PL191585B1 - Urządzenie do wprowadzania gazowych substratów, zawierających lub porywających cząstki stałe, do rurowego reaktora - Google Patents

Abstract

1. Urzadzenie do wprowadzania gazowych substratów, zawierajacych lub porywajacych czastki stale, do rurowego reaktora z duzym natezeniem przeplywu, majace cylin- dryczna komore wprowadzania gazowego substratu posia- dajaca zamkniety przedni koniec, tylny koniec szczelnie dolaczony do wlotowego konca rurowego reaktora oraz pierscieniowy otwór wokól swego obwodu, pierscieniowa komore cisnieniowa posiadajaca zewnetrzna sciane i boki, przymocowana szczelnie do zewnetrznej strony cylindrycz- nej komory wprowadzania gazowego substratu i posiadaja- ca wewnatrz pierscieniowa szczeline, która to pierscienio- wa szczelina jest szczelnie przymocowana nad pierscie- niowym otworem w cylindrycznej komorze wprowadzania gazowego substratu i dochodzi w poblize zewnetrznej sciany pierscieniowej komory cisnieniowej, zas wewnatrz pierscie- niowej szczeliny znajduje sie wiele usytuowanych w odste- pach lopatek oddzielajacych co najmniej dwie promieniowe szczeliny, znamienne tym, ze ma wstepna pierscieniowa komore (36) cisnieniowa posiadajaca zewnetrzna sciane (38) i co najmniej jeden bok (40) szczelnie przymocowany do zewnetrznej strony cylindrycznej komory (16) wprowadzania gazowego substratu, przy czym wstepna pierscieniowa komora (36) cisnieniowa posiada pierscieniowy boczny wylot (42) i styczny, zawirowujacy wlot (44) gazowego substratu zawierajacego czastki stale………………. PL PL PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do wprowadzania gazowych substratów, zawierających lub porywających cząstki stałe, do rurowego reaktora. Znajduje ono zastosowanie zwłaszcza do wprowadzania tlenu i gazowego czterochlorku tytanu, w procesie wytwarzania dwutlenku tytanu.

W reakcjach przeprowadzanych w rurowych reaktorach, gdzie gazowe substraty reakcji o dużym natężeniu przepływu wprowadza się do reaktorów, mogą wystąpić problemy z niecałkowitym mieszaniem i silną erozją ścian bocznych reaktorów na skutek obecności zanieczyszczeń w postaci cząstek stałych w substratach reakcji. Niepełne mieszanie może powodować gorsze niż pożądane wyniki reakcji, a erozja powoduje zanieczyszczenie produktów materiałami, z których wykonane są reaktory, jak również drastycznie skraca żywotność reaktorów. Przykładowo, przy wytwarzaniu dwutlenku tytanu gazowymi substratami reakcji są podgrzany tlen i podgrzany gazowy czterochlorek tytanu, które są łączone w rurowym reaktorze przy dużych natężeniach przepływu. W reaktorze przebiega reakcja utleniania w wysokiej temperaturze, przy czym wytwarzane są stałe cząstki dwutlenku tytanu. Czasami strumienie za równo tlenu jak i gazowego czterochlorku tytanu zawierają lub porywają zanieczyszczenia w postaci stałych cząstek, które uderzają w powierzchnie reaktora. Takie zanieczyszczenia w postaci stałych cząstek przechodzą do strumieni gazowych w rezultacie przepływu strumieni gazu poprzez urządzenia technologiczne i przewody rurowe przed reaktorem. Wyposażenie technologiczne procesu i przewody rurowe mogą zawierać cząstki stałe zgorzeliny, cząstki stałe ze złóż fluidalnych, cząstki stałe żużla pochodzącego ze spawania itp. Ponadto czynnik czyszczący, taki jak piasek, często jest wprowadzany do reaktora w celu usuwania dwutlenku tytanu ze ścian reaktora. Czynnik czyszczący czasami znajduje sobie drogę do różnych części wlotowych reaktora, a część środka czyszczącego jest porywana i unoszona przez strumienie gazowego substratu reakcji. Przykładowo, jeżeli czynnik czyszczący jest wprowadzany do urządzeń reaktora wtedy, gdy przepływ tlenu lub czterochlorku tytanu jest przerwany, wówczas czynnik czyszczący może wypływać z reaktora do dołączonych do reaktora urządzeń służących do wprowadzania tlenu lub czterochlorku tytanu, np. do komór ciśnieniowych.

Próbując rozwiązać te problemy, stosowano duże komory ciśnieniowe przed wprowadzaniem do reaktora gazowych substratów reakcji przez niewielkie szczeliny, aby zanieczyszczenia zostały przechwycone w dużej komorze ciśnieniowej. Stosowanie tych małych szczelin do przyjmowania zanieczyszczeń cząstkowych powoduje duże spadki ciśnienia, które powodują dobre mieszanie gazów w reaktorze, ale duże spadki ciśnienia w gazowych substratach reakcji wymagają utrzymywania odpowiedniego ciśnienia, co jest bardzo kosztowne.

Aby pracować z niskimi spadkami ciśnienia gazowych substratów reakcji, te gazowe substraty reakcji były również wprowadzane stycznie do małych pierścieniowych komór ciśnieniowych, które rozprowadzały je wokół dwóch lub więcej szczelin, poprzez które gazowe substraty reakcji przepływały promieniowo do reaktora. Niestety, przy tym sposobie i urządzeniu, zanieczyszczenia w postaci cząstek stałych niesionych lub porywanych przez gazowe substraty reakcji mogą być przechwytywane w pierścieniowych komorach ciśnieniowych, powodując szybkie erodowanie tych komór. Żadna z tych koncepcji nie okazała się być całkowicie satysfakcjonująca.

Z opisu US 3 467 498 jest znane urządzenie do wprowadzania gazowych substratów, zawierających lub porywających cząstki stałe, do reaktora, znajdujące zwłaszcza zastosowanie w procesie wytwarzania dwutlenku tytanu z tlenu i czterochlorku tytanu. Urządzenie to ma cylindryczną, przelotową komorę wprowadzania gazowego substratu, otoczoną drugą cylindryczną komorą wprowadzania drugiego gazowego substratu. Ta druga cylindryczna komora ma zamknięty przedni koniec, zaś zboku jest połączona z podłużną komorą ciśnieniową, mającą postać rury o zwiększającym się polu przekroju poprzecznego, połączonej ze źródłem substratu. Wyloty obu cylindrycznych komór wprowadzania substratu są dołączone do wlotowego końca reaktora.

Z opisu GB 1 171 113 jest znane urządzenie do wprowadzania gazowych substratów, zawierających lub porywających cząstki stałe, do reaktora, znajdujące zastosowanie w procesie wytwarzania dwutlenku tytanu z tlenu i czterochlorku tytanu. Urządzenie to ma cylindryczną komorę wprowadzania gazowych substratów posiadającą zamknięty przedni koniec, zaś tylny koniec jest oddzielony szczeliną od wlotowego końca reaktora. Do zewnętrznej strony tej cylindrycznej komory jest przymocowana pierścieniowa komora ciśnieniowa, zaopatrzona w promieniowo odchodzący przewód doprowadzania gazowego czterochlorku tytanu i połączona ze szczeliną pomiędzy cylindryczną komorą wprowadzania gazowych substratów a reaktorem. Ponadto, cylindryczna komora wprowadzania gazowych subPL 191 585 B1 stratów posiada pierścieniowy otwór połączony z drugą pierścieniową komorą ciśnieniową, zaopatrzoną w promieniowo odchodzący przewód doprowadzania tlenu. Urządzenie ma również przewód czynnika czyszczącego reaktor, przebiegający do cylindrycznej komory wprowadzania gazowych substratów i usytuowany współosiowo z tą komorą.

Celem wynalazku jest opracowanie urządzenia do wprowadzania gazowych substratów, zawierających lub porywających cząstki stałe, do rurowego reaktora, eliminującego możliwość przechwytywania cząstek stałych zwłaszcza w komorach ciśnieniowych, o konstrukcji nie powodującej dużych spadków ciśnienia.

Urządzenie do wprowadzania gazowych substratów, zawierających lub porywających cząstki stałe, do rurowego reaktora, z dużym natężeniem przepływu, mające cylindryczną komorę wprowadzania gazowego substratu posiadającą zamknięty przedni koniec, tylny koniec szczelnie dołączony do wlotowego końca rurowego reaktora oraz pierścieniowy otwór wokół swego obwodu, pierścieniową komorę ciśnieniową posiadającą zewnętrzną ścianę i boki, przymocowaną szczelnie do zewnętrznej strony cylindrycznej komory wprowadzania gazowego substratu i posiadającą wewnątrz pierścieniową szczelinę, która to pierścieniowa szczelina jest szczelnie przymocowana nad pierścieniowym otworem w cylindrycznej komorze wprowadzania gazowego substratu i dochodzi w pobliże zewnętrznej ściany pierścieniowej komory ciśnieniowej, zaś wewnątrz pierścieniowej szczeliny znajduje się wiele usytuowanych w odstępach łopatek oddzielających co najmniej dwie promieniowe szczeliny, według wynalazku charakteryzuje się tym, że ma wstępną pierścieniową komorę ciśnieniową posiadającą zewnętrzną ścianę i co najmniej jeden bok szczelnie przymocowany do zewnętrznej strony cylindrycznej komory wprowadzania gazowego substratu, przy czym wstępna pierścieniowa komora ciśnieniowa posiada pierścieniowy boczny wylot i styczny, zawirowujący wlot gazowego substratu zawierającego cząstki stałe, natomiast pierścieniowa komora ciśnieniowa ma większą średnicę niż wstępna pierścieniowa komora ciśnieniowa, przy czym pierścieniowa komora ciśnieniowa posiada pierścieniowy boczny wlot szczelnie przymocowany do pierścieniowego bocznego wylotu wstępnej pierścieniowej komory ciśnieniowej, zaś pierścieniowa szczelina pierścieniowej komory ciśnieniowej jest usytuowana przy stronie przeciwległej względem pierścieniowego, bocznego wlotu.

Korzystnie, urządzenie ma deflektor gazowego substratu umieszczony wewnątrz cylindrycznej komory wprowadzania gazowego substratu.

W szczególności, urządzenie ma przewód czynnika czyszczącego reaktor, przebiegający szczelnie do cylindrycznej komory wprowadzania gazowego substratu i usytuowany współosiowo z tą komorą.

Ewentualnie, urządzenie ma przewód pomocniczego paliwa, przebiegający szczelnie do cylindrycznej komory wprowadzania gazowego substratu i usytuowany współosiowo z tą komorą oraz z przewodem czynnika czyszczącego reaktor.

Korzystnie, urządzenie ma, co najmniej jeden wodny płaszcz chłodzący przymocowany szczelnie do zewnętrznej strony cylindrycznej komory wprowadzania gazowego substratu.

Ewentualnie, urządzenie ma osłonę cieplną usytuowaną w cylindrycznej komorze wprowadzania gazowego substratu pomiędzy pierścieniowym otworem w tej komorze a jej zamkniętym przednim końcem.

Drugi wariant urządzenia do wprowadzania gazowych substratów, zawierających lub porywających cząstki stałe, do rurowego reaktora, z dużym natężeniem przepływu, mającego cylindryczną komorę wprowadzania gazowego substratu posiadającą przedni koniec, tylny koniec szczelnie dołączony do wlotowego końca rurowego reaktora oraz pierścieniowy otwór wokół jej obwodu, który to pierścieniowy otwór ma wiele umieszczonych w odstępach łopatek oddzielających, co najmniej dwie promieniowe szczeliny, oraz mające pierścieniową komorę ciśnieniową posiadającą zewnętrzną ścianę i boki szczelnie przymocowane do zewnętrznej strony cylindrycznej komory wprowadzania gazowego substratu nad pierścieniowym otworem i posiadającą styczny, zawirowujący wlot gazowego substratu zawierającego cząstki stałe, według wynalazku charakteryzuje się tym, że pierścieniowa komora ciśnieniowa ma styczną nakładkę usytuowaną za stycznym wlotem.

Korzystnie, urządzenie ma przewód zamocowany wewnątrz pierścieniowej komory ciśnieniowej, którego jeden koniec wchodzi do nakładki, a drugi koniec wchodzi do jednej z promieniowych szczelin w cylindrycznej komorze wprowadzania gazowego substratu.

W szczególności, urządzenie ma wewnętrzną wykładzinę wykonaną z materiału odpornego na korozję, usytuowaną w pierścieniowej komorze ciśnieniowej.

PL 191 585 B1

Ewentualnie, pierścieniowy otwór w cylindrycznej komorze wprowadzania gazowego substratu i promieniowe szczeliny w nim są pochylone pod kątem do tylnego końca cylindrycznej komory wprowadzania gazowego substratu.

Trzeci wariant urządzenia do wprowadzania gazowych substratów, zawierających lub porywających cząstki stałe, do rurowego reaktora, z dużym natężeniem przepływu, mające pierwszą cylindryczną komorę wprowadzania gazowego substratu posiadającą zamknięty przedni koniec, tylny koniec oraz pierścieniowy otwór wokół swego obwodu, pierwszą pierścieniową komorę ciśnieniową posiadającą zewnętrzną ścianę i boki, przymocowaną szczelnie do zewnętrznej strony pierwszej cylindrycznej komory wprowadzania gazowego substratu i posiadającą wewnątrz pierścieniową szczelinę, która to pierścieniowa szczelina jest szczelnie przymocowana nad pierścieniowym otworem w pierwszej cylindrycznej komorze wprowadzania gazowego substratu i dochodzi w pobliże zewnętrznej ściany pierwszej pierścieniowej komory ciśnieniowej, zaś wewnątrz pierścieniowej szczeliny znajduje się wiele usytuowanych w odstępach łopatek oddzielających co najmniej dwie promieniowe szczeliny, drugą cylindryczną komorę wprowadzania gazowego substratu posiadającą przedni koniec szczelnie dołączony do tylnego końca pierwszej cylindrycznej komory wprowadzania gazowego substratu, tylny koniec szczelnie dołączony do wlotowego końca rurowego reaktora oraz pierścieniowy otwór wokół jej obwodu, który to pierścieniowy otwór ma wiele umieszczonych w odstępach łopatek oddzielających co najmniej dwie promieniowe szczeliny, oraz mające drugą pierścieniową komorę ciśnieniową posiadającą zewnętrzną ścianę i boki szczelnie przymocowane do zewnętrznej strony drugiej cylindrycznej komory wprowadzania gazowego substratu i posiadającą styczny, zawirowujący wlot gazowego substratu zawierającego cząstki stałe, według wynalazku charakteryzuje się tym, że ma wstępną pierścieniową komorę ciśnieniową posiadającą zewnętrzną ścianę i co najmniej jeden bok szczelnie przymocowany do zewnętrznej strony pierwszej cylindrycznej komory wprowadzania gazowego substratu, przy czym wstępna pierścieniowa komora ciśnieniowa ma pierścieniowy boczny wylot i styczny, zawirowujący wlot gazowego substratu zawierającego cząstki stałe, natomiast pierwsza pierścieniowa komora ciśnieniowa ma większą średnicę niż wstępna pierścieniowa komora ciśnieniowa, przy czym ta pierwsza pierścieniowa komora ciśnieniowa posiada pierścieniowy boczny wlot szczelnie przymocowany do pierścieniowego bocznego wylotu wstępnej pierścieniowej komory ciśnieniowej, zaś pierścieniowa szczelina pierwszej pierścieniowej komory ciśnieniowej jest usytuowana przy stronie przeciwległej względem pierścieniowego bocznego wlotu, natomiast druga pierścieniowa komora ciśnieniowa ma styczną nakładkę usytuowaną za stycznym wlotem.

Pierwszy wariant urządzenia według wynalazku nadaje się zwłaszcza do wprowadzania ogrzanego tlenu do reaktora, drugi wariant nadaje się zwłaszcza do wprowadzania ogrzanego gazowego czterochlorku tytanu do reaktora, zaś trzeci wariant nadaje się zwłaszcza do wprowadzania ogrzanego tlenu i ogrzanego gazowego czterochlorku tytanu do reaktora.

Przedmiot zgłoszenia został przedstawiony w przykładach wykonania, na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia widok z góry urządzenia według wynalazku, fig. 2 - przekrój wzdłuż linii 2-2 zfig.1, fig. 3 - przekrój wzdłuż linii 3-3 z fig. 2, fig. 4 - przekrój wzdłuż linii 4-4 z fig. 1, fig. 5 -przekrój wzdłuż linii 5-5 z fig. 1, fig. 6 - przekrój wzdłuż linii 6-6 z fig. 5, zaś fig. 7 przedstawia przekrój wzdłuż linii 7-7 zfig. 5.

Na figurze 1-6 przedstawiono korzystne urządzenie według wynalazku do wprowadzania z dużym natężeniem przepływu ogrzanego tlenu i ogrzanego czterochlorku tytanu do rurowego reaktora do wytwarzania dwutlenku tytanu zgodnie ze znanym procesem. Określenie „duże natężenie przepływu oznacza tu natężenie przepływu w zakresie 11,3 do 85 m³/min w przeliczeniu na warunki normalne.

Urządzenie 10 z fig. 1 złożone jest z pierwszej postaci urządzenia 12do wprowadzania gazowego substratu reakcji i z drugiej postaci urządzenia 14 do wprowadzania gazowego substratu reakcji, przy czym oba te urządzenia nadają się do wprowadzania do rurowego reaktora 29, który może być dowolnym, znanym, stosownym rodzajem reaktora, co obejmuje bez ograniczania reaktory chłodzone wodą lub innym środkiem wymiany ciepła, a także reaktory nie chłodzone lub utworzone ze środka porowatego, z dużymi natężeniami przepływu gazowych substratów reakcji, które mogą zawierać cząstki stałe. Urządzenia 12 i 14 mogą być w szerszym kontekście wykorzystywane do wprowadzania do rurowego reaktora z dużym natężeniem przepływu dowolnego substratu reakcji, który zawiera lub może zawierać cząstki stałe. W urządzeniu do wytwarzania dwutlenku tytanu zwłaszcza urządzenie 12 do wprowadzania gazowego substratu reakcji, pokazane na fig. 1-4, jest korzystnie przeznaczone do wprowadzania strumienia ogrzanego tlenu do reaktora 29. Natomiast urządzenie 14 do wprowaPL 191 585 B1 dzania gazowego substratu reakcji, przedstawione na fig. 1 i 5-7 korzystnie służy do wprowadzania do reaktora 29 wysoce korozyjnego ogrzanego strumienia gazowego czterochlorku tytanu.

Podczas działania zarówno urządzenie 12 jak i urządzenie 14 wprowadzają z dużym natężeniem przepływu gazowe substraty reakcji, które mogą zawierać cząstki stałe, do rurowego reaktora 29 ze spadkami ciśnienia przy równomiernym rozkładzie i z dobrym mieszaniem strumieni gazowych substratów reakcji w reaktorze, a bez nadmiernej erozji komory ciśnieniowej lub reaktora na skutek obecności cząstek stałych niesionych przez gazowe substraty reakcji.

Jak pokazano na fig. 1-4, urządzenie 12 jest złożone z cylindrycznej komory 16 wprowadzania gazowego substratu reakcji, posiadającej pierścieniowy otwór 17 wokół swego obwodu i kołnierzowe przyłącza 18 i 20 dołączone do przedniego i tylnego końca 19 i 21.Do kołnierza 18 przymocowany jest zamykający kołnierz 22. Przewód 24 jest szczelnie połączony poprzez kołnierz 22 i wchodzi w cylindryczną komorę 16 wprowadzania gazowego substratu. Ten przewód 24 jest usytuowany współosiowo z cylindryczną komorą 16 wprowadzania gazowego substratu i z drugim przewodem 26, który jest również połączony szczelnie poprzez kołnierz 22 umieszczony współosiowo wokół przewodu 24. Wlotowy kołnierz 28 jest dołączony do przewodu 24, a kołnierzowe przyłącze wlotowe 30 jest dołączone do przewodu 26. Jak pokazano na fig. 1, kiedy urządzenie 12 do wprowadzania gazowego substratu reakcji jest wykorzystywane z chłodzonym wodą reaktorem do wytwarzania dwutlenku tytanu, źródło pomocniczego paliwa, np.metanu, propanu lub toluenu, jest dołączone do wlotowego przyłącza 30 przewodu 26, a źródło czynnika służącego do czyszczenia reaktora jest dołączone do wlotowego przyłącza 28 przewodu 24. Paliwo pomocnicze jest wykorzystywane do zapewnienia dodatkowego ciepła i stabilizowania reakcji utleniania w reaktorze 29. Paliwo jest utleniane do dwutlenku węgla i wody, a utworzona woda wspomaga rutylizację, która polepsza właściwości wytworzonego dwutlenku tytanu. Czynnik do czyszczenia reaktora, którym może być piasek, sól kamienna, spieczony dwutlenek tytanu, sprasowany dwutlenek tytanu itp., wprowadzany jest do reaktora w celu usunięcia dwutlenku tytanu z chłodzonych ścian reaktora. Gdy w reaktorze powstaje dwutlenek tytanu, część tego dwutlenku tytanu osadza się na ścianach chłodzonych części reaktora, np. na części reaktora chłodzonej wodą lub innym czynnikiem. Bez usuwania dwutlenek tytanu będzie ciągle narastać i znacznie utrudniać proces chłodzenia. Czynnik czyszczący trzeba zatem, ciągle wprowadzać do wnętrza reaktora.

Komora 16 wprowadzania gazowego substratu zawiera również parę płaszczy 32 i 34 chłodzenia wodnego ścian komory wprowadzania. Ponadto wewnątrz cylindrycznej komory 16 wprowadzania gazowego substratu, pomiędzy pierścieniowym otworem 17 w komorze wprowadzania gazowego substratu, a przednim końcem 19, usytuowany jest pierścieniowy ekran cieplny 35. Ten ekran cieplny 35 może być spawany do przewodu 26 i osłania przednią końcową część cylindrycznej komory 16 wprowadzania gazowego substratu przed ciepłem wytwarzanym przez gazowy substrat reakcji (ogrzany tlen) wprowadzany poprzez pierścieniowy otwór 17. Do tylnej części końcowej 39 przewodu 26 jest przyłączony deflektor 37 do odchylania przepływu ogrzanego tlenu wprowadzanego w komorę 16 poprzez otwór 17 i powodowania równomiernego rozprowadzenia ogrzanego tlenu.

Urządzenie ma wstępną pierścieniową komorę ciśnieniową 36, posiadającą pierścieniową zewnętrzną ścianę 38, bok 40 szczelnie przymocowany do zewnętrznej strony komory 16 wprowadzania gazowego substratu reakcji oraz pierścieniowy boczny wylot 42. Jak to najlepiej pokazano na fig. 4, ta wstępna pierścieniowa komora 36 ciśnieniowa zawiera również styczny wlot 44 do przyjmowania strumienia ogrzanego tlenu o dużym natężeniu przepływu, który może zawierać cząstki stałe i do powodowania zawirowania tego strumienia wewnątrz komory 36.

Pierścieniowa komora ciśnieniowa 46, posiadająca pierścieniową ścianę zewnętrzną 47 iboki 48 i 50 jest również szczelnie przymocowana do zewnętrznej strony komory 16 wprowadzania gazowego substratu. Bok 50 komory ciśnieniowej 46 jest przymocowany do zewnętrznej ściany 38 wstępnej komory ciśnieniowej 36. Komora ciśnieniowa 46 zawiera pierścieniowy boczny wlot 52, który jest usytuowany zgodnie z pierścieniowym bocznym wylotem 42 wstępnej komory 36. Jak pokazano na rysunkach, komora 46 ma większą średnicę niż wstępna komora 36 i przykrywa pierścieniowy otwór 17 wokół obwodu komory 16 wprowadzania gazowego substratu.

Wewnątrz komory ciśnieniowej 46, przy boku 48, przez pierścieniową płytę 56, która jest szczelnie przymocowana do zewnętrznej strony komory 16 wprowadzania gazowego substratu i przebiega w pobliżu zewnętrznej ściany 47 komory 46, utworzona jest pierścieniowa szczelina 54. Ta pierścieniowa szczelina 54 jest szczelnie przymocowana nad pierścieniowym otworem 17 w komorze 16 wprowadzania gazowego substratu. Podgrzany tlen o dużym natężeniu przepływu, który może za6

PL 191 585 B1 wierać cząstki stałe, prowadzony do stycznego wlotu 44 wstępnej komory ciśnieniowej 36, jest zawirowywany wewnątrz tej wstępnej komory ciśnieniowej 36, po czym następuje zawirowanie w większej komorze ciśnieniowej 46 i wypływ z komory ciśnieniowej 46 poprzez pierścieniową szczelinę 54 do wnętrza komory 16 wprowadzania gazowego substratu. Ponieważ strumień ogrzanego tlenu jest najpierw zawirowany w mniejszej, wstępnej komorze ciśnieniowej 36, a następnie rozprężony i zawirowany w komorze ciśnieniowej 46, cząstki stałe zawarte w tym strumieniu są przemieszczane przez siłę odśrodkową do zewnętrznych ścianek 38 i 47 komór ciśnieniowych 36 i 46, a następnie muszą odpływać wraz z nagrzanym tlenem poprzez szczelinę 54 do wnętrza komory 16 wprowadzania, na skutek czego cząstki stałe nie są zatrzymywane wewnątrz komór ciśnieniowych 36 i 46. Dla fachowców jest oczywiste, że kiedy cząstki stałe są zatrzymane wewnątrz komory ciśnieniowej, w której strumień gazu o dużej prędkości jest zawirowywany, wówczas cząstki stałe erodują i przecinają materiał tworzący komorę ciśnieniową w bardzo krótkim czasie. Jak to najlepiej pokazano na fig. 2, zewnętrzna ściana 47 komory ciśnieniowej 46 jest pochylona na zewnątrz w kierunku do boku 48, aby ułatwić ruch cząstek stałych w szczelinę 54.

Jak to najlepiej pokazano na fig. 3, pierścieniowa szczelina 54 zawiera wiele usytuowanych w odstępach łopatek, które tworzą wiele promieniowych szczelin 59 (fig. 3). Te promieniowe szczeliny 59 powodują powstrzymywanie strumienia ogrzanego tlenu przed zawirowaniem i równomiernie rozprowadzają przepływ strumienia ogrzanego tlenu i cząstek stałych niesionych przez ten strumień w środku i poprzez środek komory 16 wprowadzania gazowego substratu. Deflektor 37 przymocowany do wewnętrznej części końcowej 39 przewodu 26 powoduje równomierne rozprowadzanie strumienia ogrzanego tlenu i równomierny przepływ przez środek komory 16 wprowadzania gazowego substratu, urządzenie 14 wprowadzania gazowego czterochlorku tytanu i reaktor 29, przez co zapobiega się niecałkowitemu mieszaniu i występowaniu erozji.

Proces przeprowadzany w urządzeniu 12 zasadniczo zawiera etapy zawirowywania gazowego substratu reakcji wprowadzanego do reaktora 29 we wstępnej pierścieniowej komorze ciśnieniowej 36,po czym następuje pierścieniowa komora ciśnieniowa 46 o większej średnicy. Wirujący gazowy substrat reakcji i niesione przez niego cząstki stałe wprowadzane są do reaktora 29 poprzez promieniowe szczeliny 59 i komorę 16 wprowadzania gazowego substratu. Oznacza to, że gazowy substrat reakcji i cząstki stałe przepływają poprzez promieniowe szczeliny 59 do komory wprowadzania 16 gazowego substratu, a następnie do reaktora 29 i cząstki stałe nie są zatrzymywane w komorach ciśnieniowych 36 i 46. Promieniowe szczeliny 59 i deflektor 37 usytuowany w komorze 16 wprowadzania gazowego substratu powodują, że gazowy substrat reakcji i cząstki stałe przepływają do wnętrza i poprzez komorę 16 wprowadzania gazowego substratu w taki sposób, że gazowy substrat reakcji i cząstki stałe przepływają równomiernie poprzez środki komory 16 wprowadzania gazowego substratu i reaktor 29, co zapobiega niecałkowitemu mieszaniu i erozji. Jak wspomniano, kiedy urządzenie 12 jest wykorzystywane w procesie wytwarzania dwutlenku tytanu, gazowy substrat reakcji wprowadzony do reaktora 29 poprzez urządzenie 12 jest korzystnie podgrzanym tlenem, to znaczy tlenem podgrzanym do temperatury w zakresie wynoszącym od 540°C do 980°C, korzystnie od 830°C do 980°C. Paliwo pomocnicze jest korzystnie wprowadzane w komorę 16 wprowadzania gazowego substratu i reaktor 29 poprzez przewód 26, a czynnik do czyszczenia ścian reaktora jest wprowadzany do komory 16 i reaktora 19 poprzez przewód 24. Ponadto, do ogrzanego tlenu wprowadzanego do reaktora 29 można dodawać chlorek potasu, chlorek cezu itp., w celu kontrolowania wielkości wytwarzanych cząstek dwutlenku tytanu.

Na figurze 1 oraz 5-7 przedstawiono urządzenie 14 do wprowadzania w reaktor 29 z dużym natężeniem przepływu gazowego substratu reakcji (ogrzanego czterochlorku tytanu), który zawiera lub może zawierać cząstki stałe. Jak to najlepiej pokazano na fig. 5, urządzenie 14 zawiera cylindryczną komorę 60 wprowadzania gazowego substratu reakcji, posiadającą przedni koniec 61 i tylny koniec 65, przeznaczone do szczelnego dołączenia do wlotowego końca rurowego reaktora 29 poprzez stożkową łączącą sekcję rurową 23 (fig. 1) i posiadającą pierścieniowy otwór 69 utworzony w komorze 60 i przy jej obwodzie. Urządzenie 14 może być wykonane z różnych materiałów, które mają żądane właściwości izolujące, odporność na korozję i inne cechy. W postaci przedstawionej na rysunkach, do stosowania w urządzeniu do wytwarzania dwutlenku tytanu, komora 60 wprowadzania gazowego substratu jest korzystnie złożona z cylindrycznego ściennego członu 63 wykonanego z materiału ogniotrwałego izolującego cieplnie, cylindrycznego członu 64 wykonanego z metalu odpornego na korozję i cylindrycznego członu 66 wykonanego z węglika krzemu odpornego na korozję. Pierścieniowy otwór 69 jest korzystnie pochylony pod kątem do tylnego końca 65 komory 60

PL 191 585 B1 wprowadzania, jak pokazano na fig. 5, a ponadto ten pierścieniowy otwór 69 zawiera wiele usytuowanych w odstępach łopatek 68 (fig. 6), które tworzą wiele promieniowych szczelin 62. Te promieniowe szczeliny 62 i pierścieniowy otwór 69 są usytuowane pod kątem, aby uniemożliwić wchodzenie w nie tlenu, narastanie tlenków w szczelinach, co może doprowadzić do zatkania, oraz aby ułatwić równomierne rozprowadzanie w komorze 60 wprowadzania gazowego substratu. Łopatki 68 mogą być wykonane integralnie w cylindrycznym członie 66, jak to pokazano na rysunkach. Ponadto, kiedy pomocnicze paliwo jest wykorzystywane w celu dostarczenia dodatkowego ciepła, jak opisano powyżej, cylindryczny człon ścienny 63, sekcja rurowa 67, stożkowa sekcja 23 rury łączącej (fig. 1) i reaktora 29 (fig. 1) są wszystkie chłodzone wodą (nie pokazano), aby uniknąć uszkodzenia na skutek wysokiej temperatury.

Pierścieniowa komora ciśnieniowa 70 z zewnętrzną ścianą 72 i bokami 74 i 76 wykonanymi z metalu, na przykład ze stali, jest szczelnie przymocowana do zewnętrznej strony komory 60 wprowadzania gazowego substratu reakcji. Wnętrze pierścieniowej komory ciśnieniowej 70 jest wyłożone odpornym na korozję materiałem 78 z węglika krzemu a materiał uszczelniający 80 jest umieszczony pomiędzy materiałem 78 odpornym na korozję a zewnętrzną ścianą 72 i bokami 74 i 76. W urządzeniu 14 można stosować inne materiały izolujące i odporne na korozję oraz inne sposoby ich rozmieszczenia niż opisane powyżej.

Jak to najlepiej pokazano na fig. 7, styczny wlot 82 do przyjmowania strumienia ogrzanego gazowego czterochlorku tytanu o dużym natężeniu przepływu, który zawiera lub może zawierać cząstki stałe, jest przymocowany do komory 70. Ten styczny wlot 82 powoduje zawirowanie strumienia gazowego czterochlorku tytanu w komorze 70. Styczna nakładka 84 jest wykonana w komorze 70 za stycznym wlotem 82 tej komory, w celu wychwytywania cząstek stałych niesionych przez strumień gazowego czterochlorku tytanu. Ta nakładka 84 zawiera zdejmowany zamykający kołnierz 85 do okresowego usuwania cząstek stałych z nakładki 84. Strumień gazowego czterochlorku tytanu zawierającego cząstki stałe jest zawirowywany w komorze 70, przy czym cząstki stałe są wychwytywane w nakładce 84, a uzyskany zasadniczo pozbawiony cząstek stałych strumień czterochlorku tytanu płynie do komory 60 wprowadzania gazowego substratu poprzez promieniowe szczeliny 62 i otwór 69.

Jak to najlepiej pokazano na fig. 7, wewnątrz komory ciśnieniowej 70 można ewentualnie przymocować przewód 86, który ma jeden koniec 88 wchodzący w nakładkę 84, a drugi koniec wchodzący w promieniową szczelinę 62. Różnica ciśnienia gazu pomiędzy nakładką 84 a promieniową szczeliną 62 powoduje wymiatanie cząstek stałych przechwyconych w nakładce 84 wraz z częścią strumienia gazowego czterochlorku tytanu poprzez przewód 86 do komory 60 wprowadzania gazowego substratu i do reaktora 29.

Usytuowane w odstępach łopatki 68, umieszczone w pierścieniowej szczelinie 69, które tworzą promieniowe szczeliny 62, powodują, że strumień gazowego czterochlorku tytanu zwalnia wirowanie lub przestaje wirować i zostaje równomiernie rozprowadzony w komorze 60 wprowadzania gazowego substratu w taki sposób, że gazowy strumień i cząstki stałe (jeśli są) płyną poprzez środek komory 60 wprowadzania gazowego substratu i reaktor 29, przez co zapobiega się niecałkowitemu mieszaniu i erozji.

Proces przeprowadzany w urządzeniu 14 zasadniczo zawiera zawirowywanie gazowego substratu reakcji, który może zawierać lub porywać cząstki stałe w pierścieniowej komorze 70, która zawiera nakładkę 84 do przechwytywania cząstek stałych. Wynikowy zawirowany gazowy substrat reakcji zasadniczo nie zawierający cząstek stałych przepływa do komory 60 wprowadzania gazowego substratu poprzez promieniowe szczeliny 62 i pierścieniowy otwór 69. Cząstki stałe przechwycone w nakładce 84 mogą być okresowo ręcznie usuwane lub też mogą być usuwane ciągle przez przewód 86 i przepływają do szczeliny 62. Jak wspomniano powyżej, wiele promieniowych szczelin 62 działa powodując, że gazowy substrat reakcji i cząstki stałe (jeśli są) są równomiernie rozprowadzane w komorze 60 wprowadzania gazowego substratu i przepływają poprzez środek tej komory 60.

Jak wspomniano, kiedy urządzenie 14 jest wykorzystywane w procesie wytwarzania dwutlenku tytanu, gazowy substrat reakcji wprowadzony w reaktor 29 przez urządzenie 14 jest korzystnie gazowym czterochlorkiem tytanu podgrzanym do temperatury w zakresie wynoszącym od 175°C do 980°C, korzystnie od 400°C do 590°C. Jest zrozumiałe, że do podgrzanego czterochlorku tytanu można dodać chlorku glinu, aby zwiększyć rutylizację wytwarzanego dwutlenku tytanu i zwiększyć jego trwałość.

PL 191 585 B1

Wytwarzanie dwutlenku tytanu w rurowym reaktorze 29 zwykle odbywa się pod nadciśnieniem wynoszącym, co najmniej 13,792 kPa i przy temperaturze, co najmniej 1200°C. Ponadto, temperatura strumieni tlenu i czterochlorku tytanu jest kontrolowana tak, że temperatura złożonego strumienia przed reakcją jest w zakresie od 480°C do 980°C, korzystnie wynosi około 790°C.

Claims (11)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Urządzenie do wprowadzania gazowych substratów, zawierających lub porywających cząstki stałe, do rurowego reaktora z dużym natężeniem przepływu, mające cylindryczną komorę wprowadzania gazowego substratu posiadającą zamknięty przedni koniec, tylny koniec szczelnie dołączony do wlotowego końca rurowego reaktora oraz pierścieniowy otwór wokół swego obwodu, pierścieniową komorę ciśnieniową posiadającą zewnętrzną ścianę i boki, przymocowaną szczelnie do zewnętrznej strony cylindrycznej komory wprowadzania gazowego substratu i posiadającą wewnątrz pierścieniową szczelinę, która to pierścieniowa szczelina jest szczelnie przymocowana nad pierścieniowym otworem w cylindrycznej komorze wprowadzania gazowego substratu i dochodzi w pobliże zewnętrznej ściany pierścieniowej komory ciśnieniowej, zaś wewnątrz pierścieniowej szczeliny znajduje się wiele usytuowanych w odstępach łopatek oddzielających co najmniej dwie promieniowe szczeliny, znamienne tym, że ma wstępną pierścieniową komorę (36) ciśnieniową posiadającą zewnętrzną ścianę (38) i co najmniej jeden bok (40) szczelnie przymocowany do zewnętrznej strony cylindrycznej komory (16) wprowadzania gazowego substratu, przy czym wstępna pierścieniowa komora (36) ciśnieniowa posiada pierścieniowy boczny wylot (42) i styczny, zawirowujący wlot (44) gazowego substratu zawierającego cząstki stałe, natomiast pierścieniowa komora (46) ciśnieniowa ma większą średnicę niż wstępna pierścieniowa komora (36) ciśnieniowa, przy czym pierścieniowa komora (46) ciśnieniowa posiada pierścieniowy boczny wlot (52) szczelnie przymocowany do pierścieniowego bocznego wylotu (42) wstępnej pierścieniowej komory (36) ciśnieniowej, zaś pierścieniowa szczelina (54) pierścieniowej komory (46) ciśnieniowej jest usytuowana przy stronie przeciwległej względem pierścieniowego bocznego wlotu (52).
2. 2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że ma deflektor (37) gazowego substratu umieszczony wewnątrz cylindrycznej komory (16) wprowadzania gazowego substratu.
3. 3. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że ma przewód (24) czynnika czyszczącego reaktor (29), przebiegający szczelnie do cylindrycznej komory (16) wprowadzania gazowego substratu i usytuowany współosiowo z tą komorą (16).
4. 4. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że ma przewód (26) pomocniczego paliwa, przebiegający szczelnie do cylindrycznej komory (16) wprowadzania gazowego substratu i usytuowany współosiowo z tą komorą (16) oraz z przewodem (24) czynnika czyszczącego reaktor (29).
5. 5. Urządzenie według zastrz. 4, znamienne tym, że ma co najmniej jeden wodny płaszcz (32, 34) chłodzący przymocowany szczelnie do zewnętrznej strony cylindrycznej komory (16) wprowadzania gazowego substratu.
6. 6. Urządzenie według zastrz. 5, znamienne tym, że ma osłonę cieplną (35) usytuowaną w cylindrycznej komorze (16) wprowadzania gazowego substratu pomiędzy pierścieniowym otworem (17) w tej komorze (16) a jej zamkniętym przednim końcem (19).
7. 7. Urządzenie do wprowadzania gazowych substratów, zawierających lub porywających cząstki stałe, do rurowego reaktora, z dużym natężeniem przepływu, mające cylindryczną komorę wprowadzania gazowego substratu posiadającą przedni koniec, tylny koniec szczelnie dołączony do wlotowego końca rurowego reaktora oraz pierścieniowy otwór wokół jej obwodu, który to pierścieniowy otwór ma wiele umieszczonych w odstępach łopatek oddzielających, co najmniej dwie promieniowe szczeliny, oraz mające pierścieniową komorę ciśnieniową posiadającą zewnętrzną ścianę i boki szczelnie przymocowane do zewnętrznej strony cylindrycznej komory wprowadzania gazowego substratu nad pierścieniowym otworem i posiadającą styczny, zawirowujący wlot gazowego substratu zawierającego cząstki stałe, znamienne tym, że pierścieniowa komora (70) ciśnieniowa ma styczną nakładkę (84) usytuowaną za stycznym wlotem (82).
8. 8. Urządzenie według zastrz. 7, znamienne tym, że ma przewód (86) zamocowany wewnątrz pierścieniowej komory (70) ciśnieniowej, którego jeden koniec (88) wchodzi do nakładki (84), a drugi koniec (90) wchodzi do jednej z promieniowych szczelin (62) w cylindrycznej komorze (60) wprowadzania gazowego substratu.

   PL 191 585 B1
9. 9. Urządzenie według zastrz. 8, znamienne tym, że ma wewnętrzną wykładzinę (78) wykonaną z materiału odpornego na korozję, usytuowaną w pierścieniowej komorze (70) ciśnieniowej.
10. 10. Urządzenie według zastrz. 8, znamienne tym, że pierścieniowy otwór (69) w cylindrycznej komorze (60) wprowadzania gazowego substratu i promieniowe szczeliny (62) w nim są pochylone pod kątem do tylnego końca (65) cylindrycznej komory (60) wprowadzania gazowego substratu.
11. 11. Urządzenie do wprowadzania gazowych substratów, zawierających lub porywających cząstki stałe, do rurowego reaktora, z dużym natężeniem przepływu, mające pierwszą cylindryczną komorę wprowadzania gazowego substratu posiadającą zamknięty przedni koniec, tylny koniec oraz pierścieniowy otwór wokół swego obwodu, pierwszą pierścieniową komorę ciśnieniową posiadającą zewnętrzną ścianę i boki, przymocowaną szczelnie do zewnętrznej strony pierwszej cylindrycznej komory wprowadzania gazowego substratu i posiadającą wewnątrz pierścieniową szczelinę, która to pierścieniowa szczelina jest szczelnie przymocowana nad pierścieniowym otworem w pierwszej cylindrycznej komorze wprowadzania gazowego substratu i dochodzi w pobliże zewnętrznej ściany pierwszej pierścieniowej komory ciśnieniowej, zaś wewnątrz pierścieniowej szczeliny znajduje się wiele usytuowanych w odstępach łopatek oddzielających co najmniej dwie promieniowe szczeliny, drugą cylindryczną komorę wprowadzania gazowego substratu posiadającą przedni koniec szczelnie dołączony do tylnego końca pierwszej cylindrycznej komory wprowadzania gazowego substratu, tylny koniec szczelnie dołączony do wlotowego końca rurowego reaktora oraz pierścieniowy otwór wokół jej obwodu, który to pierścieniowy otwór ma wiele umieszczonych w odstępach łopatek oddzielających co najmniej dwie promieniowe szczeliny, oraz mające drugą pierścieniową komorę ciśnieniową posiadającą zewnętrzną ścianę i boki szczelnie przymocowane do zewnętrznej strony drugiej cylindrycznej komory wprowadzania gazowego substratu i posiadającą styczny, zawirowujący wlot gazowego substratu zawierającego cząstki stałe, znamienne tym, że ma wstępną pierścieniową komorę (36) ciśnieniową, posiadającą zewnętrzną ścianę (38) i co najmniej jeden bok (40) szczelnie przymocowany do zewnętrznej strony pierwszej cylindrycznej komory (16) wprowadzania gazowego substratu, przy czym wstępna pierścieniowa komora (36) ciśnieniowa ma pierścieniowy boczny wylot (42) i styczny, zawirowujący wlot (44) gazowego substratu zawierającego cząstki stałe, natomiast pierwsza pierścieniowa komora (46) ciśnieniowa ma większą średnicę niż wstępna pierścieniowa komora (36) ciśnieniowa, przy czym ta pierwsza pierścieniowa komora (46) ciśnieniowa posiada pierścieniowy boczny wlot (52) szczelnie przymocowany do pierścieniowego bocznego wylotu (42) wstępnej pierścieniowej komory (36) ciśnieniowej, zaś pierścieniowa szczelina (54) pierwszej pierścieniowej komory (46) ciśnieniowej jest usytuowana przy stronie przeciwległej względem pierścieniowego bocznego wlotu (52), natomiast druga pierścieniowa komora (70) ciśnieniowa ma styczną nakładkę (84) usytuowaną za stycznym wlotem (82).