(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
硝酸水溶液とガス状二酸化イオウを気体−液体接触ゾーンにおいて接触させることによって一酸化窒素を含んだ生成物ガスを生成させる工程、を含む一酸化窒素の製造法であって、このとき硝酸水溶液における水対硝酸の重量比を１：１〜５：１の範囲とし、硝酸と二酸化イオウを二酸化イオウ１モルに対して、硝酸１．０モル以上にて接触ゾーンに導入し、そしてそこで両者を５０〜１２０℃の範囲の温度で接触させ、これによって一酸化窒素生成物ガスを生成させる、ことを特徴とする前記製造法。
【請求項２】
前記生成物ガスを少なくとも２０絶対バールの圧力に圧縮し、そして−４０℃以下の温度に冷却することによって、前記生成物ガスから二酸化窒素を除去する、請求項１記載の製造法。
【請求項３】
前記生成物ガスを圧縮する前に、水または硝酸稀薄水溶液で前記生成物ガスをスクラビング処理することによって、前記生成物ガスから二酸化窒素を除去する、請求項２記載の製造法。
【請求項４】
二酸化窒素を選択的に吸着する吸着剤に二酸化窒素含有量の少ない前記生成物ガスを通し、これによって生成物ガス中の二酸化窒素の濃度を５ｐｐｍ未満に減少させる、請求項２記載の製造法。
【請求項５】
前記生成物ガスを少なくとも２０絶対バールの圧力に圧縮し、そして１〜５℃の温度に冷却することにより前記生成物ガスから水分を凝縮させることによって、次いである程度乾燥させた前記生成物ガスを−４０℃以下の温度に冷却することにより前記生成物ガスから二酸化窒素を凍結させることによって、前記生成物ガスから水分と二酸化窒素を除去する、請求項１記載の製造法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一酸化窒素の製造に関する。さらに詳細には、本発明は、硝酸水溶液とガス状二酸化イオウとの反応による高純度一酸化窒素の製造に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
一酸化窒素は最近、人間や動物の生命過程において重要な役割を演じていることが見いだされた。例えば、血管を広げることによって血圧を維持しやすくし、体内の免疫システムにて外来侵入物を死滅させる。幾つかの研究によれば、ある特定の病気や疾患に罹っている患者に少量の一酸化窒素を投与することによって顕著な効果が得られる、ということがわかっている。特に重要なのは、極めて低い濃度の一酸化窒素を含有した酸素富化空気を患者に吸入させることによって、先天的心臓疾患が肺動脈高血圧症のために悪化した状態の小児科患者において肺血管収縮を少なくできる可能性があるという点である。“ 吸入される一酸化窒素”の最終的投与物は、医薬用グレードの一酸化窒素と不活性成分および／または他の活性物質とをミキシングすることによって得られる。医薬用グレードの一酸化窒素は、米国食品医薬品局（ＦＤＡ）によって規定されている基準を満たすためにかなり高純度でなければならない。
【０００３】
一酸化窒素は種々の方法によって製造することができる。反応物の入手しやすさの点から特に望ましい方法は、硝酸水溶液とガス状二酸化イオウとの反応による方法である。この反応については、「分離の化学と技術，vol ２４（５＆６），pp４１４−４２８（１９８９）」中に記載の“窒素・酸素同位体分離プラントへの同位体供給物に対する化学交換システム”という論文において説明されている。この反応は、細流床反応器（trickle bed reactor）において反応物と、床の頂部から導入される硝酸水溶液および床の底部から導入されるガス状二酸化イオウとを接触させることによって行うことができる。上記論文においては、二酸化イオウが反応器を通過するのを防止するために、反応の化学量論に関してやや過剰の硝酸流れを使用して反応を行うことが示されている。ガス状の反応生成物（主として一酸化窒素で構成）は、水蒸気と少量の他の窒素酸化物を不純物として含有する。不純物としての主要な窒素酸化物は、二酸化窒素と一酸化二窒素である。医薬用グレードの一酸化窒素に対するＦＤＡ基準を満たすためには、生成物ガスは二酸化窒素と一酸化二窒素を実質的に含有していてはならない。
【０００４】
医薬用グレードの一酸化窒素の新たな医療用途が重要であることから、医薬用グレードの一酸化窒素が容易に製造できるような、製造面での改良が絶えず求められている。本発明は、このような改良をもたらす一酸化窒素製造法を提供する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、一酸化窒素製造プロセスに対する改良点を含み、この改良点を利用すれば、一酸化二窒素を殆どもしくは全く含有しないガス状一酸化窒素生成物を製造することができる。この改良された製造法は、硝酸水溶液とガス状二酸化イオウを、細流床気体−液体接触ゾーンにおいて、約２０〜１５０℃の範囲の温度および約０.５〜５絶対バールの範囲の圧力にて接触させることを含み、このとき硝酸は、硝酸対二酸化イオウのモル比が少なくとも０.７：１にて接触ゾーンに入る。硝酸対二酸化イオウのモル比の上限は重要なことではなく、一般には主として経済的な観点から決定される。約１０：１より大きい硝酸対二酸化イオウのモル比にて反応を行うことは、一般には経済的に不適切である。硝酸水溶液における水対硝酸の重量比は、通常は約０.３：１〜１０：１の範囲である。
【０００６】
本発明のより好ましい実施態様においては、硝酸と二酸化イオウが、硝酸対二酸化イオウのモル比が約１：１〜１.５：１の範囲にて気体−液体接触ゾーンに入り、このとき気体−液体接触ゾーンに入る硝酸水溶液における水対硝酸の重量比が約１：１〜５：１の範囲である。
【０００７】
他の好ましい実施態様においては、一酸化窒素ガス生成物を少なくとも約３０絶対バールに圧縮し、約−４０℃未満の温度に冷却し、そしてさらに好ましくは約−４０℃から一酸化窒素の沸点より約１〜５℃高い温度までの範囲の温度に冷却し、これにより約１０ｐｐｍ以下の二酸化窒素を含有していて、実質的に水分を含有しない一酸化窒素ガス生成物を得る。本実施態様の最も好ましい態様においては、一酸化窒素生成物ガスを約３５絶対バールより高い圧力（例えば約３５〜５０絶対バール）に圧縮し、そして約−５０℃未満の温度（例えば約−５０℃から一酸化窒素の沸点より約１〜５℃高い温度までの範囲の温度）に冷却する。
【０００８】
他の好ましい実施態様においては、加圧した一酸化窒素生成物ガスを約２〜１０℃の範囲の温度に冷却することによって、前記生成物ガスから水分を凝縮させ、次いでこのある程度乾燥した生成物ガスを約−４０℃から一酸化窒素の沸点より約１〜５℃高い温度までの範囲の温度に冷却することによって、前記生成物ガスから二酸化窒素とさらなる水分を除去する。
【０００９】
他の好ましい実施態様においては、先ず一酸化窒素生成物ガスを水または硝酸稀薄水溶液でスクラビング処理して、前記生成物ガスから二酸化窒素を除去し、次いで二酸化窒素含量の少ない生成物ガスを約３０〜５０絶対バールの範囲の圧力に圧縮し、そして約２〜１０℃の範囲の温度に冷却して、前記生成物ガスから水分を除去し、次いで二酸化窒素と水分の含量の少ない生成物ガスを約−４０℃から一酸化窒素の沸点より約１〜５℃高い温度までの範囲の温度に冷却して、さらなる水分と二酸化窒素を除去する。本実施態様のより好ましい態様においては、二酸化窒素含量の少ない乾燥した一酸化窒素生成物ガスを、二酸化窒素を選択的に吸着する吸着剤に通し、これによって生成物ガス中の二酸化窒素の濃度を約５ｐｐｍ未満に減少させる。
【００１０】
本発明のプロセスによれば、硝酸水溶液とガス状二酸化イオウを反応させることによって一酸化窒素が得られる。このプロセスにおいて生じる主要な反応は次の通りである。
【００１１】
２ＨＮＯ3  ＋  ２Ｈ2Ｏ  ＋  ３ＳＯ2  →  ２ＮＯ↑  ＋  ３Ｈ2ＳＯ4
この反応において得られる生成物ガスは主として一酸化窒素（ＮＯ）で構成されている。二酸化窒素（ＮＯ2）も、生成物ガスの最大約３容量％までの量にて生成される。生成されることのある他の生成物は一酸化二窒素（Ｎ2Ｏ）と窒素（Ｎ2）である。医薬用グレードの一酸化窒素は他の窒素酸化物を実質的に含有してはならないので、窒素や一酸化窒素以外の窒素酸化物の生成を最小限に抑えるような条件下で反応を行うことが大切である。上記の反応からわかるように、一酸化窒素を生成させるための硝酸対二酸化イオウの化学量論モル比は２：３である。硝酸対二酸化イオウのモル比が化学量論値より小さい場合は、一酸化二窒素と窒素がプロセスの副生物として生成される。したがって、これら副生物の形成を避けるためには、反応ゾーン全体を通しての硝酸対二酸化イオウのモル比が少なくとも２：３であることが大切である。硝酸と二酸化イオウを、硝酸対二酸化イオウのモル比が少なくとも１：１にて反応ゾーンに導入すると、反応器中に一酸化二窒素と窒素は殆どもしくは全く生成されない、ということがわかっている。この値以上の硝酸対二酸化イオウのモル比にて反応を行うと、反応ゾーンの全ての部分において硝酸対二酸化イオウのモル比が確実に化学量論以上になり、したがって一酸化二窒素と窒素の生成は実質的に抑えられる。
【００１２】
本発明は、添付の図１を参照すればよく理解することができる。弁、圧縮機、および熱交換器を含めた、本発明を理解する上で不必要な補助的装置は、本発明の説明を単純化するために図１から省いてある。
【００１３】
図１には、気体−液体接触反応器Ａ、任意のガススクラバーＢ、二酸化窒素除去ユニットＣ、および任意のガス吸着システムＤを主要な装置成分として含んだ一酸化窒素製造システムが示されている。反応器Ａはいかなるタイプの気体−液体接触反応器であってもよいが、ガラス製、ガラスライニング製、またはステンレス鋼製の細流床塔２を含むのが好ましい。塔２にはランダム充填物を充填しても、あるいは構造的充填物を充填してもよく、反応ゾーンから熱を除去するための適切な熱交換手段（例えば冷却ジャケット４）が取り付けられている。冷却ジャケット４には、冷却水入口ライン６と冷却水排出ライン８が設けられている。塔２の頂部またはその付近に硝酸水溶液供給ライン１０が、そして塔の底部またはその付近に二酸化イオウガス入口ライン１２が設けられている。塔２の頂部にはさらに生成物ガス排出ライン１４が、そして塔の底部にはさらに廃液排出ライン１６が設けられている。
【００１４】
図１に示されている本発明の実施態様においては、ライン１４の下流端がガススクラバーＢの入口に連結されている。スクラバーＢには、スクラビング用液体入口ライン１７とスクラビング用液体排出ライン１８が設けられている。スクラバーＢの出口端が、導管によって圧縮機２０の入口端に接続されている。圧縮機２０の出口端が、導管を介して水凝縮器２２の供給ガス入口端に接続されている。凝縮器２２には凝縮水排出ライン２４が設けられている。凝縮器２２のガス出口端が、二酸化窒素凍結ユニットＣの入口マニホルド２６に接続されている。マニホルド２６は、二酸化窒素凍結器２８と３０の入口に接続されている。マニホルド２６と凍結器２８および３０との間の流れは、それぞれ弁３２と３４によって制御される。凍結器２８と３０には、それぞれ二酸化窒素排出ライン３６と３８が設けられており、これらが一緒になって二酸化窒素を下流の廃棄物処理システムに排出する。二酸化窒素凍結器２８と３０のガス出口端がマニホルド４０に接続されている。凍結器２８とマニホルド４０との間の流れは弁４２によって制御され、また凍結器３０とマニホルド４０との間の流れは弁４４によって制御される。ライン４６により、マニホルド４０がガス吸着ユニットＤの供給ガスマニホルド４８に接続されている。マニホルド４８がライン５０と５２に接続されており、これらのラインがそれぞれ吸着容器５４と５６の入口に接続されている。ライン５０と５２を通る流れは、それぞれ弁５８と６０によって制御される。容器５４と５６の非吸着ガス出口端が非吸着ガスマニホルド６２に接続されている。容器５４および５６とマニホルド６２との間の流れは、それぞれ弁６４と６６によって制御される。マニホルド６２は、非吸着ガス排出ライン６８に接続されている。脱着ガスマニホルド７０により、ライン５０と５２が連結している。ライン５０および５２とマニホルド７０との間の流れは、それぞれ弁７２と７４によって制御される。マニホルド７０は脱着ガス排出ライン７６に接続されている。
【００１５】
本発明のプロセスを実施する際には、重量比が約１／１１〜１／１.３（好ましくは約１／６〜１／２重量比）での硝酸を含有した硝酸水溶液を、ライン１０を介して反応器２中に導入する。この硝酸水溶液を反応器の頂部を横断する形で均一に分配して、塔２を通る下向きの硝酸均一流れを形成させる。これと同時に、ライン１２を介して塔２の底部にガス状二酸化イオウを導入する。塔２の底部に配置されたガス分配器（図示せず）を通って二酸化イオウが流れ、塔２を通る上向きの二酸化イオウの均一な流れが形成される。硝酸と二酸化イオウが、硝酸対二酸化イオウのモル比が少なくとも０.７：１にて、そして好ましくは少なくとも１：１のモル比にて塔２に入る。これら反応物が塔２を通っていくにつれて密に接触するようになり、反応して一酸化窒素生成物ガスを生成する。塔２中のどの場所においても硝酸対二酸化イオウのモル比は化学量論比よりかなり大きいので、硝酸が一酸化二窒素や窒素に還元されることは殆どもしくは全くない。さらに、塔２に入る水と二酸化イオウとのモル比は、本プロセスの反応段階時に二酸化窒素の形成を最小限に抑えるのに充分なモル比である。廃棄硫酸が過剰の硝酸および水と共にライン１６を介して塔２を出て、下流の使用済み酸の処理設備（図示せず）に送られる。
【００１６】
硝酸と二酸化イオウとの反応は発熱反応である。反応温度を水溶液の沸点未満の温度に保持するのが望ましい。したがって塔２には、塔２の全ての部分の温度を約１５０℃未満（好ましくは約５０〜１２０℃）に保持できる冷却手段が取り付けられている。こうした冷却は、例えば、塔２を取り囲んでいる冷却ジャケット４に冷却剤（例えば冷水）を通すことによって行うことができる。冷却剤は、ライン６を介してジャケットに入り、ライン８を介してジャケットを出る。
【００１７】
次いで、塔２からのオーバーヘッド生成物ガス（実質的には一酸化窒素で構成されているが、さらに最大約３容量％までの水と二酸化窒素を不純物として含有する）を処理してこれらの不純物を除去する。生成物ガスがライン１４を通り、図面の実施態様においてはスクラバーＢに入る。スクラバーＢにおいて、生成物ガスを水または硝酸稀薄水溶液（ライン１７を介してスクラバーＢに入る）と接触させる。水または硝酸水溶液により生成物ガスから二酸化窒素がスクラビング除去され、スクラビング用液体がスクラビング除去された二酸化窒素と共にライン１８を介してスクラバーＢを出て、廃棄物処理プラント（図示せず）に送られる。前述したように、スクラバーＢは本発明の重要な一部ではないが、二酸化窒素凍結ユニットＣの負荷を少なくするのが望ましい場合は有用である。
【００１８】
次に、圧縮機２０において一酸化窒素生成物ガスを少なくとも約３０絶対バールの圧力に、そして好ましくは少なくとも約３５絶対バールの圧力に圧縮する。この圧縮ガスを、０℃よりやや上の温度（例えば約２〜１０℃、好ましくは約２〜５℃の範囲の温度）に保持された冷却器２２に通す。生成物ガス中の水を凝縮させ、凝縮液ライン２４を介して凝縮器２２から除去する。凝縮器２２も同様に、本発明のシステムの必要な部分ではないが、凍結ユニットＣに対する負荷を少なくするという点において好ましいものである。
【００１９】
次いで圧縮された生成物ガスが、二酸化窒素凍結ユニットＣのマニホルド２６に入る。図１に示されている実施態様では、ユニットＣは、非同調的に作動する一対の凍結器２８と３０（一方の凍結器がオンライン状態にあるときに、他方の凍結器が再生作用を受けている）を含む。ユニットＣは、必要に応じて単一の二酸化窒素凍結器を含んでいてもよい。このような場合、ユニットＣは間欠的に作動し、ユニットＣが作動していないときに生成される一酸化窒素生成物ガスを捕集するための保持タンク（図示せず）をライン１４中に設けることができる。
【００２０】
ユニットＣが作動していて凍結器２８が凍結作用状態にあるときは、弁３２と４２が開放で、弁３４と４４が閉止であり、また凍結器３０が凍結作用状態にあるときは、弁３４と４４が開放で、弁３２と４２が閉止である。作動状態の凍結器を通過する生成物ガスを、二酸化窒素の凍結点（−１１.２℃）未満の温度ではあるが一酸化窒素の凍結点（−１６３.６℃）より上の温度に、一般には−４０℃から一酸化窒素の沸点より約１〜５℃高い温度の範囲の温度に、そして好ましくは約−５０℃から一酸化窒素の沸点より約１〜５℃高い温度の範囲の温度に冷却する。この工程時において、二酸化窒素の実質的に全ておよび生成物ガス中に残留している水蒸気を凍結させ、生成物ガスから除去する。凍結器２８が二酸化窒素の凍結作用状態にあるときに、凍結器３０中の凍結二酸化窒素を、例えば、加温ガスまたは加温液体を凍結器に循環させることにより、あるいは電気ヒーターを使用することにより、あるいはこれらを組み合わせることにより加熱することによってもとに戻す。こうして戻した二酸化窒素を、ライン３８を介して凍結器３０から除去し、下流の廃棄物処理ユニット（図示せず）に送る。凍結器２８に所定量の二酸化窒素が堆積すると、凍結器２８は再生作動状態に入り、再生工程を完了した凍結器３０が二酸化窒素の凍結作動状態に入る。
【００２１】
二酸化窒素含量の少ない乾燥した生成物ガスが、マニホルド４０の弁４２を介して凍結器ユニットＣを通過する。このガス（この時点では一般に約１０ｐｐｍ未満の二酸化窒素を含有）は高圧貯蔵容器中に捕集してもよいし、あるいはさらなる精製処理を施してガス中に残留している二酸化窒素の殆どを除去することもできる。図面の実施態様は、一酸化窒素生成物ガスをさらに精製するための吸着プラントを含んでいる。本実施態様においては、凍結器ユニットＣを出た一酸化窒素生成物ガスが、ライン４６を介して吸着プラントＤに進む。プラントＤは一般には循環式吸着ユニット、例えば圧力スイング吸着（ＰＳＡ）ユニットである。吸着プラントＤは、非同調的に作動する一対の吸着容器５４と５６を含む。すなわち、一方の吸着容器が吸着作動状態にあるとき、他方の吸着容器が再生作用を受けている。容器５４と５６はそれぞれ、二酸化窒素を吸着する吸着剤を収容している。本ユニットにおいて使用される吸着剤の種類も含めて、この吸着工程についての詳細は本発明の一部を形成しない。これらの詳細については、１９９４年７月７日付け出願の同時係属中の米国特許出願Ｓ.Ｎ.０８／２７１,５９２に開示されている（該特許出願を参照のこと）。
【００２２】
容器５４が吸着作動状態にあって、容器５６中の吸着剤が再生されつつあるときは、弁５８と６４と７４が開かれ、他の全ての弁が閉じられる。高圧にてライン４６を通過する生成物ガスが、ライン５０を介して容器５４に入る。ガスが容器５４中の床を通るにつれて、二酸化窒素がガスから吸着される。精製されたガスがマニホルド６２を介して容器５４から出て、ライン６８を介して下流の貯蔵施設や他の処理施設に送られる。この間、容器５６は、ライン５２、弁７４、およびライン７６を介して向流の形で減圧されている。脱着されたガスが下流の廃棄処理施設（図示せず）に送られる。吸着工程が進行するにつれて、容器５４中に二酸化窒素吸着フロントが生じ、吸着容器を通して並流の形で移動する。吸着フロントが容器５４中の所定の箇所に達すると、本容器での吸着作用は終了する。弁５８と６４と７４が閉じられ、そして弁６０と６６と７２が開かれて容器５４が床再生段階に入る一方で、容器５６がサイクルの吸着段階に入る。吸着プラントＤを出た生成物ガスは、一般には約５ｐｐｍ未満の二酸化窒素含量を有する。
【００２３】
完全自動化して効率的な態様で連続的に実施できるように、従来の装置を使用してシステム内のガスの流量をモニターし、これを自動的に調整することは本発明の範囲内であることは言うまでもない。
【００２４】
以下に実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明する。特に明記しない限り、部、パーセント、および比はいずれも重量基準である。
【００２５】
実施例１
本実施例に対しては、長さ０.９２ｍ（３フィート）および内径２.５４ｃｍでステンレス鋼ランダム充填物を充填したガラス製反応器を使用した。二酸化イオウを４９.４ミリモル／分の流量で上向きに反応器に通し、また２５重量％の硝酸を含有した硝酸水溶液を１５.５３ｇ／分の流量で下向きに反応器に通した。このとき硝酸対二酸化イオウのモル比は約１.２５：１とした。反応器は、約１００℃の温度および大気圧よりやや高い圧力にて作動させた。この実験中、反応器からのガス状流出物中の窒素濃度は約５０ｐｐｍから約１５００ｐｐｍまで変化し、一酸化二窒素の濃度は約２０ｐｐｍから約５０ｐｐｍまで変化し、残部は水蒸気と一酸化窒素であった。微量の二酸化窒素が流出物中に検出された。
【００２６】
硝酸と二酸化イオウとを、二酸化イオウの濃度に対して化学量論的に過剰の硝酸を使用して反応させると、反応において生成される窒素と一酸化二窒素の量が極めて少ない、ということを本実施例は示している。
【００２７】
特定の装置集成体および特定の実験に関して本発明を説明してきたが、これらの特徴は単に本発明の代表的なものであって、このほかにも種々の変形が可能である。本発明の範囲は、特許請求の範囲によってのみ規定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好ましい実施態様を実施することのできる装置を示す概略図である。
【図１】
0004084433.tif 000002