СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДИСПЕРСНОГО ДИОКСИДА ТИТАНА Российский патент 1997 года по МПК C01G23/07 

Изобретение относится к области неорганической химии, в частности к производству диоксида титана, применяемого в лакокрасочной, резинотехнической и других отраслях промышленности.

Известен способ получения высокодисперсных окислов металлов, сущность которого заключается в сжигании смеси хлорида металла и кислорода с применением вспомогательного газового пламени при пересечении потоков реакционной газовой смеси и вспомогательного горючего газа и кислорода (патент ФРГ N 1241806, опубл.1967).

Недостатками известного способа являются значительные затраты на подготовку чистого кислорода, сложное аппаратурное оформление способа, определенное необходимостью предварительной подготовки реагентов (кислорода).

Наиболее близким к заявленному способу по совокупности признаков является способ получения двуокиси титана в паровой фазе прототип (Великобритания, акц. заявка N 1286760, опубл.1972).

Способ по прототипу заключается в следующем.

Производят сжигание горючего газа (CO, H₂, CH₄, C₂H₂ или нефтяные газы) в горелке при тангенциальной подаче кислорода. Полученные продукты горения вводят в реакционную зону, в которую подают нагретый (в виде пара) тетрахлорид титана.

Физико-химическая сущность известного способа заключается в процессе протекания термогидролиза тетрахлорида титана в реакционной зоне с кислородом по следующим реакциям (в качестве горючего газа принят метан CH₄):
TiCl₄+ CH₄+ 2O₂ _→ TiO₂+ 4HCl + CO₂,
TiCl₄+ O₂_→ TiO₂+ 2Cl₂.

Недостатки известного способа следующие:
значительные затраты на подготовку компонентов реагирования перегрев тетрахлорида титана, использование чистого кислорода;
получаемый дисперсный диоксид титана содержит сорбированные хлористый водород и хлор и имеет pH 1,5-2,5, что не удовлетворяет требованиям к его практическому применению в лакокрасочных системах и производстве резинотехнических изделий, т.е. получаемый диоксид титана обладает ограниченной областью применения из-за невысокого качества.

Заявляемое техническое решение направлено на решение задачи, заключающейся в повышении качества получаемой продукции, в частности диоксида титана, имеющего pH не менее 6,5.

Данная задача решается предложенным способом получения дисперсного диоксида титана, сущность которого выражается следующей совокупностью существенных признаков:
организацией процесса сжигания природного газа в смеси с воздухом в зоне горения (в горелке);
подачей в зону реакции продуктов горения природного газа, четыреххлористого титана и воды;
проведением процесса термогидролиза при температуре 500-1500^oC с получением твердого (TiO₂) и газообразных продуктов реакции (HCl, H₂, CO₂, O₂, N₂);
разделением твердого и газообразных продуктов реакции термогидролиза.

Существенными отличительными признаками заявляемого способа является то, что
воду перед введением в зону реакции (реакционную зону) смешивают с продуктами горения природного газа в зоне горения;
смешивание воды с продуктами горения природного газа производят при теплонапряженности в зоне горения 0,4-10 ГДж/м³•ч;
полученную парогазовую увлажненную смесь (H₂O, CO₂, O₂, N₂) направляют на термогидролиз с получением диоксида титана и газообразных продуктов реакции (HCl, N₂O, CO₂, O₂, N₂);
разделение диоксида титана и газообразных продуктов реакции проводят в две ступени, в первой из которых отделяют диоксид титана от парогазового потока, во второй от адсорбированных диоксидом титана примесей;
отделение адсорбированных примесей от диоксида титана проводят путем термообработки в подвижном слое;
термообработку диоксида титана проводят при температуре 300-700^oC и избыточном давлении не более 200 Па;
процесс проводят в кипящем слое, для чего подают греющие газы от сжигания газообразного топлива в смеси с воздухом в слой под газораспределительную подину;
греющие газы перед подачей в слой увлажняют путем дополнительной подачи воды;
концентрация водных паров в греющих газах, поступающих в слой, составляет 5-30 об.

Анализ совокупности признаков заявляемого изобретения и достигаемого при этом технического результата показывает, что между ними существует вполне определенная причина-следственная связь, выражающаяся в следующем.

Экспериментально установлено, что смешивание воды с продуктами горения природного газа перед введением в реакционную зону при теплонапряженности в зоне горения 0,4-10 ГДж/м³•ч с направлением полученной смеси на процесс термогидролиза значительно повышает качество дисперсного диоксида титана.

Оптимальная теплонапряженность в зоне горения 0,4-10 ГДж/м³•ч. При меньшей теплонапряженности (менее 0,4 ГДж/м³•ч) наблюдаются слабый процесс смесеобразования, появление в зоне реакции не перемешанных потоков, значительная неравномерность концентраций и температур в зоне реакции. Это отрицательно сказывается на качестве получаемого диоксида титана. Работа при большей теплонапряженности (более 10 ГДж/м³•ч) приводит к снижению срока службы топливосжигающего устройства (оборудования) из-за разрушения поверхности, ограничивающей зону горения, что делает неприемлемым данный способ для практического применения.

Кроме того, экспериментально установлено, что проведение процесса разделения полученного термогидролизом диоксида титана и газообразных продуктов реакции в две ступени также значительно повышает качество целевого продукта диоксида титана.

Так, при проведении процесса отделения адсорбированных примесей от диоксида титана путем термообработки в подвижном слое при температуре 300-700^oC и избыточном давлении не более 200 Па обеспечивается повышение качества получаемого диоксида титана.

Проведение процесса термообработки дисперсного диоксида титана в подвижном слое исключает спекание частиц диоксида.

При проведении процесса термообработки при температуре ниже 300^oC не достигается требуемая pH продукта. При температуре выше 700^oC происходит уменьшение дисперсности продукта вследствие спекания частиц.

При осуществлении процесса термообработки при избыточном давлении более 200 Па не достигается требуемая pH продукта.

Опытным путем установлено, что в качестве подвижного слоя целесообразно использовать кипящий слой с подачей греющих газов от сжигания газообразного топлива в смеси с воздухом в слой под газораспределительную подину. Тем самым обеспечиваются практически идеальное перемешивание частиц диоксида титана в кипящем слое и их однородная термообработка, что приводит к однородному качеству получаемого продукта.

Экспериментально также установлено, что греющие газы перед подачей в слой целесообразно увлажнять путем дополнительной подачи в них воды до концентрации водяных паров в греющих газах, поступающих в слой, равной 5-30 об. Наличие в газовой фазе паров воды способствует повышению pH диоксида титана во всем температурном интервале осуществления способа.

Пример осуществления способа.

Природный газ, имеющий состав, об. CH₄ 95,8-99,7, C₂H₅ 0,1-0,6, C₃H₈ до 0,1, CO₂ до 0,2, N₂ 0,2-0,4, сжигают в зоне горения в смеси с воздухом. На сжигание 1 нм³ природного газа расходуют 11-20 нм³ воздуха. При этом получают продукты горения природного газа, имеющие температуру 1180-1830^oC. В зону горения подают воду или водяной пар в количестве 0,6-6,0 кг на 1 нм³ природного газа, при этом происходит смешивание продуктов горения с водяным паром (вода, попадая в зону горения, практически мгновенно испаряется). Процесс смешивания (гомогенизации смеси) продуктов горения и воды проводят при тепловой напряженности в зоне горения (интенсивности процессов тепломассообмена) 0,4-10 ГДж на 1 м³ зоны горения в час. При этом получают увлажненную смесь, которую направляют на процесс термогидролиза четыреххлористого титана. Количество подаваемого в зону реакции TiCl₄ составляет 3-30 кг на 1 нм³ природного газа. Процесс термогидролиза проводят при температуре в реакционной зоне 500-1500^oC. Требуемая температура в реакционной зоне обеспечивается регулированием расходов природного газа, воздуха, воды и четыреххлористого титана. Получают 1,3-13 кг диоксида титана на 1 нм³ сжигаемого природного газа, который отделяют от газообразных продуктов (H₂O, HCl, O₂, CO₂, N₂) в две ступени.

На первой ступени отделяют диоксид от парогазового потока. При этом получают диоксид титана с pH 2,5-3,5, т.е. более высокого качества, чем по способу-прототипу, однако продукт не отвечает требования ГОСТ 9808-84 на двуокись титана пигментную. Поэтому проводят окончательное отделение абсорбированных диоксидом титана примесей на второй ступени путем термообработки диоксидом титана в подвижном слое. Для создания подвижного слоя частиц диоксида титана используют аппарат кипящего слоя, снабженный газораспределительной подиной, под которую подают греющие газы от сжигания газообразного топлива природного газа в смеси с воздухом. Греющие газы перед подачей в слой увлажняют путем подачи воды до концентрации водяных паров в греющих газах 5-30 об. Требуемую температуру диоксида титана в слое 300-700^oC и избыточное давление в слое не более 200 Па обеспечивают регулированием расхода топлива, воздуха, воды и количества обрабатываемого диоксида титана. Время термообработки определяется исходя из условия достижения pH диоксида титана не менее 6,5. Получаемый диоксид титана отвечает требованиям ГОСТ 9808-84.

Использование: неорганическая химия, в частности производство диоксида титана, применяемого в лакокрасочной, резинотехнической и других отраслях промышленности. Перед введением в реакционную зону воду смешивают с продуктами горения природного газа при теплонапряженности в зоне горения 0,4-10 ГДж/м³•ч. Полученную парогазовую смесь направляют на термогидролиз. Разделение диоксида титана и газообразных продуктов реакции проводят в две ступени, в первой из которых отделяют оксид титана от парогазового потока, во второй - от адсорбированных диоксидом титана примесей путем термообработки в подвижном слое при температуре 300-700^oC и избыточном давлении не более 200 Па. В качестве подвижного слоя используют кипящий слой с подачей греющих газов от сжигания газообразного топлива в смеси с воздухом в слой под газораспределительную подину. Греющие газы перед подачей в слой увлажняют до концентрации 5-30 об.% путем дополнительной подачи воды. 5 з.п. ф-лы.

1. Способ получения дисперсного диоксида титана, включающий сжигание в горелке природного газа и воздуха, подачу в реакционную зону тетрахлорида титана и воды, проведение процесса термогидролиза, разделение диоксида титана и газообразных продуктов реакции, отличающийся тем, что воду перед введением в реакционную зону смешивают с продуктами горения природного газа при теплонапряженности в зоне горения 0,4 10,0 ГДж/м³•ч и полученную парогазовую смесь направляют на термогидролиз, а разделение диоксида титана и газообразных продуктов реакции проводят в две ступени, в первой из которых отделяют диоксид титана от парогазового потока, во второй от адсорбированных диоксидом титана примесей. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что отделение адсорбированных примесей от диоксида титана проводят путем термообработки в подвижном слое. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что термообработку проводят при 300 700^oС и избыточном давлении не более 200 Па. 4. Способ по пп.1 3, отличающийся тем, что процесс проводят в кипящем слое при подаче греющих газов от сжигания природного газа в смеси с воздухом в слой под газораспределительную подину. 5. Способ по пп.1 4, отличающийся тем, что греющие газы перед подачей в слой увлажняют путем дополнительной подачи воды. 6. Способ по пп.1 5, отличающийся тем, что концентрация водяных паров в греющих газах, поступающих в слой, составляет 5 30 об.