本發(fā)明涉及一種四氯化鈦氣相氧化制備二氧化鈦的實(shí)驗(yàn)反應(yīng)系統(tǒng)，屬于氯化法鈦白行業(yè)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
四氯化鈦氣相氧化制備二氧化鈦是一種先進(jìn)的鈦白制造工藝，俗稱氯化法鈦白生產(chǎn)工藝，由于該工藝具有產(chǎn)品質(zhì)量好，環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)，該工藝被發(fā)達(dá)國(guó)家廣泛采用，但由于技術(shù)封鎖，國(guó)內(nèi)該工藝的應(yīng)用有待發(fā)展，制約發(fā)展的原因之一就是工藝關(guān)鍵參數(shù)的缺失。實(shí)驗(yàn)室級(jí)實(shí)驗(yàn)可以以較小的代價(jià)獲得關(guān)鍵參數(shù)，但由于四氯化鈦氣相氧化實(shí)驗(yàn)條件復(fù)雜，對(duì)實(shí)驗(yàn)的要求苛刻，現(xiàn)有設(shè)備達(dá)不到實(shí)驗(yàn)要求，制約了實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行。
四氯化鈦氣相氧化制取鈦白的化學(xué)反應(yīng)式為:
ticl4(g)+o2(g)＝tio2(r)+2cl2(g)；△h＝-181.5856kj/mol。
在常溫下該反應(yīng)基本上不能進(jìn)行，只有當(dāng)溫度高于600℃以上才有明顯的反應(yīng)速度，隨著溫度提高，反應(yīng)速度加快。該反應(yīng)系放熱反應(yīng)，單釋放的反應(yīng)熱只能供應(yīng)過(guò)程熱平衡的三分之二左右，因此必須事先將原料(ticl4,o2)預(yù)熱，以維持反應(yīng)連續(xù)進(jìn)行。影響氯化法鈦白產(chǎn)品質(zhì)量的因素復(fù)雜，如：反應(yīng)溫度，添加劑影響，物料比例等。
目前工業(yè)生產(chǎn)中，四氯化鈦經(jīng)過(guò)預(yù)熱和添加劑以氣態(tài)的形式進(jìn)入反應(yīng)器，和通過(guò)甲苯焰預(yù)熱的氧氣在1600℃的環(huán)境下相遇反應(yīng)，而且反應(yīng)器中壓力保持在3個(gè)大氣壓。由于反應(yīng)溫度高、壓力大，該過(guò)程對(duì)生產(chǎn)裝置的要求極高，實(shí)驗(yàn)室中很難實(shí)現(xiàn)這樣嚴(yán)格的條件。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是：提供一種四氯化鈦氣相氧化制備二氧化鈦的實(shí)驗(yàn)反應(yīng)系統(tǒng)，可較方便地實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室級(jí)四氯化鈦氣相氧化反應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)收集，為工業(yè)生產(chǎn)提供技術(shù)支撐。
為解決上述技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：四氯化鈦氣相氧化制備二氧化鈦的實(shí)驗(yàn)反應(yīng)系統(tǒng)，包括反應(yīng)器，反應(yīng)器包括外管、內(nèi)管、加料管、加熱裝置及電爐控制柜；外管前端通過(guò)四氯化鈦加料頭密封連接、末端通過(guò)堵頭密封連接，外管末端在側(cè)壁上設(shè)置有氧氣入口；內(nèi)管前端穿經(jīng)堵頭后套設(shè)于外管內(nèi)，且內(nèi)管外壁與外管內(nèi)壁之間具有間距，內(nèi)管末端設(shè)有尾氣出口和取樣口；加料管穿經(jīng)四氯化鈦加料頭后并伸入內(nèi)管內(nèi)，且加料管外壁與內(nèi)管內(nèi)壁之間具有間距；加熱裝置套設(shè)于外管外壁，加熱裝置電氣連接于電爐控制柜。
進(jìn)一步的是：氧氣入口連接有氧氣進(jìn)料裝置，氧氣進(jìn)料裝置包括氧氣瓶、三通接頭、惰性氣體a瓶；氧氣瓶出口端依次連接氧氣減壓閥、氧氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)后連接于三通接頭的第一接口；惰性氣體a瓶出口端依次連接第二減壓閥、第二轉(zhuǎn)子流量計(jì)后連接于三通接頭的第二接口；三通接頭的第三接口連接于氧氣入口。
進(jìn)一步的是：加料管的入口端連接有四氯化鈦進(jìn)料裝置，四氯化鈦進(jìn)料裝置包括惰性氣體b瓶、三口燒瓶、四氯化鈦儲(chǔ)罐；惰性氣體b瓶出口端依次連接第三減壓閥、第三轉(zhuǎn)子流量計(jì)后連接于三口燒瓶的第一接口；四氯化鈦儲(chǔ)罐出口端通過(guò)計(jì)量泵連接于三口燒瓶的第二接口；三口燒瓶的第三接口連接于加料管的入口端，三口燒瓶套設(shè)有加熱套。
進(jìn)一步的是：內(nèi)管末端的尾氣出口連接有尾氣處理裝置，尾氣處理裝置包括淋洗塔、淋洗塔頭、淋洗盒、淋洗泵；尾氣出口連通入淋洗盒，淋洗塔設(shè)于淋洗盒頂部，淋洗塔頭設(shè)于淋洗塔頂部，淋洗泵的入口端連接于淋洗盒底部、出口端連接淋洗塔頭；淋洗塔頂部設(shè)有尾氣排放口。
進(jìn)一步的是：內(nèi)管末端的取樣口連接有尾氣檢測(cè)裝置，尾氣檢測(cè)裝置包括取樣管、洗氣瓶、集氣瓶、真空泵，取樣管經(jīng)取樣口伸入內(nèi)管內(nèi)，取樣管沿內(nèi)管軸線方向布置，取樣管的出口端依次連接洗氣瓶、集氣瓶、真空泵。
進(jìn)一步的是：洗氣瓶為至少兩個(gè)。
進(jìn)一步的是：取樣管為可拆卸連接結(jié)構(gòu)，使得取樣管伸入內(nèi)管內(nèi)的長(zhǎng)度可調(diào)節(jié)。
進(jìn)一步的是：加熱裝置包括沿外管長(zhǎng)度方向依次設(shè)置的多個(gè)加熱區(qū)，每個(gè)加熱區(qū)通過(guò)電爐控制柜獨(dú)立設(shè)定加熱程序，每個(gè)加熱區(qū)設(shè)置有測(cè)溫裝置。
進(jìn)一步的是：加熱區(qū)為兩個(gè)或三個(gè)。
進(jìn)一步的是：加料管為可拆卸連接結(jié)構(gòu)，使得加料管伸入內(nèi)管內(nèi)的長(zhǎng)度可調(diào)節(jié)。
本發(fā)明的有益效果是：實(shí)施時(shí)，通過(guò)加熱裝置將反應(yīng)器加熱，氧氣入口通入氧氣，加料管通入四氯化鈦氣體；氧氣從外管末端進(jìn)入，再流入位于外管前端的內(nèi)管進(jìn)口，直至在內(nèi)管中接觸到通入的四氯化鈦氣體，在這個(gè)過(guò)程中可完成氧氣的預(yù)熱；四氯化鈦氣體通過(guò)加料管，直至在內(nèi)管中接觸到通入的氧氣，在這個(gè)過(guò)程中可完成四氯化鈦氣體的預(yù)熱；經(jīng)預(yù)熱后的氧氣和四氯化鈦氣體在內(nèi)管中接觸后進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)后實(shí)驗(yàn)得到的tio2可在內(nèi)管內(nèi)壁和尾氣處理裝置中收集到，這些tio2可以作為實(shí)驗(yàn)樣品檢測(cè)其性能；尾氣檢測(cè)所得到的數(shù)據(jù)則可以用以計(jì)算反應(yīng)率。本發(fā)明可較方便地實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室級(jí)四氯化鈦氣相氧化反應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)收集，為工業(yè)生產(chǎn)提供技術(shù)支撐。
附圖說(shuō)明
圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖中零部件、部位及編號(hào)：1-氧氣瓶、2-氧氣減壓閥、3-氧氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)、4-三通接頭、5-惰性氣體a瓶、6-惰性氣體b瓶、7-第二減壓閥、8-第二轉(zhuǎn)子流量計(jì)、9-第三減壓閥、10-第三轉(zhuǎn)子流量計(jì)、11-三口燒瓶、12-加熱套、13-計(jì)量泵、14-四氯化鈦儲(chǔ)罐、15-電爐控制柜、16-溫區(qū)一、17-溫區(qū)二、18-溫區(qū)三、19-四氯化鈦加料頭、20-外管、21-氧氣入口、22-內(nèi)管、23-取樣管、24-淋洗塔、25-淋洗塔頭、26-淋洗盒、27-淋洗泵、28-尾氣排放口、29-洗氣瓶、30-集氣瓶、31-真空泵、32-加料管、33-堵頭。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
如圖1所示，本發(fā)明四氯化鈦氣相氧化制備二氧化鈦的實(shí)驗(yàn)反應(yīng)系統(tǒng)，包括反應(yīng)器，反應(yīng)器包括外管20、內(nèi)管22、加料管32、加熱裝置及電爐控制柜15；外管20前端通過(guò)四氯化鈦加料頭19密封連接、末端通過(guò)堵頭33密封連接，外管20末端在側(cè)壁上設(shè)置有氧氣入口21；內(nèi)管22前端穿經(jīng)堵頭33后套設(shè)于外管20內(nèi)，且內(nèi)管22外壁與外管20內(nèi)壁之間具有間距，內(nèi)管22末端設(shè)有尾氣出口和取樣口；加料管32穿經(jīng)四氯化鈦加料頭19后并伸入內(nèi)管22內(nèi)，且加料管32外壁與內(nèi)管20內(nèi)壁之間具有間距；加熱裝置套設(shè)于外管20外壁，加熱裝置電氣連接于電爐控制柜15。其中，加料管32為可拆卸連接結(jié)構(gòu)，使得加料管32伸入內(nèi)管22內(nèi)的長(zhǎng)度可調(diào)節(jié)，以改變反應(yīng)條件，得到不同的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
實(shí)施時(shí)，通過(guò)加熱裝置將反應(yīng)器加熱，氧氣入口21通入氧氣，加料管32通入四氯化鈦氣體；氧氣從外管20末端進(jìn)入，再流入位于外管20前端的內(nèi)管22進(jìn)口，直至在內(nèi)管22中接觸到通入的四氯化鈦氣體，在這個(gè)過(guò)程中可完成氧氣的預(yù)熱；四氯化鈦氣體通過(guò)加料管32，直至在內(nèi)管22中接觸到通入的氧氣，在這個(gè)過(guò)程中可完成四氯化鈦氣體的預(yù)熱；經(jīng)預(yù)熱后的氧氣和四氯化鈦氣體在內(nèi)管22中接觸后進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)后實(shí)驗(yàn)得到的tio2可在內(nèi)管22內(nèi)壁和尾氣處理裝置中收集到，這些tio2可以作為實(shí)驗(yàn)樣品檢測(cè)其性能；尾氣檢測(cè)所得到的數(shù)據(jù)則可以用以計(jì)算反應(yīng)率。本發(fā)明可較方便地實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室級(jí)四氯化鈦氣相氧化反應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)收集，為工業(yè)生產(chǎn)提供技術(shù)支撐。
本發(fā)明中，加熱裝置可通過(guò)電爐控制柜15實(shí)現(xiàn)程序控制加熱，最高加熱溫度1200℃。加熱裝置包括沿外管20長(zhǎng)度方向依次設(shè)置的多個(gè)加熱區(qū)，每個(gè)加熱區(qū)通過(guò)電爐控制柜15獨(dú)立設(shè)定加熱程序，每個(gè)加熱區(qū)設(shè)置有測(cè)溫裝置。通過(guò)設(shè)置多個(gè)加熱區(qū)，可測(cè)得更多的加熱溫度試驗(yàn)數(shù)據(jù)。加熱區(qū)通常為兩個(gè)或三個(gè)，本實(shí)施例中優(yōu)選為三個(gè)，包括溫區(qū)一16、溫區(qū)二17、溫區(qū)三18。外管20、內(nèi)管22、加料管32優(yōu)選采用石英玻璃制作，可完全滿足實(shí)驗(yàn)溫度條件。
氧氣入口21連接有氧氣進(jìn)料裝置，其優(yōu)選實(shí)施方式為：氧氣進(jìn)料裝置包括氧氣瓶1、三通接頭4、惰性氣體a瓶5；氧氣瓶1出口端依次連接氧氣減壓閥2、氧氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)3后連接于三通接頭4的第一接口；惰性氣體a瓶5出口端依次連接第二減壓閥7、第二轉(zhuǎn)子流量計(jì)8后連接于三通接頭4的第二接口；三通接頭4的第三接口連接于氧氣入口21。通過(guò)該氧氣進(jìn)料裝置可實(shí)現(xiàn)氧氣流量及氧氣濃度的調(diào)節(jié)，進(jìn)行不同參數(shù)的實(shí)驗(yàn)。惰性氣體a瓶5優(yōu)選采用氮?dú)馄俊?/p>
加料管32的入口端連接有四氯化鈦進(jìn)料裝置，其優(yōu)選實(shí)施方式為：四氯化鈦進(jìn)料裝置包括惰性氣體b瓶6、三口燒瓶11、四氯化鈦儲(chǔ)罐14；惰性氣體b瓶6出口端依次連接第三減壓閥9、第三轉(zhuǎn)子流量計(jì)10后連接于三口燒瓶11的第一接口；四氯化鈦儲(chǔ)罐14出口端通過(guò)計(jì)量泵13連接于三口燒瓶11的第二接口；三口燒瓶11的第三接口連接于加料管32的入口端，三口燒瓶11套設(shè)有加熱套12。其中，惰性氣體b瓶6可采用氮?dú)馄?，氮?dú)庾鳛轵?qū)動(dòng)氣體使用；定量的液態(tài)四氯化鈦在三口燒瓶11中通過(guò)加熱套12加熱成氣體。四氯化鈦在常溫下為液體，暴露在空氣中會(huì)產(chǎn)生白色的煙霧，當(dāng)溫度升高到137℃以上時(shí)，則以氣態(tài)形式存在，實(shí)驗(yàn)室級(jí)氧化反應(yīng)器的一個(gè)難點(diǎn)就是四氯化鈦的加入。采用本發(fā)明中的四氯化鈦進(jìn)料裝置，定量的液態(tài)四氯化鈦液體能夠在第一時(shí)間傳化成氣態(tài)進(jìn)入反應(yīng)系統(tǒng)，可以有效解決這一問(wèn)題。
內(nèi)管22末端的尾氣出口連接有尾氣處理裝置，其優(yōu)選實(shí)施方式為：尾氣處理裝置包括淋洗塔24、淋洗塔頭25、淋洗盒26、淋洗泵27；尾氣出口連通入淋洗盒26，淋洗塔24設(shè)于淋洗盒26頂部，淋洗塔頭25設(shè)于淋洗塔24頂部，淋洗泵27的入口端連接于淋洗盒26底部、出口端連接淋洗塔頭25；淋洗塔24頂部設(shè)有尾氣排放口28。本發(fā)明中采用堿液淋洗的方法，對(duì)尾氣進(jìn)行處理，可吸收尾氣中有害物質(zhì)，并收集產(chǎn)物中的tio2。本實(shí)施例中，淋洗塔24采用直徑為50mm、長(zhǎng)度為1m的玻璃管，淋洗盒26采用300mm×300mm×300mm的不銹鋼盒。
內(nèi)管22末端的取樣口連接有尾氣檢測(cè)裝置，其優(yōu)選實(shí)施方式為：尾氣檢測(cè)裝置包括取樣管23、洗氣瓶29、集氣瓶30、真空泵31，取樣管23經(jīng)取樣口伸入內(nèi)管22內(nèi)，取樣管23沿內(nèi)管22軸線方向布置，取樣管23的出口端依次連接洗氣瓶29、集氣瓶30、真空泵31，洗氣瓶29為至少兩個(gè)。惰性氣體a瓶5、惰性氣體b瓶6均采用氮?dú)馄?，尾氣成分主要有n2，o2，tio2，ticl4，cl2,其中只有ticl4含有cl-，在檢測(cè)過(guò)程中會(huì)成為干擾項(xiàng)，cl2不溶于飽和食鹽水，但飽和食鹽水可以吸收ticl4，同時(shí)也可以濾掉尾氣中的大部分的tio2。本發(fā)明中采用盛裝飽和食鹽水的兩級(jí)洗氣瓶29進(jìn)行過(guò)濾，通過(guò)真空泵31產(chǎn)生負(fù)壓，將尾氣抽濾到集氣瓶30中，對(duì)其中的cl2含量進(jìn)行檢測(cè)，可得到反應(yīng)率。取樣管23為可拆卸連接結(jié)構(gòu)，使得取樣管23伸入內(nèi)管22內(nèi)的長(zhǎng)度可調(diào)節(jié)，以檢測(cè)不同反應(yīng)區(qū)的樣品。內(nèi)管22末端的取樣口、尾氣出口均可設(shè)于內(nèi)管22端面上，此時(shí)取樣管23通過(guò)淋洗盒26中部的法蘭進(jìn)入反應(yīng)區(qū)中部。
本發(fā)明實(shí)施步驟為：
1)連接設(shè)備；本實(shí)施例中外管20直徑為50mm,內(nèi)管22直徑為35mm,氧氣入口21直徑為8mm；惰性氣體a瓶5、惰性氣體b瓶6均采用氮?dú)馄浚?/p>
2)加熱裝置有三段加熱區(qū)，每段長(zhǎng)30cm，設(shè)定溫區(qū)一16、溫區(qū)二17溫度為950℃，并保溫；
3)調(diào)節(jié)氧氣流量為0.8m3/h，混合氮?dú)鉃榱髁繛?.2m3/h，兩者經(jīng)過(guò)三通閥門4匯入反應(yīng)器尾端的氧氣入口21。
4)稱取200gticl4置于容量為500ml的四氯化鈦儲(chǔ)罐14中，調(diào)節(jié)三口燒瓶11溫度為150℃，開啟驅(qū)動(dòng)氮?dú)猓?qū)動(dòng)氮?dú)饬髁繛?.2m3/h，調(diào)節(jié)計(jì)量泵13流量為30g/min；
5)開啟尾氣處理裝置和尾氣檢測(cè)裝置；
6)記錄各部位置流量，溫度。
實(shí)驗(yàn)得到的tio2可在反應(yīng)器內(nèi)壁和尾氣淋洗液里收集到，這些tio2可以作為實(shí)驗(yàn)樣品檢測(cè)其性能；尾氣檢測(cè)則所得到的數(shù)據(jù)則可以用以計(jì)算反應(yīng)率。