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一種高速氣體反應(yīng)器及其使用方法與流程

文檔序號:12619018閱讀:394來源:國知局
一種高速氣體反應(yīng)器及其使用方法與流程

本發(fā)明涉及一種高速氣體反應(yīng)器及其使用方法,屬于流體動力學(xué)和冶金交叉領(lǐng)域。



背景技術(shù):

高溫且具有腐蝕性的氣體與另外一種氣體反應(yīng)屬于強放熱反應(yīng),兩種反應(yīng)氣體混合效果差會造成局部溫度過高,導(dǎo)致產(chǎn)品顆粒大小不均勻,嚴(yán)重時會產(chǎn)生燒結(jié)甚至結(jié)疤。并且進料操作條件控制不當(dāng),會在反應(yīng)氣體混合時產(chǎn)生回流且發(fā)生反應(yīng)形成微小顆粒,造成反應(yīng)器的射流孔堵塞。

鈦白粉是一種優(yōu)良的基礎(chǔ)工業(yè)原料,使用范圍廣泛。我國鈦白粉生產(chǎn)主要以硫酸法為主,技術(shù)也較成熟,占國內(nèi)鈦白生產(chǎn)總量的99%以上,但硫酸法生產(chǎn)鈦白技術(shù)生產(chǎn)工藝流程長、污染大、環(huán)境風(fēng)險高。氯化法生產(chǎn)鈦白以流程短、產(chǎn)品質(zhì)量高、污染小、自動化程度高等優(yōu)點而被國家列為產(chǎn)業(yè)調(diào)整指導(dǎo)鼓勵類目錄,但該產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)被國外幾家公司所掌控,且被作為技術(shù)秘密保護。國內(nèi)云南冶金新立鈦業(yè)、河南佰利聯(lián)等公司引入德國鈦康等設(shè)計公司的技術(shù),存在很多問題,尤其在氧化反應(yīng)器結(jié)疤等方面周期明顯低于國際先進水平,造成連續(xù)化生產(chǎn)周期短。

反應(yīng)物料TiCl4和O2在氧化反應(yīng)器中幾毫秒內(nèi)即完成反應(yīng),反應(yīng)速度極快,基本上是一接觸即發(fā)生反應(yīng),因此不能將物料TiCl4和O2進行預(yù)先混合,否則會堵塞管道,而須將TiCl4和O2分別通入反應(yīng)器,并在極短時間內(nèi)完成氣體的混合均勻,否則會影響TiO2顆粒粒徑分布和晶型轉(zhuǎn)化,進而導(dǎo)致燒結(jié)和結(jié)疤,影響產(chǎn)品的質(zhì)量。停留時間與物料在氧化反應(yīng)器中的流動狀態(tài)和混合情況密切相關(guān),結(jié)構(gòu)性能優(yōu)異的氧化反應(yīng)器能為氣體的流動提供良好的流動條件,使物料TiCl4和O2進入反應(yīng)器后迅速混合均勻,并穩(wěn)定均勻地流過反應(yīng)器。因此,本申請設(shè)計了一種高速氣體反應(yīng)器,通過控制射流穿透深度、射流孔孔數(shù)、孔徑、孔間距、動量通量比等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù),達到兩種氣體在0.5秒內(nèi)快速混合均勻的效果,該設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單,混合時間短、效率高,該技術(shù)方法可優(yōu)化氧化反應(yīng)器的設(shè)計,有效避免氧化反應(yīng)器結(jié)疤,對于高溫腐蝕氣體的快速混均具有重要指導(dǎo)意義。



技術(shù)實現(xiàn)要素:

本發(fā)明提供了一種高速氣體反應(yīng)器及其使用方法,該反應(yīng)器通過控制主流氣體和射流氣體的方向,實現(xiàn)初步混合,再配合控制射流氣體的射流穿透深度、射流孔孔數(shù)、孔徑、孔間距、動量通量比等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù),達到兩種氣體在極短的時間內(nèi)快速混合均勻的效果,并且不會燒結(jié)和結(jié)疤;該反應(yīng)器可以適用于產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

本發(fā)明的高速氣體反應(yīng)器包括主流管徑和其表面分布的射流孔(2),主流管徑是一根通心圓柱管,圓柱管的一頭為主流氣體入口(1),圓柱管的另一頭為混合氣體出口(3),圓柱管上距離主流氣體入口(1)1~1.5倍之間分布有多個射流孔(2)。主流氣體是指混合氣體中體積比例大的氣體,射流孔(2)通入的射流氣體是混合氣體中體積比例小的氣體。交叉射流混合中,對流擴散、湍流擴散和分子擴散同時作用于流體的混合。射流孔將TiCl4流體分割為多股射流,以對流擴散方式進入主流O2中與之混合。進而,由于湍流擴散的作用,流體形成更小尺度的氣體微團。最后通過分子擴散的作用,使流體達到微觀混合均勻的效果。該高速反應(yīng)器可以配備有可密封的外殼和/或出入口結(jié)構(gòu),外殼可以為需要的任意形狀。

所述圓柱管上距離主流氣體入口(1)一倍管徑處處沿管徑一周均勻分布有多個射流孔(2)。單排圓周分布的射流孔將TiCl4流體分割為多股射流,以對流擴散方式進入主流O2中與之混合。進而,由于湍流擴散的作用,流體形成更小尺度的氣體微團。最后通過分子擴散的作用,使流體達到微觀混合均勻的效果。這種射流孔分布結(jié)構(gòu)簡單,混合效率高,能達到最佳的混合效果。

所述多個射流孔(2)的直徑相同。

所述射流孔(2)的個數(shù)為16~32個,射流孔直徑與圓柱管徑的比例是0.05~0.02:0.12~0.05。

經(jīng)過驗算證明,孔數(shù)較多時在較大J/n2的范圍內(nèi),混合不均勻度M的值都能夠小于0.05,而孔數(shù)較少時,這個范圍也縮小(其中J為動量通量比,n為射流孔孔數(shù))。這是由于保持相同的孔間距時,孔數(shù)越多,開孔尺寸越小。孔徑較小的射流孔把徑向流入的TiCl4氣體分割為較細的射流,其與O2主流混合形成的宏觀混合尺度相應(yīng)減小,更有利于混合快速的進行。因此,直徑為0.2m的反應(yīng)管中,為了使混合更加快速均勻,射流孔孔數(shù)最少取16孔以上,并保持J/n2的值范圍為0.38~0.75。

該反應(yīng)器的使用方法是:在主流管徑的主流氣體入口(1)處通入主流氣體,進氣速度為2~6m/s,射流孔(2)通入射流氣體,進氣速度為3~25m/s,即在混合氣體出口得到混合氣體或充分反應(yīng)后的產(chǎn)物。

所述主流氣體和射流氣體的溫度根據(jù)兩種氣體的反應(yīng)溫度決定。

所述反應(yīng)器的操作壓強為380~420kPa。

所述射流氣體的射流穿透深度為0.32~1。射流穿透深度是指反應(yīng)管中橫截面上溫度最低點距離反應(yīng)管壁的距離(h)與反應(yīng)管半徑(R)的比值。在反應(yīng)管橫截面的溫度等值線圖上確定溫度的最低點,如圖2所示,得到其距離反應(yīng)管壁的距離h,可計算出射流穿透深度(h/R)。

所述射流氣體和主流氣體的體積流量比為0.0313~0.106:1。隨著射流TiCl4和主流O2的體積流量比的增大,TiCl4射流的動量也越來越來大,其穿透進入O2主流的深度也會增加。射流穿透深度存在一個比較適中的值,射流穿透深度不足或過大,都會導(dǎo)致射流孔下游區(qū)溫度分布不均勻,而且TiCl4和O2的混合效果不理想。(可以說體積流量比是影響射流穿透深度的一個因素,射流穿透深度決定混合效果。因此,要控制合理的射流穿透深度范圍。)

對于這種交叉射流混合的管式反應(yīng)器,一個重要的影響變量是TiCl4射流和O2主流之間的無量綱參數(shù),即動量通量比J,見式(1):

式中ρ和v分別代表TiCl4射流和O2主流的密度(kg·m-3)和速度(m·s-1),下角標(biāo)j代表TiCl4射流,下角標(biāo)m代表O2主流。在給定的溫度和壓力下,流速vj和vm可分別由下面式子計算得到:

Vj=n·(π·d2/4)·vj (2)

Vm=(π·D2/4)·vm (3)

其中Vj為所有射流孔TiCl4射流的總體積流量(m3·s-1),d為射流孔孔徑(m),n為孔數(shù),Vm為O2主流體積流量(m3·s-1),D為反應(yīng)管直徑(m)。

將式(2)和(3)代入式(1)化簡可得:

在給定的溫度和壓力下,TiCl4射流和O2主流的密度比(ρjm)為15.014。由式(4)可知,變量參數(shù)有TiCl4和O2的體積流量比(Vj/Vm)、反應(yīng)管直徑(D)、射流孔孔數(shù)(n)和孔徑(d)。

一個重要參數(shù)是無量綱射流孔間距,其同時結(jié)合了反應(yīng)管上所有可變幾何尺寸參數(shù),定義為S,見式(5):

本發(fā)明的有益效果是:

1、該反應(yīng)器可以達到在混合0.5秒以內(nèi)的時間,在射流孔下游區(qū)域兩倍管徑處的氣體混合的不均勻度達到0.05以下,完全可以滿足混合充分的要求;

2、兩種氣體反應(yīng)后得到新的產(chǎn)物,該產(chǎn)物在常溫下為固態(tài),因此在反應(yīng)后溫度下降的過程中在反應(yīng)器中容易結(jié)疤,影響后續(xù)的反應(yīng)效果,更加影響氧化反應(yīng)器的使用壽命。該氧化反應(yīng)器中的流體動力學(xué)行為直接影響反應(yīng)氣體(TiCl4和O2)的混合效果,其決定鈦白產(chǎn)品的形貌、質(zhì)量、粒度分布等。由于生產(chǎn)鈦白的主要化學(xué)反應(yīng)是強放熱反應(yīng),反應(yīng)氣體混合效果差會造成局部溫度過高,導(dǎo)致產(chǎn)品顆粒大小不均勻,嚴(yán)重時會產(chǎn)生燒結(jié)甚至結(jié)疤。并且進料操作條件控制不當(dāng),會在反應(yīng)氣體混合時產(chǎn)生回流且發(fā)生反應(yīng)形成微小顆粒,造成射流孔堵塞。反應(yīng)器中物料混合均勻可為TiCl4氣相氧化過程提供良好的流動和反應(yīng)條件,進而能夠使實現(xiàn)TiO2顆粒生長均勻、晶形轉(zhuǎn)化率高、顆粒容易結(jié)晶、溫度分布均勻以及減少結(jié)疤等目的;

3、該反應(yīng)器在小型實驗條件下完全可以滿足要求,將反應(yīng)器按照相應(yīng)比例擴大,可以實現(xiàn)大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用,適用范圍廣泛。

附圖說明

圖1是本發(fā)明高速氣體反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖;

圖2是本發(fā)明高速反應(yīng)器射流穿透深度示意圖。

圖中:1-主流氣體入口,2-射流氣體入口,3-混合氣體出口。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式,對本發(fā)明作進一步說明。

實施例1:該實施例的主流氣體為O2,射流氣體為TiCl4,反應(yīng)的產(chǎn)物為TiO2粉末。該高速氣體反應(yīng)器包括主流管徑和其表面分布的射流孔(2),主流管徑是一根通心圓柱管,圓柱管的一頭為主流氣體入口(1),圓柱管的另一頭為混合氣體出口(3),圓柱管上距離主流氣體入口(1)1倍處沿管徑一周均分布有16個射流孔(2)。

該反應(yīng)器的使用方法是:在主流管徑的主流氣體入口(1)處通入主流氣體,進氣速度為4m/s,射流孔(2)通入射流氣體,進氣速度為8m/s,即在混合氣體出口得到混合氣體或充分反應(yīng)后的產(chǎn)物。具體反應(yīng)條件為:TiCl4射流溫度380℃,O2主流溫度1500℃,反應(yīng)器操作壓強為390kPa,反應(yīng)器直徑為0.2m,射流孔孔數(shù)為16,射流孔徑為0.008m,TiCl4射流和O2主流體積流量比為0.06875時,射流穿透深度為0.602,在混合0.41秒時,在射流孔下游區(qū)域兩倍管徑處的溫差約為55K,氣體混合的不均勻度約為0.00839,能夠達到混合均勻的效果,并且沒有結(jié)疤。

實施例2:該實施例的主流氣體為O2,射流氣體為TiCl4,反應(yīng)的產(chǎn)物為TiO2粉末。該高速氣體反應(yīng)器包括主流管徑和其表面分布的射流孔(2),主流管徑是一根通心圓柱管,圓柱管的一頭為主流氣體入口(1),圓柱管的另一頭為混合氣體出口(3),圓柱管上距離主流氣體入口(1)1.2倍處分布有20個射流孔(2)。

該反應(yīng)器的使用方法是:在主流管徑的主流氣體入口(1)處通入主流氣體,進氣速度為6m/s,射流孔(2)通入射流氣體,進氣速度為25m/s,即在混合氣體出口得到混合氣體或充分反應(yīng)后的產(chǎn)物。具體反應(yīng)條件為:當(dāng)TiCl4射流溫度400℃,O2主流溫度1500℃,反應(yīng)器操作壓強為400kPa,反應(yīng)器直徑為0.2m,射流孔孔數(shù)為24,射流孔徑為0.00533m,TiCl4射流和O2主流體積流量比為0.07034時,射流穿透深度為0.583,在混合0.36秒時,射流孔下游區(qū)域兩倍管徑處的溫差約為46K,氣體混合的不均勻度約為0.0214,能夠達到混合均勻的效果。

實施例3:該實施例的主流氣體為O2,射流氣體為TiCl4,反應(yīng)的產(chǎn)物為TiO2粉末。該高速氣體反應(yīng)器包括主流管徑和其表面分布的射流孔(2),主流管徑是一根通心圓柱管,圓柱管的一頭為主流氣體入口(1),圓柱管的另一頭為混合氣體出口(3),圓柱管上距離主流氣體入口(1)1.5倍管徑處分布有32個射流孔(2)。

該反應(yīng)器的使用方法是:在主流管徑的主流氣體入口(1)處通入主流氣體,進氣速度為2m/s,射流孔(2)通入射流氣體,進氣速度為3m/s,即在混合氣體出口得到混合氣體或充分反應(yīng)后的產(chǎn)物。具體反應(yīng)條件為:當(dāng)TiCl4射流溫度450℃,O2主流溫度1550℃,反應(yīng)器操作壓強為420kPa,反應(yīng)器直徑為0.2m,射流孔孔數(shù)為32,射流孔徑為0.004m,TiCl4射流和O2主流體積流量比0.07475時,射流穿透深度為0.625,在混合0.32秒時,在射流孔下游區(qū)域兩倍管徑處的溫差約為39K,氣體混合的不均勻度約為0.0135,能夠達到混合均勻的程度。

實施例4:該實施例的兩種混合氣體為氫氣和氯氣,反應(yīng)的產(chǎn)物為混合氣體,該混合氣體在見光的情況下會發(fā)生爆炸,因此在反應(yīng)過程中和后續(xù)的貯存過程都需要避光,在使用時再施以光照。

該反應(yīng)采用的高速氣體反應(yīng)器包括主流管徑和其表面分布的射流孔(2),主流管徑是一根通心圓柱管,圓柱管的一頭為氯氣入口(1),圓柱管的另一頭為混合氣體出口(3),圓柱管上距離主流氣體入口(1)1~1.5倍之間均勻分布有30個射流孔(2),射流孔(2)通入氫氣。在避光條件下,向主流管徑的主流氣體入口(1)處通入主流氣體,進氣速度為6m/s,射流孔(2)通入射流氣體,進氣速度為15m/s,兩種氣體通入的體積比例為1:1,即在混合氣體出口得到混合氣體或充分反應(yīng)后的產(chǎn)物,該產(chǎn)物需要儲存在避光密封條件下。

實施例5:該實施例的兩種混合氣體為氮氣和氫氣,采用的高速氣體反應(yīng)器包括主流管徑和其表面分布的射流孔(2),主流管徑是一根通心圓柱管,圓柱管的一頭為主流氣體H2入口(1),圓柱管的另一頭為混合氣體合成氨出口(3),圓柱管上距離主流氣體入口(1)1.5倍管徑處一周均勻分布有20個射流孔(2),射流孔通入N2,射流孔直徑與圓柱管徑的比例是0.05:0.12。

該反應(yīng)器的使用方法是:反應(yīng)器的操作壓強設(shè)定為380kPa,在主流管徑的主流氣體入口(1)處通入主流氣體H2(主流氣體中混入鐵觸媒作為催化劑),主流氣體的溫度為500℃,進氣速度為3m/s,射流孔(2)通入射流氣體N2,溫度為300℃,進氣速度為6m/s,N2和H2的體積比為1:3,射流穿透深度為0.6,即在混合氣體出口得到混合氣體或充分反應(yīng)后的產(chǎn)物合成氨。

以上結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作了詳細說明,但是本發(fā)明并不限于上述實施方式,在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識范圍內(nèi),還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下做出各種變化。

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