粗四氯化钛中低沸点杂质分离的计算分析

陈 杰

（贵阳铝镁设计研究院有限公司，贵州贵阳 550081）

1 概述

TiCl4是钛及其化合物生产过程中的重要中间产品，也是钛工业生产的重要原料。TiCl4主要用于生产海绵钛、氯化法钛白等[1]。在工业生产中，采用沸腾氯化或熔盐氯化等方法生产的粗四氯化钛中都含有多种杂质，各种杂质对于生产最终产品的质量影响极大，必须加以分离提纯。根据杂质性质的不同，分别采用物理分离方法与化学分离方法除去。对于高沸点及低沸点杂质，工业上一般采用精馏的方法分离提纯；由于VOCl3与TiCl4的沸点相差较小，采用物理分离方法不经济，一般采用化学方法分离提纯。粗TiCl4中低沸点杂质的分离技术比较成熟，但是对于分离过程进行模拟计算的相关研究报道较少。Aspen P1us 的数据库包含粗TiCl4物系的基本物化数据，如分子量、熔沸点、黏度等，能够满足精馏分离过程模拟计算的需要，粗TiCl4物系的精馏分离符合Aspen Plus 软件模拟计算的要求。由此本文利用Aspen P1us 模拟计算软件，对粗TiCl4中低沸点杂质的精馏分离进行模拟计算。

2 粗四氯化钛精馏分离系统流程

2.1 粗四氯化钛组成

粗TiCl4的组成见表1，主要成分TiCl4含量达97%以上，其余杂质可按其与TiCl4沸点相差的大小分为高沸点杂质，如AlCl3、FeCl3等；低 沸 点 杂 质，如Cl2、HCl、O2、N2、CO2、COS、SiCl4等；以及沸点相近杂质VOCl3等。粗TiCl4中的低沸点杂质种类较多，其中气体杂质Cl2、O2、N2、CO2等在加热时易于从塔顶逸出，比较容易分离；液体杂质基本与TiCl4互溶，较气体杂质的分离困难[2]。

表1 粗TiCl4的组成[3]

2.2 分离要求

粗TiCl4的分离要求如下：塔底馏出物中TiCl4的纯度大于99.5%；塔顶馏出物中SiCl4的回收率大于98.0%。

3 简捷模拟计算

3.1 物性方程选择

物性方程选择是精馏模拟计算的关键。物性方程的选择直接影响计算结果的精确度。针对不同的物系，Aspen Plus 流程模拟软件提供了大量计算气-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适用范围。对于粗TiCl4体系，可以选用WILSON 模型方程来进行模拟计算[4]。

3.2 模拟计算条件与结果

TiCl4-SiCl4二元体系分离的流程如图1 所示。进料物流（FEED）流量4000kg/h，温度25℃，压力170kPa。精馏塔（T1）塔顶采用全凝器，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。

图1 TiCl4-SiCl4体系精馏分离流程图

利用Aspen Plus 的简捷计算模型（DSTWU），通过规定精馏塔（T1）中轻重关键组分的回收率，可以计算出最小回流比、最小理论塔板数以及规定回流比所需的实际理论塔板数；进料位置、塔顶馏出量、塔顶冷凝器与塔底再沸器的热负荷等已可以初步得到。模拟计算中，SiCl4主要从塔顶排出，其回收率为98%，TiCl4主要从塔底采出，回收率为99.8%。简捷模拟计算的结果见表2。

表2 精馏塔简捷模拟计算结果

4 严格模拟计算结果

因简捷法的计算结果仅为估算，准确性不高，尤其对于非理想多组分混合物，需要在简捷计算模型（DSTWU）计算结果的基础上，利用Aspen Plus 软件中的严格模型（RadFrac）进行严格的模拟计算。两者计算的结果有一定的偏差，这时需调整回流比或理论板数，使塔顶、塔底组成符合设计要求。利用严格模型计算的精馏塔的基本结果如表3所示。

表3 精馏塔严格模拟计算结果

由表2与表3的计算结果可以看出，严格模拟计算模型考虑了塔板效率与物系的非理想性等实际情况，塔板数与回流比都变大；回流比变大，塔顶回流量增加，塔内上升蒸汽量变大，塔顶冷凝器的冷负荷与塔底再沸器的热负荷变大，两者变化的幅度都为20kW 左右。由于塔顶与塔底的操作压力没变化，利用简捷模型与严格模型计算出的塔顶与塔底的温度变化不大。

5 结论

本文简捷模拟计算了粗TiCl4中低沸点杂质的精馏分离过程。在简捷计算的基础上，利用严格模型计算了粗TiCl4中低沸点杂质的精馏分离过程，得出了精馏分离的相关参数。由于严格模型考虑了物系的非理想性与板效率等实际情况，简捷模型与严格模型的计算结果有差别。