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Parametric study of flow field and mixing characteristics of TiCl4 jet injected into O2 crossflow in oxidation reactor for titanium pigment production by chloride process
International Journal of Thermal Sciences ( IF 4.5 ) Pub Date : 2020-10-01 , DOI: 10.1016/j.ijthermalsci.2020.106460 Yadong Li , Zhifeng Nie , Yanqing Hou , Gang Xie , Lin Tian
International Journal of Thermal Sciences ( IF 4.5 ) Pub Date : 2020-10-01 , DOI: 10.1016/j.ijthermalsci.2020.106460 Yadong Li , Zhifeng Nie , Yanqing Hou , Gang Xie , Lin Tian
Abstract A parametric study of the flow field and mixing characteristics of a TiCl4 jet injected into an O2 crossflow in an oxidation reactor for titanium pigment production is numerically investigated. A three-dimensional computational fluid dynamics (CFD) simulation of the turbulent gas mixing model is performed. The effect of geometrical (reactor diameter, jet nozzle number n, jet nozzle diameter, jet nozzle spacing S) and flow parameters (momentum flux ratio J) on the penetration depth (h/R) and mixing quality of the gases is examined. The results are validated with available experimental data and a good agreement is obtained. We show that three stages: under-, optimum, and over-penetration, occur sequentially in the oxidation reactor with increasing J. The kidney-shaped structure, characteristic of a jet-in-crossflow is formed, which is blurred when the mixture of TiCl4 and O2 moves into the downstream fluid. The h/R value at a minimum temperature difference is 0.683 and 0.604 for n = 32 and 16, respectively, which are within industrial production data range of 0.56–0.72. The optimum range of S is between 3.25 and 7.35. h/R strongly depends on the only dimensionless parameter J/n2 expressed in terms of the geometrical and flow parameters via the relation: h/R = 0.7274 + 0.20228 ln (J/n2+0.04587). The TiCl4 concentration profile changes from a quasi-sine to quasi-cosine distribution with increasing J/n2. Both the mixing non-uniformity and the time to attain the optimum mixing quality of TiCl4 and O2 decrease first and then increase with increasing J/n2.
中文翻译:
氯化法生产钛白粉氧化反应器O2错流中TiCl4射流流场及混合特性参数研究
摘要 数值研究了钛颜料生产氧化反应器中TiCl4射流注入O2错流的流场和混合特性的参数研究。执行湍流气体混合模型的三维计算流体动力学 (CFD) 模拟。检查了几何形状(反应器直径、喷嘴数量 n、喷嘴直径、喷嘴间距 S)和流动参数(动量通量比 J)对气体穿透深度 (h/R) 和混合质量的影响。结果与可用的实验数据进行了验证,并获得了良好的一致性。我们表明,随着 J 的增加,氧化反应器中依次发生三个阶段:欠渗透、最佳渗透和过度渗透。 形成了具有横流射流特征的肾形结构,当 TiCl4 和 O2 的混合物进入下游流体时,它变得模糊。n = 32 和 16 时,最小温差下的 h/R 值分别为 0.683 和 0.604,在工业生产数据范围 0.56-0.72 内。S 的最佳范围在 3.25 和 7.35 之间。h/R 强烈依赖于唯一的无量纲参数 J/n2,通过关系式表示为几何和流动参数:h/R = 0.7274 + 0.20228 ln (J/n2+0.04587)。随着 J/n2 的增加,TiCl4 浓度分布从准正弦分布变为准余弦分布。混合不均匀性和达到 TiCl4 和 O2 最佳混合质量的时间均随着 J/n2 的增加而先降低后增加。n = 32 和 16 时,最小温差下的 h/R 值分别为 0.683 和 0.604,在工业生产数据范围 0.56-0.72 内。S 的最佳范围在 3.25 和 7.35 之间。h/R 强烈依赖于唯一的无量纲参数 J/n2,通过关系式表示为几何和流动参数:h/R = 0.7274 + 0.20228 ln (J/n2+0.04587)。随着 J/n2 的增加,TiCl4 浓度分布从准正弦分布变为准余弦分布。混合不均匀性和达到 TiCl4 和 O2 最佳混合质量的时间均随着 J/n2 的增加而先降低后增加。n = 32 和 16 时,最小温差下的 h/R 值分别为 0.683 和 0.604,在工业生产数据范围 0.56-0.72 内。S 的最佳范围在 3.25 和 7.35 之间。h/R 强烈依赖于唯一的无量纲参数 J/n2,通过关系式表示为几何和流动参数:h/R = 0.7274 + 0.20228 ln (J/n2+0.04587)。随着 J/n2 的增加,TiCl4 浓度分布从准正弦分布变为准余弦分布。混合不均匀性和达到 TiCl4 和 O2 最佳混合质量的时间均随着 J/n2 的增加而先降低后增加。h/R 强烈依赖于唯一的无量纲参数 J/n2,通过关系式表示为几何和流动参数:h/R = 0.7274 + 0.20228 ln (J/n2+0.04587)。随着 J/n2 的增加,TiCl4 浓度分布从准正弦分布变为准余弦分布。混合不均匀性和达到 TiCl4 和 O2 最佳混合质量的时间均随着 J/n2 的增加而先降低后增加。h/R 强烈依赖于唯一的无量纲参数 J/n2,通过关系式表示为几何和流动参数:h/R = 0.7274 + 0.20228 ln (J/n2+0.04587)。随着 J/n2 的增加,TiCl4 浓度分布从准正弦分布变为准余弦分布。混合不均匀性和达到 TiCl4 和 O2 最佳混合质量的时间均随着 J/n2 的增加而先降低后增加。
更新日期:2020-10-01
中文翻译:
氯化法生产钛白粉氧化反应器O2错流中TiCl4射流流场及混合特性参数研究
摘要 数值研究了钛颜料生产氧化反应器中TiCl4射流注入O2错流的流场和混合特性的参数研究。执行湍流气体混合模型的三维计算流体动力学 (CFD) 模拟。检查了几何形状(反应器直径、喷嘴数量 n、喷嘴直径、喷嘴间距 S)和流动参数(动量通量比 J)对气体穿透深度 (h/R) 和混合质量的影响。结果与可用的实验数据进行了验证,并获得了良好的一致性。我们表明,随着 J 的增加,氧化反应器中依次发生三个阶段:欠渗透、最佳渗透和过度渗透。 形成了具有横流射流特征的肾形结构,当 TiCl4 和 O2 的混合物进入下游流体时,它变得模糊。n = 32 和 16 时,最小温差下的 h/R 值分别为 0.683 和 0.604,在工业生产数据范围 0.56-0.72 内。S 的最佳范围在 3.25 和 7.35 之间。h/R 强烈依赖于唯一的无量纲参数 J/n2,通过关系式表示为几何和流动参数:h/R = 0.7274 + 0.20228 ln (J/n2+0.04587)。随着 J/n2 的增加,TiCl4 浓度分布从准正弦分布变为准余弦分布。混合不均匀性和达到 TiCl4 和 O2 最佳混合质量的时间均随着 J/n2 的增加而先降低后增加。n = 32 和 16 时,最小温差下的 h/R 值分别为 0.683 和 0.604,在工业生产数据范围 0.56-0.72 内。S 的最佳范围在 3.25 和 7.35 之间。h/R 强烈依赖于唯一的无量纲参数 J/n2,通过关系式表示为几何和流动参数:h/R = 0.7274 + 0.20228 ln (J/n2+0.04587)。随着 J/n2 的增加,TiCl4 浓度分布从准正弦分布变为准余弦分布。混合不均匀性和达到 TiCl4 和 O2 最佳混合质量的时间均随着 J/n2 的增加而先降低后增加。n = 32 和 16 时,最小温差下的 h/R 值分别为 0.683 和 0.604,在工业生产数据范围 0.56-0.72 内。S 的最佳范围在 3.25 和 7.35 之间。h/R 强烈依赖于唯一的无量纲参数 J/n2,通过关系式表示为几何和流动参数:h/R = 0.7274 + 0.20228 ln (J/n2+0.04587)。随着 J/n2 的增加,TiCl4 浓度分布从准正弦分布变为准余弦分布。混合不均匀性和达到 TiCl4 和 O2 最佳混合质量的时间均随着 J/n2 的增加而先降低后增加。h/R 强烈依赖于唯一的无量纲参数 J/n2,通过关系式表示为几何和流动参数:h/R = 0.7274 + 0.20228 ln (J/n2+0.04587)。随着 J/n2 的增加,TiCl4 浓度分布从准正弦分布变为准余弦分布。混合不均匀性和达到 TiCl4 和 O2 最佳混合质量的时间均随着 J/n2 的增加而先降低后增加。h/R 强烈依赖于唯一的无量纲参数 J/n2,通过关系式表示为几何和流动参数:h/R = 0.7274 + 0.20228 ln (J/n2+0.04587)。随着 J/n2 的增加,TiCl4 浓度分布从准正弦分布变为准余弦分布。混合不均匀性和达到 TiCl4 和 O2 最佳混合质量的时间均随着 J/n2 的增加而先降低后增加。