JP2024053127A - フラーレンの製造装置及びフラーレンの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】フラーレンの収率を向上させることができる、排ガスの冷却装置及びフラーレンの製造方法を提供する。【解決手段】燃焼法によるフラーレンの生成に用いられる反応炉１１から排出される排ガスを冷却する、冷却装置３１であって、前記冷却装置３１は、冷却装置本体３４と、不活性ガスを流入させる不活性ガス流入手段と、を備え、前記冷却装置本体３４は、排ガス流入口３２と、排ガス流出口３３と、及び前記排ガス流入口３２及び前記排ガス流出口３３の間に備えられた側壁３７と、を備え、前記側壁３７には不活性ガス流入口３６が設けられており、前記不活性ガス流入手段は、前記反応炉１１から排出される排ガスの流れの中心に向かって、前記不活性ガス流入口３６から、不活性ガスを流す、冷却装置３１。【選択図】図１
Description
本発明は、フラーレンの生成に用いられる反応炉から排出される排ガスの冷却装置、当該冷却装置を備えるフラーレンの製造装置及びフラーレンの製造方法に関する。
フラーレンを安価に効率よく大量に製造する方法として、炭素化合物を反応炉内で不完全燃焼させることによりフラーレンを製造する燃焼法が知られている（例えば、特許文献１参照）。この燃焼法により生成したフラーレンは、主に煤状物質に含まれる。この煤状物質は、反応炉から排ガスと共に排出されて、フラーレン回収装置で回収される。
しかしながら、特許文献１に記載されたフラーレンの製造装置を用いて、燃焼法でフラーレンを製造すると、得られるフラーレンの収率は高くない。その原因の一つは、フラーレン回収装置に到達した時点のフラーレン含有煤状物質を含む排ガスの温度が高く、フラーレン回収装置でフラーレンが分解又は昇華してしまうことだと考えられる。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、フラーレンの収率を向上させることができる、排ガスの冷却装置（以下、「冷却装置」ともいう）、当該冷却装置を備えたフラーレンの製造装置及びフラーレンの製造方法を提供することを目的とする。
本発明の発明者らは、上記課題を解決する、排ガスの冷却装置、当該冷却装置を備えたフラーレンの製造装置及びフラーレンの製造方法を見出した。具体的には以下のとおりである。
（１）燃焼法によるフラーレンの生成に用いられる反応炉から排出される排ガスを冷却する、冷却装置であって、前記冷却装置は、冷却装置本体と、不活性ガスを流入させる不活性ガス流入手段と、を備え、前記冷却装置本体は、排ガス流入口と、排ガス流出口と、及び前記排ガス流入口及び前記排ガス流出口の間に備えられた側壁と、を備え、前記側壁には不活性ガス流入口が設けられており、前記不活性ガス流入手段は、前記反応炉から排出される排ガスの流れの中心に向かって、前記不活性ガス流入口から、不活性ガスを流す、
冷却装置。
（２）前記不活性ガス流入手段は、前記不活性ガス流入口に接続された不活性ガス流入管を備える、（１）に記載の冷却装置。
（３） 前記不活性ガス流入口が、前記側壁に二ケ所以上設けられている、（１）又は（２）に記載の冷却装置。
（４） 前記二ケ所以上の不活性ガス流入口が、前記排ガスの流れる方向に対して垂直である同一平面上に設けられている、（３）に記載の冷却装置。
（５） 前記排ガスの流れる方向において、前記不活性ガスを流す方向と前記排ガスの流れる方向とのなす角の角度は４０～１１０°である（１）～（４）のいずれか一項に記載の冷却装置。
（６） 前記不活性ガス流入口とは異なり、前記側壁に設けられている第２の不活性ガス流入口から、前記排ガスの流れの中心に向かう方向とは異なる方向に第２の不活性ガスを流す、第２の不活性ガス流入手段をさらに備える、（１）～（５）のいずれか一項に記載の冷却装置。
（７） 前記第２の不活性ガス流入手段は、前記第２の不活性ガス流入口に接続された第２の不活性ガス流入管を備える、（６）に記載の冷却装置。
（８） 前記排ガスの流れる方向において、前記第２の不活性ガスを流す方向と前記排ガスの流れる方向とのなす角の角度が、４０～１１０°である、（６）又は（７）に記載の冷却装置。
（９） 前記不活性ガスが冷却されている、（１）～（８）のいずれか一項に記載の冷却装置。
（１０） （１）～（９）のいずれか一項に記載の冷却装置を備える、フラーレンの製造装置。
（１１） 燃焼法によるフラーレンの製造方法であって、反応炉から排出される排ガスの流れの中心に向かう方向に不活性ガスを流す工程を含む、フラーレンの製造方法。
（１）燃焼法によるフラーレンの生成に用いられる反応炉から排出される排ガスを冷却する、冷却装置であって、前記冷却装置は、冷却装置本体と、不活性ガスを流入させる不活性ガス流入手段と、を備え、前記冷却装置本体は、排ガス流入口と、排ガス流出口と、及び前記排ガス流入口及び前記排ガス流出口の間に備えられた側壁と、を備え、前記側壁には不活性ガス流入口が設けられており、前記不活性ガス流入手段は、前記反応炉から排出される排ガスの流れの中心に向かって、前記不活性ガス流入口から、不活性ガスを流す、
冷却装置。
（２）前記不活性ガス流入手段は、前記不活性ガス流入口に接続された不活性ガス流入管を備える、（１）に記載の冷却装置。
（３） 前記不活性ガス流入口が、前記側壁に二ケ所以上設けられている、（１）又は（２）に記載の冷却装置。
（４） 前記二ケ所以上の不活性ガス流入口が、前記排ガスの流れる方向に対して垂直である同一平面上に設けられている、（３）に記載の冷却装置。
（５） 前記排ガスの流れる方向において、前記不活性ガスを流す方向と前記排ガスの流れる方向とのなす角の角度は４０～１１０°である（１）～（４）のいずれか一項に記載の冷却装置。
（６） 前記不活性ガス流入口とは異なり、前記側壁に設けられている第２の不活性ガス流入口から、前記排ガスの流れの中心に向かう方向とは異なる方向に第２の不活性ガスを流す、第２の不活性ガス流入手段をさらに備える、（１）～（５）のいずれか一項に記載の冷却装置。
（７） 前記第２の不活性ガス流入手段は、前記第２の不活性ガス流入口に接続された第２の不活性ガス流入管を備える、（６）に記載の冷却装置。
（８） 前記排ガスの流れる方向において、前記第２の不活性ガスを流す方向と前記排ガスの流れる方向とのなす角の角度が、４０～１１０°である、（６）又は（７）に記載の冷却装置。
（９） 前記不活性ガスが冷却されている、（１）～（８）のいずれか一項に記載の冷却装置。
（１０） （１）～（９）のいずれか一項に記載の冷却装置を備える、フラーレンの製造装置。
（１１） 燃焼法によるフラーレンの製造方法であって、反応炉から排出される排ガスの流れの中心に向かう方向に不活性ガスを流す工程を含む、フラーレンの製造方法。
本発明によれば、フラーレンの収率を向上させることができる、排ガスの冷却装置、当該冷却装置を備えたフラーレンの製造装置及びフラーレンの製造方法を提供することができる。
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上、特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率等が同一であるとは限らない。
図１に、本実施形態に関する、燃焼法によるフラーレンの製造装置の一例を示す。
本実施形態に関するフラーレンの製造装置１０は、図１に示すように、燃焼法によるフラーレンの生成に用いられる反応炉１１と、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通過させる冷却装置３１及び配管４１と、排ガスが流入して排ガス中からフラーレンを含有する煤状物質を捕集するフラーレン回収装置１６と、フラーレン回収装置１６から流出する、フラーレンを含有する煤状物質が取り除かれたガスを冷却するガス冷却器１７と、ガス冷却器１７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１８と、を備える。冷却装置３１は、フラーレン反応炉１１の下部のガス排出部１２に接続される。
反応炉１１は円筒状であり、例えば、ジルコニア、モリブデン、タンタル、白金、チタン、窒化チタン、アルミナ等の耐熱材料で構成され、その外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断熱材１４がライニングされている。
反応炉１１の上方には、燃料ガスと酸素含有ガスを供給するバーナー１３が設けられている。バーナー１３は、燃料ガスを供給する燃料ガス供給配管２０と、燃料ガス中の原料炭化水素ガスの燃焼に必要な酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給配管２１が接続されている。さらにバーナー１３は、供給された燃料ガス及び酸素含有ガスから混合ガスを作製する混合室と、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）で保持する蓄圧室と、混合ガスが吐出する複数の吐出口が設けられた吐出部を備える。吐出部としては、種々の形態のものを用いることができるが、良好なガス流を得るためには、口径が小さい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の吐出口を多数設ける場合には、吐出口の開口面積の合計は、吐出口が分布している吐出部の横断面積に対して、１０～９５％、好ましくは５０～９５％である。なお、バーナー１３は混合室を設けず、燃料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。
反応炉１１で、バーナー１３を用いて、燃料ガスを酸素含有ガスの下で燃焼させることにより、フラーレンの生成と共に、煤状物質、一酸化炭素ガス、水蒸気等が発生する。生成したフラーレンは主に煤状物質中に含有されている。排ガスには、フラーレンを含む煤状物質が存在し、排ガスは、反応炉１１の排出部１２から排出されて冷却装置３１を通過する。反応炉から排出されるフラーレン含有煤状物質を含有する排ガスの温度は、通常１３００～１９００℃である。
燃料ガスとしては、例えば、ガス状又はガス化させたトルエン、ベンゼン、キシレン、ナフタレン、メチルナフタレン、アントラセン、フェナントレン等の炭素数６～１５の芳香族炭化水素、クレオソート油、カルボン酸油等の石炭系炭化水素、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、ヘキサン等の脂肪族飽和炭化水素等があげられ、これらのうち二種以上が併用されてもよい。これらの中でも、芳香族炭化水素が好ましい。
なお、燃料ガスは、必要に応じて、窒素ガス、アルゴンガス等の不活性ガスで希釈されていてもよい。
酸素含有ガスとしては、例えば、酸素ガス、空気等があげられる。
なお、酸素ガスは、窒素ガス、アルゴンガス等の不活性ガスで希釈されていてもよい。
なお、酸素ガスは、窒素ガス、アルゴンガス等の不活性ガスで希釈されていてもよい。
図２に示すように、冷却装置３１は、冷却装置本体３４と不活性ガスを流入させる不活性ガス流入手段により構成され、冷却装置本体３４は排ガス流入口３２と、排ガス流出口３３と、前記排ガス流入口３２及び前記排ガス流出口３３を形成する側壁３７とを備える。反応炉１１の下部の排出部１２は、冷却装置３１の排ガス流入口３２と接続している。冷却装置３４の排ガス流出口３３は、配管４１と接続している。冷却装置本体３４は、円筒状が好ましく、ステンレス鋼等の耐熱鋼で構成されている。不活性ガス流入口３６は、側壁３７に設けられている。不活性ガス流入手段は、不活性ガス流入口３６に接続される不活性ガス流入管３５を備える。
不活性ガス流入手段は、不活性ガスを、不活性ガス流入管３５を介して、不活性ガス流入口３６から冷却装置本体３４内に流入させる。
「不活性ガスを流入させる」とは、不活性ガスを不活性ガス流入口３６から冷却装置３１内に移動させることをいい、不活性ガスを不活性ガス流入口３６から冷却装置３１内に流出させるともいい、不活性ガスを冷却装置３１内に流すともいう。
不活性ガス流入手段のうち、第１の不活性ガス流入手段は、不活性ガス流入口３６から排ガスの流れの中心に向かう方向に不活性ガスを流す。このような不活性ガス流入口３６を、本明細書中では「第１の不活性ガス流入口３６」という場合がある。また、「不活性ガス流入口３６」とは、不活性ガス流入口３６から排ガスの流れの中心に向かう方向に不活性ガスを流す不活性ガス流入口をいう。
「排ガスの流れ」とは、反応炉１１から排出され、冷却装置本体３４及び配管４１を通り、フラーレン回収装置１６に向かう排ガスの流れをいう。すなわち、冷却装置３１では、例えば、図３（ｂ）に示す中心軸Ｂに沿った流れとなる。このように、「排ガスの流れ」は冷却装置本体３４の中心軸Ｂと一致するため、以下、排ガスの流れのことを「冷却装置本体３４の中心軸Ｂ」ともいう。「排ガスの流れの中心に向かう方向」とは、排ガスの流れ（冷却装置本体３４の）の中心軸Ｂに向かう方向である。
本実施形態における排ガスの流れの中心に向かう方向を、図３（ａ）及び図３（ｂ）を用いて説明する。図３（ａ）は、不活性ガス流入口３６の中心Ａを通り、中心軸Ｂに対して垂直である断面図であり、図３（ｂ）は、不活性ガス流入口３６の中心Ａと中心軸Ｂを通る断面図である。排ガスの流れの中心に向かう方向とは、具体的には、図３（ａ）に示すように、冷却装置本体３４の中心軸Ｂに対して、不活性ガス流入口３６の中心Ａを通る垂直断面Ｃにおいて、不活性ガス流れの中心の流れる方向ＡＤの断面Ｃへの投影ＡＤ１と、不活性ガス流入口３６の中心Ａから断面Ｃの中心Ｅ（冷却装置本体３４の中心軸Ｂと垂直断面Ｃとの交点）に向かう方向ＡＥとのなす角θ１の角度が０°～±２０°である場合をいう。
不活性ガス流入口３６から排ガスの流れの中心に向かう方向に不活性ガスを流すと、排ガスの流れの中心の排ガスを効率よく冷却することができる。
不活性ガス流入口３６から不活性ガスを流す方向としては、排ガスの流れる方向において、不活性ガスを流す方向と排ガスの流れる方向とのなす角の角度が４０～１１０°の角度にすることが好ましい。この場合の「排ガスの流れる方向」とは、冷却設備３１及び配管４１の中の実際のガスの流れではなく、反応炉１１から排出され、冷却装置３１の冷却装置本体３４及び配管４１を通り、フラーレン回収装置１６に向かって、流れる方向を指す。すなわち、冷却装置３１では、中心軸Ｂに沿った方向となる。本実施形態において、具体的には、図３（ｂ）に示すように、不活性ガス流入口３６の中心Ａと冷却装置本体３４の中心軸Ｂを通る断面Ｆ（冷却装置本体３４の中心軸Ｂに対して水平方向の断面）において、不活性ガスの流れの中心の流れる方向ＡＤの断面Ｆへの投影ＡＤ２と、冷却装置本体３４の中心軸Ｂとのなす角θ２は、４０～１１０°であることが好ましい。θ２がこの角度範囲内であれば、不活性ガスが燃料ガスの流れを乱す影響が少なくなるため、燃料ガスの燃焼火炎を安定させることができる。さらに、冷却装置３１における排ガスの滞留時間が長くなり、その結果、排ガスの冷却効果が高まる。
なお、不活性ガス流入口３６は、冷却装置本体３４の側壁３７に、二ケ所以上備えられていることが好ましい。二ケ所以上の不活性ガス流入口３６が、排ガスの流れる方向に対して垂直である同一断面（例えば断面Ｃ）上に設けられていることがより好ましく、二ケ所以上の不活性ガス流入口３６が同一断面の円周上に均等に配置されていることがさらに好ましい。
図４で示すように、不活性ガス流入口３６ａ～ｄは、側壁３７上の断面Ｃの円周に等間隔で配置されていていてもよい。不活性ガスが矢印（θ１＝０°、θ２＝９０°）に沿って、排ガスの流れの中心に向かう方向に流されると、排ガスに対称の流れが発生し、それにより、排ガス全体が均一に効率よく冷却される。対称の流れが発生すると、冷却効果が高まることに加えて、排ガスに含まれる煤状物質が冷却装置３１の内壁に付着することを防止することができる。これにより、より多くの煤状物質をフラーレン回収装置に送出することができる。
第１の不活性ガス流入手段は、さらに不活性ガス流入口３６に接続された第１の不活性ガス流入管３５を備える。不活性ガス流入管３５としては、例えばステンレス鋼製の配管があげられる。通常、不活性ガス流入口３６から冷却装置本体３４に不活性ガスを流す方向は、不活性ガス流入口３６を起点とする、第１の不活性ガス流入管３５の冷却装置本体３４への延長方向になる。
冷却装置３１にはさらに、上記の第１の不活性ガス流入手段とは別に、排ガスの流れの中心に向かう方向とは異なる方向に、第２の不活性ガスを流す第２の不活性ガス流入手段が設けられていてもよい。その場合、第２の不活性ガスは、例えば、第２の不活性ガス流入口３８から、流入されてよい。第２の不活性ガス流入口３８は、冷却装置本体３４の側壁３７の上記の不活性ガス流入口３６とは異なる位置に設けられてもよい。なお、第２の不活性ガス流入手段は、上記第１の不活性ガス流入手段とは異なってもよい。また、本発明の実施態様である不活性ガス流入手段は、３又はそれ以上あってもよい。
本実施形態において、排ガスの流れの中心に向かう方向とは異なる方向とは、図５（ａ）に示すように、第２の不活性ガス流入口３８の中心Ｇが位置する冷却装置本体３４の中心軸Ｂに対して垂直である断面Ｈにおいて、不活性ガスの流れの中心が流れる方向ＧＫの断面Ｈへの投影ＧＫ１と、第２の不活性ガス流入口３８の中心Ｇから断面Ｈの中心Ｌ（冷却装置本体３４の中心軸Ｂと断面Ｈとの交点）に向かう方向ＧＬとのなす角θ３の角度が、２０°～９０°（－２０°～－９０°）である場合をいう。
また、排ガスの流れる方向において、第２の不活性ガスを流す方向と前記排ガスの流れる方向とのなす角は４０°～１１０°であることが好ましい。具体的に、図５（ｂ）に示すように、第２の不活性ガス流入口３８の中心Ｇと冷却装置３１の冷却装置本体３４の中心軸Ｂを通る断面Ｍにおいて、不活性ガスの流れの中心が流れる方向ＧＫの断面Ｍへの投影ＧＫ２と、冷却装置本体３４の中心軸Ｂとのなす角θ４の角度は４０°～１１０°であることが好ましい。θ４がこの角度の範囲内であれば、燃料ガスの燃焼火炎を安定させることができるのに加えて、排ガス冷却装置３１での滞留時間が長くなり、その結果、排ガスの冷却効果が高まる。
第２の不活性ガス流入手段はさらに第２の不活性ガス流入口３８に接続された第２の不活性ガス流入管を備えることができる。第２の不活性ガス流入管としては、例えばステンレス鋼製の配管が例としてあげられるが、これに限定されない。この場合、第２の不活性ガス流入管の冷却装置本体３４の内部への延長方向が、第２の不活性ガス流入口３８から不活性ガスを流す方向であってもよい。
第２の不活性ガス流入口３８は冷却装置本体３４の側壁３７に、二ケ所以上に設けられていることが好ましい。また、第２の不活性ガス流入口３８の中心Ｇが位置する排ガスの流れる方向に対して垂直である断面Ｈと、不活性ガス流入口３６の中心Ａが位置する排ガスの流れる方向に対して垂直である断面Ｃとは同一断面であってもよく、異なる断面であってもよい。このように、排ガスの流れの中心に向かう方向とは異なる方向に、第２の不活性ガスが流されると、排ガスの流れの中心だけではなく、排ガスの外周部も効率よく冷却され、冷却装置３１の排ガス冷却効果が高まる。
第１、第２、又はそれ以上の不活性ガスの流入手段による、不活性ガス流入口３６や第２の不活性ガス流入口３８等から、不活性ガスを冷却装置３１内に流入させる方法としては、例えば不活性ガスが充填されたガスボンベにより不活性ガスを供給する方法があげられるが、これに限定されない。流入する不活性ガスの流量は排ガス流量の０．５～１０倍が好ましい。流入する不活性ガスの流量が排ガス流量の０．５倍以上であれば、冷却効果が得られる。流入する不活性ガスの流量が排ガス流量の１０倍以下であれば、減圧装置１８の真空ポンプに大きな負荷をかけずに冷却をすることができる。
不活性ガスとしては、排ガスと反応しないガスであれば、第１、第２、又はそれ以上の不活性ガスの流入手段によらず、特に限定されない。例えば、窒素ガス、アルゴンガス、二酸化炭素ガス等があげられる。不活性ガスの温度は、２００℃以下であることが好ましく、室温であれば、より好ましい。また、不活性ガスは、室温より低い温度に冷却されていてもよい。この場合は、排ガスの冷却効果がより高まる。
本発明の一実施形態に関する冷却装置３１によれば、反応炉１１から排出される１３００℃～１９００℃のフラーレン含有煤状物質を含有する排ガスを３００℃～１０００℃まで冷却することができる。
冷却装置３１の下部は配管４１と接続する。配管４１は、例えば、ステンレス鋼管を用いることができる。冷却装置３１を通過した排ガスをさらに冷却するため、配管４１の全部又は少なくとも一部に冷却手段を設けることが好ましい。冷却手段としては、例えば、配管４１の外側に水冷ジャケット４２を設けることができる。また、配管４１を通過する排ガスの流速は、反応炉１１内から落下した付着物が配管４１内に堆積しないようにするために、通常、１５～２００ｍ／秒であり、３５～７０ｍ／秒であることが好ましい。冷却装置３１及び配管４１を通過した排ガスは、２５０℃以下まで冷却される。
配管４１の下流側端部は、図１に示した通り、フラーレン回収装置１６の上部周壁に接線方向に接続されている。フラーレン回収装置１６は、排ガス中のフラーレンを含む煤状物質とガスを分離する高温耐熱フィルター２２を備える。高温耐熱フィルター２２は、排ガス中の未反応の燃料ガス、一酸化炭素、水蒸気等のガスを通過させて、フラーレンを含む煤状物質を回収する。
高温耐熱フィルター２２は、通常の集塵機等に使用されるバッグフィルター構造で構成される。高温耐熱フィルター２２の耐熱温度は、２００～６００℃が好ましい。高温耐熱フィルター２２に用いられる物質としては、ＰＴＦＥ（ポリテトラフロロエチレン）、アラミド繊維、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド）等の樹脂があげられる。また、高温耐熱フィルター２２は汎用されているものを用いることができ、市販品としては、例えば、焼結金属フィルター（日本ポール製）、焼結金属フィルター（富士フィルター製）等があげられる。
本実施形態では、反応炉１１から排出される排ガスは、フラーレン回収装置１６に至るまでに、４００℃以下、好ましくは２５０℃以下まで冷却されるため、高温耐熱フィルター２２の劣化を防ぎ、耐用時間を長くすることができる。これにより、フラーレンをより安定して製造することが出来る。
図１ではフラーレン回収装置１６の上部に、付着したフラーレンを含む煤状物質を落下させる逆洗浄機構２３が設けられている。逆洗浄機構２３は、高圧の不活性ガス（例えば、窒素ガス、アルゴンガス）等を貯留するタンク２４と、電磁弁２５と、排出弁２６を有する。電磁弁２５を定期的に短時間開けることにより、高温耐熱フィルター２２内に不活性ガスを入れ、高温耐熱フィルター２２に付着したフラーレンを含む煤状物質を落下させ、排出弁２６を開けて、フラーレンを含む煤状物質を外部に排出する。このように、フラーレンを含む煤状物質は、非酸化性雰囲気で保持されている。
フラーレン回収装置１６は、配管２７を介して、ガス冷却器１７と接続されている。ガス冷却器１７は、通常の熱交換器と同一又は類似した構造であり、ガス冷却器１７内のガスの温度を低下させて真空ポンプ１８に流入することにより、ガスを減容すると共に、真空ポンプ１８の負荷を低減させる。また、ガス冷却器１７は、ガス中の未反応の燃料ガス、水蒸気を液化させ、ガス冷却器１７の下部のドレーン２８から排出させる。
本発明において、冷却装置３１を用いて、燃焼法によるフラーレンの製造方法が供される。具体的に、反応炉１１から排出される排ガスの流れの中心に向かう方向に不活性ガスを流す工程を含む、フラーレンの製造方法が供される。
以下の実施例及び比較例により、本実施形態の効果をより明らかなものとする。なお、本実施形態は、実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。
実施例１～１５では、図１のフラーレンの製造装置１０を用いて、フラーレンを生成した。比較例１～３では、図１の冷却装置３１を有しないフラーレンの製造装置（すなわち、ガス排出部１２が配管４１と直接に接続する）を用いて、フラーレンを生成した。回収した煤状物質中のフラーレンの含有率を測定して、フラーレンの収率を算出した。
実施例及び比較例で用いた反応炉１１はジルコニア製で、長さは１５００ｍｍ、内径は７４ｍｍ、炉内圧力は５．３３ｋＰａであった。反応炉内のバーナー１３の吐出部は、外径が５８ｍｍの円板状の多孔質のセラミック焼結体で構成されており、このセラミック焼結体には直径１～２ｍｍほどの孔が吐出口して約４５０～７５０個形成されている。
実施例及び比較例ともに燃料ガスとしてガス状にしたトルエンを用い、酸素含有ガスとして純酸素を用い、両者の混合ガスを作製して、１３０℃でバーナー１３に供給した。冷却用の不活性ガスとして２５℃の窒素ガスを用い、窒素ガスボンベにより供給した。窒素ガスの流量をマスフローメーターでコントロールすることで調整した。
冷却装置本体３４はステンレス鋼製の円筒で、長さは１５０ｍｍ、内径は７４ｍｍである。冷却装置３１の側壁３7には、ステンレス鋼製の内径は３ｍｍ、長さは１５０ｍｍの不活性ガス流入管３５が備わっている。不活性ガス流入口の内径は６ｍｍであった。
実施１～１５の不活性ガス流入口は、図６で示すように、以下のパターンＡ～Ｃで設置された。
パターンＡ：図６（ａ）に示すように、ａ－１～ａ－４の四ケ所に等間隔で不活性ガス流入口３６を設置した。四ケ所の不活性ガス流入口の中心は、冷却装置本体３４の中心軸Ｂに対して垂直である同一断面に位置していた。前記断面と、冷却装置３１の排ガス流入口３２との垂直距離は３０ｍｍであった。
パターンＢ：図６（ｂ）に示すように、図６（ａ）のａ－１～ａ－４に加えて、さらにｂ－１～ｂ－４の四ケ所に不活性ガス流入口を設置した。ｂ－１～ｂ－４の四ケ所の位置は、図６（ｂ）に示すように、ｒ１：ｒ２＝１：２となるように設置した。ａ－１～ａ－４とｂ－１～ｂ－４の計八ケ所の不活性ガス流入口の中心は、冷却装置３１の冷却装置本体３４の中心軸に対して垂直である同一断面上に位置していた。この断面から、冷却装置３１の排ガス流入口３２への垂直距離は、３０ｍｍであった。
パターンＣ：冷却装置の上下段に、不活性ガス流入口が設置された（図６（ｃ）と図６（ｄ））。具体的には、図６（ｃ）は冷却装置３１の上段部を示し、二十四ケ所の不活性ガス流入口が設置された。具体的には、等間隔のｃ－１～ｃ－４と、ｃ－１～ｃ－４の各々左側に一ケ所ずつ、右側に四ケ所ずつの合計六ケ所の不活性ガス流入口の群を四方向に設置した。なお、ｃ－１近傍の５カ所の不活性ガス流入口は、反時計回り順に隣接させ、できるだけ隙間なく配置させ、ｃ－２～ｃ－４の各々近傍の５カ所の不活性ガス流入口も同様に配置させた。これらの不活性ガス流入口の中心は、冷却装置本体３４の中心軸に対する垂直である同一断面上に位置していた。前記断面と、冷却装置３１の排ガス流入口３２との垂直距離は３０ｍｍであった。
図６（ｄ）は冷却装置３１の下段部を示し、ｄ－１～ｄ－４の四ケ所に不活性ガス流入口が設置された。具体的には、ｄ－１～ｄ－４の四ケ所の不活性ガス流入口の中心が冷却装置本体３４の中心軸Ｂに対して垂直である同一断面上に設置された。
上段と下段の間隔（活性ガス流入口の中心が位置する冷却装置本体３４の中心軸に対する垂直である断面の垂直距離）は２５ｍｍであった。
実施例１～１５の不活性ガス流入口の設置パターン、及びａ－１～ａ－４、ｂ－１～ｂ－４、ｃ－１～ｃ－４、ｄ－１～ｄ－４の不活性ガス流入口から不活性ガスを流入させる方向を表１に示す。
実施例１～５の各実施例では、ａ－１～ａ－４の四か所の各不活性ガス流入口から同量の窒素ガスを流入させた。実施例６～１１の各実施例では、ａ－１～ａ－４とｂ－１～ｂ－４の八ケ所の各不活性ガス流入口から同量の窒素ガスを流入させた。実施例１２～１５の各実施では、上段部（二十四ケ所の不活性ガス流入口ｃ－１～ｃ－４の近傍の不活性ガス流入口群）と下段部（ｄ－１～ｄ－４の四ケ所の不活性ガス流入口）の不活性ガス流入口から流入させる窒素ガスの総流量の比が３：１になるように調整した。上段部二十四ケ所の各不活性ガス流入口から同量の窒素ガスを流入させ、下段部のｄ－１～ｄ－４の四ケ所の各不活性ガス流入口から同量の窒素ガスを流入させた。
実施例１２～１５において、上段ｃ－１～ｃ－４の四ケ所の不活性ガス流入口から流入させる不活性ガスを流す方向は、表１の通りであった。ｃ－１の不活性ガス流入口の左側に隣接する一ケ所及び右側に隣接する四ケ所の不活性ガス流入口から流入させる不活性ガスの流す方向はいずれもｃ－１と平行になるようにした。ｃ－２～ｃ－４についてもｃ－１と同様に、各々に隣接する不活性ガス流入口から平行に流入させた。
排ガス温度を、排出部１２にて測定した。
実施例１～１１では、冷却装置３１を通過した排ガス温度（以下、「冷却後排ガス温度１」ともいう）を、不活性ガス流入口の中心位置からフラーレン回収装置１６の方向に向かって５０ｍｍの位置で測定した。実施例１２～１５では、冷却後排ガス温度１を、下段の不活性ガス流入口の中心位置からフラーレン回収装置１６の方向に向かって５０ｍｍの位置で測定した。比較例１～３では、冷却後排ガス温度１の測定は、行わなかった。
フラーレン回収装置に到着する時点の排ガス温度（以下「冷却後排ガス温度２」ともいう）を、フラーレン回収装置１６と配管４１の接続部にて測定した。
表２に、排ガス温度、燃料ガス流量、酸素ガス流量、窒素ガス総流量を示す。
〔フラーレン収率の算出〕
フラーレン回収装置１６で回収した煤状物質に含まれるフラーレン（ＦＬＮ）の含有率の測定は、ＪＩＳ Ｚ ８９８１に準拠して、以下のように行った。それぞれの実施例及び比較例で回収した煤状物質０．０５ｇに対して、１５ｇの１,２,３,５-テトラメチルベンゼン（ＴＭＢ）を添加し、１５分間超音波処理を行った。得られた懸濁液を孔径０．５μｍメンブランフイルターで濾過した。得られた抽出液を高速液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ）で分析し、煤状物質に含まれるフラーレン（Ｃ６０、Ｃ７０）を定量した。得られた煤状物質に対するフラーレン量（質量％）であるフラーレン含有率（）を算出した。あらかじめ既知濃度のフラーレンのＴＭＢ溶液を用いて検量線を作成し、フラーレンの定量に用いた。フラーレンの定量に用いたＨＰＬＣの測定条件は以下のとおりであった。
装置：Ｉｎｆｉｎｉｔｙ１２６０（Ａｇｉｌｅｎｔ製）
試料液の注入量： ５μＬ
溶離液の流量 ４７体積比（ｖｏｌ％）トルエン／メタノール １ｍＬ／分
カラム：ＹＭＣ－Ｐａｃｋ ＯＤＳ－ＡＭ １００＊４．６ｍｍＩＤ Ｓ－３μｍ，１２ｎｍ
測定温度： ４０℃
ディテクタ：ＵＶ ３２５ｎｍ（ＪＩＳ）
得られたＦＬＮ含有率からフラーレン（ＦＬＮ）収率を以下のように算出しして、結果を表２に示す。
ＦＬＮ収率（％）＝（煤状物質回収量（ｇ）／燃料消費量（ｇ））×ＦＬＮ含有率（％）
フラーレン回収装置１６で回収した煤状物質に含まれるフラーレン（ＦＬＮ）の含有率の測定は、ＪＩＳ Ｚ ８９８１に準拠して、以下のように行った。それぞれの実施例及び比較例で回収した煤状物質０．０５ｇに対して、１５ｇの１,２,３,５-テトラメチルベンゼン（ＴＭＢ）を添加し、１５分間超音波処理を行った。得られた懸濁液を孔径０．５μｍメンブランフイルターで濾過した。得られた抽出液を高速液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ）で分析し、煤状物質に含まれるフラーレン（Ｃ６０、Ｃ７０）を定量した。得られた煤状物質に対するフラーレン量（質量％）であるフラーレン含有率（）を算出した。あらかじめ既知濃度のフラーレンのＴＭＢ溶液を用いて検量線を作成し、フラーレンの定量に用いた。フラーレンの定量に用いたＨＰＬＣの測定条件は以下のとおりであった。
装置：Ｉｎｆｉｎｉｔｙ１２６０（Ａｇｉｌｅｎｔ製）
試料液の注入量： ５μＬ
溶離液の流量 ４７体積比（ｖｏｌ％）トルエン／メタノール １ｍＬ／分
カラム：ＹＭＣ－Ｐａｃｋ ＯＤＳ－ＡＭ １００＊４．６ｍｍＩＤ Ｓ－３μｍ，１２ｎｍ
測定温度： ４０℃
ディテクタ：ＵＶ ３２５ｎｍ（ＪＩＳ）
得られたＦＬＮ含有率からフラーレン（ＦＬＮ）収率を以下のように算出しして、結果を表２に示す。
ＦＬＮ収率（％）＝（煤状物質回収量（ｇ）／燃料消費量（ｇ））×ＦＬＮ含有率（％）
表２によれば、冷却装置３１を用いて、不活性ガスを流すことで、フラーレン回収装置到達時の排ガス温度（冷却後排ガス温度２）を２５０℃以下まで冷却することが確認された。
フラーレン収率は、比較例と比較すると、有意に向上していることが示された。
１０ フラーレンの製造装置
１１ 反応炉
１２ 排出部
１６ フラーレン回収装置
３１ 冷却装置
３２ 排ガス流入口
３３ 排ガス流出口
３４ 冷却装置本体
３５ 不活性ガス流入管
３６ 不活性ガス流入口
３７ 側壁
３８ 第２の不活性ガス流入口
４１ 配管
４２ 水冷ジャケット
ａ－１～ａ－４ 不活性ガス流入口配置位置
ｂ－１～ｂ－４ 不活性ガス流入口配置位置
ｃ－１～ｃ－４ 不活性ガス流入口配置位置
ｄ－１～ｄ－４ 不活性ガス流入口配置位置
１１ 反応炉
１２ 排出部
１６ フラーレン回収装置
３１ 冷却装置
３２ 排ガス流入口
３３ 排ガス流出口
３４ 冷却装置本体
３５ 不活性ガス流入管
３６ 不活性ガス流入口
３７ 側壁
３８ 第２の不活性ガス流入口
４１ 配管
４２ 水冷ジャケット
ａ－１～ａ－４ 不活性ガス流入口配置位置
ｂ－１～ｂ－４ 不活性ガス流入口配置位置
ｃ－１～ｃ－４ 不活性ガス流入口配置位置
ｄ－１～ｄ－４ 不活性ガス流入口配置位置
Claims (11)
- 燃焼法によるフラーレンの生成に用いられる反応炉から排出される排ガスを冷却する、冷却装置であって、前記冷却装置は、
冷却装置本体と、
不活性ガスを流入させる不活性ガス流入手段と、
を備え、
前記冷却装置本体は、
排ガス流入口と、
排ガス流出口と、及び
前記排ガス流入口及び前記排ガス流出口の間に備えられた側壁と、
を備え、
前記側壁には不活性ガス流入口が設けられており、
前記不活性ガス流入手段は、前記反応炉から排出される排ガスの流れの中心に向かって、前記不活性ガス流入口から、不活性ガスを流す、
冷却装置。 - 前記不活性ガス流入手段は、前記不活性ガス流入口に接続された不活性ガス流入管を備える、請求項１に記載の冷却装置。
- 前記不活性ガス流入口が、前記側壁に二ケ所以上設けられている、請求項１又は２に記載の冷却装置。
- 前記二ケ所以上の不活性ガス流入口が、前記排ガスの流れる方向に対して垂直である同一平面上に設けられている、請求項３に記載の冷却装置。
- 前記排ガスの流れる方向において、前記不活性ガスを流す方向と前記排ガスの流れる方向とのなす角の角度は４０～１１０°である請求項１～４のいずれか一項に記載の冷却装置。
- 前記不活性ガス流入口とは異なり、前記側壁に設けられている第２の不活性ガス流入口から、前記排ガスの流れの中心に向かう方向とは異なる方向に第２の不活性ガスを流す、第２の不活性ガス流入手段をさらに備える、請求項１～５のいずれか一項に記載の冷却装置。
- 前記第２の不活性ガス流入手段は、前記第２の不活性ガス流入口に接続された第２の不活性ガス流入管を備える、請求項６に記載の冷却装置。
- 前記排ガスの流れる方向において、前記第２の不活性ガスを流す方向と前記排ガスの流れる方向とのなす角の角度が、４０～１１０°である、請求項６又は７に記載の冷却装置。
- 前記不活性ガスが冷却されている、請求項１～８のいずれか一項に記載の冷却装置。
- 請求項１～９のいずれか一項に記載の冷却装置を備える、フラーレンの製造装置。
- 燃焼法によるフラーレンの製造方法であって、
反応炉から排出される排ガスの流れの中心に向かう方向に不活性ガスを流す工程を含む、フラーレンの製造方法。
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