СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЧАСТИЦ ДИОКСИДА ТИТАНА И ЧАСТИЦА ДИОКСИДА ТИТАНА

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к получению диоксида титана (TiO₂) окислением тетрахлорида титана (ТiCl₄), при этом тетрахлорид титана применяется в жидком виде.

Уровень техники

В одном из коммерчески используемых процессов производства частиц пигмента (диоксида титана), так называемом хлоридном процессе, тетрахлорид титана с таким окисляющим газом, как кислород, воздух и т.п., а также с определенными добавками, превращается в трубчатом реакторе в диоксид титана и газообразный хлор:

ТiCl₄+О₂→TiО₂+2 Cl₂,

Частицы ТiO₂ отделяются затем от газообразного хлора. Как добавки известны АlСl₃ - для получения рутильной формы кристаллов, а также водяной пар или щелочные соли - как центры кристаллизации.

На основании высокой энергии активации окисления TiСl₄ исходные вещества должны нагреваться настолько сильно, что адиабатическая температура смеси исходных веществ достигает перед наступлением реакции примерно 800°С, чтобы реакция протекала полностью. Реакция окисления сильно экзотермическая, так что после полного адиабатического оборота температура потока продукта выше примерно на 900°С, чем температура исходных веществ. Вплоть до отделения частиц TiO₂ от газообразных продуктов реакции с помощью фильтра, эта смесь должна продолжительно охлаждаться на охлаждающем участке, чтобы избежать потерь на фильтре.

Согласно US 3,615,202 кислород и ТiCl₄ предварительно нагреваются и вводятся затем для реакции в трубчатый реактор. Так как общая смесь исходных веществ дозируется соответственно в трубчатый реактор, нужно говорить об одностадийном процессе. Также ЕР 0427878 В1 описывает одностадийный процесс, при нагревании кислорода от примерно 1500°С до 1650°С и смешении с примерно 450°С-градусным горячим паром ТiCl₄-АlСl₃. Ведение процесса энергетически неудовлетворительно в обоих случаях, так как по отношению к 100% подачи энергии для разогрева исходных веществ, после высвобождается примерно 160% тепловой энергии реакции. Затем примерно 210% тепловой энергии должны отводиться из горячего потока продукта на охлаждающем участке. Вместе с тем значительная энтальпия реакции используется не для активации реакции, а передается системе охлаждающей жидкости.

В одностадийном процессе согласно GB 696,618 TiCl₄ вводится в реактор коаксиально, а горячий кислородосодержащий газ тангенциально. TiCl₄ может подводиться в газообразной или в жидкой форме.

В ЕР 0583063 В1 с целью энергетической оптимизации описывается двухстадийноое введение TiCl₄ в реактор. TiCl₄ подается в горячий кислородный поток в первом пункте подачи с температурой минимум 450°С и смешанный с АlСl₃, а в следующем пункте подачи с температурой 350°С до 400°С и без АlСl₃.

Процесс согласно ЕР 0852568 В1 предусматривает дозирование кислорода наряду с TiCl₄ также двухстадийно. Тем не менее, задача этого процесса - эффективный контроль среднего размера частиц TiO₂ и вместе с тем цветности основных частиц пигмента TiO₂. Здесь первоначально вводится в примерно 950°С горячий поток кислорода примерно 400°С горячий пар TiCl₄. В следующей зоне реакции образуются частицы TiO₂ и происходит увеличение частиц. Во втором пункте подачи подается менее сильно нагретый пар ТiCl₄ (примерно 180°С). Кислород вводится во втором пункте подачи с температурой между 25 и 1040°С, причем температура смеси достаточна, чтобы реакция началась.

Многостадийный процесс согласно US 6,387,347 дополнительно должен сокращать образование агломерата. К тому же уже нагретый поток ТiCl₄ перед дозировкой в реактор разделяется на 2 части. Первая часть потока окисляется в первой ступени реактора. Вторая часть потока охлаждается через распыление жидкого TiCl₄ (снижение перегрева) и, присоединяясь, дозируется в реактор. Снижение перегрева происходит вне реактора, причем температура конденсации общего потока не используется.

US 2007/0172414 A1 раскрывает многостадийный процесс реакции TiCl₄ и O₂, при котором на первой стадии в реактор вводится газообразный TiCl₄, а на второй стадии жидкий TiCl₄. Этот процесс делает возможным энергоэкономию и улучшение спектра размера частицы.

Раскрытие изобретения

Цель данного изобретения состоит в том, чтобы сделать процесс получения диоксида титана путем окисления хлорида титана, что делает возможной дальнейшую энергоэкономию в существующих технологиях известных процессов.

В следствие этого, достижение цели состоит в описании способа получения частиц диоксида титана реакцией хлорида титана с кислородосодержащим газом в трубчатом реакторе, чтобы тетрахлорид титана вводился в реактор по меньшей мере в 2 стадии и исключительно в жидкой форме, а также в производстве диоксида титана по этому способу.

Дальнейшие предпочтительные формы изобретения описаны в подпроцессах.

В следствие этого, соответствующий изобретению способ отличается от упомянутых одностадийных или многостадийных хлоридных процессов получения диоксида титана по существующим технологиям тем, что TiCl₄ вводится в реактор окисления минимум в 2 стадиях и исключительно в жидкой форме.

При этом весь используемый жидкий ТiCl₄ разделяется по количеству на несколько стадий таким образом, что в первой стадии дозируется только небольшое количество, чтобы запустить окисление несмотря на применение жидкой фазы. Необходимая энергия активации предоставляется в первую стадию только через предварительно нагретый кислород. На всех следующих стадиях энергия активации предоставляется предварительно нагретым кислородом и выделенной на предыдущих стадиях энергией энтальпии реакции окисления ТiCl₄.

При проведении процесса очень важно то, что реакция затухает не через впрыскивание большого количества жидкого TiCl₄ на одной из стадий. Эффективную расчетную точку для того, чтобы реакция спонтанно протекала или угасала, обеспечивает рассчитанная адиабата температуры смеси всех исходных веществ в соответствующей стадии до начала реакции. Опыт показывает, что реакция с адиабатической температурой смеси примерно 740°С протекает полностью. На этом основании специалист может устанавливать количество необходимых стадий и разделение TiCl₄ на эти стадии.

Неожиданно соответствующий изобретению хлоридный процесс с чистой жидкой дозировкой TiCl₄ может проводиться не только при использовании предварительно нагретого примерно до 1600°С кислорода, но и при использовании предварительно нагретого кислорода до температуры в области 740°С - 1000°С. В последнем случае появляется необходимость дополнительного нагревания кислорода во вспомогательном пламени, к примеру, с толуолом. Дополнительное преимущество второго варианта - это более низкое потребление хлора, которое возникает из-за образования HCl в ходе сгорания толуола.

Краткое описание чертежей

Следующие Фигуры от 1 до 6 служат лучшему пониманию предпочтительных воплощений изобретения:

Фиг.1: Схематическое изображение трубчатого реактора с однокомпонентной форсункой, которая направлена параллельно плоскости, перпендикулярной к центральной оси реактора.

Фиг.2: Вид сбоку реактора по Фиг.1.

Фиг.3: Схематическое изображение трубчатого реактора с форсункой с несколькими коническими отверстиями.

Фиг.4: Увеличенное представление форсунки по Фиг.3.

Фиг.5: Схематическое изображение трубчатого реактора с 3 однокомпонентными соплами, которые направлены радиально в объеме трубчатого реактора и параллельно плоскости, перпендикулярной к центральной оси реактора.

Фиг.6: Схематическое изображение трубчатого реактора с 3 однокомпонентными форсунками, которые направлены тангенциально в объеме трубчатого реактора и параллельно плоскости, перпендикулярной к центральной оси реактора.

Осуществление изобретения

Соответствующий изобретению способ может быть проведен при условиях следующих примеров 1 и 2, при этом настоящее изобретение не ограниченивается этим списком. Сравнительный пример содержит одностадийную дозировку газообразного ТiCl₄ согласно технологии (ЕР 0427878 В1):

Соответствующий изобретению способ предлагает несколько преимуществ по сравнению с дозировкой газообразного TiCl₄:

- Энергетические издержки и погрешности оборудования проявляются при испарении ТiCl₄.

- При жидкой дозировке на основе высокого импульса впрыскиваемых капель жидкости, TiCl₄ может лучше распределяться, и могут создаваться таким образом более гомогенные условия реакции.

При многостадийном процессе смешивания с относительно холодными исходными веществами во второй и последующих стадиях сгорания, адиабатическая температура реакции будет опущенной, так что процесс спекания, т.е. увеличения частицы заканчивается более скоро. Таким образом сокращается доля грубых частиц в пигменте.

Фигуры от 1 до 6 показывают примерные воплощения изобретения. Фиг.1 и Фиг.2 показывают трубчатый реактор (10). Поступление жидкого TiCl₄ (14) в трубчатый реактор (10) происходит, к примеру, форсунками (12), которые расположены кольцеобразно в объеме реактора (10). Жидкий TiCl₄ (14) распыляется с помощью форсунки (12) в маленькие капли (16), которые испаряются в реакторе (10) без удара о стену реактора (10). Фиг.2 показывает направление (18) потока газа в реакторе (10). Форсунка (12) предпочтительно обдувается эффективно защищающим газом (20), который дополнительно вводится в реактор (10), чтобы предотвращать налипание твердых веществ и тепловое повреждение форсунки (12). Фиг.1 показывает выравнивание форсунки (12) параллельно уровню, перпендикулярному центральной оси реактора (10).

Фиг.3 и Фиг.4 показывают предпочтительное исполнение изобретения, при котором используется форсунка с несколькими коническими отверстиями (22), которая распыляет вводимый жидкий TiCl₄ (14) по сравнению с однокомпонентной форсункой (12) в меньшие капли (24). Для другого фоплощения изобретения применяются вместо однокомпонентной форсунки как (12 и 22) 2-компонентные форсунки, при которых одновременно могут вводиться в реактор (10) как жидкий TiCl₄, так и газообразная среда. В качестве газообразной среды могут использоваться, к примеру, один или смесь газов из группы азот, аргон, газообразный хлор и кислород.

Фиг.5 показывает воплощение изобретения, при котором форсунки (12) расположены радиально в объеме трубчатого реактора (10) и направлены параллельно плоскости, перпендикулярной центральной оси реактора (10). Жидкий TiCl₄ (14) вводится форсунками (12) в реактор (10) и распыляется (26).

Фиг.6 показывает воплощение изобретения, при котором форсунки (12) расположены тангенциально в объеме трубчатого реактора (10) и направлены параллельно плоскости, перпендикулярной центральной оси реактора (10). Жидкий ТiCl₄ (14) подается форсунками (12) в реактор (10) и распыляется (28). Через тангенциальное расположение форсунок (12) поток в реакторе (10) переводится во вращение. Таким образом, согласно технологии, принесенные в реактор (10) частицы для чистки лучше распределяются для очистки внутренних стен реактора (10).

Описанные воплощения изобретения представляют только возможные формы изобретения и не нужно понимать их как ограничение изобретения. К примеру, соответствующий изобретению способ опционально охватывает также известную специалистам дозировку в зону реакции 20 добавок для рутилизации (например, АlСl₃) и для образования центров кристаллизации (например, щелочные соли). Далее соответствующий изобретению процесс охватывает также воплощения изобретения, при которых кислород дозируется многостадийно.