專利名稱：生產(chǎn)二氧化鈦的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于利用四氯化鈦蒸氣和氧反應(yīng)生產(chǎn)二氧化鈦的方法和應(yīng)用于該系統(tǒng)中的改進(jìn)反應(yīng)器。本發(fā)明的方法和反應(yīng)器能控制二氧化鈦產(chǎn)品特性，例如粒度。
發(fā)明的背景眾所周知，四氯化鈦以蒸氣相與氧反應(yīng)形成二氧化鈦并且和將反應(yīng)劑加熱到適宜的溫度，該反應(yīng)才開始。然而，熱的四氯化鈦具有很高的腐蝕性，因此，許多用于加熱四氯化鈦的熱交換器制造材料被迅速腐蝕。實(shí)際當(dāng)中，對于利用通常的熱交換器加熱四氯化鈦，一般將溫度的上限定為約400℃(753°F)。
適于反應(yīng)劑(氧和四氯化鈦)的溫度大約950℃(1742°F)，公知方法中，為獲得這種溫度，供氧必須充分加熱以補(bǔ)償以上所提到的相當(dāng)?shù)偷乃穆然仠囟?。常常通過直接加熱或利用放電將氧加熱到大約1427-1871℃(2600-3400°F)的溫度，再與輔助燃料一起送入氧化反應(yīng)器內(nèi)。使用這些方法會(huì)引入所不希望的雜質(zhì)，例如，來自燃料的碳渣或來自放電所用電極的金屬雜質(zhì)。
用作顏料的二氧化鈦(TiO2)，通過四氯化鈦蒸氣(TiCl4)和氧(O2)反應(yīng)以工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)。在一種工業(yè)化方法中，將預(yù)熱氧化氣體送入反應(yīng)區(qū)內(nèi)，預(yù)熱四氯化鈦蒸氣也送入同一反應(yīng)區(qū)內(nèi)，在該反應(yīng)區(qū)內(nèi)，按如下反應(yīng)式，四氯化鈦蒸氣與氧化氣體中所含的氧進(jìn)行反應(yīng)
在這種現(xiàn)有的方法中，在反應(yīng)之前，為維持氧化反應(yīng)，反應(yīng)劑(二氯化鈦和氧)的混合溫度至少要871℃(1600°F)，反應(yīng)劑的混合溫度最好在約899℃(1650°F)和約982℃(1800°F)之間。在該方法中，為送入到反應(yīng)區(qū)，氧化氣體被預(yù)熱到約982℃(1800°F)，為送入反應(yīng)區(qū)，四氯化鈦蒸氣必須預(yù)熱到約954℃(1750°F)。
當(dāng)四氯化鈦蒸氣達(dá)到約954℃(1750°F)的相當(dāng)高的溫度時(shí)，具有強(qiáng)腐蝕性。以這樣的高溫下運(yùn)行，四氯化鈦預(yù)熱設(shè)備時(shí)要求經(jīng)常性的維護(hù)。因此，要求開發(fā)一種利用四氯化鈦蒸氣和氧反應(yīng)生產(chǎn)二氧化鈦的系統(tǒng)，使所用四氯化鈦蒸氣預(yù)熱到最低的溫度水平，如大約204℃(400°F)，因?yàn)檫@樣可減少四氯化鈦預(yù)熱設(shè)備維修和維護(hù)的費(fèi)用。
授予Stem的US3,512,219專利中公開了一種以如上描述的，利用四氯化鈦蒸氣和氧反應(yīng)生產(chǎn)二氧化鈦方法中所用的反應(yīng)器的形式，授予Morris等人的US4,803,056專利中公開了一種具有雙槽氧化器(dualslot oxidizer，DSO)的結(jié)構(gòu)，該兩項(xiàng)專利技術(shù)引入作為參考。
在此現(xiàn)有方法中，純氧是在金屬合金管式爐內(nèi)被加熱的。在一種實(shí)施方案中，由于初始的熱效率和氧預(yù)熱裝置的構(gòu)造材料，氧只能加熱到約982℃(1800°F)的最高溫度。因此，在此方法中，四氯化鈦蒸氣也必須在四氯化鈦蒸氣預(yù)熱裝置中加熱到約982℃(1800°F)。另一種方式，就是對現(xiàn)有的氧預(yù)熱設(shè)備額外增加氧預(yù)熱設(shè)備，以保證將氧溫度升高到約982℃(1800°F)以上的水平，因此，允許使用的四氯化鈦蒸氣可預(yù)熱到較低的溫度水平，低于982℃(1800°F)。然而，對四氯化鈦蒸氣的較低溫度的要求導(dǎo)致額外的氧預(yù)熱設(shè)備，所代表的大量費(fèi)用，靠四氯化鈦蒸氣預(yù)熱裝置的任何節(jié)約都是無法補(bǔ)償?shù)摹?br> 在以上方法中，對于高腐蝕性四氯化鈦蒸氣的污染，四氯化鈦蒸氣預(yù)熱設(shè)備使用了二氧化硅管。因?yàn)檫m于生產(chǎn)相對無縫二氧化硅管的加工技術(shù)，二氧化硅管的尺寸只能限定最大約6英寸。而且，焊接二氧化硅管的接縫強(qiáng)度和完好性隨直徑增加而減小，破損性也隨二氧化硅管徑增大而增大。二氧化硅的主要問題是破損率，破損率與二氧化硅管的表面積成正比。當(dāng)二氧化硅管的面積增加時(shí)，破損率也增加。進(jìn)而，二氧化硅管內(nèi)的最大允許壓力隨管徑增加而減少，以上所說6英寸直徑的二氧化硅管所產(chǎn)生的工作壓力不足以有效驅(qū)動(dòng)四氯化鈦蒸氣預(yù)熱裝置下游的四氯化鈦蒸氣。
在氧化氣體引入組件附近的反應(yīng)器上游端部通常添加輔助燃料。作為要求降低四氯化鈦蒸氣溫度水平的一種手段，有人提出可以將象一氧化碳和甲烷一類的輔助燃料直接噴入到反應(yīng)器內(nèi)以穩(wěn)定反應(yīng)器內(nèi)的火焰，因此，要增加現(xiàn)有四氯化鈦蒸氣預(yù)熱設(shè)備，即二氧化硅管預(yù)熱器的容量。當(dāng)利用輔助燃料支持燃燒時(shí)，這種方法可導(dǎo)致預(yù)熱TiCl4溫度的降低，從約954℃(1750°F)降低到約399℃(750°F)。然而，利用輔助燃燒要產(chǎn)生燃燒產(chǎn)物，燃燒產(chǎn)物稀釋了氯循環(huán)氣，并導(dǎo)致要求更大容量的下游設(shè)備以處理增加的氣體負(fù)載。
發(fā)明概述根據(jù)本發(fā)明的生產(chǎn)二氧化鈦的方法，包括在氧化反應(yīng)器內(nèi)，于高于大氣壓力下，至少約700℃(1292°F)的反應(yīng)溫度下，使四氯化鈦與氧反應(yīng)，氧由第一個(gè)入口點(diǎn)和至少還有一個(gè)入口點(diǎn)送入反應(yīng)器內(nèi)。任選地，四氯化鈦與氯化鋁形成混合物，并加熱到至少350℃(662°F)時(shí)送入，氯化鋁由鋁和氯反應(yīng)生成，熱量由用于加熱四氯化鈦的該反應(yīng)產(chǎn)生。也可以將氯化鋁溶解到四氯化鈦中的方式添加氯化鋁。
根據(jù)本發(fā)明，利用四氯化鈦蒸氣與氧反應(yīng)生產(chǎn)二氧化鈦的反應(yīng)器，包括形成第一反應(yīng)區(qū)的裝置和接收處于預(yù)定溫度水平的氧并使氧進(jìn)入第一反應(yīng)區(qū)的氧化氣體送入組件。該氧化氣體送入組件包括一個(gè)具有上游和下游端部的導(dǎo)管和一個(gè)貫穿上游、下游端部的擴(kuò)張孔，氧可通過導(dǎo)管中的孔送入第一反應(yīng)區(qū)。反應(yīng)器還包括接收處于第一預(yù)定溫度的四氯化鈦蒸氣的第一四氯化鈦送入組件，并將四氯化鈦蒸氣送入用于與氧反應(yīng)生成含有二氧化鈦的混合物的第一反應(yīng)區(qū)。該反應(yīng)器進(jìn)一步包括使處于預(yù)定溫度的四氯化鈦蒸氣通過進(jìn)入第一反應(yīng)區(qū)的裝置和與第一反應(yīng)區(qū)下游間隔一定距離的形成第二反應(yīng)區(qū)的內(nèi)含裝置(includingmeans)。反應(yīng)器還包括用于接收處于第二預(yù)定溫度的氧的第二氧化氣體送入組件，使處于第二溫度的氧通過進(jìn)入第二反應(yīng)區(qū)內(nèi)，與來自第一反應(yīng)區(qū)的混合物中的四氯化鈦反應(yīng)，生成含有二氧化鈦的混合物。處于第二溫度的氧與來自第一反應(yīng)區(qū)的混合物反應(yīng)，減少了為生產(chǎn)給定體積二氧化鈦所需處于第一溫度氧的體積，以及使處于第二溫度的氧通過進(jìn)入第二反應(yīng)區(qū)的裝置。該反應(yīng)器進(jìn)一步還包括將四氯化鈦蒸氣加熱到第一預(yù)定溫度的氯化鋁發(fā)生器和將四氯化鈦從氯化鋁發(fā)生器送入四氯化鈦送入組件中的流送管。
附圖的簡要說明

圖1是預(yù)熱送入反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)區(qū)中氧的設(shè)備流程示意圖。
圖2是表示在第一TiCl4槽處CBU和淺色調(diào)對TiCl4與O2比率的關(guān)系圖。
圖3是表示淺色調(diào)相對于稠度的示意圖。
圖4是本發(fā)明系統(tǒng)實(shí)施方案的流程示意圖，表示出第二TiCl4送入組件和第二O2送入組件對于反應(yīng)器的相對位置。
圖5類似于圖4，表示本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方案的流程示意圖。
圖6類似于圖4，表示本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方案的流程示意圖。
圖7類似于圖4，表示本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方案的流程示意圖。
圖8類似于圖4，表示本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方案的流程示意圖。
優(yōu)選實(shí)施方案的描述本發(fā)明決定了在顆粒初始形成或成核的反應(yīng)器區(qū)域內(nèi)，通過控制四氯化鈦與氧的比率可以將氧化反應(yīng)產(chǎn)生的粗顏料特性，如粒度和其它有關(guān)特性，控制在很寬的范圍內(nèi)。根據(jù)本發(fā)明，通過改變TiO2顆粒開始形成或成核的反應(yīng)器區(qū)域內(nèi)TiCl4與O2的比率，可以控制粗顏料的特性。利用這種方法控制TiCl4與O2的比率，要求在反應(yīng)器下游二次添加O2要滿足整個(gè)反應(yīng)所需化學(xué)計(jì)量的要求。同樣利用改變混合率或噴射角度也可以獲得顆粒特性的控制，但這些控制不能象TiCl4和O2反應(yīng)劑的流量那樣容易調(diào)節(jié)。
以利用孔板分流的熱的二級氧流進(jìn)行的試驗(yàn)生產(chǎn)具有更強(qiáng)的淺色調(diào)的顏料，但由于相對氧流由孔板控制，所以難以控制每一股氧流，以至于難以控制粒度。進(jìn)行一種試驗(yàn)，當(dāng)氧仍處于冷態(tài)時(shí)調(diào)整氧流，然后再將每股流加熱到所需溫度。這種試驗(yàn)允許獨(dú)立地控制每股氣流的體積和溫度?？梢岳枚壯踉黾訙\色調(diào)、散射，并減少聚集。聚集減少導(dǎo)致滿足最終顏料的稠度降低、油吸附、分散劑要求。利用二極氧可生產(chǎn)出具有更強(qiáng)淺色調(diào)的顏料。分流一部分進(jìn)入到氧化器前面的氧到第一TiCl4槽后面的位置已制成具有強(qiáng)度大約-3.2的丙烯酸系色調(diào)的最終顏料?？梢灶A(yù)期到利用二極氧槽是可以獲得比-3.2強(qiáng)得多的淺色調(diào)。
圖1所示是按本發(fā)明用于通過四氯化鈦氣相氧化來生產(chǎn)二氧化鈦的方法中的的一級和二級氧(O2)流結(jié)構(gòu)的示意圖。通常，反應(yīng)器10包括第一氧化氣體送入組件12，適于通過流送管16接收來自氧預(yù)熱設(shè)備14的氧，并使處于第一預(yù)定溫度的氧通過進(jìn)入在反應(yīng)器10內(nèi)形成的第一反應(yīng)區(qū)18內(nèi)；第一四氯化鈦蒸氣送入組件20，適于通過流送管24接收來自四氯化鈦預(yù)熱設(shè)備的處于第一預(yù)定溫度的四氯化鈦蒸氣，并使處于第一預(yù)定溫度的四氯化鈦蒸氣通過進(jìn)入第一反應(yīng)區(qū)18內(nèi)；和第二氧化氣體送入組件26，適于通過流送管30接收來自第二氧化氣體預(yù)熱設(shè)備28的處于比第一氧溫度高、低或相同溫度的第二預(yù)定溫度的氧，并使處于第二預(yù)定溫度的氧送入第二反應(yīng)區(qū)32內(nèi)，來自第一反應(yīng)區(qū)的混合物通過并進(jìn)入到第二反應(yīng)區(qū)內(nèi)，與同時(shí)被送入到第二反應(yīng)區(qū)的處于第二溫度的氧反應(yīng)。
通過第二四氯化鈦送入組件34將二次添加的四氯化鈦送入反應(yīng)器內(nèi)。第二四氯化鈦送入組件34與第一四氯化鈦送入組件20間隔一定距離。第二四氯化鈦送入組件34接收升高溫度的四氯化鈦蒸氣，并使四氯化鈦蒸氣通過進(jìn)入靠近第二反應(yīng)區(qū)32的反應(yīng)器內(nèi)。第二氧化氣體送入組件26可位于第一和第二四氯化鈦送入組件20和34之間。另一種方式是，第二氧化氣體送入組件26也可以位于第二四氯化鈦送入組件34之后，這樣第二四氯化鈦送入組件就在第一四氯化鈦送入組件和第二氧化氣體送入組件之間。
反應(yīng)器是一個(gè)連續(xù)的管，但為了討論的目的將其分成兩個(gè)區(qū)域。正如本文中用的“第一反應(yīng)區(qū)”是指反應(yīng)器中靠近第一氧入口點(diǎn)的區(qū)域，在那里TiCl4和O2開始反應(yīng)，并在那里TiO2顆粒成核。本文中用的“第二反應(yīng)區(qū)”是指反應(yīng)器內(nèi)從第一反應(yīng)區(qū)向下游延伸的區(qū)域，在那里發(fā)生顆粒間反應(yīng)，并通過溶膠過程使顆粒長到所需要的尺寸。第二四氯化鈦送入組件處于反應(yīng)器之上，這樣它就位于第二反應(yīng)區(qū)內(nèi)?？梢韵嘈潘穆然伜脱踔g的反應(yīng)就發(fā)生在整個(gè)反應(yīng)器內(nèi)，而不是隔離在一個(gè)特殊區(qū)域內(nèi)。
在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，將氧從圖1底部所示的O2集氣管38送入反應(yīng)器10。氧預(yù)熱器14和28接收來自集氣管的氧，并能夠把氧預(yù)熱到約954℃(1750°F)。預(yù)熱器14和28將氧加熱到各自預(yù)定的溫度。氧預(yù)熱器14加熱送入反應(yīng)器中總氧量的約50％～約95％，而預(yù)熱器28加熱送入反應(yīng)器10內(nèi)的總氧的平衡部分，從約5％～約50％。初級氧通過絕熱管16離開預(yù)熱器14，該管是同軸聯(lián)接的擴(kuò)大管(largertube)，用作位于氧化氣體送入組件12中的反應(yīng)器。輔助燃料和凈化介質(zhì)(scour media)的入口的位置靠近氧化送入組件12，起到輸送燃料給熱的氧、并直接送入清洗反應(yīng)器器壁的凈化介質(zhì)。該入口要足夠遠(yuǎn)離反應(yīng)器，位于上游，以保證輔助燃料幾乎完全燃燒，并提供適當(dāng)?shù)牧髀芬允箖艋橘|(zhì)進(jìn)入反應(yīng)器。二級氧通過絕熱管30離開預(yù)熱器28，進(jìn)入到位于第二氧化氣體送入組件26中的反應(yīng)器內(nèi)。
已被預(yù)熱到約399℃(750°F)的TiCl4第一增量，初級TiCl4，通過第一四氯化鈦送入組件20進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)。熱的初級O2和TiCl4同時(shí)進(jìn)入到反應(yīng)器的第一反應(yīng)區(qū)18內(nèi)?？梢赃@樣理解，包括淺色調(diào)在內(nèi)的顏料特性可以通過改變由氧化送入第一反應(yīng)區(qū)18內(nèi)的初級TiCl4和O2的相關(guān)量，可得到精確控制。實(shí)際中，通過四氯化鈦送入組件20送入TiCl4的量可在送入反應(yīng)器內(nèi)的TiCl4從2/3到總量之間變化。由未反應(yīng)O2和TiCl4及極細(xì)TiO2顆粒的預(yù)熱氣體通過反應(yīng)器18的第一部分到達(dá)反應(yīng)器25的第二部分內(nèi)。剩余量的TiCl4通過第二四氯化鈦送入組件34送入第二反應(yīng)區(qū)32內(nèi)，在那里TiO2顆粒增長到合格的尺寸。
通過第二四氯化鈦送入組件34送入的TiCl4量，二級TiCl4可通過反應(yīng)器的總應(yīng)答進(jìn)行確定。如果通過第二四氯化鈦送入組件34送入的TiCl4過多，未反應(yīng)的TiCl4將離開第二反應(yīng)區(qū)32，并出現(xiàn)在最終產(chǎn)品中。如果通過第二四氯化鈦送入組件34添加的TiCl4量太少，輔助燃料的消耗將要增加。最佳量要在一個(gè)最合適的寬流量范圍內(nèi)，可通過反應(yīng)器的其它運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行確定。在第二氧化氣體送入組件26處添加的二級O2量可通過第二四氯化鈦送入組件34下游混合物中存在的未反應(yīng)TiCl4的多少來確定。典型的運(yùn)行實(shí)踐必須添加足夠的總O2，使得輸出的氣體含有大約7～10％的O2。
優(yōu)選的是，設(shè)置氧預(yù)熱設(shè)備14將初級氧加熱到約954℃(1750°F)，最好是約815℃(1500°F)到約982℃(1800°F)。第二氧預(yù)熱設(shè)備28將二級氧從約25℃(77°F)加熱到高達(dá)約1038℃(1900°F)的溫度。這種氧預(yù)熱設(shè)備可從市場上購得，而且是公知的。
在優(yōu)選實(shí)施方案中，四氯化鈦預(yù)熱設(shè)備將四氯化鈦加熱到大約177℃(350°F)以生產(chǎn)四氯化鈦蒸氣。這種四氯化鈦預(yù)熱設(shè)備市場上可以購得，并且是公知的。例如，在一個(gè)實(shí)施方案中，四氯化鈦在殼-管型熱交換器中在約177℃(350°F)的運(yùn)行溫度下加熱并氣化。一種典型的加熱器是殼-管熱交換器，具有U型鎳管束和玻璃襯碳鋼殼。管側(cè)加熱介質(zhì)通常是蒸氣，但要求接近204℃(400°F)的溫度，可以是其他傳熱流體，象道氏熱(Dow-therm)，適宜的蒸氣壓是得不到的。一種可用來接收大約204℃(400°F)的四氯化鈦的二氧化硅管加熱器，是具有垂直二氧化硅管的管式輻射熱爐。通過第一四氯化鈦送入組件20送入反應(yīng)器內(nèi)的四氯化鈦蒸氣被進(jìn)一步加熱到低于約427℃(800°F)的溫度，優(yōu)選低于約399℃(750°F)，再噴入到反應(yīng)器內(nèi)。通過第二四氯化鈦送入組件34送入的四氯化鈦蒸氣優(yōu)選以約177℃(350°F)的溫度送入。優(yōu)選使用一個(gè)四氯化鈦預(yù)熱器預(yù)熱TiCl4，以產(chǎn)生TiCl4蒸氣。然后將預(yù)熱的TiCl4蒸氣分成兩路，一路通向第二四氯化鈦送入組件，另一路通向附加的加熱設(shè)備內(nèi)進(jìn)一步加熱，再送入到第一四氯化鈦送入組件。
在優(yōu)選的實(shí)施方案中，假設(shè)生產(chǎn)二氧化鈦所用反應(yīng)器10的容量為每24小時(shí)100噸，進(jìn)入氧化氣體送入組件并通過反應(yīng)器10的初級氧氣體的流量大約為每小時(shí)60磅摩爾(pound mole)，而流入四氯化鈦送入組件20并通過反應(yīng)器10的初級四氯化鈦的流量水平大約為每小時(shí)104磅摩爾，以第二溫度進(jìn)入第二氧化氣體送入組件中、并通過反應(yīng)器10的二級氧的流量大約為每小時(shí)60磅摩爾。在此實(shí)施方案中，大約每小時(shí)1磅摩爾的氧與每小時(shí)200磅的砂一起通過噴射管?？梢岳斫?，本發(fā)明的反應(yīng)器可以使用二級氧，而在反應(yīng)區(qū)內(nèi)不用凈化砂。
在運(yùn)行當(dāng)中，氧在氧預(yù)熱設(shè)備14中被預(yù)熱到預(yù)定的溫度，然后以可控的預(yù)定速率通過流送管16送入到氧化氣體送入組件12內(nèi)，同時(shí)送入到第一反應(yīng)區(qū)18內(nèi)。
四氯化鈦在四氯化鈦預(yù)熱設(shè)備中預(yù)熱到預(yù)定的溫度，以受控制速率通過流送管24進(jìn)入四氯化鈦送入組件20內(nèi)，并進(jìn)入到第一反應(yīng)區(qū)18，在那里處于第一溫度的氧和四氯化鈦反應(yīng)生成含有二氧化鈦顆粒的混合物，該混合物向下游進(jìn)入到第二反應(yīng)區(qū)32。氧在第二氧化氣體預(yù)熱設(shè)備28內(nèi)預(yù)熱到預(yù)定的第二溫度，并以受控速率通過流送管30進(jìn)入到第二氧化氣體送入組件26內(nèi)，并進(jìn)入到第二反應(yīng)區(qū)32內(nèi)，在那里處于第二溫度的氧與來自第一反應(yīng)區(qū)18的混合物中的四氯化鈦反應(yīng)生成含有額外二氧化鈦的混合物，來自第二反應(yīng)區(qū)32的混合物進(jìn)入下游通過四氯化鈦氣相氧化生產(chǎn)二氧化鈦的公知方式進(jìn)行進(jìn)一步的加工。
為了確保二氧化鈦產(chǎn)品中的主相是金紅石，反應(yīng)區(qū)的溫度必須高于1204℃(2200°F)的最低溫度水平。反應(yīng)劑，象氯化鋁和水蒸氣可添加到反應(yīng)器內(nèi)以控制或改進(jìn)二氧化鈦顏料特性。因?yàn)檠趸X和水起到金紅石化試劑的作用，所以最低溫度水平取決于系統(tǒng)中氧化鋁和水的量。當(dāng)水和氧化鋁含量增加時(shí)，金紅石化速率增加。
反應(yīng)前，為獲得所要求的反應(yīng)，反應(yīng)劑的混合溫度必須至少為871℃(1600°F)以維持氧化反應(yīng)，反應(yīng)之前，反應(yīng)劑的混合溫度優(yōu)選在約899℃(1650°F)-約982℃(1800°F)之間。在利用四氯化鈦氣相反應(yīng)生產(chǎn)二氧化鈦的一個(gè)運(yùn)行工藝中，氧被預(yù)熱到約982℃(1800°F)的水平，而四氯化鈦預(yù)熱到高于約954℃(1750°F)的水平。在此工藝中，氧和四氯化鈦蒸氣在Sterm等入的US3,512,219專利中公開的一類反應(yīng)器的反應(yīng)區(qū)內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)，生產(chǎn)含有二氧化鈦混合物，由未反應(yīng)TiCl4和O2及反應(yīng)產(chǎn)物組成的混合物送入下游進(jìn)行進(jìn)一步處理。
四氯化鈦蒸氣與氧形成二氧化鈦的反應(yīng)是放熱反應(yīng)。在一個(gè)完全絕熱的系統(tǒng)內(nèi)，開始具有177℃(350°F)的TiCl4蒸氣和25℃(77°F)的氧，大約可獲得約1316℃(2400°F)的反應(yīng)溫度，這一溫度在所要求的最低溫度1204℃(2200°F)以上，從而能確保二氧化鈦反應(yīng)產(chǎn)物中主相是金紅石型。本發(fā)明系統(tǒng)利用這一反應(yīng)熱以降低一部分所使用的四氯化鈦蒸氣的預(yù)熱要求。
僅利用第一反應(yīng)區(qū)產(chǎn)生高于1316℃(2400°F)的溫度，并假設(shè)來自氧預(yù)熱組件、處于約982℃(1800°F)的氧的流量為每小時(shí)60磅摩爾，假設(shè)來自四氯化鈦預(yù)熱組件、處于約982℃(1800°F)溫度的四氯化鈦流速為52磅摩爾/小時(shí)，，可生產(chǎn)出約4150磅/小時(shí)的二氧化鈦，并且，假定一個(gè)完全的絕熱系統(tǒng)，在第一反應(yīng)區(qū)內(nèi)的反應(yīng)熱將產(chǎn)生出高于1316℃(2400°F)的溫度。
在一個(gè)實(shí)施方案中，反應(yīng)器10的壁被冷卻(流體冷卻)以保護(hù)器壁并防止二氧化鈦產(chǎn)品燒結(jié)在反應(yīng)器壁上，這樣可以利用凈化介質(zhì)除去二氧化鈦。通過反應(yīng)器壁提供氮?dú)饣蚵葰獾拇祾邭饪衫鋮s反應(yīng)器壁。
利用圖1所示結(jié)構(gòu)的氧化器試驗(yàn)用TiCl4濃度來控制粗顏料特性的可能性。通過測量粗顏料的炭黑法底色(CBU)可估算出由粗顏料產(chǎn)生的顏料特性。為了測量CBU，粗顏料樣品和標(biāo)準(zhǔn)樣品的每一種都以糊狀與碳黑混合。利用Hunterlab色差計(jì)，如D25-9型，進(jìn)行反射率測量。由這些測量數(shù)據(jù)計(jì)算出底色。由于隨著粒度的增加，通過光譜可知反射光將從藍(lán)色變成紅色，所以CBU值給出了顏料的平均粒度的測量。
如此設(shè)計(jì)氧化器，以通過改變氧化器前的氧流速控制TiCl4和O2的比率。圖2是表示如何通過控制TiCl4與氧化器之前的所添加O2的比率來控制粗顏料CBU和產(chǎn)品顏料醇酸(alkyd)淺色調(diào)的座標(biāo)圖?？偸切枰蚍磻?yīng)器內(nèi)提供足夠的氧與TiCl4蒸氣反應(yīng)完全，所以需要二次添加O2。按照Morris的專利，氧化器也可以有一個(gè)或多個(gè)TiCl4噴入口。重要的發(fā)現(xiàn)是在控制顏料尺寸中的重要變量是成核區(qū)域中TiCl4與O2的比率。圖2中所示數(shù)據(jù)是從三種不同結(jié)構(gòu)氧化器收集到的。圖3示出添加所需氧以氧化所有TiCl4的不同位置。在測反應(yīng)劑體積和CBU不同確定中，粗顏料的CBU，粒度的測量明顯地取決于發(fā)生成核的氧化器反應(yīng)區(qū)中TiCl4的比率。改變TiCl4與O2的比率也可以影響到產(chǎn)品顏料的特性。圖2右側(cè)示出了產(chǎn)品顏色的醇酸淺色調(diào)，并且以圖3中淺色調(diào)的函數(shù)表示稠度(consistency)。圖3中的稠度是在標(biāo)準(zhǔn)研磨加工工藝處理過顏料之后測出的。
可再設(shè)另一個(gè)入口，在此入口將氧添加到反應(yīng)流內(nèi)，此處預(yù)先添加的四氯化鈦基本上沒有完全被氧化。由于由預(yù)先添加四氯化鈦的反應(yīng)熱而提供的引發(fā)反應(yīng)所需要的溫度，所以這使得在該另一個(gè)入口所添加的氧的溫度能夠低于在第一入口添加氧的溫度。在觀察到四氯化鈦下滑(slip)之前，二級氧的溫度決定所用氧的量，即，此處未反應(yīng)的四氯化鈦開始出現(xiàn)在二氧化鈦產(chǎn)品中?？扛淖兌壯醯臏囟龋砑拥椒磻?yīng)器中的O2具有很寬的范圍，這樣可允許控制二氧化鈦產(chǎn)品的粒度。
氧可以以氧化氣流送入反應(yīng)器內(nèi)，氧化氣流可以是含有相當(dāng)?shù)捅壤醯臍怏w，象空氣，也可以是基本純的氧或另一種氣體混合物，象富氧空氣。
初級氧化氣流送入反應(yīng)器之前，通常預(yù)熱到約815℃(1800°F)-約982℃(1800°F)，優(yōu)選是約899℃(1650°F)～約954℃(1750°F)?？梢允褂媚塬@得此溫度的任何裝置，但通常是通過將氣流通過氣焰外部加熱的中空金屬盤管來加熱氣流的。
四氯化鈦以至少約149℃(300°F)、優(yōu)選約149℃(300°F)～約427℃(800°F)的溫度送入反應(yīng)器內(nèi)。至少一部分利用鋁和氯形成氯化鋁的反應(yīng)熱可獲得此溫度，與四氯化鈦混合。有利的是，使四氯化鈦首先在預(yù)熱設(shè)備中形成蒸氣，產(chǎn)生出四氯化鈦蒸氣。接著，使該蒸氣通過由金屬如鎳鉻鐵合金形成的、由氣體火焰外部加熱的中空心盤管被預(yù)熱到約350℃(662°F)-400℃(752°F)，接著進(jìn)入到氯化鋁發(fā)生器內(nèi)，在那里蒸氣與氯化鋁混合，進(jìn)一步加熱到選定的反應(yīng)溫度，通常低于約427℃(800°F)?？舍槍σ粋€(gè)或多個(gè)TiCl4入口提供AlCl3發(fā)生器，或者對幾個(gè)或所有TiCl4入口使用一個(gè)共同的AlCl3發(fā)生器。
公知技術(shù)中已知有很多型式的氯化鋁發(fā)生器，可以用于本發(fā)明工藝中。例如，通過反應(yīng)劑氯和/或惰性氣體向上流動(dòng)，使粉狀鋁與或不與惰性粒子物質(zhì)在反應(yīng)器內(nèi)形成流態(tài)化。也可以將鋁以粒子形式送入到氯氣流中，但無需太細(xì)，在氣流中形成流態(tài)化。一種粒狀鋁固定床也可以通過使氯通過環(huán)繞在床周圍的多個(gè)噴孔進(jìn)入該床而被氯化。其他方法包括通氯覆蓋熔融鋁或?qū)筛荛L的鋁線插入到反應(yīng)器內(nèi)，作為消耗電極，在氯存在下這些電極之間可維持放電。
以這樣一種方式，即利用反應(yīng)熱作為提高四氯化鈦溫度的方法，使四氯化鈦與氯化鋁混合。例如可以單獨(dú)地或者與氯混合送入氯化鋁發(fā)生器內(nèi)，在流化床反應(yīng)器中形成一部分流化氣體。也可以在靠近發(fā)生器排口處與熱氯化鋁混合。其好處是將四氯化鈦加熱到約350℃(662°F)～約400℃(752°F)，并隨后使它進(jìn)入到氯化鋁發(fā)生器內(nèi)。
可以利用向反應(yīng)器內(nèi)噴入輔助燃料并燃燒，可增加反應(yīng)器中的溫度，并降低對四氯化鈦蒸氣預(yù)熱溫度水平的要求。輔助燃料可以是任何能夠支持燃燒的低分子量有機(jī)化合物，象一氧化碳、甲烷、丙烷、丁烷、戊烷、己烷、苯、二甲苯、甲苯，或它們的任意組合物。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，從第一入口將丙烷添加到送入反應(yīng)器的氧中。也可以將輔助燃料簡單地直接噴入反應(yīng)器內(nèi)。在另一個(gè)實(shí)施方案中，可以有效利用，例如，用DC電弧或感應(yīng)耦合等離子體產(chǎn)生的等離子體加熱送入反應(yīng)器之前的氧，并降低對四氯化鈦蒸氣溫度水平的要求。
由第一入口送入反應(yīng)器的氧的比例在一定程度上決定了氧化反應(yīng)器內(nèi)的條件，因此可以改變控制這些條件。通常將總供應(yīng)氧量的至少約50(重量)％由第一入口送入，優(yōu)選由第一入口添加的份額為約50％～約95％(重量)的總供應(yīng)氧量。最優(yōu)選是約60～約95(重量)％的比例通過送入第一TiCl4入口的TiCl4多少確定了決定送入第一O2入口的O2多少的因子。初級TiCl4與初級O2的比率為控制粒度的一個(gè)因素。改變第一入口處氧的百分?jǐn)?shù)提供對整個(gè)顏料特性的控制，以允許對各種變化進(jìn)行補(bǔ)償。由第一入口送入初級氧的百分比取決于對最終產(chǎn)品淺色調(diào)的要求。如果要求更強(qiáng)的淺色調(diào)，可減少由第一入口處送入的氧百分比。反之，如果要求弱的淺色調(diào)，可增加由第一入口處送入的氧的百分比。
送入氧化氣流的量也取決于氣流中氧的份額。必須有足夠的氧來充分氧化送入的四氯化鈦總量，通常要高于理論需用量的氧。由氧化氣流提供的氧的量要比完全氧化四氯化鈦所需氧量至少多約5(重量)％，最好多約10(重量)％。
氯化鋁在四氯化鈦中起到金紅石化試劑的作用，即，促使金紅石型二氧化鈦的形成。通常，所用氯化鋁的量在二氧化鈦產(chǎn)品中足以生產(chǎn)約0.3(重量)％～約3.0(重量)％的Al2O3。優(yōu)選地，所用量在二氧化鈦產(chǎn)品中能產(chǎn)生約0.3(重量)％～約1.5(重量)％的Al2O3。Al2O3的量取決于所生產(chǎn)顏料的級別。低耐久性的顏料幾乎不使用Al2O3。
本發(fā)明的方法在高于大氣壓的壓力下運(yùn)行。氧化時(shí)反應(yīng)器中的壓力至少高于大氣壓力約0.15MPa，可在高于大氣壓力約0.15-約4.0MPa。壓力范圍優(yōu)選高于大氣壓力約0.2-約0.5MPa。
第一TiCl4送入組件和第二TiCl4送入組件之間的距離和另一個(gè)入口之間的距離受前一入口處四氯化鈦和氧化氣流的供入速率控制。反應(yīng)開始時(shí)，TiCl4與O2的比率有利的為約0.5∶1～約1.3∶1。理想的情況是，在反應(yīng)劑氣流到達(dá)臨近第二氧入口的反應(yīng)器區(qū)域之前在第一氧入口處送入的氧的一部分將進(jìn)行反應(yīng)，即，產(chǎn)生足量的顆粒成核和金紅石化。因此，要冷卻器壁防止形成硬結(jié)塊。最好沒有熱損失。如圖4-8所示，第二氧送入組件可在第二TiCl4入口的任一側(cè)，并且在與第一TiCl4入口任意距離處，都不會(huì)影響顏料的粒度。顏料的粒度不會(huì)受到影響，只要二級氧是被送入了反應(yīng)條件有利于形成二氧化鈦的反應(yīng)器區(qū)域。
通常，本發(fā)明方法中所用的反應(yīng)器為一般的管狀，從一端送入一部分氧化氣流。四氯化鈦入口要靠近送入氧化氣流的一端，通過對四氯化鈦氧化反應(yīng)器通用的噴射器送入。例如，該噴射器可以包括在反應(yīng)器壁上的環(huán)周孔，在反應(yīng)器壁上排列的孔，這些孔可以沿著反應(yīng)器軸向擴(kuò)展，一個(gè)單一的噴射器或噴嘴，或排列的噴器或噴嘴。
用于輸送四氯化鈦和用自氯化鋁發(fā)生器的氯化鋁的混合物到第一入口的任何管路和相關(guān)設(shè)備，通常都是由陶瓷材料制成，以使腐蝕最小。本發(fā)明方法中所用反應(yīng)器的腐蝕可通過將第一入口和第一入口到第二入口之間的器壁使用陶瓷材料構(gòu)成，來降低腐蝕。
在四氯化鈦的氧化中常用的添加劑也可用于本發(fā)明的方法中。例如，可添加堿金屬鹽以控制所生產(chǎn)的二氧化鈦的結(jié)晶尺寸。堿金屬鹽優(yōu)選是鉀鹽，可以以氯化鉀在第一入口之前添加到氧化氣流中。氧化鉀的添加量可以從約400ppm高達(dá)約600ppm，但所添加的量相對于形成的TiO2優(yōu)選大于約0.5～約20ppm的鉀。也可以添加象砂子或二氧化鈦一類的凈化劑以有助于防止反應(yīng)器壁結(jié)渣。
本發(fā)明對四氯化鈦氧化提供了一種易于控制的方法，使二氧化鈦產(chǎn)品的污染最小化，而不使用可燃性液體。所有在第一入口處送入的氯化鋁與添加的四氯化鈦一般很容易導(dǎo)致形成的二氧化鈦金紅石化。
二氧化鈦產(chǎn)品的粒度可以通過調(diào)節(jié)第一入口處的溫度和/或反應(yīng)器中的壓力來進(jìn)行調(diào)節(jié)。
實(shí)施例1用冷二級氧、用熱二級氧并且用等離子體加熱的二級氧進(jìn)行試驗(yàn)。
序號22該試驗(yàn)用冷二級氧進(jìn)行。所生產(chǎn)的基本顏料是Kerr-McGeeChemical Corporation(KMCC)CR813。粗顏料具有大約0.5％的Al2O3，沒有鉀噴入。采用圖4，5和6所示結(jié)構(gòu)氧化器進(jìn)行試驗(yàn)。粗顏料的CBU以圖2中初級TiCl4與初級O2的比率的函數(shù)表示。
序號24該試驗(yàn)類似于序號22，但在雙孔氧化器(DSO)中添加了鉀，隨二級TiCl4添加了甲烷。該試驗(yàn)結(jié)果示于圖2。在試圖改進(jìn)金紅石化中，通過添加二級甲烷流獲得了TiCl4與O2的比率為約1.2、CBU為約-3的兩個(gè)數(shù)值點(diǎn)。
序號27在生產(chǎn)商用TiO2時(shí)進(jìn)行了此試驗(yàn)。生產(chǎn)了一批樣品，當(dāng)強(qiáng)烈研磨加工時(shí)，具有-4.2的膠乳淺色調(diào)和約72的光澤度。所用初級TiCl4與初級O2的比率大約為0.8，樣品的CBU大約為-2.2。具有約1.02比率但不進(jìn)行精加工所生產(chǎn)樣品的CBU為-1.42，提示最終產(chǎn)品的淺色調(diào)為-4.1或更低。為確定是否更強(qiáng)的CBU是由于顆粒較大或團(tuán)聚而進(jìn)行強(qiáng)烈研磨。結(jié)果指明在精加工之前，要將粗顏料研磨到一個(gè)穩(wěn)定的尺寸，并且該顏料是相當(dāng)容易過篩的。這就證明粗顏料是大的顆粒，而不是顆粒團(tuán)聚體。
序號49三個(gè)上述試驗(yàn)序列證明由于使用冷的二級氧，金紅石化稍有降低。在該試驗(yàn)中，將氧流分開，三分之二的O2送入初級TiCl4孔的上游，三分之一在錐管端部送入。DSO位于二級O2噴入口下游大約3英尺寸。該試驗(yàn)氧化器結(jié)構(gòu)也如圖6所示。由該試驗(yàn)結(jié)構(gòu)完成了兩批樣品，并精加工了來自控制氧化器的兩個(gè)樣品。使用二級氧的樣品的淺色調(diào)為-3.2，控制樣品的淺色調(diào)約為-4.2。最終顏料的所有其它特性似乎是相同的。
序號57和58這些試驗(yàn)使用等離子體加熱二級氧。該試驗(yàn)的主要目的是相對于可利用熱交換器加熱氧來說增加金紅石化。生產(chǎn)的顏料象其它利用二級O2的情況那樣具有等價(jià)的金紅石化，并具有很強(qiáng)的CBUs。
在圖2和圖3前面增加TiCl4與O2的比率時(shí)，粗顏料的CBU也增加。從圖2通過圖3移動(dòng)中，線的斜率迅速增加。這就提示另外一些變量，象增加產(chǎn)率或鉀噴入位置，都能增加二級氧的效率。對KMCC CR813粗顏料獲得的圖2數(shù)據(jù)證明沒有鉀噴入，獲得的圖3數(shù)據(jù)證明DSO中噴入了鉀。初級與二級TiCl4噴射(Rsp)的比率，根據(jù)圖2和圖3的數(shù)據(jù)為0.5，表明Rsp不是對CBU取決于TiCl4與O2比率產(chǎn)生影響的變量。
試驗(yàn)結(jié)構(gòu)以下圖1給出的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)和表示氧流控制示意圖提供了一個(gè)設(shè)備描述和設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。就象目前實(shí)踐的那樣，將始級O2和TiCl4送入氧化器內(nèi)。然而，將初級氧流分開，氧流的測定部分通過預(yù)熱器送入緊接位于第二TiCl4孔下游處的第二O2孔內(nèi)。當(dāng)O2是冷的時(shí)，測定二級O2的流速，然后送入溫控的預(yù)熱器內(nèi)。利用圖1示意的系統(tǒng)可控制粒度。
氧化器的結(jié)構(gòu)基本上與圖4所示相同。圖3結(jié)果證明氧化器的結(jié)構(gòu)對于顏料特性沒有太大的影響，但如果短管在更遠(yuǎn)的下游，DSO和二級氧管受磨損的影響要小于圖4和圖5的情況。在錐體管端部開始添加鉀，但是在DSO處收集的幾個(gè)具有添加的鉀的樣品，特別是，如果金紅石化很低或者CBU不夠強(qiáng)。在6英寸管線處安裝二級氧預(yù)熱器，并且控制管線也是6英寸管線。試驗(yàn)管線和控制管線盡可能地以接近滿負(fù)荷運(yùn)行。
氧預(yù)熱器必須能夠?qū)⑺腿?英寸氧化器內(nèi)總氧量的約一半預(yù)熱到1038℃(1900°F)。試驗(yàn)的一個(gè)目的是確定在每一個(gè)氧化鋁水平可接受的金紅石化所需要二級氧的最低溫度。
試驗(yàn)工藝以下試驗(yàn)工藝-試驗(yàn)序號62中提供了試驗(yàn)工藝的詳細(xì)討論。完成了三組試驗(yàn)。每組處于不同的共燃(Coburned)Al2O3水平。較低的水平是約0.5％，較高的水平是約1.2％共燃Al2O3。第三序號在這些水平之間。初級TiCl4與初級氧的比率可從所需的最低水平，以保護(hù)熱交換器管、并保持二級氧孔打開，變化到在氧化器前的約為1的最大TiCl4與O2比率。根據(jù)變化速率收集2個(gè)或3個(gè)中間樣品。在試驗(yàn)序號開始和試驗(yàn)序號結(jié)束處，收集批量樣品。
試驗(yàn)時(shí)測定溫度，沿管線獲得軸向分布，并獲得徑向溫度分布，對于每次不同TiCl4與O2比率，在錐管端部單獨(dú)控制和加熱的O2流。
由這些試驗(yàn)序號完成了所有批量樣品。
實(shí)施例2添加二級氧的主要目的是開發(fā)一種改進(jìn)粗顏料特性的方法。產(chǎn)生的顏料顆粒要大，因此產(chǎn)品顏料具有更強(qiáng)的淺色調(diào)。由二級氧生產(chǎn)的顏料團(tuán)聚現(xiàn)象低于利用早期結(jié)構(gòu)氧化器生產(chǎn)的顏料，這是根據(jù)這樣一個(gè)事實(shí)，即由于聚結(jié)顏料會(huì)較大。由于在氧化器壁上的顏料顆粒之間相互作用的結(jié)果，幾乎總是出現(xiàn)某種程度的聚結(jié)。二級氧并不能降低由于這種相互作用的結(jié)果而發(fā)生的聚結(jié)。顆粒由于有二級氧而聚結(jié)成較大尺寸的原因可能是因?yàn)轭w粒金紅石化發(fā)生的很慢，又因?yàn)門iCl4的初始濃度很。結(jié)果分析指出，影響粗顏料CBU的主要變量是初級孔處的TiCl4與O2的比率。
試驗(yàn)結(jié)構(gòu)氧化器噴入孔的結(jié)構(gòu)如圖6所示。二級氧在熱交換器內(nèi)被加熱，該熱交換器由具有三個(gè)相同螺旋盤管的輻射部分和在頂部由多個(gè)焊接在一起的J型管組成的對流部分所組成，所設(shè)計(jì)的裝置可輸送330scfm加熱到高達(dá)1038℃(1900°F)的溫度氧。
氧化器前的氧溫度，對于二級氧試驗(yàn)要高于通常運(yùn)行，因?yàn)槊繂挝谎醯腡iCl4量較高。這一較高溫度來自于每單位氧使用了大量的丙烷，以支持砂凈化噴嘴處的燃燒。因此，為達(dá)到相同的混合溫度，要求丙烷與TiCl4的比率幾乎是相同的。
試驗(yàn)工藝這一序列試驗(yàn)的目的是確定初級孔處不同TiCl4與O2的比率對粗顏料特性的影響。隨著Al2Cl3組成在約0.5％～約2.2％之間變化，TiCl4與O2的比率也從約0.6變化到約1.0，通過為保持二級氧孔不堵塞所需最低值來確定TiCl4與O2比率的最低值。最大比率是不引起顆粒減少或CBU隨比率增加而減少的比率。
將試驗(yàn)序列分成三個(gè)亞序列。試驗(yàn)序列和試驗(yàn)中的主要變量如下序號62-1在此試驗(yàn)序列中生產(chǎn)Al2O3含量為0.5％的粗顏料。在每次試驗(yàn)開始時(shí)的顫動(dòng)點(diǎn)處開動(dòng)氧化器，Rsp設(shè)置在0.2-0.25，送入氧化器中的二級氧為927℃(1700°F)。第一個(gè)試驗(yàn)以最小的TiCl4/O2比率，RTO，該亞序列的最后試驗(yàn)以大約為1的比率。以中間比率進(jìn)行兩次或三次試驗(yàn)。采取管道樣品以評價(jià)每次運(yùn)行條件。如果金紅石化低于約98.3，用于支持燃燒所用丙烷的量增加1scfm。丙烷量可增加到高達(dá)4scfm直到明顯觀察到增加丙烷量也不增加金紅石化時(shí)。然后以38℃(100°F)的增量升高二級O2的溫度，直到溫度達(dá)到1038℃(1900°F)，或獲得可接受的金紅石化。如果金紅石百分量在99.6％以上時(shí)，TiCl4與O2比率將增加大約1.0，如果仍保持很高的金紅石化，二級氧溫度以38℃減量進(jìn)行降低，以確定達(dá)到100％金紅石化所需要的最低預(yù)熱量。曾對RTO為1.0時(shí)確定此溫度，比率逐漸降低到所描述的最低值。當(dāng)完成這一序列試驗(yàn)時(shí)，將Rsp增加到約0.3-0.35，來確定是否能找到能產(chǎn)生約100％的金紅石化并沒有TiCl4下滑(slip)的條件。
序號62-2除了同時(shí)生產(chǎn)具有約1.2％共燃Al2O3的粗顏料外，該試驗(yàn)序列類似于序號62-1。設(shè)置二級氧的溫度低于1038℃(1900°F)。
序號62-3利用和序號62-1、62-2相同的順序，以約0.8％的中間Al2O3水平進(jìn)行一系列試驗(yàn)。
當(dāng)裝置在穩(wěn)定條件下運(yùn)行時(shí)，利用所收集到的少量樣品確定由二級O2運(yùn)行氧化器的工藝變化性。
在以上所描述的各種部件、因素、步驟和工藝的組合和排列中可進(jìn)行變化，但都不會(huì)偏離如下權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的宗旨和范圍。
權(quán)利要求
1.一種生產(chǎn)二氧化鈦的方法，包括在氧化反應(yīng)器中，在大氣壓或高于大氣壓下、于至少約700℃的反應(yīng)溫度，使四氯化鈦與氧反應(yīng)，將氧送入在送入任何四氯化鈦之前的第一入口和至少另一個(gè)入口，在將四氯化鈦送入反應(yīng)器之前，將四氯化鈦加熱到低于約427℃的溫度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，送入反應(yīng)器的四氯化鈦是一種與氯化鋁的混合物。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征在于，利用鋁和氯反應(yīng)形成氯化鋁，和利用該反應(yīng)產(chǎn)生的熱量加熱送入反應(yīng)器的四氯化鈦。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其特征在于，在將四氯化鈦通過氯化鋁發(fā)生器之前，首先加熱到約350～約400℃的溫度。
5.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征在于，以足夠的量送入氯化鋁以在二氧化鈦產(chǎn)品中生產(chǎn)約0.3～約3.0(重量)％Al2O3。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，將處于約399℃的溫度的四氯化鈦送入反應(yīng)器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，由第一入口送入的氧被預(yù)熱到約815～約982℃的溫度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，由該另一個(gè)入口送入的氧被加熱到約25～約1037℃的溫度。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其特征在于，由第一入口送入約50～約95(重量)％的氧。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，送入的氧量相當(dāng)于高于完全氧化四氯化鈦所需量的至少5(重量)％。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，反應(yīng)中的壓力高于大氣壓力約0.15MPa～約4.0MPa。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，向送入反應(yīng)器的氧中添加輔助燃料。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其特征在于，輔助燃料是一氧化碳、甲烷、丙烷、丁烷、戊烷、己烷、苯、二甲苯、甲苯，或它們的組合。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，利用等離子體加熱要從第一入口送入的氧。
15.一種用于通過四氯化鈦蒸氣與氧反應(yīng)生產(chǎn)二氧化鈦的反應(yīng)器，包括形成第一反應(yīng)區(qū)的裝置；接收預(yù)定溫度水平的氧并使氧通過進(jìn)入第一反應(yīng)區(qū)的氧化氣體送入組件，該氧化氣體送入組件包括一個(gè)具有上游和下游端部的導(dǎo)管，和貫穿上、下游端的擴(kuò)張開口，并且氧通過管道中的開口可送入到第一反應(yīng)區(qū)；接收處于第一預(yù)定溫度的四氯化鈦蒸氣，并使它通過進(jìn)入與氧反應(yīng)生產(chǎn)含二氧化鈦混合物的第一反應(yīng)區(qū)內(nèi)的第一四氧化鈦送入組件；使處于預(yù)定溫度的四氯化鈦蒸氣通過進(jìn)入第一反應(yīng)區(qū)的裝置；還包括位于第一反應(yīng)區(qū)下游一定距離處形成第二反應(yīng)區(qū)的裝置；接收處于第二預(yù)定溫度的氧、并使處于第二溫度的氧通過進(jìn)入第二反應(yīng)區(qū)的第二氧化氣體送入組件，使之與來自第一反應(yīng)區(qū)的混合物中的四氯化鈦反應(yīng)生成含有二氧化鈦的混合物，處于第二溫度的氧與來自第一反應(yīng)區(qū)的混合物進(jìn)行的反應(yīng)減少了為生產(chǎn)給定體積二氧化鈦產(chǎn)品所需的處于第一溫度的氧的體積；以及將處于第二溫度的氧通過進(jìn)入第二反應(yīng)區(qū)的裝置。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的反應(yīng)器，進(jìn)一步包括為將四氯化鈦蒸氣加熱到第一預(yù)定溫度的氯化鋁發(fā)生器；以及使來自氯化鋁發(fā)生器的四氯化鈦通過進(jìn)入四氯化鈦送入組件中的流送管。
17.根據(jù)權(quán)利要求15的反應(yīng)器，進(jìn)一步包括將氧加熱到預(yù)定溫度水平的氧預(yù)熱設(shè)備和使來自氧預(yù)熱設(shè)備的熱氧通過進(jìn)入氧化氣體送入組件的裝置。
18.根據(jù)權(quán)利要求15的反應(yīng)器，進(jìn)一步包括將氧預(yù)熱到第二預(yù)定溫度的第二氧化氣體預(yù)熱設(shè)備；以及使將來自第二預(yù)熱設(shè)備的氧通過進(jìn)入第二氧化氣體送入組件的裝置。
19.根據(jù)權(quán)利要求15的反應(yīng)器，其特征在于將穿過第一反應(yīng)區(qū)斷面的開口進(jìn)一步定義為與管道中開口軸向一致；以及使穿過第二反應(yīng)區(qū)斷面的開口與穿過形成第一反應(yīng)區(qū)部分的開口軸向一致。
20.根據(jù)權(quán)利要求15的反應(yīng)器，進(jìn)一步包括位于接收處于高溫的四氯化鈦并將四氯化鈦蒸氣送入第二反應(yīng)區(qū)的第一四氯化鈦送入組件一定距離處的第二四氯化鈦送入組件。
全文摘要
一種使四氯化鈦蒸氣與氧反應(yīng)生產(chǎn)二氧化鈦的方法和反應(yīng)器(10),其中,至少從兩個(gè)入口將氧送入反應(yīng)器,第一氧化氣體送入組件(12)和第二氧化氣送入組件(26)。在第二氧化氣體送入組件(26)處送入反應(yīng)器中的氧的溫度高于、低于或相同于第一氧化氣體送入組件(12)處送入的氧的溫度。第二氧化氣體送入組件(26)可以位于所有四氯化鈦送入反應(yīng)器(10)之前或之后。四氯化鈦以相當(dāng)?shù)偷臏囟?低于約427℃,通過第一四氯化鈦送入組件(20)送入反應(yīng)器(10)內(nèi)。反應(yīng)器(10)中的反應(yīng)溫度至少約700℃。最好是二次添加的四氯化鈦通過第二四氯化鈦送入組件(34)送入反應(yīng)器(10)內(nèi)。
文檔編號C01G23/07GK1199385SQ97191153
公開日1998年11月18日 申請日期1997年7月24日 優(yōu)先權(quán)日1996年7月25日
發(fā)明者約翰·C·毛焦?fàn)? 阿蘭·J·莫里斯, 格倫·D·伍滕, 威廉·A·尤爾 申請人:科爾－麥克基化學(xué)有限責(zé)任公司