專利名稱：制備和冷卻二氧化鈦的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種制備和冷卻二氧化鈦的方法，更具體地說，涉及這樣的一些方法，其中可以更有效地冷卻生成的二氧化鈦和氣體反應產物。
背景技術：
在使用氯化法制備二氧化鈦的過程中，加熱的氣體四氯化鈦和加熱的氧氣在一個管式反應器中以高流速相混合。在反應器中發(fā)生高溫氧化反應，由此生成粒狀固體二氧化鈦和氣體反應產物。通過把它們與一種用于除去換熱器內部表面沉積物的沖洗介質一起經過一個換熱器，從而冷卻所述二氧化鈦和氣體反應產物。迄今所使用的沖洗介質為粒狀固體，比如沙、燒結或壓縮的二氧化鈦、巖鹽或類似物。盡管使用沖洗介質，在管式換熱器的內部表面上的固體二氧化鈦和其它沉積物僅被部分除去，從而留下沉積物，使得換熱器的熱傳遞效率降低。
因此，需要改進的方法來制備和冷卻二氧化鈦，由此所使用的換熱器內的沉積物可更徹底地除去，得到更高的冷卻效率。
發(fā)明概述本發(fā)明提供了一種改進的方法以制備和冷卻二氧化鈦，它可以滿足上述的要求并克服現(xiàn)有技術的缺陷。本發(fā)明的改進方法主要包括如下步驟使氣體四氯化鈦和氧氣在高溫下反應，生成粒狀固體二氧化鈦和氣體反應產物。在一個管式換熱器中，通過與冷卻介質進行換熱從而冷卻生成的粒狀固體二氧化鈦和氣體反應產物。將沖洗介質注入到該換熱器中，以從換熱器的內表面除去二氧化鈦和其它物質的沉積物。為了提高表面沉積物的除去率，從而增加換熱器的熱傳遞效率，沖洗介質被引導沿著一條螺旋路線通過換熱器。在通過換熱器后，粒狀固體二氧化鈦從氣體反應產物中分離開。
因此本發(fā)明的一個主要目的是提供一種改進的方法來制備和冷卻二氧化鈦。
通過閱讀下面的優(yōu)選實施方案和附圖的說明，本發(fā)明的其它和進一步的目的、特征和優(yōu)點對于本領域的普通技術人員來說是非常明顯的。
附圖簡述

圖1是管式換熱段的側視圖，它包括按照本發(fā)明的螺旋葉片和凹槽。
圖2是沿圖1中剖線2-2的端視圖。
優(yōu)選實施方案詳述二氧化鈦顏料迄今一直是通過使加熱的氣體四氯化鈦和加熱的氧氣在一個管式反應器中在高溫下進行反應而制得的。四氯化鈦可包含足夠量的氯化鋁以制備含約0.3wt％-約3wt％氧化鋁的金紅石顏料。通常，四氯化鈦被預熱到約650°F至約1800°F的溫度范圍，這取決于所使用的具體預熱儀器。氧氣通常預熱到約1750°F至約3400°F的溫度。在一個大氣壓下的氧化反應溫度通常在約2300°F至約2500°F的溫度范圍。反應生成粒狀固體二氧化鈦和氣體反應產物。反應產物被立即引入到一個長的管式換熱器中，其中反應產物用冷卻介質比如冷卻水通過熱交換而被冷卻。長的管式換熱器通常由許多單個的換熱段組成，它們被密封固定在一起。換熱段和換熱器的總長度可以進行很大的變化，這取決于很多因素，比如二氧化鈦生產率、所需的排出溫度、換熱器的直徑等。因此，利用氯化法即氧化四氯化鈦方法的商購二氧化鈦生產器，使用改變直徑和長度的換熱器來冷卻反應產物。在一個這樣的換熱器的實例中，換熱段的內徑為7英寸，長約7英尺到約16英尺。長的管式換熱器經常也包括長1英尺到4英尺的接頭段。當二氧化鈦和氣體反應產物通過長的管式換熱器時，它們被冷卻到約1300°F或更低。
為了防止形成在氧化反應中生成的二氧化鈦和其它物質的沉積，沖洗介質與反應產物一起被注入到管式換熱器中?？墒褂玫臎_洗介質的例子包括，但不限于沙、通過制粒、干燥并燒結而形成的二氧化鈦和水的混合物、壓縮的二氧化鈦、巖鹽、熔融氧化鋁、二氧化鈦和鹽的混合物及類似物?；煊卸趸伒柠}可以是氯化鉀、氯化鈉等等。
沖洗介質沖擊換熱器的內表面，從那里除去沉積物。當沖洗介質除去一些沉積物的時候，它常常沒有除去所有的沉積物，結果，在換熱器的內表面上留下一層沉積物。沉積物的殘余層降低了被冷卻的反應產物通過換熱器壁與冷卻介質的熱傳遞速率。這因此顯著降低了換熱器的效率，并增加了制備二氧化鈦的總成本，包括需要安裝和維修一個更長的換熱器和需要更多的沖洗介質。在反應產物被冷卻后，粒狀固體二氧化鈦從氣體反應產物和沖洗介質中分離。
本發(fā)明是基于發(fā)現(xiàn)了通過引導沖洗介質沿著一條螺旋路線通過換熱器可提高換熱器內表面沉積物的除去率。有多種技術可用于引導沖洗介質沿著一條螺旋路線通過換熱器，現(xiàn)在優(yōu)選的技術是在一個或多個單個換熱段的至少一部分的內表面上提供一個或多個螺旋葉片。優(yōu)選，對于7英寸到11英寸內徑的換熱段，在兩個或多個單個換熱段的8英尺部分上設置帶有螺旋凹槽的兩個或多個螺旋葉片。最優(yōu)選地，帶有4個到6個螺旋凹槽的4到6個螺旋葉片設置于這些段的螺旋部分。
現(xiàn)在參照附圖來說明一個單個的具有7英寸內徑和16英尺長的換熱段，它用于組成一個長的換熱器來冷卻反應產物，通常被標為數(shù)字10。換熱段10包括延長經過其中的8英尺內部部分的帶有4個凹槽14的4個螺旋葉片12。如圖1所示，葉片12和凹槽14在換熱器10的起始8英尺內表面長度上旋轉。螺旋葉片和凹槽的轉率是恒定的，通常在約2度/英寸至約6度/英寸之間，優(yōu)選約4.5度/英寸。如圖2所示，螺旋葉片12和凹槽14具有彎曲的矩形的橫截面形狀。通常，螺旋葉片旋轉的高度、寬度和轉率可使得對于在初始8英尺內表面長度上帶有葉片的單個換熱段在以最大反應產物流速通過該段時的最大壓降為0.2磅/平方英寸。另一個要求是沖洗介質完全沖洗了包括螺旋凹槽表面的換熱段的內表面。例如具有16英尺長、內表面直徑7英寸、并具有在其初始8英尺內表面上等距排列的4個彎曲的矩形的葉片的換熱段可以滿足上述條件，所述葉片為0.5英寸高、1.5英寸寬、轉率為4.3度/英寸，所使用的沖洗介質比重為2，粒徑為0.028英寸，入口氣體反應產物流速6.6磅/秒，溫度為1750°F。
如上所述，所有用于組成長的管式換熱器的換熱段可以包括螺旋葉片和凹槽。但通常在長的換熱器內包括螺旋葉片和凹槽的換熱段可通過幾個不包括螺旋葉片和凹槽的換熱段來分隔開。不包含葉片和凹槽的換熱段的數(shù)目取決于這些換熱段是否完全被所用操作條件下的沖洗介質完全清洗。
葉片可由耐腐蝕合金，比如鎳和鉻的合金制成，或者它們可由陶瓷耐磨損材料，比如氧化鋁、碳化硅或類似物來形成。同樣，葉片可以是中空的，以便冷卻介質使它們溫度更低，從而增加熱傳遞并減少顏料沉積。
本發(fā)明的用于制備和冷卻粒狀固體二氧化鈦的改進方法包括以下步驟使加熱的氣體四氯化鈦和加熱的氧氣在高溫即至少約2200°F下反應。生成粒狀固體二氧化鈦和氣體反應產物。二氧化鈦和氣體反應產物與用于從換熱器的內表面除去沉積物的沖洗介質一起被輸送通過一個長的管式換熱器，從而得到冷卻。沖洗介質和粒狀二氧化鈦及氣體產物被引導沿著一條螺旋路線流過長的管式換熱器，由此，沖洗介質完全除去沉積物。按照本發(fā)明的現(xiàn)有優(yōu)選實施方案，通過在長的管式換熱器的所有或間隔部分的內表面上設置一個或多個螺旋葉片，粒狀二氧化鈦和氣體反應產物被引導經過一條螺旋路線。
本發(fā)明的制備粒狀固體二氧化鈦的更具體的方法包括下列步驟(a)使氣體四氯化鈦和氧氣在至少約2200°F的溫度下反應，生成粒狀固體二氧化鈦和氣體反應產物；(b)在管式換熱器中用冷卻介質來冷卻生成的粒狀固體二氧化鈦和氣體反應產物至約1300°F或更低；(c)向換熱器內注入沖洗介質以從其內表面除去沉積物；(d)通過在所有或一部分管式換熱器的內表面上設置一個或多個螺旋葉片來引導沖洗介質沿著一條螺旋路線通過換熱器，從而增加表面沉積物的除去率；和(e)將粒狀固體二氧化鈦從沖洗介質和氣體反應產物中分離。
為了進一步說明本發(fā)明的改進方法，給出了下列實施例。
實施例進行一系列嘗試來提高長的管式換熱器的效率，它們被用于冷卻用氯化法生成的二氧化鈦和氣體反應產物。換熱器的設置決定了熱傳遞效率，其由多段的水夾套管組成。冷卻水流經夾套，來自反應器的由Cl2、TiO2顏料和5-10％O2混合物組成的反應產物流經管的內部。換熱段約16英尺長，通過法蘭連接在一起。外水管，稱為跨接線，把某一段的水夾套與相鄰段的水夾套相連。熱電偶放置于各個跨接線內，在各段的入口處測量通過換熱段的總水流。在各換熱段內從反應產物流傳遞到水的熱量通過入口和出口處的水的溫差及水的流速來測定。通過反應器的質量守恒、通過反應物原料流加入到反應器的熱量和從這些段的反應器上游的總熱量損失來計算換熱段的氣體溫度。通過從產物流的溫度和轉移到該換熱段內的冷去]水的熱量來計算各個換熱段的熱傳遞系數(shù)。
將計算所得的熱傳遞系數(shù)與關于不含顆粒氣體的公開文獻中獲得的由經驗熱傳遞關系式所得的熱傳遞系數(shù)進行比較。預期載荷顆粒的氣體的關系式與純凈氣體的關系式不同，但在換熱段所測的系數(shù)和用于純凈氣體的系數(shù)看起來似乎有一個相對恒定的比值。結果表明由經驗關系式所計算的值和由實驗所測的值之間的偏差在靠近長的換熱器的出口處的換熱段處比在入口處的換熱段處要大得多。這個差值可能是由這些段上的沉積物引起的。接著進行試驗來研究一種用于改進長的換熱器的出口處的熱傳遞的方法。所進行的試驗使用長的換熱器的最后8段。所有這些段為直徑7英寸、長約16英尺，除了最后一段為用于連接長的換熱器和產物收集段的接頭。接頭段為4英尺長，比其它段的直徑稍大。所有這些試驗的結果列于下表。
試驗1進行一個對照試驗，使用硅沙作為沖洗介質。將反應器的產物速率設定為一個值，即使熱傳遞速率被顯著改變，該值也能保持不變。計算所測熱傳遞系數(shù)和理論熱傳遞系數(shù)的比值。結果表明隨著氣體沿長的換熱器移動，實際系數(shù)和理論系數(shù)之間的差值增加。
試驗2在第二個試驗中，把一個裝置放置于換熱段的中間以切向引入N2至該段中。反應器以約130-150磅/分鐘的速度生成TiO2顏料。經幾分鐘的時間將約200標準立方英尺的N2引入到該段中。結果在注入點下游的整個產物冷卻器的熱傳遞顯著改進了。熱傳遞的改進是由于更有效的沖洗，而不是增加的湍流，這有兩個原因。首先，在N2注射點下游距該點100個段直徑處觀測到熱傳遞增加。計算結果和公開的數(shù)據(jù)表明由于湍流的任何熱傳遞的增加會迅速下降并在下游約20個管直徑處完全消失1，2。熱傳遞增加是由于更好的沖洗的第二個原因是在N2流停止一段時間后，可繼續(xù)觀測到熱傳遞增加。
試驗3通過凝集未成品的顏料，熱處理該物質以生成適當硬的物質，然后篩選該物質，得到與所使用的硅沙的粒徑分布相似的粒徑分布，從而制備沖洗介質TiO2。TiO2沖洗介質在反應器的前部加入。本次試驗結果與試驗1的結果相類似。
試驗4如圖1和2所示，具有螺旋葉片和凹槽的換熱段安裝在第6換熱段。包括螺旋葉片和凹槽的換熱段部分為該段的前8英尺部分。沖洗介質與試驗3所使用的相同，產物速率與試驗1和3相近。結果表明在緊接著第6段下游的第7段的平均熱傳遞系數(shù)比試驗3中第7段的平均熱傳遞系數(shù)顯著高。距螺旋葉片和凹槽的末端為32英尺或55個管直徑的第8段的平均熱傳遞系數(shù)比試驗3中第8段的平均熱傳遞系數(shù)稍高。
試驗5包括螺旋葉片和凹槽的換熱段安裝于第11段，進行和試驗4相似的試驗。結果表明即使第13段距離第11段的末端為26英尺或多于47個管直徑，也能得到顯著的改進。
其它試驗進行和試驗5相似的試驗，使用含有陶瓷材料的螺旋葉片。帶有陶瓷葉片的第12和第13段的熱傳遞結果與試驗5的相同。在帶有葉片的段內的熱傳遞取決于葉片材料的導熱率和葉片的設計。在另一組試驗中，當在沒有螺旋葉片的情況下運行換熱器時，測定離開袋濾器的氣體溫度。然后把葉片安裝于第11段中，生產率上升，直到離開袋濾器的氣體溫度達到相同的溫度。結果表明，在沒有葉片時，每天97噸的生產率得到出口溫度為369°F；有葉片時，每天119噸的生產率得到出口溫度為363°F。“INCONELTM”葉片運行30多個小時。在葉片上沒有發(fā)現(xiàn)可測量的磨損，原始顏料質量為優(yōu)。在葉片上沒有發(fā)現(xiàn)沉積物。
試驗結果表明螺旋葉片和凹槽提高了沖洗介質的效率。據(jù)信，當氣體靠近長的換熱器的端部時，實際和理論熱傳遞系數(shù)的比值的降低是由于靠近換熱器端部的沉積物增加。這和葉片在第11段比在第6段更有效相一致。計算結果表明在所述試驗使用的生產速率下，與光滑管相比，通過150英尺螺旋葉片的壓降的增加僅為每平方英寸幾磅的量級。因此，在長的換熱器內以不同距離分開放置帶有8英尺螺旋葉片部分的2到4個換熱段。在長的換熱器中連續(xù)的螺旋葉片也能被使用，只要葉片的成本允許。結果也表明螺旋葉片可由合金，比如“INCONELTM”600或陶瓷材料，比如碳化硅陶瓷、氧化鋁或復合陶瓷來制成。如果有磨損或化學侵蝕等問題，使用陶瓷是有利的。
表測量熱傳遞系數(shù)與理論熱傳遞系數(shù)的比值

這樣，本發(fā)明可很好地適于實現(xiàn)這些目的，得到所述的那些結果和優(yōu)點以及固有的特點。盡管本領域的普通技術人員可以作出許多變化，這些變化都包含在所附權利要求限定的本發(fā)明的精神內。
參考文件1.A.H.Algifri，R.K.Bhardw副，Y.V.N.Rao；“Heat transfer in turbulent decayingswirl flow in a circular pipe”，Int.J.Heat & Mass Transfer，Vol.31(8)，pp.1563-1568(1988).2.N.Hay，P.D.West；“Heat transfer in free swirling flow in a pipe”，Trans ASME J.Heat Transfer，97，pp.411-416(1975)
權利要求
1.一種制備二氧化鈦的方法，其中氣體四氯化鈦和氧氣在高溫下反應，生成粒狀固體二氧化鈦和氣體反應產物，二氧化鈦和氣體反應產物與沖洗介質一起通過一個管式換熱器從而得到冷卻，所述沖洗介質用于除去管式換熱器的內表面上的沉積物，改進之處在于去除所述沉積物，從而提高所述二氧化鈦和氣體反應產物的冷卻效率，包括引導所述沖洗介質、所述粒狀二氧化鈦和所述氣體反應產物沿著一條螺旋路線流過所述管式換熱器，由此所述沖洗介質能更徹底地除去所述沉積物。
2.如權利要求1的方法，其中所述沖洗介質選自通過制粒、干燥并燒結而形成的二氧化鈦和水的混合物、壓縮的二氧化鈦、巖鹽、熔融氧化鋁和二氧化鈦及鹽的混合物。
3.如權利要求2的方法，其中所述沖洗介質是通過制粒、干燥并燒結而形成的二氧化鈦和水的混合物。
4.如權利要求1的方法，其中通過在所有或一部分所述管式換熱器的內表面上設置一個或多個螺旋葉片，使所述沖洗介質、所述粒狀二氧化鈦和所述氣體反應產物被引導沿著一條螺旋路線通過所述換熱器。
5.如權利要求4的方法，其中所述管式換熱器的所有或一部分所述內表面包含帶有4至6個螺旋凹槽的4至6個螺旋葉片。
6.如權利要求5的方法，其中所述螺旋葉片和凹槽的轉率為約2度/英寸到約6度/英寸。
7.如權利要求5的方法，其中所述螺旋葉片和凹槽具有彎曲的矩形的橫截面形狀。
8.如權利要求1的方法，其中在所述管式換熱器中用于冷卻粒狀二氧化鈦和氣體反應產物的換熱介質為水。
9.如權利要求4的方法，其中所述管式換熱器由多個連接在一起的換熱段組成。
10.如權利要求9的方法，其中不是所有的所述換熱段都帶有所述螺旋葉片。
11.一種用于制備粒狀固體二氧化鈦的改進方法，包括如下步驟(a)使氣體四氯化鈦和氧氣在至少2100°F的溫度下反應，生成粒狀固體二氧化鈦和氣體反應產物；(b)用冷卻介質在一個管式換熱器中冷卻所述生成的粒狀固體二氧化鈦和氣體反應產物至約1300°F或更低的溫度；(c)將沖洗介質注入到所述換熱器中以除去其內表面上的沉積物；(d)使所述沖洗介質沿著一條螺旋路線通過所述換熱器，從而提高所述表面沉積物的除去率；(e)將所述粒狀固體二氧化鈦與所述沖洗介質和所述氣體反應產物分離。
12.如權利要求11的方法，其中所述沖洗介質選自通過制粒、干燥并燒結而形成的二氧化鈦和水的混合物、壓縮的二氧化鈦、巖鹽、熔融氧化鋁和二氧化鈦及鹽的混合物。
13.如權利要求12的方法，其中所述沖洗介質為通過制粒、干燥并燒結而形成的二氧化鈦和水的混合物。
14.如權利要求11的方法，其中通過在所有或一部分所述管式換熱器的內表面上設置一個或多個螺旋葉片，使所述沖洗介質、所述粒狀二氧化鈦和所述氣體反應產物被引導沿著一條螺旋路線通過所述換熱器。
15.如權利要求14的方法，其中所述管式換熱器的所有或一部分所述內表面包含帶有4個螺旋凹槽的4個螺旋葉片。
16.如權利要求15的方法，其中所述螺旋葉片和凹槽的轉率為約2度/英寸至約6度/英寸。
17.如權利要求15的方法，其中所述螺旋葉片和凹槽具有彎曲的矩形的橫截面形狀。
18.如權利要求11的方法，其中所述冷卻介質為冷卻水。
19.如權利要求14的方法，其中所述管式換熱器由多個連接在一起的換熱段組成。
20.如權利要求19的方法，其中不是所有的所述換熱段都帶有所述螺旋葉片。
全文摘要
提供了一種用于制備二氧化鈦的改進方法，其中氣體四氯化鈦和氧氣在高溫下反應生成粒狀固體二氧化鈦和氣體反應產物。二氧化鈦和氣體反應產物與沖洗介質一起通過一個管式換熱器從而得到冷卻，所述沖洗介質用于除去管式換熱器的內表面上的沉積物。通過本發(fā)明，粒狀沖洗介質、粒狀二氧化鈦和氣體反應產物被引導沿著一條螺旋路線通過管式換熱器，由此沖洗介質可以更徹底地除去沉積物，并且二氧化鈦和氣體反應產物被更有效地冷卻。
文檔編號C01G23/07GK1458906SQ01815773
公開日2003年11月26日 申請日期2001年9月17日 優(yōu)先權日2000年9月18日
發(fā)明者威廉·A·于伊爾, 查爾斯·A·納塔莉, 哈里·E·弗林, 比塔·菲利皮 申請人:科爾－麥克基化學有限責任公司