CN102422115A - 在二氧化钛工艺中使用改善的烟道的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种提供改善的热传递的烟道，所述烟道包括内层和外层，其中所述内层包含热导率为至少91W/m-K(在300K下)和莫氏硬度为至少6.5的高热导率陶瓷，并包含多个隆起(13)、凹陷(14)或两者；并且其中所述内层(12)和所述外层(11)基本上连续的导热式接触。采用上文所述的烟道形成具有改善的粒度、光泽度、底色、着色强度和遮盖力的二氧化钛颗粒。

Description

在二氧化钛工艺中使用改善的烟道的方法
发明背景
发明领域
本发明涉及对制造的二氧化钛进行冷却的方法，具体地讲涉及可以更高效地冷却二氧化钛颗粒的具有隆起或凹陷的烟道。
发明背景
二氧化钛颜料具有多种应用，包括涂料、漆料、塑料、纸材等。光散射是这些颜料的重要性质之一，它在很大程度上取决于粒度和粒度分布。
大量的二氧化钛颜料在商业上都通过使四氯化钛与氧在蒸汽相中进行反应而生产。此反应之后，立即使二氧化钛反应物料通过导管(即烟道)进行冷却，在此导管中发生二氧化钛颜料颗粒的生长和所述颗粒的附聚。
希望快速冷却二氧化钛，因为这会使得颜料具有较高的碳黑底色(“CBU”)。CBU在美国专利2,488,440中有所描述，该专利据此以引用方式并入。然而，当使用直径较小的烟道进行更快速的冷却时，据发现尽管CBU有所提高，但会加重湍流，这会增加颜料颗粒的附聚，从而降低颜料光泽度。
需要一种改善的烟道，它可以有效提供二氧化钛颗粒所必需的冷却，但不存在已知烟道的缺陷。
发明内容
在第一方面，本发明提供了一种改善的热传递的烟道，所述烟道包括内层和外层，其中内层包含热导率为至少91W/m-K(在300K下)和莫氏硬度为至少6.5的高热导率陶瓷，并包含多个隆起、凹陷或两者；并且其中内层和外层以基本上连续的导热方式接触。
在第一方面，通过压缩配合、电沉积、使用导电粘合剂层或用熔化的金属浇铸实现该基本上连续的导热式接触。
在第二方面，本发明提供了制备具有改善的粒度分布和/或底色的二氧化钛颗粒的方法，所述方法包括：
a.让四氯化钛与氧反应形成二氧化钛颗粒；以及
b.在烟道中冷却所述颗粒，其中提供改善的热传递的烟道包括内层和外层，其中内层的至少一部分包含热导率为至少91W/m-K(在300K下)和莫氏硬度为至少6.5的高热导率陶瓷，并包含多个隆起、凹陷或两者；并且其中内层和外层基本上连续的导热式接触。
附图简述
图1示出了本发明中使用的烟道的端视图。
发明详述
通过使氧与四氯化钛在蒸汽相中进行反应来制备二氧化钛颜料的工艺在(例如)美国专利2,488,439、2,488,440、2,559,638、2,833,627、3,208,866和3,505,091中有所公开。这些专利的公开内容据此以引用方式并入。
此反应通常发生在管道或导管中，其中在适于制备二氧化钛的温度和压力下引入氧和四氯化钛。在此反应中，一般会产生火焰。
在火焰的下游，将制得的二氧化钛送入进行冷却的附加长度的导管。出于本文的目的，将此导管称为烟道。烟道的长度应足以完成所需的冷却。烟道通常是水冷的，长度可以为约50英尺(15.24m)至约3000英尺(914.4m)，典型地为约100英尺(30.48m)至约1500英尺(457.2m)，最典型地为约200英尺(60.96m)至1200英尺(365.76m)。本发明烟道的长度可以等于或小于上文所公开烟道的总长度。
本发明中使用的烟道可以具有不会导致过度湍流的任何合适的形状。烟道通常是圆形的，即为管道的形式。图1中所示的提供改善的热传递的烟道10包括内层12和外层11，其中内层12包含热导率为至少91W/m-K(在300K下)和莫氏硬度为至少6.5的高热导率陶瓷，并包含隆起13、凹陷14或两者，外层11与内层12基本上连续的导热式接触。
包含隆起13、凹陷14或两者的内层12由高热导率陶瓷材料制成，所述陶瓷材料的热导率为至少约91W/m-K(在300K下)，更典型地为约110至约150W/m-K(在300K下)，莫氏硬度为至少6.5，典型地为约9至约9.5。使用莫氏硬度大于6.5的构造材料将延长烟道的使用寿命，并减少腐蚀性产品对TiO2产品造成的污染。内层12所用的材料通常也是耐氯材料。高热导率陶瓷材料的一些合适的实例包括氮化铝、烧结的α碳化硅和其他形式的碳化硅。更典型的是，隆起可以为翅片或脊。
内层通常包含尽可能多的隆起13、凹陷14或两者的组合。然而，如果过多的话，紧密的间距又会在它们之间截留颜料颗粒或擦洗材料。隆起13(例如翅片)和凹陷14的形状和尺寸受构造材料的限制。具有较高热导率和较好耐腐蚀性的材料可允许在烟道中安装额外的更长、更窄的翅片。因此，使用烧结的α碳化硅这样的材料将使得烟道内部的总表面积更大，因为可存在额外的较长、较窄的翅片。这将提高每单位烟道的总热通量。通过提高烟道中的热通量可以更快地冷却TiO2物料，从而获得可用于TiO2商业制造的较小粒度。美国专利4,937,064公开了较快冷却对粒度和质量的影响，该专利以引用方式并入本文。
一般来讲，隆起13和/或凹陷14可以是基本纵向的，即，沿着烟道的长度设置。所谓术语“基本纵向的”是指隆起13和/或凹陷14应基本平行(即，平行于导管的轴)或稍微成一定角度(即，类似于枪管中的凹槽)。隆起13和/或凹陷14通常是基本平行的。至于翅片的高度，它们通常尽可能高以提高冷却效果，但又不会高得受到严重侵蚀(由于高顶端温度)或使湍流加重。
烟道通常包含足够多的翅片，以增大从工艺中到冷却水的传热量。烟道的每英尺烟道直径上典型地将具有介于0.5和8个之间的翅片，更典型地地介于1和5个之间的翅片，最典型地地介于2和4个之间的翅片。
烟道的外层11可以是具有良好热传递特性和良好机械特性的任何物质，以用于构造并保持压力。它包括选自下列的金属：镍(如镍200，一种具有最低约99％的镍的商用纯加工镍)、镍合金和各种等级的不锈钢。一些合适的以商品名Inconel
Figure BPA00001462260400031
出售的镍合金包括称为UNS N06600的合金600、合金601(UNS N06601)、合金625(UNS N06625)、合金690(UNSN06690)。一些合适的以商品名Hastelloy
Figure BPA00001462260400032
出售的镍合金包括合金G3/G30(UNS N06030)、合金C-22(UNS N06022)、合金C-276(UNS N10276)、合金X(UNS N06002)。一般来讲，外层应足够厚，以提供管道压力等级所需的机械强度，但又不能过厚，不然会减弱热传递。
因为本发明中使用的改善的烟道比普通烟道要贵，所以通常只有烟道的一部分具有隆起13和/或凹陷14。还因为TiO2的大部分冷却将发生在靠近二氧化钛反应火焰的地方，所以本发明中使用的改善的烟道通常基本上紧接着反应火焰的下游使用，并在之后继续，直到达到基本上所有或大部分颜料颗粒的生长和/或附聚都终止的点。本发明中使用的改善的烟道的长度典型地可以为约5英尺(152.4cm)至约500英尺(152.4m)，更典型地为约5英尺(152.4cm)至约300英尺(91.4m)，最典型地为约5英尺(152.4cm)至约100英尺(30.5m)。然而，如果需要，所有或大部分烟道都可以是本发明中使用的改善的烟道；如果这样的话，由于可以提供更高效的冷却，因此可以缩短烟道的所需长度。
通常隆起13的顶端应比隆起13的基部细；更通常的是，隆起13为梯形，其中隆起13之间的空间为圆形的凹陷14。通常隆起13是渐缩的，即烟道入口和出口部分的隆起高度小于隆起13的最高点；特别典型的是烟道入口和出口处的隆起13是渐缩的和齐平的或接近齐平的，即内层是基本光滑的。
本发明的改善的烟道的内径应不会在自身导致烟道中的TiO2和其他材料的速度和其他条件下发生明显湍流。典型地内径为约2至约50英寸(约5至约127cm)，更典型地为约5至约30英寸(约13至约76cm)，最典型地为约6至约20英寸(约15至约51cm)。本发明的改善的烟道通常将具有比位于本发明改善的烟道上游的普通烟道大的导管内径。在前文和本文的其他地方中，(a)“内径”是指烟道中彼此相对的两最低点之间的距离，(b)“上游”或“下游”与二氧化钛颜料在烟道中的流动有关。当从隆起13的彼此相对的两个顶端测量时，本发明改善的烟道的直径通常大于或约等于位于本发明改善的烟道上游的普通烟道的直径。
内层12和外层11基本上连续的导热式接触。所谓“基本上连续的导热式接触”是指热传递不受两层之间的气隙的不利影响。可以通过压缩配合、电沉积、使用导电粘合剂层或用熔化的金属浇铸实现这种基本上连续的导热式接触。通过提供基本上连续的导热式接触，即使在反应器烟道气体超过1500℃时，碳化硅温度也可保持在900℃以下。
在一个具体的实施方案中，对于包含导热陶瓷(如烧结的α-碳化硅)的管道而言，邻近管道的导热陶瓷表面与外部圆柱形金属管道内表面之间必须保持良好的接触。未在导热陶瓷内表面与包含金属的外层之间形成良好的接触会产生起绝缘层作用的气隙。该气隙绝缘层会使碳化硅温度超过900℃，从而导致碳化硅因氯化作用而失效。可以通过将导热陶瓷内层(12)与外层(11)(如管道)压缩配合来获得良好的接触。可以通过加热外部金属管道(11)使其膨胀从而实现压缩配合。当加热外部管道并且金属膨胀时，管道的内径增大。当管道变热时，可以将冷的导热陶瓷圆柱体件(12)插入管道(11)中。金属冷却时，它将收缩，并在内部导热陶瓷和金属外层之间实现紧密连接。
提供压缩配合的另一种方法涉及焊接工序。焊接过程中，金属(如镍200，一种具有最低约99％的镍的商用纯加工镍)将会发生收缩。通过将包括导热陶瓷件的内层紧紧安装在包括未进行纵向焊接的镍管的外层中开始压缩配合过程。进行纵向焊接时，管径会减小，从而实现陶瓷在镍管中的压缩配合。
确保基本上连续的导热式接触的另一种方法是在内部陶瓷(12)与外部金属管道(11)之间安装导热粘合剂层。导热粘合剂应充满两种材料之间的气隙以获得高热通量。它还应该是耐热的。多种高温导热粘合剂可商购获得。它们的实例包括但不限于填充氮化铝、填充银和填充镍的无机浆料。
另一种方法是用熔化的金属进行浇铸。在此实施方案中，用作内层(12)的最终陶瓷翅片件可浇铸而成，其中将熔化的金属在圆柱体管式模具中浇铸在陶瓷的外部上以形成将用作外层(11)的外部金属管。浇铸将能消除陶瓷与金属之间的气隙。
实施例
实施例1：
采用从工艺中到翅片的热传递的设定边界条件，建立用镍200制成的翅片的计算流体力学(CFD)模型。CFD模型显示出29,187瓦特/翅片的热通量。将翅片的构造材料换成α碳化硅，同时保持从工艺中到翅片的热传递的边界条件。使用α碳化硅时，热传递提高至30,607瓦特/翅片。根据为每种情况选择的边界层条件，总体单位热通量可发生改变，但α碳化硅件将提供比镍200更佳的热传递。

Claims (25)

1.提供改善的热传递的烟道，所述烟道包括内层和外层，其中所述内层包含热导率为至少91W/m-K(在300K下)和莫氏硬度为至少6.5的高热导率陶瓷，并包含多个隆起、凹陷或两者；并且其中所述内层和所述外层基本上连续的导热式接触。
2.权利要求1的烟道，其中所述基本上连续的导热式接触通过压缩配合实现。
3.权利要求1的烟道，其中所述基本上连续的导热式接触通过电沉积实现。
4.权利要求1的烟道，其中所述基本上连续的导热式接触通过使用导电粘合剂层实现。
5.权利要求1的烟道，其中所述基本上连续的导热式接触通过用熔化的金属进行浇铸实现。
6.权利要求1的烟道，其中所述高热导率陶瓷为烧结的α碳化硅。
7.权利要求1的烟道，其中所述外层选自基本上由镍、镍合金和不锈钢组成的组。
8.权利要求1的烟道，其中所述内层包含隆起。
9.权利要求1的烟道，其中安装所述烟道，其中烟道气体温度超过900℃。
10.权利要求8的烟道，其中所述隆起为翅片。
11.权利要求8的烟道，其中所述隆起为脊。
12.权利要求10的烟道，其中所述翅片在所述内层中形成膛线。
13.制备具有改善的粒度分布和/或底色的二氧化钛颗粒的方法，所述方法包括：
a.使四氯化钛与氧反应形成二氧化钛颗粒；以及
b.在烟道中冷却所述颗粒，其中提供改善的热传递的烟道包括内层和外层，其中内层的至少一部分包含热导率为至少91W/m-K(在300K下)和莫氏硬度为至少6.5的高热导率陶瓷，并包含多个隆起、凹陷或两者；并且其中内层和外层基本上连续的导热式接触。
14.权利要求13的方法，其中所述基本上连续的导热式接触通过压缩配合实现。
15.权利要求13的方法，其中所述基本上连续的导热式接触通过电沉积实现。
16.权利要求13的方法，其中所述基本上连续的导热式接触通过使用导电粘合剂层实现。
17.权利要求13的方法，其中所述基本上连续的导热式接触通过用熔化的金属进行浇铸实现。
18.权利要求13的方法，其中所述高热导率陶瓷为烧结的α碳化硅。
19.权利要求13的方法，其中所述外层选自基本上由镍、镍合金和不锈钢组成的组。
20.权利要求13的方法，其中所述内层包含隆起。
21.权利要求13的方法，其中安装所述烟道，其中烟道气体温度超过900℃。
22.权利要求13的方法，其中安装所述烟道，其中烟道气体温度超过1200℃。
23.权利要求20的方法，其中所述隆起为翅片。
24.权利要求23的方法，其中所述翅片在所述内层中形成膛线。
25.权利要求13的方法，其中所述烟道的整个长度包括内层和外层，其中所述内层包含热导率为至少91W/m-K(在300K下)和莫氏硬度为至少6.5的高热导率陶瓷，并包含隆起、凹陷或两者；并且其中所述内层与所述外层基本上连续的导热式接触。
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