本文關(guān)鍵詞： 氯化法 氧化反應(yīng)器 流體動(dòng)力學(xué) 交叉射流混合 不均勻度　出處：《昆明理工大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：鈦白粉是一種性能優(yōu)越的無(wú)機(jī)顏料,被廣泛應(yīng)用于諸多工業(yè)領(lǐng)域及日常生活用品。氯化法已成為國(guó)內(nèi)外鈦白工業(yè)的主流技術(shù),其中氧化反應(yīng)器內(nèi)TiCl4的氣相氧化反應(yīng)過(guò)程是鈦白生產(chǎn)中的核心技術(shù)。氧化反應(yīng)器中的流體動(dòng)力學(xué)行為直接影響反應(yīng)氣體(TiCl4和02)的混合效果,其決定鈦白產(chǎn)品的形貌、質(zhì)量、粒度分布等。由于生產(chǎn)鈦白的主要化學(xué)反應(yīng)是強(qiáng)放熱反應(yīng),反應(yīng)氣體混合效果差會(huì)造成局部溫度過(guò)高,導(dǎo)致產(chǎn)品顆粒大小不均勻,嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生燒結(jié)甚至結(jié)疤。并且進(jìn)料操作條件控制不當(dāng),會(huì)在反應(yīng)氣體混合時(shí)產(chǎn)生回流且發(fā)生反應(yīng)形成微小顆粒,造成射流孔堵塞。因此混合效果的好壞決定鈦白產(chǎn)品的質(zhì)量,為此本文基于流體動(dòng)力學(xué)理論,研究氧化反應(yīng)器內(nèi)的流體動(dòng)力學(xué),揭示TiCl4氣相氧化過(guò)程中流體的流動(dòng)特性、物料混合機(jī)制,為氧化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論參考和借鑒。本論文建立氧化反應(yīng)器中的流體動(dòng)力學(xué)模型,將模型應(yīng)用到工業(yè)實(shí)際的氧化反應(yīng)器中,通過(guò)研究揭示了TiCl4流體在進(jìn)料環(huán)中的流動(dòng)特征及壓強(qiáng)分布規(guī)律；系統(tǒng)研究了物料TiCl4和O2交叉射流的穿透深度以及其對(duì)混合效果的影響規(guī)律,并對(duì)混合過(guò)程和氧化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)提出了優(yōu)化和改進(jìn)措施；最后研究了瞬態(tài)混合過(guò)程中的流體流動(dòng)、溫度分布和濃度分布隨時(shí)間的變化規(guī)律。主要內(nèi)容及成果如下：(1)建立了氧化反應(yīng)器內(nèi)氣體流動(dòng)的三維流體動(dòng)力學(xué)模型,并將模型預(yù)測(cè)的速度和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,其相對(duì)誤差均在5%以內(nèi),說(shuō)明模擬結(jié)果可靠。應(yīng)用驗(yàn)證準(zhǔn)確的模型研究TiCl4氣體在環(huán)道中流場(chǎng)分布和壓強(qiáng)分布規(guī)律及其影響因素。結(jié)果表明,分布器環(huán)道中TiCl4流體流動(dòng)不均勻,在環(huán)道60°截面附近,流速出現(xiàn)最大值,靜壓出現(xiàn)最小值；當(dāng)雷諾數(shù)Re9.96×104時(shí),分布器環(huán)道中已是充分發(fā)展湍流,而且射流環(huán)開(kāi)孔足夠密的情況下,氣體進(jìn)口雷諾數(shù)和射流環(huán)開(kāi)孔密度對(duì)環(huán)道壓力系數(shù)分布的影響很小,增大進(jìn)氣量或減小進(jìn)氣管直徑,有利于射流孔實(shí)現(xiàn)等量分流。(2)環(huán)道中TiCl4流動(dòng)特性研究的基礎(chǔ)上,研究了不同結(jié)構(gòu)整流環(huán)對(duì)TiCl4流體均勻分布的影響。結(jié)果表明,整流環(huán)將分布器環(huán)道分隔為外環(huán)道和內(nèi)環(huán)道,外環(huán)道中仍然存在TiCl4的循環(huán)流動(dòng),流體的速度和壓強(qiáng)分布仍不均勻,而內(nèi)環(huán)道中已經(jīng)沒(méi)有TiCl4的循環(huán)流動(dòng),環(huán)道中周向壓強(qiáng)分布和射流孔出口速度分布的均勻程度得到了明顯改善；與沒(méi)有整流環(huán)的反應(yīng)器相比,分布器環(huán)道設(shè)置整流環(huán)后,環(huán)道周向壓強(qiáng)分布的不均勻度最大可以降低約91%,出口速度的不均勻度最大可降低約69%,還可以有效地減少環(huán)道中的循環(huán)氣流量,進(jìn)而降低湍動(dòng)能損失,減小體系總能量損失和環(huán)道內(nèi)的阻力損失。(3)建立了物料TiCl4和0：混合的三維流體動(dòng)力學(xué)模型,并將模型預(yù)測(cè)的截面上溫差和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,其相對(duì)誤差都在2%以內(nèi),說(shuō)明氣體混合模型的模擬計(jì)算結(jié)果可靠。應(yīng)用驗(yàn)證準(zhǔn)確的模型研究了射流穿透深度及其對(duì)物料混合效果的影響,確定了射流穿透深度的合理范圍是0.56h/R0.72；通過(guò)研究射流穿透深度(h/R)與動(dòng)量通量比(J)、射流孔數(shù)(n)和射流孔間距(S)之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)射流穿透深度和J/n2之間很好地符合對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系式：h/R=0.7274+0.202281n(J/n2+0.04587),該函數(shù)預(yù)測(cè)所得射流穿透深度和實(shí)驗(yàn)值吻合較好。在J/n2的范圍約為0.38-0.75時(shí),距射流孔下游區(qū)域x/D=2的距離以內(nèi),混合不均勻度M小于0.05,能達(dá)到混合均勻效果；當(dāng)J/n2=0.42時(shí),混合均勻需要的距離最短約為x/D=0.9。直徑為0.2 m的反應(yīng)管中,射流孔孔數(shù)最少取16孔以上,以利于TiCl4和O2實(shí)現(xiàn)快速混合均勻。(4)探究反應(yīng)器內(nèi)TiCl4和O2混合的流場(chǎng)、溫度和濃度分布隨時(shí)間的變化規(guī)律,建立TiCl4和O2混合過(guò)程的瞬態(tài)三維模型。結(jié)果表明,物料從約0.08s開(kāi)始接觸混合到約0.42s時(shí)混合達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),整個(gè)混合過(guò)程持續(xù)約0.36 s。混合初始階段0.08-0.2 s內(nèi),TiCl4和O2的摻混劇烈,反應(yīng)管內(nèi)流體的流速不均勻。0.42s以后在x/D=2的截面上流速趨于均勻約為5.5 m·s-1,溫度差小于90 K。不同截面上的混合不均勻度都隨時(shí)間的增長(zhǎng)而減小,初始時(shí)刻的不均勻度都最大。在混合初始階段0.08-0.2s內(nèi),射流孔下游區(qū)域混合不均勻度M約為1.2,物料混合的均勻性很差；當(dāng)0.42s以后混合完成,x/D=1/2的截面上混合的不均度M約為0.3,射流孔附近難以混合均勻,而更靠近下游區(qū)域x/D=3/2和x/D=2的截面上混合不均勻度M值才能降到0.05以下,達(dá)到混合均勻的程度。(5)工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中可通過(guò)設(shè)計(jì)改進(jìn)分布器和反應(yīng)管結(jié)構(gòu)并調(diào)整優(yōu)化物料TiCl4和O2射流混合操作條件,以達(dá)到最佳混合效果。研究表明,在分布器環(huán)道設(shè)置雙折流板整流環(huán)可改善反應(yīng)氣體的混合效果；直徑為0.2 m的反應(yīng)器中射流孔數(shù)應(yīng)取16孔以上,以利于物料TiCl4和O2實(shí)現(xiàn)快速均勻混合；TiCl4射流和O2主流的動(dòng)量通量比與孔數(shù)之間結(jié)合參數(shù)J/n2的值范圍為0.38-0.75,TiCl4射流理想穿透深度的范圍是0.56h/R0.72,保持射流孔間距的合理范圍是2.45S7.85。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：昆明理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TQ621.12;TQ021.1

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本文編號(hào)：1492195