JP2003505239A - 固体粒子を含むガス反応体を反応させるプロセスと装置 - Google Patents

固体粒子を含むガス反応体を反応させるプロセスと装置

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チャック エイ． ナタリー、
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Abstract

(57)【要約】 本発明は、１つ以上のガス反応体を高流量で管状反応器（１９）中で反応させる改善されたプロセスと装置（１２、１４）を提供する。この改善されたプロセスと装置（１２、１４）によって、反応器（１９）での圧力低下が低く、ガス反応体が搬送又はピックアップする固体粒子による過度の浸食なしでこのような反応を実行することができる。本発明によるプロセスは基本的には、固体粒子を含む又はピックアップし得るガス反応体を第１の環状プレナムチャンバ（３６）と次に第２のより大きい直径の環状プレナムチャンバ（４６）中でかき混ぜるステップと、次に、ガス反応体と固体粒子を２つ以上の放射状スロット（５９）から反応器（１９）中に導入し、これによって、このガス反応体と固体粒子がこの反応器（１９）中に流入してその内部で一様に分布されるステップとから成っている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （技術分野） 本発明は、粒状個体を含む高流量のガス反応体を管状反応器中で反応させるプ
ロセスと装置に関し、より詳しくは、粒状個体汚染物質を含んでいる又はピック
アップしている可能性のある高流量の酸素と四塩化チタンというガスを管状反応
器中において高温で反応させて二酸化チタンを生成することに関する。
【０００２】 （背景技術） 高流量のガス反応体を反応器中に注入する管状反応器内で実行される反応にお
いては、反応器中の粒状固体汚染物質の存在によって反応器の側壁が過度に浸食
されたり混合が不完全なものになったりするという問題が発生しかねない。この
不完全な混合によって、反応結果が望ましくないものとなり、また、浸食によっ
て、反応器を形成している材料と共に生成物が汚染されたり、さらに、反応器装
置の寿命が劇的に短くなったりしかねない。例えば、二酸化チタンを生成する際
、ガス反応体として加熱済み酸素と加熱済み四塩化チタンを、高流量で管状反応
器中において化合させる。高温酸化作用が、反応器中で発生し、これによって、
二酸化チタンの固体粒子が生成される。時として、反応で利用される酸素と四塩
化チタン双方のガスストリームが、粒状固体汚染物質を含んでいる又はピックア
ップしていて、これが反応器装置の表面に衝突する。ガスストリームがプロセス
機器と反応器装置の配管の上流を通過する結果、そのガスストリーム中にこのよ
うな粒状固体汚染物質が入り込む。このプロセス機器と配管は、粒状固体の垢、
流動化したベッドから出た固体粒子、粒状溶接スラグ及び類似物を包含している
ことがある。また、砂などの粒状固体スカーリング媒体が、しばしば、反応器装
置中に導入されて、反応器の壁に堆積した二酸化チタンをこすり取る。このスカ
ーリング媒体は、時として、反応器装置の様々な上流部分に入り込んで、その内
のいくらかはガス反応体ストリームにピックアップされたり搬送されたりする。
例えば、スカーリング媒体が反応器装置中に導入されている最中に酸素又は四塩
化チタンの流れがシャットダウンされた場合、スカーリング媒体は、反応器から
流れ出て、反応器に接続されている、酸素や四塩化チタンを導入する装置、例え
ば、プレナムチャンバの中に流れ込む可能性がある。
【０００３】 上記の問題を解決するために、現在に至るまで、ガス反応体の反応器注入ポイ
ントの上流で大型のプレナムチャンバを利用して、この中に汚染物質を捕捉し、
また、ガス反応体を小さいギャップから注入するということが行われてきた。こ
の小さいギャップを用いるため、その結果、圧力低下が大きくなり、これが、反
応器中でガスが良好に混合されようにするが、ガス反応体内で圧力を大きく低下
させるには、ガスを加圧する必要があり、高価なものになってしまう。
【０００４】 ガス反応体の圧力低下が低くても動作させるために、現在までは、ガス反応体
を接線方向で小型の環状プレナムチャンバ中に注入し、この中で、２つ以上のス
ロットに分配させ、これらからガス反応体は反応器中に放射状に流入する。スロ
ットを介して注入するという手法によって、圧力低下は小さくなるが、ガス反応
体によって搬送又はピックアップされる粒状固体汚染物質が、環状プレナムチャ
ンバ中に捕捉され、このため、プレナムチャンバが急速に浸食されることになる
。
【０００５】 したがって、管状反応器中でガス反応体を反応させてもこの反応器装置中での
圧力低下が低く、ガス反応体の分布がより一様で、また、良好に混合されて、し
かも、固体粒子の存在による過度の浸食がない、改良されたプロセスと装置に対
する必要性がある。
【０００６】 （発明の開示） 本発明は、上記の必要性を満たし、先行技術による欠点を克服する、管状反応
器中でガス反応体を含む固体粒子を反応させる改良されたプロセスと装置を提供
する。
【０００７】 固体粒子を含む又はピックアップしている可能性のある高流量のガス反応体を
管状反応器中で反応させる本発明によるプロセスは、次のステップを含んでいる
。注入されるガス反応体は、第１の環状プレナムチャンバと次により大きい直径
の環状プレナムチャンバ中でかき混ぜられる。次に、かき混ぜられているガス反
応体は、反応器を第２のプレナムチャンバのアウトレットに連通させている２つ
以上の放射状スロットを介して反応器中に導入され、これによって、ガス反応体
によって搬送されている固体粒子がガス反応体と共に反応器中に流入して、しか
も、第１及び第２のプレナムチャンバでも捕捉されることがない。これらの放射
状スロットによって、ガス反応体と固体粒子の、反応体の中心を通る流れは、そ
の分布が一様となりまた整合され、これによって、その混合が不完全になったり
浸食されたりするのを防止する。二酸化チタンを生成する際、上記のプロセスを
利用して、高流量の加熱済み酸素を反応器中に注入するのが好ましい。
【０００８】 これまた、高流量のガス反応体を上記の必要性を満たす管状反応器中に導入す
る際に利用され得る本発明の別のプロセスは、次の通りである。固体粒子を含ん
でいる可能性のある高流量のガス反応体を、固体粒子捕獲用のブートが内部に形
成されている環状プレナムチャンバ中でかき混ぜる。その結果として得られる、
固体粒子がかなり減ったガス反応体を、反応器とプレナムチャンバを連通させて
いる２つ以上の放射状スロットから反応器中に導入する。任意に、コンジットが
、プレナムチャンバに装備されるが、これは、ブートの内部から複数の環状スロ
ットの内の１つの環状スロットの内部まで延長しており、これによって、ブート
とスロット間のガス圧力差のため、ブート中に捕獲された固体粒子が、コンジッ
トを介して反応器中でスイープされる。これらの放射状スロットは、下流方向に
傾斜していて、これによって、ガス反応体と固体粒子（もしあれば）の、反応器
の中心を通る流れの分布が一様になり、また、整合され、これによって、内部で
の不完全な混合と浸食を防止しやすいようにするのが好ましい。二酸化チタンを
生成する際、このプロセスを利用して、加熱済み高流量の四塩化チタンを反応器
中に注入するのが好ましい。
【０００９】 上記のプロセスを実行する装置もまた、本発明によって提供される。
【００１０】 したがって、本発明の一般的な目的は、ガス反応体を含んでいる固体粒子を管
状反応器中で反応させる、改良されたプロセスと装置を提供することにある。
【００１１】 本発明の別の目的は、粒状固体汚染物質を含む又はピックアップしている可能
性のある高流量の酸素と四塩化チタンを反応器中で反応させて、二酸化チタンを
生成する、改良されたプロセスと装置を提供することにある。
【００１２】 本発明の他の目的及びさらなる目的、特徴並びに長所は、添付図面と共に以下
の好ましい実施形態の説明を読めば当業者には容易に明らかであろう。
【００１３】 （発明を実施するための最良の形態） ここで、図面中の図１〜６を参照すると、固体粒子を含んでいる高流量のガス
反応体を管状反応器中に注入する本発明による装置が図示されている。用語「高
流量」は、本書では、毎分約４００から約３，０００又はそれを越える標準立方
フィートの範囲の流量を意味する。
【００１４】 図１では、本発明による装置は、粒状固体汚染物質を含む又はピックアップし
ている可能性のある、また、管状反応器中に高流量で注入される加熱済み酸素と
加熱済み四塩化チタンから成るガスから二酸化チタンを生成する管状反応器と組
み合わされて図示されている。この管状反応器は、水や他の熱交換媒体で冷却さ
れるもの、冷却されないもの、多孔性媒体で形成されているものなどを含むいか
なる周知の反応器設計のものであってもよい。
【００１５】 図１に示す装置は、一般的に参照符号１０で示すが、第１の形態のガス反応体
導入装置１２と、第２の形態のガス反応体導入装置１４とから成り、双方共に固
体粒子を含んでいる可能性のある高流量のガス反応体を管状反応器１９中に導入
するためのものである。装置１２と１４は各々が、固体粒子を含む又は含まない
あらゆる高流量のガス反応体を管状反応器中に注入する目的で利用することが可
能である。二酸化チタン生成用の装置中では、ガス反応体導入装置１２と１４は
、加熱済み酸素又は加熱済み四塩化チタンのどちらかのガスストリームを二酸化
チタン生成反応器１９中に導入する目的で利用することが可能である。しかしな
がら、図１〜４に示すガス反応体導入装置１２は、加熱済み酸素ストリームを反
応器１９中に導入するために好ましい。図１と図５〜７に示すガス反応体導入装
置１４は、反応器１９中では腐食性の高い加熱済み四塩化チタンガスストリーム
を導入するために好ましい。
【００１６】 動作に際して、装置１２と１４は双方共が、固体粒子を含み得る高流量のガス
反応体を、このガス反応体ストリームの反応器中での圧力低下が低く、分布が一
様で、混合状態が良好で、しかも、このガス反応体が搬送している固体粒子の存
在によるプレナムチャンバや反応器の過度の浸食がないように管状反応器１９中
に導入する。
【００１７】 図１〜４に示すように、装置１２は、自身の周辺の周りに環状開口１７を有す
る円筒形ガス反応体注入チャンバ１６と、前方端１９及び後方端２１にそれぞれ
接続されたフランジ接続部１８及び２０と、から成っている。閉鎖フランジ２２
は、フランジ１８に取り付けられている。コンジット２４は、フランジ２２を介
して密封して接続されて、円筒形注入チャンバ１６中に延長している。コンジッ
ト２４は、円筒形注入チャンバ１６と同軸状に位置付けられており、フランジ２
２を介してこれまた密封して接続されている第２のコンジット２６は、コンジッ
ト２４と同軸状に配置されている。インレットフランジ２８は、コンジット２４
に接続されており、フランジ付けされたインレット接続部３０は、コンジット２
６に接続されている。図１に示すように、ガス反応体導入装置１２を水冷二酸化
チタン生成反応器と共に用いる場合、補助燃料、例えば、メタン、プロパンまた
トルエンの供給源は、コンジット２６のインレット接続部３０に接続され、また
、反応器スカーリング媒体の供給源は、コンジット２４のインレット接続部２８
に接続されている。補助燃料を用いて、付加熱を供給し、また、反応器１９内で
の酸化反応を安定化させる。燃料は、酸化されて二酸化炭素と水なり、形成され
た水によって、ルチル化が促進され、これによって、生成される二酸化チタンの
特性が改善される。砂、岩、塩、焼結済み二酸化チタン、圧縮済み二酸化チタン
又は類似物であったりする反応器スカーリング媒体は、反応器装置中に注入され
て、反応器の冷却済み壁から二酸化チタンを擦り取る。二酸化チタンが反応器中
で形成されるに連れて、その１部が反応器の冷却済み部分、例えば、水や他の媒
体によって冷却された反応器部分、の壁に堆積する。二酸化チタンは、除去しな
い限り、絶え間なく蓄積され、このため、冷却プロセスをかなり妨害する。した
がって、スカーリング媒体は、連続的に反応器中に導入されなければならない。
【００１８】 注入チャンバ１６もまた、一対の冷却用水ジャケット３２と３４を有し、これ
によって、注入チャンバの壁を冷却する。加えて、環状熱シールド３５が、注入
チャンバの環状開口１７とその前方端１９との間で、円筒形ガス反応体注入チャ
ンバ１６内に配置されている。熱シールド３５は、コンジット２６に溶接可能で
あり、その場合、円筒形ガス反応体注入チャンバ１６の前方端部を、その環状開
口１７から導入された加熱済みガス反応体（加熱済み酸素）からシールドする機
能を有する。また、以下に詳述するように、開口１７を介して注入チャンバ１６
中に注入された加熱済み酸素の流れを偏向させてその流れを一様に分布させるデ
ィフレクタ３７が、コンジット２６の後方端部３９に取り付けられている。
【００１９】 環状外部壁３８と、ガス反応体注入チャンバ１６の外部に密封状に取り付けら
れた側部４０と、環状側部アウトレット４２と、を有する第１の環状プレナムチ
ャンバ３６が、装備されている。図４に最も良好に示すように、第１の環状プレ
ナムチャンバ３６もまた、接線方向インレット４４を含み、これによって、固体
粒子を含み得る高流量ストリームの加熱済み酸素を受容し、また、このストリー
ムをプレナムチャンバ３６内でかき混ぜる。
【００２０】 環状外部壁４７と、側部４８及び５０を有する第２の環状プレナムチャンバ４
６もまた、注入チャンバ１６の外部に密封状に取り付けられている。第２のプレ
ナムチャンバ４６の側部５０は、第１のプレナムチャンバ３６の外部壁３８に取
り付けられており、また、第２のプレナムチャンバ４６は、第１のプレナムチャ
ンバ３６の環状側部アウトレット４２と一致する環状側部インレット５２を含ん
でいる。図面に示すように、第２のプレナムチャンバ４６は、第１のプレナムチ
ャンバ３６より大きい直径を有し、また、第２のプレナムチャンバ４６は、注入
チャンバ１６の周辺の周りで環状開口１７を覆っている。
【００２１】 環状スロット５４が、注入チャンバ１６の外部に密封状に取り付けられ、また
、第２のプレナムチャンバ４６の外部壁４７の近くに延長する環状プレート５６
によって、第２のプレナムチャンバ４６内でその側部４８に隣接して形成されて
いる。第２のプレナムチャンバ４６の側部４８と環状プレート５６によって形成
された環状スロット５４は、注入チャンバ１６の環状開口１７の上方に密封状に
取り付けられている。したがって、以下に詳述するように、第１のプレナムチャ
ンバ３６の接線方向インレット４４に導通されている固体粒子を含み得る高流量
の加熱済み酸素は、第１のプレナムチャンバ３６内でかき混ぜられ、次に、より
大きい第２のプレナムチャンバ４６内でかき混ぜられて、環状スロット５４を介
して第２のプレナムチャンバ４６から注入チャンバ１６の内部に流入する。加熱
済み酸素ストリ−ムは、最初により小さい方のプレナムチャンバ３６内でかき混
ぜられ、次にプレナムチャンバ４６中で膨張させられてかき混ぜられるので、こ
のストリーム中に含まれる固体粒子は、遠心力によってプレナムチャンバ３６と
４６の外部壁３８と４７にまで移動し、そこから、固体粒子は、加熱済み酸素と
共にスロット５４を介して注入チャンバ１６の内部に流入するため、固体粒子は
、プレナムチャンバ３６と４６内では捕捉されない。当業者には良く理解される
ように、高速ガスストリームがかき混ぜられているプレナムチャンバ内で固体粒
子が捕捉されると、この固体粒子は、プレナムチャンバを形成している材料に、
極めて短時間で浸食してしみ込む。図２に最もよく示すように、プレナムチャン
バ４６の外部壁４７は、外向きにその側部４８に向けて傾斜し、これによって、
固体粒子がスロット５４中に移動しやすくさせている。
【００２２】 図３に最もよく示すように、環状スロット５４は、開口５４内の複数の放射状
スロット５９（図３）を形成する間隔置きされた複数の翼５８を内部に取り付け
て備えている。放射状スロット５９は、加熱済み酸素ストリームがかき混ぜられ
ているときにそれを停止させて、この加熱済み酸素ストリームとそれと共に搬送
されている固体粒子の流れを一様に分布させて、注入チャンバ１６の中心に流入
させて通過させる機能を有する。コンジット２６の内部端部３９に取り付けられ
ているディフレクタ３７は、加熱済み酸素ストリームを一様に分布させ、また、
注入チャンバ１６の中心と、四塩化チタンガス導入装置１４と、反応器１９と、
を通るように一様に流し、それによって、不完全混合と浸食の発生を防止するよ
うに機能する。
【００２３】 したがって、装置１２中で実行されるプロセスは、基本的に、反応器１９中に
導入されるガス反応体を第１の環状プレナムチャンバ３６と次に第２のより大き
い直径を有する環状プレナムチャンバ４６の中でかき混ぜるステップを有する。
このかき混ぜられているガス反応体とそれと共に搬送されている固体粒子は、放
射状スロット５９と注入チャンバ１６を介して反応器１９中に導入される。すな
わち、ガス反応体と固体粒子は、放射状スロット５９を介して注入チャンバ１６
中に、次に反応器１９中に流入し、また、固体粒子は第１と第２のプレナムチャ
ンバ中では捕捉されない。注入チャンバ１６中に配置された放射状スロット５９
とディフレクタ３７によって、ガス反応体と固体粒子は、注入チャンバ１６中に
流入して通過する際、ガス反応体と固体粒子が注入チャンバ１６と反応器１９の
中心を一様に通過するように流れ、これによって、その中で不完全な混合と浸食
が発生するのを防止する。既に述べたように、装置１２を二酸化チタン生成目的
で使用する場合、装置１２を介して反応器１９中に導入されたガス反応体は予熱
済み酸素、すなわち、約１０００゜Ｆから約１８００゜Ｆ、好ましくは約１５０
０゜Ｆから約１８００゜Ｆの範囲の温度に予熱された酸素である。加えて、補助
燃料は、コンジット２６を介して注入チャンバ１６と反応器１９中に導入され、
また、反応器の壁をこするスカーリング媒体は、コンジット２４を介して注入チ
ャンバ１６と反応器１９中に導入するのが好ましい。また、塩化カリウム、塩化
セシウム又は類似物を、反応器１９中に導入された加熱済み酸素に付加して、生
成される二酸化チタンの粒子サイズを制御することが可能である。
【００２４】 ここで図１と図５〜７を参照すると、固体粒子を含んでいる又はその可能性の
ある高流量のガス反応体（加熱済み四塩化チタン）を反応器１９中に導入するた
めの装置１４が、図示されている。図５に最もよく示すように、装置１４は、円
錐状接続パイプセクション２３（図１）を介して管状反応器１９の上流端に密封
状に接続されるようになっている前方端６１と後方端６５を有し、また、自身の
周辺部の周りに形成された環状開口６９を有する円筒形ガス反応体注入チャンバ
６０を含んでいる。当業者には理解されるように、装置１４は、所望の絶縁、耐
腐食性及び他の特性を有する様々な材料から形成する事が可能である。二酸化チ
タン生成装置に使用する図面に示す形態においては、注入チャンバ６０は、熱絶
縁性耐熱材料から形成された円筒形壁器部材６３と、耐腐食性金属材料から形成
された円筒形部材６４と、耐腐食性シリコンカーバイド材料から形成された円筒
形部材６６とから成っている。環状開口６９は、図５に示すように注入チャンバ
６０の後方端６５に向けて角度付けされ、また、環状開口６９は、複数の放射状
スロット６２を内部に形成する間隔置きされた複数の内部に配置された翼６８（
図６）を含むのが好ましい。放射状スロット６２と環状開口６９は、そこに酸素
が侵入して、酸化物がスロット中に蓄積されて詰まるのを防止し、また、注入チ
ャンバ６０内で一様に分布させやすくするように角度付けされている。翼６８は
、図面に示すように、円筒形部材６６中に一体形成することが可能である。また
、補助燃料を上述したように付加熱提供目的で使用する場合、円筒形壁部材６３
と、パイプセクション６７と、円錐状接続パイプセクション２３（図１）と、反
応器１９（図１）とはすべてが、高温による損傷を防止するために水冷（図示せ
ず）される。
【００２５】 鋼などの金属製の外部壁７２並びに側部７４及び７６を有する環状プレナムチ
ャンバ７０は、円筒形ガス反応体注入チャンバ６０の外部に密封状に取り付けら
れている。環状プレナムチャンバ７０の内部は、シリコンカーバイド耐腐食性材
料７８でライニングされており、また、ガスケット材料８０は、耐腐食性材料７
８と外部壁７２並びに側部７４及び７６との間に配置されている。理解されるよ
うに、上記以外の絶縁性及び耐腐食性材料又は技法は、装置１４内で利用可能で
ある。
【００２６】 図７に最もよく示すように、固体粒子を含んでいる又はその可能性のある高流
量ストリームの加熱済み四塩化チタンガスを受容するための接線方向インレット
８２は、プレナムチャンバ７０に取り付けられている。接線方向インレット８２
によって、四塩化チタンガスストリームは、プレナムチャンバ７０内でかき混ぜ
られる。接線方向ブート８４は、プレナムチャンバ７０中でその接線方向インレ
ット８２の下流に形成され、これによって、四塩化チタンガスストリームと共に
搬送されている固体粒子を捕獲するようになっている。ブート８４は、自身に対
してボルト付けされた取り外し可能ブラインドフランジ８５を含み、これによっ
て、固体粒子を自身から定期的に除去するようになっている。したがって、以下
に詳述するように、固体粒子を包含している四塩化チタンガスストリームは、プ
レナムチャンバ７０内でかき混ぜられ、固体粒子はブート８４中に捕獲され、そ
の結果として得られるかなり固体粒子がなくなった四塩化チタンストリームが、
放射状スロット６２と開口６９から注入チャンバ６０に流入する。
【００２７】 図７に最もよく示すように、コンジット８６は任意に、一方の端８８がブート
８４中に延長し、他方の端９０が放射状スロット６２中に延長しているプレナム
チャンバ７０内に取り付けられることが可能である。ブート８４と放射状スロッ
ト６２間のガス圧力差によって、ブート８４中に捕獲された固体粒子が、四塩化
チタンガスストリームの１部と共にコンジット８６を介して注入チャンバ６０と
反応器１９中にスイープされる。
【００２８】 放射状スロット６２を形成する環状スロット６９中に、間隔をおいて配置され
ている翼６８によって、四塩化チタンガスストリームは、減速又はかき混ぜられ
るのが停止して、注入チャンバ６０中で一様に分布され、これによって、ガスス
トリームと固体粒子（もしあれば）が、注入チャンバ６０と反応器１９の中心を
通って流れ、これによって、内部における不完全混合と浸食を防止するようにす
る。
【００２９】 したがって、装置１４中で実行されるプロセスは基本的には、固体粒子を含む
又はピックアップし得るガス反応体を、固体粒子捕獲用のブート８４を内部に形
成した環状プレナムチャンバ７０中でかき混ぜることを含んでいる。その結果と
して得られるかなり固体粒子がなくなったかき混ぜられたガス反応体は、放射状
スロット６２と環状開口６９を介して注入チャンバ６０に流入する。ブート８４
中に捕獲された固体粒子は、手動で定期的に自身から除去したり、又は、コンジ
ット８６によって連続的に除去してスロット６２に流入させることが可能である
。上記したように、複数の放射状スロット６２は、ガス反応体と固体粒子（もし
あれば）を注入チャンバ６０中で一様に分布させ、また、注入チャンバ６０の中
心を通るガス反応体と固体粒子の流れを整合させるように機能する。
【００３０】 また上記したように、装置１４を二酸化チタン生成のプロセスで用いる場合、
反応器１９中に装置１４によって導入されるガス反応体は、四塩化チタンガス、
すなわち、約３５０゜Ｆから約１８００゜Ｆ、望ましくは約７５０゜Ｆから約１
１００゜Ｆの範囲の温度に予熱された四塩化チタンガスである。理解されるよう
に、塩化アンモニウムを加熱済み四塩化チタンに付加して、生成された二酸化チ
タンのルチル化と、その耐水性を向上させることが可能である。
【００３１】 管状反応器１９中で高流量の酸素と四塩化チタンガスを反応させて２塩化チタ
ンを生成する図１に示す装置１０中で実行される本発明によるプロセスは、一般
的に、少なくとも約２ｐｓｉｇの圧力と少なくとも約２２００゜Ｆの温度で実行
される。また、酸素と四塩化チタンのストリームの温度は、反応前のその複合ス
トリームの温度が約９００゜Ｆから約１８００゜Ｆ、好ましくは約１４５０゜Ｆ
の範囲となるように制御される。装置１０中で実行されるプロセスは基本的には
、固体粒子を含む又はその可能性がある加熱済み酸素を第１の環状プレナムチャ
ンバ３６中と第２の次により大きい直径の環状プレナムチャンバ４６中で、かき
混ぜるステップを含んでいる。このかき混ぜられている酸素は、注入チャンバ１
６を第２のプレナムチャンバ４６のアウトレットと連通させている第１の集合の
放射状スロット５９を介し、酸素注入チャンバ１６を介して反応器１９中に導入
し、これによって、その中にある固体粒子は、酸素と共に注入チャンバに流入し
、しかも、第１又は第２のプレナムチャンバ中でも捕捉されない。放射状スロッ
ト５９は、環状開口５４中にある間隔置きされた複数の翼５８によって形成され
ている。放射状スロット５９は、酸素とそれと共に搬送される固体粒子の流れが
、酸素注入チャンバ１６の中心と、四塩化チタン注入チャンバ６０と、反応器１
９と、を通って一様に分布されるようにし、また、その流れを整合しやすくし、
これによって、内部での不完全な混合と浸食を防止する。ディフレクタ２１もま
た、加熱済み酸素の流れを整合し、また、燃焼生成物を混合するように機能する
。
【００３２】 固体粒子を含む又はその可能性のある四塩化チタンガスは、固体粒子捕獲用の
ブート８４を内部に形成した第３の環状プレナムチャンバ７０中でかき混ぜられ
る。その結果として得られる、かなり固体粒子の減ったかき混ぜられた四塩化チ
タンガスが、注入チャンバ６０と反応器１９中に、注入チャンバ６０をプレナム
チャンバ７０と連通させる第２の集合の放射状スロット６２を介して導入される
。コンジット８６は任意に、ブート８４の内部からスロット６２の内部に延長す
るプレナムチャンバ７０中に装備されるが、これによって、ブート８４とスロッ
ト６２間のガス圧力差によって、ブート中に捕獲された固体粒子が、コンジット
から注入チャンバ６０と反応器１９中にスイープされる。環状開口６９中に間隔
をおいて配置された翼６８が、スロット６２を形成し、これによって、四塩化チ
タンガスは、注入チャンバ６０中で一様に分布され、また、四塩化チタンガスと
それと共に搬送される固体粒子（もしあれば）の、注入チャンバ６０と反応器１
９の中心を通る流れを整合させ、これによって、内部における不完全混合と浸食
を防止する。
【００３３】 これで当業者には理解されるように、固体粒子を含むガス反応体を高流量で管
状反応器中で反応させる本発明による改善されたプロセスと装置によって、反応
器中でガスを一様に分布させてより良好に混合させて低圧力低下でこれらの反応
を実行し、しかも、過度の浸食がないようにすることが可能である。また当業者
には理解されるように、本発明による改善されたプロセスと装置を利用して、固
体粒子を含む様々な反応体を高流量でしかも高温で反応させることが可能である
。このプロセスと装置は、予熱済み酸素と固体粒子を含む予熱済み四塩化チタン
とを管状反応器中で反応させて、二酸化チタンを生成するのに特に適している。
加えて、四塩化シリコン、四塩化ジルコニウム、四塩化アルミニウム及び類似物
などの他の予熱済み金属塩化物と予熱済み酸素を反応させるのにも適している。
【００３４】 したがって、本発明は、上記の目的を実行し、さらに目標及び利点並びに本書
に固有のそれらを達成するように良く適用される。多くの変更が当業者によって
なされ得るが、このような変更は、添付クレームに記載される本発明の精神の範
囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 管状反応器に接続された本発明による、固体粒子包含ガス反応体注入装置の上
面図である。
【図２】 図１を線２−２で切った側部断面図である。
【図３】 図２を線３−３で切った断面図である。
【図４】 図１を線４−４で切った断面図である。
【図５】 図１を線５−５で切った側部断面図である。
【図６】 図５を線６−６で切った断面図である。
【図７】 図５を線７−７で切った断面図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ， ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ， ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＢＺ，Ｃ Ａ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ， ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，Ｋ Ｇ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ， ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，Ｓ Ｄ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ， ＺＷ (72)発明者 ナタリー、 チャック エイ． アメリカ合衆国 オクラホマ州 73034 エドマンド ヘザーストーン ロード 2309 Ｆターム(参考） 4G047 CA02 CB04 4G075 AA03 AA23 AA51 BA01 BA06 BB05 CA02 CA03 CA51 DA02 DA18 EA05 EA06 EB21 EC01 FC09

Claims (33)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 高流量のガス反応体を管状反応器中で反応させるプロセスに
    おいて、前記プロセスが、前記反応器中で、圧力低下が低く、また、前記ガス反
    応体に搬送またはピックアップされる固定粒子による過度の浸食なしで実行され
    るように改善されたプロセスであり、 前記ガス反応体を、第１の環状プレナムチャンバと次に第２のより大きい直径
    の環状プレナムチャンバ中でかき混ぜるステップと、 前記ガス反応体を、前記反応器を前記第２のプレナムチャンバと連通させる２
    つ以上の放射状スロットを介して前記反応器に導入し、これによって、前記ガス
    反応体と、前記反応体と共に搬送される固体粒子とが、前記反応体中に流入して
    、内部で一様に分布されるステップと、 を含むプロセス。
  2. 【請求項２】 前記ガス反応体が酸素であり、また、前記管状反応器中で実
    行される反応が、二酸化チタンの高温生成である、請求項１に記載のプロセス。
  3. 【請求項３】 前記酸素が、約１０００゜Ｆから約１８００゜Ｆの範囲の温
    度に予熱される、請求項２に記載のプロセス。
  4. 【請求項４】 前記酸素が、約３５０゜Ｆから約１８００゜Ｆの範囲の温度
    に予熱された四塩化チタンガスと反応させられる、請求項２に記載のプロセス。
  5. 【請求項５】 高流量のガス反応体を管状反応器中で反応させるプロセスに
    おいて、前記プロセスが、前記反応器中で、圧力低下が低く、また、前記ガス反
    応体に搬送またはピックアップされる固定粒子による過度の浸食なしで実行され
    るように改善されたプロセスであり、 前記ガス反応体を、前記ガス反応体と共に搬送される固体粒子捕獲用のブート
    を内部に形成した環状プレナムチャンバ中でかき混ぜるステップと、 結果として得られるかなり固定粒子の減ったガス反応体を、前記反応器を前記
    プレナムチャンバに連通させる２つ以上の放射状スロットを介して前記反応器中
    に導入させ、これによって、前記ガス反応体が内部で一様に分布されるステップ
    と、 を含むプロセス。
  6. 【請求項６】 前記ブートの内部から前記放射状スロットの内の１つの放射
    状スロットの内部にまで延長する前記プレナムチャンバ中にコンジットを装備し
    て、前記ブートと前記放射状スロット間のガス圧力差によって、前記ブート中の
    捕獲された前記固体粒子が、前記コンジットを介して前記反応器中にスイープさ
    れるようにするステップをさらに含む、請求項５に記載のプロセス。
  7. 【請求項７】 前記ガス反応体が四塩化チタンであり、前記管状反応器中で
    実行される前記反応が二酸化チタンの高温生成である、請求項５に記載のプロセ
    ス。
  8. 【請求項８】 前記四塩化チタンガスが、約３５０゜Ｆから約１８００゜Ｆ
    の範囲の温度に予熱される、請求項７に記載のプロセス。
  9. 【請求項９】 前記四塩化チタンガスが、約１００゜Ｆから約１８００゜Ｆ
    の範囲の温度に予熱された酸素と反応する、請求項７に記載のプロセス。
  10. 【請求項１０】 酸素と、固定粒子を含む四塩化チタンガスと、を高流量で
    管状反応器中で少なくとも約２ｐｓｉｇの圧力と少なくとも約２２００゜Ｆの温
    度で反応させることによって二酸化チタンを生成するプロセスにおいて、前記プ
    ロセスが、前記反応器中で、圧力低下が低く、また、前記酸素及び四塩化チタン
    ガスに搬送又はピックアップされる固定粒子による過度の浸食なしで実行される
    ように改善されたプロセスであり、 前記酸素を、第１の環状プレナムチャンバと次に第２のより大きい直径の環状
    プレナムチャンバとの中でかき混ぜるステップと、 前記酸素を、前記反応器を前記第２のプレナムチャンバのアウトレットと連通
    させる第１の集合の放射状スロットを介して前記反応器に導入し、これによって
    、前記酸素と、前記酸素と共に搬送される固体粒子とが、前記反応体中に流入し
    て、内部で一様に分布されるステップと、 前記四塩化チタンガスを、前記四塩化チタンガスと共に搬送される固体粒子捕
    獲用のブートを内部に形成した第３の環状プレナムチャンバ中でかき混ぜるステ
    ップと、 結果として得られるかなり固定粒子の減った四塩化チタンガスを、前記反応器
    を前記第３プレナムチャンバに連通させる第１集合の放射状スロットを介して前
    記反応器中に導入させ、これによって、前記四塩化チタンガスが内部で一様に分
    布されるステップと、 を含むプロセス。
  11. 【請求項１１】 前記ブートの内部から前記第２の集合の放射状スロットの
    内の１つの放射状スロットの内部にまで延長する前記第３のプレナムチャンバ中
    にコンジットを装備して、前記ブートと前記放射状スロット間のガス圧力差によ
    って、前記ブート中の捕獲された前記固体粒子が、前記コンジットを介して前記
    反応器中にスイープされるようにするステップをさらに含む、請求項１０に記載
    のプロセス。
  12. 【請求項１２】 前記酸素が、約１０００゜Ｆから約１８００゜Ｆの範囲の
    温度に予熱される、請求項１０に記載のプロセス。
  13. 【請求項１３】 前記四塩化チタンが、約３５０゜Ｆから約１８００゜Ｆの
    範囲の温度に予熱される、請求項１０に記載のプロセス。
  14. 【請求項１４】 固体粒子を含む又はピックアップするガス反応体を高流量
    で管状反応器に導入する改良型装置において、 閉鎖した前方端と、前記管状反応器の上流端に密封状に接続されるようになっ
    ている後方端と、を有し、また、自身の周辺部の周りに環状開口を有する円筒形
    ガス反応体注入チャンバと、 外部壁と、前記ガス反応体注入チャンバの外部に密封状に取り付けられた少な
    くとも１つの側部と、を有する第１の環状プレナムチャンバであり、前記第１の
    プレナムチャンバが、環状側部アウトレットを有し、また、固体粒子を含む前記
    ガス反応体を高流量ストリームで受容して前記ストリームを内部でかき混ぜる接
    線方向インレットを有する、第１の環状プレナムチャンバと、 外部壁と側部を有し、また、前記ガス反応体注入チャンバの外部に密封状に取
    り付けられた前記第１のプレナムチャンバより大きい直径を有する第２の環状プ
    レナムチャンバであり、前記第２のプレナムチャンバが、前記第１のプレナムチ
    ャンバの前記環状側部アウトレットに密封状に取り付けられた環状の側部インレ
    ットを有する、第２の環状プレナムチャンバと、 前記第２のプレナムチャンバ内で、前記環状側部インレットと反対側の側部に
    形成された環状スロットであり、前記環状スロットが、前記ガス反応体注入チャ
    ンバの前記環状開口の上部に密封状に取り付けられて、前記第２のプレナムチャ
    ンバの外部壁の近くに延長する、環状スロットと、 前記環状スロット内に取り付けられ、これによって、２つ以上の放射状スロッ
    トを内部に形成する間隔置きされた複数の翼と、 を備える改良型装置。
  15. 【請求項１５】 前記円筒形ガス反応体注入チャンバ内に配置され、前記ガ
    ス反応体を内部で整合させて分布され、これによって、前記ガス反応体が、前記
    管状反応器の中心を流れるようにする、ガス反応体ディフレクタをさらに備える
    、請求項１４に記載の装置。
  16. 【請求項１６】 前記ガス反応体が、加熱済み酸素であり、前記管状反応器
    中で実行される反応が、二酸化チタンの高温生成である、請求項１４に記載の装
    置。
  17. 【請求項１７】 前記円筒形ガス反応体注入チャンバ中に密封状に延長し、
    また、前記円筒形ガス反応体注入チャンバと同軸状に位置付けされて、内部の反
    応体スカーリング媒体を排出するようになっている第１のコンジットをさらに備
    える、請求項１６に記載の装置。
  18. 【請求項１８】 前記円筒形ガス反応体注入チャンバ中に密封状に延長し、
    また、前記円筒形ガス反応体注入チャンバ及び前記第１のコンジットと同軸状に
    位置付けされて、内部の補助燃料を排出するようになっている第２のコンジット
    をさらに備える、請求項１７に記載の装置。
  19. 【請求項１９】 前記円筒形ガス反応体注入チャンバの外部に密封状に取り
    付けられた少なくとも１つの冷却用水ジャケットをさらに備える、請求項１８に
    記載の装置。
  20. 【請求項２０】 前記環状開口と前記閉鎖前方端間で前記円筒形ガス反応体
    注入チャンバ中に配置された熱シールドをさらに備える、請求項１９に記載の装
    置。
  21. 【請求項２１】 固体粒子を含む又はピックアップするガス反応体を高流量
    で管状反応器に導入する改良型装置において、前記装置が： 前方端と、前記管状反応器の上流端に密封状に接続されるようになっている後
    方端と、を有し、また、自身の周辺部の周りに環状開口を有し、前記環状開口が
    、内部に配置された間隔置きされた複数の翼を有し、これによって内部で２つ以
    上の放射状スロットを形成している、円筒形ガス反応体注入チャンバと、 外部壁と、前記環状開口の上方で前記円筒形ガス反応体注入チャンバの外部に
    密封状に取り付けられた側部とを有し、また、固体粒子を含む前記ガス反応体を
    高流量ストリームで受容し、また、前記ガス反応体を前記プレナムチャンバ中で
    かき混ぜる目的の接線方向インレットを有する環状プレナムチャンバであり、前
    記環状プレナムチャンバもまた、前記前記ガス反応器に含まれている前記固体粒
    子を捕獲するための、前記接線方向インレットの下流にある内部に形成された接
    線方向ブートを含む、環状プレナムチャンバと、 を備える改良型装置。
  22. 【請求項２２】 一方の端が前記ブート中に延長しており、他方の端が前記
    円筒形ガス反応体注入チャンバの前記放射状スロットの内の１つに延長している
    、前記プレナムチャンバ内に取り付けられたコンジットをさらに備える、請求項
    ２０に記載の装置。
  23. 【請求項２３】 前記ガス反応体が、加熱済み四塩化チタンガスであり、前
    記管状反応器中で実行される反応が、二酸化チタンの高温生成である、請求項２
    １に記載の装置。
  24. 【請求項２４】 前記環状プレナムチャンバ中に配置された耐腐食性材料で
    形成された内部ライナをさらに備える、請求項２３に記載の装置。
  25. 【請求項２５】 前記円筒形ガス反応体注入チャンバの前記環状開口と内部
    に形成された前記放射状スロットが、その前記後方端に向かって角度付けされて
    いる、請求項２３に記載の装置。
  26. 【請求項２６】 酸素と固体粒子を含む又はピックアップする四塩化チタン
    ガスを高流量で管状反応器に導入する改良型装置において、 閉鎖した前方端と後方端を有し、また、その周辺部の周りに環状開口を有する
    円筒形酸素注入チャンバと、 外部壁と、前記円筒形酸素注入チャンバの外部に密封状に取り付けられた少な
    くとも１つの側部とを有する第１の環状プレナムチャンバであり、前記第１のプ
    レナムチャンバが、環状側部アウトレットを有し、また、固体粒子を含む加熱済
    み酸素を高流量ストリームで受容して前記ストリームを内部でかき混ぜる接線方
    向インレットを有する、第１の環状プレナムチャンバと、 外部壁と側部を有し、また、前記酸素注入チャンバの外部に密封状に取り付け
    られた前記第１のプレナムチャンバより大きい直径を有する第２の環状プレナム
    チャンバであり、前記第２のプレナムチャンバが、前記第１のプレナムチャンバ
    の前記環状側部アウトレットに密封状に取り付けられた環状の側部インレットを
    有する、第２の環状プレナムチャンバと、 前記第２のプレナムチャンバ内で、前記環状側部インレットと反対側の側部に
    形成された環状スロットであり、前記環状スロットが、前記円筒状酸素注入チャ
    ンバの前記環状開口の上部に密封状に取り付けられて、前記第２のプレナムチャ
    ンバの外部壁の近くに延長する、環状スロットと、 前記環状スロット内に取り付けられ、これによって、内部で２つ以上の放射状
    スロットを形成する間隔置きされた複数の翼と、 前記円筒形酸素注入チャンバの前記後方端に密封状に接続された前方端と、前
    記管状反応器の上流端に接続された後方端とを有し、また、自身の周辺部の周り
    に内部形成された環状スロットを有する円筒形四塩化チタンガス注入チャンバで
    あり、前記環状スロットが、内部に間隔をおいて配置された複数の翼を有し、こ
    れによって内部で２つ以上の放射状スロットを形成する、円筒形四塩化チタンガ
    ス注入チャンバと、 外部壁と、前記円筒形四塩化チタンガス注入チャンバの外部に密封状に取り付
    けられた側部とを有し、また、固体粒子を含む加熱済み四塩化チタンガスを高流
    量ストリームで受容して、前記四塩化チタンガスを前記プレナムチャンバ中でか
    き混ぜる接線方向インレットを有する第３の環状プレナムチャンバであり、前記
    第３の環状プレナムチャンバもまた、前記接線方向インレットの下流で内部形成
    された、前記四塩化チタンガス中に含まれる前記固体粒子を捕獲するための接線
    方向ブートを含む、第３の環状プレナムチャンバと、 を備える改良型装置。
  27. 【請求項２７】 一方の端が前記ブート中に延長しており、他方の端が前記
    円筒形四塩化チタンガス注入チャンバの前記放射状スロットの内の１つに延長し
    ている、前記第３のプレナムチャンバ内に取り付けられたコンジットをさらに備
    える、請求項２６に記載の装置。
  28. 【請求項２８】 前記酸素を内部で分布させて整合させ、それによって、前
    記酸素が前記管状反応器の中心を流れるようにする、前記円筒形酸素注入チャン
    バ内に配置された酸素ディフレクタをさらに備える、請求項２６に記載の装置。
  29. 【請求項２９】 前記円筒形酸素注入チャンバ中に密封状に延長し、前記円
    筒形酸素注入チャンバと同軸状に位置付けされて、内部にある反応器スカーリン
    グ媒体を排出する第１のコンジットをさらに備える、請求項２６に記載の装置。
  30. 【請求項３０】 前記円筒形酸素注入チャンバ中に密封状に延長し、前記円
    筒形酸素注入チャンバ及び前記第１のコンジットと同軸状に位置付けされて、内
    部にある補助燃料を排出する第２のコンジットをさらに備える、請求項２９に記
    載の装置。
  31. 【請求項３１】 前記円筒形酸素注入チャンバ内で、内部の前記環状開口と
    その閉鎖前方端との間に配置された熱シールドをさらに備える、請求項３０に記
    載の装置。
  32. 【請求項３２】 前記第３の環状プレナムチャンバ中に配置された耐腐食性
    材料で形成された内部ライナをさらに備える、請求項２６に記載の装置。
  33. 【請求項３３】 前記円筒形四塩化チタンガス注入チャンバの前記環状スロ
    ットと前記放射状スロットが、前記注入チャンバの前記後方端に向かって角度付
    けされる、請求項３２に記載の装置。
JP2001512460A 1999-07-27 2000-07-26 固体粒子を含むガス反応体を反応させるプロセスと装置 Pending JP2003505239A (ja)

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