JPWO2019044917A1 - 塩素濃度分析装置、塩素濃度分析方法、四塩化チタンの製造装置及びスポンジチタンの製造方法 - Google Patents
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Abstract
塩素含有ガスを収容する測定セル１０と、測定セル１０内を流れる塩素含有ガスに対し、紫外線を照射するＬＥＤ光源２１を備える発光部２０と、測定セル１０を透過した紫外線を受光する受光部３０と、受光部３０からの出力信号に基づいて塩素含有ガス中の塩素濃度を演算する演算部５０とを備える塩素濃度分析装置である。
Description
本発明は、塩素濃度分析装置、塩素濃度分析方法、四塩化チタンの製造装置及びこれを用いたスポンジチタンの製造方法に関する。
スポンジチタンの造液工程においては塩化炉を用いて原料鉱石中の酸化チタンを塩素と反応させ、四塩化チタンを製造する工程が知られている。塩化炉内へ供給される塩素源としては、例えば、酸化チタンの製造工程で発生する塩素含有ガス、スポンジチタンの塩化マグネシウムの電解工程で発生する塩素含有ガス及び購入した塩素ガスが利用できる。製造工場内で発生する塩素含有ガスを利用することにより、購入した塩素ガスの使用量をできるだけ少なくでき、経済性及び生産性の向上が図られている。
塩化炉において原料鉱石の処理を効率良く行うためには、塩化炉に供給する塩素濃度をできるだけ正確に把握することが望ましい。特に、酸化チタンの製造工程で発生する塩素含有ガスは、購入した塩素ガス等に比べて不純物を多く含み、製造する酸化チタンの種類に応じて発生ガス中の塩素濃度が変動する場合があるため、塩化炉へ供給する塩素含有ガス中の塩素濃度を常時監視することが好ましい。現状は、想定や経験則に基づくガスの供給制御が行われているのが実情である。
塩素濃度の分析方法としては、オルザット法を用いたガス分析法が一般的である。しかしながら、オルザット法を用いたガス分析では、ガスサンプリングを行って濃度分析を行うため、塩化炉へ供給される供給ガス中の塩素濃度を常時監視することができない。
特表２００６−５１９１５６号公報は、二酸化チタンの製造工程において、クロリネーター排ガス又はバーナー排ガス中の塩素ガス濃度を紫外線塩素分析装置によりオンライン分析する方法が提案されている。
しかしながら、特許文献１に例示されるような紫外線塩素分析装置は、装置自体が非常に高価である。そのため、高価な分析装置を塩化炉の供給ガス分析に導入することにより、却ってスポンジチタンの収益性を低下させ、経済性を損なう場合がある。
一方で現在市販されている安価な塩素ガス濃度計は、塩素ガスの漏れなどを検知する濃度１％未満の塩素濃度を分析するための塩素濃度計が主流であるため、造液工程の塩化炉に供給されるような高濃度の塩素ガスの濃度分析を行うことができない。
上記課題を鑑み、本発明は、高濃度の塩素を含む塩素含有ガス中の塩素濃度を安価に且つ常時分析することが可能な塩素濃度分析装置、塩素濃度分析方法、四塩化チタンの製造装置及びスポンジチタンの製造方法を提供する。
本発明者は鋭意検討を重ねたところ、紫外線を照射可能なＬＥＤ光源を用いて、吸光光度法を用いた塩素濃度分析を行うことが有効であることを見出した。
以上の知見を基礎として完成した本発明は一側面において、塩素含有ガスを収容する測定セルと、測定セル内を流れる塩素含有ガスに対し、紫外線を照射するＬＥＤ光源を備える発光部と、測定セルを透過した紫外線を受光する受光部と、受光部からの出力信号に基づいて塩素含有ガス中の塩素濃度を演算する演算部とを備える塩素濃度分析装置が提供される。
本発明に係る塩素濃度分析装置は一実施態様において、ＬＥＤ光源が、２００〜３５０ｎｍの波長を有する紫外線を照射することを含む。
本発明に係る塩素濃度分析装置は別の一実施態様において、受光部が、太陽電池を含む。
本発明に係る塩素濃度分析装置は更に別の一実施態様において、塩素含有ガスの塩素濃度が１質量％以上である。
本発明は別の一側面において、測定セル内に塩素含有ガスを流すことと、紫外線を照射可能なＬＥＤ光源を含む発光部から、測定セル内を流れる塩素含有ガスに対して紫外線を照射することと、受光部において測定セルを透過した紫外線を受光することと、受光部からの出力信号に基づいて塩素含有ガス中の塩素濃度を演算することとを含む塩素濃度分析方法が提供される。
本発明に係る塩素濃度分析方法は一実施態様において、２００ｎｍ〜３５０ｎｍの波長を有する紫外線を塩素含有ガスに照射することを含む。
本発明に係る塩素濃度分析方法は別の一実施態様において、受光部に太陽電池を用いることを含む。
本発明に係る塩素濃度分析方法は更に別の一実施態様において、塩素濃度が１質量％以上の塩素含有ガスを分析することを含む。
本発明に係る塩素濃度分析方法は別の一実施態様において、塩素含有ガスが、酸化チタンの製造工程で発生する塩素含有ガス及び塩化マグネシウムの電解工程で発生する塩素含有ガスの少なくともいずれかを含む。
本発明は更に別の一側面において、酸化チタンを含む原料鉱石を塩素含有ガスと接触させて四塩化チタンを製造する塩化炉と、塩化炉内に塩素含有ガスを供給する供給配管と、供給配管に接続され、供給配管内を流れる塩素含有ガス中の塩素濃度を連続的に分析する上記塩素濃度分析装置とを備える四塩化チタンの製造装置が提供される。
本発明に係る四塩化チタンの製造装置は別の一実施態様において、塩素含有ガスが、酸化チタンの製造工程で発生する塩素含有ガス及び塩化マグネシウムの電解工程で発生する塩素含有ガスの少なくともいずれかを含む。
本発明に係る四塩化チタンの製造装置は別の一実施態様において、塩素濃度分析装置による塩素濃度の分析結果に基づいて、塩化炉へ供給する塩素含有ガスの供給量を調整する機構を更に備える。
本発明は更に別の一側面において、上記四塩化チタンの製造装置で得られる四塩化チタンを用いて、スポンジチタンを製造することを含むスポンジチタンの製造方法が提供される。
本発明によれば、高濃度の塩素を含む塩素含有ガス中の塩素濃度を安価に且つ常時分析することが可能な塩素濃度分析装置、塩素濃度分析方法、四塩化チタンの製造装置及びスポンジチタンの製造方法が提供できる。
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。以下に示す実施の形態はこの発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の構造、配置等を下記のものに特定するものではない。
（スポンジチタンの製造）
図１は、クロール法を用いたスポンジチタンの製造工程の一例を示す説明図である。スポンジチタンの製造工程は、塩化工程（Ｓ１）、蒸留工程（Ｓ２）、還元分離工程（Ｓ３）、破砕工程（Ｓ４）、電解工程（Ｓ５）を含む。
図１は、クロール法を用いたスポンジチタンの製造工程の一例を示す説明図である。スポンジチタンの製造工程は、塩化工程（Ｓ１）、蒸留工程（Ｓ２）、還元分離工程（Ｓ３）、破砕工程（Ｓ４）、電解工程（Ｓ５）を含む。
酸化チタンを含む原料鉱石は、塩化炉１０１へ供給され、塩化炉１０１内において塩素含有ガスと接触させることにより、四塩化チタンを発生させる。発生した四塩化チタンは塩化炉１０１に接続されたコンデンサー１０２で冷却され、回収されることにより、粗四塩化チタン液が得られる。
粗四塩化チタン液はポンプ（図示省略）により汲み上げられて前処理槽１０３へ送られ、前処理槽１０３において硫化水素を添加し、粗四塩化チタンに対して硫化処理することによりバナジウム塩化物等の不純物が取り除かれる。前処理槽１０３で前処理された粗四塩化チタン液は、蒸発釜１０４で加熱され、その後蒸留塔１０５で蒸留処理されることにより、精製四塩化チタンが得られる（蒸留工程Ｓ２）。この精製四塩化チタンを還元分離工程Ｓ３で還元分離処理することによりスポンジチタンの原料が得られる。
還元分離工程Ｓ３では、アルゴン雰囲気のステンレス製若しくは鉄製の容器から形成される還元炉内で四塩化チタンをマグネシウムで還元し、副生物の塩化マグネシウムを間欠的に抜き出しながらスポンジチタンを発生させる。次に、還元炉で生成したスポンジチタンを分離炉に移し、分離炉及び分離炉に接続されたコンデンサーを真空引きして真空分離処理を行う。真空分離処理後のスポンジチタンは、破砕工程Ｓ４において、所定のサイズに粉砕した後、製品出荷用に密閉容器内に収容される。本工程で製造されたスポンジチタンを用いて、チタンインゴッドやチタン合金等の所望の製品を製造することができる。
一方、還元分離工程Ｓ３において副生物として生成される塩化マグネシウムは、電解工程Ｓ５に運ばれて電解槽１０６内へ収容され、溶融塩電解法により金属マグネシウムと塩素ガス（塩素含有ガス）とに分離する。電解工程で得られた塩素含有ガスは、電解槽１０６から塩化炉１０１に接続された供給配管１０７を介して塩化炉１０１内へ供給可能になっている。
また、塩化炉１０１に接続された供給配管１０７には、酸化チタン製造工程で回収された塩素含有ガス或いは外部から購入した塩素ガスを供給するための供給ライン（図示せず）が接続されている。即ち、塩化炉１０１に接続された供給配管１０７には、酸化チタンの製造工程で発生する塩素含有ガス及びスポンジチタンの塩化マグネシウムの電解工程で発生する塩素含有ガスの少なくともいずれかが含まれる。
酸化チタン製造工程で回収された塩素含有ガス中の塩素濃度は、電解工程Ｓ５で得られる塩素含有ガスと比べて塩素濃度が低い。そのため、酸化チタン製造工程で回収された塩素含有ガスを塩化炉１０１へ供給することにより、塩化炉１０１内の塩素濃度が想定よりも低くなる場合がある。
本実施形態では、塩化炉１０１へ塩素含有ガスを供給する供給配管１０７に接続され、塩化炉１０１内へ供給される塩素濃度を連続的に分析可能な塩素濃度分析装置１と、塩素濃度分析装置１の塩素濃度の分析結果に基づいて、塩素含有ガスの供給量を制御する調整機構２とを備えることができる。これにより、塩化炉１０１内の塩素濃度を常時適切な濃度に調整することができるため、四塩化チタンを安定的に生産して、スポンジチタンの製造工程のより効率的な処理を進めることができる。なお、塩素濃度分析装置１の設置位置は特に限定されず、塩化炉１０１へ流入する塩素含有ガス中の塩素濃度を分析可能な位置であれば、いずれに配置されてもよい。
（塩素濃度分析装置）
本発明の実施の形態に係る塩素濃度分析装置１の概要を図２に示す。図２に示すように、塩素濃度分析装置１は、塩素含有ガスを収容する測定セル１０と、測定セル１０内を流れる塩素含有ガスに対し、紫外線を照射するＬＥＤ光源２１を備える発光部２０と、測定セル１０を透過した紫外線を受光する受光部３０と、受光部３０からの出力信号に基づいて塩素含有ガス中の塩素濃度を演算する演算部５０とを備える。
本発明の実施の形態に係る塩素濃度分析装置１の概要を図２に示す。図２に示すように、塩素濃度分析装置１は、塩素含有ガスを収容する測定セル１０と、測定セル１０内を流れる塩素含有ガスに対し、紫外線を照射するＬＥＤ光源２１を備える発光部２０と、測定セル１０を透過した紫外線を受光する受光部３０と、受光部３０からの出力信号に基づいて塩素含有ガス中の塩素濃度を演算する演算部５０とを備える。
塩素含有ガスは測定セル１０の内部を連続的に流通できるようになっている。測定セル１０の発光部２０及び受光部３０と対向する部分には、発光部２０からの光を測定セル１０を介して受光部３０へと透過させるための一対の透過板１１が配置されている。透過板１１の材質は特に限定されないが、例えば石英ガラス製とすることができる。
発光部２０は、ＬＥＤ光源２１と、ＬＥＤ光源２１を駆動させるための定電流ドライバと、定電流ドライバへ供給する直流電圧を交流電圧から変換するＡＣ／ＤＣコンバータ２３を備えることができる。発光部２０のＬＥＤ光源２１を用いることで、従来のような高価なキセノンランプや電源を使用する必要がないため、塩素含有ガス中の塩素濃度がより簡易で経済的に分析可能となる。
使用されるＬＥＤ光源２１としては、２００〜３５０ｎｍ、好ましくは２５０〜３００ｎｍの波長を有する紫外線を照射する深紫外線ＬＥＤを用いることが好ましい。本実施形態によれば、２００〜３５０ｎｍ、好ましくは２５０〜３００ｎｍの波長を有する紫外線を照射する深紫外線ＬＥＤをＬＥＤ光源２１として使用することで、塩素含有ガス中に含まれる塩素分子をより適切に検出することができる。具体的には、図３に示すように、発光中心波長が２６０〜２７０ｎｍ、半値幅が１５ｎｍのＬＥＤ光源２１を用いることにより、ＬＥＤ光源２１が塩素分子吸収波長である２５４ｎｍを含む紫外線を発光するため、塩素による吸光を適切に分析することができる。
従来の高価な塩素濃度分析装置では、非常に広範囲の波長を発光しその中から目的とする波長のみを分光してその物質の吸収波長と吸光度から分析を行っていた。本実施形態に係る塩素濃度分析装置１では、塩素分子の検出に適した波長の光をＬＥＤ光源２１から選択的に照射することで、受光部３０側に分光器等を設置する必要がなく、より簡易で且つ塩素濃度の分析に適した塩素濃度分析装置１を得ることができる。ＬＥＤ光源２１としては、表面実装型の深紫外線ＬＥＤを用いることで、装置の小型化を図ることができる。
受光部３０としては、光を電気信号に変換する素子を備えるものであれば特に限定されない。例えば、フォトダイオード、アモルファス太陽電池などを用いることができる。太陽電池を用いることで、より安価で簡便な塩素濃度分析装置１が得られる。なお、上述のように、本実施形態に係る塩素濃度分析装置１では、発光部２０にＬＥＤ光源２１が使用され、発光部２０から塩素濃度の分析に必要な波長の光を出すため、受光部３０において目的の波長を取り出すための分光やダイオードアレイが不要となり、太陽電池などを利用して装置の簡略化を図ることができる。
受光部３０には表示計４０及び演算部５０が接続されている。演算部５０は、既存のオルザット法で求められた測定ガスの塩素濃度と受光部３０から出力され表示計４０に表示された表示計電圧との関係から予め作製された検量線データに基づいて、測定セル１０内に流入した塩素含有ガス中の塩素濃度を算出することができる。
なお、測定セル１０、発光部２０及び受光部３０の周辺は遮光することが好ましい。これにより、受光部３０の受光精度を向上させることができ、濃度分析精度をより向上させることができる。
図２の塩素濃度分析装置１を用いて塩素含有ガス中の塩素濃度を分析する場合には、測定セル１０内に塩素含有ガスを流通させ、紫外線を照射可能なＬＥＤ光源２１を含む発光部２０から、測定セル１０内を流れる塩素含有ガスに対して紫外線を照射する。そして、受光部３０において測定セル１０を透過した紫外線を受光し、受光部３０からの出力信号に基づいて演算部５０により、塩素含有ガス中の塩素濃度を演算する。
このように、本発明の実施の形態に係る塩素濃度分析装置１によれば、測定セル１０内を流れる塩素含有ガス中の塩素濃度、具体的には１質量％〜１００質量％、更に具体的には５０〜９８質量％程度の高濃度の塩素を含むガスを安価で常時連続的に分析することが可能となる。これにより、図１の塩化炉１０１内へ供給される塩素含有ガス中の塩素濃度を常時把握することが可能となり、塩化炉１０１において四塩化チタンを安定的に生産することができる。
従来、塩化炉１０１内の塩素濃度をオルザット法により分析するためには、電解槽１０６に繋がる供給配管１０７からサンプルを抽出する作業を行っていた。本実施形態に係る塩素濃度分析装置１によれば、サンプル抽出のための作業が不要となり連続して濃度を分析することが可能となる。また、電解槽１０６へのＭｇＣｌ2注入作業及び電解槽１０６からのＭｇ汲み出し作業による蓋の開放による空気の巻き込みを抑制することができる。
更に、図１に示すように、塩素濃度分析装置１による塩素濃度の分析結果に基づいて塩化炉１０１へ供給する塩素含有ガスの供給量を調整する調整機構２を更に備えることにより、塩化炉１０１内へ供給する塩素ガス濃度をより適正な範囲へ手動又は自動で調整することが可能となるため、塩化炉１０１において四塩化チタンを安定的に生産することができる。
１…塩素濃度分析装置
２…調整機構
１０…測定セル
１１…透過板
２０…発光部
２１…ＬＥＤ光源
２３…ＡＣ／ＤＣコンバータ
３０…受光部
４０…表示計
５０…演算部
１０１…塩化炉
１０２…コンデンサー
１０３…前処理槽
１０４…蒸発釜
１０５…蒸留塔
１０６…電解槽
１０７…供給配管
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１０６…電解槽
１０７…供給配管
Claims (13)
- 塩素含有ガスを収容する測定セルと、
前記測定セル内を流れる前記塩素含有ガスに対し、紫外線を照射するＬＥＤ光源を備える発光部と、
前記測定セルを透過した前記紫外線を受光する受光部と、
前記受光部からの出力信号に基づいて前記塩素含有ガス中の塩素濃度を演算する演算部と
を備えることを特徴とする塩素濃度分析装置。 - 前記ＬＥＤ光源が、２００〜３５０ｎｍの波長を有する紫外線を照射することを特徴とする請求項１に記載の塩素濃度分析装置。
- 前記受光部が、太陽電池を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の塩素濃度分析装置。
- 塩素含有ガスの塩素濃度が１質量％以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の塩素濃度分析装置。
- 測定セル内に塩素含有ガスを流すことと、
紫外線を照射可能なＬＥＤ光源を含む発光部から、前記測定セル内を流れる前記塩素含有ガスに対して紫外線を照射することと、
受光部において前記測定セルを透過した前記紫外線を受光することと、
前記受光部からの出力信号に基づいて前記塩素含有ガス中の塩素濃度を演算することと
を含むことを特徴とする塩素濃度分析方法。 - ２００ｎｍ〜３５０ｎｍの波長を有する紫外線を前記塩素含有ガスに照射することを含む請求項５に記載の塩素濃度分析方法。
- 前記受光部に太陽電池を用いることを含む請求項５又は６に記載の塩素濃度分析方法。
- 塩素濃度が１質量％以上の塩素含有ガスを分析することを含む請求項５〜７のいずれか１項に記載の塩素濃度分析方法。
- 前記塩素含有ガスが、酸化チタンの製造工程で発生する塩素含有ガス及び塩化マグネシウムの電解工程で発生する塩素含有ガスの少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項５〜８のいずれか１項に記載の塩素濃度分析方法。
- 酸化チタンを含む原料鉱石を塩素含有ガスと接触させて四塩化チタンを製造する塩化炉と、
前記塩化炉内に前記塩素含有ガスを供給する供給配管と、
前記供給配管に接続され、前記供給配管内を流れる前記塩素含有ガス中の塩素濃度を連続的に分析する請求項１〜４のいずれか１項に記載の塩素濃度分析装置と
を備えることを特徴とする四塩化チタンの製造装置。 - 前記塩素含有ガスが、酸化チタンの製造工程で発生する塩素含有ガス及び塩化マグネシウムの電解工程で発生する塩素含有ガスの少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項１０に記載の四塩化チタンの製造装置。
- 前記塩素濃度分析装置による前記塩素濃度の分析結果に基づいて、前記塩化炉へ供給する前記塩素含有ガスの供給量を調整する機構を更に備えることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の四塩化チタンの製造装置。
- 請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の四塩化チタンの製造装置で得られる四塩化チタンを用いて、スポンジチタンを製造することを含むスポンジチタンの製造方法。
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