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(qiáng)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(jìn)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(diǎn)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(hù)。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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(dá)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(shí)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(shí)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(dá)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(kuò)散、湍流擴(kuò)散和分子擴(kuò)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(kuò)散方式進(jìn)入主流O₂中與之混合。進(jìn)而，由于湍流擴(kuò)散的作用，流體形成更小尺度的氣體微團(tuán)。最后通過分子擴(kuò)散的作用，使流體達(dá)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(kuò)散方式進(jìn)入主流O₂中與之混合。進(jìn)而，由于湍流擴(kuò)散的作用，流體形成更小尺度的氣體微團(tuán)。最后通過分子擴(kuò)散的作用，使流體達(dá)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(dá)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(xì)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(jìn)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(jìn)氣速度為2～6m/s，射流孔(2)通入射流氣體，進(jìn)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(qiáng)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(diǎn)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(diǎn)，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(jìn)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v_j和v_m可分別由下面式子計算得到：

V_j＝n·(π·d²/4)·v_j (2)

V_m＝(π·D²/4)·v_m (3)

其中V_j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)，V_m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(ρ_j/ρ_m)為15.014。由式(4)可知，變量參數(shù)有TiCl₄和O₂的體積流量比(V_j/V_m)、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(dá)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(dá)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(qiáng)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(jìn)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(jìn)而能夠使實(shí)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(shí)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(kuò)大，可以實(shí)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(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式，對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

實(shí)施例1：該實(shí)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(jìn)氣速度為4m/s，射流孔(2)通入射流氣體，進(jìn)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(qiáng)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(dá)到混合均勻的效果，并且沒有結(jié)疤。

實(shí)施例2：該實(shí)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(jìn)氣速度為6m/s，射流孔(2)通入射流氣體，進(jìn)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(qiáng)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(dá)到混合均勻的效果。

實(shí)施例3：該實(shí)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(jìn)氣速度為2m/s，射流孔(2)通入射流氣體，進(jìn)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(qiáng)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(dá)到混合均勻的程度。

實(shí)施例4：該實(shí)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(jìn)氣速度為6m/s，射流孔(2)通入射流氣體，進(jìn)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(shí)施例5：該實(shí)施例的兩種混合氣體為氮?dú)夂蜌錃?，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(qiáng)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(jìn)氣速度為3m/s，射流孔(2)通入射流氣體N₂，溫度為300℃，進(jìn)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(shí)施方式作了詳細(xì)說明，但是本發(fā)明并不限于上述實(shí)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。