氯化法生产钛白中氧化反应器内流体动力学的研究及建模

发布时间：2018-02-05 05:00

  本文关键词： 氯化法 氧化反应器 流体动力学 交叉射流混合 不均匀度　出处：《昆明理工大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：钛白粉是一种性能优越的无机颜料,被广泛应用于诸多工业领域及日常生活用品。氯化法已成为国内外钛白工业的主流技术,其中氧化反应器内TiCl4的气相氧化反应过程是钛白生产中的核心技术。氧化反应器中的流体动力学行为直接影响反应气体(TiCl4和02)的混合效果,其决定钛白产品的形貌、质量、粒度分布等。由于生产钛白的主要化学反应是强放热反应,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,造成射流孔堵塞。因此混合效果的好坏决定钛白产品的质量,为此本文基于流体动力学理论,研究氧化反应器内的流体动力学,揭示TiCl4气相氧化过程中流体的流动特性、物料混合机制,为氧化反应器的设计和优化提供理论参考和借鉴。本论文建立氧化反应器中的流体动力学模型,将模型应用到工业实际的氧化反应器中,通过研究揭示了TiCl4流体在进料环中的流动特征及压强分布规律；系统研究了物料TiCl4和O2交叉射流的穿透深度以及其对混合效果的影响规律,并对混合过程和氧化反应器结构提出了优化和改进措施；最后研究了瞬态混合过程中的流体流动、温度分布和浓度分布随时间的变化规律。主要内容及成果如下：(1)建立了氧化反应器内气体流动的三维流体动力学模型,并将模型预测的速度和实验数据进行对比,其相对误差均在5%以内,说明模拟结果可靠。应用验证准确的模型研究TiCl4气体在环道中流场分布和压强分布规律及其影响因素。结果表明,分布器环道中TiCl4流体流动不均匀,在环道60°截面附近,流速出现最大值,静压出现最小值；当雷诺数Re9.96×104时,分布器环道中已是充分发展湍流,而且射流环开孔足够密的情况下,气体进口雷诺数和射流环开孔密度对环道压力系数分布的影响很小,增大进气量或减小进气管直径,有利于射流孔实现等量分流。(2)环道中TiCl4流动特性研究的基础上,研究了不同结构整流环对TiCl4流体均匀分布的影响。结果表明,整流环将分布器环道分隔为外环道和内环道,外环道中仍然存在TiCl4的循环流动,流体的速度和压强分布仍不均匀,而内环道中已经没有TiCl4的循环流动,环道中周向压强分布和射流孔出口速度分布的均匀程度得到了明显改善；与没有整流环的反应器相比,分布器环道设置整流环后,环道周向压强分布的不均匀度最大可以降低约91%,出口速度的不均匀度最大可降低约69%,还可以有效地减少环道中的循环气流量,进而降低湍动能损失,减小体系总能量损失和环道内的阻力损失。(3)建立了物料TiCl4和0：混合的三维流体动力学模型,并将模型预测的截面上温差和实验数据进行对比,其相对误差都在2%以内,说明气体混合模型的模拟计算结果可靠。应用验证准确的模型研究了射流穿透深度及其对物料混合效果的影响,确定了射流穿透深度的合理范围是0.56h/R0.72；通过研究射流穿透深度(h/R)与动量通量比(J)、射流孔数(n)和射流孔间距(S)之间的关系,发现射流穿透深度和J/n2之间很好地符合对数函数关系式：h/R=0.7274+0.202281n(J/n2+0.04587),该函数预测所得射流穿透深度和实验值吻合较好。在J/n2的范围约为0.38-0.75时,距射流孔下游区域x/D=2的距离以内,混合不均匀度M小于0.05,能达到混合均匀效果；当J/n2=0.42时,混合均匀需要的距离最短约为x/D=0.9。直径为0.2 m的反应管中,射流孔孔数最少取16孔以上,以利于TiCl4和O2实现快速混合均匀。(4)探究反应器内TiCl4和O2混合的流场、温度和浓度分布随时间的变化规律,建立TiCl4和O2混合过程的瞬态三维模型。结果表明,物料从约0.08s开始接触混合到约0.42s时混合达到稳定状态,整个混合过程持续约0.36 s。混合初始阶段0.08-0.2 s内,TiCl4和O2的掺混剧烈,反应管内流体的流速不均匀。0.42s以后在x/D=2的截面上流速趋于均匀约为5.5 m·s-1,温度差小于90 K。不同截面上的混合不均匀度都随时间的增长而减小,初始时刻的不均匀度都最大。在混合初始阶段0.08-0.2s内,射流孔下游区域混合不均匀度M约为1.2,物料混合的均匀性很差；当0.42s以后混合完成,x/D=1/2的截面上混合的不均度M约为0.3,射流孔附近难以混合均匀,而更靠近下游区域x/D=3/2和x/D=2的截面上混合不均匀度M值才能降到0.05以下,达到混合均匀的程度。(5)工业实际生产中可通过设计改进分布器和反应管结构并调整优化物料TiCl4和O2射流混合操作条件,以达到最佳混合效果。研究表明,在分布器环道设置双折流板整流环可改善反应气体的混合效果；直径为0.2 m的反应器中射流孔数应取16孔以上,以利于物料TiCl4和O2实现快速均匀混合；TiCl4射流和O2主流的动量通量比与孔数之间结合参数J/n2的值范围为0.38-0.75,TiCl4射流理想穿透深度的范围是0.56h/R0.72,保持射流孔间距的合理范围是2.45S7.85。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ621.12;TQ021.1

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本文编号：1492195