粗四氯化鈦中低沸點雜質(zhì)分離的計算分析

陳 杰

（貴陽鋁鎂設(shè)計研究院有限公司，貴州貴陽 550081）

1 概述

TiCl4是鈦及其化合物生產(chǎn)過程中的重要中間產(chǎn)品，也是鈦工業(yè)生產(chǎn)的重要原料。TiCl4主要用于生產(chǎn)海綿鈦、氯化法鈦白等[1]。在工業(yè)生產(chǎn)中，采用沸騰氯化或熔鹽氯化等方法生產(chǎn)的粗四氯化鈦中都含有多種雜質(zhì)，各種雜質(zhì)對于生產(chǎn)最終產(chǎn)品的質(zhì)量影響極大，必須加以分離提純。根據(jù)雜質(zhì)性質(zhì)的不同，分別采用物理分離方法與化學(xué)分離方法除去。對于高沸點及低沸點雜質(zhì)，工業(yè)上一般采用精餾的方法分離提純；由于VOCl3與TiCl4的沸點相差較小，采用物理分離方法不經(jīng)濟，一般采用化學(xué)方法分離提純。粗TiCl4中低沸點雜質(zhì)的分離技術(shù)比較成熟，但是對于分離過程進行模擬計算的相關(guān)研究報道較少。Aspen P1us 的數(shù)據(jù)庫包含粗TiCl4物系的基本物化數(shù)據(jù)，如分子量、熔沸點、黏度等，能夠滿足精餾分離過程模擬計算的需要，粗TiCl4物系的精餾分離符合Aspen Plus 軟件模擬計算的要求。由此本文利用Aspen P1us 模擬計算軟件，對粗TiCl4中低沸點雜質(zhì)的精餾分離進行模擬計算。

2 粗四氯化鈦精餾分離系統(tǒng)流程

2.1 粗四氯化鈦組成

粗TiCl4的組成見表1，主要成分TiCl4含量達97%以上，其余雜質(zhì)可按其與TiCl4沸點相差的大小分為高沸點雜質(zhì)，如AlCl3、FeCl3等；低 沸 點 雜 質(zhì)，如Cl2、HCl、O2、N2、CO2、COS、SiCl4等；以及沸點相近雜質(zhì)VOCl3等。粗TiCl4中的低沸點雜質(zhì)種類較多，其中氣體雜質(zhì)Cl2、O2、N2、CO2等在加熱時易于從塔頂逸出，比較容易分離；液體雜質(zhì)基本與TiCl4互溶，較氣體雜質(zhì)的分離困難[2]。

表1 粗TiCl4的組成[3]

2.2 分離要求

粗TiCl4的分離要求如下：塔底餾出物中TiCl4的純度大于99.5%；塔頂餾出物中SiCl4的回收率大于98.0%。

3 簡捷模擬計算

3.1 物性方程選擇

物性方程選擇是精餾模擬計算的關(guān)鍵。物性方程的選擇直接影響計算結(jié)果的精確度。針對不同的物系，Aspen Plus 流程模擬軟件提供了大量計算氣-液和液-液相平衡的模型方程，如NRTL 方程、UNIFAC 方程、UNIQUAC 方程、WILSON 方程等，每一方程都有一定的適用范圍。對于粗TiCl4體系，可以選用WILSON 模型方程來進行模擬計算[4]。

3.2 模擬計算條件與結(jié)果

TiCl4-SiCl4二元體系分離的流程如圖1 所示。進料物流（FEED）流量4000kg/h，溫度25℃，壓力170kPa。精餾塔（T1）塔頂采用全凝器，冷凝液部分排出部分回流，回流比取最小回流比的25倍（即R=25Rmin）[3]；塔底采用再沸器。

圖1 TiCl4-SiCl4體系精餾分離流程圖

利用Aspen Plus 的簡捷計算模型（DSTWU），通過規(guī)定精餾塔（T1）中輕重關(guān)鍵組分的回收率，可以計算出最小回流比、最小理論塔板數(shù)以及規(guī)定回流比所需的實際理論塔板數(shù)；進料位置、塔頂餾出量、塔頂冷凝器與塔底再沸器的熱負荷等已可以初步得到。模擬計算中，SiCl4主要從塔頂排出，其回收率為98%，TiCl4主要從塔底采出，回收率為99.8%。簡捷模擬計算的結(jié)果見表2。

表2 精餾塔簡捷模擬計算結(jié)果

4 嚴格模擬計算結(jié)果

因簡捷法的計算結(jié)果僅為估算，準(zhǔn)確性不高，尤其對于非理想多組分混合物，需要在簡捷計算模型（DSTWU）計算結(jié)果的基礎(chǔ)上，利用Aspen Plus 軟件中的嚴格模型（RadFrac）進行嚴格的模擬計算。兩者計算的結(jié)果有一定的偏差，這時需調(diào)整回流比或理論板數(shù)，使塔頂、塔底組成符合設(shè)計要求。利用嚴格模型計算的精餾塔的基本結(jié)果如表3所示。

表3 精餾塔嚴格模擬計算結(jié)果

由表2與表3的計算結(jié)果可以看出，嚴格模擬計算模型考慮了塔板效率與物系的非理想性等實際情況，塔板數(shù)與回流比都變大；回流比變大，塔頂回流量增加，塔內(nèi)上升蒸汽量變大，塔頂冷凝器的冷負荷與塔底再沸器的熱負荷變大，兩者變化的幅度都為20kW 左右。由于塔頂與塔底的操作壓力沒變化，利用簡捷模型與嚴格模型計算出的塔頂與塔底的溫度變化不大。

5 結(jié)論

本文簡捷模擬計算了粗TiCl4中低沸點雜質(zhì)的精餾分離過程。在簡捷計算的基礎(chǔ)上，利用嚴格模型計算了粗TiCl4中低沸點雜質(zhì)的精餾分離過程，得出了精餾分離的相關(guān)參數(shù)。由于嚴格模型考慮了物系的非理想性與板效率等實際情況，簡捷模型與嚴格模型的計算結(jié)果有差別。