由超微粉粉碎機尾氣制備二氧化鈦漿料的方法

專利名稱：由超微粉粉碎機尾氣制備二氧化鈦漿料的方法
技術領域：
本發明主要涉及二氧化鈦漿料。更確切的，本發明涉及二氧化鈦的濃縮漿料和制備二氧化鈦濃縮漿料的方法。
背景技術：
二氧化鈦(“TiO2”)在工業中有很多用途。例如，TiO2可以用作許多油漆的色料。二氧化鈦也應用在其它行業，如造紙、塑料應用行業和涂料行業中。
制備二氧化鈦的技術也是公知的。TiO2通常通過水解鈦的硫酸鹽水溶液并在750-1000℃下焙燒得到，或者在階梯溫度的情況下氧化四氯化鈦(“TiCl4”)、然后冷卻到600℃以下。因此，二氧化鈦可以通過干法制備，或者用濕法，然后干燥粉碎。一種干燥粉碎的方法是通過超微粉粉碎機(micronizer)實現的(有時也稱為流化能量研磨機(fluid energy mill))。使用超微粉粉碎機時，通常將干燥的二氧化鈦色料和流體(通常是蒸汽)輸送到超微粉粉碎機中。超微粉粉碎機輸出的通常是20～50％的二氧化鈦，以及含有蒸汽的剩余組分。
在大多數色料生產中，超微粉粉碎機輸出中的二氧化鈦從蒸汽中分離出來，冷卻并以干燥顆粒的形式打包。制備好的二氧化鈦色料在生產油漆、涂料和類似物時可以溶解成水漿。在制備二氧化鈦的這種水漿的工藝中，制備好的二氧化鈦加入到帶有高剪切攪拌機的間歇式混合機中的水分散劑中。然后攪拌漿料，直至漿料達到需要的分散度。通常將干燥的二氧化鈦色料運送給消費者；漿料的制備由消費者進行。然而，現在二氧化鈦色料的生產者生產和銷售漿料的現象越來越普遍，而且較高的固體含量(即高濃縮)的漿料含有60～80％的固體和含有至少60wt％的二氧化鈦，優選為65％的二氧化鈦，特別優選的是含有至少76wt％的二氧化鈦。
為了從超微粉粉碎機輸出的蒸汽中分離二氧化鈦，超微粉粉碎機的輸出物通常輸送到氣旋氣—固分離器(或者旋風分離器)中，其中固體二氧化鈦產品沉降至旋風分離器的底端并從下面的氣流中除去；而蒸汽通常從上端的氣流中排出。然后固體二氧化鈦產品送到儲藏室并運出，或者用于制備上述的漿料。從旋風分離器中分離出來的蒸汽有時也稱為超微粉粉碎機尾氣(micronizer tailings)。這些超微粉粉碎機尾氣可以用于利用現有技術進行制備二氧化鈦漿料，如授予巴羅格(Baloga)的專利US4,427,451所述。

發明內容
本發明的第一實施例中涉及一種制備二氧化鈦漿料的改進方法。根據本發明的第一實施例，超微粉粉碎機的輸出物(即主要是蒸汽和二氧化鈦)經過冷凝器冷凝蒸汽，形成二氧化鈦的水溶液漿料；大多數的情況下，該水溶液漿料可以進一步根據需要進行濃縮，或者進行銷售或使用而不需進一步濃縮，從而可以不將超微粉粉碎機的輸出物輸送到從蒸汽中分離二氧化鈦的設備中，這和現有技術不同。
從冷凝器中得到的漿料(此后稱為“冷凝物漿料”)優選為和分散劑、抗沉淀化合物一起輸送至一攪動的儲存罐中進行進一步處理，以防止二氧化鈦固體從漿料中沉淀下來，分散劑和抗沉淀化合物的加入量以輸送到超微粉粉碎機中的二氧化鈦的重量為基準。為了有助于輸送到冷凝器中的蒸汽/色料混合物的冷凝，冷凝漿料的一部分從漿料儲存罐中抽送到一個熱交換器中進行進一步處理。然后，熱交換器的輸出物輸送到冷凝器中對冷凝器中的蒸汽進行冷凝。這種冷凝物再循環的間接好處是防止了冷凝器中污垢的形成，這些污垢是由于二氧化鈦在冷凝器內部的板上或管內形成的沉淀，從而降低了冷卻效率。輸送到冷凝器中的冷卻的冷凝物的溫度和流量設置為符合蒸汽的流量和溫度，從而確保幾乎所有含有色料的蒸汽可以從冷凝器中收集到。
為了在不需提供冷凝物時進行操作，充足的去離子水輸送到冷凝器中，直到儲存罐中的冷凝物足夠使上述的再循環路線開始運行。此時停止使用去離子水。而這將導致冷凝物一定程度的稀釋，但是加入的量很小，并不會很大程度上影響整個操作。
本發明第二實施例涉及一種制備濃縮二氧化鈦漿料的方法，該二氧化鈦漿料中至少含有60wt％、優選至少為65wt％、特別優選為至少為76wt％的二氧化鈦的水溶液，其中將上述制備的冷凝物漿料進一步濃縮為二氧化鈦組分的冷凝物漿料。一般都知道，有許多設備和方法可用于實現冷凝物漿料的進一步濃縮。例如，庫金(Culkin)的美國專利US4952317和US5014564，以及純戴爾等(Trendell et al.)的美國專利US5622628中公開的膜過濾技術。本發明中的最后一個實施例涉及這種技術生產的濃縮的漿料。


本發明通過附圖和實施例進行說明；其中的序號表示的是相似的部件。圖1所示的是實施本發明的一個優選方法，然而，本領域技術人員可以在本發明的范圍內以其它的方法實施本發明，因此圖1不是對權利要求中定義的本發明的范圍的限制。
具體實施例方式
現請參閱圖1所示，設備100包括超微粉粉碎機102、冷凝器104和儲存罐106。二氧化鈦108和蒸汽110輸送至超微粉粉碎機102中。本發明超微粉粉碎機的應用和工作原理是公知的。一般來說，在二氧化鈦中加入蒸汽能夠為微粒間的分離狀態和良好的研磨效率提供能量。超微粉粉碎機的輸出物是二氧化鈦和蒸汽的混合物，二氧化鈦的含量為25～50wt％。超微粉粉碎機的輸出物的溫度通常至少為149攝氏度(300華氏度)，優選至少為204攝氏度(400華氏度)，從而足以防止混合物的冷凝。通常，超微粉粉碎機的輸出物的溫度不超過315攝氏度(600華氏度)，優選為不超過260攝氏度(500華氏度)。
超微粉粉碎機的輸出物(即二氧化鈦/蒸汽混合物)通過公知合適的方法(如圖1箭頭112所示)輸送到冷凝器104中。在冷凝器104內，二氧化鈦/蒸汽混合物和水溶液二氧化鈦漿料結合，以及和以現有技術合適的方法輸送到冷凝器104中的水溶液二氧化鈦漿料結合。優選的，二氧化鈦漿料通過圖1所示的再循環線114從儲存罐106中輸送(即再循環)到冷凝器104中。冷凝器104可以和現有技術一樣，設有一個出口120。此外，冷凝器可以和現有技術一樣，使用冷卻水122，從而使冷凝器104保持所需的溫度。
二氧化鈦/蒸汽混合物中二氧化鈦的重量百分比和所加入的漿料中的二氧化鈦的重量百分比幾乎是一樣的。加入到冷凝器104中的漿料的溫度比冷凝器中加入的超微粉粉碎機的輸出物的溫度要低。所加入的漿料的量和溫度足以冷凝幾乎所有的二氧化鈦/蒸汽混合物。可以理解，所加入的漿料的量和溫度要足以冷凝幾乎所有的二氧化鈦/蒸汽混合物，這取決于需要進行冷凝的二氧化鈦/蒸汽混合物的量和溫度。不過，足夠的量和溫度可以不進行試驗就可以測定。
冷凝的二氧化鈦/蒸汽混合物和冷凝器104中加入的漿料結合，從而產生相應的冷凝物漿料。該相應的漿料中的二氧化鈦的含量通常至少為25wt％，優選為至少為30wt％。在本發明的一個優選實施例中，該相應的漿料含有至少40wt％的二氧化鈦。然后，該相應的漿料通過現有技術中合適的方法輸送到儲存罐106中，如圖中箭頭116所示。
在優選的實施例中，儲存在儲存罐106中的部分漿料再循環到上述冷凝器104中。儲存罐106中未再循環的漿料可以通過圖1中箭頭118所示的現有技術中的方法，作為初始漿料用于最終的漿料生產工藝，其中初始漿料適合消費者使用。例如，用于生產乳膠漆的漿料可以通過用現有技術進一步濃縮初始漿料，使其中含有至少60wt％的二氧化鈦；例如，庫金的美國專利US4952317和US5014564，以及純戴爾等人的美國專利US5622628中公開的膜過濾技術中使用的設備和方法。其它方面的應用可能需要至少65％～76％和更高的濃度；本領域的技術人員可以用本發明提供的漿料制備不同濃度的最終漿料，并應用到不同領域。
再循環漿料的量和溫度可以通過現有技術進行控制，從而滿足上述溫度和量的要求。例如，儲存罐106中漿料的溫度可以比再循環到冷凝器104中的漿料所需的溫度高。相應的，當要再循環的漿料留存在儲存罐106中時，漿料在加入到了冷凝器104中之前可以用公知技術進行冷卻。此外，從儲存罐106中再循環的漿料的量可以用現有技術進行控制，從而再循環的漿料中二氧化鈦的含量幾乎和輸送到冷卻器106中的超微粉粉碎機輸出物中的二氧化鈦的含量一樣。
本發明進一步用下述實例中的不同實施例進行說明。
實例1組裝內徑為10cm(4英寸)、水平設置有平面平行板的超微粉粉碎機，以使輸入到超微粉粉碎機中的蒸汽和色料從系統的頂側溢出。其后，連接到超微粉粉碎機頂部的管道將蒸汽—色料混合物輸送到冷凝單元。為了冷卻蒸汽—色料混合物，少量的水加入到收集蒸汽—色料的收集器中。和收集器連接的泵將一部分水/蒸汽—色料混合物輸送到熱交換器中，從熱交換器中進入冷凝器的頂部。當收集器近三分之一到一半是滿的時候，稀釋的冷凝物從熱交換器熱的一側流到單獨的產品收集器中。
使用上述的方法生產的含有40％固體的充分稀釋的冷凝物漿料為VSEP濃縮單元提供了合適的進料，該VSEP濃縮單元由加拿大艾末瑞威市的新邏輯研究有限公司制造，并在下面進行詳細說明。本例中輸送到超微粉粉碎機的二氧化鈦用于TRONOXTMCR-813的二氧化鈦，一種由科麥奇化學有限公司生產的內部建筑漆。該進料是常規商業產品進行表面處理后，再清洗和干燥得到，這些步驟是在最終的微粉化步驟之前。
為了生產本例中的冷凝物漿料，56.8kg/hr(125lbs/hour)的過熱蒸汽和近40.9kg/hr(90lbs/hour)的二氧化鈦一起混合進入超微粉粉碎機系統中，蒸汽和色料的重量比為1.4∶1。釋放到產品收集器中的固體量間隔固定的時間進行監測，直至得到重量比為40％的固體。
在濃縮VSEP設備中含有40％固體的冷凝物漿料樣品前，在商業混合的重量比的基礎上計算出的量加入到已知量的冷凝物漿料中。在輸送到VSEP單元之前，漿料通過200目的篩子進行預篩，除去尺寸過大的物質。采用了具有0.1微米的孔徑的特富龍膜、并在單膜方式下使用的VSEP系列的L/P單元。漿料通過VSEP系統進行再循環，直到固體含量范圍為65～66％。
對比試驗第二個實例作為對比試驗，以說明本發明和現有技術相比所具有的優點。使用實例1中的均一尺寸的超微粉粉碎機生產一些干燥的微粉化的色料。在不需增加制好的色料的濕度的情況下，通過現有技術，第二實例中使用超微粉粉碎機就可以使微粉化的色料從過熱蒸汽中分離。通過旋風分離器的使用，可以實現對比試驗蒸汽中色料的分離，該旋風分離器提供了近85～90％輸送到超微粉粉碎機中的色料的回收。蒸汽和色料的流速，以及蒸汽的溫度都和實例1中的一樣。使用的色料也和實例1中所述的色料一樣。
然后，使用可從美國拜克—咖得那(Byk-Gardner)公司得到的力矩敏感(torque sensing-capable)DISPERMATTM模型M AE3C，最終的漿料通過上述的微粉化的色料制備而得。該技術涉及將已測試的775克的色料樣品和實例1中使用的相同性能和量的分散劑一起加入到370克水中，以使濕潤/分散后的固體含量范圍為65～66％。
設置用于內部建筑的標準乳膠漆的配方由實例1中的相對高固體的漿料和本對比試驗制得。漆的配方是標準的乳膠漆的配方，設計用于內部建筑。配方包括色料漿料樣品和部分氣味清新的多乙酸乙烯酯乳狀液。在每種配方中，添加到乳狀液中的色料的量對于體積濃度為60％的色料是充分的(在干燥的漆膜中)。
得到的漆的配方應用到黑色玻璃板和白色卡片中。干燥漆膜的Y反射系數值用本領域公知的亨特實驗室(Hunter lab)色差儀進行測量。這些讀數和測試的膜的重量結合后用于計算用每公斤色料的平方米被覆力(平方英尺/磅)表示的分散值。
然后，固定量的黑色基色加入到上述白色乳膠漆配方(源自實例1和對比實例中的漿料)中的每部分中以獲得灰色漆，從而可以進行色度的計算。這些色彩配方的耗盡用標準LENETATM表格作相應的對照。利用所有這些耗盡，得出包括色彩強度的計算和拽氦(dryhide)的計算結果。結果如下表1所示。
表1漆配方的光學性能

和復雜的現有技術制備的漿料相比，通過本發明制備的色料漿料非常好。
權利要求
1.制備二氧化鈦漿料的方法，包括如下步驟將含有二氧化鈦和蒸汽混合物的超微粉粉碎機輸出物輸送到冷凝器中；以及將初始二氧化鈦漿料加入到冷凝器中；其中加入的二氧化鈦漿料的量和溫度足以冷凝幾乎所有的超微粉粉碎機的輸出物，其中加入的二氧化鈦漿料和冷凝的超微粉粉碎機的輸出物結合，從而得到二氧化鈦漿料。
2.權利要求1所述的方法，其中二氧化鈦和蒸汽混合物中二氧化鈦的含量幾乎和初始二氧化鈦漿料中的二氧化鈦的含量相同。
3.權利要求1所述的方法，其中二氧化鈦和蒸汽混合物中含有25wt％～50wt％的二氧化鈦。
4.權利要求1所述的方法，其中最終的二氧化鈦漿料中二氧化鈦的含量至少為20wt％。
5.權利要求1所述的方法，其中最終的二氧化鈦漿料中二氧化鈦的含量至少為30wt％。
6.權利要求1所述的方法，其中最終的二氧化鈦漿料中二氧化鈦的含量至少為40wt％。
7.權利要求1所述的方法，其中超微粉粉碎機輸出物的溫度足以防止二氧化鈦和蒸汽混合物和最初的二氧化鈦漿料結合前的冷凝。
8.權利要求1所述的方法，其中還包括進一步濃縮最終的二氧化鈦的漿料，使該漿料中二氧化鈦的含量至少為60wt％的步驟。
9.權利要求8所述的方法，其中權利要求1所得的最終的二氧化鈦的漿料進一步濃縮，使該漿料中二氧化鈦的含量至少為65wt％。
10.權利要求9所述的方法，其中最終的二氧化鈦的漿料進一步濃縮，使該漿料中二氧化鈦的含量至少為76wt％。
11.制備二氧化鈦漿料的方法，包括如下步驟將含有二氧化鈦和蒸汽混合物的超微粉粉碎機輸出物輸送到冷凝器中；將初始二氧化鈦漿料加入到冷凝器中；其中加入的二氧化鈦漿料的量和溫度足以冷凝幾乎所有的超微粉粉碎機的輸出物，其中加入額二氧化鈦漿料和冷凝的超微粉粉碎機的輸出物結合，從而得到二氧化鈦漿料成品；將二氧化鈦漿料成品運輸到儲存罐中；以及將部分二氧化鈦漿料成品再循環到冷凝器中，加入到上述初始二氧化鈦漿料中。
全文摘要
一種制備二氧化鈦漿料的改進方法。超微粉粉碎機的輸出物通過冷凝器冷凝蒸汽并形成二氧化鈦水溶液漿料，在大多數情況下，該漿料可以進一步濃縮或在不濃縮的情況下使用，而不是象現有技術一樣，將超微粉粉碎機的輸出輸送到設備中將二氧化鈦從蒸汽中分離出來。從冷凝器中得到的漿料進一步處理，優選為和分散劑、抗沉淀化合物一起送到攪拌功能的儲存罐中。為了便于送到冷凝器中的蒸汽/色料混合物的冷凝，一部分冷凝的漿料從漿料儲存罐中抽送到熱交換器中進一步處理。然后熱交換器中的輸出物輸送到冷凝器中，以便于冷凝器中蒸汽的冷凝。冷凝器中冷卻的冷凝物的溫度和流量設置為滿足蒸汽的量和溫度，從而確保幾乎所有的蒸汽和色料從收集器中收集。
文檔編號C09C1/36GK1756806SQ200380110124
公開日2006年4月5日 申請日期2003年11月21日 優先權日2003年3月27日
發明者T·I·布朗布里奇, J·A·恩格爾 申請人:特諾有限公司