СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДИОКСИДА ТИТАНА В ЦИЛИНДРИЧЕСКОМ ТРУБЧАТОМ РЕАКТОРЕ ПОСРЕДСТВОМ ОКИСЛЕНИЯ ТЕТРАХЛОРИДА ТИТАНА
METHOD OF PRODUCING TITANIUM DIOXIDE IN CYLINDRICAL TUBULAR REACTOR THROUGH OXIDATION OF TITANIUM TETRACHLORIDE

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
4
2
2
2
2
Известный промышленный способ получения пигмента-диоксида титана, так называемый хлоридный способ, заключается в том, что тетрахлорид титана (TiCl) 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 TiO 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 TiO 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 TiO с размером приблизительно от 0,15 до 6,35 мм. Частицы скраба добавляют в газообразную смесь TiO 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.
2
В патенте US 6419893 В1 описан способ эффективного удаления отложений TiO 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.
2
2
Важным признаком качества пигмента TiO, 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 TiO в реакторе, таким образом, требуется исключить любой вид противотока в реакторе.
Раскрытие изобретения
2
2
Цель настоящего изобретения заключается в разработке усовершенствованного способа по сравнению с предшествующим уровнем техники, который, с одной стороны, обеспечивает эффективное удаление отложений TiO 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 TiO 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.
4
2
В другом варианте осуществления способа по изобретению значение произведения скорости потока на его удельный вес, для потока TiCl, можно удерживать на уровне, приблизительно в 100 раз превышающем значение произведения скорости потока на его удельный вес, для потока O.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение иллюстрируется на фигурах 1, 2 и 3, без ограничения его объема.
4
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 TiCl, a позиция 14 указывает на продольную ось реактора, который имеет цилиндрическую форму.
4
4
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 TiCl, позиция 14 указывает на продольную ось реактора, линия 16 указывает на радиус реактора, а линия 18 указывает тангенциальное направление, в котором подается в реактор TiCl.
4
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 TiCl, а позиция 22 указывает на направляющие пластины, которые расположены под соответствующим углом α и обеспечивают тангенциальный поток.
Осуществление изобретения
4
2
В данном контексте термин "трубчатый реактор" означает часть реактора, в которой происходит реакция окисления TiClи образование частиц TiO (см. фиг.1, элемент 10).
4
4
4
2
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 TiCl подают различные добавки и газы, такие как хлорид алюминия, хлор, азот, соли щелочных металлов и т.п. В данном контексте термин "TiCl" означает поток, в основном содержащий TiCl и не содержащий кислород. В данном контексте термин "O" означает газообразный поток, содержащий кислород.
2
В изобретении используют данные о том, что основная часть теплообмена происходит в начале охлаждаемой зоны реактора, где из-за высокой температуры газообразной суспензии TiO 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.
4
Как показано на фиг.1-3, TiClподают 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).
4
4
Кислород подают в реактор (10) вдоль продольной оси (14). TiClподают 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). TiClподают 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.
4
В еще одном варианте осуществления изобретения TiCl 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.
4
4
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 TiClпридает повышенный тангенциальный импульс потоку, который является достаточным для обеспечения продолжительного вращения. Тангенциальное введение TiClв 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).
2
2
4
2
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 TiO в реакторе (10). В отличие от данных, представленных в патенте DE 1259851, такое преимущество достигается за счет аксиальной подачи потока O 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 (TiCl) и специфического импульса для подаваемого в аксиальном направлении компонента реакционной смеси (O) составляет по меньшей мере приблизительно 100.
4
Улучшение теплообмена у стенки зоны охлаждения за счет введения TiCl 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.
4
4
2
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 TiCl, 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 TiCl исключается образование вихревого потока и образуются частицы пигмента TiO с более узким распределением частиц по размеру и улучшенной ИО.
Пример
Изобретение иллюстрируется следующим примером, который не ограничивает объем изобретения.
4
TiClподают 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.