氯化法钛白氧化过程中气体混合数值模拟

发布时间：2020-09-28 14:05

　　氯化法是目前生产高档钛白粉的先进技术,其中氧化过程是氯化法制取钛白工艺最关键的阶段,氧化反应器是工艺的核心设备,氧化反应器中气体的混合情况与反应器壁面结疤情况、产品的质量紧密关联。氯化法生产钛白工艺中氧化反应器内,高温O 2与预热的TiCl4(g)需要在极短的时间内和极小的空间内进行迅速、均匀、密切的混合,本文针对反应器内气体混合情况进行数值模拟计算,研究氧化反应器流场分布随各因素的变化趋势,为实际生产工艺中优化氧化反应器结构提供参考依据本文采用有限元分析软件ANSYS中DesignModeler建模组件构建氧化反应器3 D几何模型,并联立流体力学基本方程及湍流模型建立气体混合模型,通过ANSYS中FLUENT计算流体力学组件对气体混合模型进行数值模拟分析。根据已知文献的实验结果数据,采用两股常温空气模拟预热的TiCl4(g)与高温02(g),在模拟条件与实验条件完全相同的设置下,对两股空气的混合情况进行模拟计算分析,并将分析结果与实验结果进行比较通过分析可知,数值模拟得到的氧化反应器内浓度分布曲线随射流环结构与动量比的变化规律与实验得到的变化规律基本一致,验证了气体混合模型的准确性。采用气体混合模型进行预热的TiCl4(g)与高温02(g)混合计算,对氧化反应器内部的流场分布情况进行分析。通过对流场的分析可知,气体分布环对通入的预热TiCl4(g)有均匀分布的效果,射流环对TiCl4(g)进行加速射流的作用；轴向气流与射流气流混合时,有一部分轴向气流回流混合初始区域产生漩涡；射流气流与轴向气流混合时,混合气流速度变化较大,混合初始区域湍动急剧,湍动能及湍流耗散率较大；随着轴向距离逐渐增大,混合气体的气体分布不均匀度逐渐增大,气体混合不均匀度逐渐减小,气体混合越均匀分析了氧化过程中各因素改变时氧化反应器中各截面的射流气流径向相对摩尔分数分布情况,研究各因素对气体混合效应的影响规律。结果表明：在氧化反应器射流环结构固定的情况下,随着动量比增大,气体混合均匀性较好,但当动量比达到一定值时,继续增大动量比则气体混合均匀性降低；在射流环总开孔面积固定,且保持动量比及轴向气体流量不变的情况下,开孔数量对气体混合均匀性的影响与动量比相似,存在着一个最佳的射流环开孔数量,使气体混合均匀性达到最好；在射流环开孔数目固定不变时,射流环开孔率存在着固定值,当开孔率低于固定值时,氧化反应器内TiCl4(g)会形成回流现象,大于固定值时,则气体混合效果变差；氧气流量会对气体混合造成一定的影响,当氧气稍微过量时可以得到较好的气体混合效果。最后对综合因素影响的气体混合数值模拟结果进行方差分析,分析不同因素对气体混合均匀性的影响程度。结果表明射流环开孔数量和开孔率对气体混合均匀性具有显著的影响,而气体动量比、氧气流量对气体混合均匀性的影响则较小。
【学位单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TF823
【部分图文】：

几何结构图,氧化反应器,氯化铁,几何结构

也能运用于工业化生产。目前工业上应用较为广泛的是预燃烧式氧化反逡逑应器，化在燃烧室中加热后，通入反应器与预热的Ｔｉｃｋ反应，这种反应器有效逡逑地结合了前两种反应器的优点，反应条件稳定、混合效果好。图２．１所示是一个逡逑典型的预燃晓式氧化反应器。逡逑预燃烧式氧化反应器主要分为燃烧区、混合区、反应区三个部分，混合区是逡逑其关键部位，决定着高温化与预热的Ｔｉａ４的混合效果，最终影响铁白粉的质量。逡逑氧化反应器的混合区一般由四氯化}进气分布环、射流环组成，也可在其中设置逡逑清洗环和气膜保护环。逡逑２．２气体混合模型逡逑ｉｎｌｄ－２逡逑灥气管逡逑轴向ｆ气管气体分布环逦ｏｕｔｌｅｔ逡逑ｉ媻．．．．．Y"心逡逑＼射流环氧化区逡逑图２．２氯化铁白中氧化反应器的几何结构逡逑实际工艺生产中，氧化反应器的结构十分复杂，包括除疮装置、冷却装置等。逡逑本课题主要研究的氧化反应器内部速度场、浓度场等，为了研究方便，对氧化反逡逑１８逡逑

环结构,射流,开孔,数目

应器结构进行简化，将其中的主要特征及关键结构呈现出来，而不考虑其他非重逡逑要因素和次要结构。本课题采用的气体混合模型是在氧化反应器结构基础上进行逡逑简化得到的，几何结构图如图２．２所示，它是Ｗ某企业实际应用的氧化反应器为逡逑原型，具体结构参数见表２．１。逡逑高温氧气流从燃烧区出来后通过轴向进气管（ｉｎｌｅｔ－ｌ）均匀地流入混合区，逡逑预热后的四氯化铁蒸汽通过切向进气管（ｉｎｌｅｔ－２）进入，经过气体分布环进行均逡逑匀分布，并经过射流环后Ｗ射流的方式高速喷入高温氧气流。逡逑逦表２．１邋氧化反应器结构参数逦逡逑结构逦＾逦逡逑轴向进气管逦内径１８６邋ｍｍ，长６００邋ｍｍ逡逑切向进气管逦内径８０邋ｍｍ，长５００邋ｍｍ逡逑氧化管逦内径１８６邋ｍｍ，长１０００邋ｍｍ逡逑射流环逦内径１８６邋ｍｍ

气体分布,气体分布,环结构

逑形状、射流股数、射流速度，涉及到射流结构、流动行为、能量耗散、卷吸率等，逡逑影响气体混合情况并最终决定产品质量，如图２．３所示。气体分布环是实现气体逡逑均匀分布的常用设备，在氯化法工艺中是气体均匀混合的保证，常采用环形分布逡逑器，如图２．４所示。逡逑■Ｉ逦邋－■逦Ｉ邋—逦ｉｉ逡逑ｍ邋％邋一｜逡逑图２．４气体分布环结构逡逑（图为缝状开孔，共１６缝的结构）逡逑２．３模型求解步骤逡逑数值模拟的计算求解步骤有Ｗ下几步：建立几何结构模型、划分网格、选择逡逑模拟方法、设定条件参数、求解计算、结果分析。逡逑本课题采用ＦＬＵＥＮＴ软件的集成环境ＡＮＳＹＳ邋Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ中的前处理软件逡逑ＤｅｓｉｇｎＭｏｄｅｌｅｒ，建立氧化反应器几何结构模型，如图２．２所示。逡逑图２．５划分网格后的氧化反应器模型逡逑将几何结构导入网格划分软件，采用自动扫掠的方式进行几何结构模型的网逡逑２０逡逑

【参考文献】