PLC在钛白粉酸解中的应用.doc

电气信息工程学院毕业设计（论文） PLC在钛白粉酸解中的应用PLC在钛白粉酸解中的应用范先永 攀枝花学院电气信息工程学院，攀枝花 617000文 摘 钛白粉是具有优良的光学、电学性能，具有稳定的物理、化学性质，是一个国家经济发展水平和人民生活水平高低的一个重要标志。钛白粉工业生产的自动化是为了提高钛白粉生产的质量，提高生产效益改善劳动环境。酸解自动化控制：浓硫酸和钛铁矿的比值（酸矿比）控制；过程水的控制，特别是浸取时水的控制；过程温度的控制；三价铁还原时铁加入量的控制。钛白粉生产工业过程的自动化，使生产的产品的干粉白度、亮度、粒径分布都达到质量指标。关键词 钛白粉；PLC；酸解；自动控制钛白粉的化学名称为二氧化钛，分子式为TiO2，相对分子量为79.9，化学质量组成（%）：Ti 47.9，O 16。英文名：Titanium white .titanium diocide pigment,美国化学文摘社登记号13463-677。二氧化钛是一种重要的无机化工原料，无毒，对健康无害，它是重要的白色颜料，占全部白色颜料使用量的80%，它也是钛系的最重要产品，世界上钛资源的90%都用来制造二氧化钛。在现代工业、农业、国防、科学技术诸多领域中得到广泛的应用，与人民生活和国民经济有着密切的联系。目前全球二氧化钛的年产量约为70亿美元，仅次于合成氨和磷酸的第三大无机产品（以价值计），许多发达的工业国家都把他列入精细化工产品行列，在某些国家和地区，其消费或人均占有量作为衡量一个国家的经济发展和人民生活的重要标志之一。二氧化钛在单晶时是透明的，之所以呈白色，是因为二氧化钛的粉末对可见光全部波长都有同样程度的强烈反射，所以在可见光的照射下呈现白色。二氧化钛在已知所有白色颜料中折射率最高（金红石型2.71、锐钛型2.55），因而具有极高的不透明和优良的光学性能和颜料性质。通常人们把它用在涂料、油墨、塑料，橡胶、造纸、化纤、美术颜料和民用化妆品等行业中以白色颜料为主要使用目的。二氧化钛称为钛白粉，二氧化钛颜料（Titanium diocide pigment）或钛白，而把在搪瓷、电焊条、陶瓷、电子、冶金等工业部门不以纯度为主要目的的二氧化钛或非颜料级钛白粉，称非涂料用钛白粉。二氧化钛是白色粉末状多晶型化合物，自然界中有金红石、锐钛型和板钛型3种晶型结构。它们是3种同分异构体,人工都能够制造，但板钛型极不稳定.无论是天然的还是合成的都没有使用价值，工业上主要利用前两种晶型，大量生产各种不同用途的钛白粉。二氧化钛的工业生产方法主要有硫酸法,氯化法。其主要的区别是氯化法生产技术要求高；对原料的质量要求同样也高，只能用金红石型；而且生产出来的钛白粉质量好，为颜料级钛白粉。而硫酸法对颜料的要求不是很高；它生产设备简单，工艺成熟，锐钛型和金红石型都能制造。硫酸法的产品是颜料级钛白粉和非颜料级钛白粉。目前，发达国家在对钛白粉工业生产技术掌握上比较完善，因而大部分都采用氯化法.我国由于钛白粉工业起步晚，并且生产规模不是很大，生产技术还不完善，特别是在氯化法生产过程自动控制技术问题。然而我国在硫酸法的生产技术上很成熟，因而大部分企业都采用的是硫酸法。我国钛资源丰富，储量位居世界第一，特别是攀枝花储量占全国的90%以上. 国内生产资料的价格逐步放开，水、电、煤、燃油、辅助材料的价格不断上涨原料钛铁矿和硫酸的价格也不断也上涨，劳资费用、三废处理费用增高；而且硫酸生产钛白粉设备腐蚀性大。旧设备的维修和重新制造耗费资金较大。这些情况造成了产品成本大幅度上升。近两年来产品的售价有所上升但是增幅不大。大多数厂家都在努力增加产量，并且广泛开展节能降耗活动，但是，整个增收节支的幅度远远赶不上生产成本上涨的幅度，再加上钛白粉工业本身规模小，未能体现规模效益的优势。造成经济效益低。以至成本居高不下，甚至有少数厂家因而亏本导致破产。同时品种和质量与国外先进企业尚有较大差距。并且大多数企业都是采用硫酸法，同时大部分企业在钛白粉的生产过程尚未完全实现自动化。在生产的过程中采用人工的控制，以至影响产品的质量和数量，以至于我国每年仍要进口80到90Kt才能满足国内的各行业的需求。PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，是综合了计算机技术，自动控制技术和通信技术的一种新型的通用的自动控制装置。它具有抗干扰能力强，可靠性高(平均无故障时间3-5万小时)，使用灵活方便，有很强的输入输出接口，使用简便，易于编程并且体积小、结构紧凑、安装、维护方便，以及适应工业环境下应用等一系列优点。近年来，在工业自动化、机电一体化、传统产业技术改造等方面应用越来越广泛.它与DCS系统和自动化仪表一起称为现代工业控制三大支柱。PLC完全能够对钛白粉工业生产过程进行自动控制，实现整个过程的自动化，达到对物料量精确的控制，提高产品的质量，缩短生产周期，提高效益。同时减少了生产过程中人工的操作，减轻环境对人体的伤害。可以看出无论从人还是从生产效益上讲，利用PLC完成对钛白粉工业过程的自动控制是我国钛白粉工业发展的重要措施。1 钛白粉生产工艺概述1.1 钛白粉的性质由于钛白粉具有折射率高、消色力强、遮盖力大、耐候性好、分散性强、光泽好、物理与化学性能稳定等许多优良的特性，所以是用量最大、质量最好、应用最广的白色颜料，是电子、化工、轻工和冶金等各项工业中不可缺少的原料，广泛的应用于涂料、油墨、塑料、橡胶、造纸等。它是与整个国民经济乃至实现四个现代化有着密切关系的一种非常重要的化工产品。1.1.1 钛白粉的物理性质(1)相对密度二氧化钛的相对密度随其结晶形态、粒径大小、杂质含量、化学组成，特别是与表面处理量大小有关，在制造过程中，随煅烧温度的提高和煅烧时间的延长而增大。他的假密度随其粒径大小、粒径分布和分散性能的变化而变化。在常用的白色颜料中二氧化钛的相对密度最小，同等质量的白色颜料，二氧化钛的表面积最大，颜料覆盖率最高。（2）熔点和沸点由于锐钛型和板钛型二氧化钛在高温下都会转变成金红石型，因此板钛型和锐钛型二氧化钛的熔点和沸点实际上是不存在的。只有金红石型二氧化钛有熔点和沸点,金红石型二氧化钛的熔点为1850、空气中的熔点为1830，熔点与二氧化钛的纯度有关。金红石型的沸点为3200，在此高温下二氧化钛稍有发挥性。（3）介电常数由于二氧化钛的介电常数较高，因此具有优良的电学性能。在测定二氧化钛的某些物理性质时，要考虑二氧化钛晶体方向。例如:金红石型的介电常数，随晶体的方向不同而不同。（4）电导率二氧化钛具有半导体的性能，他的电导率随温度的上升而迅速增加，而且对缺氧也非常敏感。例如:金红石型二氧化钛在20时还是电绝缘体，但加热到420时，它的电导率增加了100万倍。稍微减少氧含量，对它的电导率会有特殊的影响，按化学生成的二氧化钛，电导率小于10亿分之一s/cm。（5）硬度在以10分制标度的莫氏硬度计时，锐钛型二氧化钛的硬度为5.56.0，金红石型二氧化钛为66.5。硬度与二氧化钛的晶型结构有关，在生产中与产品的纯度和煅烧温度有关，温度高容易烧结，硬度也随之增高。金红石型二氧化钛的硬度高、难粉粹，不适用与化学纤维消光同样也不适用与照相凹板的油墨中。1.1.2 钛白粉化学性质（1）钛白粉无毒、化学性质很稳定，在常温下几乎不与其他物质反应，对氧、硫化氢、二氧化碳和氨都是稳定的，不溶于水、脂肪，在机酸、盐酸、硝酸、微溶于碱和热硝酸。（2）能溶于氢氟酸生成氟钛酸，其反应方程为：TiO2+6HF=H2TiF2+2H2O（3）在长时间煮沸的情况下，溶于浓硫酸，生成硫酸钛或硫酸氧钛。Tio2+2H2SO4=Ti（SO4）2+2H2OTio2+H2SO4=TiOSO4+2H2O其溶解速度常与钛白粉的煅烧温度有关，煅烧温度升高则溶解速度降低，为变加速溶解可加入（NH4）2SO4，碱金属硫酸盐或过氧化氢。（4）与硫酸或硫酸盐或焦硫酸盐共溶可转变为可熔性的硫酸氧钛或硫酸钛。Tio2+2KHSO4=TiOSO4+K2SO4+H2OTio2+4KS2O7=Ti（SO4）2+4K2SO4+2SO3在选矿源，选好的矿沙，尽可能降低原料中有害杂质的含量，因为杂质在酸解时也能进入溶液，若钛铁矿中Fe2O3含量高还会增多还原铁屑，在钛液中还会带入铁屑中的更多可溶性杂质，这些杂质在水解时被偏钛酸胶料凝聚体、吸附、夹杂而共同沉淀，洗涤时也难以完全除去，而最终进入成品而影响钛白粉的白度。1.2 硫酸法钛白粉生产工艺流程硫酸法生产钛白粉主要包括以下几个过程（1）钛矿的处理：将原矿处理成符合硫酸法生产要求的矿粉，包括选矿、富集和粉碎。（2）钛液的制备：先使矿粉与硫酸反应，加废酸和水浸取，再加铁屑还原，制得符合下工段要求的钛液，包括酸解、浸取和还原。（3）钛液的净化：主要是除去钛液中的固相杂质和部分可以除去的溶解性杂质，并调整钛液浓度与成分使之符合水解的要求。包括残渣沉降，经绿矾结晶后分离，板框压滤，钛液的浓缩。（4）钛液的水解：主要是使钛液中的钛通过水解反应，造成偏钛酸水合二氧化钛沉淀，包括制晶种和钛液水解。（5）偏钛酸的过滤、水洗、漂白与盐处理：将偏钛酸与母液（废酸）分离，并洗去可溶性的非钛杂质，进一步除去微量的钛杂质，使之提高白度，还加入盐处理剂改善产品的颜料性能，包括过滤、水洗、漂白、盐处理。（6）偏钛酸的煅烧与粉碎：主要是通过煅烧脱水、脱硫并经粉碎而达到合乎质量要求的产品，包括煅烧、粉碎。（7）钛白粉的后处理：主要根据不同品种的要求将煅烧、粉碎所得的钛白粉进行各种处理，使其质量达到不同品种的要求，包括水洗、包膜、洗涤、干燥、超微粉碎、包装。其副流程有废渣、废液、废气的处理及三废的综合回收利用。硫酸法颜料钛白粉生产流程图如图11.3 钛白粉的酸解控制1.3.1 矿酸比的控制根据参与反应的硫酸浓度和最终反应物的状态，钛铁矿的酸解方法有液相法，两相法和固相法三种。液相法：采用55%65%的硫酸，酸解反应在液相进行，反应温度130140，反应时间为1216小时，为了防止早期水解,酸比值F控制33.2，直接得到硫酸钛溶液。两相法：采用65%80%的硫酸，反应温度为150200，反应时间为68小时，值控制在.82.2，加热至有沉淀析出为止，所得产物呈糊状，加水浸取后生成悬浮溶液，反应率达。固相法：采用以上的硫酸，反应激烈迅速，在min内完成，反应最高温度达，由于硫酸的沸点在所以能够适应这一要求，所得产物为固相物，然后加水浸取为溶液，控制值在1.62.1，最高酸解可达。液相法和两相法酸解的反应时间长，耗用硫酸多，钛铁矿分解率底，固相法酸解则具有下列优点：耗用硫酸量最少。反应最迅速，可减少加温时间，缩短生产周期，提高设备利用率，节约能源。酸解最高可以达到。溶液值比较低，有利于后期水解的进行。设备生产强度强。正是由于固相法酸解的优点，所以工业生产一般都采用固相法。固相法酸解的操作是在一个特制的酸解锅中进行，在锥体底部加入强烈的压缩空气的搅拌下，先按配方投入硫酸，然后投入矿粉，使矿粉与硫酸充分混合，再加定量的稀释用的废酸水继续搅拌，由于废酸中的水，与浓硫酸作用产生反应热。再用蒸汽直接加热（若水化热已足够引发生反应，就不必外加热）当锅内反应物温度升高至80120时，立即停止加热，一般加入稀释废酸后1020min即发生激烈反应。由于反应是放热反应，反应物的温度急剧上升，在数分钟内达到最高温度（250）在这阶段内，反应非常剧烈，酸解锅会出现可以察觉到的震动感，同时排出大量的SO2， SO3和水汽，反应经过粘稠阶段而逐渐生成多孔的蜂窝状固相物。主反应结束后，停止鼓入压缩空气，让其熟化一段时间，使其继续反应而反应得更完全，有利于提高酸解率，熟化时间过后，即通入压缩空气进行冷却，当冷却到90120即加废酸，淡钛液和自来水进行浸取，然后加铁屑还原，即得到钛液。硫酸浓度的大小对酸解反应有着很强的影响，硫酸是一种活泼的强酸，可以任何比例溶于水，同时放出大量的热，硫酸浓度对酸解反应影响较大，大于96%的硫酸比92.5%的硫酸反钛铁矿酸 解浸 取还原沉降冷却结晶浓 缩水解分离水洗漂白煅 烧后处理 98%的浓硫酸 水 铁粉 绿矾 水 废酸容液 无灰纸浆 钛白粉图1 钛白粉生产流程图应急剧，这不仅是因为将其稀释至工艺要求时放出的热量大，而且由于当浓度增大时H+离子和SO42-离子渗入钛铁矿粉表面裂缝中的几率增大。使H+ SO42-离子对的偶极作用和固体表面的在位作用加强而使钛铁矿的分解速度加快，若不采取适当的工艺手段，是很难控制其反应达到预期效果的。酸解用酸多既可提高钛液的稳定性，又可使酸解反应较完全而提高酸解率，但是用酸过多，既要增加硫酸的消耗，增大钛白粉的成本，又会增大后工序钛液水解的困难，因为水解反应式可知酸多会使水解反应可逆，偏钛酸生成粒子难，水解率降低，沉降率上升，不至于出现早期水解，同时有利于后期水解的最佳用酸量。根据酸解反应方程式计算，又要有稳定性高的硫酸钛，则按反应，这样其酸矿比是1.932:1，也即是说，1t钛铁矿要1.932t的硫酸，要是想得到稳定性差的硫酸氧钛，则要按式反应，这样其酸矿比是1.29:1，也即是说，1t钛铁矿要用1.29t的硫酸.除外，其他化合物特别是铁的氧化物也要消耗一定量的酸。一般来说，酸矿比越大，用酸越多，钛液就越稳定，酸矿比越小，用酸越少，钛液就越不稳定，从理论分析和实践应用证实，采用矿酸比在1:1.551：1 .65为最佳比值。使用硫酸的浓度和控制反应时硫酸浓度，对钛液的稳定影响很大。使用的硫酸其浓度大于96%时，酸解反应，所得到的固相物硬实，多孔性差，浸出时很难，所得钛液的稳定性会下降，当然酸解率也低，若使用的硫酸浓度小于92%则酸解的固相物不易固化，甚至呈糊状，反应不完全，浸取所得的钛液稳定性也差，还会造成沉降等净化的困难，酸解率也不高。一般使用硫酸的浓度在9296%之间为宜。反应时硫酸的浓度大于90%，则反应温度高，使反应初期的生成物在反应结束时已发生早期水解而使钛液不稳定，反应时硫酸的浓度小于85%，则反应也不好，浸取所得的钛液稳定性也差。一般控制反应时硫酸的浓度在86%90%。实践证明，使用浓度越底的硫酸，反应时稀释的浓度要偏低限；使用浓度越高的硫酸，反应时稀释的浓度要偏高限。不过使用稀酸时，由于酸解加水较少，水与硫酸作用产生的水化热少，常常要加蒸冷的方法来提高引发热，才能获得较好的酸解效果。酸解率：酸解率（%）=溶液中总钛含量/石粉中总钛含量100溶液中的可溶性钛盐总量（以下TiO2计）占所投钛铁矿中所含钛总量（以下TiO2计）之百分比，叫做酸解率。提高酸解率可以从下列7个方面提高（1）适当酸矿比：酸矿比越高，反应越完全，酸解率也越高。但过高的酸矿比硫酸单耗上升，而酸解率的提高却不显著。（2）矿粉粒度要细均匀：矿粉粒度越大，反应越慢，甚至有些粗粒不反应，而使酸解率降低，矿粉粒度不均匀也降低酸解率，因为在反应时细粒先反应，粗粒尚未反应，当增加热量至粗粒开始反应，则已反应部分可能会有早期水解。（3）反应时硫酸浓度要适当：反应时硫酸浓度太低则反应温度低，反应也不完全，酸解率低,而浓度太高，则反应发热量高会产生早期水解也使酸解率低。（4）搅拌要均匀：反应前搅拌不均匀，有未打散的矿粉团，会影响酸解率。搅拌得太猛，物料过多地溅在锅壁无法反应会影响酸解率。（5）主反应结束，继续保持高温：主反应结束立即停止吹风，以免降低反应物的温度，可以提高酸解率。（6）适当延长熟化时间：一般时间越长酸解率越高，但时间越长温度会降低，对浸取不利。（7）避免发生早期水解和出现浸不溶的固相物：发生早期水解和出现浸不溶的固相物，都会降低酸解率。熟化：酸解反应后要进行熟化，其目的是让固相物逐渐冷却，在这个冷却过程中，让一部分未酸解的矿粉继续与存在的游离酸作用，以利于提高酸解率，熟化时间长，酸解率得到提高，但是固相物温度低，浸取速度慢；熟化时间短，固相物温度高，浸取时间快，但酸解率低。一般控制在13小时，要视设备大小，投矿量多少，室温高低而定，投矿量大，熟化时间要长，投矿量少熟化时间要短。1.3.2 温度控制在整个酸解过程中温度对钛液的质量影响很大，温度上升，钛液的粘度下降，这对杂质颗粒的沉降有利，便是对钛液的稳定性却不利，因为温度过高，钛液的稳定性下降，会出现早期水解，为什么钛液要采取负压蒸发浓缩，就是因为常压蒸发温度高，钛液稳定性下降，很快就会出现早期水解，而钛液水解的临界温度为80，采用真空浓缩沸点以降低在80以下，这样既保证了水分的大量蒸发又保证了不致出现早期水解。由此可见，温度上升，钛液的稳定性下降，温度下降，对钛液的稳定性有利，一般浸取时，控制温度要小于75，净化时控制温度在（605）。在影响钛液稳定性的三个因素中，温度酸度浓度，较低温度和较弱酸度下，浓度大含水少，钛液较稳定；浓度小含水多，钛液稳定性差。但是在温度高，酸度大的情况下，钛液浓度的大小对影响钛液的稳定性就居次要地位了。同样酸度也一样，在80以下，钛液的稳定性随酸度的增大而提高，但是在80以上甚至更高的温度下，酸度偏大的钛液也不稳定，也能进行水解而生成偏钛酸，只不过是酸度大，水解将受到一定程度的抑制，甚至难于水解，水解得的偏钛酸粒子偏细，水解率也低。当然酸度很大的话，那不是抑制水解的问题了，而是反应可逆，生成的偏钛酸被溶解的问题。酸解反应的温度的控制 钛铁矿粉与硫酸的分解反应，本身会放出大量的热。TiO2+H2SO4=TiOSO4+H2O+24.41KJFeO+H2SO4=FeSO4+H2O+121.22KJFe2O2+3H2SO4=Fe2（SO4）3+3H2O+141.28KJ一般情况下，开始时物料需要适当加热以引发酸解反应，这种引发热，常常是在加稀释的废酸水时，由于水与浓酸作用而产生一定量的热，若产生的这些热，尚未达到引发热的要求，则要外加蒸汽加热；若这些热已足以达到引发热的温度，就不必再加热。一般来说，温度越高，反应越剧列，也越完全，酸解率也越高，但是酸解反应是放热反应，当引发反应开始时便放出大量的热，使反应的温度迅速上升，短时间内达到200以上。要是事先估计不足，加热过多，物料温度过高例如130，则会使主反应来得过早，不仅会使反应过于猛烈而发生冒锅或早期水解的现象还使酸解率降低，甚至生成的固相物难于浸取加温，温度过低，例如60，则引发主反应的时间长，反应不剧烈，容易生成难溶性的固相物，酸解率也低。1.3.3 水控制钛液的稳定性，钛液稳定性差对钛白粉的不良影响，稳定性又称稳定度，就是在钛白粉生产中，钛液在条件变化的情况下，有发生早期水解而析出白色胶体粒子的倾向这种倾向的强弱程度叫做钛液的稳定度。表示这种倾向强弱的特性叫做钛液的稳定性，钛液的稳定性是以每毫升钛液用25的蒸馏水稀释到刚出现白色浑浊时，所需要蒸馏水的毫升数来表示。稳定性（K）= 用水总毫升数/浓钛液毫升数稳定性是衡量钛液质量好坏的重要指标，一般颜料级钛液的稳定性控制在K350，要是出现K350的稳定性差的钛液，则会对钛白粉生产带来下列不良的影响。K 350的钛液容易出现早期水解而生成胶体微粒悬乎于钛液中，造成沉降过滤的困难，以至影响到产量的提高。K 350的钛液产生含胶体微粒，最终要跟再残渣一起沉降而被除掉，使钛的回收率降低K 350的钛液属于非颜料级钛液，只能生产出低档的搪瓷级钛白粉，这种钛白粉价格较低。K 350的钛液到后期水解所生成的偏钛酸粒子较小,容易造成水洗穿滤、流失直到煅烧时从烟囱飘散，使回收率降低。这种钛液本身就已经产生早期水解而生成胶体微粒，这种胶体微粒极容易穿过滤层，而存在钛液中到后期水解时，成为结晶中心，使水解得到的偏钛酸粒子大小不均匀，容易吸附较多的杂质，不仅使水洗时间延长而影响产量，还使产品带色影响白度，同时不规则的小颗粒多，还会造成煅烧时容易烧结，而使产品的白度，消色力和分散性能降低，影响到产品的质量。影响钛液的稳定性因素（1）从酸解的方程式FeTiO3+3H2SO4=Ti（SO4）2+FeSO4+3H2O FeTiO3+2H2SO4=TiOSO4+FeSO4+2H2O 可知，在相同的钛铁矿下，式用酸多，得到的是稳定的硫酸钛，而式用酸少得到的是不稳定的硫酸氧钛，说明酸解时用酸少得到的是不稳定的硫酸氧钛，说明酸解时用酸多对提高钛液的稳定性有好处。钛液水解的主要反应化学方程式如下：Ti（SO4）2+H2O=TiOSO4+H2SO4Q TiOSO4+2H2O=TiO（OH）2 +H2SO4Q TiOSO4+3H2O=TiO（OH）4 +H2SO4Q 从反应式看，三个水解反应都生成新硫酸，说明钛液中酸多会使水解反应可逆，可以抑制早期的发生，所以酸解时，用酸较多或浸取时加废酸较多，使钛液中含酸浓度增大，对提高钛液的稳定性有好处。（2）从水解的反应式可知，水是反应物，按化学反应规律，增加反应物会使反应向右进行，增加水就增加了反应物，就有利于水解的进行，而使钛液不稳定，说明水多没好处。从两反应式比较可知，在同等的硫酸氧钛的情况下，式加水多，式在冷的条件下也能发生水解反应，由此可见，在相同的条件下，钛液中水多其稳定性就差。（3）从三个水解反应式可知，钛液的水解是吸热反应，因此加热使反应向右进行，会促使钛液发生早期水解而使钛液不稳定。由实验可知，同是1ml钛液在12其K=500，在25其K=400，在65其K=200，在100其K=0。由此可见，温度上升，钛液的稳定性下降，加热对钛液稳定性差的主要原因是：酸少、水多、加热。那么要提高钛液的稳定性就必须针对钛液的酸度、浓度、温度这三个主要因素进行分析，研究钛液的浓度怎样影响钛液的稳定性？水较少、钛液的TiO2浓度高，溶液不容易析出胶体颗粒，稳定性较好，而水太多，浸取的浓度太低，则钛液不稳定，容易发生早期水解，同时对后期水解产物偏钛酸的颗粒大水和结构也会产生不良影响，还会增加浓缩的工作量，为此在加水浸取时，必须严格控制，相对密度一般控制在1.4981.547，也即是总TiO2含量要120g/L。为了减少水分在将钛液冷冻结晶时，除去大部分的总TiO2浓度得到提高，有得于钛液稳定性的提高。为了减少水分，还必须将钛液进行浓缩使其继续除去一部分水，使总钛含量为（2005）g/ L，以利钛液浓度增大，稳定性提高和后期水解时制出具有优越颜料性能的钛白粉。1.3.4 铁的控制铁在钛铁矿中以二价和三价两种不同状态存在，因此在浸取的钛液中既有硫酸亚铁FeSO4，又有硫酸高铁Fe2（SO4）3这两种铁盐在一定条件下会发生水解而生成沉淀，其水解反应方程式如下：FeSO4+2H2O=Fe（OH）2+H2SO4Fe2（SO4）3+6H2O=2Fe（OH）3+3H2SO4上述两个反应只有在达到一定PH值时才发生FeSO4在酸性溶液中是稳定的，只是在PH值大于6.5时才开始保持溶解状态，待到偏钛酸洗涤时得以除去。而硫酸铁在溶液中的危害性比较大，因为它在PH为1.5的酸性溶液中，即开始水解，生成氢氧化铁沉淀。在偏钛酸洗涤时当PH达到1.5就会生成氢氧化铁沉淀混杂在偏钛酸中，待到煅烧时即变成红棕色的三氧化铁混在产品中，而影响到钛白粉的白度。为了防止这种现象的发生，在钛液中就不允许有三价铁的存在，因此必须把三价铁还原成二价铁。铁屑是一种廉价的还原剂，加铁屑的目的主要是将钛液中的三价铁还原成二价铁，其反应的化学方程式如下：Fe2（SO4）3+Fe =3FeSO4究竟还原到什么状态才算将三价铁还原完毕呢，钛液中高价态的有三价铁和四价钛，由于三价铁的被还原势大于四价钛的被还原势，必须将三价铁全部还原完毕，才轮到四价钛的被还原，也即是说，当钛液中出现有三价钛，即说明钛液中已经没有三价铁了，三价铁已全部还原成二价铁了。其四价钛还原为三价钛的反应方程式如下：2TiOSO4+Fe+2H2SO4=Ti2（SO4）3+FeSO4+2H2OTi（SO4）2+Fe=Ti（SO4）3+FeSO4但是钛液中却需要保持一定量的三价钛，因为在生产过程中钛液经常遇到与空气接触或以压缩空气搅拌等氧化条件，要是没有三价钛的存在，则二价铁就很容易被氧化为三价铁。由于三价钛的被氧化势大于二价铁的被氧化势，有氧化条件的话，其必然先将三价钛全部氧化完毕，才轮到二价铁的被氧化，因此在钛液中保持有一定量的三价钛，就可以保证二价铁不被氧化。过多的三价钛存在是不利的。因为在水解时，三价钛不会水解生成偏钛酸沉淀而留在母液进入废酸里,若废酸不加以回收利用，则造成钛的损失过多的三价铁的存在有影响钛液的稳定性，钛铁矿中三价铁含量高，其酸解浸取所得的钛液其稳定性差一些，原因之一是三价铁含量高，其酸解反应放出的热量就大，温度就高反应就激烈，有时甚至出现冒锅现象，这样就极容易出现早期水解而使钛液不稳定；原因之二是三价铁含量高，酸解反应本身就需要多消耗硫酸，况且制得的钛液需要很多铁屑去将三价铁还原成二价的硫酸铁，而多消耗铁屑还原也需要多消耗硫酸，这些消耗的硫酸属于无效酸。在定量的酸中无效酸多了，相对来说有效酸就少了，也即是游离酸少了，这样钛液的稳定性就会下降。1.4 浸取根据影响钛液稳定性的酸，水、热的关系，在钛铁矿与硫酸进行酸解以后，对固相物进行浸取时，一开始溶易浓度低，酸度小，温度高，易发生早期水解，即易由其热敏性而生胶体物。或一开始加水大，刚加到固相物表面的那部分含钛少，局部达到稀释而发生早期水解。为了防止发生这种缺陷，应先加入大流量的回收废酸和洗残渣洗硫酸亚铁的稀钛液，使其增加酸度，同时加入大流量的水，并加大冲气，加快浸取，要是加浸取水的速度太慢太少，则浸取初期的温度太高，使得钛液的稳定性下降，亦容易发生早期水解。因此要严格控制浸取时的温度，酸度和浓度。尽量避免钛液发生早期水解以免影响钛液沉降，净化和后期的水解，水洗进而造成钛白粉产量和质量的降低。影响浸取有下列因素（1）固相物的多孔性：若固相物为多孔的，则遇水易渗入微孔内部，接触面大，极易溶解，若固相物硬实，多孔性差，则难于浸取。（2）固相物的温度：固相物温度高有利浸取，但是80，易使钛液稳定性变差，甚至发生早期水解。（3）浸取的浓度：浸取的浓度越高，则浸取越慢，但浓度不能过低，过低会发生早期水解，会增加浓缩的工作量，甚至对水解产物偏钛酸的结构产生不良影响。（4）是否发生早期水解：固相物如有不同程度的早期水解，浸取时就有大量僵块溶化不掉，影响浸取速度。（5）加浸取水的速度：加浸取水的速度要与固相物的溶解速度相适应。一般来说设备大，加水要快，设备小，加水要慢。在浸取固相物时会出现难浸取的固相物，出现难浸取固相物的原因大到有下列8方面：（1）酸解时吹入的压缩空气湿度过大，或酸解中过多冷凝水返回酸解锅里。（2）酸解用酸浓度过低，用酸量过少，加水较少，与硫酸作用产生的的水化热少，加温温度过低引发生反应的时间长，反应过于缓和不完全，所得到的固相物坚实不易浸取。（3）硫酸浓度过高，酸解加水较多，产生水化热多，或加温温度过高，主反应来得太早，反应温度猛烈上升，不仅容易冒锅而且所得固相物硬实，也难于浸取。（4）助冷的时间过短，固相物温度过高就浸取结果会形式硬壳，产生不溶性的钛化物和铁的碱式化合物。（5）冲气搅拌不当，或鼓入的压缩空气压力较小，或压力管较小，特别在固化期间，反应物行将凝固之际，向粘稠的反应物吹入的空气流入不够强烈，生成的固相物不够硫松多孔，甚至紧密坚实无孔，酸性水就很难浸入而使固相物难溶。（6）在浸取时浸取的时间不足，或鼓入的空气压力太小，搅拌强度不够，或过早加铁屑，三价钛过早达到要求而不得不过早放料，都使固相物溶解不完。（7）酸解锅出现少量固相物而不进行清锅，影响到下一锅的搅拌，结果固相物越积越多。（8）钛铁矿中含硅，铝的沙、泥多、酸解产生硅酸铝酸盐胶质多，胶粘着固相物使固相物难于溶解。由于条件变化或操作不当。常意外地出现一些固相物，若把固相物丢掉，则会影响回收率，为此必须加以处理。处理的办法：（1）若固相物较少，可将其取出来捣碎，再在下一锅酸解后加下去，让其一起加热，然后与下一锅一起浸取；（2）若固相物较多，则要再加适量的废酸和水并加热，加压缩空气搅拌，让其溶解，然后将这些再浸放到淡钛液槽去进行回收利用。2 I/O设备和PLC 选择2.1 I/O设备2.1.1 开关量I/O模块PLC最擅长的控制就是开关顺序控制，在工业领域中，大多数的控制也是开关量控制，因此I/O模块是最常用的模块。通过开关量I/O模块（也有人称数字量I/O模块）的产品分为3种类型：输入模块、输出模块以及输入/输出模块。（1）开关量输入模块为了保证PLC的工作可靠性，在输入模块中都采用提高可靠性的技术措施。如光电隔离、输入保护（浪涌吸收器、旁路二极管、限流电阻）、高频滤波、输入数据缓冲器等。在工作时，对输入端的要求很简单，只需提供开关触点（有源触点或无源触点）就可以了，通常若干个输入信号（例如8个或16个端子）共用接线（COM端）。当PLC工作时，输入信号经过I/O模块就进入了输入映像区。模块上对应着每一个端子都有一个LED进行指示。输入信号的电源可以由PLC提供，也可以由用户自己供给，但是必须要注意外供电源一般不要与PLC电源共地，此外还必须注意输入电压的等级因不同的模块而各不相同，不可接错。（2）输出模块由于PLC要控制的对象多种多样，因此输出模块也应根据负载而进行选择，有直流输出模块，交流输出模块。另外按照输出开关器件种类的不同又可以分为3种形式：一种是继电器输出型。CPU输出时接通或断开继电器的线圈，继电器的触点闭合或断开，通过继电器触点控制外电路的通断；另一种是晶体管输出型，通过光耦合使开关晶体管截止或饱和导通以控制外部电路；第三种是双向晶闸管输出型，采用的是光触发型双向晶闸管。同样，在输出模块上，对应于每个输出线端子都有一个LED以显示输出状态。输出逻辑“1”时，LED发亮，反之不亮。在以上PLC的3种输出方式中，从输出响应速度来看，晶体管输出型最快，继电器输出型最差，晶闸管输出型居中；若从与外部电路安全隔离的角度来看，继电器输出型最好。因此在实际使用时，细查看开关量I/O模块的技术特性，按照自己实际情况进行选择。选择时应注意以下几点：（1）现场输出信号负载回路的供电情况。例如控制现场中需要有4路输出信号，但是由于每路所用的负载电源不同，因此可选择8点继电器输出型模块，选用别的输出模块会增加模块的数量，影响性能/价格比。（2）继电器输出型是属于交直流模块，它的额定负载电压范围较宽，继电器触点的容量与负载电压有关，电压越高，触点容量越低。（3）晶体管输出型是属于直流输出模块，通常设有反极保护措施，输出具有短路保护功能，常用于驱动直流接触器和电磁阀。（4）晶闸管输出型是属于交流输出模块，常用于驱动交流触器、交流电磁阀、电机启动等。OMRON COM1 I/O输入和输出模块见表12.1.2 模拟量I/O模块在工业控制过程中，除了大量的开关量控制以外，还有许多模拟量控制，例如对电压、电流、温度、压力、流量的控制。有时，在同一个控制系统中既要对开关量控制还要对某些模拟量进行控制。因此为适应生产实际的要求，PLC各生产厂家纷纷推出了各种专用的模拟量输入模块和模拟量输出模块。模拟量I/O模块的主要功能就是完成模数（A/D）转换，一般都自带CPU和存储器，只要PLC一上电，PLC主控模块就将控制字装入其内部存储器中，模拟量I/O模块进行操作。一般来讲模拟量I/O模块提供有一定数量的I/O点，可供用户使用.（1） 模拟量输入模块（A/D模块）模块量输入模块的基本功能就是将输入PLC的外部模拟量转换为PLC所需的数字量，以供给主控模块进行数据处理和控制。模拟量输入模块一般有2路、4路、8路等规格，每路输入信号都要经过前置放大、多路选择开关、模/数转换、光电隔离等环节最终送入到锁存缓冲器。当PLC程序扫描执行读模拟量指令时，由程序指定的输入通道中的模拟量就被采样，经A/D转换后送至指定的存储区域或寄存器。模拟量输入模块的输入信号可以是电压或电流。其范围因不同的模块而不同，一般可分为：05V、15V、-1010V、020mA、420mA、-2020mA等档次。为了防止工业现场中的干扰，传感器与模拟量I/O模块连接线应采用带屏蔽的线，并将屏蔽线的外层与模块中的有关端点（如OD212的FG点）相连，以达到屏蔽干扰的效果。表1 OMRON CAMI I/O模块名 称型 号规 格输入模块直流输入模块CQM-ID2118点，1224V DC（单独通用）CQM-ID21216点，24V DCCQM-ID21332点，24 V DC交流输入模块CQM-IA1218点，100120V DCCQM-IA2218点200240V DC输出模块继电器输出模块CQM-OC2218点，2A（单独通用）CQM-OC22216点，2A（每单元8A）晶体管输出模块CQM-OD2118点，2A（每单元5A ）CQM-OD21216点，0.3ACQM-OD21332点，0.1ACQM-OD21416点，0.3A，PNP输出CQM-OD2158点，01A（4A/单元），PNP输出，带短路保护。交流输出模块CQM-OA2218点，0.4A （2）模拟量输出模块（D/A模块）模拟量输出模块的功能刚好与模拟量输入模块的功能相反。它是将PLC处理后的数字量转换为可用于模拟量控制的模拟量输出信号。然后通过工业现场的有关执行部件进行调节控制。输出的模拟量有2路、4路等规格。模拟量输出模块由锁存缓冲器、多路选择开关、光电隔离、数模转换和驱动电路所组成。当PLC程序执行到输出模拟量指令时，由程序指定的通道中的数字量经D/A转换后，从PLC接线端子送出。输出的模拟信号可分为电压和电流两种形式，其范围为：05V、15V、-1010V、020mA、420mA、-2020mA等。模拟量I/O模块的特性表见表2表2 OMRON CQM1模拟量I/O模块名 称型 号规 格模拟输入单元CQM1AD041模拟输入：4点模拟输出单元CQM1AD021模拟输出：2点2.1.3 智能模块模块化后的PLC除了主控模块外，还配备各种专用的、高级的智能模块，以适应现代工业大型系统的快速、复杂的控制和管理的要求。常用的有：温度控制模块、高速计数模块、位置控制模块以及用于联网通信的LINK模块等。以下简要介绍几种模块。（1）温度控制模块温度控制模块可以直接与热电偶、铂电阻等温度检测元件相连，接受来自温度传感器的信号。温度控制模块实际上就相当于温度变送器和A/D转换器，将生产现场的温度信号值传送给PLC，经PLC处理后，通过模拟量输出模块，这样就可以实现温度的自动控制。OMRON 公司的温度控制模块C200HTS001/TS101的主要技术参数见表3。表3 温度模块的重要技术参数项 目说 明类 型TS001配置K型或J型热电偶TS101配置Pt100热电阴测温点数每个模块4点（可选择1、2或4）输出代码4位BCD码转换时间每点1.2sPLC时间转换时间加一个扫描周期（2）高速计数模块为了提高计数的速度，PLC生产厂家又推出了高速计数模块。高速计数模块可接受高达50kHz的输入信号，它可以不受PLC扫描速度的限制，专门用来监视和控制一些高速和控制一些高速的控制过程变更，如速度、位置、流量等，OMRON高速计数模块的主要性能见表4。2.2 PLC模块选取的基本原则PLC是一种通用型的工业控制设备，PLC控制系统的规模、模块的划分、功能的设置都是面向各种各样的应用。在市场上PLC的产品多达几十个系列、几百种型号。这样，一方面为用户提供了很大的自由选择的空间，但同时也给一般的用户带来了烦恼，面对着众多的PLC产品，不知从何下手。这里介绍的PLC的基本原则和方法，可以为用户进行合理的硬件系统配置组成经济实用的PLC系统提供方便。表4 OMRON高速计数模块型 号性 能C200H-CT001-V1脉冲输入1轴 计数速度50kC/s以下C200H-CT002脉冲输入1轴 计数速度75kC/s以下C200H-CT021脉冲输入1轴 计数速度75kC/s以下进行PLC硬件系统的配置时，首先遇到的就是如何选择PLC机型。目前市面上有两种结构的PLC：整体式和模块式。对于简单的PLC控制，为经济起见往往选择整体式，但是多数情况下还是选择模块式结构。这里将要介绍的是模块式PLC的各个模块的选择和配置。2.2.1 主控模块的选择在进行主控模块的选择之前，首先应对被控对象和生产过程的生产工艺及PLC的工作环境有足够的了解，明确控制要求，确定控制输入、输出点数和性质（开关量还是模拟量，这些控制点是集中分布还是分散分布，PLC控制系统是否需要与其他信息处理网相连）等，然后才能针对具体的实际情况选择PLC的主控模块。（1）以开关量为主，只有少量的模拟量的控制，可以考虑采用小容量、高性能的PLC，如：西门子公司的S7-200系列机或OMRON公司的CQM1。（2）对于比较复杂的控制系统，开关量数目较多，对模拟量的要求也较高，并且要求较快的响应速度。此时就可以考虑选用较高档的PLC，如西门子S7-300或S7-400。在选择型号时应详细阅读S7-300或S7-400CPU的主要性能表，选择能满足生产要求的某一型号的主模专。（3）对于控制要求很复杂，控制点数多并且分布较分散，不仅要进行快速的实时处理和控制，而且还要求PLC构成多级分布式PLC控制系统。例如可选择高档工业控制计算机作为组织管理级，S7-300或S7-400作为监控级，S7-200作为执行级，通过工业以太网、现场控制总线、PPI通信协议进行联网，从而实现某个工厂或局部地域的生产自动化。此外在选择主控模块时，还必须考虑用户程序存储器的容量。存储器的容量与输入/输出点数、数据处理的数量、程序的复杂程序度等因素有关。事先不可能精确地计算出，只能做大概地估算，然后按照估算出的容量再留有10%的备用量。根据上述的分析、计算后再选取相应的存储器。如果需要通信联网，则还必须考虑主控模块的通信联网的功能，在主控模块上需要有几个通信口、是什么样的通信口（RS-232、RS-485）、有没有外围设备接口等等。2.2.2 开关量I/O模块的选择开关量I/O模块的不同，直接关系到I/O点数的多少，对PLC的应用范围会产生影响，选择时主要考虑点数、外部电路的性质和结构、电压的形式和范围等。（1）开关量输入模块的选择 输入模块的电压应尽可能与现场有源输入设备一致，这样可免去转换的麻烦。如果是无源输入信号例如按钮、行程开关等，可以根据现场与PLC的距离远近来选择电压的高低。例如：一般5V的输入不要超过10m，如果现场的工作环境恶劣、干扰较强或者PLC离生产现场距离较远，通常要考虑选用较高的电压，以提高抗干扰能力和减少长距离传输的影响。（2）开关量输出模块的选择 输出模块所起的作用是将PLC内部低电平的控制信号隔离、转换为外部所需的输出信号，以驱动PLC的外部负载。在选择时应考虑：模块与外部接线的方式:从模块的外部接线的方式来分，有共点式、分组式和隔离式，如果输出的信号不需要隔离，应优先考虑选择前两种，因为隔离式的价格较高。输出电压（电流）:输出的最高额定电压（电流）应大于负载的电压（电流），如果考虑到启停电容性或电感性负载时会产生的冲击电压（电流），还应该留有足够余地。要考虑外部输出点同时接通的影响:在选取模块时，不应只考虑一个输出点的驱动能力，还需考虑公共点允许的电流值。根据实际工作现场情况合理选择继电器输出、晶体管输出或晶闸管输出。2.2.3 模拟量I/O模块的选择（1）模拟量输入模块的选择 在选取模拟量输入模块时，应考虑如下一些情况：合理选择电压型或电流型:一般情况下，电流型的抗干扰能力好于电压型，模块的输入有效范围越大，其适应的能力也就越强，但其绝对误差