DE102005010279A1

DE102005010279A1 - Increasing the temperature of oxygen in manufacture of titanium dioxide pigment, comprises maintaining the titanium tetrachloride-oxidation reactor at specific temperature, and balancing the temperature by hydrogen combustion with oxygen

Info

Publication number: DE102005010279A1
Application number: DE200510010279
Authority: DE
Inventors: Helmut Aaslepp
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-03-07
Filing date: 2005-03-07
Publication date: 2006-09-14

Abstract

Increasing the temperature of oxygen by hydrogen-combustion in the manufacture of titanium dioxide pigment by chloride process, comprises maintaining the titanium tetrachloride-oxidation reactor at 1000-600[deg]C and balancing the temperature by hydrogen combustion with oxygen, where the oxygen is heated below 600[deg]C.

Description

Verfahren zur Temperatursteigerung des Sauerstoffes durch H₂-Verbrennung bei der TiO₂-Herstellung nach dem Chloridprozeß.Method for increasing the temperature of the oxygen by H ₂ combustion in the preparation of TiO ₂ after the chloride process.

Die Herstellung von Titandioxidpigment nach dem Chloridverfahren erfolgt durch Oxidation von Titantetrachlorid im Dampfzustand mit Sauerstoff. Durch die Zugabe von geringen Mengen Wasser, in Form von wasserstoffhaltigen Brennstoffen, und KCl als Nukleierungsmittel läßt sich durch die Steuerung der Reaktionstemperatur ein feines TiO₂-Pigment erzeugen. AlCl₃ wird als Rutilbildner zugegeben. In dem Patent DE 692 19 162 wird die zuzugebende Wassermenge mit 0,1–3 Gew.% der TiO₂-Menge angegeben.The production of titanium dioxide pigment by the chloride process is carried out by oxidation of titanium tetrachloride in the vapor state with oxygen. By adding small amounts of water, in the form of hydrogen-containing fuels, and KCl as a nucleating agent can be produced by controlling the reaction temperature, a fine TiO ₂ pigment. AlCl ₃ is added as a rutile former. In the patent DE 692 19 162 the amount of water to be added is given as 0.1-3% by weight of the amount of TiO ₂ .

Der im Patentanspruch angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, die Kosten der Oxidation von TiCl₄ in TiO₂ zu reduzieren, in dem vor der Oxidation der Reaktorraum auf t ~ 1000°C durch die Verbrennung von Wasserstoff erwärmt wird.The indicated in claim invention is based on the problem of reducing the cost of the oxidation of TiCl ₄ in TiO ₂ , is heated in the before the oxidation of the reactor chamber to t ~ 1000 ° C by the combustion of hydrogen.

Dieses Problem wird durch den Patentanspruch – Verfahren zur Temperatursteigerung des Sauerstoffes durch H₂-Verbrennung bei der TiO₂-Herstellung nach dem Chloridprozeß – gelöst. Das vorgeschlagene Verfahren sieht die Temperatursteigerung des eingespeisten Sauerstoffes von 600°C auf 1000°C durch Wasserstoffverbrennung in einer separaten Kammer (2) vor dem TiCl₄-Oxidationsreaktor (1) vor.This problem is solved by the patent claim - Method for increasing the temperature of the oxygen by H ₂ combustion in the TiO ₂ preparation after the chloride process. The proposed method provides for the temperature increase of the injected oxygen from 600 ° C to 1000 ° C by hydrogen combustion in a separate chamber ( 2 ) in front of the TiCl ₄ oxidation reactor ( 1 ) in front.

Wasserstoff (b) wird mit Sauerstoff (c) im etwa gleichen Verhältnis durch einen Mikromischer (4) und weiter durch eine Lavaldüse (6), die in die Vorkammer (2) des TiCl₄-Oxidationsreaktors (1) mündet, beschleunigt und oxidiert. Durch die Verbrennung wird der Sauerstoff (a) auf die Reaktionstemperatur von ~ 1000°C erhitzt. Der Mikromischer (4) besitzt mehrere tausend Mikrokanäle (~ 100 μm²) in denen der Wasserstoff (b) und der Sauerstoff (c) in eng benachbarte Mikrostromfäden aufgeteilt wird. Das in der Lavaldüse (6) beschleunigte Gasgemisch, mit einer Zündtemperatur von 570°C, strömt axial in die Vorkammer (2) und der auf 600°C erwärmte Sauerstoff wird gleichzeitig tangential (5) in die Vorkammer (2) eingeleitet und zündet das H₂/O₂-Gasgemisch.Hydrogen (b) is mixed with oxygen (c) in about the same ratio by a micromixer ( 4 ) and further through a Laval nozzle ( 6 ), which are in the antechamber ( 2 ) of the TiCl ₄ oxidation reactor ( 1 ), accelerates and oxidizes. The combustion heats the oxygen (a) to the reaction temperature of ~ 1000 ° C. The micromixer ( 4 ) has several thousand microchannels (~ 100 microns ² ) in which the hydrogen (b) and the oxygen (c) is divided into closely spaced microcurrent filaments. The in the Laval nozzle ( 6 ) accelerated gas mixture, with an ignition temperature of 570 ° C, flows axially into the antechamber ( 2 ) and the heated to 600 ° C oxygen is simultaneously tangential (5) in the antechamber ( 2 ) and ignites the H ₂ / O ₂ gas mixture.

Durch die Mikrovermischung entsteht eine verzögerte Reaktion, denn die Reaktanten H₂ (b) und O₂ (c) werden durch die Mikrokanäle des Mischers (4) in sehr feine Stromfäden im Gesamtstrom aufgeteilt. Eine Einhüllung mit einer zusätzlichen Dämpfung der explosiven Reaktion erfolgt durch den um die Flamme (3) rotierende Sauerstoffwalze. Bei der Oxidation von Wasserstoff (b) mit Sauerstoff (c) entsteht Wasser, das bei dieser Temperatur verdampft. Die Reaktion wird von dem auf 600°C erwärmten, um das H₂/O₂-Gasgemisch rotierenden Sauerstoff eingeleitet. Sie umhüllt die Oxidationsflamme, und da sie unter höherem Druck steht, strömt der Sauerstoff rasch in die Reaktionszone.The micro-mixing produces a delayed reaction because the reactants H ₂ (b) and O ₂ (c) pass through the microchannels of the mixer ( 4 ) divided into very fine current filaments in the total current. An encapsulation with an additional damping of the explosive reaction takes place through the around the flame ( 3 ) rotating oxygen roller. The oxidation of hydrogen (b) with oxygen (c) produces water which evaporates at this temperature. The reaction is initiated by the heated to 600 ° C, rotating around the H ₂ / O ₂ gas mixture oxygen. It envelops the oxidation flame, and since it is under higher pressure, the oxygen flows rapidly into the reaction zone.

Diese Form der Gaserwärmung bringt beträchtliche Vorteile:

1. Durch diese Maßnahme kann der Sauerstoff (a) niedriger erwärmt in den Brenner eingeführt werden. Die Gastemperatur in der O₂-Erhitzerschlange und in der Sauerstoffleitung zum Brenner wird von 1000°C auf 600°C gesenkt. Der Festigkeitswert Rp_1,0/10 ⁴ des Rohrmaterials nimmt dabei um das ~ 21fache zu.
2. Die Reduktion der O₂-Temperatur auf 600°C nach dem Erhitzer verringert den Energieeinsatz bei gleichzeitiger Erhöhung der Menge durch die Zunahme der Dichte. Außerdem ist es möglich, durch das Anheben des Vordruckes die durchgeleitete O₂-Menge zusätzlich zu erhöhen.
3. Für das Rohrmaterial der O₂-Erhitzerschlange und der Zuleitung zum Brenner ist in diesem Temperaturbereich nur die Streckgrenze und nicht die Zeitstandsfestigkeit maßgebend. Die Betriebsdauer wird deshalb nur durch die Spannungen aus primären Belastungen (z. B. Stützweite, Innendruck) gegenüber der Streckgrenze bestimmt.
4. Eine Verunreinigung des Titandioxids durch Kohlenstoffpartikel, wie es bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffverbindungen geschehen kann, ist bei der Oxidation von Wasserstoff ausgeschlossen.
5. Bei der Temperaturerhöhung des Sauerstoffes fällt kein CO₂ an. Das Recyclingchlor enthält demnach kein CO₂, das bei der Chlorierung entsprechend dem Boudouard-Gleichgewicht CO₂ + C → 2 CO – den Einsatz von zusätzlichem Petrolkoks erfordert. Der CO-Anteil im Abgas wird unnötig erhöht.

This form of gas heating brings considerable advantages:

1. By this measure, the oxygen (a) can be introduced heated lower in the burner. The gas temperature in the O ₂ heater coil and in the oxygen line to the burner is lowered from 1000 ° C to 600 ° C. The strength value Rp _{1.0 / 10} ^{4 of} the tube material increases by ~ 21 times.
2. The reduction of the O ₂ temperature to 600 ° C after the heater reduces the energy input while increasing the amount due to the increase in density. In addition, it is possible to increase the amount of O ₂ passed through by raising the pre-pressure.
3. For the tube material of the O ₂ heater coil and the supply line to the burner, only the yield strength and not the creep rupture strength are decisive in this temperature range. The operating time is therefore determined only by the stresses from primary loads (eg span, internal pressure) compared to the yield strength.
4. Contamination of titanium dioxide by carbon particles, as it can happen in the combustion of hydrocarbon compounds, is excluded in the oxidation of hydrogen.
5. When the temperature of the oxygen increases, no CO _{2 is produced} . Accordingly, the recycling chlorine contains no CO ₂ , which requires the use of additional petroleum coke in the chlorination according to the Boudouard equilibrium CO ₂ + C → 2 CO. The CO content in the exhaust gas is unnecessarily increased.

Zusammenfassung:Summary:

Zur Temperatursteigerung des Oxidationssauerstoffes von 600°C auf 1000°C muß, bezogen auf 1 kg Titandioxid, 0,006 kg Wasserstoff verbrannt werden. Der sich daraus ergebende Wasseranteil im Gasstrom liegt mit 0,0007 Gew.% pro kg TiO₂ unter dem in dem Patent DE 692 19 162 genannten 0,1–3%.To increase the temperature of the oxidation oxygen from 600 ° C to 1000 ° C, based on 1 kg of titanium dioxide, 0.006 kg of hydrogen must be burned. The resulting water content in the gas stream is 0.0007 wt.% Per kg TiO ₂ below that in the patent DE 692 19 162 mentioned 0.1-3%.

Die Steigerung der TiO₂-Produktion ist in vorhandenen Anlagen generell möglich, sofern der O₂- und der TiCl₄-Einsatz erhöht werden kann und die im Prozeß folgenden Komponenten für einen größeren Durchsatz geeignet sind.The increase in TiO ₂ production is generally possible in existing plants, as long as the O ₂ and TiCl ₄ feedstocks can be increased and the components following in the process are suitable for greater throughput.

Denkbar wäre auch das TiCl₄ ohne Vorwärmung in einen separaten Vergaser, der durch die H₂-Verbrennung das eingespritzte TiCl₄ auf ~ 800°C erhitzt, einzudüsen und danach in den Oxidationsreaktor weiterzuleiten. Durch die zusätzliche Verbrennung von Wasserstoff würde außerdem der Wasseranteil in der O₂/TiCl₄-Gasphase ansteigen, was die Feinkörnigkeit der TiO₂-Partikel erhöht.It would also be conceivable TiCl ₄ without preheating in a separate carburetor, which heats the injected TiCl ₄ to ~ 800 ° C by the H ₂ combustion, and then forward in the oxidation reactor. The additional combustion of hydrogen would also increase the water content in the O ₂ / TiCl ₄ gas phase, which increases the fine graininess of the TiO ₂ particles.

Die Pigmentqualität steigt durch das Verbrennen von Wasserstoff statt eines wasserstoffhaltigen Brennstoffes, da keine Kontamination durch Kohlenstoffpartikel möglich ist.The pigment grade increases by burning hydrogen instead of a hydrogen-containing one Fuel, since no contamination by carbon particles is possible.

In der schematisierten Zeichnung sind die Bauteile und die Besonderheiten mit Nummern und die eingesetzten Medien mit Buchstaben gekennzeichnet.In The schematized drawing are the components and the specifics with numbers and the media used with letters.

Claims

Claims characterized in that the entering into the TiCl ₄ oxidation reactor oxygen, usually with t ≤ 1000 ° C only to t = 600 ° C is heated and the temperature difference is compensated by burning hydrogen with oxygen. It is understood that the oxygen can also be heated to any temperature below 600 ° C. Method according to claim 1, characterized in that the temperature increase is generated by one or more H ₂ burners. Process according to claim 1, characterized in that the hydrogen and the oxygen are mixed in a micromixer prior to the oxidation. A method according to claim 1, characterized in that the temperature increase takes place by burning hydrogen in an antechamber. A method according to claim 1, characterized in that also introduced into the TiCl ₄ oxidation reactor titanium tetrachloride is not, or only slightly heated and the additional amount of heat is generated by burning hydrogen with oxygen. Process according to Patent Claim 1, characterized in that the preheated oxygen flows tangentially into a separate vortex chamber of the TiCl ₄ oxidation reactor and the H ₂ / O ₂ gas stream from the micromixer passes axially into the vortex chamber through a Laval nozzle in which the gas is accelerated with the tangentially circulating 600 ° C hot O ₂ gas jet penetrates.