氯化法钛白技术氧化反应器内流场的数值研究

作     者：刘强 

作者单位：东北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：阎富生

授予年度：2017年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：钛白 氯化法 氧化反应器 气体混合 

摘      要：钛白粉被认为是目前世界上性能最好的一种白色颜料,氯化法是目前生产高档钛白粉的先进技术,氯化法制钛白分为氯化阶段和氧化阶段,而氧化阶段是其中的关键阶段。在氧化阶段中最核心的设备是氧化反应器,氧化反应器存在着气体混合复杂、反应器内壁容易结疤、产品形态难于控制等技术难点,氧化反应器的内部结构直接影响到这些问题。在气相氧化过程中,为了提高氧化反应过程的效率,提高钛白粉的产量和品质,高温氧气与预热的四氯化钛需要在氧化反应器中在极短的时间内进行迅速、均匀、密切的混合。因此,本文研究了氧化反应器的内部流场,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,进而优化氧化反应器的结构,为实际工业大规模生产提供理论依据。本文主要从以下几个方面展开研究:首先,介绍了钛白粉的用途、钛白粉的主要生产技术、国内外钛白生产的现状及发展趋势、以及研究的方法及意义。本文采用FLUENT对气体混合模型进行数值模拟分析。在此基础上,通过SolidWorks建立四氯化钛氧化反应的物理模型。氧化反应器的结构异常复杂,包括除疤装置、冷却装置等,本文为了方便研究,将氧化反应器的结构进行简化,把其中的主要特征及关键结构呈现出来,而不考虑其他非重要因素和次要结构。然后采用Gambit软件划分网格,总网格单元数大约为50万个。接下来探讨了四氯化钛氧化反应的模拟方法及参数设定。通过讨论,本文选择Realizable k-ε湍流模型,选择有限速率化学反应(finite rate chemistry)模型,并且确定了边界条件等其他参数,为后续研究打下坚实的基础。最后,探讨了影响四氯化钛氧化反应的因素,模拟了不同角度(30度、45度、60度、75度)、不同动量比(1.07、0.83、0.62、0.44、0.29)、不同环缝宽度(10mm、20mm)氧化反应器中的流场,主要从速度场、温度场、浓度场、速度径向分布图、TiO2质量分数图等方面对以上不同因素进行了研究和探讨,得出氧化反应器结构的最优数据,即角度为75度,动量比为0.29,环缝宽度为10mm的氧化反应器对钛白粉的产量有最大限度的提高。