本发明涉及一种四氯化钛气相氧化制备二氧化钛的实验反应系统，属于氯化法钛白行业技术领域。
背景技术：
四氯化钛气相氧化制备二氧化钛是一种先进的钛白制造工艺，俗称氯化法钛白生产工艺，由于该工艺具有产品质量好，环境友好等优势，该工艺被发达国家广泛采用，但由于技术封锁，国内该工艺的应用有待发展，制约发展的原因之一就是工艺关键参数的缺失。实验室级实验可以以较小的代价获得关键参数，但由于四氯化钛气相氧化实验条件复杂，对实验的要求苛刻，现有设备达不到实验要求，制约了实验的进行。
四氯化钛气相氧化制取钛白的化学反应式为:
ticl4(g)+o2(g)＝tio2(r)+2cl2(g)；△h＝-181.5856kj/mol。
在常温下该反应基本上不能进行，只有当温度高于600℃以上才有明显的反应速度，随着温度提高，反应速度加快。该反应系放热反应，单释放的反应热只能供应过程热平衡的三分之二左右，因此必须事先将原料(ticl4,o2)预热，以维持反应连续进行。影响氯化法钛白产品质量的因素复杂，如：反应温度，添加剂影响，物料比例等。
目前工业生产中，四氯化钛经过预热和添加剂以气态的形式进入反应器，和通过甲苯焰预热的氧气在1600℃的环境下相遇反应，而且反应器中压力保持在3个大气压。由于反应温度高、压力大，该过程对生产装置的要求极高，实验室中很难实现这样严格的条件。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是：提供一种四氯化钛气相氧化制备二氧化钛的实验反应系统，可较方便地实现实验室级四氯化钛气相氧化反应的关键参数收集，为工业生产提供技术支撑。
为解决上述技术问题本发明所采用的技术方案是：四氯化钛气相氧化制备二氧化钛的实验反应系统，包括反应器，反应器包括外管、内管、加料管、加热装置及电炉控制柜；外管前端通过四氯化钛加料头密封连接、末端通过堵头密封连接，外管末端在侧壁上设置有氧气入口；内管前端穿经堵头后套设于外管内，且内管外壁与外管内壁之间具有间距，内管末端设有尾气出口和取样口；加料管穿经四氯化钛加料头后并伸入内管内，且加料管外壁与内管内壁之间具有间距；加热装置套设于外管外壁，加热装置电气连接于电炉控制柜。
进一步的是：氧气入口连接有氧气进料装置，氧气进料装置包括氧气瓶、三通接头、惰性气体a瓶；氧气瓶出口端依次连接氧气减压阀、氧气转子流量计后连接于三通接头的第一接口；惰性气体a瓶出口端依次连接第二减压阀、第二转子流量计后连接于三通接头的第二接口；三通接头的第三接口连接于氧气入口。
进一步的是：加料管的入口端连接有四氯化钛进料装置，四氯化钛进料装置包括惰性气体b瓶、三口烧瓶、四氯化钛储罐；惰性气体b瓶出口端依次连接第三减压阀、第三转子流量计后连接于三口烧瓶的第一接口；四氯化钛储罐出口端通过计量泵连接于三口烧瓶的第二接口；三口烧瓶的第三接口连接于加料管的入口端，三口烧瓶套设有加热套。
进一步的是：内管末端的尾气出口连接有尾气处理装置，尾气处理装置包括淋洗塔、淋洗塔头、淋洗盒、淋洗泵；尾气出口连通入淋洗盒，淋洗塔设于淋洗盒顶部，淋洗塔头设于淋洗塔顶部，淋洗泵的入口端连接于淋洗盒底部、出口端连接淋洗塔头；淋洗塔顶部设有尾气排放口。
进一步的是：内管末端的取样口连接有尾气检测装置，尾气检测装置包括取样管、洗气瓶、集气瓶、真空泵，取样管经取样口伸入内管内，取样管沿内管轴线方向布置，取样管的出口端依次连接洗气瓶、集气瓶、真空泵。
进一步的是：洗气瓶为至少两个。
进一步的是：取样管为可拆卸连接结构，使得取样管伸入内管内的长度可调节。
进一步的是：加热装置包括沿外管长度方向依次设置的多个加热区，每个加热区通过电炉控制柜独立设定加热程序，每个加热区设置有测温装置。
进一步的是：加热区为两个或三个。
进一步的是：加料管为可拆卸连接结构，使得加料管伸入内管内的长度可调节。
本发明的有益效果是：实施时，通过加热装置将反应器加热，氧气入口通入氧气，加料管通入四氯化钛气体；氧气从外管末端进入，再流入位于外管前端的内管进口，直至在内管中接触到通入的四氯化钛气体，在这个过程中可完成氧气的预热；四氯化钛气体通过加料管，直至在内管中接触到通入的氧气，在这个过程中可完成四氯化钛气体的预热；经预热后的氧气和四氯化钛气体在内管中接触后进行反应，反应后实验得到的tio2可在内管内壁和尾气处理装置中收集到，这些tio2可以作为实验样品检测其性能；尾气检测所得到的数据则可以用以计算反应率。本发明可较方便地实现实验室级四氯化钛气相氧化反应的关键参数收集，为工业生产提供技术支撑。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图中零部件、部位及编号：1-氧气瓶、2-氧气减压阀、3-氧气转子流量计、4-三通接头、5-惰性气体a瓶、6-惰性气体b瓶、7-第二减压阀、8-第二转子流量计、9-第三减压阀、10-第三转子流量计、11-三口烧瓶、12-加热套、13-计量泵、14-四氯化钛储罐、15-电炉控制柜、16-温区一、17-温区二、18-温区三、19-四氯化钛加料头、20-外管、21-氧气入口、22-内管、23-取样管、24-淋洗塔、25-淋洗塔头、26-淋洗盒、27-淋洗泵、28-尾气排放口、29-洗气瓶、30-集气瓶、31-真空泵、32-加料管、33-堵头。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明四氯化钛气相氧化制备二氧化钛的实验反应系统，包括反应器，反应器包括外管20、内管22、加料管32、加热装置及电炉控制柜15；外管20前端通过四氯化钛加料头19密封连接、末端通过堵头33密封连接，外管20末端在侧壁上设置有氧气入口21；内管22前端穿经堵头33后套设于外管20内，且内管22外壁与外管20内壁之间具有间距，内管22末端设有尾气出口和取样口；加料管32穿经四氯化钛加料头19后并伸入内管22内，且加料管32外壁与内管20内壁之间具有间距；加热装置套设于外管20外壁，加热装置电气连接于电炉控制柜15。其中，加料管32为可拆卸连接结构，使得加料管32伸入内管22内的长度可调节，以改变反应条件，得到不同的实验数据。
实施时，通过加热装置将反应器加热，氧气入口21通入氧气，加料管32通入四氯化钛气体；氧气从外管20末端进入，再流入位于外管20前端的内管22进口，直至在内管22中接触到通入的四氯化钛气体，在这个过程中可完成氧气的预热；四氯化钛气体通过加料管32，直至在内管22中接触到通入的氧气，在这个过程中可完成四氯化钛气体的预热；经预热后的氧气和四氯化钛气体在内管22中接触后进行反应，反应后实验得到的tio2可在内管22内壁和尾气处理装置中收集到，这些tio2可以作为实验样品检测其性能；尾气检测所得到的数据则可以用以计算反应率。本发明可较方便地实现实验室级四氯化钛气相氧化反应的关键参数收集，为工业生产提供技术支撑。
本发明中，加热装置可通过电炉控制柜15实现程序控制加热，最高加热温度1200℃。加热装置包括沿外管20长度方向依次设置的多个加热区，每个加热区通过电炉控制柜15独立设定加热程序，每个加热区设置有测温装置。通过设置多个加热区，可测得更多的加热温度试验数据。加热区通常为两个或三个，本实施例中优选为三个，包括温区一16、温区二17、温区三18。外管20、内管22、加料管32优选采用石英玻璃制作，可完全满足实验温度条件。
氧气入口21连接有氧气进料装置，其优选实施方式为：氧气进料装置包括氧气瓶1、三通接头4、惰性气体a瓶5；氧气瓶1出口端依次连接氧气减压阀2、氧气转子流量计3后连接于三通接头4的第一接口；惰性气体a瓶5出口端依次连接第二减压阀7、第二转子流量计8后连接于三通接头4的第二接口；三通接头4的第三接口连接于氧气入口21。通过该氧气进料装置可实现氧气流量及氧气浓度的调节，进行不同参数的实验。惰性气体a瓶5优选采用氮气瓶。
加料管32的入口端连接有四氯化钛进料装置，其优选实施方式为：四氯化钛进料装置包括惰性气体b瓶6、三口烧瓶11、四氯化钛储罐14；惰性气体b瓶6出口端依次连接第三减压阀9、第三转子流量计10后连接于三口烧瓶11的第一接口；四氯化钛储罐14出口端通过计量泵13连接于三口烧瓶11的第二接口；三口烧瓶11的第三接口连接于加料管32的入口端，三口烧瓶11套设有加热套12。其中，惰性气体b瓶6可采用氮气瓶，氮气作为驱动气体使用；定量的液态四氯化钛在三口烧瓶11中通过加热套12加热成气体。四氯化钛在常温下为液体，暴露在空气中会产生白色的烟雾，当温度升高到137℃以上时，则以气态形式存在，实验室级氧化反应器的一个难点就是四氯化钛的加入。采用本发明中的四氯化钛进料装置，定量的液态四氯化钛液体能够在第一时间传化成气态进入反应系统，可以有效解决这一问题。
内管22末端的尾气出口连接有尾气处理装置，其优选实施方式为：尾气处理装置包括淋洗塔24、淋洗塔头25、淋洗盒26、淋洗泵27；尾气出口连通入淋洗盒26，淋洗塔24设于淋洗盒26顶部，淋洗塔头25设于淋洗塔24顶部，淋洗泵27的入口端连接于淋洗盒26底部、出口端连接淋洗塔头25；淋洗塔24顶部设有尾气排放口28。本发明中采用碱液淋洗的方法，对尾气进行处理，可吸收尾气中有害物质，并收集产物中的tio2。本实施例中，淋洗塔24采用直径为50mm、长度为1m的玻璃管，淋洗盒26采用300mm×300mm×300mm的不锈钢盒。
内管22末端的取样口连接有尾气检测装置，其优选实施方式为：尾气检测装置包括取样管23、洗气瓶29、集气瓶30、真空泵31，取样管23经取样口伸入内管22内，取样管23沿内管22轴线方向布置，取样管23的出口端依次连接洗气瓶29、集气瓶30、真空泵31，洗气瓶29为至少两个。惰性气体a瓶5、惰性气体b瓶6均采用氮气瓶，尾气成分主要有n2，o2，tio2，ticl4，cl2,其中只有ticl4含有cl-，在检测过程中会成为干扰项，cl2不溶于饱和食盐水，但饱和食盐水可以吸收ticl4，同时也可以滤掉尾气中的大部分的tio2。本发明中采用盛装饱和食盐水的两级洗气瓶29进行过滤，通过真空泵31产生负压，将尾气抽滤到集气瓶30中，对其中的cl2含量进行检测，可得到反应率。取样管23为可拆卸连接结构，使得取样管23伸入内管22内的长度可调节，以检测不同反应区的样品。内管22末端的取样口、尾气出口均可设于内管22端面上，此时取样管23通过淋洗盒26中部的法兰进入反应区中部。
本发明实施步骤为：
1)连接设备；本实施例中外管20直径为50mm,内管22直径为35mm,氧气入口21直径为8mm；惰性气体a瓶5、惰性气体b瓶6均采用氮气瓶；
2)加热装置有三段加热区，每段长30cm，设定温区一16、温区二17温度为950℃，并保温；
3)调节氧气流量为0.8m3/h，混合氮气为流量为0.2m3/h，两者经过三通阀门4汇入反应器尾端的氧气入口21。
4)称取200gticl4置于容量为500ml的四氯化钛储罐14中，调节三口烧瓶11温度为150℃，开启驱动氮气，驱动氮气流量为0.2m3/h，调节计量泵13流量为30g/min；
5)开启尾气处理装置和尾气检测装置；
6)记录各部位置流量，温度。
实验得到的tio2可在反应器内壁和尾气淋洗液里收集到，这些tio2可以作为实验样品检测其性能；尾气检测则所得到的数据则可以用以计算反应率。