JP4752816B2 - 機能性気体の製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、機能性気体源である気体と固体とを反応させる固気反応で機能性気体を製造するための装置、特には、フッ素、ＣｌＦ_３、ＣｌＦ、ＢｒＦ_５、ＢｒＦ_３、ＢｒＦ、ＩＦ_７、ＩＦ_５、ＣｏＦ_２、Ｋ_３ＮｉＦ_７、ＣｓＦなどの高い反応性を有するフッ素化剤を用いて固気反応で気体状フッ素化合物を製造するための装置に関する。

従来から、固気反応で気体状フッ素化合物を製造する方法としては、三フッ化窒素をアンモニウム氷晶石とＦ_２から製造する方法（例えば、特許文献１）、ＣoＦ_３とＣＯとの反応によりＣＯＦ_２を合成する方法（例えば、特許文献２）などが知られている。

特許文献１で開示されたアンモニウム氷晶石とＦ_２を用いた三フッ化窒素の製造を、縦型反応器にアンモニウム氷晶石充填し、攪拌させながら気体フッ素を反応器の下部から導入させて反応させ、さらに、該反応器から排出するガスの一部を循環して再び反応器の下部から導入する方法が知られている（特許文献３）。
特開昭６０−０７１５０３号公報 特開２００３−１４６６２０ 特開２０００−４４２１２

Ｆ_２などのフッ化物ガスは非常に活性な物質なので、これを固気反応に用いると固体原料の温度が、反応進行に伴い上昇する。そして、この上昇が進展していくと、最終的には、爆発的な反応の発生や固体原料の分解等が生じることがある。例えば、固体原料がアンモニウム氷晶石の場合、アンモニウム氷晶石の分解が生じ、アンモニアが発生する。アンモニアは、Ｆ_２との反応で爆発が起こす危険性があるので、固気反応中の個体原料の異常な温度上昇は抑制される必要がある。

また、ＣｏＦ_３やＫ_３ＮｉＦ_７などの固体フッ化剤を用いて、一酸化炭素や有機化合物のフッ素化を行う場合も、固体フッ素化剤の温度上昇が起こるので、フッ素化反応を効率的に進展させるために、固体原料の異常な温度上昇は抑制される必要がある。

本発明は、固気反応中の固体原料の異常な温度上昇を制御することで、固気反応を効率的に継続させしめることが可能な技術手段を提供し、これを活用することで、固気反応を連続的に進行させることを可能とする技術手段を提供することを課題とする。本発明での「連続的」とは、技術手段の作動中に、原料を切れ目なく導入して、反応を起こし機能性気体を生じせしめることを意味している。

本発明の反応装置は、固気反応によって機能性気体を連続的に生じせしめるための反応装置であり、該反応装置は、
閉空間を形成するための外囲い、
該外囲い内に略水平に配置される略円筒形の筒、及び
該筒の長軸を回転軸として該筒を回転させるための機構を有し、
前記筒の始端と終端は、空孔を有する円盤状板からなる蓋を有し、始端側蓋の空孔径が終端側蓋の空孔径よりも小さく、該筒の始端に機能性気体源である気体と固体を導入するための機構を有することを特徴とする。

本発明の反応装置は、前記外囲いにより、閉空間を形成することで、固気反応に必要な雰囲気を提供する。そして、該外囲い内に前記略円筒形の筒を配置させ、反応装置の作動時には、該筒の長軸を回転軸として回転するように設計されている。さらに、該筒の始端と終端には、空孔を有する円盤状板からなる蓋が形成されている。

回転している筒内の始端側から機能性気体源である固体、すなわち固体原料を導入すると、回転に伴い、固体原料は、略水平に広がる。本発明では、筒両端にある蓋の空孔径の関係を「始端側蓋の空孔径＜終端側蓋の空孔径」としている。尚、この空孔は、蓋の略中心部にあることが好ましい。

空孔を有する蓋は、流動する固体原料に対して堰として機能する。すなわち、この蓋が堰として作用する機能に着目すると、該筒は、「始端側の堰の高さ＞終端側蓋の堰の高さ」の関係を有しているものと言える。以後、本発明では、筒が有する「空孔を有する円盤状板」を「外側堰」と表現する場合がある。

回転している該筒に始端側から固体原料を導入し続けていくと、始端側の外側堰付近に積重なる固体原料量は、相対的に多くなる。そして、さらに固体原料を導入し続けると、筒始端側から筒内への固体原料を導入する時に生じる落下エネルギーと筒の回転との相乗効果により、固体原料及び反応に消費された固体原料は、筒の始端から終端へと順次送られるようになる。以後、本発明では、「固体原料及び反応に消費された固体原料」を、「固体原料等」と表記する場合がある。

終端に至った固体原料等は、外側堰を超えて筒の外側へと排出される。そして、排出された固体原料等を、回収するために本発明の装置には、これを回収するための機構が設置されることが好ましい。

本発明の装置では、空孔を有する円盤状板が流動する固体原料に対して堰として機能するので、反応に消費されていない固体原料等と機能性気体源である気体とが遭遇する機会が適度に提供される。これに加え、筒が有する「始端側の堰の高さ＞終端側蓋の堰の高さ」の関係が、前記した理由により、固体原料等は同じ場所に滞留し続けることを防止する。従って、該筒の始端から機能性気体源である気体、すなわち気体原料を導入し続ければ、固体原料の異常な温度上昇を制御しつつ、固気反応を連続的に進行させることができる。そして、筒の終端側から、機能性気体が回収される。

本発明の装置では、前記筒内に始端側蓋及び終端側蓋と対向するように空孔を有する内部用円盤状板が少なくとも１箇所配置されることが好ましい。そして、該円盤状板の空孔径は、始端側蓋の空孔径よりも大きく、終端側蓋又はより終端側に配置される内部用円盤状板の空孔径以下であることが好ましい。

この筒内に設けられる空孔を有する内部用円盤状板も、堰としての作用を奏する。本発明では、以後これを、「内側堰」と表現する場合がある。内側堰が少なくとも１個配置されることで、「適度な時間、固体原料等が同じ場所に滞留し、且つ固体原料等が同じ場所に滞留し続けることがない」という効果をより高めることができる。また、この効果をより高めるために、内側堰の高さは、終端の外側堰と略同一とすることが好ましい。

さらに本発明の装置は、前記筒が、該筒の外径よりも大きな内径を有する外側筒に内包され、該外側筒は、内包される筒とともに回転する機構を有し、且つ内包する筒は、その両端に空孔を有する円盤状板からなる蓋（すなわち、外側堰）を有することが好ましい。この構造を有する装置の場合、原料気体及び固体は、内包される筒の始端から導入される。そして、原料気体及び固体等は、内包される筒の終端に送られ、そして、気体は、外側筒へと送られ、固体は外側筒へと落下していく。そして、最終的には、外側筒の外側堰が反応経路の終端となる。該構造とすることにより、固気反応を連続的に進行させるための経路を長く設定することができ好ましい。

さらにこの経路を長く設定するために、本発明の装置は、前記外側筒が前記外側筒よりも内径の大きな外側筒に内包され、該外側筒は、内包される筒とともに回転する機構を有し、且つ内包する筒は、その両端に空孔を有する円盤状板からなる蓋を有することが好ましい。

そして、この経路を長くする構造を有する装置の場合、該装置は、外側筒及び該外側筒を内包する外側筒の内部から選ばれる少なくとも一つに、封止用蓋及び該封止用蓋と対向するように空孔を有する内部用円盤状板（すなわち、内側堰）が少なくとも１箇所配置され、該円盤状板の空孔径が端側の円盤状板からなる蓋又はより該蓋側の近くに配置される内部用円盤状板の空孔径以下であるような構造を有することが好ましい。

さらに本発明の装置では、堰の作用を奏す空孔を有する円盤状板について、該空孔が円盤状板の略中心に設けられたものとすることが好ましい。

本発明の装置は、固気反応を連続的に進行させて、機能性気体を生じせしめることが可能なので、装置に原料を切れ目なく導入して、反応を起こして機能性気体を生じせしめる機能性気体連続的な生産方式に適用でき、機能性気体の生産コスト低減に奏功する。

本発明の反応装置を図面で説明する。図１は、本発明の反応装置１の要部を示す断面図である。略円筒形の筒（以下、「内筒管」と表記する場合有り）３１は、平空間を形成するための外囲い（以下、「外筒管」と表記する場合有り）２内に略水平に配置される。内筒管３１は、内筒管３１の長軸を回転軸として回転させるための機構（以下、「回転機構」と表記する場合有り）４４と図１に図示しない支柱等を介して連結される。この支柱等は、内筒管３１の空間内に配置されることが好ましい。また、回転機構４４の動力４５（モーター等）は、外筒管２の外部に設置されることが好ましい。この場合、回転機構４４が外筒管２を通過する部位の外筒管２側には、回転機構４４の回転を妨げないような気密シールが施されることが好ましい。

装置１内では、（→）１１の方向に固体原料等７が進行する。この進行方向が内筒管３１等の終端側、すなわち下流側、これとは反対側が、内筒管３１の始端側、すなわち、上流側となる。また、気体は、気体を導入するための機構５から導入され、装置１内を充満しつつ気体を排出するための機構８から排出される。そして、内筒管３１から終端から出た固体原料等７は、（→）１２の方向に落下することで排出され、固体原料等７を排出するための機構９を経て、装置１から排出される。

内筒管３１の固体原料等７及び気体が進行するときの上流側となる端には、始端側外側堰４１が配置され、下流側には、終端側外側堰４２が配置される。尚、本発明では、固体原料等７及び気体の進行方向とは反対側が、固気反応の上流側となる。従って、上流側に配置される堰を上流側にある堰、又は上流側堰と表記することがある。同様に、固気反応の下流側に配置される堰を下流側にある堰、又は下流側堰と表記することがある。

堰４１及び４２では、上流側の方の堰が高くなるように、それぞれの堰の空孔径が調整される。この空孔径は、堰４２＞堰４１であり、好適には、堰４２の空孔径が、堰４１の空孔径に対して、０倍〜０．９８倍、より好適には０倍〜０．９倍となるように調整される。

そして、本発明の好適な形態では、内筒管３１の内部には、内側堰４３が配置される。内側堰４３の堰は、より上流側にある堰の高さと同じか、それよりも低くなるように堰４３の空孔径が調整される。そして、堰４３の高さは、堰４１よりも低くなるように、それぞれの空孔径が調整されることが好ましい。

内筒管３１の管の外径及び内径、固体原料等７及び気体の進行方向の長さは、機能性気体の生産量に応じて適宜選択される。堰４１の空孔径は、固体原料等７及び気体を導入できる程度の大きさを必要とし、例えば、内筒管３１の管径の０．１倍〜０．９倍とすることができる。

固体貯槽６２に貯槽された固体原料等７は、固体を導入するための機構６１から内筒管３１内に導入可能とされる。機構６１は、管状の形状でなるものとすることが好ましくは、その内径は、５〜１０００ｍｍとすることが好ましい。固体原料等７は、粒子状の材料を使用することが好ましく、その粒径は、１０〜１０００μｍ、さらには５０〜５０００μｍとすることが好適である。

尚、本発明で好適に使用される固体原料は、（ＮＨ_４）_３ＡｌＦ_６、ＮＨ_４Ｆ、ＣｓＦ、Ｋ_３ＮｉＦ_７、Ｉ_２等である。

機能性気体源である気体は、気体を導入するための機構（以下、「気体導入口」と表記する場合有り）５から導入される。本発明で、好適に使用される機能性気体源は、Ｆ_２、ＣｌＦ_３、ＨＦ、ＩＦ_３、ＩＦ_７、ＩＦ_５、ＣｌＦ、ＢｒＦ、ＢｒＦ_３、ＢｒＦ_５等である。これら、気体源と前記の固体原料を固気反応させることで、ＮＦ_３、ＣＯＦ_２、ＩＦ_５、ＩＦ_７等の機能性気体を得ることができる。固気反応で得られた機能性気体、又は未反応の気体源は、気体を排出するための機構（以下、気体排出口）８から、装置１から排出される。

本発明の装置１は、固気反応の雰囲気温度を加熱された温度とするために、加熱装置１０を外筒管２の周囲に設けてもよい。また、本発明の装置１を構成する各部材の材質は、ステンレス鋼、特にはオースラナイト系ステンレス鋼、Ｎｉ鋼、鉄鋼、モネル、インコネル、アルミ等が好ましい。

さらに、図１で示した装置の派生形態である反応装置を図面で説明する。図２は、本発明の派生形態の一つである反応装置１の要部を示す断面図である。図２での反応装置１は、内筒管３１を内包する筒３２を有している。筒３２は、図示しない支柱等で内筒管３１と連結させることで、筒３２も回転機構４４によって回転する。内筒管３１の終端から出た固体原料等は、落下することで、筒３２へと送られる。そして、筒３２の回転などを駆動力として、固体原料等７は、筒３２の終端側外側堰４２へと送られる。そして、最終的には、固体原料等７は、固体原料等７を排出するための機構から、装置１の外部へと排出される。

筒３２の機能は、内筒管３１の機能と同じであり、筒３２も内側堰４３を有することが好ましい。筒３２の機能は、内筒管３１と同じで、装置１が筒３２を有することで、固体原料等７が機能性気体源と遭遇する機会を増やすことができる。かくして、図２で示した派生形態の装置は、固気反応をより効率的に進行させることができる。さらに、筒３２は、さらに、該筒３２を内包する筒（筒３２とは、同様の形状）に内包されることで、固体原料等の進行距離をかせいでもよい。

要部が図１に示す断面形状を有する反応装置を用意した。本実施例で用意した反応装置では、内筒管３１の内径が２２０ｍｍ、長さが１２３０ｍｍ、始端側外側堰４１の高さが６３ｍｍ、終端側外側堰４２と内側堰４３との高さが５３ｍｍとし、内側堰４３を１１０ｍｍ間隔で、内筒管３１内部に５個配置した。外筒管２、内筒管３１、及び堰４１乃至４３、回転機構４４を構成する部材をステンレス３０４製のものとし、回転機構４４と外筒管２とが交錯する部位には、機構４４の回転を妨げないように気密シールを施した。

反応装置１内の雰囲気温度を１９０℃と調整し、内筒管３１を１０ｒｐｍで回転させる。そして、機構６１から固体原料として、平均粒径が３００μｍの（ＮＨ_４）_３ＡｌＦ_６を、内筒管３１内での固体原料等７の移動速度が１ｍ／分となるように調整した。また、気体源としてＦ_２を、機構５から装置１内での気体の流量が４ＳＬＭとなるように導入した。この操業条件で、７２時間、装置１を稼働させた。

結果、操業中、内筒管３１内での固体原料等７の異常加熱は発生せず、連続的に機能性気体であるＮＦ_３を製造しつづけることができた。

比較例
内筒管３１を回転させなかった以外は、実施例と同様に装置１を稼働させた。操業開始から０．５時間後に、内筒管３１内で固体原料７の異常加熱が発生し、ＮＦ_３の製造効率が低下したので、装置１の操業を停止させた。

本発明の反応装置の要部を示す断面図である。 本発明の反応装置の派生形態の要部を示す断面図である。

符号の説明

１ 本発明の反応装置
２ 閉空間を形成するための外囲い（外筒管）
３１ 略円筒形の筒（内筒管）
３２ 筒３１を内包する筒
４１ 始端側（上流側）に配置される空孔を有する円盤状板（始端側外側堰）
４２ 終端側（下流側）に配置される空孔を有する円盤状板（終端側外側堰）
４３ 筒３１内部に配置される空孔を有する円盤状板（内側堰）
４４ 回転機構
４５ 回転機構の動力
５ 気体を導入するための機構（気体導入口）
６１ 固体を導入するための機構
６２ 固体貯槽
７ 固体原料等
８ 気体を排出するための機構（気体排出口）
９ 固体原料等を排出するための機構
１０ 加熱装置
１１ 固体原料等の進行方向、（→）の（＞側）が終端側（下流側）、その反対が終端側（上流側）
１２ 固体原料等の排出方向、（→）の（＞側）が排出方向
１３ 回転機構の回転方向

Claims (7)

1. 固気反応によって機能性気体を連続的に生じせしめるための反応装置であり、該反応装置は、
   閉空間を形成するための外囲い、
   該外囲い内に略水平に配置される略円筒形の筒、及び
   該筒の長軸を回転軸として該筒を回転させるための機構を有し、
   前記筒の始端と終端は、空孔を有する円盤状板からなる蓋を有し、始端側蓋の空孔径が終端側蓋の空孔径よりも小さく、該筒の始端に機能性気体源である気体と固体を導入するための機構を有することを特徴とする反応装置。
2. 前記筒の内部に、始端側蓋及び終端側蓋と対向するように空孔を有する内部用円盤状板が少なくとも１箇所配置され、該円盤状板の空孔径が始端側蓋の空孔径よりも大きく、終端側蓋又はより終端側に配置される内部用円盤状板の空孔径以下であることを特徴とする請求項１に記載の反応装置。
3. 前記筒は、該筒の外径よりも大きな内径を有する外側筒に内包され、該外側筒は、内包される筒とともに回転する機構を有し、且つ内包する筒は、その両端に空孔を有する円盤状板からなる蓋を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の反応装置。
4. 前記外側筒が前記外側筒よりも内径の大きな外側筒に内包され、該外側筒は、内包される筒とともに回転する機構を有し、且つ内包する筒は、その両端に空孔を有する円盤状板からなる蓋を有することを特徴とする請求項３に記載の反応装置。
5. 外側筒及び該外側筒を内包する外側筒の内部から選ばれる少なくとも一つに、封止用蓋及び該封止用蓋と対向するように空孔を有する内部用円盤状板が少なくとも１箇所配置され、該円盤状板の空孔径が端側の円盤状板からなる蓋又はより該蓋側の近くに配置される内部用円盤状板の空孔径以下であることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の反応装置。
6. 円盤状板の空孔が円盤状板の略中心にあることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の反応装置。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の装置を使用する機能性気体の製造方法。

Images