CN1277941A - 氯化钛白氧化反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氯化钛白氧化反应器。本发明在四氯化钛进料环上设置不等径或不同结构的射流孔,并使其相间排列,从而调整四氯化钛进料环各射流的动量比,实现反应物料的快速混合;在四氯化钛进料环中设置一个整流环,对四氯化钛进料环内气体流动进行整流,使切向流动减慢,压力分布趋于均匀。与传统的反应器相比,本发明的反应器生成强度提高,制备的二氧化钛产品粒度分布更加均匀,金红石含量更高,产品的白度和消色率显著改善。

Description

氯化钛白氧化反应器

本发明涉及制备氯化钛白的反应器，尤其涉及制备氯化钛白的燃烧反应器。

钛白粉是一种与现代生活关系极为密切的重要化工原料，主要应用于涂料、塑料和造纸等领域，对国民经济发展起到重要促进作用。1994年，全球钛白粉的消费量为306万吨；1997年，全球钛白粉的消费量达到359.6万吨；预计2000年的消费量将突破420万吨，消耗额将超过80亿美元。钛白粉消耗量是衡量一个国家国民经济发展水平的一个重要指标。

氯化钛白制备过程包括高钛渣氯化、粗四氯化钛精制、四氯化钛氧化和二氧化钛包膜四大过程，其中四氯化钛氧化是制备高档金红石钛白粉的关键，氧化反应器则是其中的核心设备。为此，众多的专利公开了各自的技术，如：

专利(USP2653078、USP3068281和BP535214)公开了一种辅助燃烧反应器，专利(USP3540853、USP3582278)公开了一种预燃烧反应器，专利(USP3429665)披露了一种等离子体加热的反应器。

预燃烧式氧化反应器主要由燃烧区、混合区和反应区三部分构成，混合区是氧化反应器的关键部位，对最终钛白粉的品质和规格起到决定性作用。混合区由四氯化钛加料环组成，为了防止反应器内壁结疤，可以在四氯化钛进料环的上方设置清洗环和在其下游的设置气膜保护环。从燃烧区来的含氧热气流均匀地流入混合区，四氯化钛蒸汽经过加料环，以射流的方式高速喷入高温氧气流中快速混合，经反应和成核生产金红石型二氧化钛。

四氯化钛高温气相氧化为极快速反应，混合为该过程的控制因素。混合快，混合区短，产品质量就高。为获得良好的混合效果，四氯化钛进料环的结构非常重要。美国专利USP3540853和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。专利SP1286760和USP3615202报道了采用狭峰射流，实现高温氧气与四氯化钛的混合。在实际应用过程中发现，上述专利公开的技术存在着较大的缺陷：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。另一方面采用环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，比较难于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。

本发明的目的在于提供一种具有变截面整流环和四氯化钛复合射流孔的氯化钛白氧化反应器，以克服现有技术射流速度存在较大差异和整个反应器的横向截面与高温氧气混合不均匀的缺陷。

本发明的构思是这样的：

本发明针对氧化反应器内流体均布，研究了环型通道内变质量流动的压强分布规律和园形平面内二维变质量流动的压强分布规律，探明混合区的几何形状、气体入口的形式、气体入口速度对混合影响的基础上提出如下设想：

(1)四氯化钛进料环上设置不等径或不同结构的射流孔，并使其相间排列，从而调整四氯化钛进料环各射流的动量比，使相邻两个或多个射流孔射流的喷射距离不同，通过相邻的两个或多个射流孔射流的速度适当搭配，实现反应物料的快速混合；

(2)在四氯化钛进料环中设置一个整流环，对四氯化钛进料环内气体流动进行整流，使切向流动减慢，压力分布趋于均匀。

本发明的目的是这样实现的：

本发明所说的反应器包括燃烧段、混合段和反应段；

所说的混合段包括进料环和射流环，射流环设置在进料环内，进料环和射流环之间形成一环道，进料环上设有四氯化钛蒸汽入口；

为调整高温氧气和四氯化钛蒸汽的动量比，射流环上设有直径不同或/和结构不同且相间排列的射流孔，以使相邻两个或多个射流孔射流的穿透距离不同，通过相邻两个或多个小孔射流动量的适当配合，实现反应物料的快速混合，小射流孔和大射流孔的面积比为0.1-0.9，小射流孔总面积和大射流孔总面积比为0.1-10；所说的结构不同，即射流孔的轴线可以垂直于反应器中心轴，也可以与中心轴存在一定的夹角；

为了控制混合区的壁温，在环道与混合区之间可设置一冷却介质环道，该冷却介质环道与冷却环道冷却介质入口和冷却环道冷却介质出口相连通；

为了防止反应器内壁结疤，可以在进料环的上方设置清洗环和在其下方设置气膜保护环，前清洗环设有前清洗环气体入口，后气膜保护环设有后气膜保护环气体入口，用于补充气膜保护等所用的气体，如氯气等，根据工艺要求，也可以不设置前清洗环和后气膜保护环；

燃烧介质和雾化介质入口设置在燃烧段的上端，氧气入口可设置在燃烧段的顶端或上部；

所说的反应段设有冷却夹套、反应段冷却介质入口和反应段冷却介质出口，用于通入冷却介质以控制反应器壁温以及反应温度；

燃烧段、前清洗环、混合段、后气膜保护环和反应段依次相连接，即构成所说的氯化钛白氧化反应器。

为使进料环内气体切向流动减慢，压力分布趋于均匀，可进一步设置一具有小孔的整流环。所说的整流环设置在进料环与射流环之间的环道中，整流环与进料之间形成外环道，整流环与射流环之间形成内环道。四氯化钛进口与外环道相连通，内、外环道通过整流环上的小孔连通，整流环内环道通过射流孔与混合区相连通。整流环相当于一个气体流动阻力部件，它具有整流和调节压强的作用，整流环将原来的单元环道分割成内环道和外环道，从而使气体由原来的一次分布改变为两次分布，使内环道压力分布趋于均匀，为了减少整流环的流动阻力，提高整流环效果，整流环上小孔的直径为1-10mm，如果开孔直径小，整流环加工的工作量较大，如果开孔太大则起不到整流作用，开孔率为5-50％；

操作时，燃烧介质、雾化介质和氧气分别由设置在燃烧段上的入口进入燃烧段，燃烧生成高温气流；四氯化钛蒸汽由四氯化钛入口进入外环道，通过整流环上小孔进入内环道，然后通过射流孔进入混合区，与来自燃烧段的高温气流混合反应；氯气可由前清洗环气体入口和后气膜保护环气体入口进入反应器；反应后的气体由反应段的下端流出反应器。反应段冷却介质由反应段冷却介质入口进入夹套，以调节反应过程的温度和反应器壁温。

以下将通过附图对本发明作进一步的说明。

图1为反应器结构示意图。

图2为混合段结构示意图。

图3为图2中A-A向示意图。

图4为具有整流环的混合段结构示意图。

图5为图4中B-B向示意图。

图6为反应器内不同截面的径向相对浓度分布图。

由图1、图2和图3可见，本发明所说的反应器包括燃烧段8、前清洗环11、混合段7、后气膜保护环14和反应段1；

所说的混合段7包括进料环13和射流环19，射流环19设置在进料环13内，进料环13和射流环19之间形成一环道25，进料环13上设有四氯化钛蒸汽入口4；所说的射流环19上设有直径不同或/和结构不同且相间排列的射流孔20，小射流孔和大射流孔的面积比为0.1-0.9，小射流孔总面积和大射流孔面积总面积比为0.1-10，射流孔20的轴线可以垂直于反应器中心轴，也可以与中心轴存在一夹角；

在环道25与混合区24之间可设置冷却介质环道21，该冷却介质环道21与冷却环道冷却介质入口5和冷却环道冷却介质出口12相连通；

在进料环13的上方设置清洗环11和在其下方设置气膜保护环14，清洗环11设有清洗环气体入口6，气膜保护环14设有气膜保护环气体入口3，根据工艺要求，也可以不设置清洗环11和气膜保护环14；

燃烧介质和雾化介质入口10设置在燃烧段8的上端，氧气入口9可设置在燃烧段8的顶端或上部；

所说的反应段1设有冷却夹套16、反应段冷却介质入口2和反应段冷却介质出口15；

燃烧段8、清洗环11、混合段7、气膜保护环14和反应段1依次相连接，即构成所说的氯化钛白氧化反应器。

由图4和图5可见，在上述反应器混合段7的环道25中，设置一整流环18，整流环18与进料环13形成外环道22，整流环18与射流环19形成内环道23；

四氯化钛进口4与外环道22相连通，外环道22通过整流环上的小孔17与内环道23相连通，内环道23通过射流孔20与混合区24相连通。小孔17的直径为1-10mm，整流环18的开孔率为5-50％；整个整流环18的开孔率可以全部相同，但最好沿周向逐步变化，而不采用同一开孔率，即在某一区域其开孔率为5％，然后逐步增大，最大可增至50％，形成一种变截面的整流内环。

操作时，燃烧介质、雾化介质和氧气分别由设置在燃烧段8上的入口9、10进入燃烧段8，燃烧生成高温气流；四氯化钛由四氯化钛入口4进入外环道22，通过整流环18上的小孔17进入内环道23，然后通过射流孔20进入混合区24，与来自燃烧段8的高温气流混合反应，并进入反应段1；气膜保护用的气体可由前清洗环气体入口6和后气膜保护环气体入口3进入；反应后的气体由反应段1的下端流出反应器。反应段冷却介质由反应段冷却介质入口2进入反应段夹套16，以调节反应过程的温度和反应器壁温。

图6描述了相同操作条件下不同反应器内不同截面的径向相对浓度分布，其中，(a)为传统反应器的分布，(b)为本发明反应器的分布。图中，横坐标为无因次半径，纵坐标为无因次浓度，x为测试点距离射流孔的轴向距离。不同径向位置时，无因次浓度趋于1时，表明四氯化钛与高温氧气混合达到均匀；达到混合均匀所需轴向距离既x值越小，说明四氯化钛与高温氧气的混合越快。对比图(a)和图(b)，可以很明显地看出，本发明的反应器实现了四氯化钛与高温氧气的快速混合，混合速率高于传统反应器的10倍以上。

由上述公开的技术方案可见，所说的反应器具有如下显著的优点：

四氯化钛蒸汽在进料环内环道流动时压力趋于均匀，切向流动基本消失；而且通过射流孔大小的适当搭配，使得四氯化钛蒸汽与高温氧气实现了最大限度地快速混合，不但使反应器内宏观反应速率明显提高，也使得通过该氧化反应器制备的二氧化钛产品品质得到了提高。与传统的反应器相比，本发明的反应器生成强度提高，制备的二氧化钛产品粒度分布更加均匀，金红石含量更高，产品的白度和消色率显著改善。

Claims (7)

1.一种氯化钛白氧化反应器，包括燃烧段(8)、混合段(7)和反应段(1)，燃烧段(8)、混合段(7)和反应段(1)依次相连接，燃烧介质和雾化介质入口(10)设置在燃烧段(8)的一端，氧气入口(9)设置在燃烧段(8)的顶端或上部，反应段(1)设有冷却夹套(16)、反应段冷却介质入口(2)和反应段冷却介质出口(15)，其特征在于：

所说的混合段(7)包括进料环(13)和射流环(19)，射流环(19)设置在进料环(13)内，进料环(13)和射流环(19)之间形成环道(25)，进料环(13)上设有四氯化钛蒸汽入口(4)；

所说的射流环(19)上设有直径不同或/和结构不同且相间排列的射流孔(20)，小射流孔和大射流孔的面积比为0.1-0.9，小射流孔总面积和大射流孔总面积比为0.1-10，射流孔(20)的轴线垂直于反应器中心轴或与中心轴存在一夹角。

2.如权利要求1所述的反应器，其特征在于：在混合段(7)的环道(25)中，设置整流环(18)，整流环(18)与进料环(13)形成外环道(22)，整流环(18)与射流环(19)形成内环道(23)，四氯化钛进口(4)与外环道(22)相连通，外环道(22)通过整流环(18)上的小孔(17)与内环道(23)相连通，内环道(23)通过射流孔(20)与混合区(24)相连通，小孔(17)的直径为1-10mm，整流环(18)的开孔率为5-50％。

3.如权利要求2所述的反应器，其特征在于：整流环(18)不同周向位置的开孔率不相同，开孔率变化范围为5-50％。

4.如权利要求1所述的反应器，其特征在于：在环道(25)与混合区(24)之间设置冷却介质环道(21)，该冷却介质环道(21)与冷却环道冷却介质入口(5)和冷却环道冷却介质出口(12)相连通。

5.如权利要求2所述的反应器，其特征在于：在内环道(23)与混合区(24)之间设置冷却介质环道(21)，该冷却介质环道(21)与冷却环道冷却介质入口(5)和冷却环道冷却介质出口(12)相连通。

6.一种氯化钛白氧化反应器，包括燃烧段(8)、混合段(7)和反应段(1)，燃烧段(8)、混合段(7)和反应段(1)依次相连接，燃烧介质和雾化介质入口(10)设置在燃烧段(8)的一端，氧气入口(9)设置在燃烧段(8)的顶端或上部，反应段(1)设有冷却夹套(16)、反应段冷却介质入口(2)和反应段冷却介质出口(15)，其特征在于：

所说的混合段(7)包括进料环(13)、整流环(18)和射流环(19)，射流环(19)设置在进料环(13)内，进料环(13)和射流环(19)之间形成环道(25)，整流环(18)设置在环道(25)中，进料环(13)上设有四氯化钛蒸汽入口(4)，整流环(18)与进料环(13)形成外环道(22)，整流环(18)与射流环(19)形成内环道(23)，四氯化钛进口(4)与外环道(22)相连通，外环道(22)通过整流环(18)上的小孔(17)与内环道(23)相连通，内环道(23)通过射流孔(20)与混合区(24)相连通，小孔(17)的直径为1-10mm，整流环(18)的开孔率为5-50％。

7.如权利要求6所述的反应器，其特征在于：整流环(18)不同周向位置的开孔率不相同，开孔率变化范围为5-50％。

Images