一种黑钛液的连续真空结晶系统及其使用方法与流程

本发明涉及在硫酸法钛白粉生产过程中以黑钛液为结晶原料液的硫酸亚铁盐真空结晶，尤其涉及一种黑钛液的连续真空结晶系统及其使用方法。

背景技术：

在硫酸法钛白粉生产过程中，使用硫酸对钛铁矿或者高钛渣进行消解，所得消解液再进行一系列后处理，即得到主要含有硫酸氧钛、硫酸亚铁以及硫酸的黑钛液。黑钛液中的硫酸亚铁作为一种可溶性杂质需要部分去除，其除去方法通常是利用硫酸亚铁的溶解度受温度影响比较大的特性，将黑钛液降温，使硫酸亚铁以七水合硫酸亚铁结晶的形式析出并得到分离。对此，行业内普遍采用间歇真空结晶工艺。

真空结晶又称为绝热蒸发，是使溶剂和外界隔绝热量的传递，在极高的真空状态下进行闪蒸，溶剂蒸发吸热而使体系冷却从而实现结晶的一个过程。其原理是同时依靠浓缩与冷却两种效应来产生过饱和度。

目前，常用的现有真空结晶系统主要由结晶器和真空设备等部分组成，其主要结构如附图一所示，结晶器通常为带有侧向搅拌的容器，容器顶部设有二次蒸汽出口，底部设有物料进、出的共用接口，此外还配备有视镜与温度、压力传感器接口；并且常采用串连的蒸汽喷射泵、冷却器和机械真空泵，作为提供系统内真空、实现二次蒸汽冷凝和气体抽送的设备；其中，蒸汽喷射泵作为抽走结晶器内二次蒸汽的主动力，它的引流口端与结晶器顶部蒸汽出口通过管道直接连接。在生产操作中，50～60 ℃的结晶原液分批次进入结晶器，开启真空设备，蒸汽喷射泵使用0.5～0.7MPa的饱和蒸汽或者微过热蒸汽作为射流介质，出口侧使用25～35 ℃的循环水进行喷淋，将射流蒸汽与引流蒸汽冷凝；随着结晶器内负压升高，物料达到沸点，水汽化带走热量，物料温度持续降低。待结晶器内的钛液温度降至工艺所需的温度，去除结晶器内真空，将物料放至下一工序。随后再次向结晶器中泵送入结晶原液，进入下一批次物料的生产。由于该结晶过程为间歇式生产无法连续化，设备利用率低，自动化程度不高，生产效率低，而为了提高产能来达成设计需求，通常需要在同一装置厂房中设置多套真空结晶装备，如此则大大增加了人员使用量与人工操作量；而且该结晶过程使用的蒸汽喷射泵，需要消耗大量蒸汽，每吨产品需蒸汽约1.1～2 t，配套蒸汽喷射泵使用的冷凝循环水系统也需要消耗大量电能，每吨产品耗电约80 kWh以上，企业生产能耗大、成本高。

中国专利201510724436.X一种钛白粉生产工艺中将硫酸亚铁从钛液中真空结晶的新方法，其公开的设备主要包括结晶釜、预冷却系统、冷凝器和真空泵等装置。虽然它具有免去使用高温、高压蒸汽，大幅减少了蒸汽能源的消耗，降低了钛白粉的生产成本等有益效果，但是它仍存在：结晶过程为间歇式、无法连续化，设备利用率低，自动化程度不高，生产效率低；其生产过程中需在预冷却系统和冷凝器之间进行切换，操作繁琐；预冷却系统需要使用循环水，能耗较高；冷凝器管程走二次蒸汽，壳程走低温水总传热系数低，蒸汽冷凝效果有待提升；当其使用多台真空泵时，需反复进行真空泵的启、停及切换等操作，运行操作不便等问题。

技术实现要素：

本发明的第一目的在于提供一种黑钛液的连续真空结晶系统，其结构设计合理，并能使得结晶过程连续化，实现大幅节能的目标。

本发明的第二目的在于提供上述黑钛液的连续真空结晶系统的使用方法。

本发明的以上目的分别通过以下技术方案实现：

一种黑钛液的连续真空结晶系统，其特征在于：它包括依次相连的两级结晶基本单元装置；每一级结晶基本单元装置均包括结晶器、冷凝器、真空机组和转料泵；在同一级结晶基本单元装置内，所述结晶器分别与所述冷凝器、所述转料泵连通，所述冷凝器还与所述真空机组连通；在一级结晶基本单元装置中，一级结晶器还与进料管线连通，一级转料泵还与二级结晶基本单元装置中的二级结晶器连通；二级结晶基本单元装置中的二级转料泵还与出料管线连通。

一种黑钛液的连续真空结晶系统，其特征在于：它包括依次相连的三级结晶基本单元装置；每一级结晶基本单元装置均包括结晶器、冷凝器、真空机组和转料泵；在同一级结晶基本单元装置内，所述结晶器分别与所述冷凝器、所述转料泵连通，所述冷凝器还与所述真空机组连通；在一级结晶基本单元装置中，一级结晶器还与进料管线连通；一级结晶基本单元装置中的一级转料泵，还与二级结晶基本单元装置中的二级结晶器连通；二级结晶基本单元装置中的二级转料泵，还与三级结晶基本单元装置中的三级结晶器连通；三级结晶基本单元装置中的三级转料泵与出料管线连通。

作为进一步优化，每一级结晶基本单元装置中的结晶器上还增设有与自身相连的循环管线，该循环管线的一端与结晶器底部连通，另一端与结晶器体部连通。通过增设循环管线，进一步保证了每级结晶基本单元装置内的结晶器中的温度恒定和物料均匀，有利于结晶析出过程。

作为进一步优化，上述一级结晶基本单元装置中的一级冷凝器，选择为蒸发式冷凝器，其无需公用循环水系统的支持；上述二级结晶基本单元装置中的二级冷凝器、上述三级结晶基本单元装置中的三级冷凝器，均选择为管壳式换热器，其使用时蒸汽走壳程，低温水走管程。

上述的真空机组，可选用罗茨式真空泵、螺杆式真空泵、往复式真空泵、爪式真空泵、油封机械泵、液环式真空泵以及水喷射真空泵等气体输送型真空泵中的一种或由多种真空泵串联形成的机组。

采用上述黑钛液的连续真空结晶系统进行生产时，其整个结晶过程是串联的两级或三级过程。此处的“级”是根据结晶器中物料的温度不同来进行划分。在不考虑实际运行存在温度波动的条件下，每级结晶器内的物料只有一个恒定的温度；在两级或三级结晶过程中，结晶器内物料在不同级有不同的恒定温度，形成温度由高到低的温度梯度，物料由温度较高的一级向温度较低的一级流动。

上述包括有依次相连的两级结晶基本单元装置的黑钛液的连续真空结晶系统，其使用方法具体按照以下步骤进行：

（1）先启动一级结晶基本单元装置中的冷凝器；在二级结晶基本单元装置中的冷凝器内的管程中持续通入2～5 ℃的低温水；随后分别向各级结晶器内加入黑钛液，加入的量按照每一级结晶器内的持液量与每小时进料量的比值为1:1～1.5计算，以使得物料在每一级结晶器内总体停留时间为60至40分钟；其中，一级结晶器中加入35～38℃的黑钛液，二级结晶器中加入16～20℃的黑钛液；

（2）经进料管线向一级结晶器内连续加入50～58℃的黑钛液，同时开启一级转料泵和二级转料泵，保持各级转料泵的送料量与进料量相同，并分别控制一级结晶器内液面上方保持绝压4200～5000Pa的操作压力，控制二级结晶器内液面上方保持绝压1220～1400Pa的操作压力；一级结晶器内的二次蒸汽通过管线进入一级结晶基本单元装置中的冷凝器被冷凝，冷凝水经管线排出，不凝气由一级结晶基本单元装置中的真空机组抽出排向大气；二级结晶器内的二次蒸汽经管线通入二级结晶基本单元装置中的冷凝器的壳程，与管程内低温水换热并在管外壁冷凝，冷凝水经管线排出，不凝气由二级结晶基本单元装置中的真空机组抽出排向大气。

上述包括有依次相连的三级结晶基本单元装置的黑钛液的连续真空结晶系统，其使用方法具体按照以下步骤进行：

（1）先启动一级结晶基本单元装置中的冷凝器；在二级结晶基本单元装置中的冷凝器内的管程中持续通入2～10℃的低温水；在三级结晶基本单元装置中的冷凝器内的管程中持续通入2～5℃的低温水；随后分别向各级结晶器内加入黑钛液，加入的量按照每一级结晶器内的持液量与每小时进料量的比值为1:1～1.5计算，以使得物料在每一级结晶器内总体停留时间为60至40分钟；其中，一级结晶器中加入35～38℃的黑钛液，二级结晶器中加入25～28℃的黑钛液，三级结晶器中加入16～20℃的黑钛液；

（2）经进料管线连续向一级结晶器内连续加入50～58℃的黑钛液，同时开启一级转料泵、二级转料泵和三级转料泵，保持各级转料泵的送料量与进料量相同，并分别控制一级结晶器内液面上方保持绝压4200～5000Pa的操作压力，控制二级结晶器内液面上方保持绝压2300～2800Pa的操作压力，控制三级结晶器内液面上方保持绝压1220～1400Pa的操作压力；一级结晶器内的二次蒸汽通过管线进入一级结晶基本单元装置中的冷凝器被冷凝，冷凝水经管线排出，不凝气由一级结晶基本单元装置中的真空机组抽出排向大气；二级结晶器内的二次蒸汽经管线通入二级结晶基本单元装置中的冷凝器的壳程，与管程内低温水换热并在管外壁冷凝，冷凝水经管线排出，不凝气由二级结晶基本单元装置中的真空机组抽出排向大气；三级结晶器内的二次蒸汽经管线通入三级结晶基本单元装置中的冷凝器的壳程，与管程内低温水换热并在管外壁冷凝，冷凝水经管线排出，不凝气由三级结晶基本单元装置中的真空机组抽出排向大气。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供了一种黑钛液的连续真空结晶系统，其结构设计合理，并使得以黑钛液为结晶原料液的硫酸亚铁盐真空结晶过程连续化，具有设备利用率高，自动化程度高，生产效率高，实现了大幅节能的目标等益处。该系统中的一级结晶基本单元装置中使用蒸发式冷凝器，无需公用循环水系统支持，投资更为简省，更为重要的是，与传统的“公用循环水系统＋间壁式换热器”的组合形式相比，能够节电50 ％以上；每一级结晶基本单元装置中的二次蒸汽，通过单独的冷凝器即完成了冷凝，无需在生产过程中进行预冷器和冷凝器之间的切换，操作更简便，设备利用率高；每一级结晶基本单元装置中使用一体化的真空机组，便于操作和维持真空恒定，无需反复进行真空泵的启、停及切换等操作，运行简便。其使用方法简单易行，每级结晶器内均事先保持一定物料液位和温度，各级物料温度形成由高到低的温度梯度；前端高温物料连续进入结晶器与其内料液混合后升至液面处闪蒸降温，同时结晶器内物料经转料泵连续采出至后端流程。在运行过程中，通过控制物料进、出流量使结晶器内物料液位保持稳定，并且由于进料输入热量与闪蒸带走热量相对平衡，因此结晶器内物料温度可基本保持恒定。整个结晶过程是串联的两级或三级过程，高温的结晶原液连续地进入第一级结晶器并在系统内按温度梯度由高到低逐级连续流转，逐步的蒸发冷却，最终蒸发冷却合格的晶浆由末级结晶器连续送出至下一工序。

附图说明

图1为现有的硫酸法钛白粉生产过程中以黑钛液为结晶原料液的硫酸亚铁盐真空结晶系统的结构示意图。

图2为本发明实施例1中所述黑钛液的连续真空结晶系统的结构示意图。

图3为本发明实施例2中所述黑钛液的连续真空结晶系统的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明进行具体描述，在此指出以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对其保护范围的限制，本领域的技术熟练人员可以根据上述发明内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。

实施例 1

如说明书附图1和2所示，一种黑钛液的连续真空结晶系统，由依次相连的三级结晶基本单元装置组成；其中，一级结晶基本单元装置由一级结晶器1、蒸发式冷凝器2、一级真空机组3和一级转料泵4组成，且一级结晶器1分别与进料管线13、蒸发式冷凝器2、一级转料泵4连通，蒸发式冷凝器2还与一级真空机组3连通；二级结晶基本单元装置由二级结晶器5、二级管壳式换热器6、二级真空机组7和二级转料泵8组成，且二级结晶器5分别与二级管壳式换热器6、二级转料泵8连通，二级管壳式换热器6还与二级真空机组7连通；三级结晶基本单元装置由三级结晶器9、三级管壳式换热器10、三级真空机组11和三级转料泵12组成，且三级结晶器9分别与三级管壳式换热器10、三级转料泵12连通，三级管壳式换热器10还与三级真空机组11连通；一级转料泵4还与二级结晶器5连通；二级转料泵8还与三级结晶器9连通；三级转料泵12还与出料管线14连通；一级结晶器1、二级结晶器5和三级结晶器9上还增设有分别与其自身相连接的循环管线15，各级循环管线15的一端与本级结晶器的底部连通，另一端与本级结晶器的体部连通。

在实际生产操作中，采用本例中的黑钛液的连续真空结晶系统进行生产时，按照以下使用方法进行操作：

（1）先逐一启动蒸发式冷凝器2的循环喷淋水泵及风机；在二级管壳式换热器6内的管程中持续通入2～10℃的低温水；在三级管壳式换热器10内的管程中持续通入2～5℃的低温水；随后分别向各级结晶器内加入 60 m³的黑钛液；其中，一级结晶器1中加入35～38℃的黑钛液，二级结晶器中5加入25～28℃的黑钛液，三级结晶器9中加入16～20℃的黑钛液；

（2）经进料管线13向一级结晶器1连续加入50～58℃的黑钛液，进料量为90 m³/h，同时开启一级转料泵4、二级转料泵8和三级转料泵12，保持各级转料泵的送料量与进料量相同，并分别控制一级结晶器1内液面上方保持绝压4200～5000Pa的操作压力，控制二级结晶器5内液面上方保持绝压2300～2800Pa的操作压力，控制三级结晶器9内液面上方保持绝压1220～1400Pa的操作压力；一级结晶器1内的二次蒸汽通过管线进入蒸发式冷凝器2被冷凝，冷凝水经管线排出，不凝气由一级真空机组3抽出排向大气；二级结晶器5内的二次蒸汽经管线通入二级管壳式换热器6的壳程，与管程内低温水换热并在管外壁冷凝，冷凝水经管线排出，不凝气由二级真空机组7抽出排向大气；三级结晶器9内的二次蒸汽经管线通入三级管壳式换热器10的壳程，与管程内低温水换热并在管外壁冷凝，冷凝水经管线排出，不凝气由三级真空机组11抽出排向大气。

其中，（1）50～58℃酸解黑钛液由进料管道13连续进入一级结晶器1，与其中35～38℃的酸解黑钛液混合，液面上方保持绝压4200～5000Pa的操作压力，混合溶液在该压力下通过蒸发过程移走进料带热，使物料保持35～38℃的恒定温度；一级结晶器1内物料，经过一级转料泵4连续送入二级结晶器5并与其中物料混合。

（2）二级结晶器5内液面上方保持绝压2300～2800Pa的操作压力，溶液在该压力下通过蒸发过程移走进料带热，使物料保持25～28℃的恒定温度；二级结晶器5内物料，经过二级转料泵8连续送入三级结晶器9并与其中物料混合。

（3）三级结晶器9内液面上方保持绝压1220～1400Pa的操作压力，溶液在该压力下通过蒸发过程移走进料带热，使物料保持16～20℃的恒定温度，且该温度为结晶全过程的终点指标温度；三级结晶器9内物料经过三级转料泵12与出料管线14连续送入下步工序。

（4）一级结晶器1内的二次蒸汽经管线进入蒸发式冷凝器2后被冷凝，冷凝水通过管线排出，不凝气由一级真空机组3抽出排向大气。

（5）二级管壳式换热器6内，2～10℃的低温水进入该换热器的管程，换热后的高温水返回制冷机组，降温至2～10℃后循环使用；二级结晶器5内的二次蒸汽经管线进入二级管壳式换热器6的壳程，与管程内低温水换热并在管外壁冷凝，冷凝水经管线排出，不凝气由二级真空机组7抽出排向大气。

（6）三级管壳式换热器10内，2～5℃的低温水进入该换热器的管程，换热后的高温水返回制冷机组，降温至2～5℃后循环使用；三级结晶器9内的二次蒸汽经管线进入三级管壳式换热器10的壳程，与管程内低温水换热并在管外壁冷凝，冷凝水经管线排出，不凝气由三级真空机组11抽出排向大气。

本例中二级管壳式换热器6、三级管壳式换热器10内的管程物料为低温水，壳程走二次蒸汽，与常规设置中的管程走二次蒸汽，壳程走低温水相比，具有总传热系数提高，蒸汽冷凝效果更好，冷凝水易及时排出，以及真空流路不容易短路等益处。

实施例 2

如说明书附图3所示，一种黑钛液的连续真空结晶系统，由依次相连的两级结晶基本单元装置组成；其中，一级结晶基本单元装置由一级结晶器1、蒸发式冷凝器2、一级真空机组3和一级转料泵4组成，且一级结晶器1分别与进料管线13、蒸发式冷凝器2、一级转料泵4连通，蒸发式冷凝器2还与一级真空机组3连通；二级结晶基本单元装置由二级结晶器5、二级管壳式换热器6、二级真空机组7和二级转料泵8组成，且二级结晶器5分别与二级管壳式换热器6、二级转料泵8连通，二级管壳式换热器6还与二级真空机组7连通；一级转料泵4还与二级结晶器5连通；二级转料泵8还与出料管线14连通；一级结晶器1、二级结晶器5上还增设有分别与其自身相连接的循环管线15，各级循环管线15的一端与本级结晶器的底部连通，另一端与本级结晶器的体部连通。

在实际生产操作中，采用本例中黑钛液的连续真空结晶系统进行生产时，按照以下使用方法进行操作：

（1）先逐一启动蒸发式冷凝器2的循环喷淋水泵及风机；在二级管壳式换热器6内的管程中持续通入2～5 ℃的低温水；随后分别向各级结晶器内加入30 m³的黑钛液，其中，一级结晶器中加入35～38℃的黑钛液，二级结晶器中加入16～20℃的黑钛液；

（2）经进料管线13向一级结晶器1连续加入50～58℃的黑钛液，进料量为30 m³/h，同时开启一级转料泵4和二级转料泵8，保持各级转料泵的送料量与进料量相同，并分别控制一级结晶器1内液面上方保持绝压4200～5000Pa的操作压力，控制二级结晶器5内液面上方保持绝压1220～1400Pa的操作压力；一级结晶器1内的二次蒸汽通过管线进入蒸发式冷凝器2被冷凝，冷凝水经管线排出，不凝气由一级真空机组3抽出排向大气；二级结晶器5内的二次蒸汽经管线通入二级管壳式换热器6的壳程，与管程内低温水换热并在管外壁冷凝，冷凝水经管线排出，不凝气由二级真空机组7抽出排向大气。

其中，（1）50～58℃酸解黑钛液由进料管道13连续进入一级结晶器1，与其中35～38℃的酸解黑钛液混合，液面上方保持绝压4200～5000Pa的操作压力，混合溶液在该压力下通过蒸发过程移走进料带热，使物料保持35～38℃的恒定温度；一级结晶器1内物料，经过一级转料泵4连续送入二级结晶器5并与其中物料混合。

（2）二级结晶器5内液面上方保持绝压1220～1400Pa的操作压力，溶液在该压力下通过蒸发过程移走进料带热，使物料保持16～20℃的恒定温度，且该温度为结晶全过程的终点指标温度；二级结晶器5内物料经过二级转料泵8与出料管线14连续送入下步工序。

（3）一级结晶器1内的二次蒸汽经管线进入蒸发式冷凝器2后被冷凝，冷凝水通过管线排出；不凝气由一级真空机组3抽出排向大气。

（4）二级管壳式换热器6内，2～5℃的低温水进入该换热器的管程，换热后的高温水返回制冷机组，降温至2～5℃后循环使用；二级结晶器5内的二次蒸汽经管线进入二级管壳式换热器6的壳程，与管程内低温水换热并在管外壁冷凝，冷凝水经管线排出；不凝气由二级真空机组7抽出排向大气。

本例中二级管壳式换热器6内的管程物料为低温水，壳程走二次蒸汽，与常规设置中的管程走二次蒸汽，壳程走低温水相比，具有总传热系数提高，蒸汽冷凝效果更好，冷凝水易及时排出，以及真空流路不容易短路等益处。