專利名稱：氯化鈦白氧化反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制備氯化鈦白的反應(yīng)器，尤其涉及制備氯化鈦白的燃燒反應(yīng)器。
鈦白粉是一種與現(xiàn)代生活關(guān)系極為密切的重要化工原料，主要應(yīng)用于涂料、塑料和造紙等領(lǐng)域，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到重要促進(jìn)作用。1994年，全球鈦白粉的消費(fèi)量為306萬噸；1997年，全球鈦白粉的消費(fèi)量達(dá)到359.6萬噸；預(yù)計(jì)2000年的消費(fèi)量將突破420萬噸，消耗額將超過80億美元。鈦白粉消耗量是衡量一個(gè)國(guó)家國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的一個(gè)重要指標(biāo)。
氯化鈦白制備過程包括高鈦渣氯化、粗四氯化鈦精制、四氯化鈦氧化和二氧化鈦包膜四大過程，其中四氯化鈦氧化是制備高檔金紅石鈦白粉的關(guān)鍵，氧化反應(yīng)器則是其中的核心設(shè)備。為此，眾多的專利公開了各自的技術(shù)，如專利(USP2653078、USP3068281和BP535214)公開了一種輔助燃燒反應(yīng)器，專利(USP3540853、USP3582278)公開了一種預(yù)燃燒反應(yīng)器，專利(USP3429665)披露了一種等離子體加熱的反應(yīng)器。
預(yù)燃燒式氧化反應(yīng)器主要由燃燒區(qū)、混合區(qū)和反應(yīng)區(qū)三部分構(gòu)成，混合區(qū)是氧化反應(yīng)器的關(guān)鍵部位，對(duì)最終鈦白粉的品質(zhì)和規(guī)格起到?jīng)Q定性作用。混合區(qū)由四氯化鈦加料環(huán)組成，為了防止反應(yīng)器內(nèi)壁結(jié)疤，可以在四氯化鈦進(jìn)料環(huán)的上方設(shè)置清洗環(huán)和在其下游的設(shè)置氣膜保護(hù)環(huán)。從燃燒區(qū)來的含氧熱氣流均勻地流入混合區(qū)，四氯化鈦蒸汽經(jīng)過加料環(huán)，以射流的方式高速噴入高溫氧氣流中快速混合，經(jīng)反應(yīng)和成核生產(chǎn)金紅石型二氧化鈦。
四氯化鈦高溫氣相氧化為極快速反應(yīng)，混合為該過程的控制因素?；旌峡欤旌蠀^(qū)短，產(chǎn)品質(zhì)量就高。為獲得良好的混合效果，四氯化鈦進(jìn)料環(huán)的結(jié)構(gòu)非常重要。美國(guó)專利USP3540853和USP3582278報(bào)道了一種進(jìn)料環(huán)，該進(jìn)料環(huán)通過均勻小孔，分割四氯化鈦高溫蒸汽，實(shí)現(xiàn)高溫氧氣與四氯化鈦的混合。專利SP1286760和USP3615202報(bào)道了采用狹峰射流，實(shí)現(xiàn)高溫氧氣與四氯化鈦的混合。在實(shí)際應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，上述專利公開的技術(shù)存在著較大的缺陷四氯化鈦在進(jìn)料環(huán)內(nèi)的流動(dòng)為變質(zhì)量流動(dòng)，環(huán)內(nèi)不同區(qū)域的壓力存在很大的不均勻性，導(dǎo)致不同周向位置的射流速度存在較大差異。另一方面采用環(huán)隙射流和均勻等尺寸開孔射流混合時(shí)，由于相鄰區(qū)域射流的動(dòng)量相近，射流的穿透距離也相近，比較難于保證四氯化鈦在整個(gè)反應(yīng)器的橫向截面與高溫氧氣混合均勻。
本發(fā)明的目的在于提供一種具有變截面整流環(huán)和四氯化鈦復(fù)合射流孔的氯化鈦白氧化反應(yīng)器，以克服現(xiàn)有技術(shù)射流速度存在較大差異和整個(gè)反應(yīng)器的橫向截面與高溫氧氣混合不均勻的缺陷。
本發(fā)明的構(gòu)思是這樣的本發(fā)明針對(duì)氧化反應(yīng)器內(nèi)流體均布，研究了環(huán)型通道內(nèi)變質(zhì)量流動(dòng)的壓強(qiáng)分布規(guī)律和園形平面內(nèi)二維變質(zhì)量流動(dòng)的壓強(qiáng)分布規(guī)律，探明混合區(qū)的幾何形狀、氣體入口的形式、氣體入口速度對(duì)混合影響的基礎(chǔ)上提出如下設(shè)想(1)四氯化鈦進(jìn)料環(huán)上設(shè)置不等徑或不同結(jié)構(gòu)的射流孔，并使其相間排列，從而調(diào)整四氯化鈦進(jìn)料環(huán)各射流的動(dòng)量比，使相鄰兩個(gè)或多個(gè)射流孔射流的噴射距離不同，通過相鄰的兩個(gè)或多個(gè)射流孔射流的速度適當(dāng)搭配，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)物料的快速混合；(2)在四氯化鈦進(jìn)料環(huán)中設(shè)置一個(gè)整流環(huán)，對(duì)四氯化鈦進(jìn)料環(huán)內(nèi)氣體流動(dòng)進(jìn)行整流，使切向流動(dòng)減慢，壓力分布趨于均勻。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明所說的反應(yīng)器包括燃燒段、混合段和反應(yīng)段；所說的混合段包括進(jìn)料環(huán)和射流環(huán)，射流環(huán)設(shè)置在進(jìn)料環(huán)內(nèi)，進(jìn)料環(huán)和射流環(huán)之間形成一環(huán)道，進(jìn)料環(huán)上設(shè)有四氯化鈦蒸汽入口；為調(diào)整高溫氧氣和四氯化鈦蒸汽的動(dòng)量比，射流環(huán)上設(shè)有直徑不同或/和結(jié)構(gòu)不同且相間排列的射流孔，以使相鄰兩個(gè)或多個(gè)射流孔射流的穿透距離不同，通過相鄰兩個(gè)或多個(gè)小孔射流動(dòng)量的適當(dāng)配合，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)物料的快速混合，小射流孔和大射流孔的面積比為0.1-0.9，小射流孔總面積和大射流孔總面積比為0.1-10；所說的結(jié)構(gòu)不同，即射流孔的軸線可以垂直于反應(yīng)器中心軸，也可以與中心軸存在一定的夾角；為了控制混合區(qū)的壁溫，在環(huán)道與混合區(qū)之間可設(shè)置一冷卻介質(zhì)環(huán)道，該冷卻介質(zhì)環(huán)道與冷卻環(huán)道冷卻介質(zhì)入口和冷卻環(huán)道冷卻介質(zhì)出口相連通；
為了防止反應(yīng)器內(nèi)壁結(jié)疤，可以在進(jìn)料環(huán)的上方設(shè)置清洗環(huán)和在其下方設(shè)置氣膜保護(hù)環(huán)，前清洗環(huán)設(shè)有前清洗環(huán)氣體入口，后氣膜保護(hù)環(huán)設(shè)有后氣膜保護(hù)環(huán)氣體入口，用于補(bǔ)充氣膜保護(hù)等所用的氣體，如氯氣等，根據(jù)工藝要求，也可以不設(shè)置前清洗環(huán)和后氣膜保護(hù)環(huán)；燃燒介質(zhì)和霧化介質(zhì)入口設(shè)置在燃燒段的上端，氧氣入口可設(shè)置在燃燒段的頂端或上部；所說的反應(yīng)段設(shè)有冷卻夾套、反應(yīng)段冷卻介質(zhì)入口和反應(yīng)段冷卻介質(zhì)出口，用于通入冷卻介質(zhì)以控制反應(yīng)器壁溫以及反應(yīng)溫度；燃燒段、前清洗環(huán)、混合段、后氣膜保護(hù)環(huán)和反應(yīng)段依次相連接，即構(gòu)成所說的氯化鈦白氧化反應(yīng)器。
為使進(jìn)料環(huán)內(nèi)氣體切向流動(dòng)減慢，壓力分布趨于均勻，可進(jìn)一步設(shè)置一具有小孔的整流環(huán)。所說的整流環(huán)設(shè)置在進(jìn)料環(huán)與射流環(huán)之間的環(huán)道中，整流環(huán)與進(jìn)料之間形成外環(huán)道，整流環(huán)與射流環(huán)之間形成內(nèi)環(huán)道。四氯化鈦進(jìn)口與外環(huán)道相連通，內(nèi)、外環(huán)道通過整流環(huán)上的小孔連通，整流環(huán)內(nèi)環(huán)道通過射流孔與混合區(qū)相連通。整流環(huán)相當(dāng)于一個(gè)氣體流動(dòng)阻力部件，它具有整流和調(diào)節(jié)壓強(qiáng)的作用，整流環(huán)將原來的單元環(huán)道分割成內(nèi)環(huán)道和外環(huán)道，從而使氣體由原來的一次分布改變?yōu)閮纱畏植?，使?nèi)環(huán)道壓力分布趨于均勻，為了減少整流環(huán)的流動(dòng)阻力，提高整流環(huán)效果，整流環(huán)上小孔的直徑為1-10mm，如果開孔直徑小，整流環(huán)加工的工作量較大，如果開孔太大則起不到整流作用，開孔率為5-50％；操作時(shí)，燃燒介質(zhì)、霧化介質(zhì)和氧氣分別由設(shè)置在燃燒段上的入口進(jìn)入燃燒段，燃燒生成高溫氣流；四氯化鈦蒸汽由四氯化鈦入口進(jìn)入外環(huán)道，通過整流環(huán)上小孔進(jìn)入內(nèi)環(huán)道，然后通過射流孔進(jìn)入混合區(qū)，與來自燃燒段的高溫氣流混合反應(yīng)；氯氣可由前清洗環(huán)氣體入口和后氣膜保護(hù)環(huán)氣體入口進(jìn)入反應(yīng)器；反應(yīng)后的氣體由反應(yīng)段的下端流出反應(yīng)器。反應(yīng)段冷卻介質(zhì)由反應(yīng)段冷卻介質(zhì)入口進(jìn)入夾套，以調(diào)節(jié)反應(yīng)過程的溫度和反應(yīng)器壁溫。
以下將通過附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。


圖1為反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為混合段結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為圖2中A-A向示意圖。
圖4為具有整流環(huán)的混合段結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5為圖4中B-B向示意圖。
圖6為反應(yīng)器內(nèi)不同截面的徑向相對(duì)濃度分布圖。
由圖1、圖2和圖3可見，本發(fā)明所說的反應(yīng)器包括燃燒段8、前清洗環(huán)11、混合段7、后氣膜保護(hù)環(huán)14和反應(yīng)段1；所說的混合段7包括進(jìn)料環(huán)13和射流環(huán)19，射流環(huán)19設(shè)置在進(jìn)料環(huán)13內(nèi)，進(jìn)料環(huán)13和射流環(huán)19之間形成一環(huán)道25，進(jìn)料環(huán)13上設(shè)有四氯化鈦蒸汽入口4；所說的射流環(huán)19上設(shè)有直徑不同或/和結(jié)構(gòu)不同且相間排列的射流孔20，小射流孔和大射流孔的面積比為0.1-0.9，小射流孔總面積和大射流孔面積總面積比為0.1-10，射流孔20的軸線可以垂直于反應(yīng)器中心軸，也可以與中心軸存在一夾角；在環(huán)道25與混合區(qū)24之間可設(shè)置冷卻介質(zhì)環(huán)道21，該冷卻介質(zhì)環(huán)道21與冷卻環(huán)道冷卻介質(zhì)入口5和冷卻環(huán)道冷卻介質(zhì)出口12相連通；在進(jìn)料環(huán)13的上方設(shè)置清洗環(huán)11和在其下方設(shè)置氣膜保護(hù)環(huán)14，清洗環(huán)11設(shè)有清洗環(huán)氣體入口6，氣膜保護(hù)環(huán)14設(shè)有氣膜保護(hù)環(huán)氣體入口3，根據(jù)工藝要求，也可以不設(shè)置清洗環(huán)11和氣膜保護(hù)環(huán)14；燃燒介質(zhì)和霧化介質(zhì)入口10設(shè)置在燃燒段8的上端，氧氣入口9可設(shè)置在燃燒段8的頂端或上部；所說的反應(yīng)段1設(shè)有冷卻夾套16、反應(yīng)段冷卻介質(zhì)入口2和反應(yīng)段冷卻介質(zhì)出口15；燃燒段8、清洗環(huán)11、混合段7、氣膜保護(hù)環(huán)14和反應(yīng)段1依次相連接，即構(gòu)成所說的氯化鈦白氧化反應(yīng)器。
由圖4和圖5可見，在上述反應(yīng)器混合段7的環(huán)道25中，設(shè)置一整流環(huán)18，整流環(huán)18與進(jìn)料環(huán)13形成外環(huán)道22，整流環(huán)18與射流環(huán)19形成內(nèi)環(huán)道23；四氯化鈦進(jìn)口4與外環(huán)道22相連通，外環(huán)道22通過整流環(huán)上的小孔17與內(nèi)環(huán)道23相連通，內(nèi)環(huán)道23通過射流孔20與混合區(qū)24相連通。小孔17的直徑為1-10mm，整流環(huán)18的開孔率為5-50％；整個(gè)整流環(huán)18的開孔率可以全部相同，但最好沿周向逐步變化，而不采用同一開孔率，即在某一區(qū)域其開孔率為5％，然后逐步增大，最大可增至50％，形成一種變截面的整流內(nèi)環(huán)。
操作時(shí)，燃燒介質(zhì)、霧化介質(zhì)和氧氣分別由設(shè)置在燃燒段8上的入口9、10進(jìn)入燃燒段8，燃燒生成高溫氣流；四氯化鈦由四氯化鈦入口4進(jìn)入外環(huán)道22，通過整流環(huán)18上的小孔17進(jìn)入內(nèi)環(huán)道23，然后通過射流孔20進(jìn)入混合區(qū)24，與來自燃燒段8的高溫氣流混合反應(yīng)，并進(jìn)入反應(yīng)段1；氣膜保護(hù)用的氣體可由前清洗環(huán)氣體入口6和后氣膜保護(hù)環(huán)氣體入口3進(jìn)入；反應(yīng)后的氣體由反應(yīng)段1的下端流出反應(yīng)器。反應(yīng)段冷卻介質(zhì)由反應(yīng)段冷卻介質(zhì)入口2進(jìn)入反應(yīng)段夾套16，以調(diào)節(jié)反應(yīng)過程的溫度和反應(yīng)器壁溫。
圖6描述了相同操作條件下不同反應(yīng)器內(nèi)不同截面的徑向相對(duì)濃度分布，其中，(a)為傳統(tǒng)反應(yīng)器的分布，(b)為本發(fā)明反應(yīng)器的分布。圖中，橫坐標(biāo)為無因次半徑，縱坐標(biāo)為無因次濃度，x為測(cè)試點(diǎn)距離射流孔的軸向距離。不同徑向位置時(shí)，無因次濃度趨于1時(shí)，表明四氯化鈦與高溫氧氣混合達(dá)到均勻；達(dá)到混合均勻所需軸向距離既x值越小，說明四氯化鈦與高溫氧氣的混合越快。對(duì)比圖(a)和圖(b)，可以很明顯地看出，本發(fā)明的反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)了四氯化鈦與高溫氧氣的快速混合，混合速率高于傳統(tǒng)反應(yīng)器的10倍以上。
由上述公開的技術(shù)方案可見，所說的反應(yīng)器具有如下顯著的優(yōu)點(diǎn)四氯化鈦蒸汽在進(jìn)料環(huán)內(nèi)環(huán)道流動(dòng)時(shí)壓力趨于均勻，切向流動(dòng)基本消失；而且通過射流孔大小的適當(dāng)搭配，使得四氯化鈦蒸汽與高溫氧氣實(shí)現(xiàn)了最大限度地快速混合，不但使反應(yīng)器內(nèi)宏觀反應(yīng)速率明顯提高，也使得通過該氧化反應(yīng)器制備的二氧化鈦產(chǎn)品品質(zhì)得到了提高。與傳統(tǒng)的反應(yīng)器相比，本發(fā)明的反應(yīng)器生成強(qiáng)度提高，制備的二氧化鈦產(chǎn)品粒度分布更加均勻，金紅石含量更高，產(chǎn)品的白度和消色率顯著改善。
權(quán)利要求
1.一種氯化鈦白氧化反應(yīng)器，包括燃燒段(8)、混合段(7)和反應(yīng)段(1)，燃燒段(8)、混合段(7)和反應(yīng)段(1)依次相連接，燃燒介質(zhì)和霧化介質(zhì)入口(10)設(shè)置在燃燒段(8)的一端，氧氣入口(9)設(shè)置在燃燒段(8)的頂端或上部，反應(yīng)段(1)設(shè)有冷卻夾套(16)、反應(yīng)段冷卻介質(zhì)入口(2)和反應(yīng)段冷卻介質(zhì)出口(15)，其特征在于所說的混合段(7)包括進(jìn)料環(huán)(13)和射流環(huán)(19)，射流環(huán)(19)設(shè)置在進(jìn)料環(huán)(13)內(nèi)，進(jìn)料環(huán)(13)和射流環(huán)(19)之間形成環(huán)道(25)，進(jìn)料環(huán)(13)上設(shè)有四氯化鈦蒸汽入口(4)；所說的射流環(huán)(19)上設(shè)有直徑不同或/和結(jié)構(gòu)不同且相間排列的射流孔(20)，小射流孔和大射流孔的面積比為0.1-0.9，小射流孔總面積和大射流孔總面積比為0.1-10，射流孔(20)的軸線垂直于反應(yīng)器中心軸或與中心軸存在一夾角。
2.如權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其特征在于在混合段(7)的環(huán)道(25)中，設(shè)置整流環(huán)(18)，整流環(huán)(18)與進(jìn)料環(huán)(13)形成外環(huán)道(22)，整流環(huán)(18)與射流環(huán)(19)形成內(nèi)環(huán)道(23)，四氯化鈦進(jìn)口(4)與外環(huán)道(22)相連通，外環(huán)道(22)通過整流環(huán)(18)上的小孔(17)與內(nèi)環(huán)道(23)相連通，內(nèi)環(huán)道(23)通過射流孔(20)與混合區(qū)(24)相連通，小孔(17)的直徑為1-10mm，整流環(huán)(18)的開孔率為5-50％。
3.如權(quán)利要求2所述的反應(yīng)器，其特征在于整流環(huán)(18)不同周向位置的開孔率不相同，開孔率變化范圍為5-50％。
4.如權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其特征在于在環(huán)道(25)與混合區(qū)(24)之間設(shè)置冷卻介質(zhì)環(huán)道(21)，該冷卻介質(zhì)環(huán)道(21)與冷卻環(huán)道冷卻介質(zhì)入口(5)和冷卻環(huán)道冷卻介質(zhì)出口(12)相連通。
5.如權(quán)利要求2所述的反應(yīng)器，其特征在于在內(nèi)環(huán)道(23)與混合區(qū)(24)之間設(shè)置冷卻介質(zhì)環(huán)道(21)，該冷卻介質(zhì)環(huán)道(21)與冷卻環(huán)道冷卻介質(zhì)入口(5)和冷卻環(huán)道冷卻介質(zhì)出口(12)相連通。
6.一種氯化鈦白氧化反應(yīng)器，包括燃燒段(8)、混合段(7)和反應(yīng)段(1)，燃燒段(8)、混合段(7)和反應(yīng)段(1)依次相連接，燃燒介質(zhì)和霧化介質(zhì)入口(10)設(shè)置在燃燒段(8)的一端，氧氣入口(9)設(shè)置在燃燒段(8)的頂端或上部，反應(yīng)段(1)設(shè)有冷卻夾套(16)、反應(yīng)段冷卻介質(zhì)入口(2)和反應(yīng)段冷卻介質(zhì)出口(15)，其特征在于所說的混合段(7)包括進(jìn)料環(huán)(13)、整流環(huán)(18)和射流環(huán)(19)，射流環(huán)(19)設(shè)置在進(jìn)料環(huán)(13)內(nèi)，進(jìn)料環(huán)(13)和射流環(huán)(19)之間形成環(huán)道(25)，整流環(huán)(18)設(shè)置在環(huán)道(25)中，進(jìn)料環(huán)(13)上設(shè)有四氯化鈦蒸汽入口(4)，整流環(huán)(18)與進(jìn)料環(huán)(13)形成外環(huán)道(22)，整流環(huán)(18)與射流環(huán)(19)形成內(nèi)環(huán)道(23)，四氯化鈦進(jìn)口(4)與外環(huán)道(22)相連通，外環(huán)道(22)通過整流環(huán)(18)上的小孔(17)與內(nèi)環(huán)道(23)相連通，內(nèi)環(huán)道(23)通過射流孔(20)與混合區(qū)(24)相連通，小孔(17)的直徑為1-10mm，整流環(huán)(18)的開孔率為5-50％。
7.如權(quán)利要求6所述的反應(yīng)器，其特征在于整流環(huán)(18)不同周向位置的開孔率不相同，開孔率變化范圍為5-50％。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種氯化鈦白氧化反應(yīng)器。本發(fā)明在四氯化鈦進(jìn)料環(huán)上設(shè)置不等徑或不同結(jié)構(gòu)的射流孔,并使其相間排列,從而調(diào)整四氯化鈦進(jìn)料環(huán)各射流的動(dòng)量比,實(shí)現(xiàn)反應(yīng)物料的快速混合;在四氯化鈦進(jìn)料環(huán)中設(shè)置一個(gè)整流環(huán),對(duì)四氯化鈦進(jìn)料環(huán)內(nèi)氣體流動(dòng)進(jìn)行整流,使切向流動(dòng)減慢,壓力分布趨于均勻。與傳統(tǒng)的反應(yīng)器相比,本發(fā)明的反應(yīng)器生成強(qiáng)度提高,制備的二氧化鈦產(chǎn)品粒度分布更加均勻,金紅石含量更高,產(chǎn)品的白度和消色率顯著改善。
文檔編號(hào)C01G23/07GK1277941SQ0011646
公開日2000年12月27日 申請(qǐng)日期2000年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月13日
發(fā)明者李春忠, 叢德滋, 呂志敏, 古宏晨 申請(qǐng)人:華東理工大學(xué)