Способ получения диоксида титана в цилиндрическом трубчатом реакторе посредством окисления тетрахлорида титана

Изобретение может быть использовано в неорганической химии. Способ получения диоксида титана в цилиндрическом трубчатом реакторе посредством окисления тетрахлорида титана включает взаимодействие тетрахлорида титана и подаваемого в реактор в аксиальном направлении кислородсодержащего газа с последующим охлаждением образовавшихся частиц. Тетрахлорид титана подают в плоскости поперечного сечения трубчатого реактора с отклонением от радиального направления указанного реактора. При этом скорость потока кислородсодержащего газа удерживают на уровне более 20 м/с. Изобретение позволяет повысить эффективность удаления отложений диоксида титана с внутренних стенок трубчатого реактора и зоны охлаждения в реакторе с помощью абразивных частиц, получить диоксид титана с более узким распределением частиц по размеру. 9 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к получению диоксида титана при окислении тетрахлорида титана с последующим охлаждением частиц газообразной смеси диоксида титана в зоне охлаждения, при этом поток газообразной смеси частиц подают при вращении.

Уровень техники

Известный промышленный способ получения пигмента-диоксида титана, так называемый хлоридный способ, заключается в том, что тетрахлорид титана (TiCl₄) обрабатывают предварительно нагретым газом-окислителем, таким как кислород, воздух и т.п., а также в присутствии некоторых добавок, в трубчатом реакторе с образованием диоксида титана и газообразного хлора. Окислительная реакция представляет собой сильно экзотермический процесс, и поэтому температура реакционной смеси после полного превращения составляет более 1500°С. Образующиеся частицы пигмента TiO₂ охлаждают в следующей зоне охлаждения в реакторе до температуры приблизительно менее 400°С и отделяют от газового потока. Охлаждение необходимо проводить быстро и непосредственно после завершения образования частиц, чтобы предотвратить дальнейший рост частиц. В связи с этим, для охлаждения соответствующей зоны трубчатого реактора или зоны охлаждения в реакторе необходимо подавать воду из внешней системы. Очевидно, что теплообмен из охлаждающей воды сильно затруднен из-за отложения частиц пигмента TiO₂ на внутренней стенке трубчатого реактора или зоны охлаждения в реакторе. В связи с этим, в патенте US 2721626 описано добавление в зону охлаждения реактора твердых абразивных частиц средства (частиц скраба), которые способствуют удалению отложений частиц пигмента с внутренней стенки. В качестве таких твердых абразивных частиц в указанном патенте используют частицы абразива, такие как кварцевый песок или агрегированные частицы TiO₂ с размером приблизительно от 0,15 до 6,35 мм. Частицы скраба добавляют в газообразную смесь TiO₂ в одну или несколько зон сектора охлаждения реактора.

В горизонтальной зоне охлаждения реактора абразивные частицы концентрируются в зависимости от массы практически сразу после их добавления в нижней трети трубы реактора. В то время как в этой зоне внутренняя стенка в основном очищается от отложений пигмента, расположенные выше зоны неполностью очищаются и происходит недостаточное охлаждение газообразной суспензии. Тем не менее, чтобы обеспечить достаточный теплообмен, обычно значительно увеличивают массу добавленных частиц абразива. При этом в системе возникают проблемы, связанные с получением, дозировкой и отделением абразивных частиц, и следовательно, повышаются энергозатраты и затраты на техническое обслуживание.

В патенте US 6419893 В1 описан способ эффективного удаления отложений TiO₂ с внутренних стенок зоны охлаждения в реакторе. Согласно указанному способу по меньшей мере в одной зоне охлаждаемой зоны реактора на внутренней стенке расположены выступы в виде спирали в качестве направляющих элементов, благодаря чему частицы абразива передвигаются в зоне охлаждения в виде спиралевидного потока. Выступы расположены с уклоном от 2 до 6°.

В заявке US 2006/0133989 А1 описана по существу винтовая структура зоны охлаждения в реакторе, благодаря чему достигается улучшенная очистка внутренней стенки абразивными частицами.

В патенте DE 1259851 описан способ получения диоксида титана по реакции в газовой фазе, в ходе которой часть газообразных компонентов реакции подается в реактор в тангенциальном потоке. Способ заключается в том, что, с одной стороны, за счет подачи компонентов реакционной смеси в тангенциальном направлении можно снизить образование отложений на стенках реактора и, с другой стороны, обеспечить быстрое перемешивание компонентов реакции за счет формирования противотока (так называемый "вихревой поток"). Затем вихревой поток еще больше усиливается за счет того, что поперечное сечение реактора конусообразно расширяется в направлении потока. Естественно, вихревой поток приводит к заметному увеличению времени пребывания отдельной частицы в реакторе.

Важным признаком качества пигмента TiO₂, прежде всего, интенсивности окрашивания (ИО), является распределение частиц по размеру. Для обеспечения узкого распределения частиц по размеру имеет значение не только быстрое перемешивание компонентов реакционной смеси, но и узкое распределение интервала времени пребывания частиц пигмента TiO₂ в реакторе, таким образом, требуется исключить любой вид противотока в реакторе.

Раскрытие изобретения

Цель настоящего изобретения заключается в разработке усовершенствованного способа по сравнению с предшествующим уровнем техники, который, с одной стороны, обеспечивает эффективное удаление отложений TiO₂ с внутренних стенок трубчатого реактора и зоны охлаждения в реакторе с помощью абразивных частиц, тем самым обеспечивая более эффективную охлаждающую способность, а с другой стороны, позволяет получить пигмент TiO₂ с более узким распределением частиц по размеру.

Цель настоящего изобретения достигается с помощью разработанного способа получения частиц диоксида титана в цилиндрическом трубчатом реакторе, который заключается во взаимодействии тетрахлорида титана и подаваемого в аксиальном направлении кислородсодержащего газа с последующим охлаждением частиц. Отличительной особенностью способа является то, что тетрахлорид титана подают в плоскости поперечного сечения трубчатого реактора, но с отклонением от радиального направления трубчатого реактора, и в том, что скорость потока кислородсодержащего газа составляет более 20 м/с, в частности по меньшей мере 40 м/с.

В одном варианте осуществления способа по изобретению тетрахлорид титана может подаваться в трубчатый реактор с отклонением от радиального направления под углом α, имеющим значение больше 0° и меньше 90°, предпочтительно, имеющим значение от 1° до 15°, и еще более предпочтительно, имеющим значение от 5° до 10°.

В другом варианте осуществления способа по изобретению тетрахлорид титана может подаваться в трубчатый реактор через распылитель.

В другом варианте осуществления способа по изобретению подача тетрахлорида титана в реактор может быть осуществлена через распылитель, оборудованный соплами, расположенными в аксиальном направлении по отношению друг к другу.

В другом варианте осуществления способа по изобретению тетрахлорид титана может подаваться в реактор через щелеобразное отверстие, которое образовано направляющей пластиной, расположенной с отклонением от радиального направления.

В другом варианте осуществления способа по изобретению перед подачей в реактор потоку абразивных частиц может придаваться вращающий импульс.

В другом варианте осуществления способа по изобретению значение произведения скорости потока на его удельный вес, для потока TiCl₄, можно удерживать на уровне, приблизительно в 100 раз превышающем значение произведения скорости потока на его удельный вес, для потока O₂.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение иллюстрируется на фигурах 1, 2 и 3, без ограничения его объема.

На фиг.1 представлена схема продольного сечения реактора. Линия 2-2 на этой схеме указывает на место проведения поперечного сечения трубчатого реактора. Позиция 10 указывает на сам трубчатый реактор, позиция 12 указывает на сопла, через которые в реактор подают TiCl₄, a позиция 14 указывает на продольную ось реактора, который имеет цилиндрическую форму.

На фиг.2 представлен вариант осуществления изобретения - вид поперечного сечения по линии 2-2, как показано на фиг.1. Позиция 10 указывает на трубчатый реактор, позиция 12 указывает на сопла, через которые в реактор подают TiCl₄, позиция 14 указывает на продольную ось реактора, линия 16 указывает на радиус реактора, а линия 18 указывает тангенциальное направление, в котором подается в реактор TiCl₄.

На фиг.3 представлен другой вариант осуществления изобретения - вид поперечного сечения по линии 2-2, как показано на фиг.1. Позиции 10 и 14, а также линии 16 и 18 на этой фигуре обозначают то же самое, что и на фигурах 1 и 2, описанных выше. Позиция 20 указывает на щелеобразные отверстия, через которые в реактор подают TiCl₄, а позиция 22 указывает на направляющие пластины, которые расположены под соответствующим углом α и обеспечивают тангенциальный поток.

Осуществление изобретения

В данном контексте термин "трубчатый реактор" означает часть реактора, в которой происходит реакция окисления TiCl₄ и образование частиц TiO₂ (см. фиг.1, элемент 10).

Термин "охлаждаемая зона реактора" означает следующий участок трубчатого реактора, где реакцию останавливают за счет быстрого охлаждения, а затем дополнительно охлаждают газообразную суспензию. В типичном случае, в реактор вместе с TiCl₄ подают различные добавки и газы, такие как хлорид алюминия, хлор, азот, соли щелочных металлов и т.п. В данном контексте термин "TiCl₄" означает поток, в основном содержащий TiCl₄ и не содержащий кислород. В данном контексте термин "O₂" означает газообразный поток, содержащий кислород.

В изобретении используют данные о том, что основная часть теплообмена происходит в начале охлаждаемой зоны реактора, где из-за высокой температуры газообразной суспензии TiO₂ создается наиболее высокий перепад температур у внутренней стенки трубчатого реактора. В указанной части можно значительно повысить абразивное действие абразивных частиц благодаря вращению потока абразивных частиц или общего потока. За счет вращения и центробежной силы абразивные частицы равномерно распределяются по окружности трубы и одновременно прижимаются к стенке, благодаря чему осуществляется равномерная и интенсивная очистка стенки.

Как показано на фиг.1-3, TiCl₄ подают в реактор (10), предпочтительно, через сопла (12). В данном контексте термин "сопло" означает любой тип входного отверстия, такого как канал, труба и т.п., и все типы сопл, такие как сопло Вентури или Лаваля. В качестве реактора используют реактор (10) цилиндрической формы с продольной осью (14).

Кислород подают в реактор (10) вдоль продольной оси (14). TiCl₄ подают в реактор (10) через сопла (12) в тангенциальном направлении, а не в радиальном направлении. На фиг.2 показано поперечное сечение реактора (10), радиус которого обозначен линией (16). TiCl₄ подают в реактор (10) в тангенциальном направлении, которое обозначено линией (18). Линия (18) отклонена от радиального направления (16) на угол α.

Сопла (12) можно распределять в общем аксиальном положении по окружности реактора (10), как показано на фиг.2. В другом варианте, сопла (12) можно также располагать в аксиальном положении по отношению друг к другу.

В еще одном варианте осуществления изобретения TiCl₄ подают в реактор через щелеобразное отверстие (20) (фиг.3). В этом варианте направляющие пластины (22) в щелеобразном отверстии (20), которые расположены под соответствующим углом α, обеспечивают тангенциальный поток.

Согласно изобретению, общий поток - поток реакционной смеси и абразивных частиц - в реакторе (10) и в зоне охлаждения реактора, подается при вращении, благодаря чему подаваемый тетрахлор титана поступает в трубчатый реактор (10) в виде тангенциального потока. Из-за своего высокого удельного веса TiCl₄ придает повышенный тангенциальный импульс потоку, который является достаточным для обеспечения продолжительного вращения. Тангенциальное введение TiCl₄ в реактор (10) означает, что подача происходит в поверхности поперечного сечения трубчатого реактора (10), но с отклонением от радиального направления на угол от α >0° до <90°, предпочтительно от 1° до 15° и еще более предпочтительно от 5° до 10° (фиг.2 и 3).

Неожиданно было установлено, что способ по изобретению позволяет значительно снизить противоток (вихревой поток) в реакторе (10) и тем самым обеспечивать равное время пребывания всех частиц TiO₂ в реакторе (10). В отличие от данных, представленных в патенте DE 1259851, такое преимущество достигается за счет аксиальной подачи потока O₂ со скоростью более 20 м/с, в частности по меньшей мере 40 м/с, и за счет использования трубчатого реактора (10) цилиндрической формы. В указанных условиях можно придавать потоку высокий тангенциальный импульс, чтобы обеспечивать эффективную очистку без формирования вихревого потока. Соотношение специфического импульса (произведение скорости потока на удельный вес) для тангенциально подаваемого компонента (TiCl₄) и специфического импульса для подаваемого в аксиальном направлении компонента реакционной смеси (O₂) составляет по меньшей мере приблизительно 100.

Улучшение теплообмена у стенки зоны охлаждения за счет введения TiCl₄ по изобретению можно в еще большей степени усилить, если абразивные частицы вводить в трубчатый реактор (10) при распылении, что обеспечивает равномерное распределение абразивных частиц, и следовательно, равномерную очистку стенки реактора. Распыление происходит, если перед введением в реактор придать потоку абразивных частиц значительный вращающий импульс. Такое вращение возможно, например, если придавать потоку циклоноподобные импульсы, при этом поток абразивных частиц поступает в тангенциальном направлении за счет пневматического ускорения.

Настоящее изобретение отличается от патентов US 6419893 В1 и US 2006/0133989 А1 тем, что с одной стороны общий поток поступает при вращении и тем самым оптимизируются очистка внутренней стенки и охлаждение газообразной суспензии. Более того, не требуются дорогостоящие конструкционные устройства в технологической схеме после введения TiCl₄, такие как изнашивающиеся внутренние устройства или узлы для формирования абразивных частиц как в реакторе, так и в охлаждающей зоне. Кроме того, изобретение отличается от способа, описанного в DE 1259851, тем, что несмотря на высокий тангенциальный импульс потока TiCl₄ исключается образование вихревого потока и образуются частицы пигмента TiO₂ с более узким распределением частиц по размеру и улучшенной ИО.

Пример

Изобретение иллюстрируется следующим примером, который не ограничивает объем изобретения.

TiCl₄ подают со скоростью 12 т/ч через 10 круглых сопел в трубчатый реактор с внутренним диаметром приблизительно 0,3 м и в реакционную смесь подают предварительно нагретый кислородсодержащий газ. Сопла расположены в трубчатом реакторе в общем аксиальном положении и равномерно распределены по окружности. Все сопла расположены в одинаковом тангенциальном направлении в площади поперечного сечения, и при этом они отклонены от радиального направления на угол α 6°. При такой конфигурации расход абразивных частиц по сравнению с чисто радиальным расположением сопел снижается от приблизительно 2,0 до 1,2 т/ч.

1. Способ получения диоксида титана в цилиндрическом трубчатом реакторе посредством окисления тетрахлорида титана, включающий взаимодействие тетрахлорида титана и подаваемого в реактор в аксиальном направлении кислородсодержащего газа с последующим охлаждением образовавшихся частиц, отличающийся тем, что тетрахлорид титана подают в плоскости поперечного сечения трубчатого реактора с отклонением от радиального направления указанного реактора, при этом скорость потока кислородсодержащего газа удерживают на уровне более 20 м/с.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что скорость потока кислородсодержащего газа удерживают на уровне по меньшей мере 40 м/с.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что тетрахлорид титана подают в трубчатый реактор с отклонением от радиального направления под углом α, имеющим значение больше 0° и меньше 90°.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что угол отклонения от радиального направления имеет значение от 1° до 15°.

5. Способ по п.3, отличающийся тем, что угол отклонения от радиального направления имеет значение от 5° до 10°.

6. Способ по пп.1-5, отличающийся тем, что тетрахлорид титана подают в трубчатый реактор через распылитель.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что подачу тетрахлорида титана в реактор осуществляют через распылитель, оборудованный соплами, расположенными в аксиальном направлении друг по отношению к другу.

8. Способ по пп.1-5, отличающийся тем, что тетрахлорид титана подают в реактор через щелеобразное отверстие, которое образуют направляющей пластиной, которую располагают с отклонением от радиального направления.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно в реактор подают поток абразивных частиц, которому перед подачей в реактор придают вращательное движение.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что значение произведения скорости потока на его удельный вес, для потока тетрахлорида титана, удерживают на уровне, приблизительно в 100 раз превышающем значение произведения скорости потока на его удельный вес, для потока кислородсодержащего газа.