(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
気化した鉄含有化合物の流れをインジェクタを介して反応室に導入し、
前記鉄含有化合物を酸化ガスと接触させ、前記酸化ガスは、前記鉄含有化合物を酸化させて酸化鉄粒子を形成し得る十分な温度に加熱されている酸化鉄粒子の製造方法において、
該方法の改良は、第１の入口と第１の出口とを連結し、前記鉄含有化合物の蒸気を通すための第１の通路を有し、同時に、未加熱ガスを通すための第２の入口と第２の出口とを連結する第２の通路であって、前記第１の通路から流出する鉄含有化合物の蒸気と、前記第２の通路から流出する未加熱ガスとが実質的に共軸となるように前記第１の通路と平行かつ共軸で該第１の通路の周囲に備えられた前記第２の通路を有する前記インジェクタを備え、前記鉄含有化合物は、第１の通路から流出する時に該鉄含有化合物の分解温度以下であることを特徴とする酸化鉄粒子の製造方法。
【請求項２】
前記第２の通路の出口はテーパ処理され、前記高温酸化ガスの流れを流線的にして前記第１の出口及び該出口周辺における再循環を防止することを特徴とする請求項１記載の酸化鉄粒子の製造方法。
【請求項３】
前記鉄含有化合物は、鉄ペンタカルボニルである請求項１記載の酸化鉄粒子の製造方法。
【請求項４】
前記鉄含有化合物は、カルボニル、β−ジケトンのキレート化合物、シアノ錯塩、またはフェロセン誘導体である請求項１記載の酸化鉄粒子の製造方法。
【請求項５】
前記未加熱ガスは、前記ガスをかなり高い温度に加熱した時に前記鉄含有化合物を酸化し得るガスである請求項１記載の酸化鉄粒子の製造方法。
【請求項６】
前記未加熱ガスは、空気である請求項１記載の酸化鉄粒子の製造方法。
【請求項７】
前記未加熱ガスは、前記鉄含有化合物を酸化できないガスである請求項１記載の酸化鉄粒子の製造方法。
【請求項８】
前記第２の通路の出口から排出される前記ガスの流れは、前記第１の通路の出口周辺に周囲より低い圧力を発生させ、これによって酸化ガスが第１の通路に流入するのを防止する請求項１記載の酸化鉄粒子の製造方法。
【請求項９】
反応室と、高温酸化ガスを前記反応室に導入するための手段と、気化した鉄含有化合物を、該鉄含有化合物の分解温度以下の温度で前記反応室に導入し、前記高温酸化ガスと接触させるためのインジェクタ手段とを備える酸化鉄粒子の製造装置において、
前記酸化鉄粒子の製造装置の改良は、
前記インジェクタを貫通し、鉄含有化合物の前記反応室への導入及び排出のための入口及び出口を有する第１の通路と、実質的に前記第１の通路と平行であり、前記インジェクタを貫通する前記第１の通路の周囲に該第１の通路と共軸に備えられ、未加熱ガスを前記反応室に導入するための第２の入口及び出口を有する第２の通路と、を備え、前記第１及び第２の通路の前記出口は同一平面上にあり、これらの前記出口は、高温酸化ガスの流れと共軸に位置している前記鉄含有化合物を前記反応室に導入するためのインジェクタ手段を備える酸化鉄粒子の製造装置。
【請求項１０】
前記第２の通路の前記出口はテーパ処理され、前記出口から排出されるガスの流れを流線形にしている請求項９記載の酸化鉄粒子の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、鉄含有化合物を酸化させることによって酸化鉄粒子を製造する方式に関する。特に、酸化鉄超微粒子の生成及び鉄含有化合物を酸化ガス流中に送り込むためのインジェクタの使用に関する。
【０００２】
【従来の技術】
酸化鉄の超微粒子は、気化した鉄含有化合物をインジェクタによって高温酸化ガス流中に導入する工程によって製造されている。高温酸化ガスと接触すると、気化した鉄含有化合物は、自然に酸化して酸化鉄粒子を形成する。一般に、これらの粒子の粒度は、約１００オングストローム以下であり、約５０オングストローム以下であると好ましいものであるが、このような粒子は、電気集塵器に収集される。
【０００３】
長い間、転化率を極めて高くし、かつ粒度を均一にするために重要な変数の１つは、反応後に生成される酸化鉄粒子同士が反応室内を通過する際に、これらの粒子は互いに接触しない程度に距離を保ち、必要以上に大きく好ましくない粒子を形成することのないような状態に鉄含有化合物気体を維持する能力であるとされてきた。この稀釈度は、高圧酸化ガス流に稀釈されたガス流を導入する前に、まず気化した鉄含有化合物を常温の酸化ガス流とともに導入することによって達成される。この方法は、通例は譲渡され、その内容については、ここでは参考に用いる米国出願第２８３，１１７号に記載されている。この稀釈によって、酸化鉄粒子を残りの製造工程に送る際の酸化鉄粒子の凝塊率は低くなる。
【０００４】
他の方式も開発されて（さらに通例は譲渡され、その内容については、ここでは参考に用いる出願継続中の米国出願第０７／６１８，７７２号において開示されて）いる。ここでは、絶縁インジェクタを介して気化した鉄含有化合物を直接高圧酸化ガス流に導入し、鉄含有化合物を高圧酸化ガス流に導入するまでは、この鉄含有化合物を低温のまま保たれるようにしている。したがって、鉄含有化合物の早期酸化を抑制し、反応部位を酸化ガス流の中心に維持することができる。
【０００５】
しかしながら、これらの発明が効果的なものであるとしても、鉄含有化合物の酸化鉄粒子への転化のみならず、粒子生成後の収集工程についても大きな問題が残っている。さらに、絶縁インジェクタへの使用に適した材料は、一般に脆弱であるか扱いが困難であるかのいずれかである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
酸化鉄粒子を電気集塵器から収集したり除去したりする際に、収集や除去を行っている間は、空気や他のガスの浪費を防止するために、気体の流れを遮断しているという問題が生じる。特に、気化した鉄含有化合物のインジェクタへの流れはなくなる。熱は絶縁物に伝達され続けるが、インジェクタの内部通路はキャリヤガスの流れによって冷却されることはない。したがって、内部通路の温度は、かなり上昇し、再開時のインジェクタの詰まりやインジェクタ内の障害物の原因となる鉄含有化合物の熱分解を生じる。このような問題は、高温酸化ガス流を遮断することによって解決できる。しかしながら、ガス流を遮断すると、酸化ガスや必要機器などを適切な動作温度にするために必要とされる余分な時間のために、再開時にかかる時間は長くなる。これらのステップはいずれも面倒であり、動作の停止や再開のために、かなりのダウンタイムが発生する。このような生産時間の損失を防止するために、従来技術において必要とされるのは、システムの停止を必要とする現在の方式に関連した必要機器での問題を生じずに、酸化鉄粒子の収集を可能にする方式に対する改良である。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、酸化鉄粒子を製造するための改良された方式であって、気化した鉄含有化合物を高温の酸化ガス流に導入するステップを含み、鉄含有化合物は、酸化して酸化鉄粒子を形成する。反応後に生成される粒子を、さらに集塵器に送って収集する。本発明による改良された方式では、気化した鉄含有化合物を高温酸化ガス流中に導入する際に新規なインジェクタを使用している。インジェクタは、最低２つの通路を備え、第１の通路は、鉄含有化合物蒸気源と高圧酸化ガスとを連結させるためのものであり、第２の通路は、第１の通路の周囲に第１の通路と共軸に備えられている。冷却ガスは、第２の通路を通過して、鉄含有化合物ガスの温度をその酸化温度すなわち熱分解温度以下に維持する。また、冷却ガスは、高温酸化ガス流にも導入される。
【０００８】
さらに、本発明による方式とともに使用される機器装置についても記載されている。
【０００９】
【実施例】
上述したような酸化鉄粒子を製造する方式は、気化した鉄含有化合物流との接触時に、この鉄含有化合物を自然酸化して平均粒度が約１００オングストローム以下の酸化鉄超微粒子とし得るだけの十分な温度に加熱される酸化ガス、すなわち空気または酸素の供給源を備える。事実、この方式を使用すれば、平均粒度約５０オングストローム以下の酸化鉄粒子を生成することができる。このような所望の酸化鉄粒子を生成する反応に供せられる鉄含有化合物は、従来技術において周知である。そのうち最も好ましいものは、鉄ペンタカルボニルである。反応後に生成される粒子は、一般に酸化後に周知の電気集塵器を通過させて反応流から除去される。この工程は、このような動作や動作パラメータを達成するための方法とともに、当業者間において周知のものであり、ここでは特に詳述はしない。（通例は譲渡され、その内容についてはここでは参考に用いる米国特許第４，８５４，９８１号参照。）しかしながら、上述した従来例では、気化した鉄含有化合物を高温酸化ガス流に導入するための改良されたインジェクタ手段については記載されていない。
【００１０】
新規なインジェクタは、最低２つの通路、すなわち第１の通路と第２の通路とを有するハウジングを備える。典型的には、これらの通路は、インジェクタのハウジングを長手方向に貫くように位置している。さらに、各通路は、入口と出口とを有している。また、第２の通路は、第１の通路と共軸に位置している。第１の通路は、気化した鉄含有化合物をその供給源から高温酸化ガス流に導入される場所まで送るための通路となる手段を提供するために備えられている。第２の通路は、鉄含有化合物を高温酸化ガス流に導入するまでは、鉄含有化合物の温度をその分解温度、すなわち酸化温度以下に維持できる低温の絶縁ガスの連続的な流れを可能にするために備えられている。
【００１１】
２つの通路の出口は、両方の通路内の気体が共軸に存在し得るように位置していることが好ましい。さらに、インジェクタは、インジェクタ内に存在する気体が高温酸化ガス流と共軸になるように位置していることが好ましい。このようにすることには多くの利点がある。第１に、２種類の気体がインジェクタから排出される時、これらの気体が加熱すなわち高温酸化ガスと接触する前に混合される可能性は十分にある。鉄含有化合物を酸化前に稀釈すると、反応後に生成される酸化物粒子が互いに接触して凝集し、必要以上に大きな粒子を形成する可能性は低くなって粒度は一様になる。第２に、絶縁ガスが第２の通路から排出される時に、このガスによって第１の通路の出口圧力は（ベルヌーイの法則によって）降下する。したがって、酸素がインジェクタ内に流入して突発的な影響を伴う蒸気の早期酸化を防止することができる。
【００１２】
図１及び図２を参照すると、本発明の一実施例が示されている。この実施例は、本発明の一つの例を示すものであり、本発明は、この実施例に限定されるものでないことは言うまでもない。
【００１３】
これらの図において示されるインジェクタは、通路を含むように形成し得る材料であればどのような材料から作ることも可能である。さらに、工程内において使用される材料による悪影響がインジェクタに及ぶことはなく、インジェクタはその使用される環境において動作可能である。金属、好ましくは鋼、さらに好ましくはステンレス鋼を材料として選択する。しかしながら、いくつかの判定基準を満たす他の材料も使用することができる。このような材料として、例えばセラミックスや耐熱性強化プラスチックなどが挙げられる。インジェクタは、材料を貫くように機械加工した通路を有する１つの金属片から形成してもよいし、２つ以上の管状片から構成してもよい。後者の場合、１つの管を他の管よりも大きくして通路を形成する。このような方式及びこれと等価なものについては、当業者間において周知であり、ここでは特に詳述はしない。
【００１４】
図１及び図２において示されるように、インジェクタ２は、インジェクタの長手方向の軸に沿って位置した第１の通路４を有する。通路４は、鉄含有化合物蒸気導入用の入口６と、鉄含有化合物をインジェクタから排出する出口８とを有する。排出された鉄含有化合物は、高温酸化ガス流１０と共軸にこのガス流に導入される。第２の通路１２もインジェクタの長手方向の軸に沿って形成されており、第１の通路４の周囲にこの通路と共軸に備えられている。第２の通路は、絶縁ガス流を気体供給源（図示せず）から通路を通して出口１６まで送り、高温酸化ガス流１０中に導入するための入口１４と出口１６とを有する。
【００１５】
インジェクタは、必要に応じてインジェクタの外周または２つの通路の間に任意の絶縁材料を有してもよい。また、工程内において使用される材料及び動作温度に影響を与えない範囲で標準的な絶縁材料を使用することができる。
【００１６】
さらに、インジェクタからの排出ガスの空気力学的作用を改善するために、インジェクタの先端を滑らかにしておく。このようにすることで、３種類の気体流の接触時にインジェクタの先端１８を瞬時に取り囲む気体同士が混合することによって発生する乱流を減少させる。また、出口１６から流出する絶縁ガスは、アスピレータとして作用する。したがって、不活性キャリヤガスの流れが遮断されたとしても、アスピレーションは、（共軸外部ダクトまたは高温酸化ガス流からの）鉄カルボニル蒸気への酸素ガスの流れと逆方向となる。鉄カルボニルは、極めて可燃性が高いため、このような安全な特徴は極めて重要なのである。さらに、このようなテーパは、インジェクタ先端周辺に高温酸化ガスの流線形の流れをつくる手助けとなり、インジェクタ先端における気体の再循環を最小限に抑えることができる。このような再循環によって滞流時間が長くなり、酸化鉄生成物の効率を損なう重要な位置での沈殿物形成熱分解及び酸化を助長することとなる。（角度αで示される）テーパは、約５〜１５度であることが好ましい。
【００１７】
相当量の生成物を得られるだけの十分な鉄含有化合物がないか、十分な絶縁ガス流を供給して鉄含有化合物気体の温度を所望の温度に維持するために過剰圧力が必要とされるなどの理由により、少量の気体が通れる程度に通路を小さくして工程に影響を及ぼす必要があるのでなければ、通路の大きさは重要ではない。実際の流れは、全体の装置について個々に設計された必要条件に応じて送り出され、一旦設計した後で理論的に決定してもよいし、簡単な実験によって決定してもよい。
【００１８】
酸化鉄粒子の製造方法は、図１を参照して説明できる。高温の酸化ガス（典型的には空気または酸素）の流れは反応室２０に導入される。典型的には、酸化ガスの温度は、華氏３００度（摂氏約１４８．９度）から華氏９００度（摂氏約４８２．２度）である。このガス流は、周知の手段によって加熱され、ファンのような手段によって強制的に反応室内に送られる。同時に、鉄含有化合物は、（例えば鉄含有化合物をバブラ内において制御速度で化合物を蒸発させるか液体内にキャリヤガスを気泡化して通すなどの）周知の方法によって気化されて、インジェクタ２の第１の通路４を通過し、出口８を出て高温酸化ガス流に導入される。同時に、絶縁ガス流が第２の通路を通って気体供給源（図示せず）から入口１４に流入し、出口１６から流出する。絶縁ガスが第２の通路から排出される時、稀釈された蒸気が高温酸化ガスと接触し、このガスと反応して酸化鉄粒子を形成する前に、第１の通路から流出する鉄含有ガスの蒸気は、この絶縁ガスによって稀釈される。絶縁ガスは、酸化ガス（すなわち酸素または空気）であることが好ましいが、不活性ガスであってもよい。鉄含有化合物の蒸気と高温酸化ガス１０との接触時において、鉄含有化合物は転化して酸化鉄粒子となる。この酸化鉄粒子は、さらに電気集塵器（図示せず）から除去される。
【００１９】
例
本発明において上述したようなインジェクタは、外側が３０４ステンレス鋼、長さ１２インチ（約３０．４８ｃｍ）、外径１．０インチ（約２．５４ｃｍ）、壁厚０．０６０インチ（約１．５ｍｍ）の円筒形ジャケットで製造された。このジャケットを、テーパ処理した円錐形のステンレス鋼のノーズピースに合わせた。このノーズピースは、外形寸法を５度の角度で１．０インチ（約２．５４ｃｍ）から０．５０インチ（約１．２７ｃｍ）にテーパ処理してあり、長さは１．５インチ（約３．８ｃｍ）である。
【００２０】
ジャケットの内部に管を備え、アセンブリの上流端に位置するブッシングを中立化することによってこの管をジャケットと共軸にした。管も３０４ステンレス鋼で形成した長さ１２インチ（約３０．４８ｃｍ）のものであり、外径は０．３１２５インチ（約７．９３７５ｍｍ）、壁厚は０．０３０インチ（約０．７６ｍｍ）である。管を鉄含有化合物蒸気用の第１の通路とし、ジャケット内壁と管外壁との間の空間は絶縁ガス用の第２の通路とした。２つの通路の出口は、互いに同一平面上にくるようにした。このインジェクタを直径４インチ（約１０．１６ｃｍ）の反応ダクト内に同心的に据え付け、この中を高温酸化ガス（空気）を通過させた。
【００２１】
動作の間、高温酸化ガスは、速度１２０ＣＦＭ（３４００リットル／分）、温度華氏６１０度（摂氏約３２１度）で温度反応ダクト内を流動した。鉄カルボニルは、６リットル／分の窒素キャリヤガス流を使用して１９ｇ／分の速度で気化させた。さらに、室温（華氏７２程度、摂氏約２２．２度程度）の冷却用絶縁ガス（空気）を３．５ＣＦＭ（９９リットル／分）の速度で第２の通路を通過させた。インジェクタは、５時間半動作させた。１０分毎に鉄ペンタカルボニルの流れを遮断し、可撓性ホース及び圧縮気体を使用して電気集塵器からの酸化鉄粒子の収集を可能にした。
【００２２】
反応後に生成された粒子は平均表面積２７７ｍ2／ｇｍで、未反応産出物は１２６８ｇで理論的には７７％であった。事後試験検査によってインジェクタには付着物がないことが示された。
【００２３】
生成された酸化鉄粒子を概して微細または超微細な酸化鉄粒子として説明する。このような粒子は典型的に約１００ｍ2／ｇｍ以上の表面積を有し、平均粒度は直径で１００オングストローム以下である。さらに、この粒子は、直径が約５０オングストローム以下であることが好ましい。
【００２４】
【発明の効果】
新規なインジェクタを使用することにより、酸化鉄生成物の収集をより一層流線的かつ効果的に行うことができる。高温酸化ガスを連続して流動させることができ、さらにこの工程を行っている間、絶縁ガスを連続して変化させずに維持し得るので、インジェクタを許容範囲以上に加熱することなく鉄含有化合物の蒸気流を遮断することができる。このため、従来技術において可能であったよりも短い遮断時間及び始動時間で酸化鉄粒子を収集することができる。
【００２５】
さらに、インジェクタ先端において「アスピレータ」効果を生み出す冷却用気体の流れによって、酸化ガスが鉄含有化合物内に逆流して突発的な酸化を引き起こすのを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による製造方式を示す断面図である。
【図２】本発明によるインジェクタを示す断面図である。
【符号の説明】
２…インジェクタ
４…第１の通路
１０…高温酸化ガス
１２…第２の通路
２０…反応室
【図１】
0003785194.tif 000002
【図２】
0003785194.tif 000003