粗四氯化鈦中低沸點雜質分離的計算分析

陳 杰

（貴陽鋁鎂設計研究院有限公司，貴州貴陽 550081）

1 概述

TiCl4是鈦及其化合物生產過程中的重要中間產品，也是鈦工業生產的重要原料。TiCl4主要用于生產海綿鈦、氯化法鈦白等[1]。在工業生產中，采用沸騰氯化或熔鹽氯化等方法生產的粗四氯化鈦中都含有多種雜質，各種雜質對于生產最終產品的質量影響極大，必須加以分離提純。根據雜質性質的不同，分別采用物理分離方法與化學分離方法除去。對于高沸點及低沸點雜質，工業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濟，一般采用化學方法分離提純。粗TiCl4中低沸點雜質的分離技術比較成熟，但是對于分離過程進行模擬計算的相關研究報道較少。Aspen P1us 的數據庫包含粗TiCl4物系的基本物化數據，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中低沸點雜質的精餾分離進行模擬計算。

2 粗四氯化鈦精餾分離系統流程

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，其余雜質可按其與TiCl4沸點相差的大小分為高沸點雜質，如AlCl3、FeCl3等；低 沸 點 雜 質，如Cl2、HCl、O2、N2、CO2、COS、SiCl4等；以及沸點相近雜質VOCl3等。粗TiCl4中的低沸點雜質種類較多，其中氣體雜質Cl2、O2、N2、CO2等在加熱時易于從塔頂逸出，比較容易分離；液體雜質基本與TiCl4互溶，較氣體雜質的分離困難[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鍵。物性方程的選擇直接影響計算結果的精確度。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），通過規定精餾塔（T1）中輕重關鍵組分的回收率，可以計算出最小回流比、最小理論塔板數以及規定回流比所需的實際理論塔板數；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%。簡捷模擬計算的結果見表2。

表2 精餾塔簡捷模擬計算結果

4 嚴格模擬計算結果

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

表3 精餾塔嚴格模擬計算結果

由表2與表3的計算結果可以看出，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，塔板數與回流比都變大；回流比變大，塔頂回流量增加，塔內上升蒸汽量變大，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 結論

本文簡捷模擬計算了粗TiCl4中低沸點雜質的精餾分離過程。在簡捷計算的基礎上，利用嚴格模型計算了粗TiCl4中低沸點雜質的精餾分離過程，得出了精餾分離的相關參數。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果有差別。