JP5583932B2 - アセチレンの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、アセチレンの製造方法に関し、詳しくは、高純度のアセチレンを製造して使用先に供給するアセチレンの製造方法に関する。
アセチレンは、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、カーボンナノホーン（ＣＮＦ）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）単結晶を製造するプロセスにおいて、これらの物質中の炭素源として利用されており、これらの用途に使用するアセチレンには、不純物の極めて少ない高純度なアセチレンが要求されている。このような高純度のアセチレンを製造、供給する方法として、従来から各種の精製技術、高純度化技術が用いられている（例えば、特許文献１〜４参照。）。
各特許文献に記載された方法は、主に、溶剤を除去する工程と水分を除去する工程とにより構成されている。特に、高純度のアセチレンを得る場合、溶解アセチレンの状態で脱ガスを長時間実施し、空気成分を主とする不純物を除去する方法が用いられている。しかしながら、９９．９９９９容量％以上のアセチレンガスを得る場合、極少量の取り扱いに限定されることや、ガスの精製効率が低く、極めて高コストなために実用性に限界があるといった課題があった。
そこで本発明は、高純度のアセチレンを効率よく製造するとともに使用先に高純度状態を保ったまま供給することができるアセチレンの製造方法を提供することを目的としている。
上記目的を達成するため、本発明のアセチレンの製造方法は、炭化カルシウムに液体の水や水蒸気といった水分を作用させてアセチレンを主成分とするガスを発生させるアセチレンガス発生工程と、該アセチレンガス発生工程で発生したガスを第一の乾式吸着材に接触させることによりガス中に含まれる水分を第一の乾式吸着材に吸着させて除去する水分除去工程と、該水分除去工程を終えたガスを第二の乾式吸着材に接触させることによりガス中に含まれる水素化物系不純物を第二の乾式吸着材に吸着させて除去する水素化物除去工程とを含む高純度アセチレン製造工程で製造した高純度アセチレンを大気圧以下の圧力でアセチレン使用先に供給し、前記アセチレン使用先へのアセチレン供給量に応じて前記炭化カルシウムに作用させる水分の供給量を制御するとともに、前記アセチレンガス発生工程、水分除去工程及び水素化物除去工程の系内を大気圧以下に制御することを特徴としている。
また、本発明の高純度アセチレンの製造方法は、余剰の高純度アセチレンを系外に抜き出す余剰圧力放出ラインを備えていることを特徴としている。
さらに、前記水分除去工程で使用する前記第一の乾式吸着材が、活性炭及びモレキュラシーブス３Ａのいずれか一方又は活性炭とモレキュラシーブス３Ａとの混合物であることを特徴とし、前記水素化物除去工程で使用する前記第二の乾式吸着材が、活性アルミナ及びモレキュラシーブス４Ａ、５Ａ、１３Ｘのいずれか一種又は二種以上の混合物であることを特徴としている。
本発明のアセチレンの製造方法によれば、アセチレンを高純度化し易い乾式法により発生させ、発生したガス中に含まれる不純物を水分、水素化物系不純物の順で精製除去することにより、高純度のアセチレンを得ることができ、さらに、得られたアセチレンを低圧ガスのまま使用先へ供給することにより、高純度なアセチレンガスを容易に取り扱うことができる。したがって、高純度アセチレンを消費する使用先の近傍で本発明を実施することにより、使用先への高純度アセチレンの供給を効率よく行うことができる。
本形態例は、本発明のアセチレンの製造方法を実施するためのアセチレン製造供給装置の一例を示すものであって、炭化カルシウムを充填した炭化カルシウム槽１１と、該炭化カルシウム槽１１に水分を供給する水分供給装置１２と、炭化カルシウム槽１１で発生したガス中の水分を第一の乾式吸着剤によって吸着除去する水分除去精製器１３と、前記ガス中の水素化物を第二の乾式吸着剤によって吸着除去する水素化物除去精製器１４と、精製後の高純度アセチレンを使用先の消費装置に供給するアセチレン供給ライン１５と、炭化カルシウム槽１１の圧力を測定する第一圧力計１６と、供給ガスの圧力を測定する第二圧力計１７と、余剰圧力を放出する余剰圧力放出ライン１８とを備えている。
このような構成を有するアセチレン製造供給装置を利用して高純度アセチレンを消費装置に供給する手順を説明する。まず、水分供給装置１２から炭化カルシウム槽１１に、水分として、液体状態の水や気体状態の水蒸気を供給し、炭化カルシウム槽１１内の炭化カルシウムに水分を作用させてアセチレンを主成分とするガス（粗アセチレンガス）を発生させるアセチレンガス発生工程が行われる。発生した粗アセチレンガスには、未反応の水分が含まれるとともに、反応副生成物であるホスフィン、硫化水素、アンモニアなどの水素化物系不純物が含まれている。
炭化カルシウム槽１１から導出した粗アセチレンガスは、水分除去精製器１３に導入されて水分除去工程が行われる。この水分除去工程では、粗アセチレンガス中に含まれている水分を除去することができる第一の乾式吸着剤が用いられる。この第一の乾式吸着剤としては、アセチレンをほとんど吸着せず、水分を吸着可能な吸着剤である活性炭又はモレキュラシーブス３Ａが最適であり、活性炭のみ、あるいは、モレキュラシーブス３Ａのみを筒内に充填したものを用いてもよく、活性炭とモレキュラシーブス３Ａとを積層して筒内に充填したり、活性炭とモレキュラシーブス３Ａとを混合して筒内に充填したりしたものを用いることができる。
水分除去工程で含有水分のほとんどが除去された粗アセチレンガスは、水素化物除去精製器１４に導入されて水素化物除去工程が行われる。この水素化物除去工程では、粗アセチレンガス中に含まれているホスフィン、硫化水素、アンモニアなどの水素化物系不純物を除去することができる第二の乾式吸着剤が用いられる。この第二の乾式吸着剤としては、アセチレンをほとんど吸着せず、水素化物を吸着可能な吸着剤である活性アルミナ、モレキュラシーブス４Ａ、モレキュラシーブス５Ａ、モレキュラシーブス１３Ｘが最適であり、これらを単独で、あるいは、複数種を筒内に充填して使用することができる。
このように、水分と水素化物とを同時に吸着除去することなく、第一の乾式吸着剤を用いた水分除去工程で水分を除去した後、第二の乾式吸着剤を用いた水素化物除去工程で水素化物を除去するようにしたことにより、粗アセチレンガス中の水素化物を除去する際の水分の影響を排除して、第二の乾式吸着剤による水素化物の吸着除去を効率よく行うことができる。例えば、適当な吸着剤を使用することで水分と水素化物とを同時に吸着除去することも可能であるが、水分と水素化物とが混在していると、吸着剤における水素化物の吸着除去効率が低下することに加え、短時間で水素化物の除去特性が破過してしまう。具体的には、水分除去工程から水素化物除去工程に供給される粗アセチレンガス中の水分濃度が１００ｐｐｍ以下、望ましくは１０ｐｐｍになるように水分除去工程の処理条件を設定することにより、水素化物除去工程において、アセチレン以外の水素化物の濃度を０．１ｐｐｍ以下に低減することが可能となる。
上述のような高純度アセチレン製造工程により、水分除去工程で水分が、水素化物除去工程で水素化物がそれぞれ除去されて高純度に精製された高純度アセチレンは、前記アセチレン供給ライン１５を通って消費装置に供給される。高純度アセチレンは、消費装置に設けられたファンやポンプなどの吸引手段によって直接又は他の機器を介して間接的に吸引された状態で、大気圧以下の圧力で消費装置に供給されて直ちにカーボンナノマテリアル（ＣＮＴ，ＣＮＦ）の合成原料として、あるいは、ＳｉＣ半導体エピタキシャル成長における炭素源として消費される。
このときの粗アセチレンガスの発生状態及び高純度アセチレンの供給状態は、第一圧力計１６及び第二圧力計１７で検出されて制御される。すなわち、第一圧力計１６の測定圧力が低下したときには水分供給装置１２から炭化カルシウム槽１１への水分の供給量を増加させて粗アセチレンガスの発生量を増加し、第一圧力計１６の測定圧力が上昇したときには炭化カルシウム槽１１への水分の供給量を減少させて粗アセチレンガスの発生量を減少させる。また、第二圧力計１７の測定圧力が低下したときには水分供給装置１２から炭化カルシウム槽１１への水分の供給量を増加させ、第二圧力計１７の測定圧力が上昇したときには余剰圧力放出ライン１８から余剰の高純度アセチレンを系外に抜き出して系内を大気圧以下に保つようにする。
このように第一圧力計１６及び第二圧力計１７の測定圧力に基づいて炭化カルシウム槽１１への水分の供給量を増減させたり、余剰の高純度アセチレンを余剰圧力放出ライン１８から系外に抜き出したりすることにより、アセチレンの発生量を的確に制御することができるとともに、アセチレン供給ライン１５を含むアセチレン製造供給装置の系内を大気圧以下の圧力に保つことができ、高純度アセチレンが劣化することを防止して消費装置へ所望量の高純度アセチレンを効率よく供給することができる。
なお、系内の圧力は、消費装置における高純度アセチレンの使用状態、受け入れ状態に応じて設定すればよく、通常は大気圧に設定しておけばよい。また、炭化カルシウム槽１１内の炭化カルシウムに水分を作用させる方法や手段は、炭化カルシウム槽１１の大きさや形状、槽内の炭化カルシウムの量や形状、粗アセチレンガスの発生量などに応じて選択することができる。例えば、水分供給装置１２から液体状態の水を炭化カルシウム槽１１に供給して炭化カルシウムに滴下させることもでき、水分供給装置１２で発生させた気体状態の水蒸気を炭化カルシウム槽１１に供給することもでき、気液混合状態の水を炭化カルシウム槽１１内に供給することもできる。いずれの場合も、炭化カルシウム槽１１への水分供給量は、粗アセチレンガス中に大量の水分が同伴されないようにすることが好ましく、前述のように、水分除去工程で粗アセチレンガス中の水分量を容易に１００ｐｐｍ以下に低減できるように設定することが望ましい。
１１…炭化カルシウム槽、１２…水分供給装置、１３…水分除去精製器、１４…水素化物除去精製器、１５…アセチレン供給ライン、１６…第一圧力計、１７…第二圧力計、１８…余剰圧力放出ライン
Claims (4)
- 炭化カルシウムに水分を作用させてアセチレンを主成分とするガスを発生させるアセチレンガス発生工程と、該アセチレンガス発生工程で発生したガスを第一の乾式吸着材に接触させることによりガス中に含まれる水分を第一の乾式吸着材に吸着させて除去する水分除去工程と、該水分除去工程を終えたガスを第二の乾式吸着材に接触させることによりガス中に含まれる水素化物系不純物を第二の乾式吸着材に吸着させて除去する水素化物除去工程とを含む高純度アセチレン製造工程で製造した高純度アセチレンを大気圧以下の圧力でアセチレン使用先に供給し、
前記アセチレン使用先へのアセチレン供給量に応じて前記炭化カルシウムに作用させる水分の供給量を制御するとともに、前記アセチレンガス発生工程、水分除去工程及び水素化物除去工程の系内を大気圧以下に制御することを特徴とするアセチレンの製造方法。 - 余剰の高純度アセチレンを系外に抜き出す余剰圧力放出ラインを備えていることを特徴とする請求項１記載のアセチレンの製造方法。
- 前記第一の乾式吸着材が、活性炭及びモレキュラシーブス３Ａのいずれか一方又は活性炭とモレキュラシーブス３Ａとの混合物であることを特徴とする請求項１又は２記載のアセチレンの製造方法。
- 前記第二の乾式吸着材が、活性アルミナ及びモレキュラシーブス４Ａ、５Ａ、１３Ｘのいずれか一種又は二種以上の混合物であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載のアセチレンの製造方法。
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