專利名稱：氯化鈦白氧化反應器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及制備氯化鈦白的反應器，尤其涉及制備氯化鈦白的燃燒反應器。
鈦白粉是一種與現(xiàn)代生活關系極為密切的重要化工原料，主要應用于涂料、塑料和造紙等領域，對國民經(jīng)濟發(fā)展起到重要促進作用。1994年，全球鈦白粉的消費量為306萬噸；1997年，全球鈦白粉的消費量達到359.6萬噸；預計2000年的消費量將突破420萬噸，消耗額將超過80億美元。鈦白粉消耗量是衡量一個國家國民經(jīng)濟發(fā)展水平的一個重要指標。
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鍵，氧化反應器則是其中的核心設備。為此，眾多的專利公開了各自的技術，如專利(USP2653078、USP3068281和BP535214)公開了一種輔助燃燒反應器，專利(USP3540853、USP3582278)公開了一種預燃燒反應器，專利(USP3429665)披露了一種等離子體加熱的反應器。
預燃燒式氧化反應器主要由燃燒區(qū)、混合區(qū)和反應區(qū)三部分構成，混合區(qū)是氧化反應器的關鍵部位，對最終鈦白粉的品質和規(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，為了防止反應器內壁結疤，可以在四氯化鈦進料環(huán)的上方設置清洗環(huán)和在其下游的設置氣膜保護環(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，混合為該過程的控制因素?；旌峡欤旌蠀^(qū)短，產(chǎn)品質量就高。為獲得良好的混合效果，四氯化鈦進料環(huán)的結構非常重要。美國專利USP3540853和USP3582278報道了一種進料環(huán)，該進料環(huán)通過均勻小孔，分割四氯化鈦高溫蒸汽，實現(xiàn)高溫氧氣與四氯化鈦的混合。專利SP1286760和USP3615202報道了采用狹峰射流，實現(xiàn)高溫氧氣與四氯化鈦的混合。在實際應用過程中發(fā)現(xiàn)，上述專利公開的技術存在著較大的缺陷四氯化鈦在進料環(huán)內的流動為變質量流動，環(huán)內不同區(qū)域的壓力存在很大的不均勻性，導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，由于相鄰區(qū)域射流的動量相近，射流的穿透距離也相近，比較難于保證四氯化鈦在整個反應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)和四氯化鈦復合射流孔的氯化鈦白氧化反應器，以克服現(xiàn)有技術射流速度存在較大差異和整個反應器的橫向截面與高溫氧氣混合不均勻的缺陷。
本發(fā)明的構思是這樣的本發(fā)明針對氧化反應器內流體均布，研究了環(huán)型通道內變質量流動的壓強分布規(guī)律和園形平面內二維變質量流動的壓強分布規(guī)律，探明混合區(qū)的幾何形狀、氣體入口的形式、氣體入口速度對混合影響的基礎上提出如下設想(1)四氯化鈦進料環(huán)上設置不等徑或不同結構的射流孔，并使其相間排列，從而調整四氯化鈦進料環(huán)各射流的動量比，使相鄰兩個或多個射流孔射流的噴射距離不同，通過相鄰的兩個或多個射流孔射流的速度適當搭配，實現(xiàn)反應物料的快速混合；(2)在四氯化鈦進料環(huán)中設置一個整流環(huán)，對四氯化鈦進料環(huán)內氣體流動進行整流，使切向流動減慢，壓力分布趨于均勻。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的本發(fā)明所說的反應器包括燃燒段、混合段和反應段；所說的混合段包括進料環(huán)和射流環(huán)，射流環(huán)設置在進料環(huán)內，進料環(huán)和射流環(huán)之間形成一環(huán)道，進料環(huán)上設有四氯化鈦蒸汽入口；為調整高溫氧氣和四氯化鈦蒸汽的動量比，射流環(huán)上設有直徑不同或/和結構不同且相間排列的射流孔，以使相鄰兩個或多個射流孔射流的穿透距離不同，通過相鄰兩個或多個小孔射流動量的適當配合，實現(xiàn)反應物料的快速混合，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；所說的結構不同，即射流孔的軸線可以垂直于反應器中心軸，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)之間可設置一冷卻介質環(huán)道，該冷卻介質環(huán)道與冷卻環(huán)道冷卻介質入口和冷卻環(huán)道冷卻介質出口相連通；
為了防止反應器內壁結疤，可以在進料環(huán)的上方設置清洗環(huán)和在其下方設置氣膜保護環(huán)，前清洗環(huán)設有前清洗環(huán)氣體入口，后氣膜保護環(huán)設有后氣膜保護環(huán)氣體入口，用于補充氣膜保護等所用的氣體，如氯氣等，根據(jù)工藝要求，也可以不設置前清洗環(huán)和后氣膜保護環(huán)；燃燒介質和霧化介質入口設置在燃燒段的上端，氧氣入口可設置在燃燒段的頂端或上部；所說的反應段設有冷卻夾套、反應段冷卻介質入口和反應段冷卻介質出口，用于通入冷卻介質以控制反應器壁溫以及反應溫度；燃燒段、前清洗環(huán)、混合段、后氣膜保護環(huán)和反應段依次相連接，即構成所說的氯化鈦白氧化反應器。
為使進料環(huán)內氣體切向流動減慢，壓力分布趨于均勻，可進一步設置一具有小孔的整流環(huán)。所說的整流環(huán)設置在進料環(huán)與射流環(huán)之間的環(huán)道中，整流環(huán)與進料之間形成外環(huán)道，整流環(huán)與射流環(huán)之間形成內環(huán)道。四氯化鈦進口與外環(huán)道相連通，內、外環(huán)道通過整流環(huán)上的小孔連通，整流環(huán)內環(huán)道通過射流孔與混合區(qū)相連通。整流環(huán)相當于一個氣體流動阻力部件，它具有整流和調節(jié)壓強的作用，整流環(huán)將原來的單元環(huán)道分割成內環(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?，使內環(huán)道壓力分布趨于均勻，為了減少整流環(huán)的流動阻力，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，燃燒介質、霧化介質和氧氣分別由設置在燃燒段上的入口進入燃燒段，燃燒生成高溫氣流；四氯化鈦蒸汽由四氯化鈦入口進入外環(huán)道，通過整流環(huán)上小孔進入內環(huán)道，然后通過射流孔進入混合區(qū)，與來自燃燒段的高溫氣流混合反應；氯氣可由前清洗環(huán)氣體入口和后氣膜保護環(huán)氣體入口進入反應器；反應后的氣體由反應段的下端流出反應器。反應段冷卻介質由反應段冷卻介質入口進入夾套，以調節(jié)反應過程的溫度和反應器壁溫。
以下將通過附圖對本發(fā)明作進一步的說明。


圖1為反應器結構示意圖。
圖2為混合段結構示意圖。
圖3為圖2中A-A向示意圖。
圖4為具有整流環(huán)的混合段結構示意圖。
圖5為圖4中B-B向示意圖。
圖6為反應器內不同截面的徑向相對濃度分布圖。
由圖1、圖2和圖3可見，本發(fā)明所說的反應器包括燃燒段8、前清洗環(huán)11、混合段7、后氣膜保護環(huán)14和反應段1；所說的混合段7包括進料環(huán)13和射流環(huán)19，射流環(huán)19設置在進料環(huán)13內，進料環(huán)13和射流環(huán)19之間形成一環(huán)道25，進料環(huán)13上設有四氯化鈦蒸汽入口4；所說的射流環(huán)19上設有直徑不同或/和結構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之間可設置冷卻介質環(huán)道21，該冷卻介質環(huán)道21與冷卻環(huán)道冷卻介質入口5和冷卻環(huán)道冷卻介質出口12相連通；在進料環(huán)13的上方設置清洗環(huán)11和在其下方設置氣膜保護環(huán)14，清洗環(huán)11設有清洗環(huán)氣體入口6，氣膜保護環(huán)14設有氣膜保護環(huán)氣體入口3，根據(jù)工藝要求，也可以不設置清洗環(huán)11和氣膜保護環(huán)14；燃燒介質和霧化介質入口10設置在燃燒段8的上端，氧氣入口9可設置在燃燒段8的頂端或上部；所說的反應段1設有冷卻夾套16、反應段冷卻介質入口2和反應段冷卻介質出口15；燃燒段8、清洗環(huán)11、混合段7、氣膜保護環(huán)14和反應段1依次相連接，即構成所說的氯化鈦白氧化反應器。
由圖4和圖5可見，在上述反應器混合段7的環(huán)道25中，設置一整流環(huán)18，整流環(huán)18與進料環(huán)13形成外環(huán)道22，整流環(huán)18與射流環(huán)19形成內環(huán)道23；四氯化鈦進口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與內環(huán)道23相連通，內環(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環(huán)。
操作時，燃燒介質、霧化介質和氧氣分別由設置在燃燒段8上的入口9、10進入燃燒段8，燃燒生成高溫氣流；四氯化鈦由四氯化鈦入口4進入外環(huán)道22，通過整流環(huán)18上的小孔17進入內環(huán)道23，然后通過射流孔20進入混合區(qū)24，與來自燃燒段8的高溫氣流混合反應，并進入反應段1；氣膜保護用的氣體可由前清洗環(huán)氣體入口6和后氣膜保護環(huán)氣體入口3進入；反應后的氣體由反應段1的下端流出反應器。反應段冷卻介質由反應段冷卻介質入口2進入反應段夾套16，以調節(jié)反應過程的溫度和反應器壁溫。
圖6描述了相同操作條件下不同反應器內不同截面的徑向相對濃度分布，其中，(a)為傳統(tǒng)反應器的分布，(b)為本發(fā)明反應器的分布。圖中，橫坐標為無因次半徑，縱坐標為無因次濃度，x為測試點距離射流孔的軸向距離。不同徑向位置時，無因次濃度趨于1時，表明四氯化鈦與高溫氧氣混合達到均勻；達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。對比圖(a)和圖(b)，可以很明顯地看出，本發(fā)明的反應器實現(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)反應器的10倍以上。
由上述公開的技術方案可見，所說的反應器具有如下顯著的優(yōu)點四氯化鈦蒸汽在進料環(huán)內環(huán)道流動時壓力趨于均勻，切向流動基本消失；而且通過射流孔大小的適當搭配，使得四氯化鈦蒸汽與高溫氧氣實現(xiàn)了最大限度地快速混合，不但使反應器內宏觀反應速率明顯提高，也使得通過該氧化反應器制備的二氧化鈦產(chǎn)品品質得到了提高。與傳統(tǒng)的反應器相比，本發(fā)明的反應器生成強度提高，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。
權利要求
1.一種氯化鈦白氧化反應器，包括燃燒段(8)、混合段(7)和反應段(1)，燃燒段(8)、混合段(7)和反應段(1)依次相連接，燃燒介質和霧化介質入口(10)設置在燃燒段(8)的一端，氧氣入口(9)設置在燃燒段(8)的頂端或上部，反應段(1)設有冷卻夾套(16)、反應段冷卻介質入口(2)和反應段冷卻介質出口(15)，其特征在于所說的混合段(7)包括進料環(huán)(13)和射流環(huán)(19)，射流環(huán)(19)設置在進料環(huán)(13)內，進料環(huán)(13)和射流環(huán)(19)之間形成環(huán)道(25)，進料環(huán)(13)上設有四氯化鈦蒸汽入口(4)；所說的射流環(huán)(19)上設有直徑不同或/和結構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)的軸線垂直于反應器中心軸或與中心軸存在一夾角。
2.如權利要求1所述的反應器，其特征在于在混合段(7)的環(huán)道(25)中，設置整流環(huán)(18)，整流環(huán)(18)與進料環(huán)(13)形成外環(huán)道(22)，整流環(huán)(18)與射流環(huán)(19)形成內環(huán)道(23)，四氯化鈦進口(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)與內環(huán)道(23)相連通，內環(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.如權利要求2所述的反應器，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.如權利要求1所述的反應器，其特征在于在環(huán)道(25)與混合區(qū)(24)之間設置冷卻介質環(huán)道(21)，該冷卻介質環(huán)道(21)與冷卻環(huán)道冷卻介質入口(5)和冷卻環(huán)道冷卻介質出口(12)相連通。
5.如權利要求2所述的反應器，其特征在于在內環(huán)道(23)與混合區(qū)(24)之間設置冷卻介質環(huán)道(21)，該冷卻介質環(huán)道(21)與冷卻環(huán)道冷卻介質入口(5)和冷卻環(huán)道冷卻介質出口(12)相連通。
6.一種氯化鈦白氧化反應器，包括燃燒段(8)、混合段(7)和反應段(1)，燃燒段(8)、混合段(7)和反應段(1)依次相連接，燃燒介質和霧化介質入口(10)設置在燃燒段(8)的一端，氧氣入口(9)設置在燃燒段(8)的頂端或上部，反應段(1)設有冷卻夾套(16)、反應段冷卻介質入口(2)和反應段冷卻介質出口(15)，其特征在于所說的混合段(7)包括進料環(huán)(13)、整流環(huán)(18)和射流環(huán)(19)，射流環(huán)(19)設置在進料環(huán)(13)內，進料環(huán)(13)和射流環(huán)(19)之間形成環(huán)道(25)，整流環(huán)(18)設置在環(huán)道(25)中，進料環(huán)(13)上設有四氯化鈦蒸汽入口(4)，整流環(huán)(18)與進料環(huán)(13)形成外環(huán)道(22)，整流環(huán)(18)與射流環(huán)(19)形成內環(huán)道(23)，四氯化鈦進口(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)與內環(huán)道(23)相連通，內環(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.如權利要求6所述的反應器，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器。本發(fā)明在四氯化鈦進料環(huán)上設置不等徑或不同結構的射流孔,并使其相間排列,從而調整四氯化鈦進料環(huán)各射流的動量比,實現(xiàn)反應物料的快速混合;在四氯化鈦進料環(huán)中設置一個整流環(huán),對四氯化鈦進料環(huán)內氣體流動進行整流,使切向流動減慢,壓力分布趨于均勻。與傳統(tǒng)的反應器相比,本發(fā)明的反應器生成強度提高,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C01G23/07GK1277941SQ0011646
公開日2000年12月27日 申請日期2000年6月13日 優(yōu)先權日2000年6月13日
發(fā)明者李春忠, 叢德滋, 呂志敏, 古宏晨 申請人:華東理工大學