(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温ゾーンの中に、少なくとも一対の実質的に非消耗性の電極間に電気アークを発生させ、
高温ゾーンの中に、含フッ素種と含炭素種を含む熱プラズマを発生する少なくとも一つの投入材料を供給し、
高温ゾーンの中において、含フッ素種と含炭素種を含む熱プラズマを発生させ、
制御されたエンタルピー条件下で粒状含炭素物質を熱プラズマと混合し、Ｃ／Ｆモル比が０．４〜２であり、比エンタルピーが約１ｋＷ時／ｋｇ〜約１０ｋＷ時／ｋｇの間にある反応性熱混合物を生成し、
反応性熱混合物を気体状にする時間の間、前記比エンタルピーを調節し、ここで、反応性熱気体混合物は、含フッ素前駆体と含炭素前駆体を含む反応種を含有しており、また、これらの前駆体は、含フッ素種、含炭素種および粒状含炭素物質から誘導されたものであり、そして
反応性熱気体混合物を、フルオロカーボン化合物を含む最終生成物を生成するように選択された冷却速度および冷却温度で冷却する、
工程を含む、フルオロカーボン化合物を製造する方法。
【請求項２】
投入材料が投入気体流であって、且つ一般式ＣnＦm（式中、０＜ｎ≦１０であり、そしてｎ＞１の場合には、ｍが、ｍ＝２ｎ、２ｎ＋２、および２ｎ−２からなる群から選択される）の短鎖ペルフッ素化炭素化合物の形態である少なくとも一つのフルオロカーボン化合物、および任意的にフッ素ガスを含み、フッ素ガスが存在する場合には、投入気体の約５〜３０モル％の量で存在する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
粒状含炭素物質が、熱プラズマと混合される前に予備加熱され、そして含炭素粒子が反応性熱混合物の中で約２０００Ｋ〜３０００Ｋの温度に達するように制御された速度および温度で供給される、請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
粒状含炭素物質が、約１０-3ｍｍ〜約０．３ｍｍの粒子サイズをもつ粒状炭素であり、ここで、炭素が、水素、珪素および硫黄を実質的に含有しないか、または粒状ポリテトラフルオロエチレンである、請求項３記載の方法。
【請求項５】
さらに、混合ゾーンを高温ゾーンの近傍に提供する工程を含み、ここで、粒状含炭素物質の導入が混合ゾーンで行われ、かつ混合ゾーン中の圧力が約０．０１〜１．０バールに維持される、請求項３または４記載の方法。
【請求項６】
さらに、
残留する固体の含炭素粒子を最終生成物から分離し、そして
分離された含炭素粒子を熱プラズマの中に再び導入するように再循環させる
工程を含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
実質的に非消耗性の電極間にアークを付与することによる高温ゾーン、および高温ゾーンの近傍の混合ゾーンを提供し、
少なくとも一つのフルオロカーボン化合物を含有する投入気体流を、高温ゾーンの中に供給し、そして前記ゾーン中に、Ｃ／Ｆモル比がｘとなり比エンタルピーがｙとなるように、含フッ素種および含炭素種を含有する熱プラズマを発生させ、
熱プラズマ中のＣ／Ｆモル比ｘを約０．４〜２の間の選択された値に制御し、
前記高温ゾーンの中で熱プラズマの比エンタルピーｙを約１ｋＷ時／ｋｇ〜約１０ｋＷ時／ｋｇに制御し、
混合ゾーンの中に粒状含炭素物質を導入して前記Ｃ／Ｆ比を維持しながら熱プラズマと混合して、含炭素粒子が約２０００Ｋ〜３０００Ｋの温度に達する反応性熱気体混合物であって、反応性フッ素含有前駆体と反応性炭素含有前駆体を含み、かつ約３ｋＷ時／ｋｇ以上の比エンタルピーを有する前記反応性熱気体混合物を形成し、
前記反応性熱気体混合物を前記条件に或る時間の間維持し、そして
前駆体を含有する反応性熱気体混合物を、冷却ゾーンの中で、少なくとも一つの望まれるフルオロカーボン化合物を含有する生成物混合物が生成するように、急速に冷却する
工程を含む、フルオロカーボンを製造する方法。
【請求項８】
反応性熱気体混合物は、約５００〜１０8Ｋ／秒の冷却速度で、約１００Ｋ〜約１２００Ｋの選択された冷却温度範囲に急速に冷却され、そして冷却熱混合物中の前駆体は、最終生成物中にテトラフルオロエチレン（Ｃ2Ｆ4、ＴＦＥ）、ヘキサフルオロエタン（Ｃ2Ｆ6）、ヘキサフルオロプロパン（Ｃ3Ｆ6）、オクタフルオロプロパン（Ｃ3Ｆ8）、およびテトラフルオロメタン（ＣＦ4、四フッ化炭素）からなる群の望まれるフルオロカーボン化合物の少なくとも一つを生成する時間の間、選択された冷却温度範囲で反応させられる、請求項７記載の方法。
【請求項９】
実質的に非消耗性の電極がプラズマバーナーによって提供され、電極が、銅、ニッケル、および銅／ニッケル合金の電極からなる群から選択された陽極および陰極を含み、任意的には、グラファイトおよびドープされたグラファイトからなる群から選択された挿入体を有していてもよく、渦がプラズマ中に発生していてもよく、また、混合ゾーンはバーナーのテールフレームの領域に位置していてもよく、そして、
電極を約１３００Ｋ未満の温度に冷却しかつ維持する
工程を含む、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
熱プラズマを収容するのに適する高温ゾーン、
高温ゾーンの中に電気アークを生じさせて、このゾーンの中に供給された投入材料を、含フッ素種および含炭素種を含む熱プラズマに転化させるための実質的に非消耗性の電極、
投入材料が熱プラズマに転化されるように、投入材料を高温ゾーンの中に導入するための投入材料供給手段、
熱プラズマを粒状材料と混合させ、反応性熱混合物を形成させるのに適する混合ゾーン、
制御されたエンタルピー条件下で、反応性フッ素含有前駆体および反応性炭素含有前駆体を含む反応種を含有する反応性熱混合物を形成するために、熱プラズマ混合ゾーン中に粒状含炭素物質を導入するための粒状物質導入手段、
反応性熱混合物を、制御されたエンタルピー条件下、および制御されたＣ／Ｆ比で、反応性フッ素含有前駆体および反応性炭素含有前駆体を含む反応種を含有する反応性熱気体混合物にするのに適する反応ゾーン、
反応性熱混合物中の比エンタルピーおよびＣ／Ｆ比を制御するための制御手段、および
少なくとも一つの目的のフルオロカーボン化合物を含有する最終生成物を生成するための制御された方法で、反応性熱混合物を冷却するための冷却手段
を含む、フルオロカーボン化合物を製造するための装置。
【請求項１１】
実質的に非消耗性の電極がプラズマバーナーの中に提供され、銅、ニッケル、および銅／ニッケル合金の電極からなる群から選択され、任意的には、グラファイトおよびドープされたグラファイトからなる群から選択された挿入体を有していてもよく、ここで、電極を約１３００Ｋ未満の温度に冷却し、かつその温度に維持するための冷却手段が設けられており、また、高温ゾーンの中の熱プラズマの中に渦を発生させるために、プラズマバーナーの一部として渦発生器が設けられていてもよい、請求項１０記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明はフルオロカーボン化合物の製造方法およびフルオロカーボン化合物の製造装置に関する。特に、本発明は最少の廃物生成をもって必要なフルオロカーボン化合物の連続した選択的製造を行うのに適する方法および装置に関する。
【０００２】
本発明の一態様によれば、必要なフルオロカーボン化合物の製造方法が提供され、この方法は次の工程を含んでいる：
高温ゾーンを提供し；
高温ゾーンの中に少なくとも一つの投入材料を供給してそれによって含フッ素種と含炭素種を含む熱気体本体（ｂｏｄｙ  ｏｆ  ｈｏｔ  ｇａｓ）を生じ；
熱気体本体の中のＣ／Ｆモル比を約０．４〜２の間の選択値に制御し；
熱気体本体の比エンタルピー（ｓｐｅｃｉｆｉｃ  ｅｎｔｈａｌｐｙ）を、反応性フッ素含有前駆体と反応性炭素含有前駆体を含む反応種を含有する反応性熱気体混合物（ｒｅａｃｔｉｖｅ  ｔｈｅｒｍａｌ  ｇａｓｅｏｕｓ  ｍｉｘｔｕｒｅ）を形成する時間の間、約１ｋＷ時／ｋｇ〜約１０ｋＷ時／ｋｇの間に制御し；そして
反応性熱気体混合物を、望まれるフルオロカーボン化合物を含む最終生成物を生成するように選択された冷却速度で且つそのように選択された冷却温度に冷却する。
【０００３】
熱気体本体の中のＣ／Ｆ比は代表的には、エネルギーの最適利用をもって前記前駆体の最適の生成を可能にするように選択される。
【０００４】
別に規定されていない限り、本明細書中に示された比エンタルピーは熱気体混合物に関するものであり、そして熱気体混合物１ｋｇ当たりの値を表わしている。
【０００５】
投入材料は、投入気体流であってよく、かつ少なくとも一つのフルオロカーボン化合物を含んでいてもよい。従って、投入材料は、必要なフルオロカーボン最終生成物が製造されるのを可能にするために、熱気体本体中の必要なＣ／Ｆモル比を与えるように選択された一つまたはそれ以上のフルオロカーボン化合物を含んでいてもよい。フルオロカーボン化合物は短鎖であってもよく、代表的には、一般式Ｃｎ  Ｆｍ（式中、０＜ｎ≦１０であり、そしてｍ＝２ｎ、２ｎ＋２、または２ｎ＝２（ただし、ｎ＞１である）である）のＣ１〜Ｃ１０ペルフッ素化炭素化合物であり、たとえば、ジフルオロエチン（Ｃ２Ｆ２）、テトラフルオロエチレン（Ｃ２Ｆ４、ＴＦＥ）、ヘキサフルオロエタン（Ｃ２Ｆ６）、ヘキサフルオロプロペン（Ｃ３Ｆ６）、オクタフルオロプロパン（Ｃ３Ｆ８）、テトラフルオロメタン（ＣＦ４）、オクタフルオロブテン（Ｃ４Ｆ８）、またはデカフルオロブタン（Ｃ４Ｆ１０）のような気体フルオロカーボンである。
【０００６】
本発明方法によって製造される所望のフルオロカーボン化合物は、典型的には、Ｃ１−Ｃ４フルオロカーボン、例えばテトラフルオロエチレン（Ｃ２Ｈ４、ＴＦＥ）、ヘキサフルオロエタン（Ｃ２Ｆ６）、ヘキサフルオロプロペン（Ｃ３Ｆ６）、オクタフルオロプロパン（Ｃ３Ｆ８）、およびテトラフルオロメタン（ＣＦ４、四フッ化炭素）、である。
【０００７】
所望のフルオロカーボン最終生成物として特に述べられたフルオロカーボンのいくつかは、可能な投入フルオロカーボンと同じ前述の化合物であることが気づかれるであろう。それ故、本発明は、利用可能であるがしかし所望しないフルオロカーボンを、他の所望されるフルオロカーボン化合物に効率よく変換する方法、およびフルオロカーボン化合物の混合物を、１種またはそれ以上の所望のフルオロカーボン化合物に変換する方法、を提供することをもくろんでいる。
【０００８】
本発明の別の態様によれば、本発明の方法はさらに、
制御されたエンタルピー条件下で、熱気体本体の中に、粒状含炭素物質を導入して、反応性熱気体混合物の中に、含炭素物質から誘導された反応性前駆体を形成する工程を含んでいる。投入材料がフルオロカーボン化合物を含有している場合には、反応性前駆使体は従って、フルオロカーボン化合物から及び粒状含炭素物質から誘導されてもよい。
【０００９】
従って、本方法は
高温ゾーンを提供し；
高温ゾーンの中に、少なくとも一つのフルオロカーボン化合物を含有する投入気体流を導いて熱気体本体を生じ；
制御されたエンタルピー条件下で、粒状含炭素物質を熱気体本体の中に導入して、約０．４〜２の間のＣ／Ｆモル比および約１ｋＷ時／ｋｇ〜約１０ｋＷ時／ｋｇの間の比エンタルピーを有する反応性熱混合物を生成させ；少なくとも一つの反応性熱気体混合物を生成させる時間間隔において前記の比エンタルピーを調節し、かつ前記混合物は、フルオロカーボン化合物と粒状含炭素物質から誘導された望まれる含フッ素前駆体と含炭素前駆体を含む反応種を含有しており；そして
この反応性熱混合物を、少なくとも一つの望まれるフルオロカーボン化合物を含有する生成物混合物を生成する仕方で冷却する；
各工程を含んでいてもよい。
【００１０】
高温ゾーン中の熱気体本体は、前記投入気体によるプラズマを発生させることによって、たとえば、少なくとも一対の電極の間の前記高温ゾーンの中にアークを発生させることによって、提供されてもよい。本明細書において定義されているような電極は実質的に非消耗性の電極であってもよい。
【００１１】
熱気体本体の中に形成される反応種は、投入気体流の組成、粒状含炭素物質の特性、およびその他の因子に依存するであろう。さらに、特定の反応種は粒状含炭素物質の導入前でさえ熱気体本体の中に形成されてもよく、そして更に反応種が前記含炭素物質の導入後に形成されてもよい。これら反応種については後で詳しく記述する。反応種は、選択された反応温度に急速冷却する適切な条件下でさらに反応するときに必要なフルオロカーボン生成物（単数または複数）を生じるであろうような特定の必要な前駆体を包含する。
【００１２】
後で詳しく説明するが、反応種の中に望まれる前駆体を含有している反応性熱混合物を冷却する仕方は最終フルオロカーボン生成物（単数または複数）を決定する。従って、冷却工程は好ましくは、冷却速度、冷却される温度の範囲、および冷却される熱混合物が冷却温度範囲に保たれる時間、のどれもが、最終生成物として生成される少なくとも一つの望まれるフルオロカーボン化合物の特性を決定するように選択されている。
【００１３】
粒状含炭素物質は、望まれる前駆体を含む反応種を含有し且つ好ましくは約３ｋＷ時／ｋｇ以上の比エンタルピーを有する反応性熱混合物を形成するような仕方およびそのようなエンタルピー条件下で、熱気体本体たとえば熱プラズマの中に導入されてもよい。この粒状含炭素物質は熱気体本体の中に導入される前に予備加熱されてもよい。粒状含炭素物質の供給速度およびその予備加熱温度は従って、反応性熱混合物の中で含炭素粒子が約２０００Ｋ〜３０００Ｋの温度に到達するような前記反応性熱混合物を提供するように制御されてもよい。
【００１４】
粒状の含炭素物質は高温ゾーン中の熱気体本体の中に直接に導入されてもよいし、または高温ゾーンから出る熱気体本体と混合するための混合ゾーンの中に導入されてもよい。
【００１５】
従って、本方法は、
実質的に非消耗性の電極の間のアークを提供することによって、高温ゾーン、および高温ゾーンの近くに混合ゾーン、を提供し；
高温ゾーンの中に、少なくとも一つのフルオロカーボン化合物を含有する投入気体流を供給し、そして含フッ素種と含炭素種を含有する熱プラズマを前記ゾーンの中に発生させ；
熱プラズマ中のＣ／Ｆモル比を約０．４〜２の間の選択された値に制御し；
前記高温ゾーンにおいて熱プラズマの比エンタルピーを約１ｋＷ時／ｋｇ〜約１０ｋＷ時／ｋｇの間に制御し；
粒状含炭素物質を、前記Ｃ／Ｆ比を維持しながら熱プラズマと混合するための混合ゾーンの中に導入して、反応性熱混合物であって、その中で含炭素粒子が約２０００Ｋ〜３０００Ｋの温度に到達する前記反応性熱混合物であって、反応性フッ素含有前駆体と反応性炭素含有前駆体を含む反応種を含有し、かつ約３ｋＷ時／ｋｇ以上の比エンタルピーを有する前記反応性熱混合物を形成し；
前記反応性熱混合物を、ある時間の間、前記条件に維持し；そして
前駆体を含有する反応性熱混合物を、冷却ゾーンの中で、少なくとも一つの望まれるフルオロカーボン化合物を含有する生成混合物を生成する仕方で急速冷却する；
各工程を含んでいてもよい。
【００１６】
粒状含炭素物質を導入してもよい混合ゾーンは高温ゾーンの一部を形成していてもよいし、または高温ゾーンに直接隣接していてもよい。好ましい態様においては、高温ゾーンはプラズマバーナーのアークの中および周辺および近隣にあってもよいし、そして混合ゾーンはバーナーからの出口に、すなわち、バーナーのテールフレーム（ｔａｉｌ  ｆｌａｍｅ）の領域中に在ってもよい。
【００１７】
本発明は、フルオロカーボン物質を好ましくは炭素の存在下で加熱して制御されたＣ／Ｆ比および約１ｋＷ時／ｋｇ〜約１０ｋＷ時／ｋｇの間の比エンタルピーを有する熱気体本体を生じ、そしてこの反応混合物を約８００Ｋ未満の温度に急速に急冷（ｑｕｅｎｃｈ）することによって、テトラフルオロエチレン（Ｃ２Ｆ４、ＴＦＥ）、テトラフルオロメタン（ＣＦ４）、ヘキサフルオロエタン（Ｃ２Ｆ６）およびヘキサフルオロプロパン（Ｃ３Ｆ６）のようなフルオロカーボンが製造できるということに基づいている。この反応に要求される高いエンタルピーは一般に、グラファイト抵抗体を使用しての抵抗加熱、ラジオ周波数を使用してのグラファイトの誘導加熱、誘導結合または容量結合されたプラズマ発生、低周波交番電流によるプラズマ発生、または様々な電極システムたとえば低消耗強冷炭素電極や冷却非炭素電極や強冷非炭素／炭素電極を使用しての直流によるプラズマ発生のような方式によって達成されてもよい。
【００１８】
従って、本発明の目的は、反応種を含有する高温プラズマが形成されることであり、その反応種の中の幾つかが炭素と共に望まれる反応性前駆体を形成し、その前駆体が炭素の存在下で急冷中および急冷後に望まれるフルオロカーボン生成物を生成する。
【００１９】
高温プラズマがそれによって発生されるところの投入気体がフルオロカーボン化合物を含んでいる場合には、次のような反応種、すなわち、ＣＦ３、ＣＦ２、ＣＦ、Ｆ、Ｃおよびそれらのイオンが形成されるであろう。
【００２０】
プラズマガスを炭素粒子と混合すると、次のような反応種、すなわち、Ｃ（気体）、Ｃ（固体）、Ｃ＋（イオン）、Ｃ２（気体）、Ｃ２Ｆ２（気体）、Ｃ２Ｆ４、Ｃ２Ｆ６、Ｃ３（気体）、ＣＦ（気体）、ＣＦ＋（イオン）、ＣＦ２（気体）、ＣＦ３（気体）、ＣＦ４（気体）、Ｆ（気体）、Ｆ−（イオン）、ｅ（電子）が形成されるであろう。これら反応種の中で、Ｃ２Ｆ４（ＴＦＥ）製造のための望まれる前駆体は次のようなもの、すなわち、Ｃ２Ｆ２、ＣＦ２、ＣＦ３、ＣＦおよびＦである。従って、熱気体本体のエンタルピー、熱気体本体の中のＣ／Ｆ比、および広く使用される圧力は、反応性熱混合物の中でのこれら反応性前駆体の優勢を促進するように制御されてもよい。
【００２１】
実験的手法においては、本プロセスは０．０１バール〜１．０バールの範囲の圧力で、投入フルオロカーボン化合物としてＣＦ４を使用し、そして非冷却炭素電極をもつ直流（ＤＣ）プラズマ装置および４０〜１２０Ａ／ｃｍ２の範囲の電流密度によって、実施された。かかる炭素電極は特定の温度および圧力の条件下で特定レベル以上の電流が電極に流れると、たとえば、大気圧および約４０００Ｋの温度で１００Ａ／ｃｍ２を越す電流が電極に流れると、昇華する。（これは例示であり、後で図３５を参照して更に説明する）。炭素電極の昇華が起こる電流レベルは圧力の低下によって低下することが測定された。約８０Ａ／ｃｍ２を越す電流で、そして約０．０１〜０．１バールの圧力では、測定可能な量の炭素が昇華する。また、炭素の昇華温度は同様に、圧力の低下によって低下する。約０．０１〜０．１バールの圧力では昇華温度は約３０００Ｋに降下する。（これは後で図２７〜３０を参照して更に説明する。）
【００２２】
フルオロカーボン出発材料としてＣＦ４を使用し、そして非冷却炭素電極による直流プラズマ発生を用いた上記の実験的手法においては、電極からの昇華炭素はＴＦＥのかなりの収率（約８０％）のために必要とされるのに十分な炭素を提供し、そうして、炭素電極を急速に消耗させていると考えられる。従って、かかる手法は連続操作にすぐに適しないことは明らかである。
【００２３】
従って、この実験研究は非冷却炭素電極をもつプラズマ装置の使用が非実用的であることを示した。何故ならば、電極が消耗したので、この製造プロセスを、数分より以上の間、走行することが不可能になったからである。
【００２４】
出願人は、実質的に非消耗性の電極を使用するプラズマ装置は本プロセスを実質的により長い時間、すなわち、数時間まで、走行させるのに成功裏に使用できることを見出した。出願人によって行われた研究にかかわる重要な点は、高い操作温度での（たとえば、約１３００Ｋまでの温度での）フッ素による化学的腐食に対して優れた抵抗性を示す材料から製造された電極が必要であること、およびそれと共に、電極を約１３００Ｋ未満の温度に冷却すること、それも強く冷却すること、たとえば、グラファイトの場合には約８００Ｋ未満に冷却すること必要であることを実証していることである。
【００２５】
非消耗性電極は、実質的な消耗無しで、すなわち、実質的な劣化および／または浸食を受けないで、数分より長く且つ数時間まで操作できる電極を意味する。代表的には、冷却された又は強く冷却された金属電極たとえば銅または銅合金の電極が使用されてもよく、それらは炭素またはグラファイトの挿入体（ｉｎｓｅｒｔ）のような適切な耐熱性材料の挿入体を有していてもよい。挿入体は代わりに、ドープされたグラファイトまたは高温金属合金たとえばタングステン、トリア化タングステン、その他のドープされたタングステン合金、ジルコニウム、ハフニウム、炭化ハフニウム、タンタル、炭化タンタルまたはその他の適する高温材料であってもよい。電極については後で更に詳しく記述する。電極はプラズマ発生装置たとえば高圧ＤＣプラズマバーナーの一部を形成していてもよい。以下においては、本発明の方法は高温プラズマを発生させる手段として高圧ＤＣプラズマバーナーを使用することを引用して記述されている。かかるプラズマバーナーは適宜、１つより多く、好ましくは３つ用意されてもよく、テールフレームの出口部を有するプラズマバーナーが従来の方法において形成され、そして該バーナーは、製造装置の一部を成す混合チャンバーの中に延びて配列されてもよい。
【００２６】
上記の通り、電極は好ましくは非消耗性の、冷却された金属電極であり、場合によっては、グラファイトのような挿入体を有する。かかる電極が比較的長寿命であること以外の好ましい理由の一つは、電極の浸食が全く起こらないか又は極く僅かしか起こらないことであり、その結果、浸食生成物が全く形成されないか又は極く僅かしか形成されず、そしてバーナー出口部分の閉塞が回避される。消耗性炭素電極を使用した実験研究では、炭素が昇華し、そしてバーナーの冷却器出口領域で昇華炭素の固化が起こることが判明した。固化した炭素は硬い塊に成り、それはバーナーの出口の閉塞を起こさせるばかりでなく、反応性混合物の急速冷却を行うために設けられた急冷手段の付着物堆積および閉塞を起こさせる。それについては後で詳述する。かかる炭素析出および固化は従って、プロセスの連続走行を妨げ、そして／または損なうであろう。
【００２７】
本発明によって意図された非消耗性電極、たとえば、グラファイト挿入体を有する冷却された銅または銅合金の電極を用いると、プロセスを数時間、すなわち、約８時間を越えて約３日までも、走行することができるようになる。本発明のこの特徴は副生物の再循環を可能にする仕方で、最少の廃棄排出物の形成をもって、本明細書に記載されているようなフルオロカーボン生成物特にＴＦＥを製造するための実用的な工業的製造方法を提供する可能性を生じさせる。
【００２８】
複数の、たとえば、３個のプラズマバーナーを使用した場合、それらは混合ゾーンの中に延びるように、たとえば混合チャンバーの形態で、配列されてもよく、そのような仕方では、使用中に、それらプラズマバーナーのテールフレームは混合チャンバーの中まで延びるであろうし、そうなると、延びた高温ゾーンが確立されるであろうし、その高温ゾーンは高温ゾーンの中の温度より僅かだけ低い温度をもつ混合ゾーンによって囲まれている。
【００２９】
投入気体流の中のフルオロカーボン化合物はＣＦ４またはＣ２Ｆ６またはその混合物のような化合物であってもよいし、またはＦ２気体の希釈混合物から成っていてもよいし、またはＦ２気体の希釈混合物を含んでいてもよい。実際には、好ましいエンタルピーのレベルは投入気体の組成に依存して最適な操作および製造の効率を確保するように調節されなければならないであろう。
【００３０】
粒状含炭素物質は細かい粒状形態で、たとえば、約１０−３ｍｍ〜約０．３ｍｍの粒子サイズを有して、熱気体本体の中に導入されてもよい。先に示したように、供給速度は好ましくは、反応性熱混合物の中のＣ／Ｆモル比が約０．４〜２になるように、且つ熱混合物中の炭素粒子が約２０００Ｋ〜３０００Ｋの温度に到達するように、調節される。反応性熱混合物の比エンタルピーは好ましくは、約３ｋＷ時／ｋｇ以上に保たれる。反応性熱混合物のエンタルピー（および従って温度）は、中でも、温度および添加炭素粒子の量に依存するであろうことは明らかであろう。
【００３１】
粒状含炭素物質はホッパーから混合ゾーンの中に供給されてもよく、そして混合ゾーンの中に供給される前にホッパーの中でまたはホッパーと混合ゾーンの間で予備加熱されてもよい。粒状含炭素物質は小規模操作のためには０．１ｇ／分のような低い速度で混合ゾーンの中に導入されてもよく、この速度は工業規模の操作のためには、望まれたＣ／Ｆモル比を維持するために増大されるであろう。この物質は粒状炭素であってもよい。炭素は好ましくは、実質的に純粋であるべきであるが、少量の灰分を含有してもよい。特に、炭素中の水素、珪素および硫黄の含分は可能な限り低くあるべきである。炭素は好ましくは実質的に水素、珪素および硫黄を含有すべきでない。
【００３２】
混合ゾーンは代表的には、約０．０１〜１．０バールの圧力であろう。混合ゾーンの中では、反応性熱混合物はプラズマ中での炭素と反応種との反応の結果として形成され、前記反応性熱混合物は望まれた反応性フッ素含有前駆体と反応性炭素含有前駆体を含有する。反応性熱混合物が急速に冷却され、たとえば、急冷され、そして冷却温度で適切な時間の間反応するにまかせられると、望まれたフルオロカーボン最終生成物が形成される。冷却速度ばかりでなく、冷却後の温度範囲および冷却温度範囲での反応時間は、後で詳述されるように、形成される最終生成物および収率を決定する。
【００３３】
粒状炭素は、代わりに又は加えて、高温ゾーンの中に、たとえば、バーナーの電極間のアーク領域の中に導入されてもよいが、先に言及した昇華およびその後の固化および付着の問題がうまく解決できることを条件とする。炭素は好ましくは、混合ゾーンの中に向かっていてもよいプラズマバーナー（単数または複数）のテールフレームの中に導入される。プラズマフレームの最小冷却をもって、混合ゾーンにおける最適なエンタルピー条件を確保するために、炭素粒子は上記の通り予備加熱されてもよい。
【００３４】
粒状含炭素物質は代わりに粒状ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）であってもよいし、またはそれを含んでいてもよい。従って、本方法は高温ゾーンの中に、または混合ゾーンの中に、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を、またはＰＴＦＥと炭素の混合物を導入する工程を更に含んでいてもよい。更に炭素を含有する物質がＰＴＦＥである場合には、それは好ましくは混合ゾーンの中に供給される。この手法ではＰＴＦＥの廃棄物供給を利用してもよいことは明らかであり、ＰＴＦＥ廃棄物が再使用され、再加工される。
【００３５】
本方法はさらに、高温ゾーンまたは混合ゾーンの中にフッ素ガスを導入する工程を含んでいてもよい。従って、投入気体流はフッ素ガスを含んでいてもよく、そしてフッ素ガスはたとえば、投入気体の約５〜３０モル％の量で存在してもよい。
【００３６】
反応性熱混合物のエンタルピー条件は代表的には、約１ｋＷ時／ｋｇより高い比エンタルピーに、好ましくは、約３ｋＷ時／ｋｇ以上に保たれる。先に示した通り、炭素粒子は高温ゾーンで形成された反応種と反応し、そこでは、熱が炭素粒子に伝達されて、中でも、望まれる反応性フッ素含有前駆体および反応性炭素含有前駆体を反応性熱混合物の中に形成し、たとえば、ＣＦ２、Ｃ２Ｆ２、ＣＦ３、ＣＦおよびＦを形成し、それらは冷却そして更なる反応によって、ＴＦＥ、Ｃ２Ｆ６、Ｃ３Ｆ６、Ｃ３Ｆ８およびＣＦ４のようなフルオロカーボン化合物を形成する。冷却または急冷の速度、急冷温度の有効範囲、および反応性混合物が急冷後にその具体的温度範囲内に滞留する時間を制御することによって、上記生成物の中のどれかの収量を増加させることが可能である。たとえば、ＴＦＥの最大収量を得るためには、反応性前駆体を約０．０５秒未満で約８００Ｋ未満に冷却することが好ましい。また、たとえば、反応性化合物Ｃ２Ｆ２を単離することは、反応性前駆体を約１００Ｋ未満に急速に冷却することによって可能である。
【００３７】
一般的に、反応性熱混合物の冷却は、選択された冷却期間内および冷却温度の選択された範囲に依存するであろう、そして前記熱混合物は、選択された時間の間で選択された範囲内に維持され、そしてこれらのパラメーターの全ては、最終生成物において生成された所望のフルオロカーボン化合物を定めるように選ばれる。
【００３８】
Ｃ２Ｆ６の収量を向上させるためには、０．０５〜３秒のオーダーの、より長い冷却時間を使用できる。他方、冷却が８００Ｋより高い温度まで、たとえば、約１０００Ｋ〜約１２００Ｋの温度までである場合には、Ｃ３Ｆ６の収量を最大にすることができる。反応性前駆体が急速に冷却されない場合には、生成物は主にＣＦ４である。製造プロセス中にフッ素が混合ゾーンの中に供給される場合には、大規模でのＣＦ４製造が達成できる。
【００３９】
冷却工程は通常の技術に従って、たとえば、冷壁熱交換器または単管または多管熱交換器を使用することによって、または冷流体混合によって、またはそれらの組合せによって、またはその他の適切なやり方で、達成されてもよい。冷却工程に使用される熱交換器は好ましくは、反応性前駆体を約２５００Ｋから約８００Ｋ未満に冷却することを、非常に短い時間で、代表的には約０．１秒未満で、可能にするタイプであるべきである。冷気体混合によって冷却または急冷が達成される場合、冷気体はフルオロカーボンガスまたは適切な不活性ガスであってもよい。
【００４０】
従って、本方法は冷却ゾーンの中で反応性前駆体を、望まれる最終生成物に依存して、約５００〜１０８Ｋ／Ｓの速度で、約１００Ｋ〜約１２００Ｋの選択された値に急速に冷却しその選択温度で前駆体が適切な時間の間反応するにまかせる工程を含んでいてもよい。
【００４１】
たとえば、本発明は、反応性前駆体を０．０５秒で約８００Ｋ未満に冷却しそして適切な反応時間の間、たとえば、約０．０１秒の間反応させることによってＴＦＥを製造する方法を提供する。また、反応性前駆体を約０．０５〜３秒で約８００Ｋ未満に冷却しそして適切な反応時間の間反応させることによってＣ２Ｆ６を製造する方法；または、反応性前駆体を約０．０５〜３秒で約８００Ｋ〜約１０００Ｋに冷却しそして適切な反応時間の間反応させることによってＣ３Ｆ６を製造する方法を提供する。さらに、本発明は反応性前駆体を約１００Ｋ未満に急速に急冷しそして適切な反応時間の間反応させることによってＣ２Ｆ２を製造する方法；または、反応性前駆体を急冷無しで反応させることによってＣＦ４を製造する方法を提供する。
【００４２】
たとえば、冷壁管状熱交換器を使用した場合には、最適ＴＦＥ収量は熱交換器のパラメーターたとえば管の直径および長さ、冷却用流体の温度、プロセス流の質量流束（ｍａｓｓ  ｆｌｕｘ）を正しく選択することによって得られる。
一般的に、急冷時間および前述の冷却された温度は、実施において、熱交換器を通る質量流束および熱交換器の長さを変えることによって調節される。好ましくは、固定された壁の熱交換器が使用される。例えば、冷却用流体および熱混合物を混ぜることなしに操作され、そして熱伝導分離壁が冷却用流体と熱混合物との間に提出されている熱交換器である。これは、次の大規模の分離手順を避ける利益がある。
【００４３】
従って、本方法は生成物混合物から少なくとも一つの望まれるフルオロカーボン化合物を単離する工程をさらに含んでいてもよい。生成物混合物中のその他の成分は分離され、そして再循環されてもよい。
【００４４】
本方法は約０．０１〜１．０バールの絶対圧力で実施されてもよい。
【００４５】
先に指摘したように、粒状炭素および／またはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）および含フッ素化合物をプラズマの中に導入する速度は好ましくは、プラズマ中でのＣ／Ｆ比を約０．４〜２．０のレベルに、好ましくは約１に、調節するようなものであるべきである。炭素と同様に、ＰＴＦＥは約１０−３ｍｍ〜０．３ｍｍの粒子サイズを有する粉末の形態で導入されてもよい。好ましくは、この粒子サイズは約１０−３ｍｍである。
【００４６】
炭素および／またはＰＴＦＥは重力供給メカニズムによって、または気体移送によって、好ましくは、投入気体流の一部を流れ移送手段として使用することによって、混合ゾーンの中に導入されてもよい。実際には、炭素供給ホッパーの中の圧力は選択される最適圧力より低い値に、言わば、約１０−２バール（絶対圧力）に下げてもよく、そして、その後で圧力をフルオロカーボン気体の導入によって上昇させ最適レベルに設定してもよい。先に指摘した通り、望まれた比エンタルピーの達成および制御を向上させるために及び最適性能を確保するために、炭素および／またはＰＴＦＥの粒子の温度はそれらを混合ゾーンに導入する前に調節されてもよい。
【００４７】
フッ素と炭素の間の反応が高発熱性であるので、混合ゾーンの中へのフッ素の制御された導入によって、必要なエネルギー入力を軽減することが可能である。エネルギー入力を最適にするために、その他の方法を利用してもよい。
【００４８】
従って、本方法はフッ素を混合ゾーンの中に導入する工程を含んでいてもよい。フッ素はフルオロカーボン気体との混合物として導入されてもよい。混合物中のフッ素の量は約５〜３０モル％であってもよい。
【００４９】
系の中にフッ素を導入する場合には、導入されるフッ素と導入される炭素と投入気体との間の比率を調節して、Ｃ／Ｆ比を約０．４〜２．０に、好ましくは約１に、かつ混合物の比エンタルピーを約１ｋＷ時／ｋｇ〜１０ｋＷ時／ｋｇに、好ましくは約３ｋＷ時／ｋｇに、フルオロカーボン供給気体の場合には、保つことが重要である。フッ素は、たとえば、プラズマバーナー（単数または複数）のテールフレームの中に導入されてもよい。
【００５０】
生成物混合物は未反応の含炭素粒子を含んでいてもよい。従って、本方法は生成物混合物から固体粒子を、たとえば、生成物混合物を濾過することによって、除去する分離工程を含んでいてもよい。生成物混合物は、たとえば、高温フィルター、たとえば、ＰＴＦＥフィルター、ＳｉＣフィルターまたは金属フィルターに通して濾過されてもよい。生来、気体流から固体物質を除去するのに適した他のあらゆる分離方法、たとえば、サイクロン分離、を使用してもよい。
【００５１】
本方法は分離工程で除去された含炭素粒子をホッパーに戻して再循環させる工程を含んでいてもよい。
【００５２】
実際には、本方法は好ましくは、不要および／または不安定な生成物の形成を生じる結果となるＮ２またはＯ２または水蒸気の進入を最少にするような仕方で制御される。
【００５３】
ＨＦまたはＦ２のような化合物は気体−固体分離工程の前または後に、好ましくは後に、生成物混合物から除去されてもよい。従って、本方法は、ＨＦまたはＦ２のような不純物を除去するために生成物を一つまたはそれ以上の化学トラップまたは冷トラップに通す工程をさらに含んでいてもよい。たとえば、生成物はＦ２を除去するために代表的には７００Ｋの温度で炭素含有トラップに通されてもよく、そしてＨＦを除去するためにＮａＦ含有トラップに通されてもよい。代わりに、生成物を冷却してＨＦを液化することによってＨＦを除去してもよい。代わりに、反応性フッ化物を気体生成物から除去するために希アルカリ溶液、好ましくはＫＯＨ溶液によってスクラビングすることによってフッ化物不純物を除去してもよい。
【００５４】
本方法はさらに、生成物気体を圧縮する工程を含んでいてもよい。生成物気体は約２０バール未満の圧力に圧縮されてもよく、、好ましくは、生成物気体の成分を安全な条件下で蒸留または膜分離するのに十分高い圧力である約１０バールに圧縮されてもよい。圧力は生成物気体の中の不飽和成分の自発重合またはＴＦＥから炭素およびＣＦ４への発熱転化を禁止または防止するのに十分低く保たれるべきである。本発明は圧縮工程および分離工程中に、安全な操作を確保するために禁止剤を添加することも意図している。
【００５５】
代わりに又は加えて、その他の精製手法たとえば遠心分離を使用してもよい。
【００５６】
生成物気体は代表的には、適切な禁止剤の添加をもって、加圧槽中に制限され容積で貯蔵されるか、または更に化学的変換たとえば重合してＰＴＦＥを製造するための他のプラントに移されてもよい。不要生成物フルオロカーボン気体は投入気体流の中に再循環されて再使用されてもよい。
【００５７】
本発明の別の態様によれば、フルオロカーボン化合物の製造装置が提供され、その装置は、
熱気体本体を収容するのに適する高温ゾーン；
高温ゾーンの中に高温を生じさせて、高温ゾーンの中に導入された投入物質を含フッ素種および含炭素種を含有する前記熱気体本体に転化させるための、熱発生手段；
投入物質が前記熱気体本体に転化されるように、投入物質を高温ゾーンに導入するための、投入物質供給手段；
調節されたエントロピー条件下で、かつ調節されたＣ／Ｆ比で、前記熱気体全体を、反応性含フッ素前駆体および反応性含炭素前駆体を包有する反応性種を含有する反応性熱気体混合物を生成させるのに適した、反応ゾーン；
反応性混合物の比エントロピーおよびＣ／Ｆ比を調節するための、調節手段；および
反応性熱混合物を、少なくとも一つの望まれたフルオロカーボン化合物を含有する最終生成物を生成するように制御された仕方で冷却するための、冷却手段；を含んでいる。
【００５８】
この装置は、更に、熱気体全体を粒状物質と混合して反応性熱混合物を生成させるのに適した混合ゾーンを含ませることができ、そして混合ゾーンにおいて、制御されたエントロピー条件下で前記粒状含炭素物質を熱気体全体に導入して、反応性含フッ素前駆体および反応性含炭素前駆体を包含する反応性種を含有する前記反応性熱混合物を生成させることができる。
【００５９】
熱発生手段は好ましくは、前記投入気体流によってプラズマを発生することが可能である。熱発生手段はアークを発生させるために高温ゾーンの中に配置された少なくとも一対の実質的に非消耗性の電極を含んでいてもよい。アークは気体流を加熱して、約１ｋＷ時／ｋｇ〜約１０ｋＷ時／ｋｇの、好ましくは約３ｋＷ時／ｋｇ以上の比エンタルピーを有するプラズマを発生させるようなものである。上記の通り、電極は好ましくは非消耗性の電極である。
【００６０】
非消耗性電極は実質的に消耗されないで又は実質的な劣化および／または浸食無しで数時間にわたって操作できる上記電極を意味する。
【００６１】
それ故、熱発生手段は、銅、ニッケル、および銅／ニッケル合金の電極から成る群から選ばれた実質的に非消耗性の一対の電極を有する少なくとも１つのプラズマバーナーを含んでいてもよく、任意的に黒鉛およびドープされた黒鉛から成る不活性物を含んでいてもよい。また、熱発生手段において、電極を約１３００Ｋの温度に維持するために電極を冷却する冷却手段が提供される。
【００６２】
混合ゾーンは高温ゾーンの一部を形成してもよいし、または高温ゾーンに直接隣接していてもよい。本発明の好ましい態様においては、本装置は、本明細書で記載されているような実質的に非消耗性の電極を備えた少なくとも一つのプラズマバーナーを含んでいてもよい。高温ゾーンはプラズマバーナーの電極間に発生したアークの中および周辺の、およびアークに直接隣接した、ゾーンであってもよい。混合ゾーンはバーナーからの出口にあってもよい、すなわち、バーナーのテールフレームの領域にあってもよい。
【００６３】
本装置は複数の、好ましくは３つのプラズマバーナーを含んでいてもよく、そして混合ゾーンは混合チャンバーであってもよい。これらバーナーは、使用中にそれらのテールフレームが混合チャンバーの中に延びるような仕方で、混合チャンバーの中に延びて配列されており、そうなると、高温ゾーンの中の温度より僅かだけ低い温度の混合ゾーンで囲まれた、延長された高温ゾーンが確立される。
【００６４】
気体流導入手段はプラズマバーナーの一部を成す渦発生器であってもよく、そして投入気体流は渦発生器を経て高温ゾーンの中に導入されてもよい。本装置はプラズマを回転させるために高温ゾーンのまわりに磁界を発生させる磁気コイルを含んでいてもよい。
【００６５】
粒状含炭素物質を高温ゾーンの中に導入するための粒状物質導入手段はホッパーであってもよく、それは約１０−３ｍｍ〜約０．３ｍｍの粒子サイズを有する粒状物質を、約０．１ｇ／ｍｍのような低い速度乃至操作パラメーターによって要求されるような増大した速度で、そして先に説明したような適切なＣ／Ｆ比を維持するように、分配するよう設計されていてもよい。ホッパーは粒状物質を混合ゾーンの中に、たとえば、プラズマバーナーのテールフレームの中に、導入するように配列されていてもよい。代わりに、それは粒状物質をアークの中に導入するように配列されていてもよいが、これは、先に言及した付着や閉塞を引き起こす炭素素材の昇華とその後の固化によって生じる問題の観点では好ましくない。
【００６６】
本装置はさらに、粒状含炭素物質が混合ゾーンに入る前に粒状含炭素物質を加熱するために、ホッパーと混合ゾーンの間に位置する加熱手段を含んでいてもよい。本装置はまた、装置を約０．０１〜１．０バールの圧力に排気するための真空ホンプを備えていてもよい。
【００６７】
本装置は熱交換器、たとえば、単管または多管熱交換器、または冷流体混合システム、または異なる熱交換システムの組合せを含んでいてもよい。この目的は一つまたはそれ以上の望まれたフルオロカーボン生成物を含有する生成物混合物を生成するために、反応性熱混合物を急速に冷却し且つその冷却温度に生成物混合物を適切な時間の間維持することである。熱交換器は好ましくは、反応性熱混合物を非常に短い時間で、代表的には約０．１秒未満で、約２５００Ｋから約８００Ｋ未満に冷却し、そしてその冷却温度に生成物混合物を適切な時間の間維持するタイプのものである。
【００６８】
本装置は望むならば、フッ素をプラズマバーナーのテールフレームの中に、または混合ゾーンの中に導入するためのフッ素導入手段を含んでいてもよい。フッ素と炭素の間の反応が高度に発熱性であるので、混合ゾーンにフッ素を制御して導入することによって、このシステムに必要なエネルギー入力を軽減することが可能である。
【００６９】
本装置はさらに、生成物混合物から固体粒子を除去するための分離手段を含んでいてもよい。たとえば、分離手段は高温フィルターたとえばＰＴＦＥ、ＳｉＣまたは金属フィルターであってもよい。それは代わりにサイクロン分離器であってもよい。本装置はさらに、分離工程で除去された炭素をホッパーに戻して再循環させる手段を含んでいてもよい。本装置はまた、ＨＦまたはＦ２のような不純物を除去するために一つまたはそれ以上の化学トラップまたは冷トラップを含んでいてもよい。
【００７０】
本装置はさらに、生成物気体を圧縮する圧縮器、および製造された生成物を貯蔵するための貯蔵槽を含んでいてもよい。
【００７１】
本発明はまた、フルオロカーボン化合物を製造するための製造プロセスの一部として熱気体本体を高温プラズマの形態で生じさせるための、本発明による装置の一部として使用するのに適したプラズマバーナーにも及び。プラズマはフルオロカーボン化合物を含む投入気体流から発生されるものであり、そして発生したプラズマは従って、ＣＦ３、ＣＦ２、Ｃ２Ｆ２、ＣＦ、Ｆ、Ｃおよびそれらの各イオンを含む反応種を含有する。
【００７２】
これら反応種の幾つかの腐食特性および比較高い有効な比エンタルピーの観点では、およびプラズマ発生における特定の好ましい操作パラメーターを維持することの重要性の観点では、本明細書中に十分に説明されているように、本発明はこれら条件下で操作するのに適するプラズマバーナー（本明細書中ではプラズマトーチとも称されている）を提供する。
【００７３】
本発明によるプラズマバーナーは、
陰極と陽極である、その各々が操作端を有する、一対の非消耗性電極（本明細書中に定義されている）を含み；
陽極は抵抗性の金属からなり、そして、操作端から出口端へと延びる管状操作面を提供する、開放末端をもつ内部の陽極キャビティを規定している中空構造を有しており；
陰極は抵抗性の金属からなり、そして、その操作端においてボタン型操作面を規定しているグラファイト挿入体を有しており；
陽極と陰極はそれらの操作端がそれらの間の間隙を規定する間隔をもって配列されている端−対−端の関係で配列され、その間隙は陽極キャビティと一緒になって、電極間に電位差が印加されたときにアークが発生するアーク位置を規定しており；
電極は冷却用流体が電極中または電極上を流れるためのフローラインを提供するように構成されており；
電極は、適切な電気絶縁手段の包含と共に入れ子になる寸法および形状を有し且つ内部が電極の搭載位置を規定するように構成されている複数の環状ハウジング部品から成るハウジングの中に搭載されており；
少なくとも一つのハウジング部品は冷却用流体の導入および排出のための流通路を組み入れており；
少なくとも一つのハウジング部品はアーク位置内に渦を発生させるように投入気体流を導入するための流通路を組み入れており；
配列は、使用中に、電極間に電位差が印加されたときにアーク位置内にアークが発生し、そしてアーク位置内に位置する高温ゾーンの中で投入気体によって高温プラズマが発生して、陽極キャビテイの出口端で発する反応性熱プラズマを生成するようなものである。
【００７４】
さらに別の特徴によれば、陽極キャビティの出口端で発する反応性プラズマの中に、粒状含炭素物質を、制御されたエンタルピーの条件下で、導入するための、粒状物質導入手段が設けられていてもよい。
【００７５】
構成および操作の更に別の特徴は、本明細書中に含まれている記述、特に図面を引用した記述から明らかになるであろう。
【００７６】
次に、本発明を、添付の線図面を引用しながら、具体例によって記述する。全ての図が同一の大きさで描かれているわけではない。
【００７７】
図１に示された引用番号１０は、本発明に従ってフルオロカーボン化合物を製造する方法に使用するのに適するプラズマトーチを包括的に示している。トーチ１０はハウジング内に搭載された銅合金陰極１２と銅合金陽極１４を含んでいる。ハウジングは、第一、第二および第四の、伝導性の環状ハウジング部品１８、２０、２４と、第三の、絶縁性の環状ハウジング部品すなわち絶縁体２２を含み、これら部品は全て、図１で理解できるように、もたせかける配列で固定されている。陰極１２と陽極１４はハウジング内に同軸に搭載されている。詳細には後述するが、陰極１２は、陽極１４に隣接する内部操作端１２．１および反対側の外端１２．２を有している。やはり詳細には後述するが、陽極１４は中空であり、そして陰極に隣接した内端部分１４．１、反対側の外端１４．２、および管状操作面を提供するキャビティ１４．３を有している。陰極１２の操作端１２．１は図１で理解できるように陽極１３の端部１４．１に受け入れられる。
【００７８】
図１、７〜１１を参照して説明するが、ハウジング部品１８および２０は各各、両端で開口しており且つそれぞれに通路３１、３３を規定している中空の円筒状本体３０、３２からなる。各部品１８、２０は、その一端に位置する、半径方向の外側に突き出した円盤状フランジ４０、４２を有している。部品１８、２０はステンレス鋼から製造されている。本体３２は、本体３０より小さい直径を有しており、そして図１で理解できるように間隙５０をもって本体３０の内側に受け入れられる。
【００７９】
特に図７および８を参照して説明するが、第一のハウジング部品１８の本体３０は図７で理解できるように内側が階段になった断面形状をもつ内面３０．１を有する。本体３０の、フランジ４０から遠い方の端における環状リム３０．２は内側に突き出しており、そしてシール３０．６を受ける環状溝３０．３が付与される。プラズマトーチ１０の中では、シール３０．３は、図１で理解できるように、陽極１４の端部１４．２の僅かに凹んだ部分に接触する（更に詳しくは後述する）。磁界を発生させるためのコイル３７は本体３０を取り巻いている（図１）。コイルは０．０１〜０．３０テスラの磁場を発生する。
【００８０】
水流出導管３０．４は通路３１からフランジ４０を半径方向に外側へ貫通して延びている。本体３０はさらに、フランジ４０の隣に外方向の螺旋ねじ部分３０．５を、後で詳述するように搭載用フランジを受けるために有している。
【００８１】
特に図１および９〜１１を参照して説明するが、第二のハウジング部品２０の本体３２は内側表面３２．１３および外側表面３２．１を有し、この外側表面は、プラズマトーチ１０の中では、本体３０の内側表面３０．１と共に、本体３２のまわりの環状キャビティ５０を規定する（図１）。本体３２は先端３２．２と；先端３２．２から遠い方に、プラズマトーチ１０の中では陽極１４に寄り掛かる（図１）内肩３２．３を有している。水流入導管３２．２はフランジ４２を半径方向に内側へ貫通して通路３３まで延びており、そして水流入導管３２．１４の隣の気体流入導管３２．６も半径方向に内側へ通路３３まで延びている。フランジ４２はさらに、後方向の外方の環状稜線３２．７（すなわち、本体３２から遠い）と；Ｏリングを受けるためにフランジ４２の両側に本体３２に隣接して２つの環状溝３２．８を有している。通路３３の後方部分は、Ｏリングを受けるための環状溝３２．５とその隣の環状の気体導管溝３２．９をもつフランジ４２によって規定されるされた内側表面３２．４を有する。
【００８２】
電気ケーブル（図示されていない）を取りつけるために開口３２．１１をもった銅コネクター３２．１０が、フランジ４２にケーブルを接続するために、フランジ４２から突き出している。
【００８３】
図１および５および６を参照して説明するが、陽極１４は、上記の通り、外端部分１４．２と、円筒状開口１４．４を規定しているカップ形状の内端部分１４．１とを有している。部分１４．１は、気体流入導管３２．６および気体導管溝３２．９を経た気体を導入するための４つの気体開口１４．１３を、開口１４．４の隣に設けられている。開口１４．４は肩１４．１０によって、陽極キャビティを構成し開口１４．４を外端部分１４．２の中の開口１４．６につなぐ狭い軸方向通路１４．５からは分離される。カップ形状部分１４．１の部分１４．６は凹んでおり、そして、切り欠き肩１４．８を有している。陽極１４の凹んだ部分１４．６と第二ハウジング部品２０の内側表面３２．４の部分は共に、プラズマトーチ１０の中の環状キャビティ５５を規定する（図１）。上記の陽極１４の外端部分１４．２は凹んでいるので、中央部分１４．３は僅かに隆起した外観を持つ。ハウジング部品２０の先端３２．２と肩３２．３との間の内側表面３２．１３は、プラズマトーチ１０の中では、陽極１４の隆起部分１４．３に寄り掛かる（図１）。陽極は約６７ｍｍの長さであり、そしてその最大幅のところでは約３２ｍｍの直径を有する。
【００８４】
特に図５および６を説明すると、陽極１４のライヅト部分（ｒａｉｓｅｄ  ｐｏｒｔｉｏｎ）１４．２および切り欠き肩１４．８は、長さ方向の溝（ｌｏｎｇｉ  ｔｕｄｉｎａｌ  ｇｒｏｏｖｅ）１４．２に限定されている長さ方向のリッジ（ｌｏｎｇｉ  ｔｕｄｉｎａｌ  ｒｉｄｇｅｓ）１４．１１を備えている。
キャビティ５０、５５、流入および流出用導管３２．２、３０．４、および溝１４．１２は、図１で理解できるように、陽極を冷却する冷却水が流れる流路を構成している。陽極は銅合金からなり、そして任意的には、軸方向通路１４．５の長さ方向に延びている通路１４．５のなかの中空の円筒状炭素の挿入体を付与されていてもよい。
【００８５】
図１２および１３を参照して説明すると、絶縁体２２は、その中心位置に貫通して延びる通路２２．２を有するポリテトラフルオロエチレンの円盤形状の本体２３からなる。本体２３は部品２０のフランジ４２に寄り掛かる。フランジ４２の外方の環状稜線３２．７は本体２３の片側の外縁の相補性凹部２２．３の中に受け入れられる。相補性凹部２２．４は本体２３の反対側に位置している。
【００８６】
図１２および１３を説明すると、絶縁体２２は、中心に位置している通路２２．２を有し、かつそれを通して延びているポリテトラフルオロエチレンのディスク形体から成っている。このディスク形体２３は、成分２０のフランジ４２に対して隣接している。フランジ４２の外部環状の隆起部３２．７は、ディスク形体２３の１つの側上の外側の端上の補足的な凹部２２．３に受けられている。相応する凹部２２．４は、ディスク形体２３の反対側に位置している。
【００８７】
図１および１４および１５を参照して説明すると、第三のハウジング部品２４もまた、通路３５を規定している中空本体２４．１と、この本体２４．１の一方の端における外方向フランジ４４を含んでいる。フランジ部材２４はステンレス鋼からなる。フランジ４４の外縁は本体２４．１に向かって突き出た環状稜線２４．２を有しており、そしてプラズマトーチ１０の中では、絶縁体２２の相補性凹部２２．４を受け入れる（図１および１２）。環状溝２４．３はＯリングを受けるための、フランジ４４の中に備えられている。通路３５の内側輪郭は階段になっており、そして狭い部分２４．４と、Ｏリングを受ける環状溝２４．６を有する広い部分２４．５と、螺旋ねじ山２４．１１を有する更に広い部分２４．７とを有している。プラズマトーチ１０の中では、陰極１２の後端部分１２．２は２つの通路部分２４．５、２４．７を受け入れ、そして狭い部分２４．４と広い部分２４．５とを分離する肩２４．８に寄り掛かる（図１および１４）。螺旋ねじ山２４．１１は、後で説明するように陰極の相補性螺旋ねじ部分１２．９（図３）と勘合する。水流出導管２４．９は通路３５からフランジ４４を半径方向に貫通して外側へ延びている。スエージロック（Ｓｗａｇｅｌｏｋ）（商標）２４．１０は、本体２４．１から遠い、円筒状通路３５への開口の上に溶接されている。後で詳述するように、ステンレス鋼の管（図示されていない）がスエージロック２４．１０を貫通して陰極１２の中空の内部へと延びている。
【００８８】
電気ケーブル（図示されていない）に取りつけるための開口２４．１５を有する銅コネクター２４．１４が、ケーブルをフランジ部材２４に接続するために、フランジ４４から突き出ている。
【００８９】
図３を参照して説明すると、陰極１２は一般に円筒形状であり、上記の通り、閉じた内側のまたは操作する端部分１２．１、後方開口１２．８をもつ開いた外端部分１２．２、および中空内部１２．３を有している。閉端部分１２．１は環状の肩１２．４を有する。陰極１２は銅合金からなる。グラファイト挿入体（図示されていない）を螺旋ねじで受けるような螺旋ねじ切りした円筒開口１２．５が、閉端部分１２．１の中に延びている。本発明の様々な態様において、挿入体はドープされたグラファイトまたは、タングステン、トリア化タングステン、その他のドープされたタングステン合金、ジルコニウム、ハフニウム、炭化ハフニウム、タンタル、炭化タンタルまたはその他の適する高温材料からなる高温金属合金である。かかる陰極は一般に、ボタン型陰極と称されている。中央に位置する外側の螺旋ねじ部分１２．９は上記の通りハウジング部品２４の螺旋ねじ部分２４．１１と勘合する。中空内部１２．３の、後方開口１２．８から遠い方の端壁は湾曲した輪郭１２．７を有する。図１を参照して説明すると、プラズマトーチ１０の中では、第四のハウジング部品２４の中の導管２４．９は、陰極１２の後方開口１２．８に隣接した部品２４の通路３５の中に開いている。使用中に、冷却水はスエージロック２４．１０を貫いて端壁１２．７へ通るステンレス鋼管を通って陰極１２の中空内部１２．３の中に汲み上げられ、そして部品２４の中の水流出導管２４．９から出る。端壁の湾曲輪郭１２．７は水流の流れ分布を改良する。陰極１２は約４０ｍｍの長さであり、そしてその最大幅のところでは約２０ｍｍの直径を有する。
【００９０】
図２、８、１０、１１、１３および１５を説明すると、フランジ４０は、６箇の螺旋ねじ穴を備えており、そしてフランジ４２、４４および絶縁体２２は、それぞれ、図１に表わされたバーナー１０の組み立てられた状態で固定された補足的な螺旋ねじのない穴８０を備えている。絶縁体２２の穴８０（図１３）およびフランジ４４（図１５）の穴は、フランジ４０、４２の直径より大きな直径を有し（図８および１０）、その結果肩８４は、フランジ４２が絶縁体２２に対して隣接する。
【００９１】
図１、２２および２３を説明すると、タフノル〔Ｔｕｆｎｏｌ（商標）の絶縁性のウォッシャー６０は、それぞれ、フランジ４４の後部面に対して隣接しているフランジのヘッドを有するフランジメンバー２４、２２の穴８０の中に内部へ向って、すなわち、絶縁体２２から離れた面で、中空の端が開口している円筒状体６０．１および外側方向に指向された環状ヘッド６０．２プロジェクターを有しているこの絶縁性ウオッシャーは、絶３７ｍｍの長さである。
【００９２】
図１８および１９を説明すると、マウント用フランジ１００（図１に示されていない）は、中心に螺旋ねじ穴１００．２を有するステンレス鋼製ディスク１００．１から成っている。トーチ１０の組み立てられた状態にある穴１００．２の螺旋ねじは、成分１８のねじ３０．５にかみあっている。ディスク１００．１は、反応チェンバー（示されていない）上のトーチ１０をマウントするためのその外部端にシンメトリー隣接してスペースされた６個の穴を備えている。
【００９３】
図２０および２１を参照して説明すると、前側１１０．２と後側１１０．３を有する炭素供給フランジ１１０（図１には図示されていない）は、後側１１０．３に広い方の開口１１０．５を、そして前側１１０．２には内に向かってテーパーの付いた狭い方の開口１１０．６を有する、中空の円筒状本体１１０．４からなる。広い方の開口１１０．５はＯリングを受けるための溝１１０．８が設けられており、そして集成トーチ１０の中ではハウジング部品１８の端部の上に嵌まるような寸法を有している。炭素供給導管１１０．１０は本体１１０．４を通って、テーパーの付いた開口１１０．６へと延びており、そして拡張供給管１１０．１２が設けられている。前側１１０．２はその円周のまわりに環状肩１１０．１３が設けられている。この肩はＯリングを受けるための環状溝１１０．１５を有しており、そして本体１１０．４はさらに、拡張管１１０．１２と肩１１０．１３の間には、炭素供給フランジ１１０を冷却する冷却水の通路用に水流入導管１１０．７と水流出導管１１０．１８を付与された円周路１１０．１６を有する。
【００９４】
ハウジング部品１８、２０、２２、２４を合体して固定するには、ボルト８１を作用させる。
【００９５】
プラズマトーチ１０の中では、陽極１４と陰極１２は小さな間隙９７によって相互に隔てられている（図１）。
【００９６】
図１、１６および１７を参照して説明すると、渦発生器９０は陽極１４のカップ形状部分１４．１と、陰極１２の閉端１２．１とを隔てている（図１）。渦発生器９０は、特に図１６で理解できるように、陰極１２の閉端１２．１の輪郭と相補性である階段状の断面の内側輪郭を有する。
【００９７】
渦発生器９０は中空で開いた端を有する一般に円筒状の本体９０．１５を有し、そしてそれを貫いて延びる円筒状通路をもって後方開口９０．６と前方開口９０．４を有する。それは約２０ｍｍの長さであり、そして約２６ｍｍの直径を有する。中心に位置する開口９０．１６を持つ環状パイロフィライト挿入体９０．８が開口９０．４の中に配置され、そして円筒状本体９０．１５から僅かに突き出しているので、開口９０．４の周囲のまわりに肩９０．１が規定される。挿入体９０．８と円筒状本体９０．１５は一緒になって、陰極１２の内端部分１２．１の輪郭に相補性である内側輪郭を有する（図１）。パイロフィライト挿入体は内側の凹んだ面９０．１７を有する。
【００９８】
本体９０．１５はポリテトラフルオロエチレンからなる。プラズマトーチ１０の中では、渦発生器９０は肩９０．１が陽極１４の肩１４．１０に接触するように陽極１４の円筒状開口１４．４の中に突き出る。渦発生器９０は後方フランジ部分９０．３と；陽極１４の開口１４．４の内側にもたれさせる（図１）一般に円筒状の外面９０．４とを有している。フランジ９０．３は絶縁体として作用し、そして陽極の内端部分１４．１とフランジ４２と絶縁体２２との間に規定されている環状空間５９の中に嵌まり込む（図１）。Ｏリングを受ける環状溝９０．５が円筒状通路の内側表面上に設けられており、そして環状溝９０．７がペースペックスリング９０．３の隣の外面９０．４の上に設けられている。外面９０．４における切り欠き部の形態の４つの接線方向の溝９０．９（図１７）が、環状溝９０．７から肩９０．１へ延びている。接線方向の気体の流れを生じさせるために、パイロフィライト挿入体の突出部分は、溝９０．９から内方向に挿入体９０．８の凹んだ内面９０．１７の上の４つの接線方向の溝９０．１０へと延びそして挿入体９０．８の中の開口９０．１６に至る４つの接線方向の通路９０．１２を設けられている（図１７）。
【００９９】
プラズマトーチ１０の中では、ハウジング部品２０の気体導管溝３２．９は陽極１４の中の孔１４．３および渦発生器９０の溝９０．７と整合しており、そして気体を、導管３２．６、溝３２．９、孔１４．３、溝９０．７、９０．９通路９０．１２および溝９０．１０を経て、陽極１４と陰極１２の間の間隙９７の中へと汲み上げることを可能にし、そこでは、接線方向の気体の流れが間隙９７の中に渦を起こさせる。
【０１００】
陽極１４の内径と長さはアークの安定化およびプラズマトーチ１０の電圧特性に臨界的な働きをする。本発明の様々な態様においては、トーチ内の圧力が調節できるように異なる出口の直径が使用される。使用中、陽極１４および特にその他のシーリング領域の冷却は臨界的に重要であり、そして陽極１４および陰極１２を冷却するのに、４バールより高い圧力および１００リットル／時を越す流量の水が使用される。
【０１０１】
使用中、アークはプラズマトーチ１０の中で陽極１４と陰極１２の間に発生され、そしてフルオロカーボン化合物を含有する投入気体流は部材４２の気体流入導管３２．６および渦発生器９８を経てアークの中に供給され、アーク中で、フルオロカーボン化合物から生成される反応性種を含有するプラズマが形成される。プラズマは陽極１４の中の通路１４．５（図５参照）を通ってプラズマトーチ１０に達する。プラズマの中でおよびプラズマが冷却された後に行われる反応は図２６〜図３５を参照して以下に記述される。
【０１０２】
図２６を参照して説明すると、引用数字１５０はフルオロカーボン化合物を製造するための本発明の装置の概略フロー図である。装置１５０は上記のプラズマトーチ１０を一対含んでおり、それらは電気コネクター１５５によって電源１５４に接続されている。フローライン１５８は２つのフルオロカーボン化合物の貯蔵容器１６６からプラズマトーチ１０へと延びる。プラズマトーチの陽極１４および陰極１２を冷却する水は供給槽１６２からフローライン１６６を経て供給される。各ライン１６６はトーチ１０へ、そしてトーチ１０から流れる二重のラインである。
【０１０３】
プラズマトーチ１０は反応性熱プラズマを混合チャンバー１７０の中へ供給するように搭載されている。供給フローライン１７６、１７８はそれぞれ、粒状炭素およびフッ素を混合チャンバー１７０の中に供給するように配列されている。供給ライン１７６は炭素ホッパー１８０から延びている。供給ライン１７７はホッパー１８０の中に至る。フローライン１８２は混合チャンバー１７０を急冷チャンバー１８６を介して製造反応器１８７に結ぶ。供給ライン１９０、１９２、１９３は冷却水を水槽１６２から急冷チャンバー１８６、製造反応器１８７および混合チャンバー１７０に供給する。ライン１９０、１９２、１９３は上記の通り二重のラインである。フローライン１９６は製造反応器１８７から相分離器２００へと延び、そこからフローライン２０４は、相分離器２００で分離された炭素を混合チャンバー１７０に戻すために炭素ホッパー１８０に戻る。相分離器２００から、フローライン２０６はトラップ２０８、真空ポンプ２１０および圧縮器２１２を経て、相分離・精製装置２１８に至る。
【０１０４】
装置２１８からのフローライン２２０、２２４、２２６はそれぞれ、フルオロカーボン貯蔵容器１６０、フルオロカーボン貯蔵容器２３０およびテトラフルオロエチレン貯蔵容器２３２に至る。
【０１０５】
分析装置２４０は、ライン２３４によって、気体分離・精製装置２１８からの流出フローライン２２０、２２４、２２６に；ライン２３６によって、供給フローライン１７４、１７７、１７８、１５８に；ライン２３８によって、相分離器２００とトラップ２０８の間のライン２０６に；そしてライン２３９によって、トラップ２０８と真空ポンプ２１０の間のライン２０６に、接続されて概略的に示されている。分析装置はガスクロマトグラフィー、赤外分析および紫外分析のための分析装置をもって提供される。
【０１０６】
使用中、各電源１５４は１００Ｖを越す電圧で５０Ａを越す直流電流を提供する。小規模（＜１００ｋＷ）では１０％のような大きい振動も順応できるが、もっと大きい規模では、発生されることがあり流入供給ラインに返送される調波は好ましくは除去される。出力は電流を調節することによって調整され、そして使用電圧は気体のタイプ、圧力およびアークを通る気体の流れによって決まる。約５０ｋＷの出力では、電圧は約５０〜３００Ｖである。各電源１５４は短絡しないよう防護されている。
【０１０７】
ＣＦ４のような気体フルオロカーボンは貯蔵槽１６０の一つからライン１５８を経てプラズマバーナー１０のアークの中に導入される。アークおよび添加速度は、プラズマ中で約１〜１０ｋＷ時／ｋｇの比エンタルピーを維持するように調整される。気体は上記のように渦発生器９０によって接線方向に導入され、渦発生器の幾何学的構造は気体を電極間で高速で回転させる。アルゴンのような開始気体は必要ないが、フルオロカーボンと一緒に又はそれより前に導入されてもよい。任意的には磁気コイル３７が、渦の回転方向にアークを回転させる磁界を発生させるために使用されてもよい。
【０１０８】
アークの中に発生したプラズマは、ＣＦ２、Ｃ２Ｆ２、ＣＦ３およびＦのような反応性前駆体（先に言及した）を含む反応種の混合物を含有しており、それから混合チャンバー１７０の中に通る。混合チャンバー１７０の中に突き出た、プラズマトーチ１１０のテールフレームの中に、粒状炭素がホッパー１８０からの供給ライン１７６によって導入される。プラズマの温度は、炭素および混合チャンバーの壁に熱が伝達されることによって低下する。望まれるフルオロカーボン生成物を製造するための前駆体ＣＦ２およびＣ２Ｆ２の最適収量は、２３００〜２７００Ｋの温度で、そして０．１〜１バールの圧力範囲で、好ましくは、図３９および３４で理解できるように約０．１バールで、得られる。動力学、熱伝達特性、およびプラズマと炭素粒子の反応時間は前駆体濃度に影響する。図３１および３２で理解できるようにＣ／Ｆ比を０．４〜２．０に維持することによって、および系のエンタルピーを約１〜１０ｋＷ時／ｋｇに維持することによって、前駆体濃度が最適化できる。
【０１０９】
前駆体は、前駆体が急冷チャンバー１８６の中および製造反応器１８７の中の両方で反応している間および反応した後に急冷チャンバー１８６の中で冷却されて、Ｃ２Ｆ４（ＴＦＥ）、Ｃ２Ｆ６、Ｃ３Ｆ８、Ｃ３Ｆ６、およびＣＦ４を含む生成物混合物を形成する。上記の通り、本プロセスのこの工程を制御することによって、選択化合物の収率を最適化できる。特に、前駆体を０．０５秒未満で３００Ｋ未満に冷却すると、ＴＦＥの最適化された収率がもたらされる。
【０１１０】
生成物混合物を相分離器２００の中でセラミックフィルターに通すことによって、生成物混合物から炭素粒子が除去され、そして除去された炭素はライン２０４によってホッパー１８０に再循環される。ホッパー１８０は炭素を０．１ｇ／分乃至必要ならばそれ以上の流量の間で変動する流量で混合チャンバー１７０の中に供給するように設計されている。
【０１１１】
濾過された生成物混合物はそれから、７００Ｋで炭素を含有する化学トラップ２０８を通過してＦ２を除去され、それから真空ポンプ２１０および圧縮器２１２を通る。真空ポンプは系全体を０．０１バール未満に排気するように、かつ大容量（１リットル／分より大きい）の気体を汲み上げるように、設計されている。ポンプ２１０および圧縮器２１２は両方とも、ＨＦやＦ２のような不純物に耐えるように設計されている。
【０１１２】
圧縮器２１２での圧縮の後に、この圧縮された生成物混合物を、相分離および精製の装置２１８で蒸留によって分離し、そして貯蔵容器２３０、２３２の中に貯蔵する。不要のフルオロカーボンは貯蔵容器１６０の中に再循環される。
【０１１３】
生成物気体を連続ベースで分析する。全生成物気体を赤外セルに通し、そして具体的生成物のＩＲバンドの強度を監視する。試料を、ポラパック（Ｐｏｒａｐａｋ）Ｑ充填ステンレス鋼カラムを使用するガスクロマトグラフィー分析用にも取り出す。紫外〜可視分光分析を使用して未反応フッ素を検出する。同様の方法を使用して最終生成物を分析する。
【０１１４】
本発明の別の態様においては、粒状廃物ＰＴＦＥがホッパー１８０から混合チャンバー１７０の中に供給される。
【０１１５】
図２４および２５を説明すると、２つの別の電極形態が図式に示されている。第２４で示された形態３００は、陰極３１２および陽極３１４を有し、それらの両方は、銅または銅合金であってよい。陰極は、黒鉛またはドープされた黒鉛の挿入物３１６を有している。陽極３１４は、直径ｄ１および長さｌ１を有する狭い部分３１８．１および直径ｄ２および長さｌ２を有する広い部分３１８．２を有する段階状の形態の内部通路３１８を有している。部分３１８．１、３１８．２は、段階状の肩３１８．３によって分離されている。うず巻状発生器またはスピンナ（ｓｐｉｎｎｅｒ）は、３２０として図式に示されている。
【０１１６】
図２５の形態４００は、図２４の陰極および陽極と同じ銅または銅合金の陰極４１２および陽極４１４を有しており、陰極４１２は、黒鉛または任意的にドープされた黒鉛を有している。再び、陽極４１４は、直径ｄ１およびｌ１を有する狭い部分４１８．１および直径ｄ２および長さｌ２を有する広い部分４１８．２を分離する段階状の肩４１８．３を有する段階状態の内部通路４１８を有している。
【０１１７】
次に、実施例によって、本発明および実際にそれを実施する仕方を更に説明する。
【０１１８】
実施例１〜６
一般的手順
実施例１〜６では、次の一般的手順に従った。水冷式管状銅合金陽極と水冷式ボタン型銅合金陰極をグラファイト挿入体をもって用いた（一般的には図２４および２５に示されているようなタイプ）の単一のプラズマトーチユニットを使用した。陰極に隣接した領域での陽極の内径は４ｍｍであるが、陽極の残りの部分はの直径は８ｍｍであった。
【０１１９】
このプラズマユニットは、３×１ｍｍの等間隔の３１ｍｍ２の入口を持ちその入口を通して炭素をホッパーから供給するための炭素供給器に接続された。陽極のすぐ下のプラズマフレームの中に垂直に炭素を供給するためのキャリヤガスとして四フッ化炭素（ＣＦ４）を使用した。炭素供給器のすぐ下の反応器チャンバーは水冷され、そしてグラファイト内張りおよび５０ｍｍの内径を有していた。
【０１２０】
水冷熱交換器（急冷プローブ）は陽極の６０ｍｍ下方の反応器チャンバー内に設けられた。この熱交換器は前駆体混合物を、約２ｋＷ時／ｋｇより高いエンタルピーから０．００１ｋＷ時／ｋｇに近いエンタルピーまで急冷した。この例示的手順の間に熱交換器を通る質量流束（ｍａｓｓ  ｆｌｕｘ）は約０．４ｇ／秒・ｃｍ２であった。
【０１２１】
後で、気体生成物を別の熱交換器に通した。過剰の炭素粒子をポリテトラフルオロエチレンまたはステンレス鋼の多孔性フィルターによって除去した。この清澄な気体を、１３３０ｃｍ−１での赤外分光分析によってテトラフルオロエチレンの存在について連続的に監視した。この操作中、試料のガスクロマトグラフィー分析を行った。
【０１２２】
２．３５ｋｇ／時の四フッ化炭素プラズマ気体流速を使用した。プラズマに入力された電力は１３ｋＷ（１００Ａ、１３０Ｖ）〜２５ｋＷ（２４９Ａ、１０６Ｖ）の範囲であった。従って、プラズマのエタルピーは３．０２ｋＷ時／ｋｇ〜６．７ｋＷ時／ｋｇの範囲であった。プラズマトーチの効率は５０〜７５％の間を変動したが、系全体の効率は３９％〜６２％の間を変動した。
【０１２３】
実施例１
四フッ化炭素（ＣＦ４）からテトラフルオロエチレン（ＴＦＥ）の製造
プラズマ気体としてＣＦ４を使用して一般的手順に従った。プラズマトーチの中へのＣＦ４の供給速度は２．３６ｋｇ／時を使用した。プラズマ気体は陰極の真下の４つの１．５７ｍｍ２の入口を通して回転させられた。３つの１ｍｍ２間隙から、空気で、１８μｍの粒子サイズの炭素をプラズマのテールフレームの中に噴射した。ＣＦ４キャリヤガスが０．７２ｋｇ／時の供給速度で使用された。炭素の供給速度は４ｇ／分を維持した。プラズマ源に供給された電力は２１．７ｋＷであった。結果は第１表に示されている。
【表１】
0003892490.tif 000002
【０１２４】
プラズマ反応器内の圧力は０．１バール（ｂａｒ）（絶対）に保った。Ｃ／Ｆ比は０．４に保った。ＣＦ４プラズマフレームのエンタルピーは６ｋＷ時／ｋｇと算出された。プラズマ混合物は４．２ｋＷ時／ｋｇのエンタルピーから急冷された。急冷プローブを通る質量流束は０．４６ｇ／（秒・ｃｍ２）と算出された。Ｃ２Ｆ４の２６．５モル％収率は、比エンタルピー２５ｋＷ時／ｋｇＴＦＥ、およびＴＦＥ製造速度Ｃ２Ｆ４０．８９ｋｇ／時に対応している。この手順は自由意思で２１分後に停止された。
【０１２５】
実施例２
四フッ化炭素（ＣＦ４）からテトラフルオロエチレン（ＴＦＥ）の製造
次の事項を除いて実施例１を繰り返した：０．６４ｋｇ／時〜０．６８ｋｇ／時の間を変動するＣＦ４キャリヤガス流速を使用し；３μｍの粒子サイズの炭素を、２５ｇ／分の供給速度で、プラズマのテールフレームの中に供給し；そしてプラズマ源に供給された電力が１９ｋＷ〜２１ｋＷの範囲であった。結果は第２Ａ表および第２Ｂ表に示されている。
【表２】
0003892490.tif 000003
【表３】
0003892490.tif 000004
【０１２６】
反応は０．１バール（絶対）で実施した。Ｃ／Ｆ比は１．２に保った。操作は自由意思で、１５分後に停止した。
【０１２７】
実施例３〜５
ヘキサフルオロエタン（Ｃ２Ｆ６）からテトラフルオロエチレン（ＴＦＥ）の製造
トーチの中に２．３ｋｇ／時で供給されるＣ２Ｆ６プラズマガスを使用して一般的手順に従った。Ｃ２Ｆ６は陰極の真下の４つの１．７７ｍｍ２の入口を通してトーチの中へと回転させられた。この実験は１３ｋＷ〜２３ｋＷのエネルギー入力で実施された。結果は第３表に示されている。より詳細な情報は第４表および第５表に示されている。
【表４】
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【表５】
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【表６】
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【０１２８】
プラズマ反応器内の圧力は０．１バール（絶対）に保った。Ｃ／Ｆ比は０．３であった。６．４１ｋＷ時／ｋｇのフレームエンタルピーにおいて、４０００Ｋの気体混合物温度が達成され、そしてグラファイト内張りが蒸発を始めた。急冷プローブを通る質量流束は０．４６ｇ／（秒・ｃｍ２）であった。これら実験は自由意思で、６分後に停止した。
【０１２９】
実施例６
ヘキサフルオロエタン（Ｃ２Ｆ６）からテトラフルオロエチレン（ＴＦＥ）の製造
次の事項を除いて実施例３〜５を繰り返した：プラズマのテールフレームの中に供給する炭素を変更した。４２μｍの平均粒子サイズの炭素（３６〜５３μｍ）を、４６．９ｇ／分の供給速度で、３つの１ｍｍ２間隙を通して、Ｃ２Ｆ６プラズマのテールフレームの中に、噴射した；Ｃ２Ｆ６も、キャリヤガスとして１．８ｋｇ／時の供給速度で使用した；この実験はプラズマ源に１９ｋＷ（１６１Ａ、１１９Ｖ）の電力を供給して行った。結果は第６表に示されている。
【表７】
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【０１３０】
Ｃ２Ｆ６プラズマフレームにおけるエンタルピーは５．６１ｋＷ時／ｋｇと算出された。プラズマガス混合物は２．５２ｋＷ時／ｋｇのエンタルピーで急冷された。急冷プローブを通る質量流束は０．６ｇ／（秒・ｃｍ２）であった。１．６のＣ／Ｆ比が供給された。２７．９モル％のＴＦＥ収率は１６ｋＷ時／ｋｇＴＦＥの比エンタルピーおよびＴＦＥ１．２ｋｇ／時の製造速度と対応する。０．１バール（絶対）の反応器圧力が保たれた。この実験は自由意思で４．５分後に停止された。
【０１３１】
本発明の開発において、本出願人は、フッ素やフルオロカーボンのような腐食作用のあるプラズマガスを、行われる多様な反応のために及び商業上許容できる操作時間すなわち少なくとも数時間の連続操作のために要求される高温（すなわち、高エンタルピー条件）で、操作することが可能であるプラズマトーチの設計および開発に特別の注意を払った。
【０１３２】
ＣＦ４のような気体を使用する含フッ素プラズマによる実験研究においては及び強く水冷されないグラファイト電極が使用される場合には、電流密度が５０Ａ／ｃｍ２より高くなると陽極が蒸発し始めることが判明した。
【０１３３】
さらに、大抵のプラズマプロセスにおいては、操作コストを最小にするためにプラズマガスの量を最小にすることが望ましい。１種類だけのプラズマガスを使用することは容易なプラズマ操作およびコスト軽減に寄与する。特に、フッ化物と炭素からのＴＦＥの製造においては、ＡｒやＨｅのような付加的なプラズマガスの使用は分離の規模を増大させるであろう。通常のプラズマトーチの設計をもって、含フッ素ガスだけを使用してのプラズマの生成は、一般に成功しない。何故ならば、これらガスは高温で分解して非常に反応性かつ腐食性のＦ種を生成するからである。これら種は大抵の高温金属たとえばタングステン、ハフニウムおよびタンタルと反応してＷＦ６、ＨｆＦＸおよびＴａＦ６のような気体を生成し、これは非常に高い電極浸食速度を起こさせる。本出願人は、グラファイトは強く冷却され８００Ｋ未満の温度に保たれる場合にはＦ種に対して化学的に抵抗性を示すことを解明した。
【０１３４】
本出願人による解明によれば、グラファイトは陽極として使用された場合にはより大きい浸食速度を示す。その理由は、アークスポットはＣ陽イオンの形成を生じる非常に高い温度に炭素を加熱することがあるからである。
【０１３５】
銅、ニッケル、および銅／ニッケル合金もまた、１３００Ｋ未満の温度では化学的Ｆ腐食に対して良好な抵抗性を示すことが判明した。
【０１３６】
本発明は、プラズマガスとして含フッ素ガスだけを使用し、そして高い電圧、供給可能な電極、低い電極浸食速度、多様な圧力下での安定な操作、高いエンタルピーおよび比較的低い気体流量を呈するプラズマトーチの提供を意図している。
【０１３７】
次の実施例８〜１１は、プラズマトーチがフルオロカーボンのプラズマガスをもって使用される様々な操作条件における、様々な電極の構成および材料の性能を例証する。それら実施例は本出願人によって行われた実験研究に基づいている。
【０１３８】
実施例８
この実験には、一般的には図２４に示されているような、強く水冷されたグラファイト挿入体をもつボタン型陰極と、水冷されたステップ型銅陽極とからなるプラズマトーチ（一般的には、図２４に示されているようなもの）を使用した。
【０１３９】
（ａ）陰極：            水冷されたボタン型グラファイト
（ｂ）陽極：            水冷されたステップ型銅
ｄ１／ｄ２＝４／８ｍｍおよびｌ１／ｌ２＝３３／１５ｍｍ
（ｃ）プラズマガス：    ＣＦ４
（ｄ）気体流速：        ２．３６ｋｇ／時
（ｅ）電圧：            １２７Ｖ
（ｆ）電流：            １６０Ａ
（ｇ）電力：            ２０．３ｋＷ
（ｈ）浸食速度
陰極：          ０．０７μｇ／Ｃ
陽極：          ０．６μｇ／Ｃ
（ｉ）試験時間：        １時間
（ｊ）エンタルピー：    ５．５４ｋＷ時／ｋｇ  ＣＦ４
（ｋ）効率：            ６４％
（ｌ）入口回転速度：    ２６ｍ／秒
（ｍ）圧力：            ０．１バール（絶対）
【０１４０】
このプラズマトーチは、ＣＦ４を用いて、１００〜２５０Ａの電流で１００〜１５０Ｖの範囲の電圧、および３〜８ｋＷ時／ｋｇのエンタルピーをもって、広範囲にわたる条件で、そして１．５μｇ／Ｃ未満の浸食速度および６０〜７０％の効率で、試験された。入口回転速度は１０〜８０ｍ／秒の間を変動させた。
【０１４１】
実施例９
この実験には、図２４に一般的に示されたデザインを用いたプラズマトーチを使用した。
【０１４２】
（ａ）陰極：            水冷されたボタン型グラファイト
（ｂ）陽極：            水冷されたステップ型銅
ｄ１／ｄ２＝４／８ｍｍおよびｌ１／ｌ２＝３３／１５ｍｍ
（ｃ）プラズマガス：    Ｃ２Ｆ６
（ｄ）気体流速：        ２．３０ｋｇ／時
（ｅ）電圧：            １２４Ｖ
（ｆ）電流：            １６０Ａ
（ｇ）電力：            １９．８ｋＷ
（ｈ）浸食速度
陰極：        −０．１８μｇ／Ｃ
陽極：          ０．７μｇ／Ｃ
（ｉ）試験時間：        ４５分
（ｊ）エンタルピー：    ５．２ｋＷ時／ｋｇ  Ｃ２Ｆ６
（ｋ）効率：            ６０％
（ｌ）入口回転速度：    １６ｍ／秒
（ｍ）圧力：            ０．１バール（絶対）
【０１４３】
このプラズマトーチは、１００〜２００Ａの電流で１１７〜１３３Ｖの範囲の電圧、および３〜６．５ｋＷ時／ｋｇのエンタルピーをもって、広範囲にわたる条件で、そして１．５μｇ／Ｃ未満の浸食速度および５５〜７０％の効率で、試験された。
【０１４４】
実施例１０
陽極と陰極の間に挿入体をもつ、一般的には図２５に示されるようなデザインの、プラズマトーチを使用した。２つの気体流速、すなわち、一つは陰極と挿入体の間の流速Ｇ１および一つは挿入体と陽極の間の流速Ｇ２を使用した。
【０１４５】
（ａ）陰極：            水冷されたボタン型グラファイト
（ｂ）挿入体材料；      水冷された銅、厚さ１０ｍｍ、内径５ｍｍ
（ｃ）陽極：            水冷されたテプップ型銅
ｄ１／ｄ２＝８／１６ｍｍおよびｌ１／ｌ２＝６０／５５ｍｍ
（ｄ）プラズマガス：    ＣＦ４
（ｅ）気体流速：
Ｇ１：          ５．４ｋｇ／時
Ｇ２：          ９．０ｋｇ／時
（ｆ）電圧：            ２３０Ｖ
（ｇ）電流：            ３００Ａ
（ｈ）電力：            ６９ｋＷ
（ｉ）浸食速度
陰極：          ０．０５μｇ／Ｃ
陽極：          １μｇ／Ｃ
（ｊ）試験時間：        ２０分
（ｋ）エンタルピー：    ２．９ｋＷ時／ｋｇ
（ｌ）効率：            ６０％
（ｍ）入口回転速度１：  １６ｍ／秒
（ｎ）入口回転速度２：  １００ｍ／秒
（ｏ）圧力：            ０．１バール（絶対）
【０１４６】
このプラズマトーチは、１５０〜４００Ａの電流で１８０〜２８０Ｖの範囲の電圧、および１．５〜４ｋＷ時／ｋｇのエンタルピーをもって、広範囲にわたる条件で、そして１．５μｇ／Ｃ未満の浸食速度および５０〜８０％の効率で、試験された。
【０１４７】
実施例１１
一般的に図２５に示されるようなデザインのプラズマトーチを使用して、ＣＦ４を用いて０．１バール（絶対）で、この実験を行った。
【０１４８】
（ａ）陰極：            水冷されたボタン型グラファイト
（ｂ）挿入体材料；      水冷された銅、厚さ１０ｍｍ、内径５ｍｍ
（ｃ）陽極：            水冷されたステップ型銅
ｄ１／ｄ２＝８／１６ｍｍおよびｌ１／ｌ２＝６０／５５ｍｍ
（ｄ）プラズマガス：    ＣＦ４
（ｅ）気体流速：
Ｇ１：          ２．７ｋｇ／時
Ｇ２：          ７．４ｋｇ／時
（ｆ）電圧：            １９０Ｖ
（ｇ）電流：            ３００Ａ
（ｈ）電力：            ５７ｋＷ
（ｉ）浸食速度
陰極：          ０．１μｇ／Ｃ
陽極：          １μｇ／Ｃ
（ｊ）試験時間：        ２０分
（ｋ）エンタルピー：    ３．２ｋＷ時／ｋｇ
（ｌ）効率：            ５０％
（ｍ）入口回転速度Ｇ１：  ３０ｍ／秒
（ｎ）流入回転速度Ｇ２：  ８０ｍ／秒
（ｏ）圧力：            ０．１バール（絶対）
【０１４９】
このプラズマトーチは、１５０〜４００Ａの電流で１８０〜２８０Ｖの範囲の電圧、および１．５〜４ｋＷ時／ｋｇのエンタルピーをもって、広範囲にわたる条件で、そして１．５μｇ／Ｃ未満の浸食速度および５０〜８０％の効率で、試験された。
【０１５０】
本出願人は、本発明の方法および装置は投入流の中にＣＦ４を使用して３日までの時間で連続基調で走行することができることを見出した。本出願人はまた、本発明のプロセスは１ｋｇの生成ＴＦＥ当たり２０ｋＷ時より小さいエネルギー入力速度で、１００ｇ／時より大きい製造速度でＴＦＥを製造できることを見出した。
【０１５１】
本発明の利点は、この方法および装置が投入供給材料として廃物ＰＴＦＥを他のフルオロカーボン化合物と一緒に利用できることである。このことは、転じて、本発明の装置が排出廃棄物を殆ど又は全く生じることなく操業することを可能にする。
【０１５２】
本出願人は、本発明の方法および装置は制御された炭素添加によって正確なパラメーターの範囲内で制御できることを見出した。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従って反応性熱混合物を提供するのに使用するのに適するプラズマトーチの側断面図である。
【図２】図１における矢印Ａの方向から見た図１のプラズマトーチの端面図である。
【図３】図１のプラズマトーチの中の陰極の側断面図である。
【図４】図３における矢印Ｂの方向から見た図３の陰極の端面図である。
【図５】図１のプラズマトーチの中の陽極の側断面図である。
【図６】図５における矢印Ｃの方向から見た図５の陽極の端面図である。
【図７】図１のプラズマトーチの中の第一のハウジング部品の側断面図である。
【図８】図７における矢印Ｄの方向から見た図７のハウジング部品の端面図である。
【図９】図１のプラズマトーチの中の第二のハウジング部品の側断面図である。
【図１０】図９における矢印Ｅの方向から見た図９のハウジング部品の端面図である。
【図１１】図９のハウジング部品の、反対側から見た端面図である。
【図１２】図１のプラズマトーチの中の第三のハウジング部品の側断面図であり、この部品は絶縁体を構成するための絶縁材料からなるものである。
【図１３】図１２における矢印Ｆの方向から見た図１２のハウジング部品の端面図である。
【図１４】図１のプラズマトーチの中の第四のハウジング部品の側断面図である。
【図１５】図１４における矢印Ｇの方向から見た図１４のハウジング部品の端面図である。
【図１６】図１のプラズマトーチの中の渦発生器の側断面図であり、図１７における線ＸＶＩ−ＸＶＩに沿って切断した図である。
【図１７】図１６における矢印Ｈの方向から見た図１６の渦発生器の端面図である。
【図１８】図１のプラズマトーチのための搭載用フランジの側断面図である。
【図１９】図１８のフランジの端面図である。
【図２０】図１のプラズマトーチのための炭素供給用部品の側断面図である。
【図２１】図２０における矢印Ｉの方向から見た図２０の供給用フランジの端面図である。
【図２２】絶縁ワッシャーの側断面図である。
【図２３】図２２における矢印Ｊの方向から見た図２２の絶縁ワッシャーの端面図である。
【図２４】本発明の方法の実施においてプラズマトーチの中に使用される陽極と陰極の構造の側断面図である。
【図２５】本発明の方法の実施においてプラズマトーチの中に使用される更に別の、陽極と陰極の構造の側断面図である。
【図２６】望まれるフルオロカーボン化合物を製造する本発明の方法を実施するための装置を示す概略フロー図である。
【図２７】１バールの圧力における炭素に関する熱力学平衡データを示すグラフである。
【図２８】０．５バールの圧力における炭素に関する熱力学平衡データを示すグラフである。
【図２９】０．１バールの圧力における炭素に関する熱力学平衡データを示すグラフである。
【図３０】０．０１バールの圧力における炭素に関する熱力学平衡データを示すグラフである。
【図３１】０．１気圧の圧力における前駆体ＣＦ２の収量に対するＣ／Ｆ比および温度の影響を示す三次元グラフである。
【図３２】０．１気圧の圧力における前駆体Ｃ２Ｆ２の収量に対するＣ／Ｆ比および温度の影響を示す三次元グラフである。
【図３３】１．０のＣ／Ｆ比における前駆体ＣＦ２の収量に対する圧力および温度の影響を示す三次元グラフである。
【図３４】１．０のＣ／Ｆ比における前駆体Ｃ２Ｆ２の収量に対する圧力および温度の影響を示す三次元グラフである。
【図３５】１５ｍｍのグラフアァト棒からの炭素消耗（ｇ／分）を、電流（アンペア）の関数として示すグラフである。
【符号の説明】
１０  プラズマトーチ
１２  陰極
１４  陽極
１８  第一のハウジング部品
２０  第二のハウジング部品
２２  第三のハウジング部品（絶縁体）
２４  第二のハウジング部品
３０．４  水流出導管
３２．１４  水流入導管
３２．６  気体流入導管
２４．９  水流出導管
３７  磁界生成用コイル
５０、５５  冷却水流路用キャビティ
８１  固定用ボルト
９０  渦発生器
９７  間隙
１５０  概略フロー図
１５４  電源
１６０  フルオロカーボン化合物貯蔵容器
１６２  水供給槽
１７０  混合チャンバー
１８０  炭素ホッパー
１８６  急冷チャンバー
１８７  製造反応器
２００  相分離器
２０８  トラップ
２１０  真空ポンプ
２１２  圧縮器
２１８  相分離・精製装置
２３０  フルオロカーボン貯蔵容器
２３２  テトラフルオロエチレン貯蔵容器
２４０  分析装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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