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氯化法钛白氧化反应器结构分析与模拟周 峨 1,郑少华 2,袁章福 1
氯化法钛白氧化反应器结构分析与模拟
周 峨 1,郑少华 2,袁章福 1,王 志 1,徐 聪 1,杜晓林 2
(1. 中科院过程工程研究所多相反应重点实验室,北京 100080)
(2. 攀钢集团锦州钛业公司,辽宁 锦州 121005)
摘 要:气相氧化反应器是氯化法钛白工艺中的核心技术,对其设备的组成结构进行分析,并讨论气相氧化反应
器的模拟进展,提出建立过程控制模型的思路。
关键词:氯化法钛白;TiCl4;氧化反应器;结构;模拟
速、强氧化和强腐蚀气氛给测试技术增加了很多困
难。目前的实验测试方法和手段还无法很好地直接 跟踪测量粒子的形态变化,反应器设计和粒子形态 控制主要依靠经验,需花费大量人力和物力。同时 从实验室研究到产业化过程主要也是靠经验和逐级 放大,周期长、费用高、效果差。在这种情况下, 氧化炉反应器的仿真及过程优化显得相当重要,过 程控制的模型化研究所形成的粒子形态控制策略, 能为反应器放大提供依据[6,7];同时通过掌握各工艺 条件对粒子尺寸和晶型转化率影响的动力学规律, 可以实现对粒子形态及尺寸的有效控制和优化。同 时,反应器的结构参数、反应气流混合特征的改善 必然有利于预防结疤的生成。
前
言
1
四氯化钛气相氧化反应器是氯化法钛白工艺中
的核心技术与设备,由于反应器内的湍流流动、成 核、晶核长大等过程交织在一起,增加了氧化反应 器的理论研究难度。国外有关氧化反应器结构与模 拟方面的文献报导很少,主要围绕确定质量指标与 基本工艺参数相互关系的经验关联,只适用于特定 条件,没有普遍意义[1~3]。
氧化反应器的结构参数及操作条件对反应器内 气流的混合状态产生显著作用,同时 TiCl4 和 O2 气 流的混合状态势必对温度和物料分布产生影响,进 而影响反应过程及产品质量,不合理的反应器结构 参数及操作条件必然导致产品质量难以控制。其关 键在于氧化反应器内流体流动中的传质过程,TiCl4 与 O2 两股气流混合的完全与否,不仅关系到原料和 能量的充分利用,更主要的是要影响到产品的质量。 TiCl4 气相氧化的结疤问题,是实现连续气相氧化过 程的主要难题。结疤改变了氧化炉的空间形状,阻 塞加料口,影响气流走向,导致氧化炉经常被迫停 炉处理。
因此,氧化炉结构设计要与反应机理密切结合, 反应器结构应有利于 TiCl4 和 O2 的瞬间扩散混合, 并保证合理的停留时间,不产生严重的返流和死角 现象,尽量保持炉内流动稳定,温度场、速度场均 一,保证得到粒度合格,分布均匀和晶型转化率高 的金红石型钛白粉[4,5]。但是氧化反应器内高温、快
TiCl4 气相氧化反应器的结构分析
一般认为氧化过程的 3 大技术关键问题是:反 应气体快速混合、及时有效地清除反应器结疤和产 品形态控制。这 3 个问题解决的好坏,直接关系着 钛白产品的质量高低。
2.1 进气装置分析
高温气流和四氯化钛需要在极短的时间和很小 的空间内迅速而密切地进行混合,气流内部达到高 度的湍动和激烈的动量交换,同时避免任何宏观逆
向流动,以确保均一的反应条件。因此,反应器中
气流的分布将直接影响反应物料的停留时间分布、 浓度分布、温度和压强分布等,并进而影响到反应 产物的性能。为了获得最佳混合效果,得到粒度与
2
收稿日期:2003-08-07
基金项目:国家教育部留学回国人员启动基金(教外司留[2001]498 号)
作者简介:周 峨(1976-),女,博士研究生, 从事钛资源综合利用的研究。
文献[8] 中冷模实验采用了径向进气和切向进始反应温度降低,
文献[8] 中冷模实验采用了径向进气和切向进
始反应温度降低,影响产品质量,或者是能耗加大,
气两种模型,发现径向进气模型由于附壁效应,模
型内的气体流动方式与切向进气相同,并且流动方 向具有不稳定性。气流在进口处对模型器壁的直接 冲击和进口处流道的突然扩张,造成的阻力损失较 大,因此,进气环宜选用切向进气方式。
美国专利 USP3540853、USP3582278 报道了一 种进料环,该进料环通过均匀小孔,分割四氯化钛 高温蒸汽,实现高温氧气与四氯化钛的混合。在实 际应用中发现,四氯化钛在进料环内的流动为变质 量流动,环内不同区域的压力存在很大的不均匀性, 导致不同周向位置的射流速度存在较大差异。另一 方面采用换隙射流和均匀等尺寸开孔射流混合时, 由于相邻区域射流的动量相近,射流的穿透距离也 相近,较难保证四氯化钛在整个反应器的横向截面 与高温氧气混合均匀。
美国专利 USP3540853、USP3582278 公开了一 种预燃烧反应器,为了防止反应器内壁结疤,在四 氯化钛进料环的上方设置清洗环和在其下游设置气 膜保护环。从燃烧
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