CN101175696A - 流体混合设备和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了影响第一流体经槽注入流经导管的第二流体而混合的方法和设备，其通过自动地或远程地调节所述槽的宽度来至少提供将要被引入导管中的第一流体的某种槽速。特别的是，提供了在二氧化钛生产过程中用于对四氯化钛注入氧气流进行混合控制的方法和设备。

Description

流体混合设备和方法
技术领域
本发明一般涉及用于通过将第一流体通过注入槽(injection slot)注入到输送第二流体的导管中而混合流体的设备和方法。更具体的是，本发明通过利用自动调节注入槽，来促使第一流体通过所述注入槽的槽速(slotvelocity)保持基本恒定。本发明特别用于通过四氯化钛(TiCl4)的气相氧化来生产二氧化钛的过程，其中四氯化钛通过注入槽被引入到输送氧气(O2)流的导管中。
背景技术及发明内容
通过四氯化钛的气相氧化来生产二氧化钛早已为本领域已知，并且其通常可由以下的反应来描述：
TiCl4+O2→TiO2+2Cl2
已知该反应可以通过将反应物(氧气和四氯化钛)加热至合适的温度而激发。在典型的过程中，在超过大气压的压力下，在管式反应器(也称为氧化器)或一系列这样的反应器中，以高流速来将预热的四氯化钛蒸气和预热的化学计量过量的氧气进行混合，在管式反应器中四氯化钛蒸气与氧气反应产生二氧化钛的固体颗粒。四氯化钛蒸气与氧气形成二氧化钛的反应是放热的。用于预热反应物的方法和装置为本领域已知。
一般而言，用于生产二氧化钛的反应器通常为管状，并且在所述反应器的一端引入至少一部分氧气流量，从而形成了氧气流。将氧气流通过导管输送到反应室。在引入氧气流的末端(即，上游端)的下游以及所述反应室的上游的位置处，将四氯化钛通过注入槽注入导管中。例如，用于四氯化钛氧化反应器的常规类型注入槽可以包括导管壁中的圆周槽(circumferential slot)、导管壁中圆周槽的布置(arrangement)、形成于反应器内的单独的注入室或形成于反应器内的单独注入室的布置。
图1显示了如上文所描述的、生产二氧化钛的过程中所采用的一种典型反应器。一般而言，反应器100包括第一氧化气体引入组件102，该第一氧化气体引入组件经由流送管(flowline)122从氧气预热装置116接收预热的氧气，并将氧气通过导管(conduit)128引入到形成于反应器中的第一反应区104中。反应器100进一步包括第一四氯化钛蒸气引入组件106，该第一四氯化钛蒸气引入组件经由流送管124从四氯化钛预热装置118接收预热的四氯化钛，并将四氯化钛蒸气通过第一注入槽108引入导管128。预热的四氯化钛可以通过第二四氯化钛引入组件110进行第二次加入，该第二四氯化钛引入组件经由流送管126从四氯化钛预热装置120接收预热的四氯化钛，并将其通过第二注入槽112引入第二反应区114。预热氧气的第二次加入也是已知的，例如，参见Magyar等人的美国专利第6,207,131号。应理解的是，虽然描述了第一和第二反应区104和114，但是事实上四氯化钛与氧气之间的反应在自四氯化钛引入后的整个反应器下游均可发生，并且不受限于任何一个特定的反应区。
通常，根据所采用的特定预热设备，将四氯化钛预热到从约350(177℃)至约1800(982℃)的温度。一般将氧气预热到从约1000(538℃)至约2200(1204℃)的温度。四氯化钛和/或氧气的第一次加入和所采用的随后的加入，可以在相同或不同的温度下进行，例如，参见Deberry等人的美国专利第6,387,347号(提出了在较低的温度下进行四氯化钛的第二次加入)。氧化反应温度通常为约2300(1260℃)至约2500(1371℃)。
氧化器设计一个最重要的方面涉及四氯化钛和氧气流有效混合的实现。在典型的反应器中，有效混合通常要求四氯化钛在经过槽进入输送氧气的导管时具有足够的槽速。在典型的氧化器中，如在图1显示的氧化器100中，所述槽的尺寸被固定，以便使从四氯化钛蒸气供应设备至所述氧化器内部的压降为约1psi至约2psi。换言之，输送四氯化钛的压力(一般为约20至50psig)比氧化器内部的压力高出约1psi至约2psi。在典型的四氯化钛输送压力下，这种压降通常将会提供约200ft/sec至约300ft/sec的槽速。
如果输送四氯化钛的压力降低，则压降和槽速也因此减少，从而造成四氯化钛与氧气的低效混合。在生产设备中，有时由于例如进行维护或修理而关闭导致生产四氯化钛的一个或多个氯化器的流速降低，结果造成四氯化钛输送压力的降低。也可以观察到由于将四氯化钛输送至四氯化钛供应设备的一根或多根流送管中的结垢而造成四氯化钛流速降低。
为了保持四氯化钛与氧气在降低的四氯化钛流速下进行有效混合，应保持所述槽速。在四氯化钛体积流速减少的情况下保持槽速，需要减小注入槽的尺寸。同样地，如果四氯化钛流速增加，为了保持所述槽速，则需要增加注入槽的尺寸。因此，改变四氯化钛的流速，需要对四氯化钛注入槽的尺寸进行相应的调节。
本领域技术人员还应理解的是，在四氯化钛流速没有改变但是由于某些原因(例如，为于控制所生产的二氧化钛的粒径(particle size))仍然需要进行更高或更低混合的情况下，相应的槽速改变同样需要改变注入槽的尺寸。
然而，一般在商用的反应器中，四氯化钛注入器具有如上所示的固定尺寸的注入槽，四氯化钛通过该注入槽被引入所述反应器中。在现有技术的反应器中，这种固定尺寸(或固定“宽度”，如通常描述槽尺寸一样)的注入槽必须进行人工调节。为了改变现有反应器中注入槽的宽度，首先须停止氧化过程。然后允许反应器充分冷却，以便可以将所述反应器和/或注入器拆开以及可以做出适当的改变。随后必须对所述反应器重新加热，以便再次开始生产。因此，改变四氯化钛注入槽的宽度可能花费几个小时，并且在此期间必须中止生产，而且做出改变和使反应器恢复联机将导致成本增加。因此，操作员倾向于接受在他们的氧化器中进行某种程度的次优混合。
本发明提供了将第一流体流注入到输送第二流体的导管中的新型设备和方法，其中可以保持或建立期望程度的混合，而无需进行人工调节槽宽所需要的权衡。在第一方面，本发明提供了流体混合设备，其包括用于供应第一流体的流体供应设备、用于输送第二流体的导管、提供第一流体的流体供应设备与输送第二流体的导管之间的流体连通的可调节注入槽和用于自动地或远程地调节所述可调节注入槽以保持基本上恒定的槽速或获得所希望的新槽速的装置。“自动地或远程地调节”指可以调节注入槽，而无需如前所需那样进行人工拆卸设备来调节所述槽。此外，在“远程地”调节所述槽的情况下，通过操作员干预来实现所述调节，而“自动地”调节通过改变操作状态使得指示进行调节来触发和完成。下文提供了用于“自动地调节”所述槽宽的装置的非限制性实例，作为本发明的优选实施方案。
在第二方面，本发明提供了用于混合两种流体的方法，其包括以下步骤：将第一流体通过注入槽引入到输送第二流体的导管中；以及在持续地将所述第一流体引入所述导管中的同时，(自动地或远程地)调节所述注入槽的宽度。
本发明已经有利地应用于二氧化钛的生产过程。例如，在优选的实施方案中，本发明可以在二氧化钛的生产反应器联机时，有利地用来调节四氯化钛注入槽的宽度，例如，从而自动地补偿四氯化钛流速的变化，并且在这种情况下可以保持基本上恒定的槽速，以便持续具有优良混合特性和所希望的颜料粒径，或者另一方面可以通过改变氧化器中的槽速以及相关的混合来改变所述氧化器的混合特性和颜料粒径。
附图说明
经由以下附图中的实例来说明本发明，其中同样的标号表示同样的元件。以下的附图为说明目的公开了本发明的各种实施方案。所述附图不用于限制本发明的范围。
图1示出现有技术中用于生产二氧化钛的一种典型反应器的横截面视图。
图2示出本发明优选实施方案中流体混合设备的自顶向下的视图。
图3示出图2的流体混合设备的横截面视图，该横截面视图基本上沿图2的线3-3截取。
图4示出图3的流体混合设备的横截面视图的透视图。
具体实施方式
在本发明优选实施方案的以下详细描述中，参考形成优选实施方案一部分的附图，并且附图是采用实践本发明的特定示例实施方案的方式来示出的。应理解的是，可以采用其它的实施方案，并且可以做出改变，而不脱离本发明的范围。本领域的普通技术人员应认识到，本发明对多种流均有用。但是，出于公开优选实施方案的目的，以下的公开将集中描述经由四氯化钛的气相氧化来制备二氧化钛的设备和方法。
在图1显示类型的反应器中，在高流速下有效混合流体(例如，四氯化钛和氧气)通常需要保持足够的槽速。所述槽速是流体(例如，四氯化钛)经过注入槽的速度，例如在四氯化钛气相氧化所使用的反应器(即，氧化器)中的那些注入槽。本发明所提供的方案，在至少一种流体的流速可以改变的情况下，特别是的但不限于在通过注入槽引入的流体流速降低的情况下，可以通过使所述注入槽能够进行联机(online)运转中(on-stream)的补偿性调节以至少保持足够的槽速，从而对流体进行持续有效的混合。如已提及的，在通过氧化四氯化钛而生产二氧化钛的情形下，由于含钛(titanium-bearing)矿石的上游氯化器的关闭或者由于供应管道中结垢的影响，可能经常出现四氯化钛流速的降低。
在二氧化钛的生产中，四氯化钛的流速可以在约560标准立方英尺/分钟(“scfm”)至约1400scfm的范围内变动。为了维持稍微超过化学计量的氧气，一般将氧气的流速设置在约680scfm至约1680scfm。通常，根据所采用的特定预热设备，将四氯化钛预热到约350(177℃)至约1800(982℃)的温度。一般将氧气预热到约1000(538℃)至约2200(1204℃)的温度。氧化反应的温度通常约2300(1260℃)至约2500(1371℃)。氧气预热设备和四氯化钛预热设备可以在商业上获得，并且为本领域所公知。反应器可以是任何已知的反应器设计，包括用水或其它热交换介质冷却的反应器、不冷却的反应器、加热的反应器、由多孔介质形成的反应器等等。
在典型的氧化器中，如在图1显示的氧化器100中，固定所述槽的尺寸，以使从四氯化钛蒸气供应设备至所述氧化器内部的压降为约1psi至约2psi。换言之，输送四氯化钛的压力比所述氧化器内部的压力高出约1psi至约2psi。在给定四氯化钛输送压力为约20psig的情况下，这种压降通常对应于约200ft/sec至约300ft/sec的四氯化钛槽速。在上述条件下运行的典型的商用氧化器将生产出约3吨/小时至约10吨/小时的二氧化钛。
如果由于四氯化钛流速减少使得输送四氯化钛的压力降低，则压降以及因而槽速也降低，从而造成四氯化钛与氧气的低效混合。在降低的四氯化钛流速下保持所期望的槽速，需要相应地减小注入槽的尺寸(“槽宽”)。同样地，如果四氯化钛流速增加，为了保持所述槽速，则需要增大注入槽的尺寸。
图2至图4显示根据本发明的设备的优选实施方案，其用于实现这些类型的联机及运转中的调节。图2-4特别示出本发明的流体混合设备200，该设备用于在反应器中混合高流速气态反应物。图2-4的流体混合设备200包括导管202、流体供应设备204、提供供应设备204与导管202之间的流体连通的可调节注入槽206和伸缩管(bellows)208，其中所述伸缩管以下文解释的方式来自动地调节所述可调节注入槽。可以分别采用导管202和流体供应设备204来注入任何高流速的液体或气体反应物。在用于生产二氧化钛的设备中，导管202输送预热的氧气流，而流体供应设备204引入预热的四氯化钛，从而在采用典型的反应器100的情形中，可以优选地使用设备200来分别替代第一和第二四氯化钛引入组件106和110中的一个或两个。
在本发明设备的这个实施方案中，伸缩管208的内部暴露于流体供应设备204的内部。因此，伸缩管208内部的压力与流体供应设备204内部的压力基本上相同。出于本发明的目的，伸缩管可以是任何响应于流体供应设备内部的压力变化而改变形状(例如，膨胀或收缩)的结构。流体混合设备200的伸缩管208随着流体供应设备204中的压力增加而膨胀，并且随着流体供应设备204的压力降低而收缩。
如图3&4所示，伸缩管208的一端连接于流体供应设备204的不能移动的部分，而伸缩管208的另一端连接于界定注入槽206一个侧面的可移动壁210。例如，当由于将要注入的流体(四氯化钛)流速降低而使得流体供应设备204中的压力下降时，伸缩管208收缩。伸缩管208的收缩，使得伸缩管208连接于可移动壁210的部分以使注入槽206更窄的方式来移动可移动壁210。尽管第一流体的流速(每时间单位的体积)已经下降，但是更窄的注入槽206使槽速基本上保持恒定。同样地，当流体供应设备204中的压力增加时，伸缩管208膨胀。伸缩管208的膨胀，使得伸缩管208连接于可移动壁210的部分以使注入槽206更宽的方式来移动可移动壁210。尽管第一流体的体积流速已经增加，但是更宽的注入槽206使槽速基本上保持恒定。以此方式，伸缩管208可以自动地调节可调节槽，以使第一流体通过注入槽206的槽速基本上保持恒定。
同样地，当伸缩管208自动地调节可调节槽时，基本上保持了注入槽206两端的压降。例如，假设四氯化钛的流量增加，那么所产生的压力增加就会使流体供应设备204中的压力升高，这将引起伸缩管208膨胀并且因而增加槽宽，从而保持基本上恒定的槽速以及注入槽206两端基本上恒定的压降。同样地，假设四氯化钛的流量减少，那么所产生的压力下降就会使流体供应设备204中的压力降低，这将引起伸缩管208收缩并且因而减少槽宽，从而保持注入槽206两端基本上恒定的压降以及基本上恒定的槽速。
本发明中有用的伸缩管的精确尺寸、形状和构成，可以根据第一流体的组成、流速的范围以及流体供应设备中操作压力的范围而改变，但是在应用中，所述伸缩管应当响应流体的流速变化和注入流体供应设备中的压力变化，并且应当是有弹性的和经久耐用的。然而，本领域的普通技术人员应能够确定这些参数，而无需进行过多的实验。在本发明的一个优选实施方案中，用以供应四氯化钛的伸缩管208可以有利地利用可从Inco，Inc.获得的Inconel镍合金(Inconel nickel alloy)制造。
在一个实施方案中，本发明的流体混合设备是在通过使四氯化钛蒸气与氧气反应来生产二氧化钛的过程中所采用的反应器的一部分。一般而言，所述反应器包括：用于从氧气预热装置接收预热的氧气以及用于将预热的氧气引入流体混合设备的导管中的氧气引入组件、供应来自四氯化钛预热装置的预热的四氯化钛蒸气的流体供应设备、提供流体供应设备与导管之间的流体连通的可调节槽、用于自动地或远程地调节可调节槽的装置和形成于所述槽下游的反应器中的反应区。图2-4中显示的伸缩管将构成一种自动地调节可调节槽的装置，但是本领域的技术人员可容易地构思其它适用于自动地或远程地调节可调节槽的装置，例如外部的蜗杆传动或其它直线定位器。
本发明已经有利地应用于二氧化钛的生产过程。在优选的实施方案中，本发明可以有利地用于自动地调节二氧化钛生产反应器中的四氯化钛注入槽，以补偿四氯化钛的流速变化，并保持基本上恒定的槽速。虽然本发明已经就其特定实施方案进行了详细描述，但是本领域技术人员应理解的是，一旦完成了前述内容的理解，就可以预期本发明可有利地应用于用来混合除四氯化钛和氧气之外的其它流体的设备。此外，本领域的普通技术人员可以容易地构思这些实施方案的更改、变化和等效。因此，本发明的范围应评定为所附的权利要求及其等效方案的范围。

Claims (21)

1.一种用于混合两种流体的方法，其包括以下步骤：
将第一流体通过注入槽引入到输送第二流体的导管中；和
自动地或远程地调节所述注入槽，以便至少提供所述第一流体通过所述注入槽的某种槽速。
2.根据权利要求1所述的方法，其中远程地调节所述注入槽，以使所述第一流体通过所述注入槽的所述槽速从第一个值改变到第二个值。
3.根据权利要求1所述的方法，其中自动地调节所述注入槽，以保持所述第一流体通过所述注入槽的基本上恒定的槽速。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述基本上恒定的槽速是约200英尺/秒至约300英尺/秒。
5.根据权利要求3所述的方法，其中所述自动地调节的步骤保持所述注入槽两端的基本上恒定的压降。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述基本上恒定的压降是约1psi至约2psi。
7.根据权利要求5所述的方法，其中调节所述注入槽，以使所述引入步骤在基本上恒定的压力下执行。
8.根据权利要求7所述的方法，其中采用伸缩管来保持所述引入步骤的基本上恒定的压力。
9.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中所述第一流体包括四氯化钛，并且所述第二流体包括氧气。
10.一种用于混合两种流体的方法，其包括以下步骤：
在第一压力下，将第一流体通过注入槽引入到输送第二流体的导管中；
监测所述第一压力；和
依据所监测的第一压力，来自动地或远程地调节所述注入槽。
11.根据权利要求10所述的方法，其中调节所述注入槽，以保持基本上恒定的第一压力。
12.根据权利要求10所述的方法，其中所述第一流体包括四氯化钛，并且所述第二流体包括氧气。
13.一种用于混合两种流体的方法，其包括以下步骤：
在第一流速和第一压力下，将第一流体通过注入槽引入到输送第二流体的导管中；
监测所述第一流速；和
依据所监测的第一流速，来自动地或远程地调节所述注入槽。
14.根据权利要求13所述的方法，其中调节所述注入槽，以保持基本上恒定的第一压力。
15.根据权利要求13所述的方法，其中所述第一流体包括四氯化钛，并且所述第二流体包括氧气。
16.一种用于调节设备中用于将第一流体注入到输送第二流体的导管中的注入槽的方法，其包括以下步骤：
自动地或远程地调节所述注入槽，以保持基本上恒定的槽速。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述自动地或远程地调节步骤保持所述注入槽两端的基本上恒定的压降。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述基本上恒定的压降是约1psi至约2psi。
19.根据权利要求16所述的方法，其中所述第一流体包括四氯化钛，并且所述第二流体包括氧气。
20.一种流体混合设备，其包括：
流体供应设备；
导管；
可调节注入槽，提供所述流体供应设备和所述导管之间的流体连通；和
用于自动地或远程地调节所述可调节注入槽的装置。
21.根据权利要求20所述的流体混合设备，其中所述用于自动地或远程地调节所述可调节注入槽的装置包括伸缩管，所述伸缩管可移动地啮合界定所述可调节注入槽的壁。
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