一種高速氣體反應器及其使用方法與流程
本發明涉及一種高速氣體反應器及其使用方法，屬于流體動力學和冶金交叉領域。
背景技術：
高溫且具有腐蝕性的氣體與另外一種氣體反應屬于強放熱反應，兩種反應氣體混合效果差會造成局部溫度過高，導致產品顆粒大小不均勻，嚴重時會產生燒結甚至結疤。并且進料操作條件控制不當，會在反應氣體混合時產生回流且發生反應形成微小顆粒，造成反應器的射流孔堵塞。
鈦白粉是一種優良的基礎工業原料，使用范圍廣泛。我國鈦白粉生產主要以硫酸法為主，技術也較成熟，占國內鈦白生產總量的99％以上，但硫酸法生產鈦白技術生產工藝流程長、污染大、環境風險高。氯化法生產鈦白以流程短、產品質量高、污染小、自動化程度高等優點而被國家列為產業調整指導鼓勵類目錄，但該產業的關鍵技術被國外幾家公司所掌控，且被作為技術秘密保護。國內云南冶金新立鈦業、河南佰利聯等公司引入德國鈦康等設計公司的技術，存在很多問題，尤其在氧化反應器結疤等方面周期明顯低于國際先進水平，造成連續化生產周期短。
反應物料TiCl4和O2在氧化反應器中幾毫秒內即完成反應，反應速度極快，基本上是一接觸即發生反應，因此不能將物料TiCl4和O2進行預先混合，否則會堵塞管道，而須將TiCl4和O2分別通入反應器，并在極短時間內完成氣體的混合均勻，否則會影響TiO2顆粒粒徑分布和晶型轉化，進而導致燒結和結疤，影響產品的質量。停留時間與物料在氧化反應器中的流動狀態和混合情況密切相關，結構性能優異的氧化反應器能為氣體的流動提供良好的流動條件，使物料TiCl4和O2進入反應器后迅速混合均勻，并穩定均勻地流過反應器。因此，本申請設計了一種高速氣體反應器，通過控制射流穿透深度、射流孔孔數、孔徑、孔間距、動量通量比等關鍵技術參數，達到兩種氣體在0.5秒內快速混合均勻的效果，該設備結構簡單，混合時間短、效率高，該技術方法可優化氧化反應器的設計，有效避免氧化反應器結疤，對于高溫腐蝕氣體的快速混均具有重要指導意義。
技術實現要素：
本發明提供了一種高速氣體反應器及其使用方法，該反應器通過控制主流氣體和射流氣體的方向，實現初步混合，再配合控制射流氣體的射流穿透深度、射流孔孔數、孔徑、孔間距、動量通量比等關鍵技術參數，達到兩種氣體在極短的時間內快速混合均勻的效果，并且不會燒結和結疤；該反應器可以適用于產業化應用。
本發明的高速氣體反應器包括主流管徑和其表面分布的射流孔(2)，主流管徑是一根通心圓柱管，圓柱管的一頭為主流氣體入口(1)，圓柱管的另一頭為混合氣體出口(3)，圓柱管上距離主流氣體入口(1)1～1.5倍之間分布有多個射流孔(2)。主流氣體是指混合氣體中體積比例大的氣體，射流孔(2)通入的射流氣體是混合氣體中體積比例小的氣體。交叉射流混合中，對流擴散、湍流擴散和分子擴散同時作用于流體的混合。射流孔將TiCl4流體分割為多股射流，以對流擴散方式進入主流O2中與之混合。進而，由于湍流擴散的作用，流體形成更小尺度的氣體微團。最后通過分子擴散的作用，使流體達到微觀混合均勻的效果。該高速反應器可以配備有可密封的外殼和/或出入口結構，外殼可以為需要的任意形狀。
所述圓柱管上距離主流氣體入口(1)一倍管徑處處沿管徑一周均勻分布有多個射流孔(2)。單排圓周分布的射流孔將TiCl4流體分割為多股射流，以對流擴散方式進入主流O2中與之混合。進而，由于湍流擴散的作用，流體形成更小尺度的氣體微團。最后通過分子擴散的作用，使流體達到微觀混合均勻的效果。這種射流孔分布結構簡單，混合效率高，能達到最佳的混合效果。
所述多個射流孔(2)的直徑相同。
所述射流孔(2)的個數為16～32個，射流孔直徑與圓柱管徑的比例是0.05～0.02：0.12～0.05。
經過驗算證明，孔數較多時在較大J/n2的范圍內，混合不均勻度M的值都能夠小于0.05，而孔數較少時，這個范圍也縮小(其中J為動量通量比，n為射流孔孔數)。這是由于保持相同的孔間距時，孔數越多，開孔尺寸越小。孔徑較小的射流孔把徑向流入的TiCl4氣體分割為較細的射流，其與O2主流混合形成的宏觀混合尺度相應減小，更有利于混合快速的進行。因此，直徑為0.2m的反應管中，為了使混合更加快速均勻，射流孔孔數最少取16孔以上，并保持J/n2的值范圍為0.38～0.75。
該反應器的使用方法是：在主流管徑的主流氣體入口(1)處通入主流氣體，進氣速度為2～6m/s，射流孔(2)通入射流氣體，進氣速度為3～25m/s，即在混合氣體出口得到混合氣體或充分反應后的產物。
所述主流氣體和射流氣體的溫度根據兩種氣體的反應溫度決定。
所述反應器的操作壓強為380～420kPa。
所述射流氣體的射流穿透深度為0.32～1。射流穿透深度是指反應管中橫截面上溫度最低點距離反應管壁的距離(h)與反應管半徑(R)的比值。在反應管橫截面的溫度等值線圖上確定溫度的最低點，如圖2所示，得到其距離反應管壁的距離h，可計算出射流穿透深度(h/R)。
所述射流氣體和主流氣體的體積流量比為0.0313～0.106：1。隨著射流TiCl4和主流O2的體積流量比的增大，TiCl4射流的動量也越來越來大，其穿透進入O2主流的深度也會增加。射流穿透深度存在一個比較適中的值，射流穿透深度不足或過大，都會導致射流孔下游區溫度分布不均勻，而且TiCl4和O2的混合效果不理想。(可以說體積流量比是影響射流穿透深度的一個因素，射流穿透深度決定混合效果。因此，要控制合理的射流穿透深度范圍。)
對于這種交叉射流混合的管式反應器，一個重要的影響變量是TiCl4射流和O2主流之間的無量綱參數，即動量通量比J，見式(1)：
式中ρ和v分別代表TiCl4射流和O2主流的密度(kg·m-3)和速度(m·s-1)，下角標j代表TiCl4射流，下角標m代表O2主流。在給定的溫度和壓力下，流速vj和vm可分別由下面式子計算得到：
Vj＝n·(π·d2/4)·vj (2)
Vm＝(π·D2/4)·vm (3)
其中Vj為所有射流孔TiCl4射流的總體積流量(m3·s-1)，d為射流孔孔徑(m)，n為孔數，Vm為O2主流體積流量(m3·s-1)，D為反應管直徑(m)。
將式(2)和(3)代入式(1)化簡可得：
在給定的溫度和壓力下，TiCl4射流和O2主流的密度比(ρj/ρm)為15.014。由式(4)可知，變量參數有TiCl4和O2的體積流量比(Vj/Vm)、反應管直徑(D)、射流孔孔數(n)和孔徑(d)。
一個重要參數是無量綱射流孔間距，其同時結合了反應管上所有可變幾何尺寸參數，定義為S，見式(5)：
本發明的有益效果是：
1、該反應器可以達到在混合0.5秒以內的時間，在射流孔下游區域兩倍管徑處的氣體混合的不均勻度達到0.05以下，完全可以滿足混合充分的要求；
2、兩種氣體反應后得到新的產物，該產物在常溫下為固態，因此在反應后溫度下降的過程中在反應器中容易結疤，影響后續的反應效果，更加影響氧化反應器的使用壽命。該氧化反應器中的流體動力學行為直接影響反應氣體(TiCl4和O2)的混合效果，其決定鈦白產品的形貌、質量、粒度分布等。由于生產鈦白的主要化學反應是強放熱反應，反應氣體混合效果差會造成局部溫度過高，導致產品顆粒大小不均勻，嚴重時會產生燒結甚至結疤。并且進料操作條件控制不當，會在反應氣體混合時產生回流且發生反應形成微小顆粒，造成射流孔堵塞。反應器中物料混合均勻可為TiCl4氣相氧化過程提供良好的流動和反應條件，進而能夠使實現TiO2顆粒生長均勻、晶形轉化率高、顆粒容易結晶、溫度分布均勻以及減少結疤等目的；
3、該反應器在小型實驗條件下完全可以滿足要求，將反應器按照相應比例擴大，可以實現大規模的產業化應用，適用范圍廣泛。
附圖說明
圖1是本發明高速氣體反應器的結構示意圖；
圖2是本發明高速反應器射流穿透深度示意圖。
圖中：1-主流氣體入口，2-射流氣體入口，3-混合氣體出口。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式，對本發明作進一步說明。
實施例1：該實施例的主流氣體為O2，射流氣體為TiCl4，反應的產物為TiO2粉末。該高速氣體反應器包括主流管徑和其表面分布的射流孔(2)，主流管徑是一根通心圓柱管，圓柱管的一頭為主流氣體入口(1)，圓柱管的另一頭為混合氣體出口(3)，圓柱管上距離主流氣體入口(1)1倍處沿管徑一周均分布有16個射流孔(2)。
該反應器的使用方法是：在主流管徑的主流氣體入口(1)處通入主流氣體，進氣速度為4m/s，射流孔(2)通入射流氣體，進氣速度為8m/s，即在混合氣體出口得到混合氣體或充分反應后的產物。具體反應條件為：TiCl4射流溫度380℃，O2主流溫度1500℃，反應器操作壓強為390kPa，反應器直徑為0.2m，射流孔孔數為16，射流孔徑為0.008m，TiCl4射流和O2主流體積流量比為0.06875時，射流穿透深度為0.602，在混合0.41秒時，在射流孔下游區域兩倍管徑處的溫差約為55K，氣體混合的不均勻度約為0.00839，能夠達到混合均勻的效果，并且沒有結疤。
實施例2：該實施例的主流氣體為O2，射流氣體為TiCl4，反應的產物為TiO2粉末。該高速氣體反應器包括主流管徑和其表面分布的射流孔(2)，主流管徑是一根通心圓柱管，圓柱管的一頭為主流氣體入口(1)，圓柱管的另一頭為混合氣體出口(3)，圓柱管上距離主流氣體入口(1)1.2倍處分布有20個射流孔(2)。
該反應器的使用方法是：在主流管徑的主流氣體入口(1)處通入主流氣體，進氣速度為6m/s，射流孔(2)通入射流氣體，進氣速度為25m/s，即在混合氣體出口得到混合氣體或充分反應后的產物。具體反應條件為：當TiCl4射流溫度400℃，O2主流溫度1500℃，反應器操作壓強為400kPa，反應器直徑為0.2m，射流孔孔數為24，射流孔徑為0.00533m，TiCl4射流和O2主流體積流量比為0.07034時，射流穿透深度為0.583，在混合0.36秒時，射流孔下游區域兩倍管徑處的溫差約為46K，氣體混合的不均勻度約為0.0214，能夠達到混合均勻的效果。
實施例3：該實施例的主流氣體為O2，射流氣體為TiCl4，反應的產物為TiO2粉末。該高速氣體反應器包括主流管徑和其表面分布的射流孔(2)，主流管徑是一根通心圓柱管，圓柱管的一頭為主流氣體入口(1)，圓柱管的另一頭為混合氣體出口(3)，圓柱管上距離主流氣體入口(1)1.5倍管徑處分布有32個射流孔(2)。
該反應器的使用方法是：在主流管徑的主流氣體入口(1)處通入主流氣體，進氣速度為2m/s，射流孔(2)通入射流氣體，進氣速度為3m/s，即在混合氣體出口得到混合氣體或充分反應后的產物。具體反應條件為：當TiCl4射流溫度450℃，O2主流溫度1550℃，反應器操作壓強為420kPa，反應器直徑為0.2m，射流孔孔數為32，射流孔徑為0.004m，TiCl4射流和O2主流體積流量比0.07475時，射流穿透深度為0.625，在混合0.32秒時，在射流孔下游區域兩倍管徑處的溫差約為39K，氣體混合的不均勻度約為0.0135，能夠達到混合均勻的程度。
實施例4：該實施例的兩種混合氣體為氫氣和氯氣，反應的產物為混合氣體，該混合氣體在見光的情況下會發生爆炸，因此在反應過程中和后續的貯存過程都需要避光，在使用時再施以光照。
該反應采用的高速氣體反應器包括主流管徑和其表面分布的射流孔(2)，主流管徑是一根通心圓柱管，圓柱管的一頭為氯氣入口(1)，圓柱管的另一頭為混合氣體出口(3)，圓柱管上距離主流氣體入口(1)1～1.5倍之間均勻分布有30個射流孔(2)，射流孔(2)通入氫氣。在避光條件下，向主流管徑的主流氣體入口(1)處通入主流氣體，進氣速度為6m/s，射流孔(2)通入射流氣體，進氣速度為15m/s，兩種氣體通入的體積比例為1:1，即在混合氣體出口得到混合氣體或充分反應后的產物，該產物需要儲存在避光密封條件下。
實施例5：該實施例的兩種混合氣體為氮氣和氫氣，采用的高速氣體反應器包括主流管徑和其表面分布的射流孔(2)，主流管徑是一根通心圓柱管，圓柱管的一頭為主流氣體H2入口(1)，圓柱管的另一頭為混合氣體合成氨出口(3)，圓柱管上距離主流氣體入口(1)1.5倍管徑處一周均勻分布有20個射流孔(2)，射流孔通入N2，射流孔直徑與圓柱管徑的比例是0.05：0.12。
該反應器的使用方法是：反應器的操作壓強設定為380kPa，在主流管徑的主流氣體入口(1)處通入主流氣體H2(主流氣體中混入鐵觸媒作為催化劑)，主流氣體的溫度為500℃，進氣速度為3m/s，射流孔(2)通入射流氣體N2，溫度為300℃，進氣速度為6m/s，N2和H2的體積比為1:3，射流穿透深度為0.6，即在混合氣體出口得到混合氣體或充分反應后的產物合成氨。
以上結合附圖對本發明的具體實施方式作了詳細說明，但是本發明并不限于上述實施方式，在本領域普通技術人員所具備的知識范圍內，還可以在不脫離本發明宗旨的前提下做出各種變化。
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