DE69508109T2

DE69508109T2 - Verwendung einer verbesserten expansionssektion als eingang ins rohr in einem verfahren zur herstellung von titandioxid

Info

Publication number: DE69508109T2
Application number: DE69508109T
Authority: DE
Inventors: Raul Gonzalez; Charles Musick
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 1994-12-06
Filing date: 1995-11-21
Publication date: 1999-09-30
Anticipated expiration: 2015-11-22
Also published as: JP3615221B2; EP0796225B1; DE69508109D1; US5538708A; AU703683B2; EP0796225A1; JPH10509687A; WO1996017804A1; AU4242496A; MX9704153A; CA2206836A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Es werden beträchtliche Mengen von Titandioxid-Pigment kommerziell hergestellt, indem Titantetrachlorid mit Sauerstoff in der Dampfphase umgesetzt wird. Nach einer solchen Reaktion wird die Reaktionsmasse des Titandioxids gekühlt, indem sie durch einen Kanal, d. h. Abzug, geleitet wird, wo das Wachstum der Titandioxid-Pigmentpartikel und die Agglomeration dieser Partikel stattfinden.
Es ist wünschenswert, das Titandioxid rasch abzukühlen, da dieses zu einem Pigment mit höherer "Kohleschwarzabdeckung" ("CBU") führt. Die "CBU" wird in der US-P-2488440 beschrieben, auf die hiermit Bezug genommen wird.
Das Kühlen von Titandioxid kann in einem konventionellen Abzug erfolgen, d. h. in einem Kanal mit einer weitgehend glatten Innenwand. Sofern angestrebt, kann anderenfalls ein mit Rippen versehener Abzug verwendet werden, d. h. ein Kanal mit einer Vielzahl von im wesentlichen längs verlaufenden, inneren Erhebungen, Vertiefungen oder mit beiden. Geeignete, mit Rippen versehene Abzüge wurden in der US-P-4937064 beschrieben, auf die hiermit Bezug genommen wird.
Wenn der Produktionsausstoß jedoch zunimmt oder eine Notwendigkeit zum zusätzlichen Kühlen besteht, muß der Innendurchmesser des Abzugs gelegentlich erhöht werden, so daß er größer ist als der Innendurchmesser des Auslasses des Reaktionsapparates, um TiCl&sub4; zu TiO&sub2; zu oxidieren. Es besteht daher der Bedarf nach einem geeigneten Übergangsstück.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

In einem Verfahren zur Herstellung von Titandioxid durch (a) Umsetzen von Titantetrachlorid und Sauerstoff in der Dampfphase in einem Reaktionsapparat zur Erzeugung von Titandioxid sowie (b) nachfolgendes Kühlen des Titandioxids, indem es durch einen Abzug geleitet wird, bestehend aus einem konventionellen Abzug, aus einem mit Rippen versehenen Abzug oder aus Kombinationen davon, wobei der Auslaß für den Reaktionsapparat in Schritt (a) einen kleineren Innendurchmesser hat als der Einlaß für den Abzug in Schritt (b); umfaßt die Verbesserung das Durchleiten des Titandioxids durch einen kegelstumpfförmigen, mit Rippen versehenen Abzugskanal, wobei das Ende des kegelstumpfförmigen, mit Rippen versehenen Abzugskanals mit dem kleineren Innendurchmesser von dem Reaktionsapparat erzeugtes Titandioxid aufnimmt und das Ende des kegelstumpfförmigen, mit Rippen versehenen Abzugkanals mit dem größeren Innendurchmesser Titandioxid austrägt, das von dem Abzug aufgenommen wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsquerschnitt einer Ausführungsform des kegelstumpfförmigen, mit Rippen versehenen Abzugkanals der vorliegenden Erfindung:
Fig. 2 einen Querschnitt des Endes des kegelstumpfförmigen, mit Rippen versehenen Abzugkanals nach Fig. 1 mit dem großen Durchmesser:
Fig. 3 einen Querschnitt des Endes des kegelstumpfförmigen, mit Rippen versehenen Abzugkanals nach Fig. 1 mit dem kleinen Durchmesser.
Es wurde festgestellt, daß das Verfahren der vorliegenden Erfindung die Menge großer Partikel TiO&sub2; vermindern kann und speziell solche mit einem Durchmesser oberhalb von 0,6 Mikrometer. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt ferner einen höheren Produktionsausstoß unter gleichzeitiger Beibehaltung akzeptabler Werte für CBU und Partikelgröße.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Das Verfahren zur Herstellung von Titandioxid - Pigment durch Umsetzen von Sauerstoff und Titantetrachlorid in der Dampfphase wurde beispielsweise in den US-P-2488439; 2488440: 2559638; 2833627; 3208866 und 3505091 beschrieben. Die Offenbarungen dieser Patentschriften gelten hiermit als summarische Einfügung technischer Tatbestände per Literaturhinweis.
Diese Reaktion läuft typischerweise in einem Reaktionsapparat in der Form eines Rohres oder eines Kanals ab, wo Sauerstoff und Titantetrachlorid bei einer geeigneten Temperatur und geeignetem Druck zur Erzeugung des Titandioxids eingeführt werden. In einer solchen Reaktion wird in der Regel eine Flamme erzeugt.

ABZUG

Der Flamme nachgeschaltet wird das erzeugte Titandioxid durch eine zusätzliche Strecke eines Schachtes geführt, worin Kühlung erfolgt. Für die vorliegenden Aufgaben wird ein derartiger Kanal als "der Abzug" bezeichnet. Der Abzug sollte so lang wie erforderlich sein, um die angestrebte Kühlung zu erzielen. Typischerweise ist der Abzug wassergekühlt und kann eine Länge von etwa 50 bis 3.000 ft., vorzugsweise etwa 100 bis 2.500 ft. und am meisten bevorzugt etwa 200 bis 2.000 ft. aufweisen.
Der Abzug kann ein konventioneller Abzug sein, ein mit Rippen versehener Abzug sei n oder Kombinationen davon sein.
Ein bevorzugter, mit Rippen versehener Abzug wurde in der US-P-4937064 beschrieben, worauf hiermit Bezug genommen wird. Der mit Rippen versehene Abzug verfügt über eine Vielzahl von im wesentlichen längs verlaufenden, inneren Erhebungen. Vertiefungen oder beidem. Beispiele für geeignete Erhebungen schließen Wulste und/oder Rippen ein. Beispiele für Vertiefungen schließen Rillen und/oder Einschnitte ein. Beispiele sowohl für Erhebungen als auch für Vertiefungen schließen einen Kanal mit ähnlich geformten Erhebungen und Vertiefungen ein, wie beispielsweise ein Rohr, das eine gewellte Oberfläche hat. Bevorzugt wird ein mit Rippen versehener Abzug, der Erhebungen aufweist, besonders bevorzugt wird ein mit Rippen versehener Abzug, der innere Rippen aufweist. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist ein mit Rippen versehener Abzug, der innere Hohlrippen aufweist.
Der in der vorliegenden Erfindung verwendete, mit Rippen versehene Abzug kann jede beliebige geeignete Form haben, die keine übermäßige Turbulenz hervorruft. Vorzugsweise ist der mit Rippen versehene Abzug rund. d. h. er hat die Form eines Rohres.
Da der in der vorliegenden Erfindung verwendete, mit Rippen versehene Abzug aufwendiger sein kann als ein konventioneller Abzug, wird typischerweise lediglich ein Abschnitt des Abzugs ein mit Rippen versehener Abzug sein. Da die Kühlung des TiO&sub2; zum größten Teil in unmittelbarer Nähe zur Flamme der Titandioxid-Reaktion stattfinden wird, wird der mit Rippen versehene Abzug vorzugsweise in unmittelbarer Nähe zur Reaktionsflamme verwendet und wird danach weitergeführt, bis die Stelle erreicht ist, wo im wesentlichen das gesamte oder überwiegende Wachstum und/oder Agglomeration der Pigmentpartikel aufhören. Die Länge des verwendeten, mit Rippen versehenen Abzugs wird typischerweise etwa 5 bis 500 ft., mehr bevorzugt etwa 5 bis 300 ft. und am meisten bevorzugt etwa 5 bis 100 ft. betragen. Sofern erwünscht, kann jedoch der ganze oder überwiegende Teil des Abzugs ein mit Rippen versehener Abzug sein, wobei in diesem Fall die erforderliche Länge verringert werden kann, da der Abzug eine wirksamere Kühlung gewährt.
Bei der Bemessung des mit Rippen versehenen Abzugs sind die folgenden zusätzlichen Hinweise zu beachten:
* Zur Verstärkung der Kühlung sollten in der Regel so viel Erhebungen und/oder Vertiefungen wie möglich vorhanden sein unter der Voraussetzung, daß (1) nicht zu viele vorhanden sind, was einen engen Abstand zur Folge haben würde und demzufolge ein Anhaften von Pigment und Partikeln irgend eines Materials zwischen ihnen, das zum Reinigen des Abzugs eingespritzt wird; sowie (2) die Erhebungen nicht so dünn sind, daß sie stark erodieren oder korrodieren. Vorzugsweise sind die Abstände zwischen den Erhebungen und/oder Vertiefungen etwa gleich.
* Allgemein sollten die Erhebungen und/oder Vertiefungen im wesentlichen in Längsrichtung verlaufen, d. h. entlang der Längsrichtung des mit Rippen versehenen Abzugs angeordnet sein. Der Ausdruck "im wesentlichen in Längsrichtung verlaufen" bedeutet, daß die Erhebungen und/oder Vertiefungen im wesentlichen parallel sein sollten (d. h. parallel zur Achse des Kanals) oder etwas angewinkelt sein sollten (d. h. ähnlich den Rillen in einem gezogenen Gewehrlauf). Vorzugsweise sind die Erhebungen und/oder Vertiefungen weitgehend parallel.
* Hinsichtlich der Höhe der Erhebungen sollten diese vorzugsweise zur Verstärkung des Kühlens so hoch wie möglich sein, jedoch nicht so hoch, daß sie ernsthaft erodiert werden (infolge einer hohen Temperatur an der Spitze) oder verstärke Turbulenz hervorrufen.
* Die Zusammensetzung des mit Rippen versehenen Abzugs kann aus jedem beliebigen Material bestehen, das gegenüber Chlor beständig ist und über gute Wärmeübertragungseigenschaften verfügt, bevorzugt ist Nickel oder eine Nickellegierung, wie beispielsweise kommerziell verfügbares Nickel 200 oder Nickel 201. Bei Nickel 200 handelt es sich um kommerzielles, reines Nickel-Halbzeug mit einem Mindestgehalt von 99 % Nickel. Nickel 201 ist die kohlenstoffarme Version von Nickel 200.
* Vorzugsweise sollten die Spitzen der Erhebungen dünner sein als die Tiefen der Erhebungen. bevorzugt werden Erhebungen mit einer Trapezform, wo es sich bei den Abständen zwischen den Erhebungen um Vertiefungen handelt, die gerundet sind.
* Vorzugsweise sind die Erhebungen konisch zulaufend, d. h. die Einlaß- und Auslaßabschnitte des Abzugs haben eine Höhe der Erhebung, die kleiner ist als die höchste Stelle der Erhebungen, besonders bevorzugt sind Erhebungen, die konisch zulaufen und mit dem Innenraum des Abzugs an seinem Einlaß und Auslaß fluchten.
* Vorzugsweise sollte der Innendurchmesser des erfindungsgemäßen, mit Rippen versehenen Abzugs so beschaffen sein, daß er nicht selbst stärkere Turbulenz mit den Geschwindigkeitsbedingung und anderen Bedingungen für das TiO&sub2; und die anderen Materialien in dem Abzug hervorruft. Typische Innendurchmesser des mit Rippen versehenen Abzugs liegen bei etwa 2 bis 50 in, vorzugsweise etwa 5 bis 30 in und am meisten bevorzugt etwa 6 bis 20 in. Oftmals hat der mit Rippen versehene Abzug einen Innendurchmesser des Kanals, der größer ist als der des konventionellen Abzugs, auf dem er aufgesetzt ist. Der vorstehend und an anderer Stelle verwendete Begriff (a) "Innendurchmesser" bedeutet die Entfernung zwischen den zwei niedrigsten Punkte in dem Abzug, die einander gegenüber liegen, und (b) "einlaufseitig" oder "auslaufseitig" in bezug auf die Strömungsrichtung des Titandioxid-Pigments durch den Abzug. Vorzugsweise ist der Durchmesser des mit Rippen versehenen Abzugs, gemessen von Spitze zu Spitze der Erhebungen, die einander gegenüber stehen, größer als oder näherungsweise gleich dem Durchmesser des konventionellen Abzugs, auf dem er aufgesetzt ist.
* Sofern angestrebt wird, die Glanzeigenschaften des TiO&sub2;-Pigments zu optimieren, sollten Erhebungen und/oder Vertiefungen so bemessen sein, daß sie Turbulenz ohne Verminderung der Kühlgeschwindigkeit verringern. Wenn demgegenüber angestrebt wird, den CBU-Wert des TiO&sub2;-Pigments zu optimieren, sollte die Kühlgeschwindigkeit verbessert werden, ohne die Turbulenz zu erhöhen.

DER KEGELSTUMPFFÖRMIGE KANAL

Der kegelstumpfförmige, mit Rippen versehene Abzugkanal verfügt über eine Vielzahl von inneren, im wesentlichen längs verlaufenden Erhebungen. Vertiefungen oder beiden. Die Faktoren und Überlegungen bei der Bemessung der Erhebungen und Vertiefungen für den kegelstumpfförmigen, mit Rippen versehenen Abzugkanal sind ähnlich, wie sie vorstehend für den mit Rippen versehenen Abzug beschrieben wurden. Wenn ebenfalls ein mit Rippen versehener Abzug verwendet wird, wird der kegelstumpfförmige, mit Rippen versehene Abzugkanal Erhebungen und Vertiefungen aufweisen, die in einer Linie mit denen des mit Rippen versehenen Abzugs ausgerichtet sind.
Wenn im Zusammenhang mit einem kegelstumpfförmigen, mit Rippen versehenen Abzugkanal ein konventioneller Abzug verwendet wird, beträgt die Länge eines solchen kegelstumpfförmigen, mit Rippen versehenen Kanals typischerweise etwa 5 bis 500 ft.. mehr bevorzugt etwa 5 bis 300 ft. und am meisten bevorzugt etwa 5 bis 100 ft. Wenn im Zusammenhang mit einem kegelstumpfförmigen, mit Rippen versehenen Abzugkanal ein mit Rippen versehener Abzug verwendet wird, kann die Länge eines solchen kegelstumpfförmigen, mit Rippen versehenen Abzugkanals kürzer sein, d. h. typischerweise etwa 0,5 bis 100 ft.. vorzugsweise etwa 1 bis 50 ft. und am meisten bevorzugt etwa 1 bis 20 ft. Vorzugsweise sollte (1) die Länge des kegelstumpfförmigen, mit Rippen versehenen Abzugkanals sofern allein verwendet, oder aber (2) die vereinigte Länge des kegelstumpfförmigen, mit Rippen versehenen Abzugkanals plus die des mit Rippen versehenen Abzugs bei Verwendung in Kombination ausreichend sein, um zu ermöglichen, daß die Agglomeration und das Wachstum der Partikelgröße des TiO&sub2; ganz oder überwiegend stattfinden.
Vorzugsweise hat das Ende des kegelstumpfförmigen, mit Rippen versehenen Abzugkanals mit dem kleineren Durchmesser einen Innendurchmesser, der etwa gleich dem Innendurchmesser des Auslasses des Reaktionsapparates in Schritt (a) ist. Vorzugsweise hat auch das Ende des kegelstumpfförmigen, mit Rippen versehenen Abzugkanals mit dem größeren Durchmesser einen Innendurchmesser, der etwa gleich dem Innendurchmesser des Abzugs ist.
Oftmals gibt es zwischen dem Reaktionsapparat und dem kegelförmigen, mit Rippen versehenen Abzugkanal eine Kanalsektion, wo feindisperse Feststoffe eingespritzt werden, um Titandioxid, das an den Innenwänden des kegelstumpfförmigen, mit Rippen versehenen Abzugkanals und des Abzugs auszuwaschen und zu entfernen (nachfolgend bezeichnet als "Reinigungskanal"). Bei Verwendung eines solchen Reinigungskanals wird dessen Einlaß typischerweise an den Auslaß des Reaktionsapparates angeschlossen und der Auslaß dieses Reinigungskanals an dem Ende des kegelstumpfförmigen, mit Rippen versehenen Abzugkanals mit dem kleineren Durchmesser angeschlossen. Der hierin verwendete Ausdruck "Auslaß des Reaktionsapparates" bezeichnet den eigentlichen Auslaß für den Reaktionsapparat, wenn an diesem Reaktionsapparat kein Reinigungskanal angeschlossen ist, und bezeichnet den Auslaß für den Reinigungskanal, wenn an dem Auslaß des Reaktionsapparats ein Reinigungskanal angeschlossen ist.
Typischerweise ist das Ende des kegelstumpfförmigen, mit Rippen versehenen Abzugkanals mit dem kleineren Durchmesser an dem Auslaß des Reaktionsapparats angeschlossen und das Ende des kegelstumpfförmigen, mit Rippen versehenen Abzugkanals mit dem größeren Durchmesser an dem Einlaß für den Abzug angeschlossen.
Die Zusammensetzung des kegelstumpfförmigen, mit Rippen versehenen Abzugkanals kann aus jedem beliebigen Material sein, das gegenüber Chlor beständig ist und über gute Wärmeübertragungseigenschaften verfügt. Vorzugsweise sind dies Nickel oder Nickel-Legierungen, wie beispielsweise kommerziell verfügbares Nickel 200 oder Nickel 201.

BEISPIEL 1

Es wurde TiCl&sub4;-Dampf erhitzt, der dampfförmiges AlCl&sub3; enthielt, und kontinuierlich zu dem einlaufseitigen Abschnitt des Dampfphasen-Reaktionsapparats des Typs zugeführt, wie er in der US-P-3203763 offenbart wurde. Gleichzeitig wird durch einen separaten Einlaß neben dem TiCl&sub4;-Einlaß vorerhitzter Sauerstoff zugemessen und kontinuierlich dem Reaktionsapparat zugeführt. An dem Reaktionsapparat war ein Reinigungskanal angeschlossen, der disperses Reinigungsmaterial zuführte.
An dem auslaufseitigen Ende des Reinigungskanals war entweder (a) ein erfindungsgemäßer, kegelstumpfförmiger, mit Rippen versehener Abzugkanal entsprechend der Darstellung in Fig. 1, 2 und 3 aufgesetzt oder (b) im wesentlichen der gleiche Kanal jedoch mit einer glatten Innenseite anstatt mit Rippen (nachfolgend bezeichnet als ein konventioneller kegelstumpfförmiger Kanal).
Je nachdem, welcher Kanal getestet wurde, wurde das Ende des konventionellen, kegelstumpfförmigen Kanals mit dem kleinen Durchmesser oder der kegelstumpfförmige, mit Rippen versehene Abzugkanal auf den Auslaß des Reinigungskanals (d. h. auslaufseitig) aufgesetzt.
Der Innendurchmesser sowohl des konventionellen kegelstumpfförmigen Kanals als auch des kegelstumpfförmigen, mit Rippen versehenen Abzugkanals nahm von dem Ende mit dem kleinen Durchmesser bis zu dem Ende mit dem großen Durchmesser um etwa 30% zu. Je nachdem, welcher Kanal zuerst getestet wurde, wurde das Ende des konventionellen kegelstumpfförmigen Kanals mit den großen Durchmesser oder das Ende des kegelstumpfförmigen, mit Rippen versehenen Abzugkanals mit dem großen Durchmesser mit einem mit Rippen versehenen Abzug verbunden. Der Auslaß des mit Rippen versehenen Abzugs wurde mit einem konventionellen Abzug verbunden.
Unter Verwendung des vorstehend beschriebenen Systems des Reaktionsapparates wurde Titandioxid mit einem konstanten Durchsatz erzeugt. Durchlauf 1 wurde mit einem konventionellen kegelstumpfförmigen Kanal ausgeführt und Durchlauf 2 mit einem kegelstumpfförmigen, mit Rippen versehenen Abzugkanal der vorliegenden Erfindung, wie er in Fig. 1, 2 und 3 dargestellt ist. Es wurde gefunden, daß die Verwendung des erfindungsgemäßen kegelstumpfförmigen, mit Rippen versehenen Abzugkanals die Menge Titandioxid mit einer Partikelgröße oberhalb von 0,6 Mikrometer um 5,6% verringerte. Die Änderungen von Durchlauf 1 gegenüber Durchlauf 2 waren unter bestimmten Bedingungen folgende:
* absoluter Druck 5,0% Zunahme
* CBU 1,6% Abnahme
* Alkalimetall-Nukleierungsmittel 19.3% Abnahme
Wenn für jeden Durchlauf Druck, CBU und Alkalimetall-Nukleierungsmittel die gleichen waren, dann war eine Abnahme der Menge von Titandioxid mit einer Partikelgröße oberhalb von 0,6 Mikrometer von etwa 4,6% zu erwarten.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Titandioxid durch (a) Umsetzen von Titantetrachlorid und Sauerstoff in der Dampfphase in einem Reaktionsapparat zur Erzeugung von Titandioxid, sowie (b) nachfolgendes Kühlen des Titandioxids, indem es durch einen Abzug geleitet wird, bestehend aus einem konventionellen Abzug, aus einem mit Rippen versehenen Abzug oder aus Kombinationen davon, wobei der Auslaß für den Reaktionsapparat in Schritt (a) einen kleineren Innendurchmesser hat als der Einlaß für den Abzug in Schritt (b);

welches Verfahren umfaßt; Durchleiten des Titandioxids durch einen kegelstumpfförmigen, mit Rippen versehenen Abzugskanal, wobei das Ende des kegelstumpfförmigen, mit Rippen versehenen Abzugskanals mit dem kleineren Innendurchmesser von dem Reaktionsapparat erzeugtes Titandioxid aufnimmt und das Ende des kegelstumpfförmigen, mit Rippen versehenen Abzugskanals mit dem größeren Innendurchmesser Titandioxid, das von dem Abzug aufgenommen wird, austrägt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Abzug aus einem mit Rippen versehenen Abzug besteht, der auf einem konventionellen Abzug aufgesetzt ist und der Einlaß für den Abzug der mit Rippen versehene Abzug ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der mit Rippen versehene Abzug und der kegelstumpfförmige, mit Rippen versehenen Abzugskanal eine Vielzahl von im wesentlichen längs verlaufenen Erhebungen hat, die Spitzen und Tiefen aufweisen und wobei die Spitzen der Erhebungen dünner sind als die Tiefen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem die Erhebungen eine Trapezform haben und es Abstände zwischen den Erhebungen gibt und die Abstände zwischen den Erhebungen gerundete Vertiefungen sind.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Innendurchmesser des Abzugs etwa 2-50 Zoll beträgt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die im wesentlichen längs verlaufenen Erhebungen und Vertiefungen für den mit Rippen versehenen Abzug sowie für den kegelstumpfförmigen, mit Rippen versehenen Abzugskanal in einer Linie ausgerichtet sind.

7. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 6, bei welchem der Abzug und der kegelstumpfförmige, mit Rippen versehenen Abzugskanal aus Nickel oder Nickellegierung sind.

8. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 6; bei welchem:

* das Ende des kegelstumpfförmigen, mit Rippen versehenen Abzugskanals mit dem kleinen Durchmesser einen Innendurchmesser hat, der etwa gleich dem Innendurchmesser des Auslasses für den Reaktionsapparat in Schritt (a) ist; sowie

* das Ende des kegelstumpfförmigen, mit Rippen versehenen Abzugskanals mit dem größeren Durchmesser einen Innendurchmesser hat, der etwa gleich dem Innendurchmesser des Abzugs ist.