JPH05105411A

JPH05105411A - 三フツ化窒素の製造方法

Info

Publication number: JPH05105411A
Application number: JP27420691A
Authority: JP
Inventors: Katsumi Aono; 克巳青野; Koji Okano; 浩二岡野; Takamoto Mukono; 孝元向野; Takeshi Kuroda; 武黒田
Original assignee: Onoda Cement Co Ltd
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 1991-10-22
Filing date: 1991-10-22
Publication date: 1993-04-27

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明の目的は、従来の製造方法の問題点で
あった副生成する酸性フッ化アンモニア等の固体分によ
る反応器、配管の閉塞及び低収率を解決し、希釈ガスを
必ずしも必要としない三フッ化窒素の製造方法を開発し
ようとすることにある。【構成】本発明に係る三フッ化窒素の製造方法は、フ
ッ素ガスとアンモニアガスを気相状で反応させて三フッ
化窒素を製造するに際して、反応器の内部において、原
料ガスを反応器内壁に沿って螺旋状に流して原料ガスを
混合、反応させることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、フッ素ガスとアンモニ
アガスを気相状で反応させて三フッ化窒素を製造するた
めの製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】三フッ化窒素は沸点−１２９℃、融点−
２０８℃の化合物であり、常温、常圧で安定な気体であ
る。用途としてはフッ素化反応におけるフッ素源、また
は高エネルギー燃料の酸化剤、またはドライエッチング
剤などがある。

【０００３】製造方法としては、従来以下のような方法
が知られている。ルッフ(Ruff)らは、フッ素ガスとアン
モニアガスを気体状で反応させて三フッ化窒素を収率６
％以下ではあるが、合成に成功した［Z.anorg.u.allge
n.Chem.,197,32(1931)］。また、モロー(Morrow)らも同
様の方法によって三フッ化窒素を収率２４.３％で合成
に成功したことを報告している［J.A.C.S.,Voｌ.82,530
1/4(1960)］。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】一般に、フッ素ガスと
アンモニアガスを気相で反応させて三フッ化窒素を合成
した場合、フッ化アンモニウム、特に、酸性フッ化アン
モニウム等の固体分が生成する。この酸性フッ化アンモ
ニウムの凝固により反応器、配管が閉塞するという問題
点があった。また、この反応は大きな発熱を伴い、この
発熱による反応温度の上昇が効果的に抑制できないた
め、いったん生成した三フッ化窒素が分解し、収率を高
めることが困難であった。

【０００５】これらの問題点のうち反応器、配管の閉塞
について特開平２−255511号公報及び特開平２−25512
号公報には、薄い直方体様の反応器で、その上方にアン
モニアガス吹込管を、側面にフッ素ガス吹込管をもつ反
応器を用いることにより、または反応器を８０〜２５０
℃に保たれた熱媒槽内に設置することで改善されること
が示されている。しかし、収率はどちらの方法によって
も１７％(ＮＨ₃基準)程度と低い。また、特開平２−255
513号公報では、特定の希釈ガスを原料ガスに比べ大量
に用いれば、収率が５９.５％(ＮＨ₃基準)まで向上する
ことを示している。しかし、用いた希釈ガスの回収装置
を必要とするなど必ずしも工業的に満足できる結果とは
なっていない。

【０００６】従って、本発明の目的は、従来の製造方法
の問題点であった副生成する酸性フッ化アンモニア等の
固体分による反応器、配管の閉塞及び低収率を解決し、
希釈ガスを必ずしも必要としない三フッ化窒素の製造方
法を開発しようとするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記課題
を達成するために鋭意研究を重ねた結果、これらの課題
が原料ガスの混合方法を改善することで達成されること
を見出した。

【０００８】即ち、本発明は、フッ素ガスとアンモニア
ガスを気相状で反応させて三フッ化窒素を製造するに際
して、反応器の内部において、原料ガスを反応器内壁に
沿って螺旋状に流して原料ガスを混合、反応させること
を特徴とする三フッ化窒素の製造方法を提供するもので
ある。

【０００９】

【作用】本発明方法において、三フッ化窒素を合成する
ための反応器内部の流れはサイクロン分離器内の流れに
類似しており、反応器内壁に沿った螺旋状の流れを形成
する。そのことから次のような利点が生じているものと
考えられる。

【００１０】即ち、従来の三フッ化窒素反応器における
原料ガスの吹き込み方法は反応器内に２種の原料ガスを
平行に吹き込む方法、ある角度をもって２種の原料ガス
を吹き込み、原料ガスを接触させる方法の何れかであっ
た。この際、原料ガスの混合は２種の原料ガスを平行に
吹き込む場合は気体の拡散速度に、ある角度をもって２
種の原料ガスを吹き込む場合は気体の接触面で生じる乱
流によるものであった。このため原料ガスの混合は、フ
ッ素ガスとアンモニアガスの反応を円滑に進行させるに
は非常に遅いか、逆に非常に速い状態であった。

【００１１】ところが本発明のように、反応器内の流れ
を反応器内面に沿った螺旋状の流れによって混合した場
合、反応器内に原料ガスが吹き込まれた直後はその流れ
が平行流であり、その混合は気体の拡散速度によるもの
であった。しかし、その後は反応器内の流れが螺旋流で
あることから生じる螺旋流の内側と外側の圧力差によっ
て、主流である螺旋流の周囲に二次的な流れを生じる。
この二次的な流れにより充分な原料ガスの混合を行うこ
とができる。このために従来の原料ガスの吹き込み方法
では得られない三フッ化窒素の製造に適した原料ガスの
混合状態が得られる。

【００１２】また、このような螺旋流であることで、反
応器の大きさが小型であっても、反応が完結するに必要
な反応器内での原料ガスの滞留時間が得られるため、原
料ガスの吹き込み量を多くできる。また、反応器内での
流速がフッ素ガスとアンモニアガスの反応速度に対し速
いため、その反応が反応器内の一点に集中することなく
反応槽全体に反応が分散するため、局部的な発熱が抑制
される。そのため効率的に除熱することが可能となっ
た。よって、三フッ化窒素を良好な収率で得ることがで
き、しかも反応器の単位容積当たりの製造量を高くする
ことができる。

【００１３】また、副生成する酸性フッ化アンモニウム
等の固体分は、サイクロン分離器様の効果、すなわち反
応器内の流れが螺旋状であることから生じる遠心力と固
体粒子の自重による自然落下により反応器下部に効率的
に集められ、これを適当な方法、例えば交換可能な固体
貯留槽を反応器下部に設置するか、またはロータリーバ
ルブにより連続的に排出するなどの方法を用いることに
より排出できるため、反応器、配管の閉塞という問題を
解決できる。

【００１４】次に、本発明方法を実施する際に好ましい
製造装置及び製造方法ついて説明する。製造装置は図１
に示すような一般的なフッ素ガス気相反応における装置
の条件を満たしていれば支障はない。しかし、反応器に
ついては以下のような特徴をもつ反応器が好ましい。反
応器の形状を図２の反応器の概略図及び図３の反応器の
上面図により説明する。

【００１５】反応器の形状は、反応器内での原料ガスの
流れが効率的にサイクロン分離器内の流れに似た反応器
内面に沿った螺旋状の流れとなるような形状を有してい
なければならない。そのために反応器の反応に拘わる部
分は円筒形でなければならない。

【００１６】その上に、原料ガス吹込管のうち少なくと
も一方はこの円筒形部分の接線方向に原料ガスを吹き込
むことができるように配置する。ただし、発生した螺旋
状の流れを阻害することがなければ他方の原料ガス吹込
管の配置は反応器の円筒形部分に原料ガスを吹き込むこ
とができるならば特に規定されない。

【００１７】また、効率的に反応器内に螺旋状の流れを
発生させるために、原料ガス吹込管出口付近に案内板を
設けても良い。この際には原料ガスの吹込管の配置は、
いずれの原料ガス吹込管も、反応器の円筒部分の接線方
向に原料ガスを吹き込めるような配置に限定する必要は
なく、この円筒部分の上面または下面に配置されても良
い。

【００１８】また、反応器の反応に直接関与しない部分
は、特に限定されないが、副生成する酸性フッ化アンモ
ニウムが反応器下部に沈降し易い形状であること、例え
ば反応器下部を円錐状とすることなどが好ましい。ま
た、反応器内に一時的に酸性フッ化アンモニウムを貯留
するに充分な空間が連続的に排出する装置を有すること
が好ましい。例えば固体分の貯留槽を反応器下部に接続
するロータリーバルブにより排出することなどである。

【００１９】反応器への原料ガスの吹き込み量の比率
は、アンモニアガスに対するフッ素ガスの比率は１〜３
０倍程度が好ましい。特に、２〜４倍程度が好適であ
る。

【００２０】なお、反応器への原料ガスの吹き込み量の
濃度については、特に限定されない。即ち、アンモニア
ガス及びフッ素ガスともに希釈ガスを用いて希釈して
も、しなくても良い。希釈ガスの種類は本反応を阻害し
ないものであれば良く、特に限定されない。

【００２１】反応器への原料ガスの吹き込み流速は、特
に限定はしないが、概ね吹き込み流速が０.０１ｍ／秒
以上であれば支障はない。

【００２２】反応温度については、三フッ化窒素の分解
温度以下であれば支障はないが、室温から１２０℃、特
に３０〜７０℃で維持されることが好ましい。そのため
必要に応じて反応熱を除去するために反応器の外面また
はその他の部位に冷却装置を付けることもできる。

【００２３】

【実施例】以下に、本発明方法の好ましい実施例を記載
するが、これは本発明方法の範囲を限定するものではな
い。実施例１図１に示す反応装置を用い、アンモニアガスとフッ素ガ
スを気相状で反応させ、三フッ化窒素を合成した。この
反応装置において、反応器(6)は原料吹込管(1,2)ともに
反応器円筒形部分の接線方向に原料を吹き込めるよう設
置されている。また、反応器内に内筒(8)が設置されて
いる。反応器下部に固体状の副生成物の貯留槽(7)を接
続してある。また、この反応器(6)には反応器を冷却ま
たは加熱するための装置はない。

【００２４】この装置では、原料吹込管(1,2)より所定
濃度に調整されたアンモニアガス及びフッ素ガスを反応
器内に注入した。その後、生成ガス抜き出し管(3)より
反応後のガスを抜き出した。このガスは配管によりガス
スクラバー(4)に導かれ、洗浄された後、回収装置(5)に
より回収される。

【００２５】この反応器にヘリウムで希釈し、濃度を３
６％に調整したフッ素ガスとヘリウムで希釈し、濃度を
２０％に調整したアンモニアガスを２.４：１の割合で
注入した。この際の吹き込み流速は、それぞれ０.１９
ｍ／秒、０.１３ｍ／秒であった。また、反応器は特に
冷却しなかったが、反応器の内温は３５〜４５℃の範囲
で安定した。その結果、収率４３.７％(アンモニアガス
基準)で三フッ化窒素を得た。

【００２６】なお、アンモニアガス基準の収率は下記の
ようにして求めることができる：

【数１】収率＝(生成したＮＦ₃のモル数／吹き込んだＮ
Ｈ₃のモル数)×１００

【００２７】実施例２実施例１と同様の反応装置で反応を行った。この時、反
応器に注入したフッ素ガス濃度は２０％、アンモニアガ
ス濃度は１００％であり、また、その比率は３.０：１
とし、吹き込み流速はそれぞれ２.１ｍ／秒、０.４７ｍ
／秒とした。また、反応器内温を５０〜７０℃に保持し
た。その結果、収率は６３％(アンモニアガス基準)で三
フッ化窒素を得た。また、反応器及び配管の閉塞はなか
った。

【００２８】実施例３実施例１と同様の反応装置で反応を行った。この時、反
応器に注入したフッ素ガス濃度は５０％、アンモニアガ
ス濃度は１００％であり、また、その比率は２.８：１
とし、吹き込み流速はそれぞれ０.０６ｍ／秒、０.０１
ｍ／秒とした。その結果、反応器内温は８０〜１００℃
で安定し、収率は４０.１％(アンモニアガス基準)で三
フッ化窒素を得た。

【００２９】実施例４実施例１と同様の反応装置で反応を行った。この時、反
応器に注入したフッ素ガス濃度は１００％、アンモニア
ガス濃度も１００％であり、また、その比率は２０：１
とし、吹き込み流速はそれぞれ０.１６ｍ／秒、０.０２
ｍ／秒とした。その結果、反応器内温は１００〜１２０
℃で安定し、収率は２０％(アンモニアガス基準)で三フ
ッ化窒素を得た。

【００３０】

【発明の効果】本発明方法によりフッ素ガスとアンモニ
アガスを気相で反応させ、三フッ化窒素を製造する際、
反応器において副生成する固体分を分離、排出すること
ができるため、この固体分による反応器、配管の閉塞が
解消できる。その上、反応熱を効率的に除去できるた
め、収率を希釈ガスを用いることなく高めることができ
た。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法に使用する装置の概略図である。

【図２】本発明方法に使用する反応器の概略図である。

【図３】本発明方法に使用する反応器の上面図である。

【符号の説明】

１原料吹込管２原料吹込管３生成ガス抜出口４ガススクラバー５三フッ化窒素回収装置６反応器７固体分貯留槽

フロントページの続き (72)発明者黒田武東京都江東区豊洲１丁目１番７号小野田セメント株式会社新規分野研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】フッ素ガスとアンモニアガスを気相状で
反応させて三フッ化窒素を製造するに際して、反応器の
内部において、原料ガスを反応器内壁に沿って螺旋状に
流して原料ガスを混合、反応させることを特徴とする三
フッ化窒素の製造方法。