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.