端反应器内部下方设有筛板一以及由热端反应器双法兰中间伸入筛板一下方的排氯化镁管一；在大盖一上设有抽空套管口一、加料管一、倒L型过道管一；大盖一底部设有保温层一；在倒L型过道管一上设有高温阀；在冷端反应器内部下方设有筛板二以及由冷端反应器双法兰中间伸入筛板二下方的排氯化镁管二；在大盖二上设有抽空套管口二、加料管二、倒L型过道管二，大盖一底部设有保温层二；所述倒L型过道管二与倒L型过道管一互相连接并呈倒U型结构并将热端反应器与冷端反应器连通形成蒸馏镁和氯化镁气体通道，倒L型过道管二与倒L型过道管一连接的过道还包覆有过道加热器；还包括利用比热容大于空气的气体作为冷却介质的散热系统，所述散热系统由受热器以及设在加热炉外并通过导管依次串联连通的放热器、缓冲罐、气体发生器、罗茨风机构成；所述受热器由多圈环形管构成，每圈环形管对应于热端反应器中反应液面的位置焊接在热端反应器外壁上，且每圈环形管都设有一个气体出口与气体进口；所述气体出口与放热器通过导管一连通，气体进口与罗茨风机通过导管二连通形成循环回路；所述放热器为热交换器；在加热炉与热端反应器之间的空腔以及在冷端保护套与冷端反应器之间的空腔内都填充有惰性气体，优选氩气。热端反应器中还原反应产生的富于热量通过反应段外面的不锈钢热受热器带出，并通过放热器回收利用，使得整个反应器都在加热炉惰性气体密闭保护之下，不与空气接触，不会发生高温氧化损耗。

进一步的，所述散热系统中的冷却介质为水蒸气、氮气、二氧化碳中的一种。

进一步的，所述海绵钛还原蒸馏系统还包括上冷却套管、中冷却套管、下冷却套管以及设在冷端保护套底端两侧的进水管与回水管；所述上冷却套管与下冷却套管为半圆形列管并分别夹紧在冷端反应器外壁上部与下部，上冷却套管与下冷却套管下方各设有一个通过导管与进水管连通的接头，上冷却套管与下冷却套管上方各设有一个通过导管与回水管连通的接头；所述中冷却管位于上冷却套管与下冷却套管之间，由多圈环形管构成，每圈环形管焊接在冷端反应器外壁上，且每圈环形管都设有一个出水口与进水口；出水口与进水口两端分别连接在用于生活用热或设备厂房防冻用热的散热器进出口上。

进一步的，所述受热器与中冷却套管都为不锈钢材料制成；所述上冷却套管与下冷却套管都为铝材制成。

进一步的，所述受热器以及中冷却套管上的环形管的数目为10根。

本发明的优点在于：

（1）不消耗反应器，因为整个生产周期内都避免了反应器与空气和水的接触，从而避免了反应器的氧化损耗。本发明使用密闭低温气体循环冷却法取出还原反应热量，并通过间接冷却的散热系统冷却蒸馏反应器，阻断了反应器和空气的接触，避免了反应器的高温氧化，使每台重达十多吨价格在8-10万元的反应器从只能使用8-9炉次达到可以使用几百炉次，大幅度降低海绵钛生产的钢材消耗和生产成本。以单炉产量8吨的倒U型并联炉为例，年产1万吨海绵钛，每年可节省反应器139—157个，节省成本1390—1570万元左右。

（2）节能，节能可从2个方面得到体现：

①由于减少了加热炉的进出风口，可以提高加热炉的密闭和保温性能，减少热量散发。②可以实现还原反应热和蒸馏冷却热的回收利用。由于在这两段需要冷却的环节都使用了密闭循环系统，为热能的回收利用创造了条件。

附图说明

图1为本发明所述海绵钛还原蒸馏系统的结构示意图。

图2为图1中热端反应器部分的结构示意图；

图3为图1中冷端反应器部分的结构示意图；

图4为图1中散热系统的结构示意图；

图中所示：1-加热炉、2-热端反应器、3-筛板一、4-排氯化镁管一、5-受热器、6-气体出口、7-气体进口、8-大盖一、9-保温层一、10-抽空套管口一、11-加料管一、12-倒L型过道管一、13-高温阀、14-罗茨风机、15-导管一、16-气体发生器、17-缓冲罐、18-放热器、19-导管二、20-冷端保护套、21-冷端反应器、22-筛板二、23-排氯化镁管二、24-下冷却套管、25-中冷却套管、26-出水口、27-进水口、28-上冷却套管、29-大盖二、30-保温层二、31-抽空套管口二、32-加料管二、33-倒L型过道管二、34-过道加热器、35-进水管、36-出水管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的原理和特征做进一步详细描述，所举实例只用于解释发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1、图2及图4所示，本发明的一种新型节能且不消耗反应器的海绵钛还原蒸馏系统，包括加热炉1、安装在加热炉1内的筒形热端反应器2、安装在热端反应器2顶部的大盖一8、并排设在加热炉1侧面的冷端保护套20、安装在冷端保护套20内的筒形冷端反应器21、安装在冷端反应器21顶部的大盖二29；在热端反应器2内部下方设有筛板一3以及由热端反应器2双法兰中间伸入筛板一3下方的排氯化镁管一4；在大盖一8上设有抽空套管口一10、用于向热端反应器2内加四氯化钛的加料管一11、倒L型过道管一12，大盖一8底部设有保温层一9；在倒L型过道管一12上设有高温阀13；在冷端反应器21内部下方设有筛板二22以及由冷端反应器21双法兰中间伸入筛板二22下方的排氯化镁管二23；在大盖二29上设有抽空套管口二31、加料管二32、倒L型过道管二33，大盖二29底部设有保温层二30；所述倒L型过道管二33与倒L型过道管一12互相连接并呈倒U型结构并将热端反应器2与冷端反应器21连通，倒L型过道管二33与倒L型过道管一12连接的过道还包覆有过道加热器34；还包括利用比热容大于空气的气体作为冷却介质的散热系统，所述散热系统由受热器5以及设在加热炉1外并通过导管依次串联连通的放热器18、缓冲罐17、气体发生器16（即锅炉）、罗茨风机14构成；所述受热器5由多圈环形管构成，每圈环形管对应于热端反应器2中反应液面的位置焊接在热端反应器2外壁上，且每圈环形管都设有一个气体出口6与气体进口7；所述气体出口6与放热器18通过导管一19连通，气体进口7与罗茨风机14通过导管二15连通形成循环回路；所述放热器18为热交换器；在加热炉1与热端反应器2之间的空腔以及在冷端保护套20与冷端反应器21之间的空腔内都填充有惰性气体，优选氩气。

进一步的，所述散热系统中的冷却介质为水蒸气、氮气、二氧化碳中的一种。

本发明中散热系统的排热流程：低温气体（120℃以下的水蒸气、氮气、二氧化碳中的一种）由气体发生器16（若气体是水蒸气则气体发生器16为锅炉）产生，经过罗茨风机14压入位于热端反应器2反应液面上部的不锈钢受热器5内，受热升温到200℃以上后再通过气体出口6进入用于热能回收的放热器18（热交换器）中冷却降温后，降温后的水进入缓冲罐17和气体发生器16中减压后又由罗茨风机14送入受热器5，如此不断循环受热和冷却，就将热端反应器2内放热反应的热量带出了。

本发明热端反应器2中还原反应产生的富于热量通过反应段外面的不锈钢热受热器2带出，并通过放热器18回收利用，热端反应器2与加热炉1之间充有氩气，使得整个热端反应器2都在惰性气体密闭保护之下，不接触空气，不与空气中的氧发生反应，也就不会发生高温氧化导致热端反应器2损耗，同时系统中的冷却介质密闭循环，在散热系统中放热器18的作用下回用，可以为其它设备、氯化和电解生产提供热能；另外，受热器5采用独立并焊接在热端反应器2外壁上的多圈独立的不锈钢环形管，每圈环形管汇流后和放热器18、缓冲罐17、气体发生器16（即锅炉）、罗茨风机14串联连通，可高效的吸收热端反应器2中还原反应产生的富于热量，防止热端反应器2中温度超过1000℃后，导致热端反应,2外壁融化变形和产品含铁超标报废的情况发生。

进一步的，如图1、图3所示，所述海绵钛还原蒸馏系统还包括上冷却套管28、中冷却套管25、下冷却套管24以及设在冷端保护套20底端两侧的进水管35与回水管36；所述上冷却套管28与下冷却套管24为半圆形列管并分别夹紧在冷端反应器21外壁上部与下部（上下冷却套管可拆卸），上冷却套管28与下冷却套管24下方各设有一个通过导管与进水管35连通的接头，上冷却套管28与下冷却套管24上方各设有一个通过导管与回水管36连通的接头；所述中冷却管25位于上冷却套管28与下冷却套管24之间，由多圈环形管构成，每圈环形管焊接在冷端反应器21外壁上，且每圈环形管都设有一个出水口26与进水口27；出水口26与进水口27两端分别连接在用于生活用热或设备厂房防冻用热的散热器进出口上。

由热端反应器2过来的镁和氯化镁气体经过倒L型过道管二12与倒L型过道管一33形成的倒U型过道到达冷端反应器21，经过上冷却套管28、中冷却套管25、下冷却套管24冷却凝结在冷端反应器21内壁上。控制进水量，使进水管35中的冷水到达出水管36时在50℃以上，就可以回收热量，另外中冷却套管25外形结构与受热器5外形结构一致，都是由多圈独立焊接在冷端反应器21外壁上的不锈钢环形管构成，其换热效率高，冷却效果好。冷端反应器21中的冷凝采用套管冷却方式，使冷端反应器21不与水直接接触，杜绝了与水的电化学腐蚀。同时由于冷却水在密闭环境下受热，可以用于职工、居民生活用热和设备厂房的防冻用热等。

进一步的，所述受热器5与中冷却套管25都为不锈钢材料制成；所述上冷却套管28与下冷却套管24都为铝材制成。

进一步的，所述受热器5以及中冷却套管25上的环形管的数目为10根。

本发明的节能不消耗反应器还蒸系统中，反应器不消耗，能大幅度降低海绵生产成本，企业带来可观的经济效益和产品竞争力。以下以目前主流海绵钛8吨并联炉系统，反应器使用9次报废，年产1万吨海绵钛来计算经济效益。反应器不消耗，1万吨海绵钛每年需生产1250炉，按原来的反应器需要139个，每个反应器按10万元计算，每年节省反应器制作费用1390万元。而且热回收效率高，可广泛用于其他生产、生活、设备厂房防冻御寒等方面，经济效益和社会效益显著。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种新型节能且不消耗反应器的海绵钛还原蒸馏系统，包括加热炉、安装在加热炉内的筒形热端反应器、安装在热端反应器顶部的大盖一、并排设在加热炉侧面的冷端保护套、安装在冷端保护套内的筒形冷端反应器、安装在冷端反应器顶部的大盖二；在热端反应器内部下方设有筛板一以及由热端反应器双法兰中间伸入筛板一下方的排氯化镁管一；在大盖一上设有抽空套管口一、加料管一、倒L型过道管一；大盖一底部设有保温层一；在倒L型过道管一上设有高温阀；在冷端反应器内部下方设有筛板二以及由冷端反应器双法兰中间伸入筛板二下方的排氯化镁管二；在大盖二上设有抽空套管口二、加料管二、倒L型过道管二，大盖一底部设有保温层二；所述倒L型过道管二与倒L型过道管一互相连接并呈倒U型结构并将热端反应器与冷端反应器连通形成蒸馏镁和氯化镁气体通道，倒L型过道管二与倒L型过道管一连接连接的过道还包覆有过道加热器；其特征在于：还包括利用比热容大于空气的气体作为冷却介质的散热系统，所述散热系统由受热器以及设在加热炉外并通过导管依次串联连通的放热器、缓冲罐、气体发生器、罗茨风机构成；所述受热器由多圈环形管构成，每圈环形管对应于热端反应器中反应液面的位置焊接在热端反应器外壁上，且每圈环形管都设有一个气体出口与气体进口；所述气体出口与放热器通过导管一连通，气体进口与罗茨风机通过导管二连通形成循环回路；所述放热器为热交换器；在加热炉与热端反应器之间的空腔以及在冷端保护套与冷端反应器之间的空腔内都填充有惰性气体。

2. 根据权利要求1所述的海绵钛还原蒸馏系统，所述散热系统中的冷却介质为水蒸气、氮气、二氧化碳中的一种。

3.根据权利要求1所述的海绵钛还原蒸馏系统，其特征在于：还包括上冷却套管、中冷却套管、下冷却套管以及设在冷端保护套底端两侧的进水管与回水管；所述上冷却套管与下冷却套管为半圆形列管并分别夹紧在冷端反应器外壁上部与下部，上冷却套管与下冷却套管下方各设有一个通过导管与进水管连通的接头，上冷却套管与下冷却套管上方各设有一个通过导管与回水管连通的接头；所述中冷却管位于上冷却套管与下冷却套管之间，由多圈环形管构成，每圈环形管焊接在冷端反应器外壁上，且每圈环形管都设有一个出水口与进水口；出水口与进水口两端分别连接在用于生活用热或设备厂房防冻用热的

散热器进出口上。

4.根据权利要求3所述的海绵钛还原蒸馏系统，其特征在于：受热器与中冷却套管都为不锈钢材料制成；所述上冷却套管与下冷却套管都为铝管材制成。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的海绵钛还原蒸馏系统，其特征在于：所述惰性气体为氩气。

6.根据权利要求2-4中任意一项所述的所述的海绵钛还原蒸馏系统，其特征在于：所述受热器以及中冷却套管上的环形管的数目为10根。