JP6735352B2 - 金属塩化物生成器と塩素プロセス - Google Patents

Description

本発明は遠心塩化アルミニウム生成器に関する。

関連出願の相互参照
本願は、先に出願された米国仮出願第６２／３１６，１１２号（２０１６年３月３１日出願）の利益を主張する。これは参照によりここに組み入れられる。

二酸化チタンは、周知の顔料であり、白色不透明化剤である。例えば、二酸化チタンは、コーティング配合物（塗料及びインクの配合物を含む）、紙組成物、ポリマー組成物、及び他の生成物に関連する顔料として使用される。二酸化チタン顔料は、硫酸プロセス又は塩素プロセスのいずれかにより製造することができる。使用される製造プロセスにかかわらず、顔料は典型的に、粉末の形態で製造される。

二酸化チタンを製造する塩素プロセスの場合、乾燥二酸化チタン鉱石（例えばルチル又は高品位イルメナイト）が、炭素源（例えばコークス）及び塩素とともにクロリネーターの中に供給され、高温で反応を起こして蒸気形態の四塩化チタン（ＴｉＣｌ_４）が生成される。ガス状の四塩化チタンが、液体形態に凝縮された後、精製されて不純物が除去される。精製された四塩化チタンはその後、気化されて高温で気相酸素と反応を起こし、二酸化チタン粒子とガス状の反応生成物とが生成される。オキシダイザーにおいて必要な高温を達成するべく、四塩化チタン蒸気及び酸素ガスストリームは、オキシダイザーに導入される前に常に予熱される。酸化ステップに引き続き、二酸化チタン及びガス状反応生成物が冷却され、二酸化チタン粒子が回収される。

回収された二酸化チタン粒子は通常、顔料としての使用を目的として販売及び輸送される前に、さらなる処理される。例えば、予定の最終用途アプリケーションに応じて、仕上げのプロセスは典型的に、光散乱効率、及び顔料の耐久性を高めるべく、並びに他の所望の特性及び特徴を与えるべく、一以上の金属酸化物によって二酸化チタン粒子をコーティングすることを必要とする。

典型的には、塩化アルミニウムのような金属塩化物が、二酸化チタンの結晶格子構造に金属酸化物を組み込むべく、酸化反応器の中の四塩化チタン蒸気に添加される。この金属酸化物は、二酸化チタンのルチル化を促進する。これはまた、仕上がった顔料の耐久性も向上させる。

ハロゲン化チタン気相酸化法において使用される金属塩化物は一般に、１）商業的販売業者から購入することによるか、又は２）現場で生成することによる、２つの方法のいずれかにおいて得られる。いずれの方法も、利点及び欠点を有する。

例えば、既存の（例えば購入された）金属塩化物は、現場で金属塩化物を生成するのに必要な機器の費用を必要としない。しかしながら、既存の（例えば購入された）金属塩化物は最初に、濃縮液体ハロゲン化チタンの中に溶解する必要がある。これは典型的に、ハロゲン化チタンの加熱を必要とする。この溶解プロセスは、全体的な製造サイクルの時間を引き延ばし得る。また、徳用の既存の塩化アルミニウムのような金属塩化物は、不純物を含有し得る。この不純物は、ハロゲン化チタンと反応してハロゲン化チタン気化器の壁上に、問題のある堆積物を生成する。さらに、金属塩化物とハロゲン化チタンとの混合物は、腐食性となり得るので、高コストの耐食性材料により内張りされた酸化反応器及び関連機器が必要となるのが典型的である。

塩化アルミニウムは、様々な方法により現場で生成することができる。例えば、金属塩化物（例えば塩化アルミニウム）は、流動床反応器において生成することができる。このような反応器において、例えば、気化器又は予熱器（かかる機器が使用されるシーケンスによる）からの塩素ガス及びハロゲン化チタン蒸気の混合ストリームが、当該反応器の底にある固体金属（例えば固体アルミニウム）ペレットの床の中へと導入され、気泡及び進入型ガスの形態で鉛直方向に流される。気泡及び進入型ガスが金属ペレットに接触することにより、塩素及び金属が反応を起こして金属塩化物蒸気が形成される。ブローオーバー固体金属（例えば固体アルミニウム）粒子が、ブローオーバーとして流動床反応器から出ることができる。典型的には、アルミニウム又は他の金属ペレットの表面を磨くべく砂床も反応器に含まれ、一般に当該ペレットの表面上に本質的に存在する酸化アルミニウム又は他の金属酸化物のコーティングが破壊される。

流動床金属塩化物生成器のサイズは一般に、ブローオーバーとして反応器を出ることが許容される金属粒子のサイズと、金属及び塩素間の反応の発熱性とによって決定される。所望のブローオーバー金属粒子サイズは、空間速度、及び流動床の輸送分離高さに影響する。通常、粒子サイズは、下流側機器の浸食及び腐食が懸念されることから、相対的に小さくなるように選択される。例えば、アルミニウム及び塩素の反応は、かなりの発熱性なので、典型的な添加レベルにおいて、反応温度をアルミニウムの融点により決まるように制御したままとする当該プロセスのヒートシンクとして機能するべく、ハロゲン化チタン蒸気ストリームの実質的にすべてが流動床金属塩化物生成器を通り抜ける。当該反応の発熱性ゆえに、アルミニウム及び塩素が反応器に添加される全体的な速度もまた、必要とされる反応器サイズを決定する因子となる。

普通であれば、二酸化チタン顔料に所望の金属酸化物濃度を与えるのに十分な量の金属塩化物を生成するべく、流動床反応器はかなり大きくなる。金属の粒子サイズを小さくすることは一般に、必要な反応器のサイズを大きくすることを意味する。例えば、多くの場合、二酸化チタン生産ラインにある流動床金属塩化物生成器は、高さが１６フィート（約５メートル）、直径が３フィート（約１メートル）となる。ハロゲン化チタンと金属塩化物との混合物の腐食性ゆえに、反応器は一般に、エキゾチックな（ｅｘｏｔｉｃ）合金から作られる必要があり、かつ難分解性の内張りを必要とする。その結果、大きな流動床反応器は、資本コスト、運転コスト及び維持コストにより高価となり得る。

米国特許第８，３２４，５２３（Ｂ２）号明細書 米国特許第８，６１７，６７２（Ｂ２）号明細書 米国特許第５，４１３，８１３（Ａ）号明細書 米国特許第５，５９９，５１９（Ａ）号明細書 米国特許第４，０８０，１９４（Ａ）号明細書

本開示によれば、金属塩化物生成器が与えられる。金属塩化物生成器は、金属塩化物遠心反応器である。一実施形態において、ここに開示されるのは、
ａ．反応器ハウジングであって、内側面、外側面、頂部、底部、当該頂部と底部とを一緒に接続する側壁、及び内部を含む反応器ハウジングと、
ｂ．反応器ハウジングの内部の中に配置された円筒反応チャンバであって、当該反応チャンバは、内側面、外側面、頂部、底部、当該頂部と底部とを一緒に接続する円筒側壁、及び内部を含み、当該反応チャンバの内部は上半分及び下半分を有する反応チャンバと、
ｃ．反応器ハウジングの側壁及び当該反応チャンバの側壁を貫通して内側面、外側面及び内部を含む反応物質入口導管であって、当該反応物質入口導管は、少なくとも一つの反応成分を当該反応器ハウジングの外側の箇所から受け入れる第１開口、及び当該反応成分を当該反応チャンバの中へと放出する第２開口もまた含み、反応物質入口導管の第２開口は当該反応チャンバの円筒側壁の内側面と面一にされて当該反応チャンバの内部の中へと開口する反応物質入口導管と、
ｄ．当該反応チャンバの頂部及び反応器ハウジングの頂部を貫通して内側面、外側面及び内部を含む反応生成物出口導管であって、少なくとも一つの反応生成物を当該反応チャンバの内部から受け入れる第１開口、及び当該反応生成物を反応器ハウジングの外側の箇所へと放出する第２開口もまた含む反応生成物出口導管と
を含む金属塩化物生成器である。

金属塩化物生成器の他実施形態において、当該反応チャンバ、反応物質入口導管及び反応生成物出口導管の少なくとも一つが、内側面に取り付けられた難分解性ライニングを含み、当該難分解性ライニングは内側面が当該反応チャンバ、反応物質入口導管又は反応生成物出口導管の内部の方を向いて金属粒子における金属酸化物層を破壊するのに十分なきめの粗さを有する。

本開示によれば、二酸化チタンを製造するプロセスもまた与えられる。第１実施形態において、プロセスは、二酸化チタンを製造する塩素プロセスであって、
ａ．二酸化チタン鉱石、炭素源及び塩素をクロリネーターの中へと導入することと、
ｂ．当該クロリネーターを、当該クロリネーターの中の二酸化チタン鉱石、炭素源及び塩素が反応して四塩化チタンを形成するのに十分な条件のもとで動作させることと、
ｃ．金属粒子及び塩素を金属塩化物生成器の中へと導入することであって、当該金属塩化物生成器は金属塩化物遠心反応器であることと、
ｄ．当該金属塩化物生成器を、遠心力を使用して当該生成器の中の金属粒子及び塩素が互いに接触するようになって反応し金属塩化物を形成するのに十分な条件のもとで動作させることと、
ｅ．当該クロリネーターの中に形成された四塩化チタン、当該金属塩化物生成器の中に形成された金属塩化物、及び酸素をオキシダイザーの中へと導入することと、
ｆ．当該オキシダイザーを、当該オキシダイザーにおける四塩化チタン及び金属塩化物を酸化して金属酸化物が結晶格子構造の中に組み込まれた二酸化チタン粒子を形成するのに十分な条件のもとで動作させることと、
ｇ．オキシダイザーの中に形成された二酸化チタン粒子を回収することと
を含む。

第２実施形態において、プロセスは、二酸化チタンを製造するプロセスであって、
ａ．金属粒子及び塩素を金属塩化物生成器の中へと導入することであって、当該金属塩化物生成器は金属塩化物遠心反応器であることと、
ｂ．当該金属塩化物生成器を、遠心力を使用して当該生成器の中の金属粒子及び塩素が互いに接触するようになって金属塩化物を形成するのに十分な条件のもとで動作させることと、
ｃ．ハロゲン化チタン、当該金属塩化物生成器の中に形成された金属塩化物、及び酸素をオキシダイザーの中へと導入することと、
ｄ．当該オキシダイザーを、当該オキシダイザーにおけるハロゲン化チタン及び金属塩化物を酸化して金属酸化物が結晶格子構造に組み込まれた二酸化チタン粒子を形成するのに十分な条件のもとで動作させることと、
ｅ．オキシダイザーの中に形成された二酸化チタン粒子を回収することと
を含む。

本出願に含まれる図面は、ここに記載の実施形態の所定の側面を例示する。しかしながら、図面は、排他的な実施形態とみなすべきではない。開示される主題は、本開示の利益を受ける当業者に想起されるような、形態及び機能の、かなりの修正、改変、組み合わせ、及び均等物が可能である。

ここに開示される遠心塩化アルミニウム生成器の一実施形態の斜視図である。 頂部入口ありだが中心渦ファインダなしの、図１により例示される遠心塩化アルミニウム生成器の部分断面図である。 頂部入口と、生成器の頂部から第１距離だけ当該生成器の中へと延びる中心渦ファインダとがありの、図１により例示される遠心塩化アルミニウム生成器の部分断面図である。 頂部入口と、生成器の頂部から第２距離だけ当該生成器の中へと延びる中心渦ファインダとがありの、図１により例示される遠心塩化アルミニウム生成器の部分断面図である。 底部入口ありだが中心渦ファインダなしの、図１により例示される遠心塩化アルミニウム生成器の部分断面図である。 底部入口と、生成器の頂部から第１距離だけ生成器の中へと延びる中心渦ファインダとがありの、図１により例示される遠心塩化アルミニウム生成器の部分断面図である。 図２Ａにより例示される遠心塩化アルミニウム生成器の他の部分断面図である。 図３の断面４Ａから取った詳細図である。 図３の断面４Ｂから取った詳細図である。 図２Ｃの断面４Ｃから取った詳細図である。 図１〜３及び４Ａ〜４Ｃにより例示される塩化アルミニウム生成器に関して実行された数値流体力学（ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｆｌｕｉｄ ｄｙｎａｍｉｃｓ（ＣＦＤ））分析の結果を例示する。 図１〜３及び４Ａ〜４Ｃにより例示される塩化アルミニウム生成器に関して実行されたＣＦＤ分析の結果を例示する。 図１〜３及び４Ａ〜４Ｃにより例示される塩化アルミニウム生成器に関して実行されたＣＦＤ分析の結果を例示する。 図１〜３及び４Ａ〜４Ｃにより例示される塩化アルミニウム生成器に関して実行されたＣＦＤ分析の結果を例示する。 ここに開示される二酸化チタンを製造するプロセスの一実施形態を例示する模式的な図である。 ここに開示される二酸化チタンを製造するプロセスの他実施形態を例示する模式的な図である。

本開示は、本詳細な説明を参照することにより容易に理解することができる。単純かつ明確な例示を目的として、適切な場合には、対応する又は類似する要素を示すべく異なる図面同士において参照番号が繰り返される。加えて、ここに記載される様々な実施形態の完全な理解を与えるべく、多数の具体的な詳細が記載される。しかしながら、当業者に理解されることだが、ここに記載される実施形態は、これらの具体的な詳細なしでも実施することができる。他例において、方法、手順及び構成要素は、関連する重要な特徴が記載されるのを不明りょうにすることがないように、詳細には記載されない。また、本明細書は、ここに記載される実施形態の範囲を制限するものとみなしてはならない。図面は必ずしも縮尺どおりではなく、所定の部品の比率は、本開示の詳細及び特徴を良好に例示するべく誇張される。

一側面において、本開示は金属塩化物生成器を与える。他側面において、本開示は、二酸化チタンを製造するプロセスを与える。

ここに開示される金属塩化物生成器は、金属塩化物遠心反応器である。ここで及び添付の特許請求の範囲で使用されるように、金属塩化物遠心反応器とは、固体金属及び塩素ガスが金属塩化物を形成する反応を促進するべく、並びに金属塩化物を反応器の中の他の成分から分離するべく、遠心力を使用する反応器を意味する。遠心力により、生成器の中の小さな未反応金属粒子がブローオーバーとして反応器外へと搬送されることが防止されたまま、塩素ガス及び固体金属粒子が反応することが許容される。金属塩化物生成器は、独立型の金属塩化物生成器として使用することができ、又は金属塩化物が必要とされる任意のプロセスにおいて現場で使用することができる。ここで及び添付の特許請求の範囲で使用されるように、表面又は構成要素「に取り付けられ」とは、当該表面又は構成要素に直接的又は間接的に取り付けられることを意味する。

一実施形態において、ここに開示される金属塩化物生成器は、二酸化チタンを製造するプロセスにおいて現場で金属塩化物を生成するのに使用される。例えば、金属塩化物生成器は、二酸化チタンを製造する塩素プロセスにおいて現場で金属塩化物を生成するために現在使用されている従来型流動床反応器に関連して、サイズの制約及び設計パラメータを回避するべく使用することができる。

ここで図面を参照すると、特に図１〜４を参照すると、一般に参照番号１０で指定される本開示の金属塩化物生成器の一実施形態が記載される。金属塩化物生成器１０は、
ａ．内側面１４、外側面１６、頂部１８、底部２０、頂部１８と底部２０とを接続する側壁２２、及び内部２４を含む反応器ハウジング１２と、
ｂ．反応器ハウジング１２の内部２４の中に配置された円筒反応チャンバ２８であって、反応チャンバ２８は、内側面３２、外側面３４、頂部３６、底部３８、頂部３６と底部３８とをともに接続する円筒側壁４０、及び内部４４を含み、反応チャンバ２８の内部４４は上半分４６及び下半分４８を有する円筒反応チャンバ２８と、
ｃ．反応器ハウジング１２の側壁２２及び反応チャンバ２８の側壁４０を貫通して内側面５１、外側面５２及び内部５３を含む反応物質入口導管５０であって、反応物質入口導管５０はまた、少なくとも一つの反応成分を反応器ハウジング１２の外側の箇所５６から受け入れる第１開口５４、及び当該反応成分を反応チャンバ２８の中へと放出する第２開口６０も含み、反応物質入口導管５０の第２開口６０は反応チャンバ２８の円筒側壁４０の内側面３２と面一にされて反応チャンバ２８の内部４４の中へと開口する反応物質入口導管５０と、
ｄ．反応チャンバ２８の頂部３６及び反応器ハウジング１２の頂部１８を貫通して内側面６３、外側面６４及び内部６５を含む反応生成物出口導管６２であって、少なくとも一つの反応生成物を反応チャンバ２８の内部４４から受け入れる第１開口６６、及び当該反応生成物を反応器ハウジングの外側の箇所７０へと放出する第２開口６８を含む反応生成物出口導管６２と
を含む。

反応器ハウジング１２は、形状が円筒であり、スタンド集合体７２により地面上に支持される。スタンド集合体７２は、金属塩化物生成器１０を地面又は他の表面（図示せず）上に支持する。スタンド集合体７２は複数の脚部材７４を含む。一対の対向するフランジ集合体７８が、反応器ハウジング１２の頂部１８及び側壁２２に隣接するように反応器ハウジング１２の外側面１６に取り付けられ、頂部１８は反応器ハウジング１２から取り外されることが許容される。反応器ハウジング１２の取り外し可能な頂部１８により、反応チャンバ１２の内部４４へのアクセスが許容される。

内側面８６及び外側面８８を有する耐食ライナ８４が、反応器ハウジング１２に取り付けられる。耐食ライナ８４の外側面８８は、反応器ハウジング１２の内側面１４に取り付けられる。

円筒反応チャンバ２８は、形状が円筒状であり、反応器ハウジング１２の中心部分９０に配置される。反応チャンバ２８の内側面３２は、内側面９４及び外側面９６を有する難分解性ライニング９２により取り囲まれる。難分解性ライニング９２の内側面９４は、反応チャンバ２８の内部４４の方を向く。

難分解性ライニング９２は絶縁層１００により取り囲まれ、絶縁層１００は、内側面１０２及び外側面１０４、側壁１０６、頂部１０８及び底部１１０を含む。絶縁層１００の内側面１０２は、難分解性ライニング９２の外側面９６に取り付けられる。例えば、絶縁層１００の側壁１０６の外側面１０４が、耐食ライナ８４の内側面８６に取り付けられる。

反応物質入口導管５０は円筒導管である。反応物質入口導管５０の内側面５１は、内側面１２２及び外側面１２４を有する難分解性ライニング１２０により取り囲まれる。難分解性ライニング１２０の内側面１２２は、反応物質入口導管５０の内部５３の方を向く。

内側面１３２及び外側面１３４を有する絶縁層１３０が、難分解性ライニング１２０を取り囲む。絶縁層１３０の内側面１３２は、難分解性ライニング１２０の外側面１２４に取り付けられる。図４Ｂにより最も良好に示されるように、内側面１４２及び外側面１４４を有する耐食ライナ１４０が絶縁層１３０を取り囲む。耐食ライナ１４０の内側面１４２は、絶縁層１３０の外側面１３４に取り付けられる。

反応物質入口導管５０は、少なくとも一つの反応成分（例えば反応成分のすべて）を、反応器ハウジング１２の外側の箇所５６から第１開口５４を介して受け取り、当該反応成分（例えば反応成分のすべて）を、第２開口６０を介して反応チャンバ２８の中へと放出する。例えば、箇所５６は、反応生成物の源（図示せず）に流体的に接続された一以上の他の導管（図示せず）としてよい。フランジ８０を、反応物質入口導管５０を他の導管へと接続するべく使用してよい。

図１、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ及び３により示されるように、反応物質入口導管５０の第２開口６０は、反応チャンバ２８の内部４４の上半分４６の中へと開口する。他の実施形態において、図２Ｄ及び２Ｅにより示されるように、反応物質入口導管５０の第２開口６０は、反応チャンバ２８の内部４４の下半分４８の中へと開く。例えば、以下の例１により示されるように、反応物質入口導管５０の第２開口６０は、いくつかの点で、反応チャンバ２８の内部４４の上半分４６の中へと開く方がよい。

反応生成物出口導管６２はまた、円筒導管でもある。反応生成物出口導管６２は、内側面１５２及び外側面１５４を有する難分解性ライニング１５０によって取り囲まれる。難分解性ライニング１５０の内側面１５２は、反応物質入口導管５０の内部６５の方を向く。

内側面１６２及び外側面１６４を有する絶縁層１６０が、反応生成物出口導管６２の、第２開口６８に隣接する部分１６６を取り囲む。絶縁層１６０の内側面１６２は、反応生成物出口導管６２の外側面６４に取り付けられる。図４Ｃに最もよく示されるように、内側面１７２及び外側面１７４を有する耐食ライナ１７０が絶縁層１６０を取り囲む。耐食ライナ１７０の内側面１７２は、絶縁層１６０の外側面１６４に取り付けられる。

反応生成物出口導管６２は、少なくとも一つの反応生成物（例えば反応生成物のすべて）を、反応チャンバ２８の内部４４から第１開口６６を介して受け取り、当該反応生成物（例えば反応生成物のすべて）を、第２開口６８を介して反応器ハウジング１２の外側の箇所７０へと放出する。例えば、箇所７０は、さらなる処理を目的として反応生成物を他の機器（図示せず）へと案内する一以上の他の導管（図示せず）としてよい。フランジ８２を、反応生成物出口導管６２を他の導管へと接続するべく使用してよい。

図２Ａ、２Ｄ及び３に示されるように、反応生成物出口導管６２の第１開口６６は、反応チャンバ２８の頂部３６と面一とされる。図２Ｂ、２Ｃ及び２Ｅに示されるように、他の実施形態において、反応生成物出口導管６２は、反応チャンバ２８の頂部３６から反応チャンバ２８の内部４４の中へと延びるので、反応生成物出口導管６２の第１開口６６が反応チャンバ２８の内部４４の中に配置される。この実施形態において、例えば、反応生成物出口導管６２が反応チャンバ２８の内部４４の中へと延びる距離は、反応チャンバ２８の内部４４の中での第１開口６６の位置を変えるべく可変とされる。

例えば、図２Ｂ及び２Ｅに示されるように、反応生成物出口導管６２が反応チャンバ２８の内部４４の中へと半分未満だけ延びることにより、反応生成物出口導管６２の第１開口６６が、反応チャンバ２８の内部４４の上半分４６の中に配置される。例えば、図２Ｃにより示されるように、反応生成物出口導管６２が反応チャンバ２８の内部４４の中へと半分を超えて延びることにより、反応生成物出口導管６２の第１開口６６が、反応チャンバ２８の内部４４の下半分４８の中に配置される。同様に、第１開口６６は、反応チャンバ２８の内部４４の中の他の位置にも配置することができる。

例えば、以下の例１に示されるように、いくつかの場合、最も良好に作用し得るのは、反応生成物出口導管６２の第１開口６６が、反応チャンバ２８の内部４４の上半分４６の中に配置されるように、当該反応生成物出口導管が反応チャンバ２８の内部４４の中へと半分未満だけ延びることである。実際のところ、多くの場合、最も良好に作用し得るのは、反応生成物出口導管６２の第１開口６６が、反応チャンバ２８の頂部３６と面一になることである。

反応器ハウジング１２は、インコネル合金又はインコネル合金クラッド炭素鋼から形成される。反応チャンバ２８、反応物質入口導管５０及び反応生成物出口導管６２は、炭化ケイ素又は他の耐食セラミック材料から形成される。

耐食ライナ８４、１４０及び１７０はそれぞれが、反応チャンバに加えられる反応物、及び当該反応チャンバの中に形成される反応生成物による腐食に耐性のある材料から形成される。例えば、耐食ライナ８４、１４０及び１７０それぞれは、炭化ケイ素又は他の耐食セラミック材料から形成することができる。

絶縁層１００、１３０及び１６０はそれぞれが、反応チャンバ２８における反応により生成される熱を保持するのに役立ち得る材料から形成される。例えば、絶縁層１００、１３０及び１６０それぞれは、難分解性タイル又は耐火れんがから形成することができる。

難分解性ライニング９２、１２０及び１５０により、粒子のアブレーション及び腐食に起因する金属塩化物生成器１０の摩耗及び亀裂が防止される。難分解性ライニング９２、１２０及び１５０は、他の機能を果たすこともできる。例えば、反応チャンバ２８に加えられる金属（例えばアルミニウム）粒子は、表面に金属酸化物層（例えばアルミニウムの場合の酸化アルミニウム層）を有する傾向がある。金属塩化物の反応を一貫して維持するには、金属粒子におけるそのような金属酸化物層を破壊する必要があり得る。

例えば、反応チャンバ２８、反応物質入口導管５０及び反応生成物出口導管６２それぞれの内部４４、５３及び６５の方を向く難分解性ライニング９２、１２０及び１５０の内側面９４、１２２及び１５２の一以上（例えばすべて）は、金属粒子における金属酸化物層を破壊するのに十分なきめの粗さを有し得る。表面の当該きめの粗さにより、金属粒子における任意の金属酸化物層を破壊するのに必要なスカーリングが与えられるので、反応チャンバ２８における砂又は他のスカーリング剤の必要性をなくすことができる。

例えば、難分解性ライニング９２、１２０及び１５０の内側面９４、１２２及び１５２の一以上（例えばすべて）は、約０．０１μｍから約１０００μｍの範囲にある表面粗さを有し得る。例えば、難分解性ライニング９２、１２０及び１５０の内側面９４、１２２及び１５２の一以上（例えばすべて）は、約０．９６μｍから約９．７９μｍの範囲にある表面粗さを有し得る。ここで及び添付の特許請求の範囲で使用されるように、一表面の「表面粗さ」とは、Ｍａｈｒ社のＰｏｃｋｅｔ Ｓｕｒｆ（登録商標）ＰＳ１表面試験器により測定される、当該表面の法線ベクトル方向における表面内偏差の長さを意味する。偏差が大きければ大きいほど、表面は粗くなる。

例えば、難分解性ライニング９２、１２０及び１５０は、セラミック材料から形成することができる。例えば、難分解性ライニング９２、１２０及び１５０は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）セラミック材料から形成することができる。例えば、炭化ケイ素材料のようなセラミック材料は、反応チャンバ２８、反応物質入口導管５０及び反応生成物出口導管６２の内側面９４、１２２及び１５２を摩耗及び亀裂から有効に保護するだけではなく、金属粒子における金属酸化物層を破壊するのに必要なスカーリングを与えるのに十分なきめの粗さも有する。市販されているそのような材料の一例は、ニューヨーク州オールバニのＢｌａｓｃｈ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｃｅｒａｍｉｃｓ社が販売するＡｌｔｒｏｎ（登録商標）アルミナ結合炭化ケイ素である。

以下に記載されるように、金属塩化物生成器１０は、二酸化チタンを生産する生産ラインに組み込むことができる。生成された金属塩化物は、塩化アルミニウム生成器１０から出てくる金属塩化物の高熱を散逸させる補助とするべく、全開流量のハロゲン化チタン蒸気又は他のハロゲン化チタンの、オキシダイザーへの供給ラインの中に混合され得る。例えば、ハロゲン化チタン蒸気は、金属塩化物生成器１０を、当該生成器の動作中に通り抜けることができる。

円筒反応チャンバ２８は、遠心反応器として動作する。塩素ガスストリームが、反応物質入口導管５０の第１開口５４の中に供給される。例えば、金属粒子（例えばアルミニウムペレット）を、反応器入口導管５０における塩素ガスストリームの中に落とし込むために、供給装置（図示せず）を使用することができる。例えば、供給装置は、二重弁配列、放出弁、回転弁、加圧フィーダ、又はスクリューフィーダとしてよい。塩素ガスストリームの速度により、ペレットは反応チャンバ２８の中へと搬送される。例えば、反応成分は、反応物質入口導管５０の第１開口５４を通って反応チャンバ２８の内部２４の中へと向かうように、当該反応成分が反応チャンバの側壁４０の内側面３２まわりに旋回して当該反応チャンバ内に渦を形成するのに十分な速度及び圧力で、接線方向に注入される。

反応物質入口導管５０の第２開口６０は、反応チャンバ２８の内部２４において反応成分の渦を形成するのに役立つ。反応物質入口導管５０の第２開口６０の形状、構成及び位置により、反応物は、当該反応物が十分な速度及び圧力で反応チャンバの中へと注入されると、（表面３２に対して）接線方向に注入されて反応チャンバの中へと向かい、円筒壁に沿って移動する。例えば、図２Ａにより示されるように、反応物質入口導管５０の第２開口６０は、反応チャンバ２８の内部４４に向かって先細りとなって反応チャンバの円筒側壁４０の内側面３２に対して接線方向に反応物を注入するように構成されるサイクロン入口である。第２開口は、接線方向の注入を容易にするべく円筒側壁の内側面３２と面一とされる。

例えば、生成器１０の反応チャンバ２８に加えられる金属粒子が当該反応チャンバにおける円運動を維持するべく、反応成分を、反応物質入口導管５０の第１開口５４を通して反応チャンバ２８の内部２４へと、最小注入速度（「最小入口速度」）で注入することができる。最小注入速度は、反応器の幾何学形状の関数である。例えば、最小入口速度は、約２５フィート／秒（７．６メートル／秒）から約１００フィート／秒（３０メートル／秒）の範囲にある。流動効果により、プロセス中に（例えばハロゲン化チタンが熱吸収のために反応器に導入される場合、ハロゲン化チタンとともに）形成される塩化アルミニウムは、反応チャンバ２８の中へと入って行き、反応チャンバ２８の内側面３２から外へと向かい、遠心作用によりもたらされる反応器内の渦の中に入る。ひとたび渦の中に入ると、塩化アルミニウム蒸気（及び、存在する場合にはハロゲン化チタン蒸気）は反応生成物出口導管６２の中へと入って反応チャンバ２８及び生成器１０から出る。

反応チャンバ２８内の渦によりもたらされる遠心作用は、金属粒子に遠心力（例えばｇ力）を及ぼす。これにより、小さな金属粒子が反応チャンバ２８の中に保持されるので、反応プロセスが効率的となって小さな反応器の使用が許容される。例えば、反応チャンバ２８においてアルミニウムは塩素ガスと反応し、以下の反応に従って塩化アルミニウム蒸気を形成する。
Ａｌ（ｓ）＋３／２Ｃｌ_２（ｇ）→ＡｌＣｌ_３（ｖ）

例えば、反応チャンバ２８の中の温度は、低温極値となる約３００℃を上回るように維持することができる。ここで、当該温度は、当該反応を開始させるには十分ではないが、金属の融点の高温極値（例えばアルミニウムの融点となる６６０℃）未満である。反応チャンバにおける金属と塩素との反応は、極めて発熱性である。例えば、生成器１０が、二酸化チタンを製造する塩素プロセスにおいて使用される場合、ハロゲン化チタンガスストリームのすべて又は一部分を、反応チャンバ２８の中に供給される塩素ガスストリームに組み合わせることが、当該反応の温度を制御するのに役立つ。ガス状のハロゲン化チタンストリームは熱を吸収するので、反応物質ストリーム全体の温度を制御するのに役立つ。

反応生成物出口導管６２は、反応チャンバ２８の頂部３６から反応チャンバ２８の内部４４の中へと延びることにより、渦ファインダとして機能する。すなわち、反応生成物出口導管６２は、反応チャンバ２８内に形成される渦の中に第１開口６６を配置するべく機能する。反応チャンバ２８の内部４４における第１開口６６の位置を変更するべく、反応生成物出口導管６２が反応チャンバ２８の内部４４の中へと延びる距離を変えることにより、渦ファインダの最適な位置を決定することができる。例１により示されるように、いくつかの場合、プロセスは、渦ファインダが全くない場合に、すなわち反応生成物出口導管６２の第１開口６６が反応チャンバ２８の頂部３６と面一の場合に、良好に作用する。

難分解性ライニング９２、１２０及び１５０の固有の表面粗さは、アルミニウム粒子をスカーリングして当該表面から酸化アルミニウムを除去するべく機能する。これにより、反応チャンバ２８における砂又は他のスカーリング媒体の必要性、及びそれにより潜在的に引き起こされる関連摩耗問題がなくなる。

生成器１０における金属塩化物の生成を含むプロセス全体が、連続的な態様で行われる。ハロゲン化チタンとともにオキシダイザー２５０に加えられる生成器１０からの金属塩化物の量は、当該オキシダイザーの中に形成された二酸化チタンの格子構造に金属酸化物を組み込むのに十分とされる。例えば、生成器１０からの金属塩化物は、形成される二酸化チタンの重量に基づいて約０．５重量％から約１．５重量％の範囲にある量でオキシダイザー２５０に加えることができる。

例えば、アルミニウム、ホウ素、ジルコニウム、ケイ素及びリンが、金属塩化物生成器１０の中の塩素ガスと反応し、塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ_３）、三塩化ホウ素（ＢＣｌ_３）、塩化ジルコニウム（ＺｒＣｌ_４）、塩化ケイ素（ＳｉＣｌ_４）及び塩化リン（ＰＣｌ_３）それぞれを形成し得る。アルミニウム・ケイ素合金、アルミニウム・リン合金、アルミニウム・ホウ素合金、アルミニウム・ジルコニウム合金、及びこれらの組み合わせを含む上記金属の様々な混合物又は合金はまた、金属塩化物生成器１０において塩素と反応して混合金属塩化物前駆体化合物を形成し得る。

図５〜８は、金属塩化物生成器１０に対して行われた、生成器１０において塩化アルミニウムを形成する塩素ガスとアルミニウムペレットとの反応に基づく数値流体力学（ＣＦＤ）解析の結果を例示する。この解析により示されるのは、例えば、生成器１０の頂部入口構成（図５）、生成器１０における同様の流れパターン及び反応物質速度（図６）、生成器１０における圧力降下（図７）、並びに生成器１０における粒子保持（図８）である。解析は、３２インチ（８１センチメートル）の内部直径、２８インチ（７１センチメートル）の内部高さ及び３１インチ（７９センチメートル）の外部高さを有する反応チャンバ２８と、１２インチ（３１センチメートル）の公称内径を有する反応物質入口導管５０と、９．２インチ（２３センチメートル）の公称内径を有する反応生成物出口導管６２とに基づく。反応物質入口導管５０に関連付けられる速度は８６フィート／秒（２６メートル／秒）である。反応チャンバ２８における圧力降下は、０．６ｐｓｉｇ（４．１キロパスカル（ゲージ圧））である。１００μｍを超える粒子はすべてが反応チャンバ２８に保持される。

図７により示されるように、例えば、反応チャンバ２８内の圧力降下は極めて小さく、１ｐｓｉｇ（６．９キロパスカル（ゲージ圧））未満である。相対的に、伝統的な流動床反応器は、流量分配器にわたる十分な圧力降下を必要とする。例えば、流動床反応器の床にわたる圧力降下は５ｐｓｉ（３．４キロパスカル）である。

図８により示されるように、例えば、生成器１０は、流動床生成器に対する終速度サイズ（近似的に６００μｍ）を十分に下回る１００μｍもの小ささのアルミニウム粒子を保持する。

例えば、一実施形態において、塩化アルミニウム生成器は、以下の設計パラメータを有する。すなわち、（ａ）反応物質入口導管５０を通り抜ける接線流体流れ速度が約５０フィート／秒（１５メートル／秒）から約２００フィート／秒（６１メートル／秒）であり、（ｂ）反応チャンバ２８の内径と反応物質入口導管５０の内径との比が２：１から４：１であり、（ｃ）反応チャンバ２８の高さと反応物質入口導管５０の内径との比が２：１から１０：１であり、（ｄ）反応生成物出口導管６２の直径と反応物質入口導管５０との直径との比が１：１から２：１である。これらの設計パラメータにより、良好な圧力降下及び良好な粒子保持をもたらす十分に進展した遠心流れパターンが達成されるので、相対的に小さな反応器を使用することが許容される。塩化アルミニウム生成器１０は、毎時７．５メトリックトンの二酸化チタンを生産する能力があるオキシダイザーに適合する。

すなわち、ここに開示される金属塩化物生成器１０は、従来型流動床金属塩化物生成器と比較して相対的にコンパクトな設計を有し、その代替物として使用することができる。伝統的な流動床塩化アルミニウム生成器は、近似的に高さ１６フィート（４．９メートル）、直径３．３フィート（１．０メートル）である。金属塩化物生成器１０は、このサイズを９０％以上低減することができる。これにより、塩化アルミニウムの生成に関連する資本経費が低減されるだけでなく、設置面積も低減されるので、生成器１０を相対的に容易に既存のプラントに取り付けることができる。ここに開示される金属塩化物生成器及びプロセスは、二酸化チタン顔料の製造に関連する資本支出及び運転支出の減少をもたらし得る。金属塩化物生成器は、二酸化チタンを生産する既存の生産ラインを含む既存の運転設備に取り付けることができる。

ここで、図１〜４を参照しつつ図９を参照すると、ここに開示される二酸化チタン製造プロセスの第１実施形態が記載される。この実施形態において、プロセスは、二酸化チタンを製造する塩素プロセスであって、
ａ．二酸化チタン鉱石、炭素源及び塩素をクロリネーター２００の中へと導入することと、
ｂ．クロリネーター２００の中で二酸化チタン鉱石、炭素源及び塩素を反応させてハロゲン化チタン（ＴｉＣｌ_４）を形成するのに十分な条件のもとでクロリネーター２００を動作させることと、
ｃ．金属塩化物遠心反応器である金属塩化物生成器２２０の中へと金属粒子及び塩素を導入することと、
ｄ．金属塩化物生成器２２０を、遠心力の使用により当該生成器における金属粒子及び塩素が互いに接触するようになって反応し金属塩化物を形成するのに十分な条件のもとで動作させることと、
ｅ．クロリネーター２００に形成されたハロゲン化チタン、金属塩化物生成器２２０に形成された金属塩化物、及び酸素をオキシダイザー２５０の中へと導入することと、
ｆ．オキシダイザー２５０においてハロゲン化チタン及び金属塩化物が酸化するのに十分な条件のもとでオキシダイザー２５０を動作させ、金属酸化物が結晶格子構造に組み込まれた二酸化チタン粒子とガス状の反応生成物とを形成することと、
ｇ．オキシダイザー２５０において形成された二酸化チタン粒子を回収することと
を含む。

例えば、クロリネーター２００の中へと導入される二酸化チタン鉱石は、ルチル、合成ルチル、高品位イルメナイト又はチタンスラグとしてよい。例えば、クロリネーター２００の中へと導入される二酸化チタン鉱石は、合成ルチルとチタンスラグとの５０：５０ブレンドとしてよい。

二酸化チタンを製造する塩素プロセスにおいて四塩化チタンを形成するべく二酸化チタン鉱石、炭素源、及びガス状の塩素（Ｃｌ_２）の反応を促進するのに有用なクロリネーターは、本開示の利益を受ける当業者に知られている。二酸化チタン鉱石及び炭素源は、当業者に知られているように一以上の源（図示せず）からクロリネーターへと案内及び導入することができる。図９により示されるように、クロリネーターへと案内及び導入される塩素は、その後の反応ステップからリサイクルされる塩素ガスとすることができる。代替的に、塩素ガスは他の源に由来してよい。ここで及び添付の特許請求の範囲で使用されるように、炭素源とは、四塩化チタンを形成するべく二酸化チタン及び塩素と反応するのに必要な炭素を与えることができる一以上の化合物を意味する。例えば、炭素源はコークスとすることができる。

本開示の利益を受ける当業者により理解されることだが、クロリネーターは流動床反応器として動作する。クロリネーター２００は、二酸化チタン鉱石、炭素源及び塩素がクロリネーターの中で反応して四塩化チタンを形成するのに十分な条件のもとで動作する。例えば、クロリネーター２００は、約９００℃から約１０００℃の範囲にある温度で動作する。クロリネーター２００の中で生じる主要な化学反応は、反応（１）により例示される。
ＴｉＯ_２＋Ｃ＋２Ｃｌ_２→ＴｉＣｌ_４＋ＣＯ＋ＣＯ_２ （１）

クロリネーター２００において形成されたガス状の四塩化チタン及び他のガス状の反応生成物は、凝縮器２７０の中へと案内及び導入される。（例えばガス状のハロゲン化チタンを冷却することにより）ガス状の四塩化チタンを凝縮して液体四塩化チタンにするのに有用な凝縮器は、本開示の利益を受ける当業者に知られている。本開示の利益を受ける当業者により理解されることだが、凝縮器２７０は、ガス状の四塩化チタンを凝縮して液体四塩化チタンにするのに十分な条件のもとで動作する。

凝縮器２７０の中の廃ガスは、廃ガススクラバー２７４へと案内及び導入される。当該廃ガスは、廃ガススクラバー２７４の中でスクラブされ、さらなる処理又は廃棄のための他の箇所へと放出かつ案内される。スクラビングプロセスにより形成された塩酸（ＨＣｌ）は、廃ガススクラバー２７４から放出され、貯蔵又はさらなる処理のための他の箇所へと案内される。

凝縮器２７０において形成された液体四塩化チタンは、凝縮器２７０から案内され、四塩化チタンを精製するべく使用可能な精製プロセス機器２８０の中へと導入される。例えば、液体四塩化チタンは、四塩化チタンを油で処理し、四塩化チタンを蒸留し、及び／又は四塩化チタンをろ過することにより、精製することができる。プロセス機器２８０は、これらのステップの一以上を行うべく必要な機器を含む。

精製された液体ハロゲン化チタンはその後、精製プロセス機器２８０から案内され、貯蔵容器２８６の中へと導入される。貯蔵容器２８６の目的は、精製された四塩化チタンの供給を確実に、その後のプロセスステップのために連続的に利用可能にすることにある。

液体四塩化チタンはその後、貯蔵容器２８６から案内され、気化器２９０の中へと導入される。液体四塩化チタンを蒸発させてガス状の四塩化チタンを形成するのに有用な気化器は、本開示の利益を受ける当業者に知られている。本開示の利益を受ける当業者により理解されることだが、気化器２９０は、液体四塩化チタンを蒸発させてガス状の四塩化チタンを形成するのに十分な条件のもとで動作する。気化器２９０の中にあるガス状四塩化チタンは、気化器２９０から放出され、金属塩化物生成器２２０へと案内される。

例えば、金属塩化物遠心反応器２２０は、上述されて図１〜８に示される金属塩化物生成器１０としてよい。ここに開示されるプロセスの本記載の残りは、金属塩化物遠心反応器２２０が上述されて図１〜８に示される金属塩化物生成器１０であるプロセスに関する。

金属粒子及び塩素は、その源（図示せず）から金属塩化物生成器１０へと案内及び導入される。例えば、図９により示されるように、気化器１１２において形成された四塩化チタン蒸気のすべて又は一部分もまた、金属塩化物生成器１０における反応熱の散逸を補助するべく、金属塩化物生成器１０に案内することができる。

四塩化チタン蒸気、金属粒子及び塩素は、当該金属粒子及び塩素を金属塩化物生成器１０の反応物質入口導管５０に、反応物質入口導管５０の第１開口５４を介して供給することと、当該金属粒子及び塩素を生成器１０の反応チャンバ２８の内部４４に反応物質入口導管５０の第２開口６０を介して放出することとにより、金属塩化物生成器１０の中へと導入される。金属塩化物生成器１０に加えられる金属粒子のタイプは、金属塩化物生成器１０により生産される金属塩化物のタイプに依存する。例えば、金属塩化物生成器の中へと導入される金属粒子は、アルミニウム、ホウ素、ジルコニウム、ケイ素及びリンの群から選択される金属から形成することができる。アルミニウム・ケイ素合金、アルミニウム・リン合金、アルミニウム・ホウ素合金、アルミニウム・ジルコニウム合金、及びこれらの組み合わせを含む上記金属の混合物又は合金から形成される粒子（例えばペレット）もまた、混合金属塩化物前駆体化合物を形成するべく金属塩化物生成器の中の塩素と反応し得る。

金属粒子のサイズは可変である。例えば、金属粒子の近似的直径は、１／４インチ（６．３５ミリメートル）又は３／８インチ（９．５３ミリメートル）としてよい。例えば、金属塩化物生成器１０の中へと導入される金属粒子は、塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ_３）が生成器１０の中で生成されるようにアルミニウムから形成することができる。塩化アルミニウムは、ルチル化を促進して二酸化チタン顔料の耐久性を高める能力で知られている。直径が１／４インチ（６．３５ミリメートル）又は３／８インチ（９．５３ミリメートル）のアルミニウムペレットが市販されている。サイズが１〜４ｍｍのチョップされたアルミニウムペレット及びアルミニウム粒も市販されている。

金属塩化物生成器１０において塩化アルミニウムのような金属塩化物を形成する塩素とアルミニウム粒子のような金属粒子との反応は、極めて発熱性である。気化器２９０又は他のプロセス機器からの四塩化チタン蒸気が生成器１０を通り抜けるようにすることにより、金属塩化物を生成するための発生熱の一部を吸収することができる。例えば、アルミニウムと塩素との反応は、かなりの発熱性なので、典型的な添加レベルにおいて、反応温度をアルミニウムの融点により決まるように制御したままとする当該プロセスのヒートシンクとして機能するべく、四塩化チタン蒸気ストリームの実質的にすべてが金属塩化物生成器１０を通り抜ける。

金属塩化物生成器１０は、当該生成器において金属粒子と塩素とが互いに接触するようになって反応し金属塩化物及び塩素を形成するのに十分な条件のもとで動作する。遠心力により、固体金属粒子と塩素ガスとの反応が許容される一方、未反応の金属粒子がブローオーバーとして反応器から出ることが防止される。例えば、金属塩化物生成器において形成された金属塩化物は、塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ_３）、三塩化ホウ素（ＢＣｌ_３）、塩化ジルコニウム（ＺｒＣｌ_４）、塩化ケイ素（ＳｉＣｌ_４）及び塩化リン（ＰＣｌ_３）の群から選択することができる。例えば、金属塩化物生成器において形成された金属塩化物は、塩化アルミニウムとなり得る。

生成器１０において形成された金属塩化物と当該生成器における四塩化チタン蒸気とを含む混合蒸気ストリームが、当該生成器の反応生成物出口導管６２を、その第１開口６６を介して通るように流れ、反応生成物出口導管６２から、その第２開口６８を介して反応器ハウジング１２の外側にある箇所７０へと放出される。図９Ａにより示されるように、例えば、金属塩化物及び四塩化チタンを含む混合蒸気ストリームは、生成器１０から放出されてオキシダイザー２５０へと案内及び導入される。

二酸化チタンを製造するプロセスにおいてハロゲン化チタンの酸化を容易にして二酸化チタンを形成するのに有用なオキシダイザーは、本開示の利益を受ける当業者に知られている。金属塩化物生成器１０からオキシダイザー２５０の中へと導入される金属塩化物及び四塩化チタンを含む混合蒸気ストリームに加え、酸化ガス、及び随意的に補助燃料もまた、オキシダイザー２５０へと案内及び導入される。例えば、補助燃料はプロパンとしてよい。補助燃料は、酸化反応を維持するのに役立つ熱を与えるべく、オキシダイザーに加えられる。

金属塩化物生成器１０からの金属塩化物を、二酸化チタンのルチル化を促進するのに十分な所定量だけオキシダイザー２５０へと案内及び導入することができる。二酸化チタンのルチル化を促進するのに必要な金属酸化物（例えばアルミナ）の量は、本開示の利益を受ける当業者に知られている多くの因子に応じて変わる。例えば、一般に、二酸化チタンのルチル化を促進するのに要する金属酸化物の量は、生産される二酸化チタン粒子の重量に基づいて約０．３重量％から約１．５重量％の範囲にある。例えば、オキシダイザー２５０に導入されるアルミナの典型的な量は、生産される二酸化チタンの重量に基づいて１．０重量％である。

オキシダイザー２５０へと案内及び導入される酸化ガスは、酸素分子（Ｏ_２）としてよい。代替的に、酸化ガスは、空気と混合された酸素（酸素豊富空気）のような酸素含有ガスとしてもよい。用いられる特定の酸化ガスは、酸化反応器内の反応領域のサイズ、ハロゲン化チタンと酸素含有ガス反応物が予熱される度合い、反応領域の表面が冷却される程度、及び反応領域における反応物のスループットを含む一定数の因子に依存する。用いられる四塩化チタン及び酸化ガス反応物の正確な量は、広く変わり得るので特に重要というわけではないが、酸化ガス反応物質が、四塩化チタンとの化学量論的反応を与えるべく少なくとも十分といえる量だけ存在することが大切である。一般に、用いられる酸化ガス反応物質の量は、ハロゲン化チタン反応物質との化学量論的反応に要する量を上回る量となり、例えば、化学量論的反応に要する量を約５％から約２５％上回る。

オキシダイザーの中へと導入されるのが有利となり得る他の成分の一例は、スカーリング剤である。スカーリング剤は、反応器の壁を清浄し、汚染を防止するべく機能する。使用可能なスカーリング剤の例は、砂、ペレット状にされ、乾燥され及び焼結された二酸化チタンと水との混合物、圧縮された二酸化チタン、岩塩、溶融アルミナ、二酸化チタンと塩との混合物等を含み得るが、これらに限られない。酸素分子又は他の酸化ガス、補助燃料（使用される場合）、及びスカーリング剤（使用される場合）は、これらの源（図示せず）からオキシダイザー２５０へと案内される。

本開示の利益を受ける当業者に知られていることだが、オキシダイザー２５０は、四塩化チタン及び金属塩化物を気相で酸化し金属酸化物が結晶格子構造に組み込まれた二酸化チタン粒子と、ガス状の反応生成物とを形成するのに十分な条件のもとで動作される。例えば、当該反応は、少なくとも７００℃の温度で行われる。例えば、当該反応は、約２０００℃から約２８００℃の範囲にある温度で行うことができる。所望の粒子サイズを有する二酸化チタン粒子を生成することができる。例えば、粒子状の固体二酸化チタンとガス状の反応生成物とを形成する四塩化チタンの酸化は、以下の反応（２）により例示される。
ＴｉＣｌ_４＋Ｏ_２→ＴｉＯ_２＋２Ｃｌ_２ （２）
金属塩化物もまた、オキシダイザー２５０において酸化されて金属酸化物を形成する。この金属酸化物は、二酸化チタンの格子構造に組み込まれる。例えば、塩化アルミニウムは、オキシダイザーにおいて酸化されて酸化アルミニウム又はアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を形成する。二酸化チタンの格子構造に組み込まれる金属酸化物は典型的に、二酸化チタンの重量に基づいて約０．５重量％から約１．５重量％の範囲にある。ステップは、二酸化チタン粒子の粒子サイズを制御するように行われる。

オキシダイザー２５０の中へと導入されるのに先立ち、四塩化チタン及び酸素分子又は他の酸化ガスの反応物質ストリームは典型的に、例えば、シェル又は管タイプの予熱器又は過熱器（図示せず）において予熱される。例えば、四塩化チタンの反応物質ストリームは、約６５０°Ｆ（３４３℃）から約１８００°Ｆ（９８２℃）の範囲にある温度（例えば約６７５°Ｆ（３５７℃）から約７５０°Ｆ（３９９℃）の範囲にある温度）まで予熱してよい。酸素分子又は他の酸化ガスのストリームは、約７５０°Ｆ（３９９℃）から約３４００°Ｆ（１８７１℃）の範囲にある温度（例えば約１７４０°Ｆ（９４９℃）から約１９３０°Ｆ（１０５５℃）の範囲にある温度）まで予熱してよい。四塩化チタン蒸気ストリームが最初に金属塩化物生成器１０を通り抜ける場合、予熱は必要ないかもしれない。

予熱された四塩化チタン及び酸化ガスのストリームは、高流量でオキシダイザー２５０へと充填及び導入される。酸化反応が行われる圧力は、例えば約３ｐｓｉｇ（２１キロパスカル（ゲージ圧））から約５０ｐｓｉｇ（３４５キロパスカル（ゲージ圧））のように、広く変わり得る。例えば、１気圧（絶対）の圧力において、酸化反応温度は典型的に、約２３００°Ｆ（１２６０℃）から約２５００°Ｆ（１３７１℃）の範囲にある。

オキシダイザー２５０から放出されるとき、二酸化チタン粒子とガス状の反応生成物とは、熱交換器２９２（例えば管状の熱交換器）へと案内及び導入され、（冷却水のような）冷却媒体との熱交換により約１３００°Ｆ（７０４℃）の温度まで冷却される。熱交換器の内側面から二酸化チタン及び他の材料の堆積物を除去するべく、スカーリング剤もまた熱交換器の中へと注入される。オキシダイザー２５０において使用されたものと同じタイプのスカーリング剤を、熱交換器２９２においても使用することができる。

熱交換器２９２を通り抜けた後、冷却された二酸化チタン粒子とガス状の反応生成物とは、ガス固体分離器２９６へと案内される。分離器２９６において、粒子状の固体二酸化チタンが、ガス状の反応生成物とスカーリング剤（使用される場合）とから分離される。分離されたガス状の反応生成物は、当該プロセスにおける使用を目的としてリサイクルすることができる。例えば、図９により示されるように、塩素ガスは、分離器２９６からクロリネーター２００へとリサイクルされる。プロセスにおいて使用される塩素の大半は回収することができる。

分離器２９６において分離された粒子状の二酸化チタンはその後、顔料仕上げプロセス機器２９８へと案内及び導入される。例えば、二酸化チタン粒子は、様々な表面処理、ミリング及び乾燥を受け得る。例えば、予定の最終使用アプリケーションに応じて、仕上げプロセスは典型的に、光顔料の光散乱効率及び耐久性を高めるとともに他の所望の特性及び特徴を与えるべく、二酸化チタン粒子にアルミナ及びシリカのような一以上の金属酸化物をコーティングすることを伴う。プロセス機器２９８は、これらのステップの一以上を行うのに必要な機器を含む。

図９により示される様々なプロセスステップは変えることができる。例えば、生成器１０において形成される金属塩化物は、プロセス機器２８０からの精製されたハロゲン化チタンと混合することができる。金属塩化物と精製されたハロゲン化チタンとの混合物はその後、気化器２９０において気化され、予熱され、及び酸化反応器２５０へと案内される。この混合物は、気化される前又は後のいずれかで予熱することができる。この実施形態において、金属塩化物生成器１０は当該プロセスの上流側に配置される。

図１０により示されるように、第２実施形態において、ここに開示される二酸化チタンを製造するプロセスは、
ａ．金属塩化物遠心反応器である金属塩化物生成器２２０の中へと金属粒子及び塩素を導入することと、
ｂ．当該金属塩化物生成器を、遠心力を使用して当該生成器の中の金属粒子及び塩素が互いに接触するようになって金属塩化物を形成するのに十分な条件のもとで動作させることと、
ｃ．ハロゲン化チタン、金属塩化物生成器２２０において形成された金属塩化物、及び酸素をオキシダイザー２５０の中へと導入することと、
ｄ．オキシダイザー２５０においてハロゲン化チタン及び金属塩化物が酸化するのに十分な条件のもとでオキシダイザー２５０を動作させ、金属酸化物が結晶格子構造に組み込まれた二酸化チタン粒子とガス状の反応生成物とを形成することと、
ｅ．オキシダイザー２５０の中に形成された二酸化チタン粒子を回収することと
を含む。

この実施形態において、上記ステップａ〜ｅは、プロセスの第１実施形態に関連して上述されたステップｃ〜ｇと同じ態様で行われる。ただし、四塩化チタンに加えて他のハロゲン化チタンも金属塩化物とともに酸化されて二酸化チタン粒子を形成し得るがそれ以外は当該プロセスにおいて使用される点を除く。また、ハロゲン化チタン蒸気は任意の源に由来してよい。これらの例外に従い、ステップｃ〜ｇと、ステップｃ〜ｇに関して上述された当該プロセスの関連の、随意の及び他のステップとに関連する図９の記載を含む上記ステップｃ〜ｇの記載、すなわち第１実施形態は、ここに開示される当該プロセスの第２実施形態の本説明に組み込まれる。

例えば、金属塩化物遠心反応器２２０は、上述され及び図１〜８により示された金属塩化物生成器１０としてよい。分離器２９６において二酸化チタン粒子から分離されたハロゲンガス（塩素ガスとしてよい）は、ハロゲン化チタン蒸気を形成するプロセスでの使用を目的としてリサイクルすることができる。

（直接的に又は金属塩化物生成器１０からのいずれかにより）オキシダイザー２５０に加えられるハロゲン化チタン蒸気は、四塩化チタン、四臭化チタン、四ヨウ化チタン及び四フッ化チタンを含む周知のチタンハロゲン化物のいずれかとしてよい。好ましくは、ハロゲン化チタン反応物質は四塩化チタンである。

例えば、プロセスは、連続して行われる。

なお、本開示のプロセスのここでの記載（ここに開示されるプロセスの第１実施形態及び第２実施形態の双方）は、二酸化チタン製造プロセスにおける現場での金属塩化物生成器１０の使用を例示する。しかしながら、ここでの記載はまた、他のタイプのプロセスにおいて塩化アルミニウムを生成するための金属塩化物生成器１０の使用も例示する。金属塩化物生成器１０は、塩化アルミニウム、三塩化ホウ素、塩化ジルコニウム、塩化ケイ素、塩化リン、及びかかる化合物の混合物を含む様々な金属塩化物を形成するべく使用することができる。反応熱は反応物により変わり得るが、これらの化合物すべてを生成する基本プロセスは同じである。

以下の例は、本開示に整合する特定の実施形態を例示するが、本開示の範囲又は添付の特許請求の範囲を制限するわけではない。濃度及びパーセンテージは、特に示されない限り、重量による。

上述された金属塩化物生成器１０のフルスケールモデルの低温流動試験が、二酸化チタンを製造する連続塩素プロセスでの使用を目的とする塩化アルミニウムを生成する能力について試験された。例えば、試験は、図１、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ及び３により示されるように反応物質入口導管５０の第２開口６０が反応チャンバ２８の内部４４の上半分４６へと開口する一実施形態に対して行われた。試験はまた、図２Ｄ及び２Ｅにより示されるように反応物質入口導管５０の第２開口６０が反応チャンバ２８の内部４４の下半分４８へと開口するモデルの一実施形態についても行われた。

また、当該試験を行うにあたり、反応生成物出口導管６２が反応チャンバ２８の内部４４へと延びる距離が、反応チャンバ２８の内部４４の中における第１開口６６の位置を変更するべく変えられた。例えば、いくつかの試験では、反応生成物出口導管６２の第１開口６６は、図２Ａ、２Ｄ及び３に示されるように反応チャンバ２８の頂部３６と面一にされた（換言すれば、反応生成物出口導管６２は反応チャンバ２８の内部４４の中へと延びていなかった）。他の試験において、反応生成物出口導管６２が、反応チャンバ２８の内部４４の中へと半分未満だけ延びることにより、反応生成物出口導管６２の第１開口６６が、図２Ｂ及び２Ｅにより示されるように反応チャンバ２８の内部４４の上半分４６の中に配置された。さらなる他の試験において、反応生成物出口導管６２が、反応チャンバ２８の内部４４の中へと半分を超えて延びることにより、反応生成物出口導管６２の第１開口６６が、図２Ｃにより示されるように反応チャンバ２８の内部４４の下半分４８の中に配置された。

試験は全体的に成功であった。金属塩化物生成器１０のフルスケールモデルの低温流動試験により、生成器は成功裏に、二酸化チタンを製造する連続塩素プロセスでの使用を目的として塩化アルミニウムを生成できることが確認された。試験に基づくと、いくつかの側面において、反応物質入口導管５０の第２開口６０が反応チャンバ２８の内部４４の上半分４６の中へと開口することが良好であると結論付けられた。例えば、第２開口６０から反応チャンバ２８へのガス流は、円運動をするペレット又は他の粒子をせき止める効果をもたらす傾向があった。このような効果の影響は、第２開口６０を反応チャンバ２８の内部４４の上半分４６の中へと開口するように配置することにより低減された。またも結論付けられたのは、いくつかの場合、反応生成物出口導管が反応チャンバ２８の内部４４の中へと半分未満だけ延びることにより、反応生成物出口導管６２の第１開口６６が反応チャンバ２８の内部４４の上半分４６の中に配置されることが最も良好に作用し得るということである。反応生成物出口導管６２の反応チャンバ２８の中への延びが深すぎると、当該反応チャンバの中で円運動をする金属ペレット又は他の粒子が、出口導管６２を通って出る流れに捕捉される傾向があった。実際のところ、多くの場合、反応生成物出口導管６２の第１開口６６が反応チャンバ２８の頂部３６と面一となること、すなわち反応生成物出口導管６２が反応チャンバ２８の内部４４の中へと延びないこと、が最も良好に作用し得る。換言すれば、多くの場合、渦ファインダをまったく有しないことが最も良好となり得る。

したがって、本開示は、述べてきた目的及び利点、並びに固有の目的及び利点を達成するために良好に適合する。上に開示された特定の実施形態は単なる例示であり、本開示は、ここでの教示の利益を有する当業者にとって明らかといえる、異なるが均等の態様で修正及び実施をすることができる。さらに、以下の特許請求の範囲に記載されるもの以外、ここに示された構造又は設計の詳細の制限は意図されていない。したがって、上に開示された特定の説明例が改変又は修正され得ることは明白であり、そのようなバリエーションはすべてが本開示の範囲及び要旨内にあるものとみなされる。装置及び方法が、様々な構成要素又はステップを「含む」、「含有する」、「有する」又は「包含する」点について記載され得るが、こうした装置及び方法はまた、いくつかの例では、様々な構成要素及びステップ「から実質的に構成される」又は「からなる」ことにもなり得る。下限及び上限を有する数値範囲が開示されるときはいつでも、当該範囲内に収まる任意の数及び任意の包含範囲が具体的に開示される。特に、ここに開示される（「約ａから約ｂ」、又は同等に「近似的にａからｂ」、又は同等に「近似的にａ〜ｂ」との形式の）すべての数値範囲は、当該広い値の範囲に包含されるすべての数及び範囲を記載するものと理解すべきである。また、特許請求の範囲における用語は、明細書に明示的かつはっきりと定義されていない限り、その明白かつ通常の意味を有する。

Claims (30)

1. 金属塩化物生成器であって、
   反応器ハウジングであって、内側面、外側面、頂部、底部、前記頂部と前記底部とを一緒に接続する側壁、及び内部を含む反応器ハウジングと、
   前記反応器ハウジングの前記内部の中に配置された反応チャンバであって、前記反応チャンバは、内側面、外側面、頂部、底部、前記頂部と前記底部とを一緒に接続する円筒側壁、及び内部を含み、前記反応チャンバの前記内部は上半分及び下半分を有する反応チャンバと、
   前記反応器ハウジングの前記側壁及び前記反応チャンバの前記側壁を貫通して内側面、外側面及び内部を含む反応物質入口導管であって、前記反応物質入口導管はまた、前記反応器ハウジングの外側の箇所から、少なくとも金属粒子及び塩素を含む反応成分を受け入れる第１開口、及び前記反応成分を前記反応チャンバの中へと、前記反応チャンバ内に渦を形成するのに十分な速度及び圧力で放出する第２開口も含み、前記反応物質入口導管の前記第２開口は前記反応チャンバの前記円筒側壁の前記内側面と面一にされて前記反応チャンバの前記内部の中へと開口する反応物質入口導管と、
   前記反応チャンバの前記頂部及び前記反応器ハウジングの前記頂部を貫通して内側面、外側面及び内部を含む反応生成物出口導管であって、前記反応チャンバの前記内部から、少なくとも金属塩化物を含む反応生成物を受け入れる第１開口、及び前記反応生成物を前記反応器ハウジングの外側の箇所に放出する第２開口もまた含む反応生成物出口導管と
   を含む金属塩化物生成器。
2. 前記反応物質入口導管の前記第２開口は、前記反応チャンバの前記内部の前記上半分の中へと開口する請求項１の金属塩化物生成器。
3. 前記反応物質入口導管の前記第２開口は、前記反応チャンバの前記内部の前記下半分の中へと開口する請求項１の金属塩化物生成器。
4. 前記反応生成物出口導管の前記第１開口は、前記反応チャンバの前記頂部と面一にされる請求項１の金属塩化物生成器。
5. 前記反応生成物出口導管が前記反応チャンバの前記頂部から前記反応チャンバの前記内部の中へと延びることにより、前記反応生成物出口導管の前記第１開口が前記反応チャンバの前記内部の中に配置される請求項１の金属塩化物生成器。
6. 前記反応生成物出口導管が前記反応チャンバの前記内部の中へと半分未満だけ延びることにより、前記反応生成物出口導管の前記第１開口が前記反応チャンバの前記内部の前記上半分の中に配置される請求項５の金属塩化物生成器。
7. 前記反応生成物出口導管が前記反応チャンバの前記内部の中へと半分を超えて延びることにより、前記反応生成物出口導管の前記第１開口が前記反応チャンバの前記内部の前記下半分の中に配置される請求項５の金属塩化物生成器。
8. 前記反応チャンバ、前記反応物質入口導管及び前記反応生成物出口導管の少なくとも一つは、前記内側面に取り付けられた難分解性ライニングを含み、
   前記難分解性ライニングは、前記反応チャンバ、反応物質入口導管又は反応生成物出口導管の前記内部の方を向く内側面が、金属粒子における金属酸化物層を破壊するのに十分なきめの粗さを有する請求項６の金属塩化物生成器。
9. 前記難分解性ライニングの前記内側面は０．０１μｍから１０００μｍの範囲にある表面粗さを有する請求項８の金属塩化物生成器。
10. 前記難分解性ライニングはセラミック材料から形成される請求項８の金属塩化物生成器。
11. 前記難分解性ライニングは炭化ケイ素セラミック材料から形成される請求項１０の金属塩化物生成器。
12. 二酸化チタンを製造する塩素プロセスであって、
    二酸化チタン鉱石、炭素源及び塩素をクロリネーターの中へと導入することと、
    前記クロリネーターを、前記クロリネーターの中の二酸化チタン鉱石、前記炭素源及び塩素が反応して四塩化チタンを形成するのに十分な条件のもとで動作させることと、
    金属粒子及び塩素を金属塩化物生成器の中へと導入することであって、前記金属塩化物生成器は金属塩化物遠心反応器であることと、
    前記金属塩化物生成器を、遠心力の使用により前記金属塩化物生成器における金属粒子及び塩素が互いに接触するようになって反応し金属塩化物を形成するのに十分な条件のもとで動作させることと、
    前記クロリネーターの中に形成された四塩化チタン、前記金属塩化物生成器の中に形成された金属塩化物、及び酸素をオキシダイザーの中へと導入することと、
    前記オキシダイザーを、前記オキシダイザーにおける四塩化チタン及び金属塩化物を酸化して金属酸化物が結晶格子構造の中に組み込まれた二酸化チタン粒子を形成するのに十分な条件のもとで動作させることと、
    前記オキシダイザーの中に形成された二酸化チタン粒子を回収することと
    を含む塩素プロセス。
13. 前記炭素源はコークスである請求項１２の塩素プロセス。
14. 前記金属塩化物遠心反応器は、
    反応器ハウジングであって、内側面、外側面、頂部、底部、前記頂部と前記底部とを一緒に接続する側壁、及び内部を含む反応器ハウジングと、
    前記反応器ハウジングの前記内部の中に配置された反応チャンバであって、前記反応チャンバは、内側面、外側面、頂部、底部、前記頂部と前記底部とを一緒に接続する円筒側壁、及び内部を含み、前記反応チャンバの前記内部は上半分及び下半分を有する反応チャンバと、
    前記反応器ハウジングの前記側壁及び前記反応チャンバの前記側壁を貫通して内側面、外側面及び内部を含む反応物質入口導管であって、前記反応物質入口導管はまた、前記反応器ハウジングの外側の箇所から少なくとも一つの反応成分を受け入れる第１開口、及び前記反応成分を前記反応チャンバの中へと放出する第２開口も含み、前記反応物質入口導管の前記第２開口は前記反応チャンバの前記円筒側壁の前記内側面と面一にされて前記反応チャンバの中へと開口する反応物質入口導管と、
    前記反応チャンバの前記頂部及び前記反応器ハウジングの前記頂部を貫通して内側面、外側面及び内部を含む反応生成物出口導管であって、前記反応チャンバの前記内部から少なくとも一つの反応生成物を受け入れる第１開口、及び前記反応生成物を前記反応器ハウジングの外側の箇所に放出する第２開口もまた含む反応生成物出口導管と
    を含む請求項１２の塩素プロセス。
15. 前記反応物質入口導管の前記第２開口は前記反応チャンバの前記内部の前記上半分の中へと開口する請求項１４の塩素プロセス。
16. 前記反応生成物出口導管の前記第１開口は前記反応チャンバの前記頂部と面一にされる請求項１４の塩素プロセス。
17. 前記反応生成物出口導管が前記反応チャンバの前記頂部から前記反応チャンバの前記内部の中へと延びることにより、前記反応生成物出口導管の前記第１開口が前記反応チャンバの前記内部の中に配置される請求項１４の塩素プロセス。
18. 前記反応生成物出口導管が前記反応チャンバの前記内部の中へと半分未満だけ延びることにより、前記反応生成物出口導管の前記第１開口が前記反応チャンバの前記内部の前記上半分の中に配置される請求項１４の塩素プロセス。
19. 前記反応チャンバ、前記反応物質入口導管及び前記反応生成物出口導管の少なくとも一つは、前記内側面に取り付けられた難分解性ライニングを含み、
    前記難分解性ライニングは、前記反応チャンバ、反応物質入口導管又は反応生成物出口導管の前記内部の方を向く内側面が、前記金属粒子における金属酸化物層を破壊するのに十分なきめの粗さを有する請求項１４の塩素プロセス。
20. 前記難分解性ライニングの前記内側面は０．０１μｍから１０００μｍの範囲にある表面粗さを有する請求項１９の塩素プロセス。
21. 前記金属塩化物生成器の中へと導入される前記金属粒子の材料は、アルミニウム、ホウ素、ジルコニウム、ケイ素及びリンの群から選択される請求項１２の塩素プロセス。
22. 前記金属塩化物生成器の中へと導入される前記金属粒子の材料はアルミニウムである請求項１２の塩素プロセス。
23. 前記金属塩化物生成器において形成される前記金属塩化物は塩化アルミニウムである請求項１２の塩素プロセス。
24. 前記金属酸化物は、前記二酸化チタンの重量に基づいて０．５重量％から１．５重量％の範囲にある量で前記二酸化チタン粒子の結晶格子構造の中に組み込まれる請求項１２の塩素プロセス。
25. 二酸化チタンを製造するプロセスであって、
    金属粒子及び塩素を金属塩化物生成器の中へと導入することであって、前記金属塩化物生成器は金属塩化物遠心反応器であることと、
    前記金属塩化物生成器を、遠心力の使用により前記金属塩化物生成器における金属粒子及び塩素が互いに接触するようになって反応し金属塩化物を形成するのに十分な条件のもとで動作させることと、
    ハロゲン化チタン、前記金属塩化物生成器の中に形成された金属塩化物、及び酸素をオキシダイザーの中へと導入することと、
    前記オキシダイザーを、前記オキシダイザーにおけるハロゲン化チタン及び金属塩化物を酸化して金属酸化物が結晶格子構造の中に組み込まれた二酸化チタン粒子を形成するのに十分な条件のもとで動作させることと、
    前記オキシダイザーの中に形成された二酸化チタン粒子を回収することと
    を含むプロセス。
26. 前記金属塩化物遠心反応器は、
    反応器ハウジングであって、内側面、外側面、頂部、底部、前記頂部と前記底部とを一緒に接続する側壁、及び内部を含む反応器ハウジングと、
    前記反応器ハウジングの前記内部の中に配置された反応チャンバであって、前記反応チャンバは、内側面、外側面、頂部、底部、前記頂部と前記底部とを一緒に接続する円筒側壁、及び内部を含み、前記反応チャンバの前記内部は上半分及び下半分を有する反応チャンバと、
    前記反応器ハウジングの前記側壁及び前記反応チャンバの前記側壁を貫通する反応物質入口導管であって、前記反応物質入口導管は、前記反応器ハウジングの外側の箇所から少なくとも一つの反応成分を受け入れる第１開口、及び前記反応成分を前記反応チャンバの中へと放出する第２開口を含み、前記反応物質入口導管の前記第２開口は前記反応チャンバの前記円筒側壁の前記内側面と面一とされて前記反応チャンバの中へと開口する反応物質入口導管と、
    前記反応チャンバの前記頂部及び前記反応器ハウジングの前記頂部を貫通する反応生成物出口導管であって、前記反応チャンバの前記内部から少なくとも一つの反応生成物を受け入れる第１開口、及び前記反応器ハウジングの外側の箇所に少なくとも一つの反応生成物を放出する第２開口を含む反応生成物出口導管と
    を含む請求項２５のプロセス。
27. 前記反応物質入口導管の前記第２開口は、前記反応チャンバの前記内部の前記上半分の中へと開口する請求項２６のプロセス。
28. 前記反応生成物出口導管の前記第１開口は前記反応チャンバの前記頂部と面一である請求項２６のプロセス。
29. 前記反応生成物出口導管が前記反応チャンバの前記頂部から前記反応チャンバの前記内部の中へと延びることにより、前記反応生成物出口導管の前記第１開口が前記反応チャンバの前記内部の中に配置される請求項２６のプロセス。
30. 前記反応チャンバ、前記反応物質入口導管及び前記反応生成物出口導管の少なくとも一つは、前記内側面に取り付けられた難分解性ライニングを含み、
    前記難分解性ライニングは、前記反応チャンバ、反応物質入口導管又は反応生成物出口導管の前記内部の方を向く内側面が、前記金属粒子における金属酸化物層を破壊するのに十分なきめの粗さを有する請求項２６のプロセス。

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