CN106824040A - 一种高速气体反应器及其使用方法 - Google Patents

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田林
李亚东
谢刚
周扬民
林琳
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    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/26—Nozzle-type reactors, i.e. the distribution of the initial reactants within the reactor is effected by their introduction or injection through nozzles

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Abstract

本发明涉及一种高速气体反应器及其使用方法，属于流体动力学和冶金交叉领域。该高速气体反应器包括主流管径和其表面分布的射流孔，主流管径是一根通心圆柱管，圆柱管的一头为主流气体入口，圆柱管的另一头为混合气体出口,圆柱管上距离主流气体入口1～1.5倍管径之间分布有多个射流孔。具体是通过在主流管径的主流气体入口处通入主流气体，进气速度为2～6m/s，射流孔通入射流气体，进气速度为3～25m/s，即在混合气体出口得到混合气体或充分反应后的产物。该设备结构简单，混合时间短、效率高，达到两种气体在0.5秒内快速混合均匀的效果，该技术方法可优化氧化反应器的设计，有效避免氧化反应器结疤。

Description

一种高速气体反应器及其使用方法
技术领域
本发明涉及一种高速气体反应器及其使用方法，属于流体动力学和冶金交叉领域。
背景技术
高温且具有腐蚀性的气体与另外一种气体反应属于强放热反应，两种反应气体混合效果差会造成局部温度过高，导致产品颗粒大小不均匀，严重时会产生烧结甚至结疤。并且进料操作条件控制不当，会在反应气体混合时产生回流且发生反应形成微小颗粒，造成反应器的射流孔堵塞。
钛白粉是一种优良的基础工业原料，使用范围广泛。我国钛白粉生产主要以硫酸法为主，技术也较成熟，占国内钛白生产总量的99％以上，但硫酸法生产钛白技术生产工艺流程长、污染大、环境风险高。氯化法生产钛白以流程短、产品质量高、污染小、自动化程度高等优点而被国家列为产业调整指导鼓励类目录，但该产业的关键技术被国外几家公司所掌控，且被作为技术秘密保护。国内云南冶金新立钛业、河南佰利联等公司引入德国钛康等设计公司的技术，存在很多问题，尤其在氧化反应器结疤等方面周期明显低于国际先进水平，造成连续化生产周期短。
反应物料TiCl4和O2在氧化反应器中几毫秒内即完成反应，反应速度极快，基本上是一接触即发生反应，因此不能将物料TiCl4和O2进行预先混合，否则会堵塞管道，而须将TiCl4和O2分别通入反应器，并在极短时间内完成气体的混合均匀，否则会影响TiO2颗粒粒径分布和晶型转化，进而导致烧结和结疤，影响产品的质量。停留时间与物料在氧化反应器中的流动状态和混合情况密切相关，结构性能优异的氧化反应器能为气体的流动提供良好的流动条件，使物料TiCl4和O2进入反应器后迅速混合均匀，并稳定均匀地流过反应器。因此，本申请设计了一种高速气体反应器，通过控制射流穿透深度、射流孔孔数、孔径、孔间距、动量通量比等关键技术参数，达到两种气体在0.5秒内快速混合均匀的效果，该设备结构简单，混合时间短、效率高，该技术方法可优化氧化反应器的设计，有效避免氧化反应器结疤，对于高温腐蚀气体的快速混均具有重要指导意义。
发明内容
本发明提供了一种高速气体反应器及其使用方法，该反应器通过控制主流气体和射流气体的方向，实现初步混合，再配合控制射流气体的射流穿透深度、射流孔孔数、孔径、孔间距、动量通量比等关键技术参数，达到两种气体在极短的时间内快速混合均匀的效果，并且不会烧结和结疤；该反应器可以适用于产业化应用。
本发明的高速气体反应器包括主流管径和其表面分布的射流孔(2)，主流管径是一根通心圆柱管，圆柱管的一头为主流气体入口(1)，圆柱管的另一头为混合气体出口(3)，圆柱管上距离主流气体入口(1)1～1.5倍之间分布有多个射流孔(2)。主流气体是指混合气体中体积比例大的气体，射流孔(2)通入的射流气体是混合气体中体积比例小的气体。交叉射流混合中，对流扩散、湍流扩散和分子扩散同时作用于流体的混合。射流孔将TiCl4流体分割为多股射流，以对流扩散方式进入主流O2中与之混合。进而，由于湍流扩散的作用，流体形成更小尺度的气体微团。最后通过分子扩散的作用，使流体达到微观混合均匀的效果。该高速反应器可以配备有可密封的外壳和/或出入口结构，外壳可以为需要的任意形状。
所述圆柱管上距离主流气体入口(1)一倍管径处处沿管径一周均匀分布有多个射流孔(2)。单排圆周分布的射流孔将TiCl4流体分割为多股射流，以对流扩散方式进入主流O2中与之混合。进而，由于湍流扩散的作用，流体形成更小尺度的气体微团。最后通过分子扩散的作用，使流体达到微观混合均匀的效果。这种射流孔分布结构简单，混合效率高，能达到最佳的混合效果。
所述多个射流孔(2)的直径相同。
所述射流孔(2)的个数为16～32个，射流孔直径与圆柱管径的比例是0.05～0.02：0.12～0.05。
经过验算证明，孔数较多时在较大J/n2的范围内，混合不均匀度M的值都能够小于0.05，而孔数较少时，这个范围也缩小(其中J为动量通量比，n为射流孔孔数)。这是由于保持相同的孔间距时，孔数越多，开孔尺寸越小。孔径较小的射流孔把径向流入的TiCl4气体分割为较细的射流，其与O2主流混合形成的宏观混合尺度相应减小，更有利于混合快速的进行。因此，直径为0.2m的反应管中，为了使混合更加快速均匀，射流孔孔数最少取16孔以上，并保持J/n2的值范围为0.38～0.75。
该反应器的使用方法是：在主流管径的主流气体入口(1)处通入主流气体，进气速度为2～6m/s，射流孔(2)通入射流气体，进气速度为3～25m/s，即在混合气体出口得到混合气体或充分反应后的产物。
所述主流气体和射流气体的温度根据两种气体的反应温度决定。
所述反应器的操作压强为380～420kPa。
所述射流气体的射流穿透深度为0.32～1。射流穿透深度是指反应管中横截面上温度最低点距离反应管壁的距离(h)与反应管半径(R)的比值。在反应管横截面的温度等值线图上确定温度的最低点，如图2所示，得到其距离反应管壁的距离h，可计算出射流穿透深度(h/R)。
所述射流气体和主流气体的体积流量比为0.0313～0.106：1。随着射流TiCl4和主流O2的体积流量比的增大，TiCl4射流的动量也越来越来大，其穿透进入O2主流的深度也会增加。射流穿透深度存在一个比较适中的值，射流穿透深度不足或过大，都会导致射流孔下游区温度分布不均匀，而且TiCl4和O2的混合效果不理想。(可以说体积流量比是影响射流穿透深度的一个因素，射流穿透深度决定混合效果。因此，要控制合理的射流穿透深度范围。)
对于这种交叉射流混合的管式反应器，一个重要的影响变量是TiCl4射流和O2主流之间的无量纲参数，即动量通量比J，见式(1)：
式中ρ和v分别代表TiCl4射流和O2主流的密度(kg·m-3)和速度(m·s-1)，下角标j代表TiCl4射流，下角标m代表O2主流。在给定的温度和压力下，流速vj和vm可分别由下面式子计算得到：
Vj＝n·(π·d2/4)·vj (2)
Vm＝(π·D2/4)·vm (3)
其中Vj为所有射流孔TiCl4射流的总体积流量(m3·s-1)，d为射流孔孔径(m)，n为孔数，Vm为O2主流体积流量(m3·s-1)，D为反应管直径(m)。
将式(2)和(3)代入式(1)化简可得：
在给定的温度和压力下，TiCl4射流和O2主流的密度比(ρj/ρm)为15.014。由式(4)可知，变量参数有TiCl4和O2的体积流量比(Vj/Vm)、反应管直径(D)、射流孔孔数(n)和孔径(d)。
一个重要参数是无量纲射流孔间距，其同时结合了反应管上所有可变几何尺寸参数，定义为S，见式(5)：
本发明的有益效果是：
1、该反应器可以达到在混合0.5秒以内的时间，在射流孔下游区域两倍管径处的气体混合的不均匀度达到0.05以下，完全可以满足混合充分的要求；
2、两种气体反应后得到新的产物，该产物在常温下为固态，因此在反应后温度下降的过程中在反应器中容易结疤，影响后续的反应效果，更加影响氧化反应器的使用寿命。该氧化反应器中的流体动力学行为直接影响反应气体(TiCl4和O2)的混合效果，其决定钛白产品的形貌、质量、粒度分布等。由于生产钛白的主要化学反应是强放热反应，反应气体混合效果差会造成局部温度过高，导致产品颗粒大小不均匀，严重时会产生烧结甚至结疤。并且进料操作条件控制不当，会在反应气体混合时产生回流且发生反应形成微小颗粒，造成射流孔堵塞。反应器中物料混合均匀可为TiCl4气相氧化过程提供良好的流动和反应条件，进而能够使实现TiO2颗粒生长均匀、晶形转化率高、颗粒容易结晶、温度分布均匀以及减少结疤等目的；
3、该反应器在小型实验条件下完全可以满足要求，将反应器按照相应比例扩大，可以实现大规模的产业化应用，适用范围广泛。
附图说明
图1是本发明高速气体反应器的结构示意图；
图2是本发明高速反应器射流穿透深度示意图。
图中：1-主流气体入口，2-射流气体入口，3-混合气体出口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
实施例1：该实施例的主流气体为O2，射流气体为TiCl4，反应的产物为TiO2粉末。该高速气体反应器包括主流管径和其表面分布的射流孔(2)，主流管径是一根通心圆柱管，圆柱管的一头为主流气体入口(1)，圆柱管的另一头为混合气体出口(3)，圆柱管上距离主流气体入口(1)1倍处沿管径一周均分布有16个射流孔(2)。
该反应器的使用方法是：在主流管径的主流气体入口(1)处通入主流气体，进气速度为4m/s，射流孔(2)通入射流气体，进气速度为8m/s，即在混合气体出口得到混合气体或充分反应后的产物。具体反应条件为：TiCl4射流温度380℃，O2主流温度1500℃，反应器操作压强为390kPa，反应器直径为0.2m，射流孔孔数为16，射流孔径为0.008m，TiCl4射流和O2主流体积流量比为0.06875时，射流穿透深度为0.602，在混合0.41秒时，在射流孔下游区域两倍管径处的温差约为55K，气体混合的不均匀度约为0.00839，能够达到混合均匀的效果，并且没有结疤。
实施例2：该实施例的主流气体为O2，射流气体为TiCl4，反应的产物为TiO2粉末。该高速气体反应器包括主流管径和其表面分布的射流孔(2)，主流管径是一根通心圆柱管，圆柱管的一头为主流气体入口(1)，圆柱管的另一头为混合气体出口(3)，圆柱管上距离主流气体入口(1)1.2倍处分布有20个射流孔(2)。
该反应器的使用方法是：在主流管径的主流气体入口(1)处通入主流气体，进气速度为6m/s，射流孔(2)通入射流气体，进气速度为25m/s，即在混合气体出口得到混合气体或充分反应后的产物。具体反应条件为：当TiCl4射流温度400℃，O2主流温度1500℃，反应器操作压强为400kPa，反应器直径为0.2m，射流孔孔数为24，射流孔径为0.00533m，TiCl4射流和O2主流体积流量比为0.07034时，射流穿透深度为0.583，在混合0.36秒时，射流孔下游区域两倍管径处的温差约为46K，气体混合的不均匀度约为0.0214，能够达到混合均匀的效果。
实施例3：该实施例的主流气体为O2，射流气体为TiCl4，反应的产物为TiO2粉末。该高速气体反应器包括主流管径和其表面分布的射流孔(2)，主流管径是一根通心圆柱管，圆柱管的一头为主流气体入口(1)，圆柱管的另一头为混合气体出口(3)，圆柱管上距离主流气体入口(1)1.5倍管径处分布有32个射流孔(2)。
该反应器的使用方法是：在主流管径的主流气体入口(1)处通入主流气体，进气速度为2m/s，射流孔(2)通入射流气体，进气速度为3m/s，即在混合气体出口得到混合气体或充分反应后的产物。具体反应条件为：当TiCl4射流温度450℃，O2主流温度1550℃，反应器操作压强为420kPa，反应器直径为0.2m，射流孔孔数为32，射流孔径为0.004m，TiCl4射流和O2主流体积流量比0.07475时，射流穿透深度为0.625，在混合0.32秒时，在射流孔下游区域两倍管径处的温差约为39K，气体混合的不均匀度约为0.0135，能够达到混合均匀的程度。
实施例4：该实施例的两种混合气体为氢气和氯气，反应的产物为混合气体，该混合气体在见光的情况下会发生***，因此在反应过程中和后续的贮存过程都需要避光，在使用时再施以光照。
该反应采用的高速气体反应器包括主流管径和其表面分布的射流孔(2)，主流管径是一根通心圆柱管，圆柱管的一头为氯气入口(1)，圆柱管的另一头为混合气体出口(3)，圆柱管上距离主流气体入口(1)1～1.5倍之间均匀分布有30个射流孔(2)，射流孔(2)通入氢气。在避光条件下，向主流管径的主流气体入口(1)处通入主流气体，进气速度为6m/s，射流孔(2)通入射流气体，进气速度为15m/s，两种气体通入的体积比例为1:1，即在混合气体出口得到混合气体或充分反应后的产物，该产物需要储存在避光密封条件下。
实施例5：该实施例的两种混合气体为氮气和氢气，采用的高速气体反应器包括主流管径和其表面分布的射流孔(2)，主流管径是一根通心圆柱管，圆柱管的一头为主流气体H2入口(1)，圆柱管的另一头为混合气体合成氨出口(3)，圆柱管上距离主流气体入口(1)1.5倍管径处一周均匀分布有20个射流孔(2)，射流孔通入N2，射流孔直径与圆柱管径的比例是0.05：0.12。
该反应器的使用方法是：反应器的操作压强设定为380kPa，在主流管径的主流气体入口(1)处通入主流气体H2(主流气体中混入铁触媒作为催化剂)，主流气体的温度为500℃，进气速度为3m/s，射流孔(2)通入射流气体N2，温度为300℃，进气速度为6m/s，N2和H2的体积比为1:3，射流穿透深度为0.6，即在混合气体出口得到混合气体或充分反应后的产物合成氨。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (9)

1.一种高速气体反应器，包括主流管径和其表面分布的射流孔，其特征在于：主流管径是一根通心圆柱管，圆柱管的一头为主流气体入口(1)，圆柱管的另一头为混合气体出口(3),圆柱管上距离主流气体入口(1)1～1.5倍管径之间分布有多个射流孔(2)。
2.根据权利要求1所述的高速气体反应器，其特征在于：所述圆柱管上距离主流气体入口(1)一倍管径处沿管径一周均匀分布有多个射流孔(2)。
3.根据权利要求1或2所述的高速气体反应器，其特征在于：所述多个射流孔(2)的直径相同。
4.根据权利要求1或2所述的高速气体反应器，其特征在于：所述射流孔(2)的个数为16～32个，射流孔直径与圆柱管径的比例是0.05～0.02：0.12～0.05。
5.根据权利要求3所述的高速气体反应器，其特征在于：所述射流孔(2)的个数为16～32个，射流孔直径与圆柱管径的比例是0.05～0.02：0.12～0.05。
6.一种如权利要求1所述的高速气体反应器的使用方法，其特征在于：在主流管径的主流气体入口(1)处通入主流气体，进气速度为2～6m/s，射流孔(2)通入射流气体，进气速度为3～25m/s，即在混合气体出口(3)得到混合气体或充分反应后的产物。
7.根据权利要求6所述的高速气体反应器的使用方法，其特征在于：所述反应器的操作压强为380～420kPa。
8.根据权利要求6所述的高速气体反应器的使用方法，其特征在于：所述射流气体的射流穿透深度为0.32～1。
9.根据权利要求6所述的高速气体反应器的使用方法，其特征在于：所述射流气体和主流气体的体积流量比为0.0313～0.106：1。
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