Способ получения диоксида титана и частица диоксида титана

Авторы патента:

 


Владельцы патента RU 2481271:

Кронос Интернациональ, Инк. (DE)

Изобретение может быть использовано в неорганической химии. Способ получения диоксида титана путем окисления тетрахлорида титана кислородом в реакторе включает введение на первой стадии газообразного тетрахлорида титана в поток предварительно нагретого кислородсодержащего газа при мольном соотношении тетрахлорида титана к кислороду не менее 1:1 и проведение реакции в первой реакционной зоне реактора. При этом формируется аэрозоль частиц диоксида титана в газовой среде. Далее аэрозоль частиц диоксида титана в газовой среде проходит в следующую реакционную зону. На второй стадии в эту реакционную зону вводят жидкий тетрахлорид титана и кислородсодержащий газ с формированием аэрозоля частиц диоксида титана в газовой среде. Изобретение позволяет снизить энергозатраты на производство диоксида титана, 2 н. и 6 з.п. ф-лы.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к получению диоксида титана (TiO2) многостадийным окислением тетрахлорида титана (TiCi4), путем добавления кислорода к тетрахлориду титана в несколько стадий.

Уровень техники

В настоящее время в применяемом коммерческом способе получения частиц диоксид-титанового пигмента (так называемый хлоридный способ), тетрахлорид титана вводят в реакцию с окисляющим газом, например кислородом, воздухом и т.д., в присутствии определенных присадок. Реакция проводится в трубчатом реакторе с образованием диоксида титана и хлора.

TiCl4+O2→TiO2+2Cl2

Затем частицы TiO2 отделяются от хлора. В качестве присадки для ускорения образования рутила (TiO2) используют хлорид алюминия, а также пары воды и соли щелочных металлов.

Подобным образом проводят процесс одностадийного окисления, т.е. реакционные компоненты кислород и газообразный тетрахлорид титана прибавляются в реактор каждый раз одновременно. Поскольку процесс окисления тетрахлорид титана имеет очень высокую энергию активации, то компоненты реакции (TiCl4 и O2) должны быть предварительно нагреты до такой температуры, чтобы в момент смешения температура газовой смеси, как минимум, достигала 740°C. Реакция окисления тетрахлорид титана очень экзотермичная, настолько, что в адиабатных условиях температура реакции может доходить до 1850°C. После реакции газовая смесь должна быть охлаждена до температуры около 450°C для отделения полученного пигмента из газовой смеси на специальных фильтрах. Это необходимо для того, чтобы снизить вредное влияние на фильтры и увеличить их ресурс. Этот процесс не является удовлетворительным с точки зрения энергосбережения, поскольку очень много тепла рассеивается в системе водного охлаждения. Так же с точки зрения качества получающегося продукта, процесс одноступенчатого окисления не является удовлетворительным, так как большая зона нагрева приводит к образованию твердого агрегированного диоксида титана.

В современной технологии уже имеются разработки по многостадийному методу проведения процесса. Так, согласно патенту GB 1064569 дозировку и TiCl4 и O2 в реактор осуществляют в две стадии, причем соответствующего количества кислорода хватает, чтобы полностью окислить соответствующее количество диоксида титана. В патенте US 4,053,577 говорится, что процесс в реакторе должен протекать в присутствии избытка одного из реакционных компонентов (TiCl4 или O2).

В патентах G 82037266, US 4,803,056 и ЕР 058306381 газообразный и TiCl4 вводится в две или более стадии в нагретый газовый поток кислорода.

В процессе, описанном в патенте ЕР 085256881, помимо тетрахлорида титана, так же и кислород вводится в две стадии. Цель такого способа проведения процесса состоит в контроле среднего размера частиц диоксида титана и, как следствие, оптической чистоты получаемого пигмента TiO2. В таком способе в поток кислорода, разогретого до 950°C, подают предварительно нагретые до 400°C пары тетрахлорида титана. Далее в реакционной зоне происходит образование частиц диоксида титана и происходит их рост. Через второй ввод в реактор подается чуть менее нагретый тетрахлорид титана (около 180°C). Также во второй ввод реактора подается кислород, имеющий температуру от 25 до 1040°C), при этом температура газовой смеси повышается, настолько чтобы, реакция могла происходить.

Многостадийный способ, описанный в патенте US 6,387,347 должен дополнительно снизить агломерацию частиц пигмента. Для этого нагретый газообразный тетрахлорид титана дозируют в реактор двумя раздельными потоками. Первый поток паров тетрахлорида титан окисляется в реакторе на первой стадии. Полученный с первой стадии горячий газовый поток охлаждается путем контакта с распыляемым жидким тетрахлоридом титана, после чего вся смесь подается на вторую стадию в реактор. Преимуществом такого подхода является то, что тепло с первой стадии не теряется, а используется для переведения в газообразное состояние жидкого тетрахлорида титана.

В патенте US 200710172414 A1 описан многостадийный способ проведения реакции между тетрахлоридом титана и кислородом, причем на первой стадии в реактор подается газообразный TiCl4, а на второй стадии жидкий TiCl4; на первой стадии кислород берется в избытке. Описанный подход позволяет экономить энергию в технологическом процессе и получать частицы пигмента оптимального размера.

Раскрытие изобретения

Задача данного изобретения заключается в том, чтобы создать такой способ получения диоксида титана окислением тетрахлорида титана, при котором достигалась бы большая экономия энергии в отличие от уже существующих производственных способов.

Решение данной задачи заключается в проведении процесса получения частиц диоксида титана в несколько стадий путем окисления тетрахлорида титана кислородом в реакторе.

Процесс характеризуется следующим:

a) введение газообразного TiCl4 в предварительно нагретый поток кислородсодержащего газа в первую реакционную зону реактора при соотношении TiCl4:O2=1:1. Получение аэрозоля частиц TiO2 в газовой среде.

b) дальнейшее прохождение аэрозоля частиц TiO2 в газовой среде в следующую реакционную зону реактора;

c) введение кислородсодержащего газа и жидкого TiCl4 в следующую реакционную зону реактора и дальнейшее получение аэрозоля частиц TiO2 в газовой среде.

Дальнейшие выгодные отличия данного изобретения описаны в пунктах ниже.

Способ, описанный в данном изобретении, отличается от известного в современной технике многостадийного хлорного метода получения диоксида титана, тем, что TiCl4 на первой стадии (стадия а) подается в газообразном состоянии в пропорции к кислороду 1:1 или в избытке кислорода. На второй, а при необходимости на последующих стадиях (стадия с) в полученную газовую смесь с первой стадии подают жидкий TiCl4.

На стадии а) TiCl4 вступает в реакцию с O2 в первой реакционной зоне реактора и при этом образуется TiO2-содержащий аэрозоль (первая стадия).

На стадии b) TiO2-содержащий аэрозоль должен вводиться в дальнейшую реакционную зону реактора, при этом в указанную реакционную зону могут поступать полностью прореагировавшие продукты первой стадии (стадия а).

На стадии с) в последующую реакционную зону вводится жидкий TiCl4 и кислородсодержащий газ, протекает дальнейший процесс образования TiO2-содержащего аэрозоля (вторая стадия).

Описываемый процесс можно проводить в две или более стадий. На первой стадии температура разогретых кислородсодержащих газов составляет минимум 950°C. На второй и последующих стадиях (стадия с) кислородсодержащие газы вводятся в процесс при температуре около 200°C. При этом на второй стадии (стадия с) можно сначала вводить кислородсодержащий газ, а затем тетрахлорид титана.

В особом варианте проведения процесса, ввод кислородсодержащего газа происходит практически без нагрева, то есть при температуре ниже 50°C, например около 30°C. Такой способ ведения процесса ведет к значительному энергосбережению, так как кислородсодержащий газ приходится нагревать только на первой стадии реакции для преодоления активационного барьера. На последующих стадиях энергия активации поддерживается за счет энтальпии реакции окисления тетрахлорида титана.

При дальнейшем проведения процесса, на стадии а) газообразный тетрахлорид титана в смеси с кислородсодержащим газом вводится в реактор. Предпочтительно, чтобы концентрация в кислородсодержащем газе составляла не более 20 об.%. Чтобы избежать преждевременную реакцию между компонентами газовой смеси, необходимо чтобы температура смеси поддерживалась не более 900°C. Введение газообразного тетрахлорида титана в смесь с кислородсодержащим газом ведет к снижению образования дефектов в структуре TiO2, к улучшению яркости получаемого пигмента.

Особенностью проведения процесса, описываемого в данном изобретении, является то, что реакция осуществляется в цилиндрическом трубчатом реакторе.

Осуществление изобретения

В нижеприведенных описаниях процессов приводятся только некоторые возможные варианты данного изобретения. Данные примеры не должны ограничивать понимание изобретения.

Процесс проводится в две стадии, причем тетрахлорид титана подается в равных количествах и на первую, и на вторую стадии. На первой стадии температура кислородсодержащего газа поддерживается 1650°C, а тетрахлорида титана 450°C. Мольное соотношение тетрахлорида титана к кислороду на первой стадии составляет примерно 1:1. В последующую после первой стадии реакционную зону реактора подается жидкий тетрахлорид титана и кислородсодержащий газ. На второй стадии вводится кислородсодержащий газ с температурой 30°C и тетрахлорид титана также при 30°C.

Температурный режим первой стадии процесса, описанного в данном изобретении, подобен условиям проведения стандартного промышленного одностадийного процесса. Однако в предлагаемом процессе на первой стадии значительно снижены количества предварительно нагреваемых газов - кислородсодержащего газа и паров тетрахлорида титана, что приводит к значительному снижению энергозатрат на начальный подогрев.

На второй стадии не требуется подогрев исходных реагентов. В целом, достигаемая экономия за счет разделения на две стадии вводимого тетрахлорида титана в приводимых примерах соответствует примерно 50%. Не следует ограничивать данное изобретение только приведенными примерами. Изобретение также включает в себя и другие дополнительные технологические приемы, известные специалистам, например процесса в присутствии веществ (в реакционной зоне), благоприятствующих образованию рутила (таких, например, как AlCl3), и инициаторов кристаллообразования (соли щелочных металлов).

1. Способ получения диоксида титана (TiO2) путем окисления тетрахлорида титана (TiCl4) кислородом в реакторе, включающий введение на первой стадии газообразного тетрахлорида титана в поток предварительно нагретого кислородсодержащего газа при мольном соотношении тетрахлорида титана к кислороду не менее 1:1 и проведение реакции в первой реакционной зоне реактора, приводящей к формированию аэрозоля частиц диоксида титана в газовой среде, последующее прохождение аэрозоля частиц диоксида титана в газовой среде в следующую реакционную зону, и введение на второй стадии в следующую реакционную зону жидкого тетрахлорида титана и кислородсодержащего газа, и последующее формирование аэрозоля частиц диоксида титана в газовой среде.

2. Способ по п.1, в котором на второй стадии первым вводят кислородсодержащий газ, а затем тетрахлорид титана.

3. Способ по п.1 или 2, в котором температура кислородсодержащего газа на первой стадии составляет примерно 950°C, а на второй стадии составляет примерно 50°C.

4. Способ по п.1, в котором в следующую после первой стадии реакционную зону реактора поступают полностью прореагировавшие продукты первой стадии.

5. Способ по п.1, в котором на первой стадии газообразный тетрахлорид титана вводят в смеси с кислородсодержащим газом.

6. Способ по п.5, в котором на первой стадии концентрация кислорода в газовой смеси составляет по большей мере 20%.

7. Способ по п.5 или 6, в котором температура газовой смеси составляет не более 900°C.

8. Частица диоксида титана, полученная способом по любому из пп.1-7.



 

Похожие патенты:

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.
Изобретение относится к способу переработки титансодержащего сырья и может быть использовано для получения тонкодисперсных порошков на основе диоксида титана и оксида железа.

Изобретение относится к получению дисперсных окислов, в частности диоксида титана, и может быть использовано при производстве пигментов для лакокрасочной промышленности, при производстве бумаги, искусственных волокон, пластмасс.

Изобретение относится к области химической технологии и может быть использовано для получения высококачественного нанодиоксида титана - диоксида титана, размеры частиц которого находятся в диапазоне 10÷100 нанометров.

Изобретение относится к области химической технологии и может быть использовано при получении пигментного диоксида титана по хлоридной технологии. .

Изобретение относится к производству порошковых материалов и может быть использовано для получения диоксида титана по хлоридной технологии. .
Изобретение относится к области неорганической химии, в частности к производству дисперсного диоксида титана парофазным гидролизом тетрахлорида титана. .

Изобретение относится к способам получения и охлаждения диоксида титана. .

Изобретение относится к химической промышленности, в частности к получению диоксида титана путем окисления жидкого тетрахлорида титана
Изобретение может быть использовано в химической промышленности. Для получения частиц диоксида титана при взаимодействии тетрахлорида титана с кислородсодержащим газом в трубчатом реакторе на первую стадию подают жидкий TiCl4 в предварительно нагретый поток газа, содержащий кислород. При этом образуется газовая взвесь, содержащая первые частицы TiO2. Молярное соотношение O2:TiCl4 составляет более 1. На вторую стадию подают газообразный TiCl4 в газовую взвесь, содержащую первые частицы TiO2. На первую стадию подают не более 20% от общего количества TiCl4. Изобретение позволяет обеспечить энергосбережение и получить частицы диоксида титана малого размера. 5 з.п. ф-лы, 2 пр.

Изобретение относится к способу получения диоксида титана. Способ включает пирогидролиз в газовой фазе фтораммониевых солей титана в присутствии водяного пара. Пирогидролиз осуществляют с прогревом реактора до 450-500°C при температуре водяного пара от 700 до 1200°C, предпочтительно 900-1000°C, при этом в качестве соли титана используют гексафтортитанат аммония. Пары воды получают за счет сжигания в горелке водорода в кислороде, а в их объем дозированно вводят дополнительное количество паров воды, полученных ее испарением при температуре кипения. Изобретение позволяет получить порошок диоксида титана рутильной модификации, при этом размер частиц порошка не превышает 0,1 микрона. 1 з.п. ф-лы, 1 ил, 1 пр.

Изобретение может быть использовано в химической промышленности. Способ синтеза наноразмерных частиц порошка диоксида титана включает газофазную реакцию галогенида титана и кислорода в канале плазменного реактора и последующее охлаждение продуктов реакции в закалочном узле. Пары тетрахлорида титана непосредственно перед подачей в узел инжекции реагентов плазменного реактора смешивают с осушенным кислородсодержащим газом. Осуществляют раздельное управление расходами реагентов перед подачей их в узел инжекции плазменного реактора. Реагенты в канал плазменного реактора подают при температуре 293-700 K. Полученный полупродукт газофазной реакции, содержащий наночастицы диоксида титана, подвергают закалке во встречном потоке осушенного кислородсодержащего закалочного газа. При этом формируют фракционный и фазовый состав наночастиц диоксида титана путем изменения расхода закалочного газа. Для этого изменяют расстояние между срезами сопел закалочного узла в радиальном направлении подачи закалочного газа или изменяют угол подачи закалочного газа в пределах 10-25° относительно радиального направления подачи закалочного газа. Расход закалочного газа при этом превышает суммарный расход смеси газов в канале плазменного реактора. Изобретение позволяет получать особо чистый диоксид титана требуемого фракционного и фазового состава, например рутил или анатаз, с высокой производительностью. 2 ил., 2 пр.
Наверх