化工学报 ›› 2023, Vol. 74 ›› Issue (4): 1499-1508.DOI: 10.11949/0438-1157.20221332
周艾然1,2(), 陆平1,2, 夏建辉2, 李冬勤2, 郭杰2, 杜明1,2, 董立春1()
收稿日期:
2022-10-09
修回日期:
2023-02-26
出版日期:
2023-04-05
发布日期:
2023-06-02
通讯作者:
董立春
作者简介:
周艾然(1984—),男,博士研究生,Zhouairan2018@163.com
基金资助:
Airan ZHOU1,2(), Ping LU1,2, Jianhui XIA2, Dongqin LI2, Jie GUO2, Ming DU1,2, Lichun DONG1()
Received:
2022-10-09
Revised:
2023-02-26
Online:
2023-04-05
Published:
2023-06-02
Contact:
Lichun DONG
摘要:
氯化钛白生产工艺的核心是TiCl4氧化反应器,而内部关键部位的结疤问题显著影响其长周期稳定生产。通过对工业氯化钛白氧化反应器疤料的分析与表征,探究了氧化反应器关键位置的结疤原因,进而使用ANSYS-Fluent软件对实际运行工况条件下的氧化反应器内部流场和壁面温度进行了计算流体力学(CFD)模拟。模拟结果表明,反应器壁面温度、内部流场等因素对反应器的结疤具有十分重要的影响。提高反应器关键位置壁面温度,能够显著改善结疤现象,为防止KCl和AlCl3添加剂的沉积,反应器热氧区和TiCl4进料环的壁面温度应分别高于770和178℃;而为避免新生成的TiO2在反应器内表面的聚集,应减小或消除回流区,使得新生成的TiO2尽快通过反应区。
中图分类号:
周艾然, 陆平, 夏建辉, 李冬勤, 郭杰, 杜明, 董立春. 氯化钛白氧化反应器结疤问题分析及数值模拟[J]. 化工学报, 2023, 74(4): 1499-1508.
Airan ZHOU, Ping LU, Jianhui XIA, Dongqin LI, Jie GUO, Ming DU, Lichun DONG. Scarring analysis and numerical simulation of TiCl4 oxidation reactor in chloride process of titanium dioxide[J]. CIESC Journal, 2023, 74(4): 1499-1508.
项目 | 温度/℃ | 流量/(kg/h) | 压力/kPa |
---|---|---|---|
O2气体 | 1600 | 1200 | 430 |
TiCl4气体 | 450 | 5200 | 435 |
环前冷却水 | 25 | 550 | 230 |
反应器壁面初始温度 | 25 | — | — |
表1 氧化反应器模拟的边界条件
Table 1 Boundary conditions for CFD of the oxidation reactor
项目 | 温度/℃ | 流量/(kg/h) | 压力/kPa |
---|---|---|---|
O2气体 | 1600 | 1200 | 430 |
TiCl4气体 | 450 | 5200 | 435 |
环前冷却水 | 25 | 550 | 230 |
反应器壁面初始温度 | 25 | — | — |
样品位置 | 成分/%(质量分数) | ||||
---|---|---|---|---|---|
Si | Cl | K | Ti | Al | |
底层 | 0.81 | 36.63 | 50.46 | 5.42 | 0.51 |
中层 | 0.59 | 29.13 | 41.15 | 29.13 | — |
表层 | 0.54 | 0.34 | 0.38 | 98.74 | — |
表2 环前疤料的EDX能谱结果
Table 2 EDX results of the scar samples from the pre-ring zone
样品位置 | 成分/%(质量分数) | ||||
---|---|---|---|---|---|
Si | Cl | K | Ti | Al | |
底层 | 0.81 | 36.63 | 50.46 | 5.42 | 0.51 |
中层 | 0.59 | 29.13 | 41.15 | 29.13 | — |
表层 | 0.54 | 0.34 | 0.38 | 98.74 | — |
疤料位置 | 成分/%(质量分数) | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
O | Al | Si | Cl | Ni | K | Ti | |
进料环内 | — | 42.46 | 0.00 | 55.58 | 1.96 | — | — |
进料环后 | 0.59 | 29.13 | 0.54 | 0.33 | — | 0.38 | 98.74 |
表3 环内和环后疤料样品的EDX结果
Table 3 EDX results of scar samples in the feed ring and from the post-ring zone
疤料位置 | 成分/%(质量分数) | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
O | Al | Si | Cl | Ni | K | Ti | |
进料环内 | — | 42.46 | 0.00 | 55.58 | 1.96 | — | — |
进料环后 | 0.59 | 29.13 | 0.54 | 0.33 | — | 0.38 | 98.74 |
环缝宽度/mm | TiCl4/O2动量比 |
---|---|
14 | 3.50 |
23 | 2.04 |
32 | 1.47 |
41 | 1.15 |
表 4 动量比与环缝宽度对应关系
Table 4 Correlation of momentum ratio and feeding gap width
环缝宽度/mm | TiCl4/O2动量比 |
---|---|
14 | 3.50 |
23 | 2.04 |
32 | 1.47 |
41 | 1.15 |
常温O2流量/(kg/h) | 进料环内壁面温度/℃ | 热氧区内壁面温度/℃ | ||
---|---|---|---|---|
最高 | 最低 | 最高 | 最低 | |
240 | 440 | 242 | 650 | 248 |
120 | 443 | 295 | 720 | 347 |
60 | 445 | 355 | 825 | 475 |
表5 不同气体流量条件下壁面温度分布模拟结果
Table 5 Simulation results of wall temperature distribution under different gas flow rates
常温O2流量/(kg/h) | 进料环内壁面温度/℃ | 热氧区内壁面温度/℃ | ||
---|---|---|---|---|
最高 | 最低 | 最高 | 最低 | |
240 | 440 | 242 | 650 | 248 |
120 | 443 | 295 | 720 | 347 |
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