JP2006506312A - ガス状クロラミンの製造 - Google Patents

Abstract

本発明は、生成ガスを形成するために、不活性搬送ガスの存在下で市販のガスを気相反応させるための反応装置を、提供する。反応装置は、流線形で小型であり、その下流に少なくとも１つの固体収集除去システムを有している。該システムでは、固体が生成ガス流から効率良く除去され、高純度の生成ガスが残る。除去システムは、反応装置の簡素なデザインを可能とし、その反応装置は、掃除が容易であり、長期間に渡って連続作動する。

Description

発明の詳細な説明

発明の背景
本願は、米国仮出願番号６０／４２６，１０４の優先権を主張するものであり、その全ての開示は、参照することにより本件に含まれる。

発明の分野
本発明は、無機化合物を製造するための方法及び装置に関するものである。特に、本発明は、無機化合物、例えば、クロラミンガスを、市販のガスから製造するための、気相の方法及び装置に関するものである。

従来技術の説明
クロラミンを形成するための効率的な方法は、下記の反応式に示すように、塩素ガスをアンモニアと反応させることである。
Ｃｌ_２ ＋ ２ＮＨ_３ → ＮＨ_２Ｃｌ ＋ ＮＨ_４Ｃｌ
生成物 副生成物
（クロラミン） （塩化アンモニウム）
この基本反応の例は、Sisler et al.の米国特許第２，８３７，４０９及びGrushkin et al.の米国特許第３，４８８，１６４に、開示されている。

塩素／アンモニアの反応は、過剰な気体アンモニアに塩素ガスを導入して、それらを直ぐに混合して反応域から回収することによって、実行される場合に、特に有効である。

大変魅力的な反応ではあるが、塩素ガスと気体アンモニアとの反応に伴う多くの欠点がある。１つの顕著な欠点は、副生成物である塩化アンモニウムの生成である。３５０℃以下の温度で、塩化アンモニウムは凝縮し、固体が生成ガスから沈殿する。適切に制御しないと、固体は反応装置を汚染する。固体の塩化アンモニウムの生成を防止し又は最小限とするために、反応は３５０℃以上の温度で行う必要がある。

Colliの米国特許第４，０３８，３７２は、クロラミンの製造方法を示している。クロラミンは、約３６０℃にて、塩素とアンモニアとの気体反応で形成される。その結果の生成ガスは、放出域へ放出されて、そこで、生成ガスから塩化アンモニウムが沈殿するのを避けるために加熱される。そして、生成ガス流は、伴出ガスの高速ジェットで、伴出される。この伴出ガスは、生成ガス流を冷却し、ガス流をフィルタシステムへ運ぶ。フィルタシステムでは、塩化アンモニウムの固体がクロラミンガスから分離される。

英国特許第１，１４９，８３６号は、クロラミンの製造方法を示している。その方法では、不活性希釈ガスの存在下で塩素とアンモニアを反応させている。その反応は、少なくとも２５０℃の温度で起こる。気体反応生成物は、塩化アンモニウムの少なくとも一部が凝固するまで、約５０℃から約２５０℃の温度で維持される。塩化アンモニウムは、ガラス綿フィルタ上に収集され、その後、ガス状クロラミンが、好ましくは溶媒中で、回収される。

本発明は、新規な反応装置を提供することによって、固体の生成という厄介な問題を克服するものである。その新規な反応装置は、反応装置の下流に、固体収集・除去システムを備えている。この新規な除去システムは、反応装置の簡素なデザインを可能とし、その反応装置は、掃除が容易であり、長期間に渡って連続作動する。

発明の概要
本発明の目的は、無機化合物を連続製造するための反応装置を提供することである。

本発明の別の目的は、反応装置の汚染を避けるために生成ガス流から固体を除去するための１つ以上の手段を提供することである。

本発明の更なる目的は、簡素な流線形デザインを有するような反応装置を提供することである。

本発明の更なる目的は、掃除が容易であるような反応装置を提供することである。

更に、本発明の更なる目的は、増大した連続作動時間を有するような反応装置を提供することである。

本発明のこれらの及び他の目的は、プロセスガス化合物を形成するために新規な反応装置中で不活性搬送ガスの存在下で市販の供給ガスを気相反応させることによって、達成される。「供給ガス」又は「供給ガス類」という用語は、本願においては、本発明の方法で使用される反応ガス（類）を含む意味である。反応装置は、流線型で小型の形態を有しており、また、反応装置の下流に固体収集・除去システムを有している。そのシステムでは、固体が生成ガス流から効果的に除去され、高純度の生成ガスが残る。この新規な除去システムは、反応装置の簡素なデザインを可能とし、その反応装置は、掃除が容易であり、長期間に渡って連続作動する。好ましい実施形態では、新規な反応装置は、クロラミン生成ガスを形成するために使用される。

発明の詳細な説明
図１には、本発明の気相反応装置が符号１０で示されている。反応装置１０は、外殻管１２及び内管１６を有している。両管は、反応室１８へ通じている。少なくとも１つの第１の市販の供給ガスが第１入口１３から外管１２へ供給される。１つ以上の不活性ガスが第２入口１４から外管１２へ供給される。１つ以上の不活性ガスは、希釈剤として、及び、少なくとも１つの第１の市販ガスの担体として、働く。少なくとも１つの追加の又は第２の市販の供給ガスが、内殻管１６から反応室１８へ同心（すなわち、１つ以上の追加の供給管内に配置された１つ以上の供給管）で供給される。供給ガスを反応室１８へ同心で供給することによって、反応は、供給ガスが反応室へ放出されると直ぐに起こり、したがって、より効率的に行われる。その結果、より多くの供給ガスが生成ガスへ変化し、したがって、反応室１８内で望まれない固体が形成されるのが、回避される。

本発明の反応装置で用いるのに適した市販の供給ガスとしては、限定するものではないが、アセチレン、アンモニア、三塩化ホウ素、三弗化ホウ素、ブダジエン、ブタン、ブテン、二酸化炭素、一酸化炭素、塩素、シス−２−ブテン、重水素、ジメチルアミン、ジメチルエーテル、エタン、エチレン、塩化エチル、水素、臭化水素、塩化水素、硫化水素、イソブテン、イソブチレン、メタン、臭化メチル、塩化メチル、メチルメルカプタン、メチルアミン、一酸化窒素、二酸化窒素、亜酸化窒素、酸素、パーフルオロプロパン、プロパン、プロピレン、二硫化硫黄、六弗化硫黄、トランス−２−ブテン、トリメチルアミン、又は、これらの任意の組み合わせが、挙げられる。

本発明で用いるのに適した不活性ガスとしては、限定するものではないが、窒素、アルゴン、ヘリウム、ネオン、又は、これらの任意の組み合わせが、挙げられる。

一例として、本発明の新規な反応装置を用いる反応は、限定するものではないが、下記式のとおりである。
Ｃｌ_２ ＋ ２ＮＨ_３ → ＮＨ_２Ｃｌ ＋ ＮＨ_４Ｃｌ
ＮＨ_３ ＋ ＢＣｌ_３ → Ｃｌ_３Ｂ−ＮＨ_３
ＳＯ_３ ＋ ＮＨ_３ → ＳＯ_３ＮＨ_３
Ｃｌ_２ ＋ ＨＢｒ → ＨＣｌ ＋ ＢｒＣｌ
Ｃｌ_２ ＋ ＮＯ → ＮＯ_２ ＋ ＣｌＮＯ

本発明の一実施形態では、クロラミンガスが、本発明の新規な反応装置を用いて製造される。

塩素又は含塩素ガスは、約０．００１フィート^３／分から約０．１フィート^３／分の流速で、第１入口１３及び外管１２から、反応装置へ供給される。好ましくは、塩素ガスは、約０．０１フィート^３／分から約０．０５フィート^３／分の流速で、より好ましくは、約０．０１２５フィート^３／分から約０．０１５フィート^３／分の流速で、反応装置へ供給される。

不活性ガスは、約０．１フィート^３／分から約１フィート^３／分の流速で、第２入口１４及び外管１２から、反応装置へ供給される。好ましくは、不活性ガスは、約０．１２フィート^３／分から約０．３６フィート^３／分の流速で、より好ましくは、約０．１５フィート^３／分から約０．１８フィート^３／分の流速で、反応装置へ供給される。

気体アンモニアは、約０．００２フィート^３／分から約０．２フィート^３／分の流速で、内殻管１６から、反応装置へ供給される。好ましくは、気体アンモニアは、約０．０３２フィート^３／分から約０．０９６フィート^３／分の流速で、より好ましくは、約０．０４フィート^３／分から約０．０４８フィート^３／分の流速で、反応装置へ供給される。

本発明の重要な特徴は、クロラミンガスを形成する際に、塩素ガス及び不活性ガスを予熱する前に予混合することである。塩素ガスは、それ自身が高温で高腐食性のものである。塩素ガス及び不活性ガスを加熱する前に混合すると、塩素ガスの腐食性が低減及び／又は削減される、ということが、見出された。その結果、安価で機械加工しやすい材料が、本発明の反応装置１０を製作するのに使用できる。

本発明の反応装置１０を構成するのに適した材料としては、限定するものではないが、ハステロイ（hastelloy）Ｃ、ステンレス鋼、黄銅、ホウケイ酸ガラス、ケイ酸塩、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム、シリカ、及び、これらの任意の組み合わせが、挙げられる。好ましくは、反応装置１０を構成するのに使用される材料としては、ハステロイＣ、ステンレス鋼、又は、これらの組み合わせが、挙げられる。

本発明の他の重要な特徴は、全てのガスを反応室１８へ導入する前に予熱することである。供給ガスを予熱することの結果として、より小さくてコンパクトな反応装置を、固体、例えばクロラミンの場合には塩化アンモニウム、によって反応装置が汚染される、という問題なしに、使用できる。更に、高い温度が、高い変化率及び／又は選択性を、提供する。これは、連続して且つ効率良く生成ガスを製造するという主たる利点を提供する。

供給ガスを加熱するための装置又は要素としては、例えば、ヒートテープ、高抵抗性ワイヤ、蒸気、加熱炉、又は、これらの任意の組み合わせが、挙げられる。好ましくは、ヒートテープは、外殻管１２を加熱するのに使用され、外管１２を流れる塩素ガス及び不活性ガスの両方と、内管１６を流れる気体アンモニアと、を順に加熱する。

クロラミンガスを形成する場合には、外殻管１２及び内管１６は反応室１８に通じている。塩素ガスは、反応室１８内の反応域２０で、アンモニアガスと反応する。反応室１８は、１つ以上の加熱要素２２によって、約３５０℃を超える温度に加熱され、加熱要素２２に付随した１つ以上の温度センサによって測定される。反応室１８内で起こる気相反応の副生成物である塩化アンモニウムが凝集して沈殿するのを防止するために、反応が約３５０℃を超える温度で起こることは、発明にとって極めて重要である。

反応域２０を加熱するための装置又は要素としては、例えば、ヒートテープ、高抵抗性ワイヤ、蒸気、加熱炉、又は、これらの任意の組み合わせが、挙げられる。好ましくは、ヒートテープが使用される。

生成ガス流は、未だに約３５０℃を超える温度で、放出管２６を経て反応室１８から出る。

図２では、放出管２６を経た生成ガス流が、符号３０で示される本発明の固体収集システムへ入る。固体収集システム３０は、１つ以上のバッフル３４、３６を備えたトラップ３２を有している。バッフル３４、３６は、生成ガスから沈殿してくる固体の収集を助ける。固体収集システム３０は、トラップ３２の後に、１つ以上のフィルタ３８、４０を有している。フィルタ３８、４０は、生成ガス中で沈殿してきた固体を、更に収集する。生成ガスは、放出ライン４２を経て固体収集システム３０から放出される。

所望の生成ガスに適合する適切なフィルタは、固体収集システム３０で使用できる。本発明の固体収集システム３０で使用するのに適したフィルタとしては、限定するものではないが、１つ以上のカートリッジフィルタ、バグフィルタ、粒床フィルタ、又は、これらの任意の組み合わせが、挙げられる。好ましくは、１つ以上のカートリッジフィルタが使用される。本発明の好ましい実施形態では、ＣＵＮＯによって登録商標ＣＴ−１０１Ａ及び登録商標Ｍｉｃｒｏ−ＫｌｅａｎＩＩＩとして販売されている、１つ以上のカートリッジフィルタを、使用できる。

図３には、本発明の別の実施形態の反応装置が、符号５０で示されている。反応装置５０は、上記の反応装置１０に関して記載されたのと同じ特性を有している。しかしながら、反応装置５０は、少なくとも２つの固体収集システム供給管５２、５４へ生成ガスを供給する放出管２６を有している。

図４には、図３で示された反応装置と使用するための固体収集システムが、符号６０で示されている。固体収集システム６０は、図２で示された固体収集システム３０について記載されたのと同じ特性を有している。しかしながら、システム６０は、２つの収集ユニット６２、６４を有している。

収集ユニット６２は、収集システム供給管５２から生成ガスを受け入れる。収集ユニット６４は、収集システム供給管５４から生成ガスを受け入れる。収集ユニット６２、６４は、両方とも、図２で示された収集システム３０について記載されたのと同じメカニズムによって、生成ガスから固体を除去する。

本発明の固体収集システムを１つより多く有することの利点は、所望の生成ガスの連続製造を最適化するために、反応装置の最終使用者に、種々の作業形態を提供することである。例えば、２つ以上の収集システム管を備えた反応装置及び対応する収集システムは、同時に、継続的に、作動できる。

別の実施形態では、２つ以上の収集システム管を備えた反応装置及び対応する収集システムは、同時ではないが、並行して実行できる。したがって、１つ以上の収集システムがメンテナンスを必要とする際、それらの収集システムはオフラインにでき、一方では、１つ以上の残りの収集システムのいずれも、オンラインのままとしたり、オフラインとされたシステムを交換するためのサービスに供されたりする。その結果、連続方法は、２つ以上の固体収集システムのメンテナンスに起因するダウンタイムを、決して必要としない。

図３は２つの収集システム供給管を備えた反応装置を示し、図４は２つの関連した固体収集システムを示しているが、当然のことながら、当業者ならば、連続した作動及び生成ガスの製造を確実にするために、幾つかの収集システム供給管及び関連した固体収集システムによって本発明を構成できることを、予期できる。

図５には、本発明の他の実施形態の固体収集システムが、符号７０で示されている。固体収集システム７０は、サイクロン７２を有している。サイクロン７２には、生成ガスが反応装置放出管２６を経て供給される。サイクロン７２は、生成ガスから沈殿してくる固体を除去する際に効果がある。サイクロン７２によって除去される固体は、収集ドラム７６に収集される。生成ガスは、サイクロン放出ライン７８を経てサイクロン７２から出て、順に、フィルタ８０へ供給される。フィルタ８０は、更に、生成ガスから沈殿してきた残りの固体を収集する。生成ガスは、フィルタ放出ライン８２を経てフィルタ８０から放出される。

図５は１つの固体収集システムを備えた反応装置を示しているが、当然のことながら、当業者ならば、連続した作動及び生成ガスの製造を確実にするために、図３及び図４に関して上述したのと同様に幾つかの収集システムによって本発明を構成できることを、予期できる。更に、図２、図４、及び図５に示された固体収集システムのどのような組み合わせも、当業者によって予期されるのと同様に、構成できる。

本発明は、下記の実施例によって更に示される。

実施例１
Ｃｌ_２を１２部のＮ_２で希釈した。アンモニアガスを少し過剰の化学量論的量で入れた。最初にＣｌ_２を０．１２５リットル／分で流し、それを１．５リットル／分で流れるＮ_２と混合した。該混合物は、０．３リットル／分で流れるＮＨ_３と反応した。２つのガスは、３５０℃から４００℃の温度で反応した。１０キロが変化するための全反応時間は、１７０時間であった。そして、スループットは、流速を４回増やすことによって４回増大した。しかしながら、Ｎ_２の割合は、全流速の増大を最小にしながらも全スループットを増大させるために、２リットル／分まで３回減少した。

反応の進行をモニターするために、ＧＣ／ＭＳを、反応とインラインに置いた。第２フィルタを出て行く流れを分割することによって、流れの一方を直接にＧＣ／ＭＳへ送った。この装置は、元素のピークの大きさを特定の分子量と比較することによって、クロラミンと、アンモニアと、反応装置から出て行く塩素と、の量の割合を計ることができた。このデータのサンプルを図６に示している。

図６からわかるように、流れは、アンモニアに対して１０：１より大きい割合で殆ど全てクロラミンからなっている。アンモニアは、少し過剰に反応装置に供給されているので、現れている。また、塩素が、反応で殆ど消費されているために、現れていないことも、わかる。

当然のことながら、記載されていることは本発明の原理を単に例示したものであり、また、当業者は、本発明に従った種々の変更を、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、考え出すことができる。

本発明の反応装置の平面図である。 本発明の固体収集・除去システムの平面図である。 本発明の一実施形態の、２つに分かれた放出ラインを備えた反応装置の、平面図である。 本発明の一実施形態の、２つの収集ユニットを備えた固体収集・除去システムの平面図である。 本発明の固体収集システムの別の実施形態の平面図である。 本発明により形成された生成ガスにおけるアンモニア及び塩素に対する豊富なクロラミンを示す表である。

Claims (24)

1. 無機ガスを連続製造する方法であって、
   （ａ）反応域を備えた反応装置を提供する工程と、
   （ｂ）少なくとも２つの供給ガスを反応域へ同心で供給する工程と、
   （ｃ）反応域中の少なくとも２つの供給ガスを反応させて生成ガスを形成する工程と、
   （ｄ）少なくとも１つの固体収集システムを提供する工程と、
   （ｅ）生成ガスを少なくとも１つの固体収集システムへ流す工程と、を備えており、
   上記少なくとも２つの供給ガスの少なくとも１つを反応域へ供給する前に加熱することを特徴とする方法。
2. 上記反応装置は、更に、少なくとも２つの供給ガスを反応域へ同心で供給するための少なくとも２つの反応装置供給管を備えている、請求項１記載の方法。
3. 上記の少なくとも２つの供給ガスの少なくとも１つを、３５０℃を超える温度まで加熱する、請求項１記載の方法。
4. 上記反応装置が、ハステロイＣ、ステンレス鋼、黄銅、ホウケイ酸ガラス、ケイ酸塩、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム、シリカ、及び、これらの任意の組み合わせからなる群から選択された材料で構成されている、請求項１記載の方法。
5. 上記の少なくとも２つの供給ガスが、アセチレン、アンモニア、三塩化ホウ素、三弗化ホウ素、ブダジエン、ブタン、ブテン、二酸化炭素、一酸化炭素、塩素、シス−２−ブテン、重水素、ジメチルアミン、ジメチルエーテル、エタン、エチレン、塩化エチル、水素、臭化水素、塩化水素、硫化水素、イソブテン、イソブチレン、メタン、臭化メチル、塩化メチル、メチルメルカプタン、メチルアミン、一酸化窒素、二酸化窒素、亜酸化窒素、酸素、パーフルオロプロパン、プロパン、プロピレン、二硫化硫黄、六弗化硫黄、トランス−２−ブテン、トリメチルアミン、及び、これらの任意の組み合わせからなる群から選択されている、請求項１記載の方法。
6. 少なくとも１つの不活性ガスを、上記の少なくとも２つの供給ガスの少なくとも１つと同時に、供給する工程を、更に備えている、請求項１記載の方法。
7. 上記の少なくとも１つの不活性ガスが、窒素、アルゴン、ヘリウム、ネオン、及び、これらの任意の組み合わせからなる群から選択される、請求項６記載の方法。
8. 上記の少なくとも１つの固体収集システムが、トラップ、フィルタ、サイクロン、及び、これらの任意の組み合わせからなる群から選択される、請求項１記載の方法。
9. 上記フィルタが、カートリッジ、バッグ、粒床、及び、これらの任意の組み合わせからなる群から選択される、請求項８記載の方法。
10. ガス状化合物を連続製造する装置であって、
    （ａ）供給ガスを反応域へ同心で供給するための少なくとも２つの反応装置供給管を備えた少なくとも１つの反応装置と、
    （ｂ）少なくとも１つの固体収集システムと、を備えていることを特徴とする装置。
11. 上記の少なくとも１つの反応装置が、反応域を有している、請求項１０記載の装置。
12. 上記の少なくとも１つの反応装置が、ハステロイＣ、ステンレス鋼、黄銅、ホウケイ酸ガラス、ケイ酸塩、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム、シリカ、及び、これらの任意の組み合わせからなる群から選択された材料で構成されている、請求項１０記載の装置。
13. 上記の少なくとも１つの固体収集システムが、トラップ、フィルタ、サイクロン、及び、これらの任意の組み合わせからなる群から選択されている、請求項１０記載の装置。
14. 上記フィルタが、カートリッジ、バッグ、粒床、及び、これらの任意の組み合わせからなる群から選択されている、請求項１３記載の装置。
15. クロラミンガスを連続製造する方法であって、
    （ａ）反応域と、該反応域へ供給ガスを同心で供給する第１供給ガス管及び第２供給ガス管と、を有する反応装置を、提供する工程と、
    （ｂ）含塩素ガスを第１供給ガス管へ供給する工程と、
    （ｃ）アンモニアを第２供給ガス管へ供給する工程と、
    （ｄ）反応域で含塩素ガスをアンモニアと反応させてクロラミンガスを形成する工程と、
    （ｅ）少なくとも１つの固体収集システムを提供する工程と、
    （ｆ）クロラミンガスを少なくとも１つの固体収集システムに流す工程と、を備えており、
    上記含塩素ガス、又は、上記アンモニア、又は、上記含塩素ガス及び上記アンモニアの両方を、工程（ｄ）の前に加熱することを特徴とする方法。
16. 上記含塩素ガス、又は、上記アンモニア、又は、その両方を、３５０℃を超える温度まで加熱する、請求項１５記載の方法。
17. 上記含塩素ガスを、約０．００１フィート^３／分から約０．１フィート^３／分の流速で、反応域へ供給する、請求項１５記載の方法。
18. 上記アンモニアを、約０．００２フィート^３／分から約０．２フィート^３／分の流速で、反応域へ供給する、請求項１５記載の方法。
19. 不活性ガスを上記含塩素ガスと同時に上記反応域へ供給する工程を、更に備えている、請求項１５記載の方法。
20. 上記不活性ガスが、窒素、アルゴン、ヘリウム、ネオン、及び、これらの任意の組み合わせからなる群から選択される、請求項２０記載の方法。
21. 上記不活性ガスを、約０．１フィート^３／分から約１フィート^３／分の流速で供給する、請求項２０記載の方法。
22. 反応装置が、ハステロイＣ、ステンレス鋼、黄銅、ホウケイ酸ガラス、ケイ酸塩、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム、シリカ、及び、これらの任意の組み合わせからなる群から選択された材料で構成される、請求項１５記載の方法。
23. 上記の少なくとも１つの固体収集システムが、トラップ、フィルタ、サイクロン、及び、これらの任意の組み合わせからなる群から選択される、請求項１５記載の方法。
24. 上記フィルタが、カートリッジ、バッグ、粒床、及び、これらの任意の組み合わせからなる群から選択される、請求項２３記載の方法。
    

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