DE2948731A1 - Verfahren zur oxidation von titantetrachlorid - Google Patents

Verfahren zur oxidation von titantetrachlorid

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DE2948731A1
DE2948731A1 DE19792948731 DE2948731A DE2948731A1 DE 2948731 A1 DE2948731 A1 DE 2948731A1 DE 19792948731 DE19792948731 DE 19792948731 DE 2948731 A DE2948731 A DE 2948731A DE 2948731 A1 DE2948731 A1 DE 2948731A1
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titanium tetrachloride
ticl4
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Willard Emil Dickson Tenn. Kruse
Noel Charles Wilmington Del. Scrinvner
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    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01GCOMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
    • C01G23/00Compounds of titanium
    • C01G23/04Oxides; Hydroxides
    • C01G23/047Titanium dioxide
    • C01G23/07Producing by vapour phase processes, e.g. halide oxidation

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Description

  • Verfahren zur Oxidation von Titantetrachlorid
  • Die Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur Dampfphasenoxidation von TiCl4 in pigmentertiges Ti02.
  • Die derzeit gebräuchlichen Methoden sind energieverschwendend und fUhren wegen der exothermen Natur der Reaktion zu höheren Temperaturen als im Reaktor erwUnscht sind. Zu diesen bekannten Methoden gehören einstufige Reaktionen einschliesslich der Verfahren, wie sie in der GB-PS 907 211 beschrieben sind. Bei diesem Verfahren versucht man, die exotherme Natur der Reaktion durch Rezirkulierung der Verbrennungsprodukte auszunutzen. Ferner ist es bekannt, dass sowohl der den Sauerstoff als auch der das TiC14 enthaltende Reaktantenstrom vorerhitzt und gut durchgemischt werden mUssen, damit eine wirksame Oxidation in pigmentartiges TiO2 erzielt wird; vgl. z.B. die US-PSen 34 14 379, 36 32 313 und 36 50 694. Das erfindungsgemässe Verfahren ergibt eine Verbesserung gegenüber den herkömmlichen Methoden, indem es die zur Initiierung und Aufrechterhaltung der Reaktion erforderliche Energie vermindert und ferner für ein gleichmässigeres und geringeres Temperaturprofil während der Reaktion durch stufenweise Zugabe von TiCl4 zum sauerstoffhaltigen Strom sorgt.
  • Die Erfindung soll nun näher erläutert werden.
  • Die Erfindung ist eine Verbesserung der Dampfphasenoxidation von TiCl4, bei der mindestens 1 , des Titantetrachlorids (bezogen auf das gesamte zu oxidierende TiCl4) in den sauerstoffhaltigen Gasstrom eingeführt, die Reaktion zwischen dem Titantetrachlorid und dem Sauerstoff beginnen gelassen und anschliessend der Rest des Titantetrachlorids in das Reaktionssystem eingespeist werden.
  • Diese Zugabe kann gewUnschtenfalls auch portionsweise vorgenommen werden. Im allgemeinen erfolgt die Zugabe des zweiten und weiterer TiCl4-Anteile zum Reaktionsstrom idealerweise an Jener Stelle, wo das vorher zugesetzte TiCl4 seine Reaktionswärme freigesetzt hat. Diese Zugabepunkte können experimentell bestimmt werden und hängen natürloch vom TiCl4/02-Verhältnis, den relativen Volumina der Reaktantenströme, der Fliessgeschwindigkeit der Reaktionsströme, dem Ausmass der Vorerhitzung der Reaktionsgase und dem Wärmeverlust des Reaktors selbst ab. Im besonderen geht das erfindungsgemässe Verfahren so vor sich, dass man den oxidierenden Gasstrom auf eine Temperatur von 800 bis 16000C, vorzugsweise 900 bis 13000C, vorerhitzt, das Titantetrachlorid auf eine Temperatur von 250 bis 500es vorerhitzt und 1 bis 75 X (vorzugsweise 10 bis 40 ,, insbesondere 15 bis 35 ,) des umzusetzenden TtCl4 in den oxidierenden Gasstrom einspeist, dann die Oxidation erfolgen lässt und in einem Anteil oder in mehreren Anteilen 99 bis 25 , des umzusetzenden TiCl4 in den Reaktionsstrom einführt. Wie erwähnt, wird der Anteil des in den sauerstoffhaltigen Strom eingeführten TiCl4 als die umzusetzende Menge an TiCl4 ausgedrückt, da der Sauerstoff im Strom stets im tiberschuss über.die zur Bildung von Ti02 erforderliche Menge vorliegt. Der Ausdruck "oxidierender Gasstrom" bezieht sich auf einen Sauerstoff enthaltenden Reaktantenstrom. Die Zusammensetzung des oxidierenden Gasstroms kann von geringen Konzentrationen an Sauerstoff, wie Luft oder mit reinem Sauerstoff angereicherte Luft, bis zu reinem Sauerstoff reichen. Ausserdem kann der oxidierende Gasstrom gewünschtenfalls andere, für die Reaktion günstige Substanzen enthalten, wie Wasserdampf, Chlor oder Alkali-oder Erdalkalihalogenide. Analog kann der TiCl4-Reaktantenstrom für die Reaktion günstige Substanzen enthalten, beispielsweise die Halogenide (vorzugsweise die Chloride) von Aluminium, Silicium, Phosphor u.a..
  • Wie erwähnt, werden sowohl der oxidierende Gasstrom als auch der TiCl4 enthaltende Gasstrom bis zu einem gewissen Ausmass vorerhitzt. Der Grad der Vorerhitzung Jedes der Ströme hängt von den relativen Anteilen Jedes Gases ab, welche in den Strömen an dem Punkt vorliegen, bei dem das TiCl4 zuerst in den oxidierenden Gasstrom eingespeist wird. Die Massentemperatur (bulk temperature) des Reaktionsstroms, d.h. des kombinierten oxidierenden Gasstroms und TiCl4 enthaltenden Stroms, an dem die Verbrennung begrenzenden Punkt sollte 700 bis 12000C (vorzugsweise 750 bis 9500C) betragen, damit eine rasche Oxidation gewährleistet und sichergestellt ist, dass die Reaktion nicht "verlischt". Die anschliessenden Zugaben des TiCl4-Stromes müssen ebenfalls so eingestellt werden, dass die Massentemperatur des Re aktions stromes zu keiner Zeit bis zu dem Punkt absinkt, bei dem die Umsetzung aufhören würde.
  • Um die Herstellung von pigmentartigem Ti02 mit gleichmässig hoher Qualität zu gewährleisten, muss man eine rasche, wirksame Einmischung des TiC14 in den oxidierenden Gasstrom nach dessen Einführung in diesen Gasstrom herbeiführen. Dieses richtige Vermischen, welches einen raschen Kontakt der Reaktanten gewährleistet, kann, wie es in der US-PS 27 91 490 beschrieben ist, durch ringförmig angeordnete Löcher, durch Vermischen mit Hilfe eines seitlichen T-StUcks (side tee mixing), durch einen ringförmigen Strom von einem zentralen Rohr oder dergl. vorgenommen werden.
  • Der Reaktor selbst ist rohrförmig, um für gute Pigmenteigenschaften und einen guten Durchsatz mit minimalen Wartungsproblemen zu sorgen. Wenn 25 , des umzusetzenden TiC14 in die erste Stufe eines zweistufigen Reaktionsprozesses eingespeist werden, wird der oxidierende Gasstrom typischerweise auf eine Temperatur von etwa 10000C vorerhitzt. Das auf eine Temperatur von 4000C vorerhitzte TiCl4 wird durch umfängliche Ringstrahldüsen in den oxidierenden Strom eingeblasen. Der auf diese Weise gebildete Reaktionsstrom verläuft durch den Reaktor zu einem zweiten TiCl4-Zugabepunkt. Man kann auch Cl2 oder ein anderes inertes Spülgas in den Reaktor einspeisen, um die Temperaturregelung zu unterstützen, die Bildung von Pigmentschuppen an den Wänden zu vermindern und die RUckvermischung herabzusetzen. Das Verfahren der Zugabe des TiCl4 enthaltenden Stromes wird so oft wiederholt, wie es zur Erzielung des angestrebten Reaktionsprofils erwünscht ist. Es wird angenommen, dass sich eine mehrstufige Oxidation von TiCl4 besonders für die Herstellung der Anatas-Form von Ti02 eignet, welche bisher schwierig durch eine Dampfphasenoxidation von TiCl4 erhältlich war, und dass ausserdem ein weniger agglomeriertes und daher vorteilhafteres Pigment erzeugt wird.
  • Die nachstehenden Beispiele erläutern die Erfindung.
  • B e i s p i e 1 e 1 bis 7 Eine zweistufige Reaktion wird wie folgt durchgeführt: Ein auf eine Temperatur A vorerhitzter Sauerstoffstrom wird in einen einen Innendurchmesser von 25 x 4 cm (10 in) aufweisenden rohrförmigen, mit Chlor gespülten Reaktor, welcher bei einem ueberdruck von 1,72 bar (25 psig) und einem Durchsatz von 4 445 kg (9 800 Ibs) pro Stunde betrieben wird, eingespeist. Der Reaktor ist in Oxidationszonen unterteilt, bei deren Beginn sich umfängliche Ringe oder Löcher befinden, durch welche der Titantetrachlorid-Gasstrom in den Reaktor eingespeist wird. Der Titantetrachloridstrom enthält genUgend Aluminiumtrichlorid, dass das erhaltene Titandioxidpigment 1 % Al203 enthält. Der Titantetrachloridstrom wird auf 400 OC vorerhitzt 01und mit einem Durchsatz von 21 410 kg (47 200 lbs) pro Stunde in den Reaktor eingespeist. In der ersten Oxidationszone werden B X des zu oxidierenden Titantetrachlorids in den Reaktor durch umfängliche Löcher in einer Weise eingespeist, welche eine vollständige und gleichmässige Vermischung mit dem vorerhitzten Sauerstoff gewährleistet. Die Temperatur des Reaktionsgasstromes nach der Oxidation des Titantetrachlorids beträgt C OC. Die verbleibenden D , des zu Titandioxid zu oxidierenden Titantetrachlorids werden in den Reaktionsgasstrom in einer zweiten Reaktionszone durch einen umfänglichen Ring von Löchern eingespeist. Die Temperatur des Reaktionsgasstromes beträgt E OC, nachdem die Zugabe des Titantetrachlorids vollständig ist; dann werden TiO2-Scheuerfeststoffe (scrub solids) in den Reaktor eingegeben, und der Reaktionsstrom verlässt den Reaktor zu Kühlkanälen. Das Reaktionsprodukt ist Rutil-Ti02 mit pigmentartiger Grösse.
  • Der Anteil des Titantetrachlorids, die Sauerstoffvorheiztemperatur und die Temperatur des Reaktionsstromes für Jedes Beispiel sind aus der nachstehenden Tabelle ersichtlich.
  • TABELLE Beispiel A B C D E Temperatur , TiCl4 °C % TiCl4 °C des 02 (nasse Luft), °C 1 1600 1,0 1415 99 1382 2 1375 10,0 1317 90 1309 3 1100 20 1250 80 1316 4 965 25 1255 75 1323 5 1000 30 1313 70 1335 6 1070 40 1370 60 1341 7 1300 75 1439 25 1362 Beispiel 8 Eine dreistufige Reaktion wird wie folgt vorgenommen: Ein auf eine Temperatur von 9000C vorerhitzter Sauerstoffstrom wird in einen einen Innendurchmesser von 25,4 cm (10 in) aufweisenden rohrförmigen, mit Chlor gespülten, bei einem Uberdruck von 1,72 bar (25 psig) und einem Durchsatz von 5 557 kg (12 250 lbs) pro Stunde betriebenen Reaktor eingespeist. Der Reaktor ist in Oxidationszonen unterteilt, an deren Beginn sich umfängliche Ringe von Löchern befinden, durch welche der Titantetrachlorid-Gasstrom in den Reaktor eingespeist wird. Der Titantetrachloridstrom enthält genügend Aluminiumtrichlorid, dass das erzeugte Titandioxidpigment 1 X Al203 enthält. Der Titantetrachloridstrom wird auf 4000C vorerhitzt. In der ersten Oxidationszone werden 5 % des zu oxidierenden Titantetrachlorids in den Reaktor durch umfängliche Löcher in einer Weise eingespeist, welche eine vollstndige und gleichmässige Vermischung mit dem vorerhitzten Sauerstoff gewährleistet. Die Temperatur des Reaktionsgasstroms nach der Oxidation des Titantetrachlorids beträgt 9800C. In der zweiten Oxidationszone werden 20 96 des zu oxidierenden Titantetrachlorids in den Reaktor durch umfängliche Löcher in einer Weise eingespeist, welche eine vollständige und gleichmässige Vermischung mit dem sauerstoffhaltigen Reaktionsgasstrom gewährleistet. Die Temperatur des Reaktionsgasstromes nach der zweiten Titantetrachloridzugabe beträgt 12200C. Die restlichen 75 , des zu oxidierenden Titantetrachlorids werden in den sauerstoffhaltigen Reaktionsgasstrom in einer dritten Reaktionszone durch einen umfänglichen Ring von Löchern eingespeist. Nach der vollständigen Zugabe des Titantetrachlorids beträgt die Temperatur des Reaktionsgasstroms 12800C; anschliessend werden TiO2-Scheuerfeststoffe in den Reaktor gegeben, und der den Reaktor verlassende Reaktionsstromwird in Kühlkanäle geleitet. Das Reaktionsprodukt ist TiO2 von pigmentartiger Grösse.
  • Beis~piel 9 Ein einen Innendurchmesser von 25,4 cm (10 in) aufweisender rohrförmiger, mit Chlorgespülter Reaktor wird pro Stunde mitt5 443,2 kg (12 000 lbs) Sauerstoff, der auf eine Temperatur von 14060C vorerhitzt wurde, beschickt. In diesen sauerstoffhaltigen Strom werden durch einen umfänglichen Ring von Löchern pro Stunde 4 735,6 kg (10 440 lbs) TiCl4 eingespeist, welche pro Stunde etwa 13,2 kg (etwa 29 lbs) PCl3 und 38,1 kg (84 lbs) SiCl4 enthalten. Ungefähr 1,4 m (4,6 ft) stromabwärts von der ersten Zugabezone werden pro Stunde 16 665,3 kg (36 740 lbs) TiCl4 45,8 kg (101 lbs) Pol 3 und 134,3 kg (296 lbs) SiCl4 in den Reaktionsstrom durch einen umfnglichen Ring von Löchern zugegeben. Der das PCl3 und SiCl4 enthaltende TiCl4-Strom wird vor dem Einblasen in den Reaktionsstrom auf eine Temperatur von 4680C vorerhitzt. Die Reaktion wird ablaufen gelassen und das Produkt wird in herkömmlicher Weise abgekühlt, in Wasser gesammelt, calciniert und gemahlen. Das Produkt hat eine pigmentartige Grösse und besteht aus etwa 67 % Anatas- und etwa 33 , Rutil-TiO2.
  • Ende der Beschreibung

Claims (5)

  1. Patentansprüche 1. Verfahren zur Herstellung von Titandioxid durch Hochtemperaturoxidation von Titantetrachlorid, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass man das Titantetrachlorid in den Oxidationsreaktor in mindestens zwei Beschickungszonen eingespeist, wobei man mindestens 1 , des Titantetrachlorids in die erste Beschickungszone einspeist.
  2. 2. Verfahren zur Herstellung von Titandioxid durch Hochtemperaturoxidation von Titantetrachlorid, wobei vorerhitzter Sauerstoff in einem oxidierenden Gasstrom und ein vorerhitzter, Titantetrachlorid enthaltender Strom umgesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass man a) den oxidierenden Gasstrom auf eine Temperatur von 800 bis 76000C vorerhitzt, b) den Titantetrachlorid enthaltenden Strom auf eine Temperatur von 250 bis 5000C vorerhitzt, c) 1 bis 75 % des zu oxidierenden Titantetrachlorids dem oxidierenden Gasstrom einverleibt, d) die Oxidationsreaktion stattfinden lSsst, e) in einer oder mehreren Beschickungszonen 99 bis 25 X des zu oxidierenden Titantetrachlorids dem Reaktionsstrom einverleibt, f) die Oxidationsreaktion stattfinden lSsst, und g) das erzeugte TiO2 abkühlt und sammelt.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass man 10 bis 40 % des zu oxidierenden Titantetrachlorids in die erste Reaktionszone einspeist und den Rest des zu oxidierenden Titantetrachlorids in einer oder mehreren Beschickungszonen hinzufügt.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass man 15 bis 35 , des zu oxidierenden Titantetrachlorids in die erste Reaktionszone einspeist.
  5. 5. Verfahren zur Herstellung von Titandioxid durch Hochtemperaturoxidation von Titantetrachlorid, wobei vorerhitzter Sauerstoff in einem oxidierenden Gasstrom und ein vorerhitzter1 Titantetrachlorid enthaltender Strom umgesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass man a) den oxidierenden Gasstrom auf eine Temperatur von 900 bis 13000C vorerhitzt, .b) den Titantetrachlorid enthaltenden Strom auf eine Temperatur von 250 bis 5000C vorerhitzt, c) 15 bis 35 « des zu oxidierenden Titantetrachlorids dem oxidierenden Gasstrom einverleibt, d) die Oxidationsreaktion stattfinden lässt, e) 65 bis 85 X des zu oxidierenden Titantetrachlorids dem Reaktionsstrom einverleibt, f) die Oxidationsreaktion stattfinden lässt, und g) das erzeugte TiO2 abkühlt und sammelt.
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