(57)【要約】【課題】金属亜鉛等の蒸気を冷却して液体亜鉛として回収する際の凝縮率を高精度で予測し、凝縮率予測のための手間とコストを削減する。【解決手段】金属と雰囲気ガスを選定し、雰囲気ガスの流量、前記金属及び前記雰囲気ガスの成分のモル分率のそれぞれの凝縮速度及び酸化速度をパラメーターとする常微分方程式を算定し、更に冷却速度を特定することにより前記金属蒸気の凝縮率を算出する。本発明によると、実験を行ったり、実際の装置を製造することなく、高精度で凝縮率を予測できる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属の蒸気を特定の冷却速度で冷却して前記金属を液体金属に凝縮させる際の凝縮率の解析方法において、金属と雰囲気ガスを選定し、雰囲気ガスの流量、前記金属及び前記雰囲気ガスの成分のモル分率のそれぞれの凝縮速度及び酸化速度をパラメーターとする常微分方程式を算定しかつ解くことにより、生成する金属と金属酸化物の組成比を求め、この組成比及び前記冷却温度から、前記冷却温度における前記金属蒸気の凝縮率を算出することを特徴とする金属蒸気の凝縮率の解析方法。
【請求項２】
金属が、亜鉛、カドミウム、カルシウム、マグネシウム、リチウム、ベリリウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、ストロンチウム、セシウム、バリウム、水銀、セレン、アンチモン、ビスマス、テルル、ヒ素、鉛及び錫から成る群から選択される請求項１記載の金属蒸気の凝縮率の解析方法。
【請求項３】
カドミウム、カルシウム、マグネシウム、リチウム、ベリリウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、ストロンチウム、セシウム、バリウム、セレン、アンチモン、ビスマス、テルル及びヒ素から選択される金属の蒸気と該金属と化学反応を起こす成分を含むガス中から前記金属を液体金属に凝縮させる方法において、前記金属の酸化速度よりも大きな冷却速度で前記金属蒸気を冷却することを特徴とする金属の凝縮方法。
【請求項４】
前記金属蒸気を含むＣＯ−ＣＯ２系ガス中から前記金属を凝縮させる請求項３に記載の金属の凝縮方法。
【請求項５】
金属蒸気の冷却速度が４００ｄｅｇ−℃／秒以上である請求項３又は４に記載の金属の凝縮方法。
【請求項６】
亜鉛蒸気と亜鉛と化学反応を起こす成分を含むガス中から前記亜鉛を液体亜鉛に凝縮させる方法において、４００ｄｅｇ−℃／秒以上の冷却速度で前記亜鉛蒸気を冷却することを特徴とする亜鉛の凝縮方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属蒸気を含むガス中から該金属蒸気を金属の状態で凝縮させるための方法、及び亜鉛等の金属蒸気を液体金属に凝縮させる際の凝縮率の解析方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来亜鉛蒸気を含むガスから亜鉛を金属状態で回収するには、亜鉛の酸化を防止するために、溶融亜鉛や溶融鉛といった、凝縮する亜鉛を溶解し得る物質を充満させ、前記溶融亜鉛等の溶融物内にガスを導入して上記溶融物に凝縮亜鉛を溶解させる手法が採られていた。例えばＩｍｐｅｒｉａｌ  Ｓｍｅｌｔｉｎｇ  Ｐｒｏｃｅｓｓ（ＩＳＰ）では鉛スプラッシュコンデンサー、竪型蒸留法では亜鉛スプラッシュコンデンサー、伝熱蒸留法では亜鉛浴中にガスを通じて亜鉛を金属として回収している。
その理由は以下の通りである。例えばＣＯ−ＣＯ２系ガス雰囲気下での亜鉛蒸気の酸化反応は式（１）式で表される。
【０００３】
Ｚｎ（ｇ）＋ＣＯ２（ｇ）  ＝  ＺｎＯ（ｓ）＋ＣＯ（ｇ）          （１）
【０００４】
式（１）において温度が低下すると反応が右に進み、亜鉛蒸気は酸化されて固体の酸化亜鉛が得られる。亜鉛蒸気を凝縮させるには冷却せざるを得ず、必ず式（１）が右に進む領域を通過しなければならないという根元的な理由による。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来から亜鉛蒸気を不活性ガス雰囲気中で冷却すればそのまま凝縮して金属亜鉛が得られることは当然知られていたが、工業的な亜鉛製錬に不活性ガス雰囲気を使用することは現実的でなく、ＣＯ−ＣＯ２系ガス雰囲気等の工業的に使用されている雰囲気下では亜鉛蒸気を凝縮して金属亜鉛として回収することは試みられていなかった。
更に従来の亜鉛蒸気回収方法は、設備費やランニングコストが膨大になり、又作業環境も劣悪であるという多くの欠点がある。
【０００６】
これらの欠点は、亜鉛以外の酸化を受け易いカルシウム、マグネシウム、リチウム、ベリリウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、ストロンチウム、セシウム、バリウム、カドミウム、セレン、アンチモン、ビスマス、テルル及びヒ素等の金属に関しても同様に指摘されている。
更にこれらの金属蒸気を凝縮させるためには冷却が必要になり、冷却速度が金属蒸気の凝縮率に大きな影響を及ぼす。この冷却速度以外にも系内のガス組成、例えばＣＯ−ＣＯ２系ガス雰囲気で亜鉛蒸気を凝縮させる場合には、亜鉛のモル分率、ＣＯのモル分率及びＣＯ２のモル分率などが影響する。
このように金属蒸気の凝縮に際しては、凝縮率に影響する因子が比較的多く、現状では実験を行わないと凝縮率の値が得られない。
【０００７】
工業的な金属蒸気の凝縮操作、例えば製鋼用電気炉から排出される排ガスに起因する大量の亜鉛や鉄等を含むダストから亜鉛等を凝縮を利用して回収する操作に使用される装置は、通常大型でかつ凝縮対象の金属の種類や前述した各種因子により凝縮率が左右される。従って一旦装置を製造して実際の金属凝縮に使用しても、所望の凝縮率が得られないことが多く、装置の改造や解体及び再組立てが必要になることがある。装置自体が大型であり前記改造に要するコストが嵩むため、金属蒸気の凝縮による回収の阻害原因となっている。
従って本発明は、金属蒸気を凝縮して液体又は固体金属を高収率で回収する方法、及び金属蒸気をガス雰囲気下で冷却する際の金属蒸気の凝縮を解析して一定以上の精度で凝縮率を算出するための方法に関する。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、第１に金属の蒸気を特定の冷却速度で冷却して前記金属を液体金属に凝縮させる際の凝縮率の解析方法において、金属と雰囲気ガスを選定し、雰囲気ガスの流量、前記金属及び前記雰囲気ガスの成分のモル分率のそれぞれの凝縮速度及び酸化速度をパラメーターとする常微分方程式を算定しかつ解くことにより、生成する金属と金属酸化物の組成比を求め、この組成比及び前記冷却温度から、前記冷却温度における前記金属蒸気の凝縮率を算出することを特徴とする金属蒸気の凝縮率の解析方法であり、第２にカルシウム、マグネシウム、リチウム、ベリリウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、ストロンチウム、セシウム、バリウム、カドミウム、セレン、アンチモン、ビスマス、テルル及びヒ素から選択される金属の蒸気と該金属と化学反応を起こす成分を含むガス中から前記金属を液体金属に凝縮させる方法において、前記金属の酸化速度よりも大きな冷却速度で前記金属蒸気を冷却することを特徴とする金属の凝縮方法である。
【０００９】
以下本発明を詳細に説明する。
本発明は、カルシウム、マグネシウム、リチウム、ベリリウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、ストロンチウム、セシウム、バリウム、カドミウム、セレン、アンチモン、ビスマス、テルル及び／又はヒ素の金属蒸気及び該金属蒸気を酸化し得る成分を有する混合ガスの冷却を急速に行うことにより金属蒸気の酸化を抑制して対応する液体金属又は固体金属を高選択率で得ることを意図している。
本発明者らの実験によると、カドミウム等の金属蒸気を酸化性ガス含有雰囲気で冷却すると、従来のような緩やかな冷却速度では殆どのカドミウム蒸気が酸化カドミウムに酸化されるのに対し、急速冷却するとカドミウム蒸気の殆どが酸化されずに金属カドミウムとして凝縮し、高収率かつ高選択率で金属カドミウムが得られることが見出された。
【００１０】
本発明では、カドミウム蒸気等を酸化性ガス含有雰囲気中で冷却することにより、カドミウム蒸気を金属カドミウムとして凝縮させるが、原子レベルで観察した場合に、カドミウム蒸気が酸化されて酸化カドミウムに変換される酸化率（単位時間当たりに生成する酸化カドミウムの原子数）より、カドミウム蒸気が凝縮して金属カドミウムになる冷却率（単位時間当たりに生成する凝縮金属カドミウムの原子数）が大きくなるように冷却条件を設定する。
具体的な冷却速度はカドミウム濃度等の条件に依存するが、１００℃／秒以上、好ましくは２００℃／秒以上、より好ましくは３００℃／秒以上とすると、高い選択率例えば９０％から９５％あるいはそれ以上の選択率でカドミウム蒸気を金属カドミウムに変換し回収できる。
冷却方法としては、カドミウム蒸気が収容され加熱炉中にある容器を加熱炉から大気中に移動させたり、周囲に水冷コンデンサーを設置したカドミウム用精留塔中で不純物を含むカドミウムを蒸発させ前記コンデンサーでカドミウム蒸気を冷却することなどが挙げられる。
【００１１】
本発明のカドミウム等の金属回収方法は少なくとも酸化性ガスを含有する雰囲気中で金属蒸気を冷却するが、雰囲気ガスとしてはカドミウム等と反応しないＣＯ−ＣＯ２系混合ガスであることが望ましい。Ｈ２−Ｈ２Ｏ系混合ガスも条件に依っては使用できるが、カドミウム等との反応性が比較的高いため、前記ＣＯ−ＣＯ２系混合ガスを使用することが好ましい。
本発明方法の対象である金属蒸気の原料は特に限定されないが、通常は金属製錬及び精製、焼却処理等で生成する金属蒸気とする。
【００１２】
亜鉛、カルシウム、マグネシウム、リチウム、ベリリウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、ストロンチウム、セシウム、バリウム、カドミウム、セレン、アンチモン、ビスマス、テルル及びヒ素のような比較的酸化され易い金属の場合、金属蒸気がＣＯ−ＣＯ２系混合ガスのような雰囲気中で冷却されると、液体金属への凝縮と金属酸化物への酸化の競争反応となる。この金属蒸気の凝縮による液体金属の回収又は採取における凝縮率は、冷却速度だけでなく、金属や雰囲気ガスの種類や、雰囲気ガスの流速などに依存する。この凝縮率が予測できれば装置全体のサイズや冷却設備の冷却容量等が予め設定でき、無駄を省くことができる。
又水銀や鉛、錫などの金属は酸化され難いため、雰囲気ガス中で冷却されても液体金属に変換され、金属酸化物は殆ど得られない。しかしこれらの金属の場合にも全体の金属に対する凝縮金属の割合を算出できれば有用である。
【００１３】
従って本発明は、亜鉛等の金属の蒸気を冷却して凝縮させる際の凝縮率を、実際に金属蒸気の凝縮を行うことなく比較的高い精度で算出する方法を提供する。
本発明では、実際の亜鉛等の工業的な凝縮装置とは異なり、凝縮率の算出のための実験用装置を作製する。そしてこの実験用装置を使用して実験的に、雰囲気ガスと冷却速度をパラメーターとして金属の凝縮率を測定する。
一方解析用のシミュレーションモデルを構築し、このシミュレーションモデルを使用して別に凝縮率を解析して凝縮率値を得て、実験的に測定した凝縮率値と比較して両者の差から前記シミュレーションモデルの的確性を評価する。
【００１４】
まず図１ａから図１ｃに示す３種類の実験用装置を使用し、冷却速度を含めた各種条件を変化させながら金属凝縮率を実験的に測定して、組成の異なるＣＯ−ＣＯ２系混合ガスを使用した場合の冷却速度と金属凝縮率の関係を求める（後述の実施例１〜１４参照）。
【００１５】
次に金属蒸気例えば亜鉛蒸気の凝縮・酸化シミュレーションモデルを構築する。
本シミュレーションは、金属蒸気が亜鉛蒸気で雰囲気ガスがＣＯ−ＣＯ２系混合ガスであり、亜鉛蒸気及びＣＯ−ＣＯ２系混合ガスが反応管内を流通するモデルについて説明する。
反応管内の微小区間（ΔＬ）内での物質収支を考慮して、各プロセス変数（ガス流量、ガスモル分率）の微分収支式を導出し、これを連続的に解くことにより反応管内のプロセス変数の分布や冷却速度を計算する。なおこのシミュレーションモデルでは、反応熱等の熱移動は考慮せず、ガス温度は反応管方向に直線的に変化するとした。又ガス組成などのプロセス変数は反応管半径方向に均一であるとし、凝縮反応及び酸化反応は反応管内壁のみで起こるとした。管内壁に凝縮した亜鉛はその後酸化されずに速やかに凝固するとした。
【００１６】
本シミュレーションでは、図２に示す反応管の微小区間（ΔＬ）には、Ｚｎ，ＣＯ及びＣＯ２が流通する。更にこの微小区間の入口側の面のガス流速をＦＧａｓ、Ｚｎのモル分率をｘＺｎ，ＣＯのモル分率をｘＣＯ、ＣＯ２のモル分率をｘＣＯ２とすると、この微小区間の出口側の面のガス流速はＦＧａｓ−ΔＦＧａｓ、Ｚｎのモル分率はｘＺｎ−ΔｘＺｎ、ＣＯのモル分率はｘＣＯ−ΔｘＣＯ、ＣＯ２のモル分率はｘＣＯ２−ΔｘＣＯ２となる。
【００１７】
本シミュレーションにおける反応速度式つまり亜鉛の総括凝縮速度式及び総括酸化速度式は次のように表せるものと仮定した。
ａ．凝縮速度
Ｖｏｌｍｅｒは飽和蒸気圧Ｐ０と凝縮表面上の蒸気圧Ｐｋの差を反応の駆動力として、Ｚｎ（ｇ）＝Ｚｎ（ｌ）の凝縮反応における単位時間及び単位面積当たりの金属蒸気の凝縮量ｍを式（２）で表している。式中、Ｍは分子量、Ｒは気体定数、Ｔは温度である。
本シミュレーションでは、式（２）を利用して、反応管内の亜鉛蒸気の過飽和度、即ち反応管内の亜鉛分圧ＰＺｎと亜鉛飽和蒸気圧ＰＺｎＯの差を反応の駆動力として、亜鉛の凝縮速度（Ｒ１）を式（３）で表せると仮定した。式中、Αは定数で、本シミュレーションではΑ＝１とした。
【００１８】
【数１】
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【００１９】
ｂ．酸化速度
亜鉛の二酸化炭素による酸化は式（４）で表せる。
Ｚｎ（ｇ）＋ＣＯ２（ｇ）＝ＺｎＯ（ｓ）＋ＣＯ（ｇ）        （４）
式（４）の酸化速度（Ｒ２）をＤｅｌｌ’Ａｍｉｃｏは式（５）で表している。式中、ＰＺｎｅは平衡亜鉛分圧である。
【００２０】
【数２】
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【００２１】
このようにして得られた凝縮速度及び酸化速度を利用して、ＣＯ−ＣＯ２系混合ガスのガス流量（ＦＧａｓ）、各成分のガスモル分率（ｘＺｎ，ｘＣＯ，ｘＣＯ２）について式（５）〜（８）の通り、常微分方程式を導出した。この常微分方程式を、ルンゲ・クッタ法を用いて解き、実施例１３の点α（点Ｂ）からその先４ｃｍまでの混合ガス温度、Ｚｎ，ＣＯ及びＣＯ２のそれぞれのガスモル分率を算出した。その結果を図３のグラフに示した。更に同様にして得られたガス流量、亜鉛凝縮量及び酸化亜鉛生成量の関係を図４のグラフに示した。
図４のグラフ中の任意の位置の亜鉛凝縮量及び酸化亜鉛生成量から、又は任意の区間の亜鉛凝縮量の積分値及び酸化亜鉛生成量の積分値から式（９）を利用して亜鉛の凝縮率を計算する。
後述の実施例等から分かるように、前述の実験値（測定値）と計算値は比較的正確に一致し、前述した本シミュレーションによる計算により高精度で亜鉛蒸気の液体亜鉛への凝縮率が算出できることが確認された。
【００２２】
【数３】
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【００２３】
これまで金属凝縮用の実験装置として図１ａ〜１ｃを例示し、図２において金属蒸気や混合ガス成分が流通する例を示したが、これらの装置は実験用のモデルであって、金属蒸気の凝縮を工業的に行う際には、図５に概略的に示した装置を使用することが望ましい。
図５の装置は、円筒形の金属蒸気凝縮器１１で、天板１２に粒径約０．０１〜１ｍｍのアルミナボール１３の供給口１４が形成されている。該金属蒸気凝縮器１１の側壁には、約１１００℃に加熱されたＺｎ，ＣＯ及びＣＯ２の混合ガスの導入口１５が形成され、該導入口１５の逆側のやや下方の側壁には排ガス取出口１６が形成されている。前記金属蒸気凝縮器１１の下部は縮径してアルミナボールの取出皿１７のやや上方に達している。
温度が４０〜５０℃の多数のアルミナボール１３と、約１１００℃に加熱されたＺｎ，ＣＯ及びＣＯ２の混合ガスを金属蒸気凝縮器１１内に導入し、該凝縮器１１内を冷却すると、亜鉛蒸気が凝縮してアルミナボール１３表面に均一被覆され、凝縮亜鉛１８が層状に被覆されたアルミナボール１９として取出皿１７に供給される。被覆された金属亜鉛は、溶融等によりアルミナボール１３から分離され、高純度の金属亜鉛が提供できる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明に係わる金属蒸気の凝縮率の解析方法に関する実施例を記載するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００２５】
［実施例１］
実験用として図１ａの概略図に示す冷却速度の大きい装置を使用した。
反応管１として内径４６ｍｍ、外径５０ｍｍ、長さ２０００ｍｍの石英管を使用し、試料である１００ｇの金属亜鉛を入れたＳｉ３Ｎ４製の試料容器２を反応管１の左端部から７５０ｍｍの点Ａにセットした。点Ａから右に２５０ｍｍの箇所に点Ｂ、更に右に１４０ｍｍの箇所に点Ｃ、更に右に６６０ｍｍの箇所に点Ｄを設定し、点Ａ〜Ｄのそれぞれの点には熱電対をセットした。点Ｄから反応管１の右端部までの距離は２００ｍｍであった。反応管１の両端にシリコン栓３を嵌合して密封した。
【００２６】
前記容器２が中心に来るように、反応管１に沿った長さが５００ｍｍである短寸円筒形の加熱炉４を反応管の周囲に配置し、前記シリコン栓３を通してアルゴンガスを供給して反応管１内をアルゴン雰囲気に置換した。前記容器２内の金属亜鉛の昇温中の蒸発を防ぐために前記容器２が加熱炉４外に位置するように反応管１を移動させた後、加熱炉４で反応管１内を加熱した。点Ａの温度が約１０００℃になった時点で反応管１を逆方向に移動させて前記試料容器２を点Ａに戻した。
反応管１の左端のシリコン栓３を通してＣＯ−ＣＯ２混合ガス（容積比１：１）を２．４リットル／分の供給速度で約２０分間送風した。熱電対で測定された、混合ガス送風時の点Ｂ−Ｃ間の温度勾配（α−β間傾き）は１８５６７ｄｅｇ／ｍであった。α−β間ガス流速は０．０９９ｍ／ｓｅｃであり、冷却速度は１８３８ｄｅｇ／ｓｅｃであった。
又亜鉛蒸発量から計算した反応直前の亜鉛分圧は０．２６ａｔｍであった。
【００２７】
送風停止後に反応管を加熱炉から取り出し、反応管内壁に付着した凝縮物を採取し、凝縮物の化学分析を行って金属凝縮率を計算し、かつ試料容器中に残留する亜鉛の量から亜鉛の蒸発量を算出した。その結果を表１に示し、かつ図６のグラフ中にも示した。なお金属凝縮率は式（９）から算出した。なお図６中、○はＣＯ／ＣＯ２＝０、●はＣＯ／ＣＯ２＝１、◎はＣＯ／ＣＯ２＝３２である。
【００２８】
金属凝縮率（％）＝（金属亜鉛量）／（全亜鉛量）×１００    （９）
【００２９】
本実施例では、点Ｂが加熱炉の端部に存在し、十分に加熱されないため炉内温度は３４５℃で点Ａの炉内温度である１０１１℃より６６６℃低くなっていて試料容器から蒸発した亜鉛蒸気は点Ｂ付近で急速に冷却され、更に点Ｃは加熱炉外に存在していて管内温度は１４７℃で点Ｂより１９８℃低くなっていた。点Ｃは２１℃で室温と同じであった。
このように本実施例では、点Ａ→（−６６６℃）→点Ｂ→（−１９８℃）→点Ｃ→（−１２６℃）→点Ｄのように隣接する点の間の温度差が大きく、試料容器から蒸気して生成した亜鉛蒸気は雰囲気ガス中の二酸化炭素ＣＯ２で酸化される前に急速に冷却されて凝縮し反応管内壁に付着したと考えられる。従って点Ｂの金属凝縮率は９７．３％という高い値が得られた。
【００３０】
ここで反応管内で亜鉛が蒸発した後、急激に温度が減少する点Ｂ付近で冷却される速さを便宜的に冷却速度と定義し、これを計算した。冷却速度は、点Ｂ付近のα−β間の温度差をα−β間のガスの移動時間で割った（又はα−β間の温度勾配にα−β間のガス流速を掛けた）もので表され、その計算式は式（１０）の通りである。
【００３１】
冷却速度（℃／秒）＝［α−β間の温度勾配（℃／ｍ）］×［α−β間のガス流速（ｍ／秒）］          （１０）
【００３２】
［実施例２］
実施例１と同様に図１ａに示した実験用装置を用いて表１に示した条件で金属凝縮率を測定したところ、８７．６％であった。
【００３３】
［実施例３〜５］
冷却速度の比較的小さい実験装置とて図１ｂの概略図に示す装置を使用した。
本実施例では、加熱炉４ａの横幅を長くして、点Ｃ及び点Ｄのほぼ中間付近まで加熱炉４ａ内に存在するようにしたこと以外は、点Ａ〜Ｄの設定箇所を含めて実施例１と同じようにして実験を行った。実施例３〜５の他の条件は表１の通りとした。
実施例１と同様に、送風停止後に反応管を加熱炉から取り出し、反応管内壁に付着した凝縮物を採取し、凝縮物の化学分析を行って各点の金属凝縮率を計算し、かつ試料容器中に残留する亜鉛の量から亜鉛の蒸発量を算出した。その結果を表１及び図６のグラフに示した。
【００３４】
［実施例６〜１４］
これらの例では加熱炉４、４ａを２個使用して、先行する実施例では加熱炉外であった点Ｄを加熱炉内とした図１ｃに示す実験装置を使用し、表１に示す条件で亜鉛蒸気の凝縮率を測定した。
その結果を表１及び図６のグラフに示した。なお実施例７の実験装置の各位置における温度は図８に示す通りであった。
【００３５】
【表１】
2004294111.tif 000006
【００３６】
［実施例に関する考察］
各実施例は、装置（加熱炉）の形式や、加熱時間、混合ガス中のＣＯとＣＯ２の比など多くの点で異なっているが、冷却速度が４００℃／秒である実施例では非常に高い亜鉛凝縮率（７８．７％以上）が得られている。
又ＣＯ／ＣＯ２比が３２の場合には、冷却速度に拘らず、８９．５％以上の亜鉛凝縮率が得られている。これは亜鉛を酸化するＣＯ２の含有量が低いためである。
【００３７】
［計算例］
実施例１〜１４の各実施例におけるＣＯ−ＣＯ２混合ガスの流速、各ガス成分のモル分率から前述した常微分方程式を作成し、これを解き、解いた結果から凝縮率を算出した。計算の結果得られた各凝縮率と冷却速度の関係を図７に、図６の実測値とともに記載した。
図６と図７を比較すると、実験値と計算値はほぼ一致し、この結果から、実際に実験を行わなくても、計算により金属の凝縮率が高精度で得られることが分かる。
【００３８】
［実施例１５］
金属凝縮率に及ぼす亜鉛分圧の影響を調べるために、前述のモデルを使用した。混合ガスとしてＣＯ／ＣＯ２＝２を使用し、冷却速度と金属凝縮率の関係を亜鉛分圧をパラメーターとして測定し得られた結果を図９に示した。図９のグラフから亜鉛分圧が低いほど冷却速度を大きくしないと高い金属凝縮率が得られず、又亜鉛分圧の大小にかかわらず、冷却速度の僅かな上昇で金属凝縮率が大きく向上するポイントがあることも分かった。
【００３９】
【発明の効果】
本発明は、金属の蒸気を特定の冷却速度で冷却して前記金属を液体金属に凝縮させる際の凝縮率の解析方法において、金属と雰囲気ガスを選定し、雰囲気ガスの流量、前記金属及び前記雰囲気ガスの成分のモル分率のそれぞれの凝縮速度及び酸化速度をパラメーターとする常微分方程式を算定しかつ解くことにより、凝縮金属と金属酸化物の組成比を求め、この組成比及び前記冷却温度から、前記冷却温度における前記金属蒸気の凝縮率を算出することを特徴とする金属蒸気の凝縮率の解析方法（請求項１）である。
本発明の解析方法により金属の凝縮率を解析すると、実験を行ったり、実際の装置を製造することなく、高精度で前記凝縮率を予測でき、手間やコストの大幅な削減が可能になる。
【００４０】
解析可能な金属として、亜鉛、カドミウム、カルシウム、マグネシウム、リチウム、ベリリウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、ストロンチウム、セシウム、バリウム、水銀、セレン、アンチモン、ビスマス、テルル、ヒ素、鉛及び錫などがある（請求項２）。これらの金属のうち、亜鉛、カドミウム、カルシウム、マグネシウム、リチウム、ベリリウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、ストロンチウム、セシウム、バリウム、セレン、アンチモン、ビスマス、テルル及びヒ素はその蒸気が酸化を受け易く、金属蒸気を冷却し凝縮させる際の凝縮率を予測し、更に凝縮率を高めて対応する金属酸化物量を減少させる条件設定を行うことも可能である。水銀及び鉛に関しては酸化を受け難いため酸化抑制条件の設定という面での有用性は低いが、金属蒸気のうちの凝縮する割合を予測できるという利点がある。
【００４１】
カドミウム、カルシウム、マグネシウム、リチウム、ベリリウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、ストロンチウム、セシウム、バリウム、セレン、アンチモン、ビスマス、テルル及びヒ素から選択される金属の蒸気と該金属と化学反応を起こす成分を含むガス中から前記金属を液体金属に凝縮させる際に、前記金属の酸化速度よりも大きな冷却速度で前記金属蒸気を冷却すると（請求項３）、通常の冷却速度で金属蒸気と酸化性ガス等の混合ガスの冷却を行う場合と異なり、高選択率で、金属蒸気を対応する金属酸化物に変換することなく、金属として凝縮させることができる。従って従来は金属酸化物として得られていた金属蒸気の冷却生成物を有用な金属単体として得ることも可能になり、冷却速度の調節で生成物を選択できることになる。
この凝縮はＣＯ−ＣＯ２系ガス中で行うことが好ましく（請求項４）、又金属蒸気の冷却速度が４００ｄｅｇ−℃／秒以上であると（請求項５）、他の条件に拘らず、高い凝縮率で液体又は固体金属が得られる。又亜鉛蒸気の凝縮を行う場合にも蒸気の冷却速度が４００ｄｅｇ−℃／秒以上であると（請求項６）、他の条件に拘らず、高い凝縮率で液体又は固体金属が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１ａから図１ｃは実施例で使用した３種類の実験用装置を示す概略図。
【図２】本発明のシミュレーションで使用した、Ｚｎ，ＣＯ及びＣＯ２が流通する反応管の微小区間（ΔＬ）を示す概略図。
【図３】反応管内の位置と各成分のモル分率の関係を示すグラフ。
【図４】反応管内の位置と、ガス流量及び亜鉛凝縮量及び酸化亜鉛生成量の関係を示すグラフ。
【図５】金属蒸気の凝縮を工業的に行う際に使用可能な装置の概略図。
【図６】実施例で得られた冷却速度と金属凝縮率の関係を示すグラフ。
【図７】実施例で得られた冷却速度と金属凝縮率の関係、及び計算で得られた冷却速度と金属凝縮率の関係を纏めて示すグラフ。
【図８】実施例７の実験装置の各位置における温度を示すグラフ。
【図９】実施例１５における、冷却速度と金属凝縮率の関係を亜鉛分圧をパラメーターとして計算で得られた結果を示すグラフ。
【符号の説明】
１    反応管
２    試料容器
３    シリコン栓
４、４ａ    加熱炉
１１    金属蒸気凝縮器
１３    アルミナボール
１８    凝縮亜鉛層
１９    凝縮亜鉛被覆アルミナボール
【図１】
2004294111.tif 000007
【図２】
2004294111.tif 000008
【図３】
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【図４】
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【図５】
2004294111.tif 000011
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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