專利名稱：在二氧化鈦工藝中使用改善的煙道的方法
在二氧化鈦工藝中使用改善的煙道的方法發(fā)明背景發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及對制造的二氧化鈦進(jìn)行冷卻的方法，具體地講涉及可以更高效地冷卻二氧化鈦顆粒的具有隆起或凹陷的煙道。
背景技術(shù)：
二氧化鈦顏料具有多種應(yīng)用，包括涂料、漆料、塑料、紙材等。光散射是這些顏料的重要性質(zhì)之一，它在很大程度上取決于粒度和粒度分布。大量的二氧化鈦顏料在商業(yè)上都通過使四氯化鈦與氧在蒸汽相中進(jìn)行反應(yīng)而生產(chǎn)。此反應(yīng)之后，立即使二氧化鈦反應(yīng)物料通過導(dǎo)管(即煙道)進(jìn)行冷卻，在此導(dǎo)管中發(fā)生二氧化鈦顏料顆粒的生長和所述顆粒的附聚。希望快速冷卻二氧化鈦，因為這會使得顏料具有較高的碳黑底色(“CBU”)。CBU 在美國專利2，488，440中有所描述，該專利據(jù)此以引用方式并入。然而，當(dāng)使用直徑較小的煙道進(jìn)行更快速的冷卻時，據(jù)發(fā)現(xiàn)盡管CBU有所提高，但會加重湍流，這會增加顏料顆粒的附聚，從而降低顏料光澤度。需要一種改善的煙道，它可以有效提供二氧化鈦顆粒所必需的冷卻，但不存在已知煙道的缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
在第一方面，本發(fā)明提供了一種改善的熱傳遞的煙道，所述煙道包括內(nèi)層和外層， 其中內(nèi)層包含熱導(dǎo)率為至少91W/m-K (在300K下)和莫氏硬度為至少6. 5的高熱導(dǎo)率陶瓷， 并包含多個隆起、凹陷或兩者；并且其中內(nèi)層和外層以基本上連續(xù)的導(dǎo)熱方式接觸。在第一方面，通過壓縮配合、電沉積、使用導(dǎo)電粘合劑層或用熔化的金屬澆鑄實現(xiàn)該基本上連續(xù)的導(dǎo)熱式接觸。在第二方面，本發(fā)明提供了制備具有改善的粒度分布和/或底色的二氧化鈦顆粒的方法，所述方法包括a.讓四氯化鈦與氧反應(yīng)形成二氧化鈦顆粒；以及b.在煙道中冷卻所述顆粒，其中提供改善的熱傳遞的煙道包括內(nèi)層和外層，其中內(nèi)層的至少一部分包含熱導(dǎo)率為至少91W/m-K(在300K下)和莫氏硬度為至少6. 5的高熱導(dǎo)率陶瓷，并包含多個隆起、凹陷或兩者；并且其中內(nèi)層和外層基本上連續(xù)的導(dǎo)熱式接觸。附圖簡述

圖1示出了本發(fā)明中使用的煙道的端視圖。發(fā)明詳述通過使氧與四氯化鈦在蒸汽相中進(jìn)行反應(yīng)來制備二氧化鈦顏料的工藝在(例如) 美國專利 2，488，439,2, 488，440,2, 559，638,2, 833，627,3, 208，866 和 3，505，091 中有所公開。這些專利的公開內(nèi)容據(jù)此以引用方式并入。
此反應(yīng)通常發(fā)生在管道或?qū)Ч苤?，其中在適于制備二氧化鈦的溫度和壓力下引入氧和四氯化鈦。在此反應(yīng)中，一般會產(chǎn)生火焰。在火焰的下游，將制得的二氧化鈦送入進(jìn)行冷卻的附加長度的導(dǎo)管。出于本文的目的，將此導(dǎo)管稱為煙道。煙道的長度應(yīng)足以完成所需的冷卻。煙道通常是水冷的，長度可以為約50英尺(15. 24m)至約3000英尺(914. 4m)，典型地為約100英尺(30. 48m)至約 1500英尺(457. 2m)，最典型地為約200英尺(60. 96m)至1200英尺(365. 76m)。本發(fā)明煙道的長度可以等于或小于上文所公開煙道的總長度。本發(fā)明中使用的煙道可以具有不會導(dǎo)致過度湍流的任何合適的形狀。煙道通常是圓形的，即為管道的形式。圖1中所示的提供改善的熱傳遞的煙道10包括內(nèi)層12和外層 11，其中內(nèi)層12包含熱導(dǎo)率為至少91W/m-K (在300K下)和莫氏硬度為至少6. 5的高熱導(dǎo)率陶瓷，并包含隆起13、凹陷14或兩者，外層11與內(nèi)層12基本上連續(xù)的導(dǎo)熱式接觸。包含隆起13、凹陷14或兩者的內(nèi)層12由高熱導(dǎo)率陶瓷材料制成，所述陶瓷材料的熱導(dǎo)率為至少約91W/m-K (在300K下)，更典型地為約110至約150W/m_K (在300K下)，莫氏硬度為至少6. 5，典型地為約9至約9. 5。使用莫氏硬度大于6. 5的構(gòu)造材料將延長煙道的使用壽命，并減少腐蝕性產(chǎn)品對Ti02產(chǎn)品造成的污染。內(nèi)層12所用的材料通常也是耐氯材料。高熱導(dǎo)率陶瓷材料的一些合適的實例包括氮化鋁、燒結(jié)的α碳化硅和其他形式的碳化硅。更典型的是，隆起可以為翅片或脊。內(nèi)層通常包含盡可能多的隆起13、凹陷14或兩者的組合。然而，如果過多的話，緊密的間距又會在它們之間截留顏料顆?；虿料床牧?。隆起13(例如翅片)和凹陷14的形狀和尺寸受構(gòu)造材料的限制。具有較高熱導(dǎo)率和較好耐腐蝕性的材料可允許在煙道中安裝額外的更長、更窄的翅片。因此，使用燒結(jié)的α碳化硅這樣的材料將使得煙道內(nèi)部的總表面積更大，因為可存在額外的較長、較窄的翅片。這將提高每單位煙道的總熱通量。通過提高煙道中的熱通量可以更快地冷卻Ti02物料，從而獲得可用于Ti02商業(yè)制造的較小粒度。 美國專利4，937，064公開了較快冷卻對粒度和質(zhì)量的影響，該專利以引用方式并入本文。一般來講，隆起13和/或凹陷14可以是基本縱向的，即，沿著煙道的長度設(shè)置。 所謂術(shù)語“基本縱向的”是指隆起13和/或凹陷14應(yīng)基本平行(即，平行于導(dǎo)管的軸)或稍微成一定角度(即，類似于槍管中的凹槽)。隆起13和/或凹陷14通常是基本平行的。 至于翅片的高度，它們通常盡可能高以提高冷卻效果，但又不會高得受到嚴(yán)重侵蝕(由于高頂端溫度)或使湍流加重。煙道通常包含足夠多的翅片，以增大從工藝中到冷卻水的傳熱量。煙道的每英尺煙道直徑上典型地將具有介于0. 5和8個之間的翅片，更典型地地介于1和5個之間的翅片，最典型地地介于2和4個之間的翅片。煙道的外層11可以是具有良好熱傳遞特性和良好機械特性的任何物質(zhì)，以用于構(gòu)造并保持壓力。它包括選自下列的金屬鎳(如鎳200，一種具有最低約99%的鎳的商用純加工鎳)、鎳合金和各種等級的不銹鋼。一些合適的以商品名Inconel 出售的鎳合金包括稱為 UNS N06600 的合金 600、合金 601 (UNS N06601)、合金 625 (UNS N06625)、合金 690 (UNS N06690)。一些合適的以商品名Hastelloy 出售的鎳合金包括合金G3/G30 (UNS N06030)、合金 C-22 (UNS N06022)、合金 C-276 (UNS N10276)、合金 X (UNS N06002)。一般來講，外層應(yīng)足夠厚，以提供管道壓力等級所需的機械強度，但又不能過厚，不然會減弱熱傳遞。因為本發(fā)明中使用的改善的煙道比普通煙道要貴，所以通常只有煙道的一部分具有隆起13和/或凹陷14。還因為Ti02的大部分冷卻將發(fā)生在靠近二氧化鈦反應(yīng)火焰的地方，所以本發(fā)明中使用的改善的煙道通?；旧暇o接著反應(yīng)火焰的下游使用，并在之后繼續(xù)，直到達(dá)到基本上所有或大部分顏料顆粒的生長和/或附聚都終止的點。本發(fā)明中使用的改善的煙道的長度典型地可以為約5英尺(152. 4cm)至約500英尺(152. 4m)，更典型地為約5英尺(152. 4cm)至約300英尺(91. 4m)，最典型地為約5英尺(152. 4cm)至約100英尺(30.5m)。然而，如果需要，所有或大部分煙道都可以是本發(fā)明中使用的改善的煙道；如果這樣的話，由于可以提供更高效的冷卻，因此可以縮短煙道的所需長度。通常隆起13的頂端應(yīng)比隆起13的基部細(xì)；更通常的是，隆起13為梯形，其中隆起 13之間的空間為圓形的凹陷14。通常隆起13是漸縮的，即煙道入口和出口部分的隆起高度小于隆起13的最高點；特別典型的是煙道入口和出口處的隆起13是漸縮的和齊平的或接近齊平的，即內(nèi)層是基本光滑的。本發(fā)明的改善的煙道的內(nèi)徑應(yīng)不會在自身導(dǎo)致煙道中的Ti02和其他材料的速度和其他條件下發(fā)生明顯湍流。典型地內(nèi)徑為約2至約50英寸(約5至約127cm)，更典型地為約5至約30英寸(約13至約76cm)，最典型地為約6至約20英寸(約15至約51cm)。本發(fā)明的改善的煙道通常將具有比位于本發(fā)明改善的煙道上游的普通煙道大的導(dǎo)管內(nèi)徑。在前文和本文的其他地方中，(a) “內(nèi)徑”是指煙道中彼此相對的兩最低點之間的距離，(b) “上游”或“下游”與二氧化鈦顏料在煙道中的流動有關(guān)。當(dāng)從隆起13的彼此相對的兩個頂端測量時，本發(fā)明改善的煙道的直徑通常大于或約等于位于本發(fā)明改善的煙道上游的普通煙道的直徑。內(nèi)層12和外層11基本上連續(xù)的導(dǎo)熱式接觸。所謂“基本上連續(xù)的導(dǎo)熱式接觸”是指熱傳遞不受兩層之間的氣隙的不利影響?？梢酝ㄟ^壓縮配合、電沉積、使用導(dǎo)電粘合劑層或用熔化的金屬澆鑄實現(xiàn)這種基本上連續(xù)的導(dǎo)熱式接觸。通過提供基本上連續(xù)的導(dǎo)熱式接觸，即使在反應(yīng)器煙道氣體超過1500°C時，碳化硅溫度也可保持在900°C以下。在一個具體的實施方案中，對于包含導(dǎo)熱陶瓷(如燒結(jié)的α-碳化硅)的管道而言，鄰近管道的導(dǎo)熱陶瓷表面與外部圓柱形金屬管道內(nèi)表面之間必須保持良好的接觸。未在導(dǎo)熱陶瓷內(nèi)表面與包含金屬的外層之間形成良好的接觸會產(chǎn)生起絕緣層作用的氣隙。該氣隙絕緣層會使碳化硅溫度超過900°C，從而導(dǎo)致碳化硅因氯化作用而失效?？梢酝ㄟ^將導(dǎo)熱陶瓷內(nèi)層(1 與外層(11)(如管道)壓縮配合來獲得良好的接觸?？梢酝ㄟ^加熱外部金屬管道(11)使其膨脹從而實現(xiàn)壓縮配合。當(dāng)加熱外部管道并且金屬膨脹時，管道的內(nèi)徑增大。當(dāng)管道變熱時，可以將冷的導(dǎo)熱陶瓷圓柱體件(12)插入管道(11)中。金屬冷卻時， 它將收縮，并在內(nèi)部導(dǎo)熱陶瓷和金屬外層之間實現(xiàn)緊密連接。提供壓縮配合的另一種方法涉及焊接工序。焊接過程中，金屬(如鎳200，一種具有最低約99%的鎳的商用純加工鎳)將會發(fā)生收縮。通過將包括導(dǎo)熱陶瓷件的內(nèi)層緊緊安裝在包括未進(jìn)行縱向焊接的鎳管的外層中開始壓縮配合過程。進(jìn)行縱向焊接時，管徑會減小，從而實現(xiàn)陶瓷在鎳管中的壓縮配合。確保基本上連續(xù)的導(dǎo)熱式接觸的另一種方法是在內(nèi)部陶瓷(1 與外部金屬管道 (11)之間安裝導(dǎo)熱粘合劑層。導(dǎo)熱粘合劑應(yīng)充滿兩種材料之間的氣隙以獲得高熱通量。它還應(yīng)該是耐熱的。多種高溫導(dǎo)熱粘合劑可商購獲得。它們的實例包括但不限于填充氮化鋁、 填充銀和填充鎳的無機漿料。另一種方法是用熔化的金屬進(jìn)行澆鑄。在此實施方案中，用作內(nèi)層(12)的最終陶瓷翅片件可澆鑄而成，其中將熔化的金屬在圓柱體管式模具中澆鑄在陶瓷的外部上以形成將用作外層(11)的外部金屬管。澆鑄將能消除陶瓷與金屬之間的氣隙。
實施例實施例1 采用從工藝中到翅片的熱傳遞的設(shè)定邊界條件，建立用鎳200制成的翅片的計算流體力學(xué)(CFD)模型。CFD模型顯示出四，187瓦特/翅片的熱通量。將翅片的構(gòu)造材料換成α碳化硅，同時保持從工藝中到翅片的熱傳遞的邊界條件。使用α碳化硅時，熱傳遞提高至30，607瓦特/翅片。根據(jù)為每種情況選擇的邊界層條件，總體單位熱通量可發(fā)生改變，但α碳化硅件將提供比鎳200更佳的熱傳遞。
權(quán)利要求
1.提供改善的熱傳遞的煙道，所述煙道包括內(nèi)層和外層，其中所述內(nèi)層包含熱導(dǎo)率為至少91W/m-K (在300K下)和莫氏硬度為至少6. 5的高熱導(dǎo)率陶瓷，并包含多個隆起、凹陷或兩者；并且其中所述內(nèi)層和所述外層基本上連續(xù)的導(dǎo)熱式接觸。
2.權(quán)利要求1的煙道，其中所述基本上連續(xù)的導(dǎo)熱式接觸通過壓縮配合實現(xiàn)。
3.權(quán)利要求1的煙道，其中所述基本上連續(xù)的導(dǎo)熱式接觸通過電沉積實現(xiàn)。
4.權(quán)利要求1的煙道，其中所述基本上連續(xù)的導(dǎo)熱式接觸通過使用導(dǎo)電粘合劑層實現(xiàn)。
5.權(quán)利要求1的煙道，其中所述基本上連續(xù)的導(dǎo)熱式接觸通過用熔化的金屬進(jìn)行澆鑄實現(xiàn)。
6.權(quán)利要求1的煙道，其中所述高熱導(dǎo)率陶瓷為燒結(jié)的α碳化硅。
7.權(quán)利要求1的煙道，其中所述外層選自基本上由鎳、鎳合金和不銹鋼組成的組。
8.權(quán)利要求1的煙道，其中所述內(nèi)層包含隆起。
9.權(quán)利要求1的煙道，其中安裝所述煙道，其中煙道氣體溫度超過900°C。
10.權(quán)利要求8的煙道，其中所述隆起為翅片。
11.權(quán)利要求8的煙道，其中所述隆起為脊。
12.權(quán)利要求10的煙道，其中所述翅片在所述內(nèi)層中形成膛線。
13.制備具有改善的粒度分布和/或底色的二氧化鈦顆粒的方法，所述方法包括a.使四氯化鈦與氧反應(yīng)形成二氧化鈦顆粒；以及b.在煙道中冷卻所述顆粒，其中提供改善的熱傳遞的煙道包括內(nèi)層和外層，其中內(nèi)層的至少一部分包含熱導(dǎo)率為至少91W/m-K (在300K下)和莫氏硬度為至少6. 5的高熱導(dǎo)率陶瓷，并包含多個隆起、凹陷或兩者；并且其中內(nèi)層和外層基本上連續(xù)的導(dǎo)熱式接觸。
14.權(quán)利要求13的方法，其中所述基本上連續(xù)的導(dǎo)熱式接觸通過壓縮配合實現(xiàn)。
15.權(quán)利要求13的方法，其中所述基本上連續(xù)的導(dǎo)熱式接觸通過電沉積實現(xiàn)。
16.權(quán)利要求13的方法，其中所述基本上連續(xù)的導(dǎo)熱式接觸通過使用導(dǎo)電粘合劑層實現(xiàn)。
17.權(quán)利要求13的方法，其中所述基本上連續(xù)的導(dǎo)熱式接觸通過用熔化的金屬進(jìn)行澆鑄實現(xiàn)。
18.權(quán)利要求13的方法，其中所述高熱導(dǎo)率陶瓷為燒結(jié)的α碳化硅。
19.權(quán)利要求13的方法，其中所述外層選自基本上由鎳、鎳合金和不銹鋼組成的組。
20.權(quán)利要求13的方法，其中所述內(nèi)層包含隆起。
21.權(quán)利要求13的方法，其中安裝所述煙道，其中煙道氣體溫度超過900°C。
22.權(quán)利要求13的方法，其中安裝所述煙道，其中煙道氣體溫度超過1200°C。
23.權(quán)利要求20的方法，其中所述隆起為翅片。
24.權(quán)利要求23的方法，其中所述翅片在所述內(nèi)層中形成膛線。
25.權(quán)利要求13的方法，其中所述煙道的整個長度包括內(nèi)層和外層，其中所述內(nèi)層包含熱導(dǎo)率為至少91W/m-K (在300K下)和莫氏硬度為至少6. 5的高熱導(dǎo)率陶瓷，并包含隆起、凹陷或兩者；并且其中所述內(nèi)層與所述外層基本上連續(xù)的導(dǎo)熱式接觸。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種提供改善的熱傳遞的煙道，所述煙道包括內(nèi)層和外層，其中所述內(nèi)層包含熱導(dǎo)率為至少91W/m-K(在300K下)和莫氏硬度為至少6.5的高熱導(dǎo)率陶瓷，并包含多個隆起(13)、凹陷(14)或兩者；并且其中所述內(nèi)層(12)和所述外層(11)基本上連續(xù)的導(dǎo)熱式接觸。采用上文所述的煙道形成具有改善的粒度、光澤度、底色、著色強度和遮蓋力的二氧化鈦顆粒。
文檔編號F28F21/04GK102422115SQ201080020169
公開日2012年4月18日 申請日期2010年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月8日
發(fā)明者C·D·穆西克 申請人:納幕爾杜邦公司