JP2005008456A - Method and equipment for manufacturing fullerene - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method and equipment for manufacturing fullerene by which the recovery rate of fullerene is improved by decreasing the temperature of a waste gas discharged from a fullerene manufacturing apparatus to supply the gas to a fullerene recovery apparatus and the operation is carried out for a long period of time by preventing the clogging of a passage. <P>SOLUTION: In the method of manufacturing fullerene by sending the high temperature fullerene-containing gas discharged from the fullerene manufacturing apparatus 11 to the fullerene recovery apparatus 13 through the passage 12 and recovering a soot-like material containing fullerene from the gas, the passage 12 is cooled and the gas passed through the passage 12 is forced to form a swirling flow. In the equipment 10 for manufacturing the fullerene, the passage 12 has an upstream side passage 32 provided with a 1st cooling means 30 and 31 for passing and cooling the gas and swirling flow producing means 28 and 29 to make the gas passed through the path 12 into the swirling flow and a downstream side passage 35 provided with a 2nd cooling means 34 for cooling the gas while passing the swirling flow of the gas. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フラーレン製造装置から排出されるフラーレンを含む高温のガスの温度を下げてフラーレン回収装置に供給してフラーレンの回収率を向上させるフラーレンの製造方法及びその設備に関する。
【０００２】
【従来の技術】
フラーレンは、ダイヤモンド、黒鉛に次ぐ第三の炭素同素体の総称であり、Ｃ６０やＣ７０をはじめとする一群の球殻状の炭素分子のことを指し、Ｃ６０やＣ７０の他、Ｃ７４、Ｃ７６、Ｃ７８、Ｃ８０、Ｃ８２、Ｃ８４、Ｃ８６、Ｃ８８、Ｃ９０、Ｃ９２、Ｃ９４、Ｃ９６等があるが、球殻状であれば良く、炭素数に上限はない。
フラーレンの存在が最終的に確認されたのは比較的最近の１９９０年のことであり、比較的新しい炭素材料であるが、その特殊な分子構造ゆえに特異的な物理的性質を示すことが認められ、例えば、超硬材料への応用、医薬品への応用、超伝導材料への応用、半導体製造への応用等の広範囲な分野に渡り、革新的な用途開発が急速に展開されつつある。特に、フラーレンの中でもＣ６０及びＣ７０は比較的合成が容易であり、それゆえ今後の需要も爆発的に高まることが予想されている。
【０００３】
現在知られているフラーレンの製造方法としては、例えば、レーザ蒸着法、抵抗加熱法、アーク放電法、高周波誘導加熱法、燃焼法、ナフタレン熱分解法等が提案されている。そして、いずれの方法においても、フラーレンはすす状物質（カーボンブラック）中に含まれて生成される。従って、生成したフラーレンを回収するには、先ず、フラーレンを含有するすす状物質を回収することが必要となる。
特に、フラーレンを製造する上で最も安価で、効率的な製造方法の一つとして考えられている燃焼法では、フラーレンを含有するすす状物質が、フラーレン反応炉から排出される高温の排ガス（主成分は一酸化炭素ガスと水蒸気）中に浮遊している。
このため、フラーレン反応炉から排出される高温の排ガスをフラーレン反応炉に接続した通路内に流出させてこの通路内を通過させながら温度を低下した後、例えば、フィルターを使用したフラーレン回収装置に流入させてフラーレンを含有するすす状物質を分離するフラーレンの製造装置が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
【非特許文献１】
Ｍｉｃｈａｅｌ Ｄ．Ｄｉｅｎｅｒ、Ｎｏａｈ Ｎｉｃｈｅｌｓｏｎ、ａｎｄ Ｊｏｈｎ Ｍ．Ａｌｆｏｒｄ、Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ Ｓｉｎｇｌｅ−Ｗａｌｌｅｄ Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ ｉｎ Ｆｌａｍｅｓ、Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｂ、米国、ＡＣＳ Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ、２０００年９月１４日、第１０４巻、４１号、ｐ．９６１５−９６２０、第１図
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、非特許文献１に記載されたフラーレンの製造装置では、フラーレン反応炉から排出された高温の排ガスは通路内を通路に沿って通過するため、内周側に接触しながら通過する排ガスの温度は低下しても、接触しないで通過する排ガスの温度は十分に低下しない。
このため、フラーレン反応炉から排出される排ガス量が少ない場合は排ガスの温度を十分に低下させることができるが、フラーレンの生産量を多くするためフラーレン反応炉に供給する原料の供給量を多くして排出される排ガス量が多くなると、内周側に接触しないで通過する排ガスの割合が増加して、フラーレン回収装置に流入する排ガス温度が上昇していた。
【０００６】
その結果、フラーレン回収装置で捕集されたフラーレン含有すす状物質からなる捕集層の温度も高くなり（例えば、７５０〜８００℃）、この捕集層内で生成したフラーレンが分解又は昇華してフラーレンの回収率が低下するという問題が生じていた。
また、フラーレン回収装置に使用されるフィルターが、使用温度を超えた高温に曝されるため、通常１４０℃程度以下の温度で使用される安価な樹脂製（例えば、ナイロン樹脂等）のフィルターは使用できない上、より高温のガスに耐えられる耐熱性高温フィルター（例えば、焼結金属製）を用いる場合でも、その耐熱温度以上となるか、又は耐熱温度以下であってもフィルターの耐用時間が低下しフィルターの交換頻度が高くなるという問題が生じていた。
【０００７】
更に、排ガスが通過することにより排ガス中に浮遊しているフラーレンを含有するすす状物質が通路の内周側に徐々に付着して、排ガスと通路の内周側との間の熱交換効率を低下させて排ガスの冷却効果を低下させるだけでなく、長時間の運転時には通路が閉塞するという問題が生じていた。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、フラーレン製造装置から排出される排ガスの温度を下げてフラーレン回収装置に供給してフラーレンの回収率を向上し、同時に通路内の閉塞を防止して長時間運転を行うことが可能なフラーレンの製造方法及びその設備を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的に沿う第１の発明に係るフラーレンの製造方法は、フラーレン製造装置から排出するフラーレンを含む高温のガスを通路を介してフラーレン回収装置に送り、前記ガス中からフラーレンを含有するすす状物質を回収するフラーレンの製造方法において、
前記通路を冷却すると共に、該通路を通過する前記ガスを旋回流にする。
【０００９】
フラーレンを含む高温のガスを旋回流にして通路を通過させることで、通路の内側と接触するガスを常に入れ替えながら、ガスと通路の内側との接触位置も常に変動させることができ、ガスと通路の内側との間の熱交換効率を向上させることができる。その結果、ガス全体の温度を一様に低下させることができる。
更に、ガスと通路の内側との接触位置が常に変動することにより、ガス中に浮遊しているすす状物質やフラーレン製造装置内で形成されガス中に混入した燃焼残渣が通路の内側に付着するのを抑制できる。このため、通路の内側が露出され易くなり、ガスと通路の内側との間の熱交換効率を高位に維持できる。
その結果、フラーレン回収装置に流入する際のガスの温度をフラーレンの分解温度未満にすることができる。
【００１０】
前記目的に沿う第２の発明に係るフラーレンの製造方法は、フラーレン製造装置から排出するフラーレンを含む高温のガスを通路を介してフラーレン回収装置に送り、前記ガス中からフラーレンを含有するすす状物質を回収するフラーレンの製造方法において、
前記通路の途中に、導入された前記ガスを旋回流にして冷却された側壁に接触させる冷却手段を設け、前記ガスを積極的に冷却させる。
【００１１】
フラーレンを含む高温のガスを通路に設けられた冷却手段に導入することにより、ガスの旋回流を容易に形成することができる。旋回流になったガスでは、冷却された側壁と接触するガスは常に入れ替わり、接触位置も常に変動するので、ガスと側壁との間の熱交換効率が向上して、ガス全体の温度を一様に低下させることができる。
更に、ガスと冷却手段の側壁との接触位置が常に変動することにより、ガス中に浮遊しているすす状物質やフラーレン製造装置内で形成されガス中に混入した燃焼残渣が冷却手段の側壁に付着するのを抑制できる。
その結果、フラーレン回収装置に流入する際のガスの温度をフラーレンの分解温度未満にすることができる。
なお、冷却手段の側壁の冷却は、例えば、冷媒（例えば、水）が流通する冷却ジャケットあるいは冷却管（冷却コイル）を外側に設けることにより行うことができる。
【００１２】
第１及び第２の発明に係るフラーレンの製造方法において、前記フラーレン回収装置に流入する際の前記ガスの温度を６００℃以下にすることが好ましい。
ガスの温度を６００℃以下にしてフラーレン回収装置に流入させることにより、フラーレン回収装置で捕集されるフラーレンを含有するすす状物質の温度を６００℃以下に保つことができる。
その結果、フラーレン回収装置で捕集したすす状物質中でフラーレンが分解するのを防止できる。
【００１３】
第１及び第２の発明に係るフラーレンの製造方法において、前記ガスに不活性ガスを混入してもよい。
ガス中に不活性ガスを混入させて混合ガスを形成すると、不活性ガスでガスが希釈されることで、混合ガスの温度を下げることができる。
更に、不活性ガスの混入により流速が大きくなるので、冷却効率が向上する。
【００１４】
前記目的に沿う第３の発明に係るフラーレンの製造設備は、フラーレン製造装置から排出するフラーレンを含む高温のガスを通路を介してフラーレン回収装置に送り、前記ガス中からフラーレンを含有するすす状物質を回収するフラーレンの製造設備において、
前記通路は前記ガスを通過させながら冷却する第１の冷却手段、及び通過した該ガスを旋回流にする旋回流発生手段を備えた上流側通路と、
前記ガスの旋回流を通過させながら冷却する第２の冷却手段を備えた下流側通路を有している。
【００１５】
このような構成とすることにより、フラーレンを含む高温のガスを下流側通路で旋回流にして通過させることで、下流側通路の内側と接触するガスを常に入れ替えながら、ガスと下流側通路の内側との接触位置も常に変動させることができ、ガスと下流側通路の内側との間の熱交換効率を向上させることができる。その結果、ガス全体の温度を一様に低下させることができる。
更に、ガスと下流側通路の内側との接触位置が常に変動することにより、ガス中に浮遊しているすす状物質やフラーレン製造装置内で形成されガス中に混入した燃焼残渣が通路の内側に付着するのを抑制できる。このため、下流側通路の内側が露出され易くなり、ガスと下流側通路の内側との間の熱交換効率を高位に維持できる。
【００１６】
ここで、上流側通路及び下流側通路は、例えば、ステンレス鋼等の耐熱金属製のパイプを用いて構成することができ、第１及び第２の冷却手段としては、例えば、冷媒（例えば水）が流通する冷却ジャケットあるいは冷却管（冷却コイル）を使用することができる。
また、旋回流発生手段としては、例えば、下流側通路の横断面積よりも小さな横断面積を有する上流側通路を、下流側通路に対して斜め方向から接続することで構成できる。これによって、上流側通路から供給されたガスを下流側通路の内側に沿って流出させることができ、ガスを下流側通路の内側に沿った旋回流にして通過させることができる。
【００１７】
前記目的に沿う第４の発明に係るフラーレンの製造設備は、フラーレン製造装置から排出するフラーレンを含む高温のガスを通路を介してフラーレン回収装置に送り、前記ガス中からフラーレンを含有するすす状物質を回収するフラーレンの製造設備において、
前記通路には通過する前記ガスを旋回流にして冷却された側壁に接触させて冷却するサイクロン型の旋回流発生装置が設けられている。
【００１８】
サイクロン型の旋回流発生装置を用いることにより、フラーレンを含む高温のガスの旋回流を簡単に形成することができる。
その際、サイクロン型の旋回流発生装置の側壁は冷却されているので、ガスは側壁に接触して熱交換され、ガスの温度は効率的に低下する。
また、ガス中に含まれる粒径の大きなすす状物質や、フラーレン製造装置内で形成されガス中に混入した燃焼残渣は、遠心力によりサイクロン型の旋回流発生装置内では側壁の内側に接触して旋回する。
【００１９】
このサイクロン型の旋回流発生装置の設置方向は、通常のサイクロンの設置方向である鉛直方向でも、通常用いられない水平方向や斜め方向のいずれの方向でもよい。
鉛直方向に設置する場合は、側壁の内側との間で摩擦力が生じて、粒径の大きなすす状物質及び燃焼残渣の旋回速度は次第に低下し、側壁の内側に沿って旋回しながら落下する。
一方、粒径の小さなすす状物質に働く遠心力は小さいので、粒径の小さなすす状物質はサイクロン型の旋回流発生装置内の中央部を旋回する。従って、サイクロン型の旋回流発生装置の中央部からガスを取り出すと、その中には粒径の小さなすす状物質が含まれていることになる。
また、燃焼法でフラーレンを生成させた場合、生成したフラーレンはガス中に浮遊しているすす状物質の中で主に粒径の小さなすす状物質中に含有されていることが判明している。
このため、サイクロン型の旋回流発生装置内の中央部を旋回するガスを外部に取り出してフラーレン回収装置に流入させるようにすると、フラーレンを含有するすす状物質を効率的に捕集することができる。
【００２０】
ただし、鉛直方向に設置する場合は、サイクロン型の旋回流発生装置上流側からは、フラーレンを含んだガスが排出され、サイクロン型の旋回流発生装置下流側（コーン部）からは、落下した粒径の大きなすす状物質及び燃焼残渣が排出されるため、これらのすす状物質はフラーレン回収装置とは別の回収装置を用いて回収する必要があり、回収箇所が増えて、回収が煩雑になる。
この点において、サイクロン型の旋回流発生装置を横向き、又は斜め方向に設置し、ガスの出口をサイクロン型の旋回流発生装置下流側（コーン部）とした場合は、フラーレンを含むガス中に粒径の大きなすす状物質及び燃焼残渣も含まれることになり、これらの物質は全て下流のフラーレン回収装置にて回収される。このため、回収装置は一箇所のみとなり、回収作業は簡易となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
ここに、図１は本発明の第１の実施の形態に係るフラーレンの製造設備を示す説明図、図２は図１のＰ−Ｐ矢視断面図、図３は同製造設備の変形例に係る通路の説明図、図４は本発明の第２の実施の形態に係るフラーレンの製造設備を示す説明図、図５は同製造設備の変形例に係るサイクロン型の旋回流発生装置の説明図、図６はすす状物質を乾燥窒素ガス流中で加熱した際の、減量率及び減量率の変化率を示すグラフである。
【００２２】
図１、図２に示すように、本発明の第１の実施の形態に係るフラーレンの製造設備１０は、原料を高温状態で反応させてフラーレンを製造するフラーレン製造装置の一例であるフラーレン反応炉１１と、フラーレン反応炉１１の下部側に接続されてフラーレン反応炉１１内からフラーレンを含む高温のガスを排出させる通路１２を有している。
更に、フラーレンの製造設備１０は、通路１２を通過したガスが流入してガス中からフラーレンを含有するすす状物質を捕集するフラーレン回収装置１３と、フラーレンを含有するすす状物質が取り除かれフラーレン回収装置１３から流出するガスを冷却するガス冷却器１４と、ガス冷却器１４によって降温されたガスを吸引する真空ポンプからなる減圧装置１５とを有する。以下、これらについて詳細に説明する。
【００２３】
フラーレン反応炉１１は、例えば、円筒形状の反応炉本体１６と、反応炉本体１６の上端側に設けられたバーナ１７を有している。
反応炉本体１６は、例えば、ステンレス鋼等の耐熱鋼で構成されており、その内側の一部又は全部には、例えばアルミナ質の耐火煉瓦やアルミナ質の不定形耐火材等の耐火物がライニングされている。この方がフラーレン生成部の温度を上げることができフラーレンの生成に好適となるからである。
また、反応炉本体１６は、反応炉本体１６内で生成したすす状物質がバーナ１７の表面上に落下し、長時間の安定運転が阻害されるのを防止するため、鉛直下向きとなっているが、長時間運転を行わない場合には、反応炉本体１６を鉛直下向きに規定する必要はなく、反応炉本体１６は鉛直上向きでも、斜め上向きでもよい。
【００２４】
原料炭化水素含有ガスを供給する原料炭化水素含有ガス供給配管１８と、原料炭化水素含有ガス中の原料炭化水素ガスの燃焼に必要な酸素を供給する酸素含有ガス供給配管１９が接続されるバーナ１７は、供給された原料炭化水素含有ガス及び酸素含有ガスから混合ガスを作製する混合室２０と、得られた混合ガスを所定の圧力（例えば、５０〜２００トール、好ましくは、１００〜１５０トール）で保持する蓄圧室２１と、混合ガスが吐出する複数の図示しない吐出口（例えば、口径が０．１〜５ｍｍ、好ましくは０．２〜３ｍｍ）が設けられた吐出部２２を有している。
吐出部２２としては、種々の形態のものを用い得るが、良好なガス流を得るためには、小さな口径の吐出口が多数集合した形態のものが好ましく、例えば、口径が０．１〜５ｍｍの吐出口を多数備える場合、吐出口の開口面積の合計が吐出部２２が分布している領域の横断面積に対して、１０〜９５％、好ましくは５０〜９５％を占めるようにするのがよい。
【００２５】
なお、混合室２０、蓄圧室２１、及び吐出部２２は、例えば、ステンレス鋼等の耐熱鋼で形成することができる。
ここで、吐出部２２は多孔質のセラミック（例えば、ジルコニア、コーディエライト、カーボン）焼結体を用いて構成することも可能であり、多孔質のセラミック焼結体を用いることで吐出部２２の耐熱性を向上させることができ長時間の安定運転が可能になる。
また、混合室２０を設けず、原料炭化水素含有ガスと酸素含有ガスをそれぞれ独立にフラーレン反応炉１１内に導入してもよい。
【００２６】
原料炭化水素含有ガス供給配管１８と、酸素含有ガス供給配管１９にはそれぞれ熱交換器２３、２４が設けられて、加熱処理（予熱）された原料炭化水素含有ガス、酸素含有ガスがバーナ１７に供給されるようになっている。更に、熱交換器２３よりも上流側の原料炭化水素含有ガス供給配管１８には、原料炭化水素をガス化させる気化装置２５を配置することもある。
なお、熱交換器２３、２４は両方とも使用するのが好ましいが、場合によっては、熱交換器２３、２４のいずれか一方を省略し、原料炭化水素含有ガス及び酸素含有ガスのいずれか一方のみを予熱するようにしてもよい。
また、原料炭化水素含有ガス供給配管１８及び酸素含有ガス供給配管１９の先部には、バーナ１７に供給する原料炭化水素含有ガス及び酸素含有ガスの流量を調整する流量調節器２６、２７がそれぞれ設けられている。
【００２７】
このような構成とすることにより、バーナ１７から供給された原料炭化水素含有ガスを酸素含有ガスの下で燃焼させてフラーレンを生成させることができる。そして、フラーレンの生成と共に、すす状物質（副生成物）、一酸化炭素ガス、及び水蒸気等が発生し、生成したフラーレンはすす状物質中に含有されている。
このため、フラーレンを含有したすす状物質を浮遊した状態で有する高温のガスがフラーレン反応炉１１から排出される。
【００２８】
通路１２は、反応炉本体１６の側壁部の下部側にそれぞれ一端側が接続された旋回流発生手段の一例である小径のパイプ２８、２９と、パイプ２８、２９の外側にそれぞれ設けられた第１の冷却手段の一例である水冷ジャケット３０、３１を備えた上流側通路３２を有している。ここで、パイプ２８、２９には、例えば、ステンレス鋼管を使用することができる。
パイプ２８、２９を小径にすることにより、フラーレン反応炉１１から排出されたガスの流速を大きくすることができ、上流側通路３２を通過する際のガスの冷却効率を向上させることができる。
【００２９】
更に、通路１２は、パイプ２８、２９の他端側が斜め方向から接続した大径のパイプ３３と、パイプ３３の外側に設けられた第２の冷却手段の一例である水冷ジャケット３４を備えた下流側通路３５を有している。ここで、パイプ３３には、例えば、ステンレス鋼管を使用することができる。
小径のパイプ２８、２９の各他端側が対向する斜め方向から大径のパイプ３３に接続しているので、パイプ２８、２９で供給されたガスをパイプ３３の内側に沿って流出させることができると共に、容易にパイプ３３の内側に沿って旋回させることができ、ガスをパイプ３３内で旋回流にして通過させることができる。
【００３０】
ガスがパイプ３３の内周に沿って旋回流になって通過していくので、ガスとパイプ３３の内側との接触位置が常に変動し、ガス中に浮遊しているすす状物質がパイプ３３の内側に付着するのを抑制できる。その結果、ガスの冷却効率を向上させることができる。
ここで、パイプ３３内のガスの旋回流が確実に形成されるには、パイプ３３内に流出する際のガスの速度を２０〜２００ｍ／秒にすることが好ましい。このためには、例えば、フラーレン反応炉１１から排出されるガスの温度が５００〜２０００℃、ガス流量が１００〜９００Ｎリットル／分の場合、パイプ２８、２９の内径は５０〜２００ｍｍにすることが好ましい。更に、旋回流が形成されるパイプ３３の内径とパイプ２８、２９の内径との比は１．５〜６にすることが好ましい。
【００３１】
フラーレン回収装置１３は、フラーレン反応炉１１から発生するすす状物質含有気流中の固形分と気流分を分離するためのもので、内部に高温耐熱フィルター３６を備える。高温耐熱フィルター３６は、原料炭化水素含有ガス、燃焼ガスを通過させてフラーレン及びすす状物質を回収するので、ガスの温度に応じて４００〜５００℃の耐熱温度を有している。
フラーレン回収装置１３の構造は、通常の集塵機等に使用されるバッグフィルター構造となって、このバッグフィルターが前記した高温耐熱フィルター３６によって構成されている。このような高温耐熱フィルター３６としては、例えば、日本ポール社製焼結金属フィルターや富士フィルター社製焼結金属フィルター等が挙げられる。フィルター目開きの大きさは、フラーレンを生成させる燃焼条件やすす状物質の性状によって適宜選択する。
また、通路１２により、すす状物質含有気流の温度を１５０℃程度以下まで下げる場合には、フラーレン回収装置１３の内部のフィルターは高温耐熱フィルターである必要はなく、ナイロン、四フッ化エチレン等の材質の通常用いられるフィルターを用いることができる。
【００３２】
フラーレン回収装置１３には、その上部に定期的に付着した固化物（例えば、すす状物質とフラーレン）を除去する逆洗浄機構３７が設けられている。
この逆洗浄機構３７は、高圧の不活性ガス（例えば、窒素やアルゴン）等を貯留するタンク３８と、電磁弁３９とを有し、電磁弁３９を定期的に短時間パルス的に開けることによって、高温耐熱フィルター３６内にガスを入れ、周囲に付着した固化物を下方に落下させ、排出弁４０を開けて外部に排出できるようになっている。そして、フラーレン回収装置１３の上部には、高温耐熱フィルター３６を通過したガスを外部に排出するガス排出配管４１が設けられている。
【００３３】
フラーレン回収装置１３のガス排出配管４１には、ガス冷却器１４が設けられている。このガス冷却器１４は通常の熱交換器と、同一又は近似した構造となっており、減圧装置１５に流入するガスの温度を低下させ減圧装置１５の負荷を低減させるようになっている。また、気流内に含まれる原料炭化水素含有ガス、燃焼ガス中の水分が液化し、下部のドレーンから排出されるようになっている。
このガス冷却器１４に後続する減圧装置１５は通常の真空ポンプからなっている。なお、フラーレンの昇華温度は真空度によっても変化するので、供給する原料炭化水素ガス、酸素ガス、不活性ガスの量から、最も効率的にフラーレンを回収できる圧力になるように減圧装置１５を選定する。
【００３４】
各流量調節器２６、２７を用いて原料炭化水素含有ガスと酸素含有ガスの供給量を制御して混合室２０内に導入することにより、原料炭化水素ガスが燃焼する際の酸素に対する原料炭化水素中の炭素の元素組成比（Ｃ／Ｏ比）を１．０８以上かつ１．５６以下、好ましくは１．１以上かつ１．３６以下に調整した混合ガスを作製することができる。
そして作製した混合ガスを蓄圧室２１内で保持して、吐出部２２から吐出させることで、混合ガスを、例えば、７５ｃｍ／秒を超えかつ１０００ｃｍ／秒以下、好ましくは２００ｃｍ／秒以上かつ６００ｃｍ／秒以下で反応炉本体１６内に安定的に供給することができる。
【００３５】
通路１２、フラーレン回収装置１３、及びガス冷却器１４を介して減圧装置１５で反応炉本体１６内を排気することができ、反応炉本体１６内を、例えば、２０トール以上かつ１００トール以下、好ましくは３０トール以上かつ５０トール以下の減圧状態に保持することができる。
このため、吐出部２２から反応炉本体１６内に吐出された混合ガスを、この減圧状態下で燃焼させながら、生成した燃焼ガスを反応炉本体１６内から通路１２を介して外部に排出することができる。
【００３６】
続いて、本発明の第１の実施の形態に係るフラーレンの製造方法について説明する。
先ず、水冷ジャケット３０、３１、３４に設けられた各冷却水導入管４２〜４４から水を流入させて各冷却水導出管４５〜４７から排出させてパイプ２８、２９、３３の外側を冷却する。
原料炭化水素含有ガスとしてトルエンガス、酸素含有ガスとして濃度９９％以上の酸素ガス（以下、純酸素ガスともいう）を用いる。トルエンガスが燃焼する際の酸素に対するトルエン中の炭素の元素組成比（Ｃ／Ｏ比）を１．０８以上かつ１．５６以下、好ましくは１．１以上かつ１．３６以下になるように、各流量調節器２６、２７でトルエンガス量及び純酸素ガス量をそれぞれ調整して混合室２０内に導入して混合ガスを作製する。
次いで、通路１２を介して減圧装置１５を用いて反応炉本体１６内を排気しながら、吐出部２２から混合ガスを、吐出部２２からの平均吐出速度が、例えば、２００〜６００ｃｍ／秒になるように反応炉本体１６内に吐出し燃焼させる。
このとき、反応炉本体１６内が、例えば、２０トール以上かつ１００トール以下、好ましくは３０トール以上かつ５０トール以下の減圧状態に維持されるように、減圧装置１５の排気量を調節する。
【００３７】
トルエンガスと酸素ガスの混合ガスは、前記した減圧状態下において燃焼するため、トルエンの燃焼が均一に進行して、反応炉本体１６内の温度を均一かつ高温（例えば、１６００〜２１００℃、好ましくは１７００〜１９００℃）にすることができる。
また、Ｃ／Ｏ比を所定の範囲に制御しているため、未燃焼のトルエンが加熱されて分解する際にすす状物質の生成が抑制されて、フラーレン前駆体が多量に生成する。
このため、生成したフラーレン前駆体同士の衝突の頻度が向上し、フラーレンの生成速度が向上して、フラーレンの収率を上げることができる。
【００３８】
ここで、燃焼ガスの温度を更に上げるためには、混合ガスを反応炉本体１６内に吐出する前に予熱することが好ましい。
そのため、原料炭化水素含有ガス供給配管１８と、酸素含有ガス供給配管１９にそれぞれ熱交換器２３、２４を設けて、トルエンガス及び酸素ガスを加熱処理してからバーナ１７の混合室２０に供給する。
トルエンガスと酸素ガスは混合室２０で予混合し混合ガスとしてから吐出部２２からフラーレン反応炉１１内に吐出し燃焼させているので、混合ガスの温度がトルエンの気化温度以上で自己着火温度未満となるように各熱交換器２３、２４を運転するのがよい。
なお、安定化のため気化温度より１０℃以上、好ましくは２０℃以上高くなる温度範囲がよい。また、安定化のため自己着火温度より１０℃以上、好ましくは２０℃以上低くなる温度範囲がよい。
【００３９】
また、混合室２０を設けず、トルエンガスと酸素ガスをそれぞれ独立にフラーレン反応炉１１内に導入する場合には、フラーレン反応炉１１内の上流側で着火する恐れはないため、酸素ガス予熱温度に上限はないが、トルエンガスは３００℃程度で炭化し、原料炭化水素含有ガス供給配管１８が閉塞するため、炭化温度以下がよい。
なお、トルエンガス及び酸素ガスは両方とも加熱処理することが好ましいが、場合によっては、トルエンガス及び酸素ガスのいずれか一方のみを予熱するようにしてもよい。
【００４０】
原料炭化水素としてはトルエンのほかに、例えば、ベンゼン、キシレン、ナフタレン、アントラセン等の芳香族系炭化水素、クレオソート油、カルボン酸油などの石炭系炭化水素、アセチレン系不飽和炭化水素、エチレン系炭化水素、ペンタンやヘキサン等の脂肪族飽和炭化水素等が使用でき、これらを単独又は任意の割合で混合して使用することもできる。
特に芳香族系炭化水素が好ましく、中でも精製した芳香族系炭化水素を用いることが好ましい。
原料炭化水素ガスの純度は高い方が好ましいが、燃焼温度や原料炭化水素ガスの燃焼反応中での濃度を制御するためにアルゴンガス等の不活性ガスで原料炭化水素ガスを希釈してもよい。
酸素含有ガスとしては、濃度９９％以上の酸素ガス、濃度９９％以上の酸素ガスを窒素やアルゴンガス等の不活性ガスで希釈したもの、空気等が用いられる。
【００４１】
続いて、混合ガスを反応炉本体１６内に所定の速度で吐出させた場合における、トルエンの酸素の下での燃焼及び分解、更にフラーレンの生成状況について説明する。
トルエンは２０トール以上かつ１００トール以下、好ましくは３０トール以上かつ５０トール以下の減圧状態下において燃焼するため、反応炉本体１６内での燃焼ガスの温度は、例えば、１６００〜２１００℃、好ましくは１７００〜１９００℃の高温になる。
このため、未燃焼のトルエンは容易に加熱されて分解し気化して、トルエンの燃焼により発生した燃焼ガス内に拡散する。
ここで、バーナ１７の吐出部２２からは混合ガスが７５ｃｍ／秒以上かつ１０００ｃｍ／秒以下、好ましくは２００ｃｍ／秒以上かつ６００ｃｍ／秒以下の平均吐出速度で吐出しているので、反応炉本体１６内には多量の混合ガスが流入することになって、吐出部２２の下流側に混合ガスの顕著な吐出流が形成される。
このため、トルエンの分解物を含有した燃焼ガスは、フラーレン反応炉１１の上流側（バーナ１７側）から下流側に向けて流出する一様な流れの形成が促進されると考えられる。
【００４２】
反応炉本体１６内の圧力が前述した減圧状態に保持されている下での燃焼であることから、トルエンの均一燃焼が促進されて、燃焼ガスの温度は反応炉本体１６の軸方向に垂直な方向では実質的に一様になっていると考えられる。
その結果、燃焼ガス流内では自己循環流が発生し難くなる。従って、反応炉本体１６内で上流側から下流側に向けて流出する一様な流れの安定化が図られると思われる。
ここで、バーナ１７を重力的方向において上方側に設けることにより、燃焼ガスは重力に従って下方に流下することになり、安定化は確実となる。
更に、反応炉本体１６内の燃焼ガスは、通路１２を介して減圧装置１５で排気される。これによって、反応炉本体１６内で上流側から下流側に向かう一様な流れがより助長されると思われる。
【００４３】
燃焼ガス中に拡散したトルエンの分解物は、燃焼ガスによって加熱されてフラーレン前駆体に転化し、フラーレン前駆体は相互に衝突を繰り返しながら、フラーレンに転化していくものと考えられる。
ここで、トルエンの分解物を含有した燃焼ガスの流れが、反応炉本体１６内で上流側から下流側に向かう一様な流れであるため、燃焼ガス中のトルエンの分解物の不均一な移動が抑制され、トルエンの分解物の燃焼ガス内での滞留時間は一様になる。このため、トルエンの分解物からフラーレン前駆体が安定して生成されると考えられる。
また、生成したフラーレン前駆体の燃焼ガス中での不均一な移動も抑制されて、フラーレン前駆体の燃焼ガス内での滞留時間が一様になる。このため、フラーレン前駆体からフラーレンが安定して生成されると考えられる。
なお、生成したフラーレンは副生するすす状物質の中で、粒径の小さなすす状物質に含有された状態となっている。そして、フラーレンを含有するすす状物質は、同時に発生した一酸化炭素ガスと水蒸気、及び未燃焼のトルエンガスの中に浮遊した状態で高温のガスとして上流側通路３２内に排出される。
【００４４】
上流側通路３２内に排出されたガスは、上流側通路３２に使用されているパイプ２８、２９の内径が小さいために、ガスの流速が大きくなる。このため、ガスとパイプ２８、２９の内側との間の熱交換効率が向上して、ガスは冷却される。
そして、上流側通路３２を通過したガスは下流側通路３５内に流入する。
このとき、下流側通路３５のパイプ３３に対してパイプ２８、２９は斜め方向から接続しているので、パイプ２８、２９を介して供給されたガスはパイプ３３の内側に沿って流出する。更に、パイプ３３の内径はパイプ２８、２９の内径よりも大きいため、流出したガスはパイプ３３内で旋回流になって通過する。
このため、パイプ３３の内側に接触するガスが常に入れ替わると共に、ガスとパイプ３３の内側との接触位置が常に変動するため、ガスを効率的に冷却することができる。更に、ガスとパイプ３３の内側との接触位置が常に変動することで、ガス中に浮遊しているすす状物質がパイプ３３の内側に付着することが抑制され、ガスの冷却効率が低下するのが防止される。
その結果、フラーレン回収装置１３に流入する際のガスの温度を、例えば６００℃以下にすることができる。
なお、上流側通路３２を２本のパイプ２８、２９で構成したが、下流側通路３５のパイプ３３内にガスの旋回流が発生できれば、上流側通路３２を構成するパイプの本数は１本でも、又は３本以上でもよい。
【００４５】
下流側通路３５を介して排出されたガスは、フラーレン回収装置１３内に流入する。そして、ガスは、回収装置本体１３ａ内に設けられた高温耐熱フィルター３６の外表面側から内表面側に向けて透過する。
このため、ガスが高温耐熱フィルター３６を透過する際に、ガス中に浮遊しているフラーレンを含有するすす状物質は高温耐熱フィルター３６の外表面側に捕集される。そして、すす状物質が取り除かれたガスは、回収装置本体１３ａの天井板から導出管を介してガス排出配管４１に流入し、ガス冷却器１４を通過しながら冷却され、減圧装置１５の排出口から外部に排出される。
【００４６】
ここで、すす状物質が高温耐熱フィルター３６の外表面側に捕捉されて上流側と下流側の圧力損失が増大し、高温耐熱フィルター３６の外表面に多量のすす状物質が堆積したことが、例えば、ガス排出配管４１に設けられた図示しないガス圧力計により検知されると、逆洗浄機構３７のタンク３８から窒素ガスを高温耐熱フィルター３６の内表面側に圧入して外表面側に向けて透過させる。
これによって、高温耐熱フィルター３６の外表面側に付着しているすす状物質を剥落させることができる。剥落したすす状物質を排出弁４０に接続した図示しないすす状物質回収缶内に排出して回収する。
なお、回収されたすす状物質は、フラーレン分離工程に運ばれて、例えば溶媒抽出法によりフラーレンを溶媒中に溶出させることにより、フラーレンを分離する。
【００４７】
図３に、フラーレンの製造設備１０の通路１２の変形例として、不活性ガス混入手段４８を設けた通路４９を示す。なお、通路４９は上流側通路３２に不活性ガス混入手段４８を設けたことが特徴であって、それ以外は実質的に通路１２と同じ構成である。
不活性ガス混入手段４８は、図示しない不活性ガス供給部（例えば、アルゴンガスボンベ、窒素ガスボンベ）と、不活性ガス供給部から供給された不活性ガスを例えば、各パイプ２８、２９内に斜め方向からそれぞれ流入する不活性ガス流入管５０、５１を有している。なお、流入する不活性ガスの流速は、１０〜１００ｍ／秒であることが好ましい。
このような構成にすることにより、各パイプ２８、２９内を通過するガスに乱流を発生させて不活性ガスを確実に混入することができ、不活性ガスでガスを一様に希釈することができる。
その結果、ガスと不活性ガスから形成される混合ガスの温度をガスに比較して下げることができる。更に、不活性ガスを混入させることにより、形成される混合ガスの速度を大きくして下流側通路３５における混合ガスの冷却効率を向上させることができる。
【００４８】
次に、本発明の第２の実施の形態に係るフラーレンの製造設備５２について説明する。
図４に示すように、フラーレンの製造設備５２は、原料炭化水素含有ガスを高温状態で反応させてフラーレンを製造するフラーレン製造装置の一例であるフラーレン反応炉５３と、フラーレン反応炉５３の下部側に接続されてフラーレン反応炉５３内からフラーレンを含む高温のガスを導出させる第１の通路５４を有している。
更に、フラーレンの製造設備５２は、第１の通路５４が接続した冷却手段の一例であるサイクロン型の旋回流発生装置５５と、サイクロン型の旋回流発生装置５５に接続した第２の通路５６と、第２の通路５６が流入側に接続したフラーレン回収装置１３と、フラーレンを含有するすす状物質が取り除かれフラーレン回収装置１３から流出するガスを冷却するガス冷却器１４と、ガス冷却器１４によって降温されたガスを吸引する真空ポンプからなる減圧装置１５とを有している。
【００４９】
ここで、フラーレン反応炉５３は、第１の実施の形態に係るフラーレンの製造方法に適用したフラーレン反応炉１１の反応炉本体１６の下部側に、第１の通路５４と接続する排出部５７を設けたことが特徴であって、それ以外は実質的にフラーレン反応炉１１と同じ構成である。このため、同一の構成部材については同一の符号を付して、詳細な説明は省略する。
なお、第１の通路５４は、例えば、ステンレス鋼等の耐熱鋼で形成することができ、その外側には、例えば、水冷ジャケット等の冷却手段を取付けることが好ましい。
【００５０】
このような構成とすることにより、バーナ１７から供給された原料炭化水素含有ガスを酸素含有ガスの下で燃焼させてフラーレンを生成させることができる。
なお、生成したフラーレンはすす状物質中に含有され、このフラーレンを含有するすす状物質が浮遊した状態で高温のガスがフラーレン反応炉５３の排出部５７を介して第１の通路５４に排出される。
また、フラーレン反応炉５３の反応炉本体１６の内壁やバーナ１７に付着した付着物は、反応炉本体１６の内壁やバーナ１７から浮き上がるとフラーレン反応炉５３内を落下するので、排ガスと共に排出部５７を介して第１の通路５４に排出することができる。
【００５１】
サイクロン型の旋回流発生装置５５は、第１の通路５４が接続されている旋回流発生装置本体５８と、旋回流発生装置本体５８の下端部に接続された排出部５９を有している。更に、サイクロン型の旋回流発生装置５５は、旋回流発生装置本体５８の上端部に取付けられた天井板６０と、天井板６０の中央部に形成されたサイクロン型の旋回流発生装置５５の排出口６１に接続されて旋回流発生装置本体５８内に突出した排出管６２を有している。
そして、旋回流発生装置本体５８、排出部５９、及び天井板６０の外側には一体化した水冷ジャケット６３が設けられている。また、第２の通路５６は天井板６０に形成された排出口６１に接続されており、例えばステンレス鋼等の耐熱鋼で形成することができる。
ここで、サイクロン型の旋回流発生装置とは、例えば、化学工学辞典（昭和６１年３月発行、改訂３版、化学工学協会編、丸善株式会社発行）１９１ページに記載されているサイクロンを主体に構成されるものを指す。
【００５２】
このような構成とすることにより、水冷ジャケット６３に設けられている冷却水導入管６４から冷却水を流入させて、水冷ジャケット６３に設けられている冷却水導出管６５から冷却水を流出させることにより、旋回流発生装置本体５８の外側を冷却することができる。
そして、高温のガスを第１の通路５４を介して旋回流発生装置本体５８内に導入して、旋回流発生装置本体５８の側壁の内側に沿って旋回する旋回流を形成することができる。
更に、旋回流発生装置本体５８内の中央部で旋回しているガスを排出管６２を介して第２の通路５６内に排出することができる。
また、旋回流発生装置本体５８の側壁の内側に接触して旋回しているガス中の粒径の大きなすす状物質及び燃焼残渣を、旋回流発生装置本体５８の側壁の内側に沿って落下させて、排出口５９に接続した図示しない回収缶内に落下させることができる。
ここで、旋回流発生装置本体５８内を旋回している排ガスは、旋回流発生装置本体５８の側壁の内側と接触する際に熱交換が行われ、排ガスの温度は徐々に低下する。従って、第２の通路５６に排出された排ガスの温度は低下している。
【００５３】
続いて、本発明の第２の実施の形態に係るフラーレンの製造方法について説明する。
先ず、水冷ジャケット６３に設けられた冷却水導入管６４から水を流入させて冷却水導出管６５から排出させて旋回流発生装置本体５８の外側を冷却する。
次いで、フラーレン反応炉５３のバーナ１７に原料炭化水素含有ガスとしてトルエンガス、酸素含有ガスとして濃度９９％の酸素ガスとアルゴンガスとの混合ガスを供給し、トルエンガスを燃焼させてフラーレンを生成させる。なお、生成したフラーレンは副生する粒径の小さなすす状物質に含有された状態となっている。
フラーレンを含有するすす状物質が浮遊した高温のガスは排出部５７に接続した第１の通路５４に排出される。なお、反応炉本体１６の内壁やバーナ１７に付着した付着物は、反応炉本体１６の内壁やバーナ１７から浮き上がると、フラーレン反応炉５３内を落下して、高温のガスと共に排出部５７に接続した第１の通路５４に排出される。
【００５４】
第１の通路５４内に排出された高温のガスは、旋回流発生装置本体５８内に流入する。そして、流入したガスは、旋回流発生装置本体５８の側壁の内側に沿って旋回流を形成する。
ここで、旋回しているガスは旋回流発生装置本体５８の側壁の内側と接触する際に熱交換を行うため、排ガスの温度は徐々に低下する。このため、排出管６２を介して第２の通路５６を通過してフラーレン回収装置１３に流入する際のガスの温度を、例えば６００℃以下にすることができる。
なお、旋回流発生装置本体５８内では、旋回流が形成されているので、ガスと側壁の内側との接触位置が常に変動して、ガス中に浮遊しているすす状物質や燃焼残渣が側壁に付着することが抑制され、ガスの冷却効率が低下するのが防止される。
【００５５】
ここで、旋回流発生装置本体５８内で旋回流が形成されると、ガス中に含まれる粒径の大きなすす状物質及び燃焼残渣は、遠心力により旋回流発生装置本体５８内では側壁の内側に接触しながら旋回する。このため、側壁の内側との間で摩擦力が生じて、粒径の大きなすす状物質及び燃焼残渣の旋回速度は低下し、側壁の内側に沿って落下して、排出口５９に接続された回収缶内に落下する。
一方、粒径の小さなすす状物質は旋回流発生装置本体５８内の中央部を旋回する。フラーレンは主に粒径の小さなすす状物質に含有されることが判明しているので、第２の通路５６に排出されたガス中には、フラーレンを含有するすす状物質がより多く含まれている。従って、このガスをフラーレン回収装置１３に流入させることにより、フラーレンを含有するすす状物質を効率的に捕集することができる。
【００５６】
図５に、フラーレンの製造設備５２のサイクロン型の旋回流発生装置５５の変形例として、不活性ガス混入手段６６を設けたサイクロン型の旋回流発生装置６７を示す。なお、サイクロン型の旋回流発生装置６７は不活性ガス混入手段６６を設けたことが特徴であって、それ以外は実質的にサイクロン型の旋回流発生装置５５と同じ構成である。このため、同一の構成部材については同一の符号を付して、詳細な説明は省略する。
不活性ガス混入手段６６は、図示しない不活性ガス供給部（例えば、アルゴンガスボンベ、窒素ガスボンベ）と、不活性ガス供給部から供給された不活性ガスを旋回流発生装置本体５８内に斜め方向から流入させる不活性ガス流入管６８を有している。なお、流入する不活性ガスの流速は、１０〜１００ｍ／秒であることが好ましい。
【００５７】
このような構成にすることにより、旋回流発生装置本体５８内で旋回流になって通過するガスに対して不活性ガスを効果的に混入することができ、不活性ガスでガスを一様に希釈することができる。
その結果、ガスと不活性ガスから形成される混合ガスの温度をガスに比較して下げることができる。更に、不活性ガスを混入させることにより、形成される混合ガスの速度を大きくして、サイクロン型の旋回流発生装置６７における混合ガスの冷却効率を向上させることができる。その結果、混合ガスの温度を更に効率的に下げることができる。
【００５８】
【実施例】
（実施例１）
図１に示すフラーレンの製造装置１０を用いてフラーレンを製造した。
ここで、フラーレン反応炉の長さは２０００ｍｍ、直径は３００ｍｍであり、フラーレン反応炉の内壁面でバーナの表面部（先端部）の位置に相当する部位から下流側に向かって４００ｍｍの範囲には、アルミナ質の不定形耐火材でライニング層を構成した。
通路の上流側通路を構成するステンレス鋼製の各パイプの内径はいずれも６０ｍｍ、各総長さは１０００ｍｍ、下流側通路を構成するステンレス鋼製のパイプの内径は１５０ｍｍ、長さは２０００ｍｍで、外側に設けた水冷ジャケットに水を流して水冷した。また、フラーレン回収装置の最大内径は１０００ｍｍ、高さは２０００ｍｍである。
バーナの吐出部は、外径が２５０ｍｍの円板状の多孔質のセラミック焼結体を用いて構成されており、多孔質のセラミック焼結体には２５ｍｍ当たりに３０〜５０個の孔が吐出口として形成されている。
【００５９】
原料炭化水素ガスとしてトルエンガスを使用し、酸素含有ガスには純酸素を使用した。
トルエンガスは一旦気化装置でトルエンを加熱してガス状とした後、熱交換器で２００℃に加熱し、酸素ガスは酸素タンクから熱交換器に供給して２００℃に加熱した。そして、トルエンガスの流量を２２８．３グラム／分、酸素ガスの流量を１７５．７Ｎリットル／分（酸素に対するトルエン中の炭素の元素組成比（Ｃ／Ｏ比）は１．１０７）にしてバーナに供給し、混合室で予混合して混合ガスとしフラーレン反応炉内に吐出した。このとき、フラーレン反応炉内の圧力は４０トールで、バーナから吐出された際の混合ガス（２００℃）の平均吐出速度は２５８．５ｃｍ／秒であった。
このような条件でフラーレンを製造すると、フラーレン反応炉の出口から排出されるガスの温度は１１００℃、フラーレン回収装置に流入する際のガスの温度は６００℃であった。その結果、副生したすす状物質中のフラーレン含有率は１９．０％であった。
【００６０】
（実施例２）
図４に示すフラーレンの製造装置４０を用いてフラーレンを製造した。
ここで、フラーレン反応炉の長さは２０００ｍｍ、直径は３００ｍｍであり、フラーレン反応炉の内壁面でバーナの表面部（先端部）の位置に相当する部位から下流側に向かって４００ｍｍの範囲には、アルミナ質の不定形耐火材でライニング層を構成した。
第１の通路を構成するステンレス鋼製のパイプの内径は２００ｍｍ、総長さは４００ｍｍ、旋回流発生装置本体の最大内径は６００ｍｍ、旋回流発生装置本体の高さは１５００ｍｍである。また、第２の通路を構成するステンレス鋼製のパイプの内径は１００ｍｍ、総長さは５０００ｍｍ、フラーレン回収装置の最大内径は１０００ｍｍ、高さは２０００ｍｍである。
バーナの吐出部は、外径が２５０ｍｍの円板状の多孔質のセラミック焼結体を用いて構成されており、多孔質のセラミック焼結体には２５ｍｍ当たりに３０〜５０個の孔が吐出口として形成されている。
【００６１】
原料炭化水素ガスとしてトルエンガスを使用し、酸素含有ガスには純酸素を使用した。
トルエンガスは一旦気化装置でトルエンを加熱してガス状とした後、熱交換器で２００℃に加熱し、酸素ガスは酸素タンクから熱交換器に供給して２００℃に加熱した。そして、トルエンガスの流量を２２８．３グラム／分、酸素ガスの流量を１７５．７Ｎリットル／分（酸素に対するトルエン中の炭素の元素組成比（Ｃ／Ｏ比）は１．１０７）にしてバーナに供給し、混合室で予混合して混合ガスとしフラーレン反応炉内に吐出した。このとき、フラーレン反応炉内の圧力は４０トールで、バーナから吐出された際の混合ガス（２００℃）の平均吐出速度は２５８．５ｃｍ／秒であった。
このような条件でフラーレンを製造すると、フラーレン反応炉の出口から排出されるガスの温度は１１００℃、フラーレン回収装置に流入する際のガスの温度は４５０℃であった。その結果、副生したすす状物質中のフラーレン含有率は２０．０％であった。
【００６２】
（比較例１）
図４に示すフラーレンの製造装置において、第１の通路、サイクロン型の旋回流発生装置、及び第２の通路を取り外し、フラーレン反応炉の排出部とフラーレン回収装置の入口側を内径が１５０ｍｍ、長さが２５００ｍｍの外周部が水冷されるステンレス鋼管で接続した設備を用いてフラーレンを製造した。なお、フラーレンの製造条件は実施例２の場合と同様にした。
このとき、フラーレン反応炉の出口から排出されるガスの温度は１１２０℃、フラーレン回収装置に流入する際のガスの温度は８００℃であった。その結果、副生したすす状物質中のフラーレン含有率は１６．２％であった。
以上のことから、実施例１のようにフラーレン反応炉から排出されたガスをパイプを通過する際に旋回流にしたり、実施例２のようフラーレン反応炉から排出されたガスをサイクロン型の旋回流発生装置により旋回流にして冷却された側壁に接触させるようにすることにより、フラーレン回収装置に流入する際のガスの温度を６００℃以下にすることができ、副生したすす状物質中のフラーレン含有率が向上することがわかる。
【００６３】
（実施例３）
トルエンを原料として燃焼法により得られたすす状物質３．８ｍｇを熱重量測定装置（セイコー社製ＴＧ−ＤＴＡ６３００）を用い、乾燥窒素ガス流（１００ｃｃ／分）中で、室温より昇温速度２０℃／分にて１１５０℃まで加熱しながら重量の変化を測定した。
得られた結果を図６に示す。なお、図６において、左縦軸は重量３．８ｍｇに対する減量率（ＴＧ％）を、右縦軸は減量率の変化率（ＤＴＧ％／ｍｉｎ）を、横軸は加熱温度をそれぞれ示す。
図６に示した減量率を示すグラフ及び減量率の変化率を示すグラフから明らかな通り、温度が１００℃以上になると重量が徐々に減少し、４００℃付近から重量減少が加速されていることが判る。そして、５００℃以上の高温領域において、すす状物質の重量が急激に減少する。ここで、フラーレンの昇華温度が４００〜８００℃であることを考慮すると、すす状物質の急激な重量減は、すす状物質中の多量のフラーレンの昇華に起因するものであることが判る。
これより、フラーレン回収装置内のガスの温度が５００℃以上の高温領域では、生成したフラーレンは昇華して気体状態で存在しており、フィルターで捕捉できない可能性が十分に考えられる。
【００６４】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではなく、発明の要旨を変更しない範囲での変更は可能であり、前記したそれぞれの実施の形態や変形例の一部又は全部を組み合わせて本発明のフラーレンの製造方法及びその設備を構成する場合も本発明の権利範囲に含まれる。
例えば、熱交換器でそれぞれ加熱したトルエンガスと酸素ガスを別配管でバーナに給し、バーナで混合してから反応炉本体内に吐出したが、熱交換器でそれぞれ加熱したトルエンガスと酸素ガスを混合器で混合して混合ガス状態にしてから混合室を有しないバーナに供給しフラーレン反応炉本体内に吐出するようにしてもよい。この場合も、混合ガスの温度がトルエンの気化温度以上で自己着火温度未満となるように各熱交換器を運転する。
【００６５】
熱交換器でそれぞれ加熱したトルエンガスと酸素ガスをフラーレン反応炉に設けた吐出部からフラーレン反応炉内に吐出し、フラーレン反応炉内で拡散混合しながら燃焼させるようにすることもできる。この場合、トルエンガスの加熱温度範囲は、気化温度以上で炭化温度未満となる。また、酸素ガスの加熱温度範囲は、トルエンの気化温度以上であれば上限に制限はない。
バーナをフラーレン反応炉本体の上端側（重力的に上方）に設けたが、フラーレン反応炉の側部の上側に、あるいは下端側（重力的に下方）にバーナを設けることも可能である。また、バーナを各吐出口毎に分割して設け、それぞれに混合室及び蓄圧室を配置するようにしてもよい。
バーナの吐出部として多孔質セラミック焼結体の板で形成された吐出部を使用したが、ステンレス鋼等の耐熱鋼で形成された吐出部を使用してもよい。また、ステンレス鋼製の耐熱金属で形成された微小径ノズルを集合させた吐出部を使用することもできる。
また、パイプの側壁の冷却、サイクロンの側壁の冷却に水冷ジャケットを使用したが、水冷管（水冷コイル）を取付けてもよいし、水冷ジャケット及び水冷管を組合わせて取付けてもよい。
【００６６】
【発明の効果】
請求項１及びこれに従属する請求項３、４記載のフラーレンの製造方法においては、通路を冷却すると共に、通路を通過するガスを旋回流にするので、また、請求項２及びこれに従属する請求項３、４記載のフラーレンの製造方法においては、通路の途中に、導入されたガスを旋回流にして冷却された側壁に接触させる冷却手段を設け、ガスを積極的に冷却させるので、フラーレン回収装置に流入する際のガスの温度をフラーレンの分解温度未満にすることができ、フラーレン回収装置で捕集したフラーレンを含有するすす状物質からなる捕集層の温度をフラーレンの分解温度未満にして、捕集層内でのフラーレンの分解を防止することが可能となる。その結果、フラーレンの回収率を、例えば２％向上させることが可能になる。
【００６７】
特に、請求項３記載のフラーレンの製造方法においては、フラーレン回収装置に流入する際のガスの温度を６００℃以下にするので、フラーレン回収装置内でのフラーレンの分解を確実に防止してフラーレンの回収率を向上させることが可能になる。
また、フラーレン回収装置に流入する際のガスの温度を下げることで、フラーレン回収装置に使用する高温用フィルターを耐熱温度以下で使用することが可能となり、長時間にわたって安定してフラーレンの回収を行うことが可能となる。その結果、フラーレンの生産性を向上させることができる。
更に、フラーレン回収装置に使用する高温用フィルターの交換頻度を低下することができ、フラーレンの製造装置の維持管理費用を低減して、フラーレンの製造装置の稼働率を向上することが可能となる。
【００６８】
請求項４記載のフラーレンの製造方法においては、ガスに不活性ガスを混入するので、ガスに不活性ガスが混入して形成される混合ガスの温度を効率的に下げることができ、フラーレン製造装置から排出するガス温度が変動しても、フラーレン回収装置に流入する混合ガスの温度を確実にフラーレンの分解温度未満にすることが可能となる。その結果、フラーレンの回収率を安定的に高位に維持することが可能になる。
【００６９】
請求項５記載のフラーレンの製造設備においては、通路はガスを通過させながら冷却する第１の冷却手段、及び通過したガスを旋回流にする旋回流発生手段を備えた上流側通路と、ガスの旋回流を通過させながら冷却する第２の冷却手段を備えた下流側通路を有しているので、また、請求項６記載のフラーレンの製造設備においては、通路には通過するガスを旋回流にして冷却された側壁に接触させて冷却するサイクロン型の旋回流発生装置が設けられているので、高温のガスの旋回流を容易に形成することができると共に、ガス中からフラーレンを含有するすす状物質を効率的に分離してフラーレン回収装置に供給することができ、フラーレン回収装置の負担を低減してフラーレンの回収を行うことが可能になる。
更に、フラーレン回収装置はフラーレン含有すす状物質を捕集できるので、フラーレン分離工程における作業負担を低下することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るフラーレンの製造設備を示す説明図である。
【図２】図１のＰ−Ｐ矢視断面図である。
【図３】同製造設備の変形例に係る通路の説明図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係るフラーレンの製造設備を示す説明図である。
【図５】同製造設備の変形例に係るサイクロン型の旋回流発生装置の説明図である。
【図６】すす状物質を乾燥窒素ガス流中で加熱した際の、減量率及び減量率の変化率を示すグラフである。
【符号の説明】
１０：フラーレンの製造設備、１１：フラーレン反応炉、１２：通路、１３：フラーレン回収装置、１３ａ：回収装置本体、１４：ガス冷却器、１５：減圧装置、１６：反応炉本体、１７：バーナ、１８：原料炭化水素含有ガス供給配管、１９：酸素含有ガス供給管、２０：混合室、２１：蓄圧室、２２：吐出部、２３、２４：熱交換器、２５：気化装置、２６、２７：流量調節器、２８、２９：パイプ、３０、３１：水冷ジャケット、３２：上流側通路、３３：パイプ、３４：水冷ジャケット、３５：下流側通路、３６：高温耐熱フィルター、３７：逆洗浄機構、３８：タンク、３９：電磁弁、４０：排出弁、４１：ガス排出配管、４２〜４４：冷却水導入管、４５〜４７：冷却水導出管、４８：不活性ガス混入手段、４９：通路、５０、５１：不活性ガス流入管、５２：フラーレンの製造設備、５３：フラーレン反応炉、５４：第１の通路、５５：サイクロン型の旋回流発生装置、５６：第２の通路、５７：排出部、５８：旋回流発生装置本体、５９：排出部、６０：天井板、６１：排出口、６２：排出管、６３：水冷ジャケット、６４：冷却水導入管、６５：冷却水導出管、６６：不活性ガス混入手段、６７：サイクロン型の旋回流発生装置、６８：不活性ガス流入管[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fullerene production method and equipment therefor, in which the temperature of a high-temperature gas containing fullerene discharged from a fullerene production apparatus is lowered and supplied to a fullerene collection apparatus to improve the fullerene recovery rate.
[0002]
[Prior art]
Fullerene is a generic name for the third carbon allotrope after diamond and graphite. 60 Or C 70 Refers to a group of spherical shell-like carbon molecules including 60 Or C 70 And C 74 , C 76 , C 78 , C 80 , C 82 , C 84 , C 86 , C 88 , C 90 , C 92 , C 94 , C 96 However, there is no upper limit on the number of carbons as long as it is spherical.
The existence of fullerene was finally confirmed in the relatively recent 1990, a relatively new carbon material, but due to its special molecular structure, it is recognized to exhibit specific physical properties. For example, innovative application development is rapidly being developed over a wide range of fields such as application to superhard materials, application to pharmaceuticals, application to superconducting materials, application to semiconductor manufacturing, and the like. In particular, among fullerenes, C 60 And C 70 Is relatively easy to synthesize, and therefore it is expected that future demand will increase explosively.
[0003]
As a currently known fullerene production method, for example, a laser vapor deposition method, a resistance heating method, an arc discharge method, a high frequency induction heating method, a combustion method, a naphthalene pyrolysis method and the like have been proposed. In either method, fullerene is produced by being included in soot-like material (carbon black). Therefore, in order to recover the produced fullerene, it is first necessary to recover the soot-like substance containing fullerene.
In particular, in the combustion method considered as one of the cheapest and most efficient production methods for producing fullerenes, soot-like substances containing fullerenes are discharged from a high-temperature exhaust gas (mainly a fullerene reactor). The components are suspended in carbon monoxide gas and water vapor).
For this reason, after the high temperature exhaust gas discharged from the fullerene reactor is discharged into the passage connected to the fullerene reactor and the temperature is lowered while passing through the passage, for example, it flows into the fullerene recovery device using a filter. An apparatus for producing fullerene that separates soot-like substances containing fullerene has been proposed (see, for example, Non-Patent Document 1).
[0004]
[Non-Patent Document 1]
Michael D. Diener, Noah Nichelson, and John M. Alford, Synthesis of Single-Walled Carbon Nanotubes in Flames, J. MoI. Phys. Chem. B, USA, ACS Publications, September 14, 2000, 104, 41, p. 9615-9620, FIG.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the fullerene production apparatus described in Non-Patent Document 1, since the high-temperature exhaust gas discharged from the fullerene reactor passes through the passage along the passage, the temperature of the exhaust gas that passes while contacting the inner peripheral side Even if it falls, the temperature of the exhaust gas which passes without contacting does not fall sufficiently.
For this reason, when the amount of exhaust gas discharged from the fullerene reactor is small, the temperature of the exhaust gas can be lowered sufficiently, but in order to increase the production amount of fullerene, the amount of raw material supplied to the fullerene reactor is increased. As the amount of exhaust gas discharged increases, the proportion of exhaust gas that passes without contacting the inner periphery increases, and the exhaust gas temperature flowing into the fullerene recovery device rises.
[0006]
As a result, the temperature of the collection layer made of the fullerene-containing soot-like material collected by the fullerene recovery device is also increased (for example, 750 to 800 ° C.), and the fullerene generated in the collection layer is decomposed or sublimated. There has been a problem that the recovery rate of fullerene is lowered.
In addition, since filters used in fullerene recovery equipment are exposed to high temperatures that exceed the operating temperature, filters made of inexpensive resins (for example, nylon resins) that are normally used at temperatures below about 140 ° C are used. In addition, even when using a heat-resistant high-temperature filter (for example, made of sintered metal) that can withstand higher-temperature gases, the service life of the filter decreases even if the temperature is higher than the heat-resistant temperature or lower than the heat-resistant temperature. There was a problem that the frequency of replacement of the filter increased.
[0007]
Furthermore, the soot-like substance containing fullerene floating in the exhaust gas gradually adheres to the inner peripheral side of the passage by passing the exhaust gas, and the heat exchange efficiency between the exhaust gas and the inner peripheral side of the passage is increased. In addition to lowering the cooling effect of the exhaust gas by lowering, there has been a problem that the passage is blocked during long-time operation.
The present invention has been made in view of such circumstances, and lowers the temperature of exhaust gas discharged from the fullerene production apparatus and supplies it to the fullerene recovery apparatus to improve the fullerene recovery rate and at the same time prevent blockage in the passage. It is an object of the present invention to provide a fullerene production method and equipment capable of operating for a long time.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The fullerene production method according to the first aspect of the present invention is directed to a high-temperature gas containing fullerene discharged from a fullerene production apparatus via a passage to a fullerene recovery apparatus, and a soot-like substance containing fullerene from the gas. In the method for producing fullerene for recovering
The passage is cooled and the gas passing through the passage is swirled.
[0009]
By passing a high-temperature gas containing fullerene in a swirl flow and passing through the passage, the contact position between the gas and the inside of the passage can always be changed while constantly changing the gas in contact with the inside of the passage. The heat exchange efficiency between the inside and the inside can be improved. As a result, the temperature of the entire gas can be reduced uniformly.
Furthermore, since the contact position between the gas and the inside of the passage constantly fluctuates, soot-like substances floating in the gas and combustion residues formed in the fullerene production apparatus adhere to the inside of the passage. Can be suppressed. For this reason, the inside of the passage is easily exposed, and the heat exchange efficiency between the gas and the inside of the passage can be maintained at a high level.
As a result, the temperature of the gas when flowing into the fullerene recovery device can be made lower than the decomposition temperature of fullerene.
[0010]
The fullerene production method according to the second invention in accordance with the above object is to send a high-temperature gas containing fullerene discharged from the fullerene production device to the fullerene recovery device through a passage, and soot-like material containing fullerene from the gas. In the method for producing fullerene for recovering
A cooling means is provided in the middle of the passage to bring the introduced gas into a swirling flow so as to contact the cooled side wall to actively cool the gas.
[0011]
By introducing a high-temperature gas containing fullerene into a cooling means provided in the passage, a swirling flow of gas can be easily formed. In the swirled gas, the gas in contact with the cooled side wall is always replaced, and the contact position also constantly changes, so the heat exchange efficiency between the gas and the side wall is improved, and the temperature of the entire gas is made uniform. Can be lowered.
Furthermore, since the contact position between the gas and the side wall of the cooling means constantly fluctuates, soot-like substances floating in the gas and combustion residues formed in the fullerene production apparatus and mixed in the gas will enter the side wall of the cooling means. It can suppress adhering.
As a result, the temperature of the gas when flowing into the fullerene recovery device can be made lower than the decomposition temperature of fullerene.
The side wall of the cooling means can be cooled by, for example, providing a cooling jacket or a cooling pipe (cooling coil) through which a refrigerant (for example, water) flows.
[0012]
In the fullerene production methods according to the first and second inventions, it is preferable that the temperature of the gas when flowing into the fullerene recovery apparatus is 600 ° C. or lower.
The temperature of the soot-like substance containing fullerene collected by the fullerene recovery device can be kept at 600 ° C. or less by causing the gas temperature to flow to 600 ° C. or less and flowing into the fullerene recovery device.
As a result, it is possible to prevent the fullerene from being decomposed in the soot-like material collected by the fullerene recovery device.
[0013]
In the fullerene production methods according to the first and second inventions, an inert gas may be mixed into the gas.
When a mixed gas is formed by mixing an inert gas in the gas, the temperature of the mixed gas can be lowered by diluting the gas with the inert gas.
Furthermore, since the flow velocity is increased by mixing inert gas, the cooling efficiency is improved.
[0014]
A fullerene production facility according to a third aspect of the present invention that meets the above-mentioned object is that a high-temperature gas containing fullerene discharged from a fullerene production apparatus is sent to a fullerene recovery apparatus via a passage, and a soot-like substance containing fullerene from the gas. In the fullerene production facility that collects
The passage includes a first cooling means for cooling while allowing the gas to pass therethrough, and an upstream side passage provided with a swirl flow generating means for turning the passed gas into a swirl flow;
It has a downstream passage provided with a second cooling means for cooling while allowing the swirling flow of the gas to pass therethrough.
[0015]
By adopting such a configuration, by passing a high-temperature gas containing fullerene in a swirl flow in the downstream passage, the gas in contact with the inside of the downstream passage is constantly exchanged, and the gas and the inside of the downstream passage are exchanged. The contact position with the gas can always be changed, and the heat exchange efficiency between the gas and the inside of the downstream passage can be improved. As a result, the temperature of the entire gas can be reduced uniformly.
Furthermore, the contact position between the gas and the inside of the downstream passage constantly fluctuates, so that the soot-like substance floating in the gas and the combustion residue formed in the fullerene production apparatus are mixed inside the passage. It can suppress adhering. For this reason, the inside of the downstream passage is easily exposed, and the heat exchange efficiency between the gas and the inside of the downstream passage can be maintained at a high level.
[0016]
Here, the upstream-side passage and the downstream-side passage can be configured by using, for example, a pipe made of a heat-resistant metal such as stainless steel. As the first and second cooling means, for example, a refrigerant (for example, water) A cooling jacket or a cooling pipe (cooling coil) can be used.
Further, the swirling flow generating means can be configured, for example, by connecting an upstream side passage having a smaller cross-sectional area than the cross-sectional area of the downstream side passage from an oblique direction to the downstream side passage. As a result, the gas supplied from the upstream passage can flow out along the inside of the downstream passage, and the gas can be passed as a swirling flow along the inside of the downstream passage.
[0017]
A fullerene production facility according to a fourth aspect of the present invention that meets the above-mentioned object is that a high-temperature gas containing fullerene discharged from a fullerene production device is sent to a fullerene recovery device through a passage, and a soot-like substance containing fullerene from the gas. In the fullerene production facility that collects
The passage is provided with a cyclone-type swirling flow generating device that cools the gas passing therethrough in a swirling flow and contacting the cooled side wall.
[0018]
By using a cyclone type swirl flow generator, a swirl flow of high-temperature gas containing fullerene can be easily formed.
At that time, since the side wall of the cyclone type swirl flow generator is cooled, the gas contacts the side wall and heat is exchanged, and the temperature of the gas is efficiently lowered.
In addition, soot-like substances with a large particle size contained in the gas and combustion residues formed in the fullerene production device and mixed in the gas contact the inside of the side wall in the cyclonic swirl flow generator due to centrifugal force. Turn.
[0019]
The installation direction of the cyclone type swirling flow generator may be a vertical direction which is a normal installation direction of a cyclone, or a horizontal direction or an oblique direction which is not normally used.
When installed in the vertical direction, a frictional force is generated between the inside of the side wall, so that the swirling speed of soot-like substance having a large particle size and combustion residue gradually decreases and falls while turning along the inside of the side wall. .
On the other hand, since the centrifugal force acting on the soot-like substance having a small particle size is small, the soot-like substance having a small particle size swirls in the central part in the cyclone type swirling flow generator. Therefore, when the gas is taken out from the central part of the cyclone type swirling flow generating device, the soot-like substance having a small particle size is contained therein.
In addition, when fullerene is generated by the combustion method, it has been found that the generated fullerene is mainly contained in a soot-like substance having a small particle size among the soot-like substances floating in the gas. .
For this reason, when the gas swirling in the central portion of the cyclone type swirling flow generator is taken out and flows into the fullerene recovery device, the soot-like substance containing fullerene can be efficiently collected. .
[0020]
However, when installed in the vertical direction, gas containing fullerene is discharged from the upstream side of the cyclone type swirling flow generator, and the dropped particles are discharged from the downstream side (cone part) of the cyclone type swirling flow generator. Since soot-like substances with large diameters and combustion residues are discharged, these soot-like substances need to be collected using a collection device that is different from the fullerene collection device, increasing the number of collection points and making the collection complicated. .
In this regard, if the cyclone type swirl flow generator is installed sideways or obliquely and the gas outlet is on the downstream side (cone part) of the cyclone type swirl flow generator, the particles in the gas containing fullerene Soot-like substances having large diameters and combustion residues are also included, and these substances are all recovered by the downstream fullerene recovery apparatus. For this reason, there is only one collection device, and the collection work is simplified.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings for understanding of the present invention.
FIG. 1 is an explanatory view showing a fullerene production facility according to the first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line PP of FIG. 1, and FIG. 3 is a modification of the production facility. FIG. 4 is an explanatory view showing a fullerene production facility according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 5 is an explanatory view of a cyclone type swirling flow generator according to a modification of the production facility. FIG. 6 is a graph showing the weight loss rate and the rate of change of the weight loss rate when the soot-like substance is heated in a dry nitrogen gas flow.
[0022]
As shown in FIGS. 1 and 2, a fullerene production facility 10 according to a first embodiment of the present invention is a fullerene reactor that is an example of a fullerene production apparatus that produces fullerene by reacting raw materials in a high temperature state. 11 and a passage 12 connected to the lower side of the fullerene reaction furnace 11 to discharge high-temperature gas containing fullerene from the fullerene reaction furnace 11.
Furthermore, the fullerene production facility 10 includes a fullerene recovery device 13 that collects soot-like substances containing fullerene from the gas that has passed through the passage 12, and the soot-like substance containing fullerene is removed. A gas cooler 14 that cools the gas flowing out from the recovery device 13 and a decompression device 15 that includes a vacuum pump that sucks the gas cooled by the gas cooler 14 are provided. Hereinafter, these will be described in detail.
[0023]
The fullerene reaction furnace 11 includes, for example, a cylindrical reaction furnace main body 16 and a burner 17 provided on the upper end side of the reaction furnace main body 16.
The reactor main body 16 is made of, for example, a heat-resistant steel such as stainless steel, and a refractory material such as an alumina refractory brick or an alumina refractory material is lined on a part or all of the inside of the reactor furnace 16. Has been. This is because the temperature of the fullerene generation part can be increased, which is suitable for the generation of fullerene.
Moreover, the reactor main body 16 is vertically downward in order to prevent soot-like substances generated in the reactor main body 16 from falling on the surface of the burner 17 and hindering stable operation for a long time. However, when the operation is not performed for a long time, it is not necessary to define the reaction furnace body 16 vertically downward, and the reaction furnace body 16 may be vertically upward or obliquely upward.
[0024]
A burner 17 to which a raw material hydrocarbon-containing gas supply pipe 18 for supplying the raw material hydrocarbon-containing gas and an oxygen-containing gas supply pipe 19 for supplying oxygen necessary for combustion of the raw material hydrocarbon gas in the raw material hydrocarbon-containing gas are connected. Is a mixing chamber 20 for producing a mixed gas from the supplied raw material hydrocarbon-containing gas and oxygen-containing gas, and the obtained mixed gas is subjected to a predetermined pressure (for example, 50 to 200 Torr, preferably 100 to 150 Torr). And a discharge portion 22 provided with a plurality of discharge ports (not shown) for discharging the mixed gas (for example, the diameter is 0.1 to 5 mm, preferably 0.2 to 3 mm). .
As the discharge unit 22, various forms can be used, but in order to obtain a good gas flow, a form in which a large number of discharge ports having a small diameter are gathered is preferable. For example, the diameter is 0.1 to 5 mm. When a large number of discharge ports are provided, the total opening area of the discharge ports occupies 10 to 95%, preferably 50 to 95% with respect to the cross-sectional area of the region where the discharge portions 22 are distributed. Good.
[0025]
In addition, the mixing chamber 20, the pressure accumulation chamber 21, and the discharge part 22 can be formed, for example with heat resistant steels, such as stainless steel.
Here, the discharge part 22 can also be comprised using the porous ceramic (for example, zirconia, cordierite, carbon) sintered compact, and the discharge part 22 is used by using a porous ceramic sintered compact. The heat resistance can be improved, and stable operation for a long time becomes possible.
Alternatively, the raw material hydrocarbon-containing gas and the oxygen-containing gas may be independently introduced into the fullerene reaction furnace 11 without providing the mixing chamber 20.
[0026]
The raw material hydrocarbon-containing gas supply pipe 18 and the oxygen-containing gas supply pipe 19 are provided with heat exchangers 23 and 24, respectively, so that the heat-treated (preheated) raw material hydrocarbon-containing gas and oxygen-containing gas are supplied to the burner 17. It comes to be supplied. Further, a vaporizer 25 for gasifying the raw material hydrocarbons may be disposed in the raw material hydrocarbon-containing gas supply pipe 18 upstream of the heat exchanger 23.
In addition, although it is preferable to use both the heat exchangers 23 and 24, depending on the case, either one of the heat exchangers 23 and 24 is omitted, and only one of the raw material hydrocarbon-containing gas and the oxygen-containing gas is used. May be preheated.
Further, flow rate regulators 26 and 27 for adjusting the flow rates of the raw material hydrocarbon-containing gas and the oxygen-containing gas supplied to the burner 17 are respectively provided at the front portions of the raw material hydrocarbon-containing gas supply pipe 18 and the oxygen-containing gas supply pipe 19. Is provided.
[0027]
By setting it as such a structure, the raw material hydrocarbon containing gas supplied from the burner 17 can be burned under oxygen containing gas, and a fullerene can be produced | generated. And with the production | generation of fullerene, soot-like substance (by-product), carbon monoxide gas, water vapor | steam, etc. generate | occur | produce and the produced fullerene is contained in the soot-like substance.
For this reason, the high temperature gas which has the soot-like substance containing fullerene in the suspended state is discharged | emitted from the fullerene reaction furnace 11. FIG.
[0028]
The passages 12 are small-diameter pipes 28 and 29, which are examples of swirl flow generating means each connected at one end to the lower side of the side wall of the reactor main body 16, and first pipes provided on the outside of the pipes 28 and 29, respectively. It has the upstream channel | path 32 provided with the water cooling jackets 30 and 31 which are an example of this cooling means. Here, for the pipes 28 and 29, for example, stainless steel pipes can be used.
By reducing the diameters of the pipes 28 and 29, the flow rate of the gas discharged from the fullerene reactor 11 can be increased, and the cooling efficiency of the gas when passing through the upstream passage 32 can be improved.
[0029]
The passage 12 further includes a large-diameter pipe 33 in which the other ends of the pipes 28 and 29 are connected in an oblique direction and a water cooling jacket 34 which is an example of a second cooling means provided outside the pipe 33. A side passage 35 is provided. Here, for the pipe 33, for example, a stainless steel pipe can be used.
Since the other end sides of the small-diameter pipes 28 and 29 are connected to the large-diameter pipe 33 from an oblique direction facing each other, the gas supplied through the pipes 28 and 29 can flow out along the inside of the pipe 33. At the same time, it can be easily swirled along the inside of the pipe 33, and the gas can be swirled in the pipe 33.
[0030]
Since the gas passes in a swirling flow along the inner periphery of the pipe 33, the contact position between the gas and the inside of the pipe 33 always changes, and soot-like substances floating in the gas are transferred to the pipe 33. Adhering to the inside can be suppressed. As a result, the gas cooling efficiency can be improved.
Here, in order to reliably form the swirling flow of the gas in the pipe 33, it is preferable to set the gas velocity at the time of flowing out into the pipe 33 to 20 to 200 m / sec. For this purpose, for example, when the temperature of the gas discharged from the fullerene reactor 11 is 500 to 2000 ° C. and the gas flow rate is 100 to 900 N liters / minute, the inner diameters of the pipes 28 and 29 should be 50 to 200 mm. preferable. Furthermore, the ratio of the inner diameter of the pipe 33 in which the swirl flow is formed to the inner diameters of the pipes 28 and 29 is preferably 1.5-6.
[0031]
The fullerene recovery unit 13 is for separating the solid content and the air flow component in the soot-like material-containing air flow generated from the fullerene reaction furnace 11, and includes a high-temperature heat-resistant filter 36 inside. The high-temperature heat-resistant filter 36 passes through the raw material hydrocarbon-containing gas and the combustion gas and collects fullerene and soot-like substances, and therefore has a heat-resistant temperature of 400 to 500 ° C. depending on the gas temperature.
The structure of the fullerene recovery device 13 is a bag filter structure used in a normal dust collector or the like, and this bag filter is constituted by the high-temperature heat-resistant filter 36 described above. Examples of such a high temperature heat resistant filter 36 include a sintered metal filter manufactured by Nippon Pole Co., Ltd. and a sintered metal filter manufactured by Fuji Filter. The size of the filter openings is appropriately selected according to the combustion conditions for generating fullerene and the properties of the soot-like substance.
Further, when the temperature of the soot-like substance-containing airflow is lowered to about 150 ° C. or less by the passage 12, the filter inside the fullerene recovery device 13 does not need to be a high-temperature heat-resistant filter, such as nylon, tetrafluoroethylene, etc. A commonly used filter of the material can be used.
[0032]
The fullerene recovery unit 13 is provided with a back-cleaning mechanism 37 that removes solidified substances (for example, soot-like substances and fullerenes) periodically attached to the fullerene recovery unit 13.
The reverse cleaning mechanism 37 includes a tank 38 for storing a high-pressure inert gas (for example, nitrogen or argon) and an electromagnetic valve 39, and the electromagnetic valve 39 is periodically opened in a short pulse manner. The gas is put into the high-temperature heat-resistant filter 36, the solidified substance adhering to the surroundings is dropped downward, and the discharge valve 40 is opened to be discharged outside. A gas discharge pipe 41 that discharges the gas that has passed through the high-temperature heat-resistant filter 36 to the outside is provided above the fullerene recovery device 13.
[0033]
A gas cooler 14 is provided in the gas discharge pipe 41 of the fullerene recovery device 13. This gas cooler 14 has the same or similar structure as a normal heat exchanger, and lowers the temperature of the gas flowing into the decompression device 15 to reduce the load on the decompression device 15. In addition, water in the raw material hydrocarbon-containing gas and combustion gas contained in the airflow is liquefied and discharged from the lower drain.
The decompressor 15 following the gas cooler 14 is composed of a normal vacuum pump. Since the sublimation temperature of fullerene also changes depending on the degree of vacuum, the decompressor 15 is selected so that the pressure can be recovered most efficiently from the amount of raw material hydrocarbon gas, oxygen gas, and inert gas supplied. To do.
[0034]
By controlling the supply amounts of the raw hydrocarbon-containing gas and the oxygen-containing gas using the flow rate regulators 26 and 27 and introducing them into the mixing chamber 20, the raw hydrocarbon with respect to oxygen when the raw hydrocarbon gas burns It is possible to produce a mixed gas in which the elemental composition ratio (C / O ratio) of carbon is adjusted to 1.08 or more and 1.56 or less, preferably 1.1 or more and 1.36 or less.
Then, the produced mixed gas is held in the pressure accumulating chamber 21 and discharged from the discharge unit 22, so that the mixed gas is, for example, more than 75 cm / second and not more than 1000 cm / second, preferably not less than 200 cm / second and not less than 600 cm / second. It can be stably supplied into the reactor main body 16 in less than a second.
[0035]
The inside of the reaction furnace body 16 can be exhausted by the decompression device 15 via the passage 12, the fullerene recovery device 13 and the gas cooler 14, and the inside of the reaction furnace body 16 is, for example, 20 to 100 torr, preferably Can be maintained at a reduced pressure of 30 to 50 torr.
Therefore, the generated combustion gas is discharged from the reaction furnace body 16 to the outside through the passage 12 while the mixed gas discharged from the discharge part 22 into the reaction furnace body 16 is burned under this reduced pressure state. Can do.
[0036]
Next, a method for producing fullerene according to the first embodiment of the present invention will be described.
First, water is introduced from the cooling water introduction pipes 42 to 44 provided in the water cooling jackets 30, 31, and 34 and discharged from the cooling water outlet pipes 45 to 47 to cool the outside of the pipes 28, 29, and 33. .
Toluene gas is used as the raw material hydrocarbon-containing gas, and oxygen gas having a concentration of 99% or more (hereinafter also referred to as pure oxygen gas) is used as the oxygen-containing gas. The elemental composition ratio (C / O ratio) of carbon in toluene to oxygen when toluene gas burns is 1.08 or more and 1.56 or less, preferably 1.1 or more and 1.36 or less. Each of the flow rate regulators 26 and 27 adjusts the amount of toluene gas and the amount of pure oxygen gas and introduces them into the mixing chamber 20 to produce a mixed gas.
Subsequently, while exhausting the inside of the reactor main body 16 using the decompression device 15 through the passage 12, the average discharge speed from the discharge unit 22 and the average discharge rate from the discharge unit 22 becomes, for example, 200 to 600 cm / second. Thus, it is discharged into the reactor main body 16 and burned.
At this time, the displacement of the decompression device 15 is adjusted so that the inside of the reaction furnace main body 16 is maintained in a decompressed state of, for example, 20 to 100 torr, preferably 30 to 50 torr.
[0037]
Since the mixed gas of toluene gas and oxygen gas burns under the above-described reduced pressure state, the combustion of toluene proceeds uniformly, and the temperature in the reactor main body 16 is made uniform and high (for example, 1600 to 2100 ° C., preferably 1700-1900 ° C.).
In addition, since the C / O ratio is controlled within a predetermined range, generation of soot-like substances is suppressed when unburned toluene is heated and decomposed, and a fullerene precursor is generated in a large amount.
For this reason, the frequency of collision between the produced fullerene precursors is improved, the production speed of fullerene is improved, and the yield of fullerene can be increased.
[0038]
Here, in order to further raise the temperature of the combustion gas, it is preferable to preheat the mixed gas before discharging it into the reactor main body 16.
Therefore, heat exchangers 23 and 24 are respectively provided in the raw material hydrocarbon-containing gas supply pipe 18 and the oxygen-containing gas supply pipe 19 to heat-treat toluene gas and oxygen gas, and then supply them to the mixing chamber 20 of the burner 17. .
Toluene gas and oxygen gas are premixed in the mixing chamber 20 and then discharged as a mixed gas into the fullerene reaction furnace 11 from the discharge unit 22 and burnt. Therefore, the temperature of the mixed gas is higher than the vaporization temperature of toluene and lower than the auto-ignition temperature. The heat exchangers 23 and 24 are preferably operated so that
For stabilization, a temperature range that is 10 ° C. or more, preferably 20 ° C. or more higher than the vaporization temperature is good. Moreover, the temperature range which becomes 10 degreeC or more, preferably 20 degreeC or more lower than self-ignition temperature for stabilization is good.
[0039]
In addition, when the mixing chamber 20 is not provided and the toluene gas and the oxygen gas are independently introduced into the fullerene reaction furnace 11, there is no possibility of ignition on the upstream side in the fullerene reaction furnace 11, so the oxygen gas preheating temperature Although there is no upper limit, toluene gas is carbonized at about 300 ° C., and the raw material hydrocarbon-containing gas supply pipe 18 is blocked, so that the carbonization temperature or lower is preferable.
In addition, although it is preferable to heat-process both toluene gas and oxygen gas, you may make it preheat only one of toluene gas and oxygen gas depending on the case.
[0040]
In addition to toluene, for example, aromatic hydrocarbons such as benzene, xylene, naphthalene, anthracene, coal-based hydrocarbons such as creosote oil and carboxylic acid oil, acetylenically unsaturated hydrocarbons, ethylene-based hydrocarbons as raw material hydrocarbons Hydrocarbons, aliphatic saturated hydrocarbons such as pentane and hexane, and the like can be used, and these can be used alone or mixed at an arbitrary ratio.
In particular, aromatic hydrocarbons are preferable, and it is preferable to use purified aromatic hydrocarbons.
The purity of the raw material hydrocarbon gas is preferably higher, but the raw material hydrocarbon gas may be diluted with an inert gas such as argon gas in order to control the combustion temperature and the concentration of the raw material hydrocarbon gas during the combustion reaction. .
As the oxygen-containing gas, oxygen gas having a concentration of 99% or more, oxygen gas having a concentration of 99% or more diluted with an inert gas such as nitrogen or argon gas, air, or the like is used.
[0041]
Subsequently, combustion and decomposition of toluene under oxygen and further generation of fullerene when the mixed gas is discharged into the reaction furnace main body 16 at a predetermined speed will be described.
Since toluene burns in a reduced pressure state of 20 to 100 Torr, preferably 30 to 50 Torr, the temperature of the combustion gas in the reactor main body 16 is, for example, 1600 to 2100 ° C., preferably It becomes a high temperature of 1700-1900 ° C.
For this reason, unburned toluene is easily heated, decomposed and vaporized, and diffuses into the combustion gas generated by the combustion of toluene.
Here, the mixed gas is discharged from the discharge portion 22 of the burner 17 at an average discharge speed of 75 cm / second or more and 1000 cm / second or less, preferably 200 cm / second or more and 600 cm / second or less. A large amount of mixed gas flows into the inside, so that a remarkable discharge flow of the mixed gas is formed on the downstream side of the discharge portion 22.
For this reason, it is considered that the combustion gas containing the decomposition product of toluene promotes the formation of a uniform flow that flows from the upstream side (burner 17 side) to the downstream side of the fullerene reactor 11.
[0042]
Since the combustion is performed under the condition that the pressure in the reaction furnace main body 16 is maintained in the above-described reduced pressure state, the uniform combustion of toluene is promoted, and the temperature of the combustion gas is perpendicular to the axial direction of the reaction furnace main body 16. The direction is considered to be substantially uniform.
As a result, a self-circulating flow is less likely to occur in the combustion gas flow. Therefore, it is considered that the uniform flow flowing out from the upstream side to the downstream side in the reactor main body 16 can be stabilized.
Here, by providing the burner 17 on the upper side in the gravitational direction, the combustion gas flows downward according to the gravity, and stabilization is ensured.
Further, the combustion gas in the reactor main body 16 is exhausted by the decompression device 15 through the passage 12. This seems to further promote a uniform flow from the upstream side to the downstream side in the reactor main body 16.
[0043]
It is considered that the decomposition product of toluene diffused in the combustion gas is heated by the combustion gas and converted into a fullerene precursor, and the fullerene precursor is converted into fullerene while repeatedly colliding with each other.
Here, since the flow of the combustion gas containing the decomposition product of toluene is a uniform flow from the upstream side to the downstream side in the reactor main body 16, the non-uniform movement of the decomposition product of toluene in the combustion gas Is suppressed, and the residence time of the decomposition product of toluene in the combustion gas becomes uniform. For this reason, it is thought that a fullerene precursor is stably produced | generated from the decomposition product of toluene.
In addition, uneven movement of the generated fullerene precursor in the combustion gas is suppressed, and the residence time of the fullerene precursor in the combustion gas becomes uniform. For this reason, it is thought that fullerene is stably produced | generated from a fullerene precursor.
In addition, the produced fullerene is in a state of being contained in a soot-like substance having a small particle size among the soot-like substances by-produced. The soot-like substance containing fullerene is discharged into the upstream passage 32 as a high-temperature gas in a state of floating in the simultaneously generated carbon monoxide gas, water vapor, and unburned toluene gas.
[0044]
The gas discharged into the upstream passage 32 has a high gas flow rate because the inner diameters of the pipes 28 and 29 used in the upstream passage 32 are small. For this reason, the heat exchange efficiency between the gas and the inside of the pipes 28 and 29 is improved, and the gas is cooled.
Then, the gas that has passed through the upstream passage 32 flows into the downstream passage 35.
At this time, since the pipes 28 and 29 are connected to the pipe 33 in the downstream passage 35 from an oblique direction, the gas supplied through the pipes 28 and 29 flows out along the inside of the pipe 33. Further, since the inner diameter of the pipe 33 is larger than the inner diameters of the pipes 28 and 29, the outflowed gas passes through the pipe 33 as a swirling flow.
For this reason, the gas contacting the inside of the pipe 33 is always replaced, and the contact position between the gas and the inside of the pipe 33 is always changed, so that the gas can be efficiently cooled. Furthermore, since the contact position between the gas and the inside of the pipe 33 constantly fluctuates, soot-like substances floating in the gas are suppressed from adhering to the inside of the pipe 33, and the cooling efficiency of the gas is reduced. Is prevented.
As a result, the temperature of the gas when flowing into the fullerene recovery device 13 can be set to 600 ° C. or less, for example.
Although the upstream passage 32 is constituted by the two pipes 28 and 29, the number of pipes constituting the upstream passage 32 is one if the swirling flow of gas can be generated in the pipe 33 of the downstream passage 35. Or three or more.
[0045]
The gas discharged through the downstream passage 35 flows into the fullerene recovery device 13. And gas permeate | transmits toward the inner surface side from the outer surface side of the high temperature heat-resistant filter 36 provided in the collection | recovery apparatus main body 13a.
For this reason, when the gas permeates the high temperature heat resistant filter 36, the soot-like substance containing fullerene floating in the gas is collected on the outer surface side of the high temperature heat resistant filter 36. The gas from which the soot-like substance has been removed flows into the gas discharge pipe 41 from the ceiling plate of the recovery apparatus main body 13a via the outlet pipe, is cooled while passing through the gas cooler 14, and is discharged from the decompression apparatus 15 Is discharged to the outside.
[0046]
Here, the soot-like substance is captured on the outer surface side of the high-temperature heat-resistant filter 36, the pressure loss on the upstream side and the downstream side increases, and a large amount of soot-like substance is deposited on the outer surface of the high-temperature heat-resistant filter 36. For example, when detected by a gas pressure gauge (not shown) provided in the gas discharge pipe 41, nitrogen gas is press-fitted from the tank 38 of the reverse cleaning mechanism 37 into the inner surface side of the high temperature heat resistant filter 36 and directed toward the outer surface side. Make it transparent.
Thereby, the soot-like substance adhering to the outer surface side of the high temperature heat resistant filter 36 can be peeled off. The stripped soot-like substance is discharged and collected in a soot-like substance recovery can (not shown) connected to the discharge valve 40.
The collected soot-like substance is transported to the fullerene separation step, and fullerene is separated by eluting the fullerene into the solvent by, for example, a solvent extraction method.
[0047]
FIG. 3 shows a passage 49 provided with an inert gas mixing means 48 as a modification of the passage 12 of the fullerene production facility 10. The passage 49 is characterized in that an inert gas mixing means 48 is provided in the upstream passage 32, and the other configuration is substantially the same as the passage 12.
The inert gas mixing means 48 includes an inert gas supply unit (for example, an argon gas cylinder, a nitrogen gas cylinder) (not shown) and an inert gas supplied from the inert gas supply unit, for example, obliquely into the pipes 28 and 29. Inert gas inflow pipes 50 and 51 which respectively flow in from. In addition, it is preferable that the flow rate of the inactive gas which flows in is 10-100 m / sec.
With such a configuration, the inert gas can be reliably mixed by generating turbulent flow in the gas passing through the pipes 28 and 29, and the gas can be diluted uniformly with the inert gas. Can do.
As a result, the temperature of the mixed gas formed from the gas and the inert gas can be lowered compared to the gas. Furthermore, by mixing the inert gas, the speed of the formed mixed gas can be increased and the cooling efficiency of the mixed gas in the downstream passage 35 can be improved.
[0048]
Next, a fullerene production facility 52 according to a second embodiment of the present invention will be described.
As shown in FIG. 4, the fullerene production facility 52 includes a fullerene reaction furnace 53 which is an example of a fullerene production apparatus for producing a fullerene by reacting a raw material hydrocarbon-containing gas in a high temperature state, and a lower side of the fullerene reaction furnace 53. And a first passage 54 for leading out high-temperature gas containing fullerene from the fullerene reaction furnace 53.
Further, the fullerene manufacturing facility 52 includes a cyclone type swirl flow generating device 55 which is an example of cooling means connected to the first passage 54, and a second passage 56 connected to the cyclone type swirl flow generating device 55. The fullerene recovery device 13 in which the second passage 56 is connected to the inflow side, the gas cooler 14 that cools the gas flowing out of the fullerene recovery device 13 after the soot-like substance containing fullerene is removed, and the gas cooler 14 And a decompression device 15 including a vacuum pump for sucking the cooled gas.
[0049]
Here, the fullerene reaction furnace 53 has a discharge portion 57 connected to the first passage 54 on the lower side of the reaction furnace main body 16 of the fullerene reaction furnace 11 applied to the fullerene production method according to the first embodiment. The other features are substantially the same as those of the fullerene reactor 11. For this reason, the same code | symbol is attached | subjected about the same structural member, and detailed description is abbreviate | omitted.
In addition, the 1st channel | path 54 can be formed with heat-resistant steel, such as stainless steel, for example, and it is preferable to attach cooling means, such as a water cooling jacket, for example in the outer side.
[0050]
By setting it as such a structure, the raw material hydrocarbon containing gas supplied from the burner 17 can be burned under oxygen containing gas, and a fullerene can be produced | generated.
The generated fullerene is contained in the soot-like substance, and the high-temperature gas is discharged to the first passage 54 through the discharge part 57 of the fullerene reactor 53 in a state where the soot-like substance containing the fullerene is suspended. The
Further, since the deposits attached to the inner wall of the reactor main body 16 and the burner 17 of the fullerene reaction furnace 53 fall from the inner wall of the reaction furnace main body 16 and the burner 17 and fall inside the fullerene reaction furnace 53, the exhaust 57 together with the exhaust gas. It can be discharged to the first passage 54 via
[0051]
The cyclone type swirling flow generating device 55 includes a swirling flow generating device main body 58 to which the first passage 54 is connected, and a discharge portion 59 connected to the lower end of the swirling flow generating device main body 58. Further, the cyclonic swirling flow generating device 55 includes a ceiling plate 60 attached to the upper end of the swirling flow generating device main body 58 and an exhaust of the cyclone swirling flow generating device 55 formed at the center of the ceiling plate 60. A discharge pipe 62 connected to the outlet 61 and projecting into the swirling flow generator main body 58 is provided.
An integrated water cooling jacket 63 is provided outside the swirl flow generator main body 58, the discharge portion 59, and the ceiling plate 60. Moreover, the 2nd channel | path 56 is connected to the discharge port 61 formed in the ceiling board 60, for example, can be formed with heat resistant steel, such as stainless steel.
Here, the cyclonic swirling flow generator is mainly composed of a cyclone described in page 191 of the Chemical Engineering Dictionary (published March 1986, revised 3rd edition, edited by Chemical Engineering Association, published by Maruzen Co., Ltd.). Refers to what is composed of.
[0052]
With such a configuration, the cooling water is caused to flow from the cooling water introduction pipe 64 provided in the water cooling jacket 63 and the cooling water is caused to flow out from the cooling water outlet pipe 65 provided to the water cooling jacket 63. Thus, the outside of the swirl flow generator main body 58 can be cooled.
Then, the hot gas can be introduced into the swirling flow generator main body 58 through the first passage 54 to form a swirling flow swirling along the inside of the side wall of the swirling flow generating apparatus main body 58.
Furthermore, the gas swirling at the central portion in the swirling flow generator main body 58 can be discharged into the second passage 56 via the discharge pipe 62.
Further, soot-like substances having large particle sizes and combustion residues in the gas swirling in contact with the inside of the side wall of the swirling flow generator main body 58 are dropped along the inside of the side wall of the swirling flow generating apparatus main body 58. Thus, it can be dropped into a collection can (not shown) connected to the discharge port 59.
Here, the exhaust gas swirling in the swirl flow generator main body 58 undergoes heat exchange when it comes into contact with the inside of the side wall of the swirl flow generator main body 58, and the temperature of the exhaust gas gradually decreases. Therefore, the temperature of the exhaust gas discharged to the second passage 56 is lowered.
[0053]
Next, a method for producing fullerene according to the second embodiment of the present invention will be described.
First, water is introduced from the cooling water introduction pipe 64 provided in the water cooling jacket 63 and discharged from the cooling water outlet pipe 65 to cool the outside of the swirling flow generator main body 58.
Subsequently, toluene gas is supplied to the burner 17 of the fullerene reaction furnace 53 as a raw material hydrocarbon-containing gas, and a mixed gas of oxygen gas having a concentration of 99% and argon gas is supplied as an oxygen-containing gas, and the toluene gas is burned to generate fullerene. . The produced fullerene is contained in a soot-like substance having a small particle size as a by-product.
The high-temperature gas in which the soot-like substance containing fullerene is floated is discharged to the first passage 54 connected to the discharge portion 57. In addition, when the deposits adhering to the inner wall of the reactor main body 16 and the burner 17 rise from the inner wall of the reactor main body 16 and the burner 17, they fall inside the fullerene reactor 53 and are connected to the discharge unit 57 together with the high-temperature gas. The first passage 54 is discharged.
[0054]
The high-temperature gas discharged into the first passage 54 flows into the swirl flow generator main body 58. The inflowing gas forms a swirl flow along the inside of the side wall of the swirl flow generator main body 58.
Here, since the swirling gas exchanges heat when it contacts the inside of the side wall of the swirling flow generator main body 58, the temperature of the exhaust gas gradually decreases. For this reason, the temperature of the gas when passing through the second passage 56 via the discharge pipe 62 and flowing into the fullerene recovery device 13 can be set to 600 ° C. or less, for example.
In addition, since the swirl flow is formed in the swirl flow generator main body 58, the contact position between the gas and the inside of the side wall always fluctuates, so that soot-like substances and combustion residues floating in the gas are on the side wall. Adhering to the gas is suppressed, and the gas cooling efficiency is prevented from being lowered.
[0055]
Here, when the swirl flow is formed in the swirl flow generator main body 58, the soot-like substance having a large particle size and the combustion residue contained in the gas are inside the side wall in the swirl flow generator main body 58 due to centrifugal force. Turn while touching. For this reason, a frictional force is generated between the inside of the side wall, so that the swirling speed of the soot-like substance having a large particle size and the combustion residue is reduced, falls along the inside of the side wall, and is connected to the discharge port 59. Fall into the collection can.
On the other hand, the soot-like substance having a small particle diameter swirls in the central portion in the swirling flow generator main body 58. Since it has been found that fullerenes are mainly contained in soot-like substances having a small particle size, the gas discharged into the second passage 56 contains more soot-like substances containing fullerenes. Yes. Therefore, the soot-like substance containing fullerene can be efficiently collected by flowing this gas into the fullerene recovery device 13.
[0056]
FIG. 5 shows a cyclone swirl flow generator 67 provided with an inert gas mixing means 66 as a modification of the cyclone swirl flow generator 55 of the fullerene production facility 52. The cyclone swirl flow generator 67 is characterized by the provision of the inert gas mixing means 66, and the other configuration is substantially the same as the cyclone swirl flow generator 55. For this reason, the same code | symbol is attached | subjected about the same structural member, and detailed description is abbreviate | omitted.
The inert gas mixing means 66 includes an inert gas supply unit (for example, an argon gas cylinder, a nitrogen gas cylinder) (not shown) and an inert gas supplied from the inert gas supply unit into the swirl flow generator main body 58 from an oblique direction. An inert gas inflow pipe 68 is provided. In addition, it is preferable that the flow rate of the inactive gas which flows in is 10-100 m / sec.
[0057]
By adopting such a configuration, the inert gas can be effectively mixed with the gas passing in the swirl flow in the swirl flow generator main body 58, and the gas can be uniformly distributed with the inert gas. Can be diluted.
As a result, the temperature of the mixed gas formed from the gas and the inert gas can be lowered compared to the gas. Further, by mixing the inert gas, the speed of the formed mixed gas can be increased, and the cooling efficiency of the mixed gas in the cyclone type swirling flow generating device 67 can be improved. As a result, the temperature of the mixed gas can be lowered more efficiently.
[0058]
【Example】
(Example 1)
Fullerenes were produced using the fullerene production apparatus 10 shown in FIG.
Here, the fullerene reactor has a length of 2000 mm and a diameter of 300 mm, and the inner wall surface of the fullerene reactor has a range of 400 mm downstream from the portion corresponding to the position of the surface portion (tip portion) of the burner. The lining layer was composed of an amorphous amorphous refractory material.
The inner diameter of each stainless steel pipe constituting the upstream passage of the passage is 60 mm, the total length is 1000 mm, the inner diameter of the stainless steel pipe constituting the downstream passage is 150 mm, the length is 2000 mm, and the outside Water was poured into a water-cooling jacket provided in the water-cooling jacket. The fullerene recovery device has a maximum inner diameter of 1000 mm and a height of 2000 mm.
The discharge part of the burner is configured using a disk-shaped porous ceramic sintered body having an outer diameter of 250 mm, and 30 to 50 holes are discharged per 25 mm in the porous ceramic sintered body. It is formed as an outlet.
[0059]
Toluene gas was used as the raw material hydrocarbon gas, and pure oxygen was used as the oxygen-containing gas.
Toluene gas was heated to 200 ° C. with a heat exchanger after toluene was heated in a vaporizer, and oxygen gas was supplied from an oxygen tank to the heat exchanger and heated to 200 ° C. Then, the flow rate of toluene gas was 228.3 g / min, the flow rate of oxygen gas was 175.7 Nl / min (the elemental composition ratio (C / O ratio) of carbon in toluene to oxygen was 1.107), and the burner And premixed in a mixing chamber to form a mixed gas and discharged into the fullerene reactor. At this time, the pressure in the fullerene reactor was 40 Torr, and the average discharge speed of the mixed gas (200 ° C.) when discharged from the burner was 258.5 cm / sec.
When fullerene was produced under such conditions, the temperature of the gas discharged from the outlet of the fullerene reactor was 1100 ° C., and the temperature of the gas when flowing into the fullerene recovery device was 600 ° C. As a result, the fullerene content in the by-product soot-like material was 19.0%.
[0060]
(Example 2)
Fullerenes were produced using a fullerene production apparatus 40 shown in FIG.
Here, the fullerene reactor has a length of 2000 mm and a diameter of 300 mm, and the inner wall surface of the fullerene reactor has a range of 400 mm downstream from the portion corresponding to the position of the surface portion (tip portion) of the burner. The lining layer was composed of an amorphous amorphous refractory material.
The inner diameter of the stainless steel pipe constituting the first passage is 200 mm, the total length is 400 mm, the maximum inner diameter of the swirl flow generator main body is 600 mm, and the height of the swirl flow generator main body is 1500 mm. Further, the stainless steel pipe constituting the second passage has an inner diameter of 100 mm, a total length of 5000 mm, a fullerene recovery device having a maximum inner diameter of 1000 mm and a height of 2000 mm.
The discharge part of the burner is configured using a disk-shaped porous ceramic sintered body having an outer diameter of 250 mm, and 30 to 50 holes are discharged per 25 mm in the porous ceramic sintered body. It is formed as an outlet.
[0061]
Toluene gas was used as the raw material hydrocarbon gas, and pure oxygen was used as the oxygen-containing gas.
Toluene gas was heated to 200 ° C. with a heat exchanger after toluene was heated in a vaporizer, and oxygen gas was supplied from an oxygen tank to the heat exchanger and heated to 200 ° C. Then, the flow rate of toluene gas was 228.3 g / min, the flow rate of oxygen gas was 175.7 Nl / min (the elemental composition ratio (C / O ratio) of carbon in toluene to oxygen was 1.107), and the burner And premixed in a mixing chamber to form a mixed gas and discharged into the fullerene reactor. At this time, the pressure in the fullerene reactor was 40 Torr, and the average discharge speed of the mixed gas (200 ° C.) when discharged from the burner was 258.5 cm / sec.
When fullerene was produced under such conditions, the temperature of the gas discharged from the outlet of the fullerene reactor was 1100 ° C., and the temperature of the gas when flowing into the fullerene recovery device was 450 ° C. As a result, the fullerene content in the by-product soot-like material was 20.0%.
[0062]
(Comparative Example 1)
In the fullerene production apparatus shown in FIG. 4, the first passage, the cyclone type swirl flow generator, and the second passage are removed, and the discharge portion of the fullerene reactor and the inlet side of the fullerene recovery device have an inner diameter of 150 mm and are long. Fullerenes were produced using equipment in which the outer peripheral part with a length of 2500 mm was connected with a stainless steel pipe cooled with water. The fullerene production conditions were the same as in Example 2.
At this time, the temperature of the gas discharged from the outlet of the fullerene reactor was 1120 ° C., and the temperature of the gas when flowing into the fullerene recovery device was 800 ° C. As a result, the fullerene content in the by-product soot-like material was 16.2%.
From the above, the gas discharged from the fullerene reactor is turned into a swirl flow when passing through the pipe as in the first embodiment, or the gas discharged from the fullerene reaction furnace is turned into a cyclone-type swirl flow as in the second embodiment. The temperature of the gas when flowing into the fullerene recovery device can be reduced to 600 ° C. or lower by making the swirl flow contact with the cooled side wall by the generator, and the fullerene in the soot-like material by-produced It turns out that content rate improves.
[0063]
Example 3
Using a thermogravimetric apparatus (TG-DTA6300 manufactured by Seiko Co., Ltd.), 3.8 mg of soot-like substance obtained by combustion using toluene as a raw material in a dry nitrogen gas flow (100 cc / min) from room temperature to a heating rate of 20 The change in weight was measured while heating to 1150 ° C at ° C / min.
The obtained result is shown in FIG. In FIG. 6, the left vertical axis represents the weight loss rate (TG%) with respect to the weight of 3.8 mg, the right vertical axis represents the rate of change of the weight loss rate (DTG% / min), and the horizontal axis represents the heating temperature.
As is apparent from the graph showing the weight loss rate and the graph showing the change rate of the weight loss rate shown in FIG. 6, the weight gradually decreases when the temperature reaches 100 ° C. or higher, and the weight loss is accelerated from around 400 ° C. I understand. And in the high temperature region of 500 ° C. or higher, the weight of the soot-like substance is drastically reduced. Here, considering that the sublimation temperature of fullerene is 400 to 800 ° C., it is understood that the sudden weight loss of the soot-like substance is caused by the sublimation of a large amount of fullerene in the soot-like substance.
As a result, in the high temperature region where the temperature of the gas in the fullerene recovery apparatus is 500 ° C. or higher, the generated fullerene is sublimated and exists in a gaseous state, and there is a sufficient possibility that it cannot be captured by the filter.
[0064]
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to this embodiment, The change in the range which does not change the summary of invention is possible, Each above-mentioned embodiment is possible. The case where the fullerene production method and the equipment of the present invention are configured by combining some or all of the forms and modifications are also included in the scope of the right of the present invention.
For example, toluene gas and oxygen gas heated in a heat exchanger are supplied to a burner through separate pipes, mixed in the burner and then discharged into the reactor main body, but toluene gas and oxygen gas heated in a heat exchanger, respectively. May be mixed with a mixer to form a mixed gas, then supplied to a burner having no mixing chamber, and discharged into the fullerene reactor main body. Also in this case, each heat exchanger is operated so that the temperature of the mixed gas is equal to or higher than the vaporization temperature of toluene and lower than the self-ignition temperature.
[0065]
It is also possible to discharge toluene gas and oxygen gas respectively heated by a heat exchanger into a fullerene reaction furnace from a discharge part provided in the fullerene reaction furnace, and to burn it while diffusing and mixing in the fullerene reaction furnace. In this case, the heating temperature range of the toluene gas is equal to or higher than the vaporization temperature and lower than the carbonization temperature. Further, the upper limit of the heating temperature range of the oxygen gas is not limited as long as it is equal to or higher than the vaporization temperature of toluene.
Although the burner is provided on the upper end side (gravity upper side) of the fullerene reactor main body, it is also possible to provide the burner on the upper side of the fullerene reaction furnace side or on the lower end side (gravity lower side). Further, the burner may be provided separately for each discharge port, and a mixing chamber and a pressure accumulating chamber may be arranged in each.
Although the discharge part formed with the plate of the porous ceramic sintered compact was used as a discharge part of a burner, you may use the discharge part formed with heat-resistant steel, such as stainless steel. Moreover, the discharge part which gathered the micro diameter nozzle formed with the heat-resistant metal made from stainless steel can also be used.
Moreover, although the water cooling jacket was used for cooling the side wall of the pipe and the side wall of the cyclone, a water cooling pipe (water cooling coil) may be attached, or a water cooling jacket and a water cooling pipe may be attached in combination.
[0066]
【The invention's effect】
In the method for producing fullerenes according to claim 1 and claims 3 and 4 dependent thereon, the passage is cooled and the gas passing through the passage is swirled, and also dependent on claim 2 and this. 5. The fullerene production method according to claim 3, wherein a cooling means for bringing the introduced gas into a swirling flow and contacting the cooled side wall is provided in the middle of the passage to actively cool the gas. The temperature of the gas flowing into the recovery device can be made lower than the decomposition temperature of fullerene, and the temperature of the collection layer made of soot-like material containing fullerene collected by the fullerene recovery device is made lower than the decomposition temperature of fullerene. Thus, it is possible to prevent the decomposition of fullerene in the collection layer. As a result, the fullerene recovery rate can be improved by 2%, for example.
[0067]
In particular, in the fullerene production method according to claim 3, since the temperature of the gas flowing into the fullerene recovery device is set to 600 ° C. or less, the decomposition of fullerene in the fullerene recovery device is surely prevented. The recovery rate can be improved.
In addition, by lowering the temperature of the gas when flowing into the fullerene recovery device, it becomes possible to use the high-temperature filter used in the fullerene recovery device below the heat-resistant temperature, and to recover fullerene stably over a long period of time. It becomes possible. As a result, fullerene productivity can be improved.
Furthermore, the replacement frequency of the high-temperature filter used in the fullerene recovery apparatus can be reduced, the maintenance cost of the fullerene production apparatus can be reduced, and the operation rate of the fullerene production apparatus can be improved.
[0068]
5. The fullerene production method according to claim 4, wherein the inert gas is mixed into the gas, so that the temperature of the mixed gas formed by mixing the inert gas into the gas can be efficiently reduced. Even if the temperature of the gas discharged from the exhaust gas fluctuates, the temperature of the mixed gas flowing into the fullerene recovery device can be surely made lower than the decomposition temperature of fullerene. As a result, the fullerene recovery rate can be stably maintained at a high level.
[0069]
In the fullerene production facility according to claim 5, the passage includes a first cooling means for cooling while allowing the gas to pass therethrough, an upstream passage having a swirl flow generating means for turning the passed gas into a swirling flow, The fullerene production facility according to claim 6, further comprising a downstream side passage provided with a second cooling means for cooling while allowing the swirl flow to pass. Since a cyclone type swirl flow generator is provided that cools in contact with the cooled side wall, a swirl flow of high-temperature gas can be easily formed, and soot containing fullerene from the gas is provided. The substance can be efficiently separated and supplied to the fullerene recovery device, and the fullerene recovery can be performed while reducing the burden on the fullerene recovery device.
Furthermore, since the fullerene recovery apparatus can collect the fullerene-containing soot-like substance, the work load in the fullerene separation process can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a fullerene production facility according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line PP in FIG.
FIG. 3 is an explanatory view of a passage according to a modification of the manufacturing facility.
FIG. 4 is an explanatory view showing a fullerene production facility according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is an explanatory view of a cyclone type swirling flow generating device according to a modification of the manufacturing facility.
FIG. 6 is a graph showing the weight loss rate and the rate of change of the weight loss rate when soot-like material is heated in a dry nitrogen gas stream.
[Explanation of symbols]
10: Fullerene production equipment, 11: Fullerene reactor, 12: Passage, 13: Fullerene recovery device, 13a: Recovery device body, 14: Gas cooler, 15: Decompression device, 16: Reaction body, 17: Burner, 18: Raw material hydrocarbon-containing gas supply pipe, 19: Oxygen-containing gas supply pipe, 20: Mixing chamber, 21: Pressure accumulating chamber, 22: Discharge unit, 23, 24: Heat exchanger, 25: Vaporizer, 26, 27: Flow controller, 28, 29: pipe, 30, 31: water cooling jacket, 32: upstream side passage, 33: pipe, 34: water cooling jacket, 35: downstream side passage, 36: high temperature heat resistant filter, 37: reverse cleaning mechanism, 38: tank, 39: solenoid valve, 40: discharge valve, 41: gas discharge pipe, 42-44: cooling water introduction pipe, 45-47: cooling water outlet pipe, 48: inert gas mixing means, 49: passage, 50, 1: Inert gas inflow pipe, 52: Fullerene production facility, 53: Fullerene reactor, 54: First passage, 55: Cyclone-type swirling flow generator, 56: Second passage, 57: Discharge section, 58: Swirling flow generator main body, 59: Discharge unit, 60: Ceiling plate, 61: Discharge port, 62: Discharge pipe, 63: Water cooling jacket, 64: Cooling water introduction pipe, 65: Cooling water outlet pipe, 66: Not used Active gas mixing means, 67: Cyclone-type swirl flow generator, 68: Inert gas inflow pipe

Claims (6)

フラーレン製造装置から排出するフラーレンを含む高温のガスを通路を介してフラーレン回収装置に送り、前記ガス中からフラーレンを含有するすす状物質を回収するフラーレンの製造方法において、
前記通路を冷却すると共に、該通路を通過する前記ガスを旋回流にすることを特徴とするフラーレンの製造方法。In a fullerene production method, a high-temperature gas containing fullerene discharged from a fullerene production apparatus is sent to a fullerene recovery apparatus through a passage, and a soot-like substance containing fullerene is recovered from the gas.
A method for producing fullerene, comprising cooling the passage and turning the gas passing through the passage into a swirling flow. フラーレン製造装置から排出するフラーレンを含む高温のガスを通路を介してフラーレン回収装置に送り、前記ガス中からフラーレンを含有するすす状物質を回収するフラーレンの製造方法において、
前記通路の途中に、導入された前記ガスを旋回流にして冷却された側壁に接触させる冷却手段を設け、前記ガスを積極的に冷却させることを特徴とするフラーレンの製造方法。In a fullerene production method, a high-temperature gas containing fullerene discharged from a fullerene production apparatus is sent to a fullerene recovery apparatus through a passage, and a soot-like substance containing fullerene is recovered from the gas.
A method for producing fullerene, characterized in that a cooling means is provided in the middle of the passage to bring the introduced gas into a swirling flow so as to come into contact with the cooled side wall to actively cool the gas. 請求項１及び２のいずれか１項に記載のフラーレンの製造方法において、前記フラーレン回収装置に流入する際の前記ガスの温度を６００℃以下にすることを特徴とするフラーレンの製造方法。3. The fullerene production method according to claim 1, wherein the temperature of the gas when flowing into the fullerene recovery apparatus is 600 ° C. or less. 4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のフラーレンの製造方法において、前記ガスに不活性ガスを混入することを特徴とするフラーレンの製造方法。The method for producing fullerene according to claim 1, wherein an inert gas is mixed in the gas. フラーレン製造装置から排出するフラーレンを含む高温のガスを通路を介してフラーレン回収装置に送り、前記ガス中からフラーレンを含有するすす状物質を回収するフラーレンの製造設備において、
前記通路は前記ガスを通過させながら冷却する第１の冷却手段、及び通過した該ガスを旋回流にする旋回流発生手段を備えた上流側通路と、
前記ガスの旋回流を通過させながら冷却する第２の冷却手段を備えた下流側通路を有していることを特徴とするフラーレンの製造設備。In a fullerene production facility for sending a high-temperature gas containing fullerene discharged from a fullerene production apparatus to a fullerene recovery apparatus via a passage and recovering soot-like substances containing fullerene from the gas,
The passage includes a first cooling means for cooling while allowing the gas to pass therethrough, and an upstream side passage provided with a swirl flow generating means for turning the passed gas into a swirl flow;
A fullerene production facility comprising a downstream side passage provided with a second cooling means for cooling while allowing the gas swirl flow to pass therethrough. フラーレン製造装置から排出するフラーレンを含む高温のガスを通路を介してフラーレン回収装置に送り、前記ガス中からフラーレンを含有するすす状物質を回収するフラーレンの製造設備において、
前記通路には通過する前記ガスを旋回流にして冷却された側壁に接触させて冷却するサイクロン型の旋回流発生装置が設けられていることを特徴とするフラーレンの製造設備。In a fullerene production facility for sending a high-temperature gas containing fullerene discharged from a fullerene production apparatus to a fullerene recovery apparatus via a passage and recovering soot-like substances containing fullerene from the gas,
A cyclone type swirl flow generating device is provided in the passage, wherein a cyclone swirl flow generating device is provided for cooling the gas passing therethrough in a swirl flow and contacting a cooled side wall.
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