TWI439318B - 注入器組件，化學反應器及化學製程 - Google Patents

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Description

注入器組件，化學反應器及化學製程
包括用於接收反應物且允許反應物以連續方式混合及反應之伸長反應器管道(諸如管狀反應器管道)之化學反應器係熟知的。在該反應器中，起始一反應物流且使其在反應進行時沿反應器管道之縱向軸流動。可將反應物及其他組份在反應器管道中之多個點處注入移動反應物流中。將反應產物與其他組份(其通常被再循環)分離且回收。
將反應物或其他組份以允許該組份與流中之其他組份徹底混合之方式注入移動反應物流中可能係困難的，例如當流以相對較高速度移動時。圍繞移動的流之周界注入組份常產生組份沿反應器管道內壁之滑流。因此，組份不能顯著滲透主要反應物流之外邊界層及與其中組份混合。若反應物具有腐蝕性，則可能對反應器管道壁造成損壞。
遇到此等問題之製程之一商業顯著實例為藉由氯化物製程製造二氧化鈦。在該製程中，將氣態鈦鹵化物(諸如四氯化鈦)及氧之流加熱且以高流速引入伸長氣相氧化反應器管道中。在反應器管道中發生高溫(約1093℃(2000℉)至1538℃(2800℉))氧化反應，藉此製造微粒固體二氧化鈦及氣態反應產物。接著將二氧化鈦及氣態反應產物冷卻，且回收二氧化鈦顆粒。固體二氧化物極適用作顏料。
為增加製造二氧化鈦之氯化物製程之容量，可在反應器管道中第一反應區之下游形成第二反應區。可將預熱四氯化鈦及/或氧添加至第二反應區中以與來自第一反應區之 氧及/或四氯化鈦反應。不幸的是，由於主要反應物流經由反應器管道移動之速度，可能難以將額外反應物以使其顯著滲透越過主要反應物流之外邊界層之方式注入。額外反應物通常被迫沿反應器內壁移動且不能充分滲透及與主要反應物流混合。若額外反應物為四氯化鈦，則可能發生反應器壁腐蝕。
在一態樣中，本發明提供一種用於更有效地將額外組份注入沿反應器管道之縱向軸流經反應器管道之管道通路之組份流中的新穎注入器組件。該注入器組件可以將反應器管道之第一與第二區段流體連接在一起的方式連接於反應器管道第一區段下游端與反應器管道第二區段上游端之間。
根據此第一態樣之注入器組件包含具有上游端、下游端及安置於上游端與下游端之間的注入器管道壁之注入器管道。注入器管道壁界定可經對準以與反應器管道之第一及第二區段之管道通路流體連通之注入器管道通路。注入器管道壁包括至少一個延伸穿過其用於將額外組份橫向注入反應器管道中之組份流的端口。外腔室圍繞注入器管道壁外側沿其橫截面周界延伸且與端口流體連通。外腔室包括用於自額外組份來源接收額外組份之入口。
在另一態樣中，本發明提供一種併入經改良反應物注入組件之化學反應器。該反應器包含用於在與管道之縱向軸大體上平行之流徑中傳導組份流之反應器管道，及用於將 額外組份注入組份流中之注入器組件。反應器管道包括第一區段及第二區段，第一及第二區段各自具有上游端、下游端及界定安置於在上游端與下游端之間的反應器管道通路之反應器管道壁。
注入器組件係安置於反應器管道第一區段之下游端與反應器管道第二區段之上游端之間，且將第一與第二區段流體連接在一起。注入器組件包括注入器管道及外腔室。注入器管道具有上游端、下游端及安置於上游端與下游端之間且界定注入器管道通路之注入器管道壁。注入器管道通路係與反應器管道的第一及第二區段之管道通路對準且與其流體連通。注入器管道壁包括至少一個延伸穿過其用於將額外組份橫向注入組份流之端口。
反應器之外腔室圍繞注入器管道壁沿其橫截面周界延伸且與端口流體連通。外腔室包括用於自額外組份來源接收額外組份之入口。
在另一態樣中，本發明提供一種藉由使用該反應器更有效地進行之化學製程。根據該製程，將一或多種組份以使組份以組份流形式沿反應器管道之縱向軸流經反應器管道之方式引入反應器管道中。將額外組份經由複數個圍繞反應器管道之橫截面周界間隔放置的端口橫向注入組份流中。將額外組份經由端口以足以使額外組份顯著滲透組份流之外邊界層之速度注入。
在一實施例中，本發明之化學製程為製造二氧化鈦之製程。將氣態鈦鹵化物(例如四氯化鈦)及氧以使鈦鹵化物及 氧以反應物流形式沿反應器管道之縱向軸流經反應器管道之方式引入反應器之反應器管道之第一反應區中。將選自氣態鈦鹵化物、氧及其混合物之額外組份引入第一反應區下游之反應器管道中之第二反應區中。額外組份係自複數個圍繞反應器管道之橫截面周界間隔放置的端口以足以使額外組份顯著滲透反應物流之外邊界層之速度橫向注入反應物流中。允許鈦鹵化物與氧在反應器管道之第一及/或第二反應區在氣相中反應以形成二氧化鈦顆粒及氣態反應產物。接著將二氧化鈦顆粒與氣態反應產物分離。
參考隨附圖式將更好地理解此等各種態樣。
現在參看圖1－7，說明本發明之注入器組件且其由參考數字10概括指示。注入器組件10之目標用途由圖7說明。如圖所示，注入器組件10係用於將額外組份(未圖示)注入沿反應器管道16之縱向軸20流經反應器18之反應器管道16之管道通路14之組份流12中。如圖7所示，組份流12在箭頭21所指示之方向上流動。注入器組件10可以將反應器管道之第一與第二區段流體連接在一起的方式連接於反應器管道16之第一區段24之下游端22與反應器管道之第二區段28之上游端26之間。
注入組份流12中之額外組份可為蒸氣、液體或漿液形式的單一反應物或其他組份或反應物及/或其他組份之組合。類似地，組份流可包含一或多種蒸氣、液體或漿液形式的反應物或其他組份。本發明之注入器組件10之主要用 途係將氣態組份注入移動氣態組份流中。舉例而言，如下所述，本發明之注入器組件10可用以將額外鈦鹵化物蒸氣或氧注入移動的鈦鹵化物/氧蒸氣反應物流中以藉此形成製造二氧化鈦製程中之第二反應區。
現尤其參看圖1－6，注入器組件10包含注入器管道30及外腔室32。注入器管道30具有上游端34、下游端36及注入器管道壁38。注入器管道壁38係安置於注入器管道30之上游端34與下游端38之間且界定注入器管道通路40，該通路40可經對準以與反應器管道16之第一區段24及第二區段28之管道通路14流體連通。舉例而言，如圖7所示，注入器管道通路40可與反應器管道16之第一區段24及第二區段28之管道通路14軸向對準，使得注入器管道30與反應器管道之第一及第二區段以直線路徑(或至少大致直線路徑)對準在一起。
注入器管道壁38包括複數個圍繞注入器管道壁之橫截面周界44間隔放置且延伸穿過注入器管道壁用於將額外組份橫向注入反應器管道16中之組份流12中的端口42。如圖所示，端口42係圍繞管道壁38之橫截面周界44等距間隔放置(或至少大致等距間隔放置)。
如本文中及所附申請專利範圍中所用，反應器管道16(或注入器管道壁38，視具體情況而定)之橫截面周界意謂相對於反應器管道16之縱向軸20垂直(或至少大致垂直)延伸的反應器管道16(或注入器管道壁38)之周界(在注入器管道壁38之情況下，如圖7所示當注入器組件10安置於反 應器管道之第一區段24與第二區段28之間時)。將額外組份橫向注入組份流12中意謂將額外組份相對於反應器管道16之縱向軸20(及因此組份流12之縱向軸)成一定角度注入組份流12中(在注入器組件10之情況下，如圖7所示當注入器組件10安置於反應器管道之第一區段24與第二區段28之間時)，該角在30∘至90∘之範圍內。為確保顯著滲透至組份流12之外邊界層中，額外組份注入組份流12中時相對於反應器管道16之縱向軸20(及因此組份流12之縱向軸)的角度越接近90∘越佳。如圖所示，化學反應器18經設定成將額外組份以相對於反應器管道16之縱向軸20(及因此組份流12之縱向軸)約90∘之角度注入組份流12中。
外腔室32圍繞注入器管道壁38之外表面46沿其橫截面周界44延伸且與端口42流體連通。外腔室32包括用於自額外組份來源(未圖示)接收待注入組份流12中之額外組份的入口48。入口48包括凸緣50及允許凸緣與管道或其他將組份傳導至入口中之結構(未圖示)之相應凸緣連接(例如栓接)之相應通路52。
間隔板60係安置於注入器管道30與外腔室32之間。如圖所示，間隔板60之長度與注入器管道16之長度相同。如本文中及所附申請專利範圍中所用，間隔板及注入器管道之每一者之長度意謂沿反應器管道16之縱向軸20延伸之構件尺寸(在注入器組件10之情況下，如圖7所示當注入器組件10安置於反應器管道之第一區段24與第二區段28之間時)。如圖4最佳所示，間隔板60包括安置於每一端口42與 外腔室32之間的通道62。各通道62使相應端口42與外腔室32流體連接在一起。
間隔板60使注入器組件10易於分別連接於反應器管道16之第一區段24與第二區段28之間。間隔板60包括後表面64及相反的前表面66。間隔板60之後表面64相對於外腔室32嵌入(如圖1所示)，而間隔板之前表面66相對於外腔室向外延伸(如圖2所示)。間隔板60之後表面64相對於外腔室32之嵌入特性及前表面66相對於外腔室32之向外延伸使兩個注入器組件易於如圖8所示背對背栓接在一起。
複數個通路68自間隔板60之後表面64至前表面66延伸穿過該板。如圖7所示，反應器管道16之第一區段24包括其中具有複數個通路72之凸緣70。類似地，反應器管道16之第二區段28包括其中具有複數個通路72之凸緣74。反應器管道16之第一區段24之凸緣70可連接至間隔板60之後表面64，且反應器管道之第二區段28之凸緣74可連接至間隔板之前表面66。墊圈76可安置於凸緣70及74之每一者與間隔板60之間以確保適當密封。螺栓78可延伸穿過凸緣70中之通路72，間隔板60中之相應通路68及凸緣74中之相應通路72，且可將螺母80旋至螺栓上以將反應器管道16之第一區段24及第二區段28連接至間隔板且間接連接在一起。以此方式，反應器管道16之第一區段24及第二區段28可流體連接至注入器組件10且間接流體連接在一起。反應器管道16之第一區段24及第二區段28及注入器管道30有效地成為具有圍繞反應器管道之橫截面周界間隔放置之端口42的單一 反應器管道。
如圖所示，注入器管道30(及因此注入器管道通路40)及間隔板60具有圓形橫截面形狀。圓形橫截面形狀使注入器組件10尤其適於與管狀反應器管道結合使用。然而，注入器管道30(及因此注入器管道通路40)及間隔板60亦可具有其他橫截面形狀。非限制性實例包括橢圓形、正方形及其他多邊形橫截面形狀。
如圖所示，外腔室32為具有圓形橫截面形狀之管道。然而，外腔室32亦可具有其他橫截面形狀。非限制性實例包括橢圓形、正方形及其他多邊形橫截面形狀。
現參看圖7－9及11，說明本發明之化學反應器且其由參考數字18概括指示。該反應器包含反應器管道16，其用於在與反應器管道之縱向軸20平行(或至少大致平行)之流徑中傳導組份流12。反應器管道16包括第一區段24及第二區段28，第一及第二區段各自具有下游端22、上游端26及界定安置於在上游端與下游端之間的反應器管道通路14之反應器管道壁88。
本發明之反應器18進一步包含用於將額外組份(未圖示)注入組份流12中如上所述及圖中所說明之本發明之注入器組件10。注入器組件10係安置於反應器管道16之第一區段24之下游端22與反應器管道之第二區段28之上游端26之間，且將反應器管道之第一及第二區段流體連接在一起。如圖所示，反應器管道16之第一區段24之凸緣70係連接至間隔板60之後表面64，且反應器管道之第二區段28之凸緣 74係連接至間隔板之前表面66。墊圈76係安置於凸緣70及74之每一者與間隔板60之間以確保適當密封。螺栓78係延伸穿過凸緣70中之通路72，間隔板60中之相應通路68及凸緣74中之相應通路72，且將螺母80旋至螺栓上以將反應器管道16之第一區段24及第二區段28連接至間隔板且間接連接在一起。
注入器組件10之注入器管道30之注入器管道通路40與反應器管道16之第一區段24及第二區段28之反應器管道通路14對準且與其流體連通。以此方式，反應器管道16之第一區段24及第二區段28及注入器管道30有效地成為具有圍繞反應器管道之橫截面周界44間隔放置之端口42的單一反應器管道。如圖所示，包括第一區段24及第二區段28之反應器管道16及注入器管道30係以直線路徑(或至少大致直線路徑)軸向對準在一起。如圖所示，反應器管道16(包括第一區段24及第二區段28)及因此其反應器管道通路14以及注入器管道30及注入器管道通路40各自具有一圓形橫截面形狀。如圖所示，反應器管道通路14與注入器管道通路40之直徑相等或至少大致相等。外腔室32為圍繞注入器管道壁38之外表面46沿其橫截面周界44及圍繞間隔板沿與反應器管道16之縱向軸20垂直或至少大致垂直之方向延伸的管道。
若需要，反應器18可包括一系列注入器組件10以視需要將一或多種組份注入反應器管道16中之組份流12中。舉例而言，如圖8所示，兩個注入器組件10a及10b係彼此直接 相鄰地安置於反應器管道之第一區段24之下游端22與反應器管道之第二區段28之上游端26之間。反應器管道16之第一區段24之凸緣70係連接至注入器組件10a之間隔板60之後表面64。類似地，反應器管道之第二區段28之凸緣74連接至注入器組件10b之間隔板60之前表面66。墊圈76係安置於凸緣70及74之每一者與相應間隔板60之間及注入器組件10a與10b之間隔板60之前表面66之間以確保一適當密封。螺栓78係延伸穿過凸緣70中之通路72，間隔板60中之相應通路68及凸緣74中之相應通路72，且將螺母80旋至螺栓上以將反應器管道16之第一區段24及第二區段28連接至間隔板60且間接連接在一起。以此方式，反應器管道16之第一區段24及第二區段28流體連接至注入器組件10a及10b且間接連接在一起。反應器管道16之第一區段24及第二區段28及組件10a及10b之注入器管道30有效地成為具有圍繞反應器管道之橫截面周界間隔放置之端口42的單一反應器管道。
作為另一實例，如圖9所示，兩個注入器組件10a及10b係以彼此相對間隔放置之關係安置於反應器管道16中。注入器組件10a係安置於反應器管道之第一區段24之下游端22與反應器管道之第二區段28之上游端26之間。反應器管道16之第一區段24之凸緣70係連接至注入器組件10a之間隔板60之後表面64。反應器管道16之第二區段28之凸緣74連接至注入器組件10a之前表面66。墊圈76係安置於凸緣70及74之每一者與間隔板60之間以確保適當密封。螺栓78 係延伸穿過凸緣70中之通路72，間隔板60中之相應通路68及凸緣74中之相應通路72，且將螺母80旋至螺栓上以將反應器管道16之第一區段24及第二區段28連接至間隔板60且間接連接在一起。類似地，注入器組件10b係安置於反應器管道之第二區段28之下游端94與反應器管道之第三區段100之上游端98之間。反應器管道16之第二區段28之凸緣102連接至注入器組件10b之間隔板60之後表面64。反應器管道16之第三區段100之凸緣104連接至注入器組件10b之前表面66。墊圈76係安置於凸緣102及104之每一者與間隔板60之間以確保適當密封。螺栓78係延伸穿過凸緣102中之通路72，間隔板60中之相應通路68及凸緣104中之相應通路72，且將螺母80旋至螺栓上以將反應器管道16之第二區段28及第三區段100連接至間隔板60且間接連接在一起。以此方式，反應器管道16之第一區段24、第二區段28及第三區段100流體連接至注入器組件10a及10b且間接連接在一起。反應器管道16之第一區段24、第二區段28及第三區段100及組件10a及10b之注入器管道30有效地成為具有圍繞反應器管道之橫截面周界間隔放置之端口42的單一反應器管道。
如熟習此項技術者應瞭解，本發明之化學反應器18亦可包括其他構件。舉例而言，如圖11所示及下文進一步論述，在一說明性實施例中，反應器18包含預熱組件124及126以用於預熱組份以形成組份流12。包括注入器組件132及134以用於將預熱組份注入反應器管道16中。提供注入 管135以用於將額外組份直接引入沿或大體上沿反應器管道16之縱向軸20的組份流12中。
現參看圖7及7A，說明本發明之化學製程。將一或多種組份以使組份以組份流12形式沿反應器管道之縱向軸20流經反應器管道之方式引入反應器18之反應器管道16中。接著將額外組份橫向注入(如上文所定義)組份流12中。額外組份係經由複數個圍繞反應器管道16之橫截面周界108間隔的端口(例如，本發明化學反應器18之本發明注入器組件10之端口42)而橫向注入組份流12中。在一實施例中，額外組份注入組份流12所經由之端口係圍繞反應器管道16之橫截面周界108等距間隔(或至少大致等距間隔)。
額外組份係經由端口以足以使額外組份顯著滲透組份流12之外邊界層110之速度注入。在一實施例中，額外組份係經由端口以足以使對應於所得組份流12(亦即，其中注入額外組份後之組份流12)之納塔利值(Natalie Number)在零(0)至0.5範圍內之速度注入。在另一實施例中，額外組份係經由端口以足以使對應於所得組份流12之納塔利值為0.3或更小之速度注入。如本文中及所附申請專利範圍中所用，對應於所得組份流12之納塔利值係在流中額外組份注入點下游三管直徑(亦即，反應器管道16之直徑3倍的距離)處的流中之一點("所討論點")處測定。
納塔利值表示或量化主要流中一點處組份之濃度與假定在該點處組份與主要流極佳混合時主要流中相同點的組份之理論濃度之間的偏差。使用計算流體動力學計算在橫截 面區域上間隔開的大致1000個位置之每一位置處之濃度C1 。若組份在所討論點與主要流極佳混合，則偏差將為零(0)。另一方面，若組份在所討論點處完全未與主要流混合，則偏差將為一(1)。
因此，在所討論點處對應於所得組份流12之納塔利值反映了額外組份已滲透外邊界層110且與組份流12混合之程度。對應於所得組份流12之納塔利值(NNa )係根據以下方程式測定：
其中：Cavg ＝假定額外組份與所得組份流12完全混合時在所討論點處額外組份之平均濃度；C1 ＝在橫截面區域上間隔開的大致1000個位置之每一位置處的額外組份之實際濃度；且A＝所討論點處反應器管道16之橫截面積。
對應於所得組份流12之納塔利值(NNa )之測定在下文實例I中進一步加以說明。
在一實施例中，額外組份係自圍繞反應器管道16之外側112沿其橫截面周界108延伸之外腔室(諸如注入器管道10之外腔室32)傳導至反應器管道16中之端口(諸如注入器組件10之端口42)。外腔室32為圍繞反應器管道16之外側112沿其橫截面周界108在與反應器管道16之縱向軸20垂直或至少大致垂直之方向上延伸之管道(諸如反應器18之注入 器管道10之外腔室32)。額外組份可以使額外組份沿外腔室之縱向軸漩渦穿過外腔室之方式(例如，以足夠速度)注入外腔室中。使額外組份漩渦穿過外腔室可有助於確保(例如)額外組份進入所有端口。注入組份流12之額外組份可為蒸氣、液體或漿液形式的單一反應物或其他組份或反應物及/或其他組份之組合。
現參看圖10及11，將描述一種根據本發明之製程製造二氧化鈦之製程。氣態鈦鹵化物(諸如四氯化鈦)與氧在反應器18中在氣相中連續反應以產生二氧化鈦顆粒及氣態反應產物。氧(O2 )或含氧氣體流120("氧氣流120")與氣態鈦鹵化物流122("鈦鹵化物氣流122")在反應器18中在至少700℃(1292℉)之溫度下組合。
在於反應器18中組合前，氧氣流120及鈦鹵化物氣流122分別在(例如)預熱組件124及126中經預熱。預熱組件124及126可為(例如)管殼型組份加熱器。將氧氣流120自其來源128傳導至預熱組件120且預熱至16℃(60℉)至1871℃(3400℉)範圍內之溫度，通常預熱至其中38℃(100℉)至1054℃(1930℉)範圍內之溫度。類似地，將鈦鹵化物氣流122自其來源130傳導至預熱組件126且預熱至121℃(250℉)至982℃(1800℉)範圍內之溫度，通常預熱至其中135℃(275℉)至177℃(350℉)範圍內之溫度。
將經預熱氧氣流120及經預熱鈦鹵化物氣流122分別自預熱組件124及126傳導至注入組件132及134，且藉此引入反應器18之反應器管道16之第一反應區136中。流120及122 係由注入組件132及134以使該等流以組合反應物流12形式沿反應器管道16之縱向軸20流經反應器管道16之方式引入第一反應區136中。
如圖11所示，注入組件132及134係經由圓柱形注入管道140連接在一起。注入管道140包括上游端142、下游端144及軸向延伸穿過其之注入管道通路146。
氧氣流注入組件132包括圓柱形外殼150，其具有下游端152、相反的上游端154及軸向延伸穿過其之通路156。下游端壁158定在外殼150之下游端152且上游端壁160定在外殼150之上游端154。墊圈162係定位於下游端壁158與下游端142及上游端壁160與上游端154之間以確保適當密封。由通路156所形成之內徑(亦即，外殼150之內徑)大於注入管道140之外徑。
注入管道140之上游端142延伸穿過下游端壁158之中心部分166使得管道140之一部分(通常接近其上游端142)安置於外殼150之通路156之一部分內(亦即，處於外殼內部)。注入管道140之上游端142與外殼150之上游端壁160相隔一段距離。由通路156形成之內壁(亦即，外殼150之內壁)與注入管道140之外周表面168之間的空間形成腔室170。注入管道140之上游端142與上游端壁160之間的空間形成狹槽172，其允許外殼150之腔室170與注入管道140之注入管道通路146之間流體連通。
將經預熱氧氣流120自預熱組件124經由外殼150中之入口176傳導至外殼150之腔室170中。入口176可相對於外殼 150以偏移方式定位使得氧氣流自入口切向注入腔室170中以在腔室中將圓周或漩渦運動引至氧蒸氣流中。圓周或漩渦運動可有助於確保(例如)氧蒸氣均一地自狹槽172之圓周周圍進入管道通路146。
在圖11所示之實施例中，獨立注入管135延伸穿過上游端壁160且軸向延伸一段距離至注入管道140中心。注入管135可用於將額外組份(例如清潔劑)引入反應器18之反應器管道16中所形成之反應物流12中。
鈦鹵化物氣流注入組件134包括圓柱形外殼190，其具有下游端192、相反的上游端194及軸向延伸穿過其之通路196。下游端壁198係緊固定在外殼190之下游端192，且上游端壁200係緊固定在外殼190之上游端194。墊圈202係定位於下游端壁198與下游端192及上游端壁200與上游端194之間以確保適當密封。由通道196所形成之內徑(亦即，外殼190之內徑)係大於注入管道140之外徑。
注入管道140之下游端144延伸穿過上游端壁200之中心部分202使得管道140之一部分(通常接近其下游端144)係安置於外殼190之通路196之一部分內(亦即，處於外殼內部)。注入管道140之下游端144與外殼190之下游端壁198相隔一段距離。由通路196形成之內壁(亦即，外殼190之內壁)與注入管道140之外周表面168之間的空間形成一腔室204。將經預熱之鈦鹵化物氣流122自預熱組件126經由外殼190中之入口206傳導至外殼190之腔室204中。
反應器18之反應器管道16之第一區段24之上游端208延 伸穿過外殼190之下游端壁198之中心部分210。反應器管道16之第一區段24之上游端208係與注入管道140之下游端144軸向相隔一段距離，藉此在腔室204中形成一狹槽212。狹槽212提供腔室204與反應器18之反應器管道16第一區段24之管道通路14之間的流體連通。如圖所示，反應器管道16之管道通路14與注入管道140之注入管道通路146軸向對準。
入口206可相對於外殼190以偏移方式定位，使得鈦鹵化物蒸氣流自入口切向注入腔室204中以在腔室中將圓周或漩渦運動引至蒸氣流中。圓周或漩渦運動可有助於確保(例如)鈦鹵化物蒸氣均一地自狹槽212之圓周周圍進入管道通路14。
反應器管道之第一區段24具有截頭圓錐形狀，其具有自其上游端208漸增至下游端22之區段直徑。第二區段28及第三區段100亦可具有類似截頭圓錐形狀。
將選自氣態鈦鹵化物及氧之額外組份引入第一反應區136下游之反應器管道16中之第二反應區220中。額外組份係自複數個圍繞反應器管道16之橫截面周界108間隔放置的端口以足以使額外組份顯著滲透反應物流12之外邊界層110之速度橫向注入反應物流12中。在一實施例中，額外組份係經由端口以足以使對應於所得反應物流12之納塔利值在零(0)至0.5範圍內之速度注入。在另一實施例中，額外組份係經由端口以足以使對應於所得反應物流12之納塔利值為0.3或更小之速度注入。對應於所得反應物流12之 納塔利值係如上文與本發明之化學製程有關所定義及描述。
在一實施例中，額外組份係自圍繞反應器管道16之外側112沿其橫截面周界108延伸之外腔室傳導至反應器管道16中之端口(諸如注入器組件10之端口42)。外腔室32為圍繞反應器管道16之外側112沿其橫截面周界108在與反應器管道16之縱向軸20垂直或至少大致垂直之方向上延伸之管道。額外組份可以使額外組份沿外腔室之縱向軸漩渦穿過外腔室之方式(例如，以足夠速度)注入外腔室中。使額外組份漩渦穿過外腔室有助於確保(例如)額外組份進入所有端口。
如圖11所示，額外組份係藉由本發明之注入器組件10橫向注入反應物流12中。額外組份係自注入器組件10之端口42橫向注入反應物流12中。額外組份係自注入器管道10之外腔室32傳導至端口42。
注入器組件10係間隔放置於第一反應區136下游。如圖7及11所示及上文所論述，注入器組件10係安置於反應器管道16之第一區段24之下游端22與反應器管道之第二區段28之上游端26之間，藉此將反應器管道之第一及第二區段流體連接在一起。本發明之注入器組件10將額外組份橫向注入反應物流12中之方式係如上所述。
在一實施例中，額外組份係選自氣態鈦鹵化物、氧及其混合物。額外鈦鹵化物及/或氧與來自第一反應區136之未反應之鈦鹵化物及/或氧反應且藉此增加製程容量。如圖 所示，額外組份為額外四氯化鈦。額外鈦鹵化物流222在預熱組件224中預熱且藉由本發明之注入器組件10注入第二反應區220中。將鈦鹵化物氣流222自其來源(未圖示)傳導至預熱組件224且預熱至121℃(250℉)至982℃(1800℉)範圍內之溫度，通常預熱至其中135℃(275℉)至177℃(350℉)範圍內之溫度。
允許鈦鹵化物與氧在反應器管道16之第一反應區136及/或第二反應區220中在氣相中反應以形成二氧化鈦顆粒及氣態反應產物。組合反應物流(例如)以92米(100呎)/秒至738米(800呎)/秒範圍內之速度流經反應器管道16。在1個大氣壓(絕對大氣壓)之壓力下，氧化反應溫度通常在1260℃(2300℉)至1371℃(2500℉)之範圍內。氧化反應進行之壓力可廣泛變化。舉例而言，氧化反應可在21 kPa錶值(3 psig)至345 kPa錶值(50 psig)範圍內之壓力下進行。
鈦鹵化物反應物可為任何已知的鈦鹵化物，包括四氯化鈦(TiCl4 )、四溴化鈦、四碘化鈦及四氟化鈦。極合適之鈦鹵化物為四氯化鈦。四氯化鈦為大多數(若非所有)製造金紅石二氧化鈦顏料之氣相氧化製程中所選擇之鈦鹵化物。
根據以下反應其經氧化產生微粒固體二氧化鈦及氣態反應產物：TiCl4 ＋O2 → TiO2 ＋2Cl2 。
在一實施例中，注入組合反應物流12中之額外組份為額外鈦鹵化物。引入反應器管道16之第一反應區136及第二反應區220中之鈦鹵化物可為四氯化鈦。
含氧氣體反應物較佳為分子氧。然而，其亦可由(例如)與空氣混合之氧(富氧空氣)組成。特定所用氧化氣體視多種因素而定，包括反應器管道16內反應區136及220之尺寸，鈦鹵化物及含氧氣體反應物之預熱程度，反應區表面之冷卻程度及反應物在反應區中之流通速率。
儘管所用鈦鹵化物及氧化氣體反應物之確切量可廣泛變化且並非特別關鍵的，但重要的是含氧氣體反應物應以至少足以提供與鈦鹵化物化學計量反應之量存在。一般而言，所用含氧氣體反應物之量將為超過與鈦鹵化物反應物化學計量反應所需之量，例如比化學計量反應所需量多5%至25%。
除鈦鹵化物及氧化氣體反應物之外，通常出於各種目的需要向反應器18中引入其他組份。舉例而言，在一實施例中，將足以促進二氧化鈦的金紅石化之預定量的氧化鋁引入反應器18中。促進二氧化鈦的金紅石化所需之氧化鋁量視熟習此項技術者已知之多種因素而變化。一般而言，促進金紅石化所需之氧化鋁量為以所產生之二氧化鈦顆粒之重量計在0.3重量%至1.5重量%之範圍內。引入反應區16中之氧化鋁之典型量為以所產生之二氧化鈦之重量計1.0重量%。
在一實施例中，藉由將氯化鋁與氧氣流120、鈦鹵化物流122及/或額外鈦鹵化物流222組合來將氧化鋁引入反應器18之反應區16中。如圖所示，將氯化鋁與鈦鹵化物流122及222中之一或兩者組合。氯化鋁係在與鈦鹵化物流 122及鈦鹵化物流222中之一或兩者流體連通之氯化鋁產生器230中原位產生。此項技術中熟知各種類型之氯化鋁產生器且其均可用於本發明之製程中。舉例而言，具有或無惰性微粒材料之粉末狀鋁可在反應器中藉由反應物氯及/或惰性氣體之向上穿過來流體化。或者，可將鋁以微粒形式引入氯氣流中，而非必須充分細分以在氣流中流體化。微粒鋁之固定床可藉由使氯經由床周圍之多個噴嘴傳遞至該床來氯化。
可有利地引入反應器18之另一組份之實例為清潔劑。清潔劑用於清洗反應器壁及防止其存積污垢。可用清潔劑之實例包括(但不限於)砂、二氧化鈦與水之混合物(其經粒化、乾燥及燒結)、壓縮二氧化鈦、岩鹽、熔融氧化鋁、二氧化鈦、鹽混合物及其類似物。
反應器18中所形成之二氧化鈦顆粒及氣態反應產物藉由在管狀熱交換器240中與冷卻介質(諸如冷卻水)熱交換而冷卻至約704℃(1300℉)之溫度。亦可將清潔劑注入熱交換器240中以自熱交換器之內表面移除二氧化鈦及其他材料之沈積物。在熱交換器240中可使用與反應器18中所用相同類型之清潔劑。
在穿過熱交換器240後，微粒固體二氧化鈦與氣態反應產物及任何清潔劑在分離裝置250中分離。
根據本發明之製程製造之二氧化鈦極適用作顏料。
實例
提供此預示實例以進一步說明本發明。
進行如上所述及圖10及11中所說明之製造二氧化鈦之本發明製程。在製程中使用本發明之化學反應器18。將經預熱氧氣流120及經預熱四氯化鈦氣流122以使該等流以組合反應物流12形式沿反應器管道16之縱向軸20流經反應器管道16之方式引入反應器18之反應器管道16之第一反應區136中。組合反應物流12經反應器管道16之流動速率為2.5公斤/秒。組合反應物流12之溫度為1300度(絕對溫度)。反應器管道16之直徑為125 cm(7吋)。
接著將額外氧藉由注入器組件10引入第二反應區220中。注入器組件10包括圍繞注入器管道壁38之橫截面周界44等距間隔放置的8個端口42，各端口具有1.58 cm(0.622 吋)之直徑。額外氧係漩渦穿過外腔室32且經由端口42以0.189公斤/秒之速度橫向注入反應物流12中。額外氧之溫度為300度(絕對溫度)。在注入額外氧期間注入器組件10上之壓降為30 kPa錶值(4.4 psig)。
額外氧經由端口42橫向注入反應物流12中之速度足以使額外氧顯著滲透反應物流12之外邊界層110。額外氧經由端口42橫向注入反應物流12中之速度亦足以使對應於所得反應物流之納塔利值為0.3。對應於所得反應物流12之納塔利值係在藉由注入器組件10將額外氧注入反應物流之點下游三管直徑處的反應物流中之一點("所討論點")處測定。納塔利值(NNa )係根據以下所列方程式測定：
其中：Cavg ＝0.07，其為假定額外氧氣與所得反應物流12完全混合時所討論點處額外氧之平均濃度；C1 在0至1之範圍內，其為使用計算流體動力學在橫截面區域A上間隔放置的大致1000個位置處測定之額外氧之實際濃度；且A＝38.5平方吋，其為所討論點處反應器管道16之橫截面積。
10‧‧‧注入器組件
10a‧‧‧注入器組件
10b‧‧‧注入器組件
12‧‧‧組份流
14‧‧‧反應器管道通路
16‧‧‧反應器管道
18‧‧‧反應器
20‧‧‧縱向軸
21‧‧‧箭頭
22‧‧‧下游端
24‧‧‧第一區段
26‧‧‧上游端
28‧‧‧第二區段
30‧‧‧注入器管道
32‧‧‧外腔室
34‧‧‧上游端
36‧‧‧下游端
38‧‧‧注入器管道壁
40‧‧‧注入器管道通路
42‧‧‧端口
44‧‧‧橫截面周界
46‧‧‧外表面
48‧‧‧入口
50‧‧‧凸緣
52‧‧‧相應通路
60‧‧‧間隔板
62‧‧‧通道
64‧‧‧後表面
66‧‧‧前表面
68‧‧‧通路
70‧‧‧凸緣
72‧‧‧通路
74‧‧‧凸緣
76‧‧‧墊圈
78‧‧‧螺栓
80‧‧‧螺母
88‧‧‧反應器管道壁
94‧‧‧下游端
98‧‧‧上游端
100‧‧‧第三區段
102‧‧‧凸緣
104‧‧‧凸緣
108‧‧‧橫截面周界
110‧‧‧外邊界層
112‧‧‧反應器管道外側
120‧‧‧氧氣流
122‧‧‧鈦鹵化物氣流
124‧‧‧預熱組件
126‧‧‧預熱組件
128‧‧‧氧氣來源
130‧‧‧鈦鹵化物來源
132‧‧‧注入器組件
134‧‧‧注入器組件
135‧‧‧注入管
136‧‧‧第一反應區
140‧‧‧注入管道
142‧‧‧上游端
144‧‧‧下游端
146‧‧‧注入管道通路
150‧‧‧外殼
152‧‧‧下游端
154‧‧‧上游端
156‧‧‧通路
158‧‧‧下游端壁
160‧‧‧上游端壁
162‧‧‧墊圈
166‧‧‧中心部分
168‧‧‧外周表面
170‧‧‧腔室
172‧‧‧狹槽
176‧‧‧入口
190‧‧‧外殼
192‧‧‧下游端
194‧‧‧上游端
196‧‧‧通路
198‧‧‧下游端壁
200‧‧‧上游端壁
202‧‧‧墊圈/中心部分
204‧‧‧腔室
206‧‧‧入口
208‧‧‧上游端
210‧‧‧中心部分
212‧‧‧狹槽
220‧‧‧第二反應區
222‧‧‧鈦鹵化物氣流
224‧‧‧預熱組件
230‧‧‧氯化鋁產生器
240‧‧‧熱交換器
250‧‧‧分離裝置
圖1為本發明之注入器組件之一實施例之後透視圖；圖2為圖1所示之本發明之注入器組件之實施例之前透視圖；圖3為圖1及2所示之本發明之注入器組件之實施例之端視圖；圖4為圖1－3所示之本發明之注入器組件之後視圖；圖5為沿圖3中之線5－5所取之橫截面圖；圖6為沿圖4中之線6－6所取之橫截面圖；圖7為本發明之反應器之一實施例之截面圖；圖7A為沿圖7中之線7A－7A所取之橫截面圖；圖8為包括兩個彼此直接相鄰定位之本發明之注入器組件的本發明之反應器之一實施例之截面圖；圖9為包括兩個以彼此相對間隔放置的關係定位之本發明之注入器組件的本發明之反應器之一實施例之截面圖；圖10為說明用於製造金紅石二氧化鈦之本發明製程之一 實施例之示意圖；圖11包括如用於製造金紅石二氧化鈦之本發明製程中所用之本發明反應器之一實施例之截面圖以及相關組份預熱組件之圖解說明；且
10‧‧‧注入器組件
30‧‧‧注入器管道
32‧‧‧外腔室
34‧‧‧上游端
38‧‧‧注入器管道壁
40‧‧‧注入器管道通路
42‧‧‧端口
44‧‧‧橫截面周界
48‧‧‧入口
50‧‧‧凸緣
52‧‧‧相應通路
60‧‧‧間隔板
64‧‧‧後表面
68‧‧‧通路

Claims (14)

  1. 一種用於反應氣態鈦鹵化物及氧以產生二氧化鈦顆粒之化學反應器，該化學反應器包含：一反應器管道，其中該反應器管道包括第一區段及第二區段，該第一區段及該第二區段各自具有一上游端、一下游端及一界定安置於該上游端與該下游端之間的一反應器管道通路之反應器管道壁；一注入器組件，其係用於將額外組份經由該反應器管道之管道通路引入組份流中，以提供具有0.5或更小之納塔利值(Natalie Number)之所得組分流，該納塔利值係在該額外組份引入該組份流處下游之該反應器管道的直徑3倍的距離處測定，該注入器組件係安置於該反應器管道之該第一區段之該下游端與該反應器管道之該第二區段之該上游端之間且使該第一區段與該第二區段流體連接在一起。
  2. 如請求項1之化學反應器，其中該注入器組件包含一注入器管道，該注入器管道具有一上游端、一下游端及一安置於該注入器管道之該上游端與該下游端之間且界定一注入器管道通路的注入器管道壁，該注入器管道通路係與該反應器管道之該第一區段及該第二區段之該等管道通路對準以與其流體連通，該注入器管道壁包括至少一個延伸穿過其用於將該額外組份橫向注入該反應器管道之該組份流中之端口。
  3. 如請求項2之化學反應器，其中該注入器組件進一步包 括額外組分之來源，及一外腔室，該外腔室圍繞該注入器管道壁外側沿其橫截面周界延伸且與該至少一端口流體連通，該外腔室包括一用於自該額外組份之來源接收該額外組份之入口。
  4. 如請求項3之化學反應器，其中該注入器管道壁包括複數個延伸穿過其之端口，且該外腔室係與該等端口之每一者流體連通。
  5. 如請求項4之化學反應器，其中該等端口係圍繞該注入器管道壁之橫截面周界間隔放置。
  6. 如請求項3之化學反應器，其中該注入器組件係以將該額外組分接收至該外腔室中之方式設置，使該額外組分漩渦穿過該外腔室。
  7. 如請求項3或4之化學反應器，其中該注入器組件進一步包括一安置於該注入器管道與該外腔室之間的間隔板，該間隔板包括一安置於該等端口之每一者與該外腔室之間的通道，該間隔板包括一安置於該端口與該外腔室之間且將該相應端口與該外腔室流體連接在一起的通道。
  8. 如請求項7之化學反應器，其中該外腔室係一圍繞該注入器管道壁外側沿其橫截面周界且圍繞該間隔板在與該反應器管道之縱向軸至少大致垂直之方向上延伸之管道。
  9. 如請求項8之化學反應器，其中包括該第一區段及該第二區段之該反應器管道與該注入器管道係以至少一大致直線路徑軸向對準在一起。
  10. 一種化學製程，其包含：將一或多種組份以使該(等)組份以一組份流形式沿一反應器管道之縱向軸流經該反應器管道之方式引入該反應器管道中；及將額外組份經由複數個圍繞該反應器管道之橫截面周界間隔放置的端口橫向注入該組份流中，該額外組份係經由該等端口以足以使該額外組份顯著滲透該組份流之外邊界層之速度注入，以提供具有0.5或更小之納塔利值的所得組分流，該納塔利值係在該額外組份引入該組份流處下游之該反應器管道的直徑3倍的距離處測定。
  11. 如請求項10之製程，其中該所得組份流之納塔利值為0.3或更小。
  12. 如請求項10之製程，其中該額外組份係自一外腔室傳導至該反應器管道中之該等端口，該外腔室係一圍繞該反應器管道外側沿其橫截面周界在與該反應器管道之縱向軸至少大致垂直之方向上延伸之管道。
  13. 如請求項12之製程，其進一步包含使該額外組份沿該外腔室之縱向軸漩渦穿過該外腔室之步驟。
  14. 一種用於製造二氧化鈦之製程，其包含如請求項10或11之製程，其中該引入步驟包含：將氣態鈦鹵化物及氧引入一反應器之反應器管道之第一反應區中，該引入方式使該鈦鹵化物及氧以一反應物流形式沿該反應器管道之縱向軸流經該反應器管道；其中該橫向注入步驟包含： 將選自氣態鈦鹵化物、氧及其混合物之額外組份引入該第一反應區下游之該反應器管道中之第二反應區中，該額外組份係自複數個圍繞該反應器管道之橫截面周界間隔放置的端口以足以使該額外組份顯著滲透該反應物流之外邊界層之速度橫向注入該反應物流中；該製程進一步包含：允許鈦鹵化物與氧在該反應器管道之該第一反應區及/或該第二反應區中在氣相中反應以形成二氧化鈦顆粒及氣態反應產物；及將該等二氧化鈦顆粒與該等氣態反應產物分離。
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