CN101674882A - 注射器组件、化学反应器和化学方法 - Google Patents

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Abstract

用于将辅助组分沿反应器管道的纵轴注入流过反应器管道的组分物料中的注射器组件。还提供了化学反应器和化学方法，所述化学反应器包括用于将辅助组分注入运动的组分物料中的注射器组件。在一个实施方案中，该化学方法为用于生产二氧化钛的方法。

Description

注射器组件、化学反应器和化学方法
技术领域
包括延长的反应器管道的化学反应器已为人所熟知，例如用于接收反应物并允许反应物连续地混合和反应的管式反应器管道。在这类反应器中，引发反应物料，并且随着反应的进行使其沿反应器管道的纵轴流动。反应物和其它组分可以在反应器管道的各个点注入运动的反应物料中。反应过的产物与其它组分(经常循环使用)分离并回收。
背景技术
将反应物或其它组分注入运动的反应物料中，并保证所述组分与其它组分在物料中充分混合是困难的，例如，当物料以相对较高的速度运动时。围绕运动物料的周边注射组分经常会发生组分沿反应器管道内壁的滑流。结果，组分不能显著穿透主反应物料的外边界层并与其中的组分混合。如果反应物是腐蚀性的，就会对反应器管道壁产生破坏。
遇到这些问题的工艺在商业上有代表性的实例是由氯化物方法制二氧化钛。在这类工艺中，气态卤化钛(例如四氯化钛)和氧的物料加热并以高的流速加入延长的气相氧化反应器管道中。在反应器管道中发生高温[约1093℃(2000°F)～1538℃(2800°F)]氧化反应，由此产生颗粒状的固体二氧化钛和气态反应产物。然后冷却二氧化钛和气态反应产物，回收二氧化钛颗粒。固体二氧化钛作为颜料非常有用。
为了提高氯化物方法生产二氧化钛的能力，可以在其中的第一反应区下游的反应器管道中建立第二反应区。可以在第二反应区加入预热的四氯化钛和/或氧，与来自第一反应区的氧和/或四氯化钛反应。遗憾的是，由于主反应物料运动通过反应器管道的速度，注入辅助反应物以使其能明显穿透主反应物料的外边界层会有困难。辅助反应物通常会沿反应器的内壁受压迫，从而不足以穿透并与主反应物料混合。如果辅助反应物为四氯化钛，就会对反应器壁产生腐蚀。
发明内容
在一个方面，本发明提供用于将辅助组分更有效地注入组分物料中的注射器组件，所述组分物料沿反应器管道的纵轴流过反应器管道的管道开口。该注射器组件可在反应器管道第一部分的下游末端和反应器管道第二部分的上游末端之间连接，连接方式能够将反应器管道的第一和第二部分流体连接在一起。
根据该第一方面的注射器组件包括具有上游末端、下游末端和设置在上游末端和下游末端之间的注射器管道壁的注射器管道。该注射器管道壁限定注射器管道的开口，使所述开口可以被定位成与反应器管道的第一部分和第二部分的管道开口流体连通。注射器管道壁包括至少一个通过管道壁延伸的口，用于将辅助组分横向注入反应器管道中的组分物料中。外室环绕注射器管道壁的外侧沿注射器管道剖面周边延伸，并与口流体连通。该外室包括用于接收来自辅助组分源的辅助组分的入口。
在另一方面，本发明提供了包括改进的反应物注射组件的化学反应器。该反应器包括用于在流动途径中引导组分物料的反应器管道，和用于将辅助组分注入组分物料中的注射器组件，其中所述流动途径基本上与管道的纵轴平行。反应器管道包括第一部分和第二部分，第一和第二部分的每一个都有上游末端、下游末端和设置在上游末端和下游末端之间的限定反应器管道开口的反应器管道壁。
注射器组件设置在反应器管道第一部分的下游末端和反应器管道第二部分的上游末端之间，并能将第一和第二部分流体连接在一起。注射器组件包括注射器管道和外室。注射器管道具有上游末端、下游末端和设置在上游末端和下游末端之间并限定注射器管道开口的注射器管道壁。注射器管道开口与反应器管道的第一和第二部分的管道开口对准，并与其流体连通。注射器管道壁包括至少一个通过管道壁延伸的口，用于将辅助组分横向注入组分物料中。
反应器的外室环绕注射器管道壁沿其剖面周边延伸，并与口保持流体连通。外室包括用于接收来自辅助组分源的辅助组分的入口。
在另一方面，本发明通过使用这类反应器，提供了可更有效实施的化学方法。根据该方法，可将一种或多种组分加入反应器管道中，使一种组分(或多种组分)作为组分物料通过反应器管道沿其纵轴流动。辅助组分可以通过环绕反应器管道的剖面周边间隔排列的多个口横向注入组分物料中。注射辅助组分通过口，其速度足以使辅助组分显著穿透组分物料的外边界层。
在一个实施方案中，本发明的化学方法为用于生产二氧化钛的方法。将气态卤化钛(例如，四氯化钛)和氧加入反应器的反应器管道的第一反应区中，以使卤化钛和氧作为反应物料沿反应器管道纵轴流过反应器管道。将选自气态卤化钛、氧及其混合物的辅助组分加入位于第一反应区下游的反应器管道中的第二反应区中。辅助组分从环绕反应器管道剖面周边间隔排列的多个口横向注入反应物料中，其速度足以使辅助组分能明显穿透反应物料的外边界层。使卤化钛和氧在反应器管道的第一和/或第二反应区以气相反应，形成二氧化钛颗粒和气态反应产物。然后二氧化钛颗粒与气态反应产物分离。
附图说明
通过参考以下附图，可以更好理解本发明的这些各个方面，其中：
图1为本发明注射器组件实施方案的后透视图；
图2为图1所示的本发明注射器组件实施方案的前透视图；
图3为图1和图2所示的本发明注射器组件实施方案的端视图；
图4为图1～3所示的本发明注射器组件的后视图；
图5为图3沿线5-5的横切面图(cross-sectional view)；
图6为图4沿线6-6的横切面图；
图7为本发明反应器实施方案的截面图；
图7A为图7沿线7A-7A的横切面图；
图8为本发明反应器实施方案的截面图，所述反应器包括彼此直接相邻设置的本发明的两个注射器组件；
图9为本发明反应器实施方案的截面图，所述反应器包括彼此隔开设置的本发明的两个注射器组件；
图10所示为用于生产金红石型二氧化钛的本发明方法实施方案的示意图；
图11包括用于生产金红石型二氧化钛的本发明工艺的本发明反应器的实施方案截面图以及相关的组分预热组件的图示；以及
图12为对应于实施例1的、并且说明通过本发明的注射器组件和反应器所能达到的组分穿透程度的示意图。
具体实施方式
现参考附图1～7对本发明的注射器组件进行说明，该注射器组件用附图标记10来总体表示。注射器组件10的应用目的用图7说明。如图示，注射器组件10用于将辅助组分(未显示)注入组分物料12中，该组分物料沿反应器管道的纵轴20流过反应器18的反应器管道16的管道开口14。如图7所示，组分物料12沿箭头21所指方向流动。注射器组件10可连接在反应器管道16的第一部分24的下游末端22和所述反应器管道的第二部分28的上游末端26之间，连接方式能使反应器管道的第一和第二部分流体连接在一起。
注入组分物料12中的辅助组分可以是蒸气、液体或浆液形式的单一反应物或其它组分或反应物和/或其它组分的组合。类似地，组分物料可以包括蒸气、液体或浆液形式的一种或多种反应物或其它组分。本发明注射器组件10的主要用途是将气体组分注入运动的气体组分物料中。例如，如下所述，本发明注射器组件10可以用来将辅助的卤化钛蒸气或氧注入运动的卤化钛/氧蒸气反应物料中，从而在用于生产二氧化钛的工艺中形成第二反应区。
现具体参考图1～6，注射器组件10包括注射器管道30和外室32。注射器管道30有上游末端34、下游末端36和注射器管道壁38。注射器管道壁38设置在注射器管道30的上游末端34和下游末端38之间，并且限定注射器管道的开口40，可以对注射器管道的开口进行定位，使该开口与反应器管道16的第一部分24和第二部分28的管道开口14流体连通。例如，如图7所示，注射器管道开口40可以与反应器管道16的第一部分24和第二部分28的管道开口14轴向对准，以使注射器管道30和反应器管道的第一部分和第二部分在直的通道(或至少大致直的通道)上对准在一起。
注射器管道壁38包括环绕注射器管道壁的剖面周边44间隔排列、并通过注射器管道壁延伸的多个口42，该多个口42用于将辅助组分横向注入反应器管道16中的组分物料12中。如附图中所示，口42环绕管道壁38的剖面周边44等间隔排列(或至少接近等间隔排列)。
作为本说明书及所附权利要求中所使用的，反应器管道16(或注射器管道壁38，视情况而定)的剖面周边是指相对反应器管道16的纵轴20垂直(或至少大致垂直)延伸的反应器管道16(或注射器管道壁38)的周边(在注射器管道壁38的情况下，如图7所示，是当注射器组件10设置在反应器管道的第一部分24和第二部分28之间时)。将辅助组分横向注入组分物料12中是指以相对于反应器管道16的纵轴20(因此也是组分物料12的纵轴)以一定角度将辅助组分注入组分物料12中(在注射器组件10的情况下，如图7所示，是当注射器组件10设置在反应器管道的第一部分24和第二部分28之间时)，该角度为30°～90°。为了保证明显穿透到组分物料12的外边界层中，辅助组分注入组分物料12中时相对于反应器管道16的纵轴20(因此也是组分物料12的纵轴)的角越接近于90°越好。如附图中所示，将化学反应器18构置成能够以相对于反应器管道16的纵轴20(因此也是组分物料12的纵轴)约90°的角度，将辅助组分注入组分物料12中。
外室32环绕注射器管道壁38的外侧表面46沿其剖面周边44延伸，并与口42保持流体连通。外室32包括入口48，所述入口用于接收来自辅助组分源(未显示)的、要注入组分物料12中的辅助组分。入口48包括法兰50和相应的开口52，用于使法兰能够连接(例如通过螺栓连接)到引导组分到入口(未显示)的管道或其它结构的相应法兰。
隔板60设置在注射器管道30和外室32之间。如附图中所示，隔板60的长度和注射器管道16的长度相同。作为本说明书及所附权利要求中所使用的，每个隔板和注射器管道的长度是指沿反应器管道16的纵轴20延伸的构件的尺寸(如图7所示，在注射器组件10的情况下，是当注射器组件10设置在反应器管道的第一部分24和第二部分28之间时)。如图4最佳显示的，隔板60包括设置在口42的每一个与外室32之间的通道62。每个通道62将相应的口42和外室流体连接在一起。
隔板60使注射器组件10可以容易地各自连接在反应器管道16的第一部分24和第二部分28之间。隔板60包括后表面64和相对的前面66。隔板60的后表面64相对于外室32插入(如图1所示)，而隔板的前表面66相对于外室向外延伸(如图2所示)。隔板60的后表面64相对于外室32的插入特性和前表面66相对于外室32的向外延伸，可使两个注射器组件容易地用螺栓背靠背连接在一起，如图8所示。
多个开口68通过隔板60从后表面64向隔板的前表面66延伸。如图7所示，反应器管道16的第一部分24包括其中有多个开口72的法兰70。类似地，反应器管道16的第二部分28包括其中有多个开口72的法兰74。反应器管道16的第一部分24的法兰70可以连接到隔板60的后表面64，而反应器管道的第二部分28的法兰74可以连接到隔板的前表面66。密封垫76可以设置法兰70和74的每一个与隔板60之间，以保证合适的密封。螺栓78可以通过法兰70中的开口72、隔板60中相应的开口68、和法兰74中相应的开口72延伸，螺母80可以拧到螺栓上，从而将反应器管道16的第一部分24和第二部分28连接到隔板上，并因此间接将其连在一起。这样，反应器管道16的第一部分24和第二部分28可以流体连接到注射器组件10，并因此将其间接地流体连接在一起。反应器管道16的第一部分24和第二部分28以及注射器管道30有效地成为单一的反应器管道，其中口42环绕反应器管道的剖面周边间隔排列。
如附图中所示，注射器管道30(因此还有注射器管道开口40)和隔板60具有圆形截面形状。圆形的截面形状使注射器组件10尤其适合于与管式反应器管道有关的应用。然而，注射器管道30(因此还有注射器管道开口40)和隔板60也可以具有其它的截面形状。非限定性的实例包括椭圆形、方形和其它的多边形截面形状。
如附图中所示，外室32为具有圆形截面形状的管道。然而，外室32也可以具有其它的截面形状。非限定性的实例包括椭圆形、方形和其它的多边形截面形状。
现参考图7～9和11，对本发明的化学反应器进行说明，该化学反应器用附图标记18总体表示。该反应器包括用于在流动途径中引导组分物料12的反应器管道16，所述流动途径与反应器管道的纵轴20平行(或至少大致平行)。反应器管道16包括第一部分24和第二部分28，第一和第二部分的每一个都有下游末端22、上游末端26和设置在上游末端和下游末端之间的限定反应器管道开口14的反应器管道壁88。
本发明的反应器18还包括本发明的注射器组件10，如上所述及附图所说明，该注射器组件用于将辅助组分(未显示)注入组分物料12中。注射器组件10设置在反应器管道16的第一部分24的下游末端22和反应器管道的第二部分28的上游末端26之间，并将该反应器管道的第一和第二部分流体连接在一起。如附图中所示，反应器管道16的第一部分24的法兰70连接到隔板60的后表面64，而反应器管道的第二部分28的法兰74连接到隔板的前表面66。密封垫76设置在法兰70和74的每一个与隔板60之间，以保证合适的密封。螺栓78通过法兰70中的开口72、隔板60中相应的开口68、和法兰74中相应的开口72延伸，螺母80拧到螺栓上，将反应器管道16的第一部分24和第二部分28连接到隔板上，并因此将其间接地连在一起。
注射器组件10的注射器管道30的注射器管道开口40与反应器管道16的第一部分24和第二部分28的管道开口14对准，并与其保持流体连通。这样，反应器管道16的第一部分24及第二部分28和注射器管道30有效地成为单一的反应器管道，其中口42环绕反应器管道的剖面周边44间隔排列。如附图中所示，包括其第一部分24和第二部分28的反应器管道16和注射器管道30在直的通道(或至少大致直的通道)中轴向对准在一起。如附图中所示，反应器管道16(包括第一部分24和第二部分28)、因此还有其反应器管道开口14以及注射器管道30和注射器管道开口40各自都具有圆形的截面形状。如所示，反应器管道开口14的直经和注射器管道开口40相同或至少大致相同。外室32为管道，所述管道环绕注射器管道壁38的外表面46沿其剖面周边44延伸、并且环绕隔板在与反应器管道16的纵轴20垂直或至少大致垂直的方向延伸。
如需要，反应器18可以包括一系列的注射器组件10，将一种或多种组分注入反应器管道16中的组分物料12中。例如，如图8所示，两个注射器组件10a和10b在反应器管道第一部分24的下游末端22和反应器管道第二部分28的上游末端26之间设置成直接彼此相邻。反应器管道16的第一部分24的法兰70连接到注射器组件10a的隔板60的后表面64。类似地，反应器管道的第二部分28的法兰74连接到注射器组件10b的隔板60的前表面66。密封垫76设置在法兰70和74的每一个与相应的隔板60之间，以及注射器组件10a和10b的隔板60的前表面66之间，以保证合适的密封。螺栓78通过法兰70中的开口72、隔板60中相应的开口68、和法兰74中相应的开口72延伸，螺母80拧到螺栓上，从而将反应器管道16的第一部分24和第二部分28连接到隔板60上，并因此间接地将其连在一起。这样，反应器管道16的第一部分24和第二部分28可以流体连接到注射器组件10a和10b，并因此而间接地流体连接在一起。反应器管道16的第一部分24和第二部分28以及组件10a和10b的注射器管道30有效地成为单一的反应器管道，其中口42环绕反应器管道的剖面周边间隔排列。
作为另一个实例，如图9所示，两个注射器组件10a和10b彼此隔开地设置在反应器管道16中。注射器组件10a设置在反应器管道第一部分24的下游末端22和反应器管道第二部分28的上游末端26之间。反应器管道16的第一部分24的法兰70连接到注射器组件10a的隔板60的后表面64。反应器管道16的第二部分28的法兰74连接到注射器组件10a的前表面66。密封垫76设置在法兰70和74的每一个与隔板60之间，以保证合适的密封。螺栓78通过法兰70中的开口72、隔板60中相应的开口68、和法兰74中相应的开口72延伸，螺母80拧到螺栓上，将反应器管道16的第一部分24和第二部分28连接到隔板上，并因此将其间接地连在一起。类似地，注射器组件10b设置在反应器管道第二部分28的下游末端94和反应器管道第三部分100的上游末端98之间。反应器管道16的第二部分28的法兰102连接到注射器组件10b的隔板60的后表面64。反应器管道16的第三部分100的法兰104连接到注射器组件10b的前表面66。密封垫76设置在法兰102和104的每一个与隔板60之间，以保证合适的密封。螺栓78通过法兰102中的开口72、隔板60中相应的开口68、和法兰104中相应的开口72延伸，螺母80拧到螺栓上，将反应器管道16的第二部分28和第三部分100连接到隔板60上，并因此将其间接地连在一起。这样，反应器管道16的第一部分24、第二部分28和第三部分100可以流体连接到注射器组件10a和10b并且间接地连接在一起。反应器管道16的第一部分24、第二部分28和第三部分100以及组件10a和10b的注射器管道30有效地成为单一的反应器管道，其中口42环绕反应器管道的剖面周边间隔排列。
如本领域技术人员所能理解，本发明的化学反应器18还可以包括其它的构件。例如，如图11所示及以下进一步讨论，在一个示范性实施方案中，反应器18包括预热组件124和126，用于预热形成组分物料12的组分。还包括注射器组件132和134，用于将预热组分注入反应器管道16中。还提供了注射管135，用于将辅助组分沿着或大致沿着反应器管道16的纵轴20直接加入组分物料12中。
现参考图7和7A，对本发明的化学方法进行说明。将一种或多种组分加入反应器18的反应器管道16中，加入的方式应能使组分(或多种组分)作为组分物料12通过反应器管道沿其纵轴20流动。然后将辅助组分横向注入(如以上定义的)组分物料12中。该辅助组分是通过环绕反应器管道16的剖面周边108间隔排列的多个口(例如，本发明化学反应器18的本发明注射器组件10的口42)被横向注入组分物料12中的。在一个实施方案中，辅助组分通过其注入组分物料12中的口环绕反应器管道16的剖面周边108等间隔排列(或至少大致等间隔排列)。
辅助组分通过所述口、以足以使辅助组分明显穿透组分物料12外边界层110的速度注射。在一个实施方案中，辅助组分以一定的速度通过口注射，该速度应足以使对应于所得组分物料12(即，其中注入了辅助组分后的组分物料12)的纳塔莉数(Natalie Number)为零(0)～0.5。在另一个实施方案中，辅助组分以一定的速度通过口注射，该速度应足以使对应于所得组分物料12的纳塔莉数为0.3或更小。如在本说明书及所附权利要求中所使用和定义的，对应于所得组分物料12的纳塔莉数在物料中的一个点(“所讨论的点”)上确定，所述点位于离物料中辅助组分注射点下游的三个管径处(即，三倍于反应器管道16直径的距离)。
纳塔莉数代表或量化组分在主物料中某点的浓度与该组分在该主物料中相同点的理论浓度的偏差，假定组分与主物料在该点完全混合。应用计算流体动力学计算跨越截面的大致1000个位置的每个点的浓度C1。如果组分与主物料在所讨论的点完全混合，则偏差为零(0)。另一方面，如果组分与主物料在所讨论的点完全没有混合，则偏差为一(1)。
因此，在所讨论的点上，对应于所得组分物料12的纳塔莉数反映了辅助组分穿透外边界层110并与组分物料12混合的程度。对应于所得组分物料12的纳塔莉数(NNa)根据以下公式来确定：
N Na = ∫ ∫ ( C avg - C 1 ) 2 dxdy . A ( C avg ) 2
其中：
Cavg＝辅助组分在所讨论点的平均浓度，假定辅助组分与所得组分物料12完全混合；
C1＝辅助组分在跨截面间隔开的大约1000个位置的每一个点上的实际浓度；并且
A＝所讨论点上的反应器管道16的截面积。
以下将通过实施例1来进一步说明对应于所得组分物料12的纳塔莉数(N)的测定。
在一个实施方案中，辅助组分从环绕反应器管道16的外侧112沿其剖面周边108延伸的外室(例如注射器管道10的外室32)被引导到反应器管道16中的口(例如注射器组件10的口42)。外室32为管道，该管道环绕反应器管道16的外侧112沿其剖面周边108延伸，其方向与反应器管道16的纵轴20垂直或至少大致垂直(例如反应器18的注射器管道10的外室32)。辅助组分可以被注入外室中，注入方式(例如，以足够的速度)应能使辅助组分沿其纵轴旋转地通过外室。辅助组分旋转通过外室可有助于确保例如辅助组分进入所有的口。注入组分物料12中的辅助组分可以是蒸气、液体或浆液形式的单一反应物或其它组分，或反应物和/或其它组分的组合。
现参考图10和11，对根据本发明方法的用于生产二氧化钛的方法进行说明。气态卤化钛(如四氯化钛)和氧在反应器18中以气相连续反应，生成二氧化钛颗粒和气态反应产物。氧(O2)物料120或含氧气体(“氧气物料120”)与气态卤化钛物料122(“卤化钛气态物流122”)在至少700℃(1292°F)的温度下在反应器18中结合。
在反应器18中组合之前，氧气物料120和卤化钛气体物料122例如在预热组件124和126中各自预热。预热组件124和126可以是例如壳管类型的组分加热器。氧气物料120从其源128被引导到预热组件120，并在其中预热至16℃(60°F)～1871℃(3400°F)的温度，典型地至温度38℃(100°F)～1054℃(1930°F)。类似地，卤化钛气体物料122从其源130被引导到预热组件126，并在其中预热至121℃(250°F)～982℃(1800°F)的温度，典型地至温度135℃(275°F)～177℃(350°F)。
预热过的氧气物料120和预热过的卤化钛气体物料122从预热组件124和126分别被引导到注射组件132和134，并且由此加入反应器18的反应器管道16的第一反应区136。物料120和122通过注射组件132和134加入第一反应区136，加入方式应能使物料作为组合反应物料12通过反应器管道16沿其纵轴20流动。
如图11所示，注射组件132和134通过圆柱形的注射管道140连接在一起。注射管道140包括上游末端142、下游末端144和通过其轴向延伸的注射管道开口146。
氧气物料注射组件132包括圆柱形的外壳150，所述外壳具有下游末端152、相对的上游末端154和通过其轴向延伸的开口156。下游末端壁158固定到外壳150的下游末端152，上游末端壁160固定到外壳150的上游末端154。密封垫162设置下游末端壁158和下游末端142与上游末端壁160和上游末端154之间，以保证合适的密封。由开口156形成的内径(即，外壳150的内径)大于注射管道140的外径。
注射管道140的上游末端142通过下游末端壁158的中部166延伸，这样管道140通常靠近其上游末端142的一部分设置在外壳150的开口156的一部分内(即，在外壳的内部)。注射管道140的上游末端142离外壳150的上游末端壁160间隔一定的距离。由开口156形成的内壁(即，外壳150的内壁)与注射管道140外侧的外周表面168之间的空间形成了室170。注射管道140的上游末端142与上游末端壁160之间的空间形成了狭缝172，这可以使外壳150的室170与注射管道140的注射管道开口146之间保持流体连通。
预热的氧气物料120从预热组件124通过外壳150中的入口176被引导到外壳150的室170。入口176可以相对外壳150偏移设置，这样氧气物料就可以从入口切向地注入室170中，并在所述室中向氧蒸气物料引入圆周或旋转运动。圆周或旋转运动可以有助于保证例如氧蒸气环绕狭缝172的周围均匀地进入管道开口146。
在图11所示的实施方案中，独立的注射管135通过上游末端壁延伸，并且沿轴向向注射管道140的中心延伸一定的距离。注射管135可以用来将辅助组分(例如，擦洗剂)加入反应器18的反应器管道16中所形成的反应物料12中。
卤化钛气体物料注射组件134包括圆柱形的外壳190，所述外壳具有下游末端192、相对的上游末端194和通过其轴向延伸的开口196。下游末端壁198固定到外壳190的下游末端192，上游末端壁200固定到外壳190的上游末端194。密封垫202设置下游末端壁198和下游末端192与上游末端壁200和上游末端194之间，以保证合适的密封。由开口196形成的内径(即，外壳190的内径)大于注射管道140的外径。
注射管道140的下游末端144通过上游末端壁200的中部202延伸，这样管道140通常靠近其下游末端144的一部分设置在外壳190的开口196的一部分内(即，在外壳的内部)。注射管道140的下游末端144离外壳190的下游末端壁198间隔一定的距离。由开口196形成的内壁(即，外壳190的内壁)与注射管道140外侧的外周表面168之间的空间形成了室204。预热的卤化钛气体物料122从预热组件126通过外壳190中的入口206引导到外壳190的室204。
反应器18的反应器管道16的第一部分24的上游末端208通过外壳190的下游末端壁198的中部210延伸。反应器管道16的第一部分24的上游末端208与注射管道140的下游末端144轴向隔开一定的距离，从而在室204中形成狭缝212。狭缝212在室204与反应器18的反应器管道16的第一部分24的管道开口14之间提供流体连通。如所示的，反应器管道16的管道开口14与注射管道140的注射管道开口146轴向对齐。
入口206可以相对外壳190偏移设置，这样卤化钛蒸气物料可从入口切向地注入室204中，在室中向蒸气物料引入圆周或旋转运动。圆周或旋转运动可以有助于保证例如卤化钛蒸气环绕狭缝212的周围均匀地进入管道开口14。
反应器管道第一部分24的形状可以是截头圆锥形，该部分的直径从其上游末端208向下游末端22增加。第二部分28和第三部分100的形状也可以是类似的截头圆锥形。
将选自气态卤化钛和氧的辅助组分加入反应器管道16中位于第一反应区136下游的第二反应区220。以足以使辅助组分能明显穿透反应物料12外边界层110的速度，从环绕反应器管道16剖面周边108间隔排列的多个口将辅助组分横向注入反应物料12中。在一个实施方案中，辅助组分以一定的速度通过所述口注射，该速度足以使对应于所得反应物料12的纳塔莉数为零(0)～0.5。在另一个实施方案中，辅助组分以一定的速度通过所述口注射，该速度足以使对应于所得反应物料12的纳塔莉数为0.3或更小。就本发明的化学方法而言，对应于所得反应物料12的纳塔莉数如以上所定义和说明的。
在一个实施方案中，辅助组分从环绕反应器管道16的外侧112沿其剖面周边108延伸的外室被引导到反应器管道16中的口(例如注射器组件10的口42)。外室32为管道，该管道环绕反应器管道16的外侧112沿其剖面周边108延伸，其方向为与反应器管道16的纵轴20垂直或至少大致垂直。辅助组分可以被注入外室中，其注入方式(例如，以足够的速度)应能使辅助组分沿其纵轴旋转通过外室。辅助组分旋转通过外室有助于确保例如辅助组分进入所有的口。
如图11所示，辅助组分通过本发明注射器组件10横向注入反应物料12中。该辅助组分从注射器组件10的口42被横向注入反应物料12中。辅助组分被从注射器管道10的外室32引导到口42。
注射器组件10在第一反应区136的下游隔开。如图7和11所示及以上所讨论，注射器组件10设置在反应器管道16的第一部分24的下游末端22和反应器管道的第二部分28的上游末端26之间，从而将反应器管道的第一和第二部分流体连接在一起。本发明注射器组件10将辅助组分横向注入反应物料12中的方式已在上面描述。
在一个实施方案中，辅助组分选自气态卤化钛、氧及其混合物。添加的卤化钛和/或氧与来自第一反应区136的未反应的卤化钛和/或氧反应，因此提高工艺的能力。如附图中所示，辅助组分为额外的四氯化钛。辅助卤化钛的物料222在预热组件224中预热，并通过本发明注射器组件10注入第二反应区220中。卤化钛气体物料222从其源(未显示)引导到预热组件224，并在其中预热至121℃(250°F)～982℃(1800°F)的温度，典型地至温度135℃(275°F)～177℃(350°F)。
使卤化钛和氧在反应器管道16的第一反应区136和/或第二反应区220以蒸气相反应，形成二氧化钛颗粒和气态反应产物。混合的反应物蒸气例如以92米(100英尺)/秒～738米(800英尺)/秒的速度流过反应器管道16。在1个大气压(绝对压力)的压力下，氧化反应的温度典型地为1260℃(2300°F)～1371℃(2500°F)。进行氧化时的压力可以有很宽的变化。例如，氧化反应可以在表压21kPa(3psig)～表压345kPa(50psig)的压力下进行。
卤化钛反应物可以是任何已知的钛卤化物，包括四氯化钛(TiCl4)、四溴化钛、四碘化钛和四氟化钛。非常合适的卤化钛为四氯化钛。四氯化钛是大部分用于生产金红石型二氧化钛颜料的气相氧化法所优选的卤化钛，如果不是全部的话。其根据以下反应而氧化生成颗粒状的固体二氧化钛和气体的反应产物：
TiCl4+O2→TiO2+2Cl2
在一个实施方案中，注入组合反应物料12中的辅助组分是额外的卤化钛。加入反应器管道16的第一反应区136和第二反应区220中的卤化钛可以是四氯化钛。
含氧的气体反应物优选为分子氧。然而，其还可以包括例如与空气(富集氧的空气)的混合物中的氧。所使用的具体氧化性气体取决于多因素，包括反应器管道16内反应区136和220的大小、卤化钛和含氧气体反应物的预热程度、反应区表面冷却的程度以及反应物在反应区中的生产速率。
虽然所使用的卤化钛和氧化气体反应物的准确的量可以宽泛变化并且不是特别关键，重要的是存在的含氧气体反应物的量至少足以提供与卤化钛的化学计量反应。通常，所使用的含氧气体反应物的量可以多于与卤化钛反应物化学计量反应所需要的量，例如，比化学计量的反应所需的量多5％～25％。
除了卤化钛和氧化气体反应物，为了各种目的，经常需要将其它的组分加入反应器18中。例如，在一个实施方案中，将以足够促进二氧化钛金红石化的预定量的氧化铝加入反应器18中。促进二氧化钛金红石化所需的氧化铝的量依本领域技术人员所知的许多因素变化。通常，促进金红石化所需的氧化铝的量基于所产生的二氧化钛颗粒的重量为0.3wt％～1.5wt％。加入反应区16中的氧化铝的典型量为基于产生的二氧化钛重量的1.0wt％。
在一个实施方案中，通过将氯化铝与氧气物料120、卤化钛物料122和/或辅助卤化钛物料222的组合，将氧化铝加入反应器18的反应区16中。如附图中所示，氯化铝与卤化钛物料122和222的一股或两股混合。氯化铝在氯化铝发生器230中原位产生，氯化铝发生器230与卤化钛物料122和卤化钛物料222的一股或两股保持流体连通。本领域有熟知的各种类型的氯化铝发生器，并可以用于本发明的方法中。例如，无论是否存在惰性粒子材料，粉末状铝都可以通过反应物氯和/或惰性气体在反应器中的向上通过而流化。或者，可以将铝以颗粒形式加入氯气物料中，但是不一定充分精细粉碎，以在气体物料中流化。将氯通过床周围的许多喷嘴通到床上，固定床的颗粒状铝可以被氯化。
可以优选加入反应器18中的另一个组分的实例为擦洗剂。擦洗剂的作用是清洁反应器壁并防止其结垢。可使用的擦洗剂的实例包括但不限于：沙子，经造粒、干燥并烧结的二氧化钛和水的混合物，压制的二氧化钛，石盐，熔融氧化铝，二氧化钛，盐混合物等。
在反应器18中形成的二氧化钛颗粒和气态反应产物通过与冷却介质(例如冷却水)在管式热交换器240中换热而被冷却至约704℃(1300°F)的温度。还可以将擦洗剂注入热交换器240中，从换热器的内表面除去二氧化钛和其它材料的沉积物。热交换器240中可以使用反应器18中所使用的同类擦洗剂。
流过热交换器240后，颗粒状固体二氧化钛与气态反应产物及任何擦洗剂在分离装置250中分离。
根据本发明方法制造的二氧化钛非常适合用作颜料。
实施例
提供本预示的实施例以进一步说明本发明。
实施本发明用于生产二氧化钛的方法，该方法如以上所述及图10和11中所说明。在所述方法中使用本发明的化学反应器18。预热的氧气物料120和预热的四氯化钛气体物料122加入反应器18的反应器管道16的第一反应区136，其方式应能使物料作为组合反应物料12沿其纵轴20流动通过反应器管道16。混合反应物料12通过反应器管道16的流速为2.5千克/秒。混合反应物料12的温度为1300度开氏温度。反应器管道16的直径为125cm(7英寸)。
然后通过注射器组件10将辅助的氧加入第二反应区220中。注射器组件10包括环绕注射器管道壁38的剖面周边等间隔排列的八个口42，其中每个口的直径都是1.58cm(0.622英寸)。辅助的氧旋转通过外室32并且通过口42以0.189千克/秒的速度横向注入反应物料12中。辅助氧的温度为300度开氏温度。辅助氧在注射过程中穿过注射器组件10的压降为表压30kPa(4.4psig)。
辅助的氧通过口42横向注入反应物料12中的速度足以使辅助氧明显穿透反应物料12的外边界层110。辅助氧通过口42横向注入反应物料12中的速度还足以使对应于所得反应物料的纳塔莉数为0.3。对应于得到反应物料12的纳塔莉数在反应物料中的一个点(“所讨论的点”)上确定，所述点位于离辅助氧通过注射器组件10向物料中注射的点下游三个管径处。纳塔莉数(NNa)根据以下给出的公式确定。
其中：
N Na = ∫ ∫ ( C avg - C 1 ) 2 dxdy . A ( C avg ) 2
其中：
Cavg＝0.07，辅助的氧在所讨论点的平均浓度，假定辅助的氧气与所得组分物料12完全混合；
C1为0～1，辅助组分在跨截面间隔开的大约1000个位置上使用计算流体力学确定的实际浓度；并且
A＝38.5平方英寸，为所讨论点上的反应器管道16的截面积。

Claims (18)

1.一种注射器组件，用于沿反应器管道的纵轴将辅助组分注入流经反应器管道的管道开口的组分物料中，所述组件可以连接在反应器管道第一部分的下游末端与反应器管道第二部分的上游末端之间，连接的方式能够使反应器管道的第一部分和第二部分流体连接在一起，所述组件包括：
注射器管道，其具有上游末端、下游末端和设置在所述上游末端和下游末端之间且限定注射器管道的开口的注射器管道壁，所述开口可以被定位成与反应器管道的第一部分和第二部分的管道开口流体连通，所述注射器管道壁包括至少一个通过管道壁延伸的口，用于将辅助组分横向注入反应器管道中的组分物料中；以及
外室，所述外室围绕所述注射器管道壁的外侧沿其剖面周边延伸，并与所述口流体连通，所述外室包括用于接收来自辅助组分源的辅助组分的入口。
2.权利要求1的注射器组件，其中所述注射器管道壁包括多个通过管道壁延伸的口，用于将辅助组分横向注入反应器管道中的组分物料中，并且所述外室与所述口的每一个流体连通。
3.权利要求2的注射器组件，其中所述口环绕注射器管道壁的剖面周边间隔排列。
4.权利要求1的注射器组件，其中所述组件还包括设置在所述注射器管道与所述外室之间的隔板，所述隔板包括设置在所述口与所述外室之间的通道，并且将所述口与所述外室流体连接一起。
5.权利要求2的注射器组件，其中所述组件还包括设置在所述注射器管道与所述外室之间的隔板，所述隔板包括设置在所述口的每一个与所述外室之间的通道，每个所述通道将相应的所述口与所述外室流体连接一起。
6.一种化学反应器，其包括：
用于在流动途径中引导组分物料的反应器管道，所述流动途径至少与反应器管道的纵轴大致平行，所述反应器管道包括第一部分和第二部分，第一部分和第二部分的每一个都有上游末端、下游末端、和设置在上游末端和下游末端之间的限定反应器管道开口的反应器管道壁；以及
注射器组件，用于将辅助组分注入组分物料中，所述组件设置在所述反应器管道的所述第一部分的所述下游末端与所述反应器管道的所述第二部分的所述上游末端之间，并且将所述第一部分和第二部分流体连接在一起，所述组件包括：
注射器管道，所述注射器管道具有上游末端、下游末端和设置在所述上游末端与所述下游末端之间且限定注射器管道开口的注射器管道壁，所述注射器管道开口与所述反应器管道的所述第一和第二部分的所述管道开口对准，并与其保持流体连通，所述注射器管道壁包括至少一个通过管道壁延伸的口，用于将辅助组分横向注入组分物料中；以及
外室，所述外室围绕所述注射器管道壁的外侧沿其剖面周边延伸，并与所述口流体连通，所述外室包括用于接收来自辅助组分源的辅助组分的入口。
7.权利要求6的反应器，其中所述注射器管道壁包括多个通过管道壁延伸的口，并且所述外室与所述口的每一个流体连通。
8.权利要求7的反应器，其中所述口环绕所述注射器管道壁的剖面周边间隔排列。
9.权利要求6的反应器，其中所述注射器组件还包括设置在所述注射器管道与所述外室之间的隔板，所述隔板包括设置在所述口与所述外室之间的通道，并且将所述口与所述外室流体连接一起。
10.权利要求7的反应器，其中所述注射器组件还包括设置在所述注射器管道与所述外室之间的隔板，所述隔板包括设置在所述口的每一个与所述外室之间的通道，每个所述通道将所述相应的口与所述外室流体连接一起。
11.权利要求10的反应器，其中所述外室是环绕所述注射器管道壁的外侧沿其剖面周边延伸、并且环绕所述隔板在与所述反应器管道的纵轴至少大致垂直的方向延伸的管道。
12.权利要求11的反应器，其中所述反应器管道包括其所述第一和第二部分，并且所述注射器管道在至少大致直的通道中一起轴向对准。
13.一种化学方法，其包括：
将一种或多种组分加入反应器管道中，加入的方式使得该一种或多种作为组分物料沿反应器管道的纵轴流动通过反应器管道；以及
通过环绕所述反应器管道的剖面周边间隔排列的多个口，将辅助组分横向注入所述组分物料中，所述辅助组分被注射通过所述口的速度足以使所述辅助组分明显穿透所述组分物料的外边界层。
14.权利要求13的方法，其中辅助组分通过所述口被注入所述组分物料中的速度足以使对应于所得组分物料的纳塔莉数为零(0)～0.5。
15.权利要求13的方法，其中辅助组分通过所述口被注入所述组分物料中的速度足以使对应于所得组分物料的纳塔莉数为0.3或更小。
16.权利要求13的方法，其中所述辅助组分被从外室引导到所述反应器管道中的所述口，所述外室为环绕所述反应器管道的外侧沿其剖而周边延伸的管道，延伸方向与所述反应器管道的纵轴至少大致垂直。
17.权利要求16的工艺，其还包括使所述辅助组分沿所述纵轴旋转通过外室的步骤。
18.一种用于制备二氧化钛的方法，其包括：
将气态卤化钛和氧加入反应器的反应器管道的第一反应区中，加入的方式能够使卤化钛和氧作为反应物料沿反应器管道的纵轴通过反应器管道；
将选自气态卤化钛、氧及其混合物的辅助组分引入到所述第一反应区下游的所述反应器管道中的第二反应区中，将所述辅助组分以足以使所述辅助组分明显穿透所述反应物料外边界层的速度、从环绕所述反应器管道剖面周边间隔排列的多个口横向注入所述反应物料中；
使卤化钛和氧在所述反应器管道的所述第一和/或第二反应区以气相反应，形成二氧化钛颗粒和气态反应产物；以及
将所述二氧化钛颗粒与所述气态反应产物分离。
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