[发明专利]一种高速气体反应器及其使用方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高速气体反应器及其使用方法，属于流体动力学和冶金交叉领域。

背景技术

高温且具有腐蚀性的气体与另外一种气体反应属于强放热反应，两种反应气体混合效果差会造成局部温度过高，导致产品颗粒大小不均匀，严重时会产生烧结甚至结疤。并且进料操作条件控制不当，会在反应气体混合时产生回流且发生反应形成微小颗粒，造成反应器的射流孔堵塞。

钛白粉是一种优良的基础工业原料，使用范围广泛。我国钛白粉生产主要以硫酸法为主，技术也较成熟，占国内钛白生产总量的99％以上，但硫酸法生产钛白技术生产工艺流程长、污染大、环境风险高。氯化法生产钛白以流程短、产品质量高、污染小、自动化程度高等优点而被国家列为产业调整指导鼓励类目录，但该产业的关键技术被国外几家公司所掌控，且被作为技术秘密保护。国内云南冶金新立钛业、河南佰利联等公司引入德国钛康等设计公司的技术，存在很多问题，尤其在氧化反应器结疤等方面周期明显低于国际先进水平，造成连续化生产周期短。

反应物料TiCl₄和O₂在氧化反应器中几毫秒内即完成反应，反应速度极快，基本上是一接触即发生反应，因此不能将物料TiCl₄和O₂进行预先混合，否则会堵塞管道，而须将TiCl₄和O₂分别通入反应器，并在极短时间内完成气体的混合均匀，否则会影响TiO₂颗粒粒径分布和晶型转化，进而导致烧结和结疤，影响产品的质量。停留时间与物料在氧化反应器中的流动状态和混合情况密切相关，结构性能优异的氧化反应器能为气体的流动提供良好的流动条件，使物料TiCl₄和O₂进入反应器后迅速混合均匀，并稳定均匀地流过反应器。因此，本申请设计了一种高速气体反应器，通过控制射流穿透深度、射流孔孔数、孔径、孔间距、动量通量比等关键技术参数，达到两种气体在0.5秒内快速混合均匀的效果，该设备结构简单，混合时间短、效率高，该技术方法可优化氧化反应器的设计，有效避免氧化反应器结疤，对于高温腐蚀气体的快速混均具有重要指导意义。

发明内容

本发明提供了一种高速气体反应器及其使用方法，该反应器通过控制主流气体和射流气体的方向，实现初步混合，再配合控制射流气体的射流穿透深度、射流孔孔数、孔径、孔间距、动量通量比等关键技术参数，达到两种气体在极短的时间内快速混合均匀的效果，并且不会烧结和结疤；该反应器可以适用于产业化应用。

本发明的高速气体反应器包括主流管径和其表面分布的射流孔(2)，主流管径是一根通心圆柱管，圆柱管的一头为主流气体入口(1)，圆柱管的另一头为混合气体出口(3)，圆柱管上距离主流气体入口(1)1～1.5倍之间分布有多个射流孔(2)。主流气体是指混合气体中体积比例大的气体，射流孔(2)通入的射流气体是混合气体中体积比例小的气体。交叉射流混合中，对流扩散、湍流扩散和分子扩散同时作用于流体的混合。射流孔将TiCl₄流体分割为多股射流，以对流扩散方式进入主流O₂中与之混合。进而，由于湍流扩散的作用，流体形成更小尺度的气体微团。最后通过分子扩散的作用，使流体达到微观混合均匀的效果。该高速反应器可以配备有可密封的外壳和/或出入口结构，外壳可以为需要的任意形状。

所述圆柱管上距离主流气体入口(1)一倍管径处处沿管径一周均匀分布有多个射流孔(2)。单排圆周分布的射流孔将TiCl₄流体分割为多股射流，以对流扩散方式进入主流O₂中与之混合。进而，由于湍流扩散的作用，流体形成更小尺度的气体微团。最后通过分子扩散的作用，使流体达到微观混合均匀的效果。这种射流孔分布结构简单，混合效率高，能达到最佳的混合效果。

所述多个射流孔(2)的直径相同。

所述射流孔(2)的个数为16～32个，射流孔直径与圆柱管径的比例是0.05～0.02：0.12～0.05。