Теория процесса вакуумной сепарации

После восстановления в реакторе остается спекшийся блок реакционной массы - титановой губки, пропитанной Мg и МgСl₂. Технология восстановления должна сформировать губку с хорошей структурой, благоприятной для процесса очистки губки от примесей вакуум-термическим или гидрометаллургическим методами.

Гидрометаллургический способ заключается в выщелачивании Мg и МgСl₂ из измельченной реакционной массы слабым раствором соляной кислоты. Этот способ почти не требует затрат электроэнергии и прост в аппаратурном оформлении, но качество металла получается низким и безвозвратно теряются хлористый магний и магний.

Вакуум-термическая очистка губки основана на существенном различии в летучести Мg, МgСl₂ и титана при 960-1020 ºC. При создании вакуума точки кипения снижаются, и скорость испарения легкокипящих веществ возрастает во много раз, что приводит к быстрому их отделению от высококипящего вещества. В научной литературе и на практике используют термины «вакуумная сепарация» или «вакуумное рафинирование».

Процесс заключается в том, что реакционную массу нагревают в герметичном аппарате, в котором создан вакуум. При этом Мg и МgСl₂, имеющие достаточно высокое давление паров, испаряются и конденсируются в специальном устройстве-конденсаторе. Также из реакционной массы выделяются газы (Н₂, Н₂О, НСl, низшие хлориды титана), которые непрерывно откачиваются вакуум-насосом через конденсатор.

Скорость испарения титана близка к нулю. Значит, при 900° С над реакционной массой находятся только пары Мg и МgСl₂. Магний, имеющий более высокое давление пара, отгоняется быстрее, чем хлористый магний (рис. 1). Если эти пары отводить, то из реакционной массы будут испаряться новые их порции.

Рисунок 1. Давление паров магния (1) и хлористого магния(2)в зависимости от температуры

Рисунок 2. Диаграмма удаления магния и хлористого магния из губки в процессе сепарации

На рис. 2 приведена диаграмма последовательности испарения магния и хлористого магния из равномерно прогретого слоя реакционной массы. Кривая аbсд. (1) соответствует общей убыли в массе; кривая 2, на которой расположена точка а' - убыли в массе в результате испарения хлористого магния.

До точки а образец нагревается. Испарение Мg и МgСl₂ начинается одновременно (точки а и а'), но скорость испарения Мg на участке аb примерно в 20 раз больше. В течение первого периода (участок аb) Мg испаряется почти полностью. На участке bс испаряется в основном МgСl₂. Снижение скорости испарения МgСl₂ на участке а'b объясняется тем, что в период интенсивной отгонки магния давление над реакционной массой возрастает, на испарение Мg расходуется тепло, и реакционная масса охлаждается. После удаления основного количества Мg, влияние этих факторов резко уменьшается, и МgСl₂ на участке bс начинает испаряться более интенсивно. На участке сd скорость испарения снижается, так как МgСl₂ удаляется из мелких пор губки, в которых его, судя по диаграмме, ~1—2%. Отгонка последних количеств МgСl₂ (сотые доли процента) замедляется еще и вследствие его адсорбции губкой.