Способ получения диоксида титана и частица диоксида титана

Изобретение может быть использовано в неорганической химии. Способ получения диоксида титана путем окисления тетрахлорида титана кислородом в реакторе включает введение на первой стадии газообразного тетрахлорида титана в поток предварительно нагретого кислородсодержащего газа при мольном соотношении тетрахлорида титана к кислороду не менее 1:1 и проведение реакции в первой реакционной зоне реактора. При этом формируется аэрозоль частиц диоксида титана в газовой среде. Далее аэрозоль частиц диоксида титана в газовой среде проходит в следующую реакционную зону. На второй стадии в эту реакционную зону вводят жидкий тетрахлорид титана и кислородсодержащий газ с формированием аэрозоля частиц диоксида титана в газовой среде. Изобретение позволяет снизить энергозатраты на производство диоксида титана, 2 н. и 6 з.п. ф-лы.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к получению диоксида титана (TiO₂) многостадийным окислением тетрахлорида титана (TiCi₄), путем добавления кислорода к тетрахлориду титана в несколько стадий.

Уровень техники

В настоящее время в применяемом коммерческом способе получения частиц диоксид-титанового пигмента (так называемый хлоридный способ), тетрахлорид титана вводят в реакцию с окисляющим газом, например кислородом, воздухом и т.д., в присутствии определенных присадок. Реакция проводится в трубчатом реакторе с образованием диоксида титана и хлора.

TiCl₄+O₂→TiO₂+2Cl₂

Затем частицы TiO₂ отделяются от хлора. В качестве присадки для ускорения образования рутила (TiO₂) используют хлорид алюминия, а также пары воды и соли щелочных металлов.

Подобным образом проводят процесс одностадийного окисления, т.е. реакционные компоненты кислород и газообразный тетрахлорид титана прибавляются в реактор каждый раз одновременно. Поскольку процесс окисления тетрахлорид титана имеет очень высокую энергию активации, то компоненты реакции (TiCl₄ и O₂) должны быть предварительно нагреты до такой температуры, чтобы в момент смешения температура газовой смеси, как минимум, достигала 740°C. Реакция окисления тетрахлорид титана очень экзотермичная, настолько, что в адиабатных условиях температура реакции может доходить до 1850°C. После реакции газовая смесь должна быть охлаждена до температуры около 450°C для отделения полученного пигмента из газовой смеси на специальных фильтрах. Это необходимо для того, чтобы снизить вредное влияние на фильтры и увеличить их ресурс. Этот процесс не является удовлетворительным с точки зрения энергосбережения, поскольку очень много тепла рассеивается в системе водного охлаждения. Так же с точки зрения качества получающегося продукта, процесс одноступенчатого окисления не является удовлетворительным, так как большая зона нагрева приводит к образованию твердого агрегированного диоксида титана.

В современной технологии уже имеются разработки по многостадийному методу проведения процесса. Так, согласно патенту GB 1064569 дозировку и TiCl₄ и O₂ в реактор осуществляют в две стадии, причем соответствующего количества кислорода хватает, чтобы полностью окислить соответствующее количество диоксида титана. В патенте US 4,053,577 говорится, что процесс в реакторе должен протекать в присутствии избытка одного из реакционных компонентов (TiCl₄ или O₂).

В патентах G 82037266, US 4,803,056 и ЕР 058306381 газообразный и TiCl₄ вводится в две или более стадии в нагретый газовый поток кислорода.

В процессе, описанном в патенте ЕР 085256881, помимо тетрахлорида титана, так же и кислород вводится в две стадии. Цель такого способа проведения процесса состоит в контроле среднего размера частиц диоксида титана и, как следствие, оптической чистоты получаемого пигмента TiO₂. В таком способе в поток кислорода, разогретого до 950°C, подают предварительно нагретые до 400°C пары тетрахлорида титана. Далее в реакционной зоне происходит образование частиц диоксида титана и происходит их рост. Через второй ввод в реактор подается чуть менее нагретый тетрахлорид титана (около 180°C). Также во второй ввод реактора подается кислород, имеющий температуру от 25 до 1040°C), при этом температура газовой смеси повышается, настолько чтобы, реакция могла происходить.

Многостадийный способ, описанный в патенте US 6,387,347 должен дополнительно снизить агломерацию частиц пигмента. Для этого нагретый газообразный тетрахлорид титана дозируют в реактор двумя раздельными потоками. Первый поток паров тетрахлорида титан окисляется в реакторе на первой стадии. Полученный с первой стадии горячий газовый поток охлаждается путем контакта с распыляемым жидким тетрахлоридом титана, после чего вся смесь подается на вторую стадию в реактор. Преимуществом такого подхода является то, что тепло с первой стадии не теряется, а используется для переведения в газообразное состояние жидкого тетрахлорида титана.

В патенте US 200710172414 A1 описан многостадийный способ проведения реакции между тетрахлоридом титана и кислородом, причем на первой стадии в реактор подается газообразный TiCl₄, а на второй стадии жидкий TiCl₄; на первой стадии кислород берется в избытке. Описанный подход позволяет экономить энергию в технологическом процессе и получать частицы пигмента оптимального размера.

Раскрытие изобретения

Задача данного изобретения заключается в том, чтобы создать такой способ получения диоксида титана окислением тетрахлорида титана, при котором достигалась бы большая экономия энергии в отличие от уже существующих производственных способов.

Решение данной задачи заключается в проведении процесса получения частиц диоксида титана в несколько стадий путем окисления тетрахлорида титана кислородом в реакторе.

Процесс характеризуется следующим:

a) введение газообразного TiCl₄ в предварительно нагретый поток кислородсодержащего газа в первую реакционную зону реактора при соотношении TiCl₄:O₂=1:1. Получение аэрозоля частиц TiO₂ в газовой среде.

b) дальнейшее прохождение аэрозоля частиц TiO₂ в газовой среде в следующую реакционную зону реактора;

c) введение кислородсодержащего газа и жидкого TiCl₄ в следующую реакционную зону реактора и дальнейшее получение аэрозоля частиц TiO₂ в газовой среде.

Дальнейшие выгодные отличия данного изобретения описаны в пунктах ниже.

Способ, описанный в данном изобретении, отличается от известного в современной технике многостадийного хлорного метода получения диоксида титана, тем, что TiCl₄ на первой стадии (стадия а) подается в газообразном состоянии в пропорции к кислороду 1:1 или в избытке кислорода. На второй, а при необходимости на последующих стадиях (стадия с) в полученную газовую смесь с первой стадии подают жидкий TiCl₄.

На стадии а) TiCl₄ вступает в реакцию с O₂ в первой реакционной зоне реактора и при этом образуется TiO₂-содержащий аэрозоль (первая стадия).

На стадии b) TiO₂-содержащий аэрозоль должен вводиться в дальнейшую реакционную зону реактора, при этом в указанную реакционную зону могут поступать полностью прореагировавшие продукты первой стадии (стадия а).

На стадии с) в последующую реакционную зону вводится жидкий TiCl₄ и кислородсодержащий газ, протекает дальнейший процесс образования TiO₂-содержащего аэрозоля (вторая стадия).

Описываемый процесс можно проводить в две или более стадий. На первой стадии температура разогретых кислородсодержащих газов составляет минимум 950°C. На второй и последующих стадиях (стадия с) кислородсодержащие газы вводятся в процесс при температуре около 200°C. При этом на второй стадии (стадия с) можно сначала вводить кислородсодержащий газ, а затем тетрахлорид титана.

В особом варианте проведения процесса, ввод кислородсодержащего газа происходит практически без нагрева, то есть при температуре ниже 50°C, например около 30°C. Такой способ ведения процесса ведет к значительному энергосбережению, так как кислородсодержащий газ приходится нагревать только на первой стадии реакции для преодоления активационного барьера. На последующих стадиях энергия активации поддерживается за счет энтальпии реакции окисления тетрахлорида титана.

При дальнейшем проведения процесса, на стадии а) газообразный тетрахлорид титана в смеси с кислородсодержащим газом вводится в реактор. Предпочтительно, чтобы концентрация в кислородсодержащем газе составляла не более 20 об.%. Чтобы избежать преждевременную реакцию между компонентами газовой смеси, необходимо чтобы температура смеси поддерживалась не более 900°C. Введение газообразного тетрахлорида титана в смесь с кислородсодержащим газом ведет к снижению образования дефектов в структуре TiO₂, к улучшению яркости получаемого пигмента.

Особенностью проведения процесса, описываемого в данном изобретении, является то, что реакция осуществляется в цилиндрическом трубчатом реакторе.

Осуществление изобретения

В нижеприведенных описаниях процессов приводятся только некоторые возможные варианты данного изобретения. Данные примеры не должны ограничивать понимание изобретения.

Процесс проводится в две стадии, причем тетрахлорид титана подается в равных количествах и на первую, и на вторую стадии. На первой стадии температура кислородсодержащего газа поддерживается 1650°C, а тетрахлорида титана 450°C. Мольное соотношение тетрахлорида титана к кислороду на первой стадии составляет примерно 1:1. В последующую после первой стадии реакционную зону реактора подается жидкий тетрахлорид титана и кислородсодержащий газ. На второй стадии вводится кислородсодержащий газ с температурой 30°C и тетрахлорид титана также при 30°C.

Температурный режим первой стадии процесса, описанного в данном изобретении, подобен условиям проведения стандартного промышленного одностадийного процесса. Однако в предлагаемом процессе на первой стадии значительно снижены количества предварительно нагреваемых газов - кислородсодержащего газа и паров тетрахлорида титана, что приводит к значительному снижению энергозатрат на начальный подогрев.

На второй стадии не требуется подогрев исходных реагентов. В целом, достигаемая экономия за счет разделения на две стадии вводимого тетрахлорида титана в приводимых примерах соответствует примерно 50%. Не следует ограничивать данное изобретение только приведенными примерами. Изобретение также включает в себя и другие дополнительные технологические приемы, известные специалистам, например процесса в присутствии веществ (в реакционной зоне), благоприятствующих образованию рутила (таких, например, как AlCl₃), и инициаторов кристаллообразования (соли щелочных металлов).

1. Способ получения диоксида титана (TiO₂) путем окисления тетрахлорида титана (TiCl₄) кислородом в реакторе, включающий введение на первой стадии газообразного тетрахлорида титана в поток предварительно нагретого кислородсодержащего газа при мольном соотношении тетрахлорида титана к кислороду не менее 1:1 и проведение реакции в первой реакционной зоне реактора, приводящей к формированию аэрозоля частиц диоксида титана в газовой среде, последующее прохождение аэрозоля частиц диоксида титана в газовой среде в следующую реакционную зону, и введение на второй стадии в следующую реакционную зону жидкого тетрахлорида титана и кислородсодержащего газа, и последующее формирование аэрозоля частиц диоксида титана в газовой среде.

2. Способ по п.1, в котором на второй стадии первым вводят кислородсодержащий газ, а затем тетрахлорид титана.

3. Способ по п.1 или 2, в котором температура кислородсодержащего газа на первой стадии составляет примерно 950°C, а на второй стадии составляет примерно 50°C.

4. Способ по п.1, в котором в следующую после первой стадии реакционную зону реактора поступают полностью прореагировавшие продукты первой стадии.

5. Способ по п.1, в котором на первой стадии газообразный тетрахлорид титана вводят в смеси с кислородсодержащим газом.

6. Способ по п.5, в котором на первой стадии концентрация кислорода в газовой смеси составляет по большей мере 20%.

7. Способ по п.5 или 6, в котором температура газовой смеси составляет не более 900°C.

8. Частица диоксида титана, полученная способом по любому из пп.1-7.