一种金红石型二氧化钛的生产系统及其生产方法与流程

本发明涉及二氧化钛生产领域，特别涉及一种金红石型二氧化钛的生产系统及其生产方法。

背景技术：

二氧化钛的制备方法主要包括物理法和化学法，物理法主要包括溅射法、热蒸发法及激光蒸发法，化学法主要包括液相法和气相法，液相法主要包括均匀沉淀法和溶胶-凝胶法，气相法主要包括ticl4气相氧化法，目前一般采用ticl4气相氧化法来制备二氧化钛。ticl4气相氧化法一般是以氮气作为ticl4的载气，以氧气作为氧化剂，在高温管式反应器中进行氧化反应，经气固分离，获得二氧化钛粉体。在实际工业应用中，ticl4气相氧化法生产二氧化钛耗能较高，得率较低，产品纯净度不够，原料浪费较严重，往往未得到广泛应用，在尾气处理工序中，往往残留了相当量的二氧化钛粉末，一般会残留至少1.0%的二氧化钛粉末（%表示单次得到二氧化钛的总质量），尾气吸收剂用量较高，生产成本高，企业利润较低，这也是ticl4气相氧化法生产二氧化钛未得到广泛利用的一个重要原因。

技术实现要素：

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种金红石型二氧化钛的生产系统及其生产方法，以解决现有ticl4气相氧化法生产二氧化钛所存在的不足。

本发明采用的技术方案如下：一种金红石型二氧化钛的生产系统，其特征在于，它包括：

高温预热炉单元，用于将反应物预热至850-950℃，高温预热炉单元的输入端与反应物供应单元连通，高温预热炉单元的输出端连接管式高温反应器的输入端；

管式高温反应器，管式高温反应器包括反应外管和反应内管，反应内管内嵌于反应外管内且反应内管上设有多个排气孔，反应内管的一端为盲端，反应内管的盲端不与反应外管接触；反应内管与反应外管之间的空隙形成反应室，反应内管的输入端和反应室的输入端分别连接高温预热炉单元，反应室的输出端连接换热器；

换热器，用于将反应后的混合气流冷却至150℃以下，换热器的一个输入端连接管式高温反应器的输出端，其另一个输入端连接冷却水系统，换热器的输出端连接气固分离器的输入端；

气固分离器，用于对冷却后的混合气流进行气固分离，气固分离器的粉体输出端连接粉体收集装置，气固分离器的气体输出端连接尾气处理单元。

在上述生产系统中，换热器的设置最为关键，在管式高温反应器中，排出的混合气流的温度达到600℃以上，现有生产工艺是通过设置长管道来自然冷却至300℃左右时就对其进行气固分离，其不仅需要投入较大成本来铺设长管道，而且在300℃左右进行气固分离时，由于混合气流内的气体分子非常活跃，混合气流在旋风分离时不易沉降分离，进而导致分离后的混合气体中依然含有相当量的固体粉末。在本发明中，设置的换热器解决了需要铺设长管道的麻烦，利用换热器对混合气流进行降温，其不仅可以回收利用混合气流的热量，达到节约能源的目的，其还可以使混合气流的温度易于控制，缩短混合气流冷却过程所需时间，同时，经过实验研究得到，混合气流的温度降至80℃时，混合气流的温度对气固分离过程的影响降至最低，在该温度下，气固分离的效果最佳，能使绝大部分的固体粉末从混合气流中分离出来，固体粉末的损失量不超过0.5%，二氧化钛的得率得到有效提高，本发明在综合考虑了换热器的性能、换热运行成本和二氧化钛得率的情况下，混合气流的冷却温度设定为不大于150℃，优选为124℃，这样不仅可以充分利用换热器的功能，还能降低换热成本，二氧化钛的得率得到有效提高，其损失量控制在0.2-0.5%之间，由此有效地解决了传统生产工艺所存在的生产成本较高、二氧化钛得率较低和原料浪费较严重的问题。

同时，通过反应室和反应内管向反应室内通入ticl4气液混合气流和o2，由于喷射的方向不同，两种原料所产生的气流在反应室内发生碰撞混合，进而达到混合充分、扰流大的技术效果，混合气流在反应室内的停留时间被大幅延长，进而使反应物具有足够的时间发生反应，初始生成的锐钛型二氧化钛具有足够时间来全部转化为金红石型二氧化钛，由此，在提高二氧化钛的得率的同时，提高了产物金红石型二氧化钛的纯净度。

进一步，为了更好地实施本发明的管式高温反应器，反应室内通过隔离板隔离形成第一反应室和第二反应室，第一反应室和第二反应室分别位于反应内管的两侧，第一反应室和第二反应室通过反应内管的盲端与反应外管的盲端之间的空隙连通，第一反应室通过气体输入管与高温预热炉单元连通，第二反应室通过气体输出管与换热器连通。

进一步，为了更好地实施本发明的反应物供应单元，反应物供应单元包括供应泵和储物罐，储物罐分别包括o2储物罐、ticl4储物罐和n2储物罐，o2储物罐通过供应泵将o2泵入高温预热炉单元内；ticl4储物罐和n2储物罐通过另一个供应泵将ticl4和n2形成的气液混合气流泵入另一个高温预热炉单元内。

进一步，为了更好地实施本发明的高温预热炉单元，高温预热炉单元包括o2预热炉单元和气液混合气流预热炉单元，o2预热炉单元用于对o2进行预热，o2预热炉单元的输出端连接管式高温反应器的一个输入端；气液混合气流预热炉单元用于对ticl4和n2形成的气液混合气流进行预热，气液混合气流预热炉单元的输出端连接管式高温反应器的另一个输入端。

在现有ticl4气相氧化法生产二氧化钛的生产体系中，能耗最高的工序发生在高温预热炉单元，高温预热炉单元所耗能量占整个生产过程所耗能量的65%以上，为了降低其能耗，使二氧化钛生产体系的能耗得到有效降低，高温预热炉单元包括高温预热炉，高温预热炉内插放有多个通过管道串联的换热单元，所述换热单元包括换热外管，换热外管内设置有换热内管，换热外管和换热内管之间的密闭空间形成一级换热室，换热内管的腔室构成二级换热室，相邻换热单元间的一级换热室通过一级换热管路串联形成一级换热系统，一级换热系统的首端连接气体缓冲装置，其末端与管式高温反应器的一个输入端连接；相邻换热单元间的二级换热室通过二级换热管路串联形成二级换热系统，二级换热系统的首端连接反应物供应单元，其末端与气体缓冲装置连接。

上述中，在对反应物进行预热时，首先通过反应物供应单元将需要预热的反应物输送至二级换热系统内，在换热单元内，一级换热室的温度大于二级换热室的温度，待预热的反应物经多个二级换热室换热后，其具有了一个初始预热温度，并被输送至气体缓冲装置内，气体缓冲装置对反应物进行再分配，然后将其输送至一级换热系统内，反应物经过多个一级换热室换热后达到设计预热温度，并通过一级换热管路输送至管式高温反应器内进入下一工序。在此过程中，一级换热室内的反应物和二级换热室内的反应物产生热交换，对于二级换热室来说，二级换热室内的反应物可获得一个稳定地温度梯度，二级换热室内的反应物的预热温度均匀上升，避免了过热和不稳定预热的情况出现，其初始预热环境良好；对于一级换热室来说，经均匀预热后的反应物由于具有了一个初始预热温度，因此具备了对其进行快速加热的基础条件，一级换热室内的反应物可获得一个较高的温度梯度，其预热速率明显提高，几经换热单元预热后，其可很快地被预热至设计温度，预热时间被有效缩短。在整体上，每个换热单元都对反应物进行了两次预热，其预热次数多于传统的换热单元，可省下传统1倍的换热单元的设置。同时，本发明的换热单元能够充分利用热能源，可形成对热能源的二次利用，其换热效率较高，后期的快速升温使得其预热时间得到了有效地缩短，由此在整体上提高了高温预热炉的预热效率，高温预热炉的结构得到了精简，降低了高温预热炉的制造成本和运行成本，使二氧化钛生产体系的能耗得到了有效降低，经实际对比得到，应用本发明的高温预热炉后，高温预热单元的在单位时间内的能耗降低了近20%，技术效果突出明显。

本发明还包括一种金红石型二氧化钛的生产系统的生产方法，包括以下步骤：

步骤1、启动高温预热炉单元和反应物供应单元，将o2泵入o2预热炉单元中并将o2预热至850-950℃，得到预热后的o2；按照比例将ticl4和n2形成的气液混合气流泵入气液混合气流预热炉单元中并将气液混合气流预热至900-950℃，得到预热后的气液混合气流；

步骤2、将得到的预热后的o2和预热后的气液混合气流按照一定比例同时泵入管式高温反应器内进行混合反应，其中，将预热后的o2送入管式高温反应器的反应内管内，通过反应内管向反应室内喷射o2；将预热后的气液混合气流送入反应室内，预热后的o2和气液混合气流在反应室内混合发生反应，控制管式高温反应器内的反应温度在900-950℃之间，反应结束后得到混合气流，管式高温反应器将混合气流送入换热器内进行下一工序；

步骤3、换热器接收来自管式高温反应器的混合气流，并利用冷却水对混合气流进行降温冷却至150℃以下，得到冷却后的混合气流，冷却后的混合气流通入气固分离器内进行气固分离；

步骤4、气固分离器对后的混合气流进行气固分离，得到粉体和混合气体，粉体通过粉体输出端输送至粉体收集装置内，即得到金红石型二氧化钛，混合气体通过气体输出端输送至尾气处理单元进行尾气处理，经尾气处理单元对混合气体中的cl2和残留粉体吸收并达到排放标准后，对外直接排放。

上述中，o2的预热温度和ticl4与n2形成的气液混合气流的预热温度选择比较关键，这直接影响到后序混合反应时，能否完全杜绝副反应产生，在传统生产体系中，一般是将o2预热至850-1000℃，将气液混合气流预热至低于o2预热温度50-100℃，以提高o2的氧化活性，提高反应速率，保证反应生成的全部是tio2，而无副反应ti2o3cl2生成。在本发明中，o2预热温度的预热温度为850-950℃，气液混合气流的预热温度为900-950℃，其并不要求o2预热温度高于气液混合气流的预热温度，特别是当o2预热温度的预热温度为900℃，气液混合气流的预热温度为900℃时，反应速率达到了最佳。

进一步，o2和ticl4按照摩尔比为3:1的计量关系在管式高温反应器中混合反应，其中，在管式高温反应器内气流的流动速度不小于0.5m/s，在管式高温反应器内的反应时间不少于5s。

上述中，o2和ticl4的摩尔比例需严格执行，只有当o2过量时，ticl4才会完全反应生成二氧化钛，而o2含量不宜过大，当o2和ticl4的摩尔比大于3:1时，o2不仅消耗量过大，其得到的二氧化钛粉体质量有所下降，二氧化钛的粒径不易控制，因此，太多过量的o2不利于提高生产体系的二氧化钛的得率。相应地，反应时间应不少于5s，反应时间过短，反应不完全，有副产物产生，得到的二氧化钛中锐钛型二氧化钛含量较多，由此影响纯净度。

进一步，为了得到分散度更好地气液混合气流，提高混合反应速率，n2和ticl4的摩尔比为（3-10）：1。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：本发明提供的一种金红石型二氧化钛的生产系统及其生产方法，主要解决现有ticl4气相氧化法生产二氧化钛体系中存在的生产成本较高、产品纯净度不够、二氧化钛得率较低和原料浪费较严重的问题，通过改变传统管式高温反应器的结构，改进生产工艺，降低了整个生产体系的能耗和运行成本，提高了二氧化钛的转化率和得率，降低了整个生产过程的能耗。

附图说明

图1是本发明的一种金红石型二氧化钛的生产系统结构示意图；

图2是本发明的高温预热炉结构示意图；

图3是本发明的换热单元剖视结构示意图；

图4是本发明的管式高温反应器正面剖视结构示意图；

图5是本发明的管式高温反应器侧面剖视结构示意图。

图中标记：1为高温预热炉，2为换热单元，3为换热外管，4为换热内管，5为一级换热室，6为二级换热室，7为一级换热管路，8为气体缓冲装置，9为二级换热管路，10为供应泵，11为o2储物罐，12为ticl4储物罐，13为n2储物罐，14为o2预热炉单元，15为气液混合气流预热炉单元，16为管式高温反应器，1601为反应外管，1602为反应内管，1603为隔离板，1604为第一反应室，1605为第二反应室，1606为气体输入管，1607为气体输入管，17为换热器，18为气固分离器，19为粉体收集装置，20为尾气处理单元。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1至图5所示，一种金红石型二氧化钛的生产系统，它包括：

高温预热炉单元，用于将反应物预热至850-950℃，高温预热炉单元的输入端与反应物供应单元连通，高温预热炉单元的输出端连接管式高温反应器16的输入端；

管式高温反应器16，管式高温反应器16包括反应外管1601和反应内管1602，反应内管1602内嵌于反应外管1601内且反应内管1602上设有多个排气孔，反应内管1602的一端为盲端，反应内管1602的盲端不与反应外管1601接触；反应内管1602与反应外管1601之间的空隙形成反应室，反应内管1602的输入端和反应室的输入端分别连接高温预热炉单元，反应室的输出端连接换热器17；

换热器17，用于将反应后的混合气流冷却至150℃以下，换热器17的一个输入端连接管式高温反应器16的输出端，其另一个输入端连接冷却水系统，换热器17的输出端连接气固分离器18的输入端；

气固分离器18，用于对冷却后的混合气流进行气固分离，气固分离器18的粉体输出端连接粉体收集装置19，气固分离器18的气体输出端连接尾气处理单元20。

进一步地，为了更好地实施本发明的管式高温反应器16，反应室内通过隔离板1603隔离形成第一反应室1604和第二反应室1605，第一反应室1604和第二反应室1605分别位于反应内管1602的两侧，第一反应室1604和第二反应室1605通过反应内管1602的盲端与反应外管1601的盲端之间的空隙连通，第一反应室1604通过气体输入管1606与高温预热炉单元连通，第二反应室1605通过气体输出管1607与换热器17连通。

进一步地，为了更好地实施本发明的反应物供应单元，反应物供应单元包括供应泵10和储物罐，储物罐分别包括o2储物罐11、ticl4储物罐12和n2储物罐13，o2储物罐11通过供应泵10将o2泵入高温预热炉单元内；ticl4储物罐12和n2储物罐13通过另一个供应泵10将ticl4和n2形成的气液混合气流泵入另一个高温预热炉单元内。

进一步地，为了更好地实施本发明的高温预热炉单元，高温预热炉单元包括o2预热炉单元14和气液混合气流预热炉单元15，o2预热炉单元14用于对o2进行预热，o2预热炉单元14的输出端连接管式高温反应器16的一个输入端；气液混合气流预热炉单元15用于对ticl4和n2形成的气液混合气流进行预热，气液混合气流预热炉单元15的输出端连接管式高温反应器16的另一个输入端。也即是说，o2预热炉单元14的输出端连接管式高温反应,16的反应内管1602，气液混合气流预热炉单元15的输出端连接管式高温反应器16的气体输入管1606。

为了降低其能耗，使二氧化钛生产体系的能耗得到有效降低，高温预热炉单元包括高温预热炉1，高温预热炉1内插放有多个通过管道串联的换热单元2，所述换热单元2包括换热外管3，换热外管3内设置有换热内管4，换热外管3和换热内管4之间的密闭空间形成一级换热室5，换热内管4的腔室构成二级换热室6，相邻换热单元2间的一级换热室5通过一级换热管路7串联形成一级换热系统，一级换热系统的首端连接气体缓冲装置8，其末端与管式高温反应器16的一个输入端连接；相邻换热单元2间的二级换热室6通过二级换热管路9串联形成二级换热系统，二级换热系统的首端连接反应物供应单元，其末端与气体缓冲装置8连接。

为了更好地解释本发明，以下列举具体实施例：

实施例1

一种金红石型二氧化钛的生产系统的生产方法，包括以下步骤：

步骤1、启动高温预热炉单元和反应物供应单元，将o2泵入o2预热炉单元14中并将o2预热至950℃，得到预热后的o2；按照n2和ticl4的摩尔比为4：1的比例将ticl4和n2形成的气液混合气流泵入气液混合气流预热炉单元15中并将气液混合气流预热至900℃，得到预热后的气液混合气流；

步骤2、将得到的预热后的o2和预热后的气液混合气流按照o2和ticl4摩尔比为3:1的比例同时泵入管式高温反应器16内进行混合反应，其中，将预热后的o2送入管式高温反应器16的反应内管1602内，通过反应内管1602向反应室内喷射o2；将预热后的气液混合气流通过气体输入管1606送入第一反应室1604内，预热后的o2和气液混合气流在第一反应室1604内混合发生反应得到混合气流，控制管式高温反应器16内的反应温度在900℃之间，气流的流动速度为0.8m/s，反应时间为7s，混合气流流动至第二反应室1605内继续与o2发生反应，然后通过管式高温反应器16上的气体输出管1607将混合气流送入换热器17内进行下一工序；

步骤3、换热器17接收来自管式高温反应器16的混合气流，并利用冷却水对混合气流进行降温冷却至150℃，得到冷却后的混合气流，冷却后的混合气流通入气固分离器18内进行气固分离；

步骤4、气固分离器18对后的混合气流进行气固分离，得到粉体和混合气体，粉体通过粉体输出端输送至粉体收集装置19内，即得到金红石型二氧化钛，混合气体通过气体输出端输送至尾气处理单元20进行尾气处理，经尾气处理单元20对混合气体中的cl2和残留粉体吸收并达到排放标准后，对外直接排放。

实施例2

一种金红石型二氧化钛的生产系统的生产方法，包括以下步骤：

步骤1、启动高温预热炉单元和反应物供应单元，将o2泵入o2预热炉单元14中并将o2预热至900℃，得到预热后的o2；按照n2和ticl4的摩尔比为5：1的比例将ticl4和n2形成的气液混合气流泵入气液混合气流预热炉单元15中并将气液混合气流预热至900℃，得到预热后的气液混合气流；

步骤2、将得到的预热后的o2和预热后的气液混合气流按照o2和ticl4摩尔比为3:1的比例同时泵入管式高温反应器16内进行混合反应，其中，将预热后的o2送入管式高温反应器16的反应内管1602内，通过反应内管1602向反应室内喷射o2；将预热后的气液混合气流通过气体输入管1606送入第一反应室1604内，预热后的o2和气液混合气流在第一反应室1604内混合发生反应得到混合气流，控制管式高温反应器16内的反应温度在850℃之间，气流的流动速度为0.6m/s，反应时间为7s，混合气流流动至第二反应室1605内继续与o2发生反应，然后通过管式高温反应器16上的气体输出管1607将混合气流送入换热器17内进行下一工序；

步骤3、换热器17接收来自管式高温反应器16的混合气流，并利用冷却水对混合气流进行降温冷却至124℃，得到冷却后的混合气流，冷却后的混合气流通入气固分离器18内进行气固分离；

步骤4、气固分离器18对后的混合气流进行气固分离，得到粉体和混合气体，粉体通过粉体输出端输送至粉体收集装置19内，即得到金红石型二氧化钛，混合气体通过气体输出端输送至尾气处理单元20进行尾气处理，经尾气处理单元20对混合气体中的cl2和残留粉体吸收并达到排放标准后，对外直接排放。

实施3

一种金红石型二氧化钛的生产系统的生产方法，包括以下步骤：

步骤1、启动高温预热炉单元和反应物供应单元，将o2泵入o2预热炉单元14中并将o2预热至950℃，得到预热后的o2；按照n2和ticl4的摩尔比为10：1的比例将ticl4和n2形成的气液混合气流泵入气液混合气流预热炉单元15中并将气液混合气流预热至900℃，得到预热后的气液混合气流；

步骤2、将得到的预热后的o2和预热后的气液混合气流按照o2和ticl4摩尔比为3:1的比例同时泵入管式高温反应器16内进行混合反应，其中，将预热后的o2送入管式高温反应器16的反应内管1602内，通过反应内管1602向反应室内喷射o2；将预热后的气液混合气流通过气体输入管1606送入第一反应室1604内，预热后的o2和气液混合气流在第一反应室1604内混合发生反应得到混合气流，控制管式高温反应器16内的反应温度在900℃之间，气流的流动速度为0.8m/s，反应时间为5s，混合气流流动至第二反应室1605内继续与o2发生反应，然后通过管式高温反应器16上的气体输出管1607将混合气流送入换热器17内进行下一工序；

步骤3、换热器17接收来自管式高温反应器16的混合气流，并利用冷却水对混合气流进行降温冷却至100℃，得到冷却后的混合气流，冷却后的混合气流通入气固分离器18内进行气固分离；

步骤4、气固分离器18对后的混合气流进行气固分离，得到粉体和混合气体，粉体通过粉体输出端输送至粉体收集装置19内，即得到金红石型二氧化钛，混合气体通过气体输出端输送至尾气处理单元20进行尾气处理，经尾气处理单元20对混合气体中的cl2和残留粉体吸收并达到排放标准后，对外直接排放。

上述实施例的主要生产指标如下表1所示：

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。