JP2016165720A - 晶析装置および晶析方法 - Google Patents

Abstract

【課題】含有物質の壁面への凝集・凝固を抑制し、メンテナンス頻度を低減させることができる晶析装置および晶析方法を提供する。【解決手段】本発明に係る晶析装置は、流体の温度及び圧力のうち少なくとも１つを変化させて、流体に含有される含有物質を晶析させる晶析装置である。この装置は、一端から流体が供給され、他端から流体が排出される円筒状の反応容器と、反応容器の側面から、種物質となる固体粒子を含んだキャリア流体を反応容器内に噴出する種物質供給手段とを備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、各種流体の中に溶解している含有物質を、晶析により分離・濾過する晶析装置および晶析方法に関する。

各種流体の中に溶解している物質を分離・精製する方法のひとつとして、晶析により該物質を分離・濾過する方法がある。一般的に、晶析は、物質が溶解できる濃度を超えたところで溶解しきれずに析出する現象を利用したものであり、圧力・温度等を単独もしくは組み合わせて変化させることで実施する。なお、「晶析」は、本来、溶液から目的の含有物質を結晶化させるときに使用される用語であるが、ここでは流体から含有物質を得る反応を、総称して晶析と呼ぶことにする。

晶析が用いられている産業分野としては、化学・石油分野には言うに及ばず、半導体および鉄鋼分野にも多々利用されている。

非特許文献１には、液体中に結晶が発生する基本的な原理から、応用装置に至るまで詳細に記述されており、その中ではコハク酸結晶の晶析、KClの結晶成長および溶質の取り込み、KAl(SO₄)₂・12H₂Oの成長等々が装置とともに述べられている。

このような晶析装置では、晶析反応が行われる反応容器の内壁に、含有物質の晶析物が堆積するという問題がある。含有物質が壁面で凝集・凝固すると、壁面に付着して留まり、さらにその上に含有物質が堆積し、大きな塊に成長して装置の詰まりを発生させる原因となる。特に含有物質が液相で壁面に接触した後に凝固した場合は、壁面に強固に付着することで、装置の詰まりを招き、頻繁に堆積物を除去するためのメンテナンスが必要となる。

このような問題に対し、特許文献１では、反応容器の流入口から堆積防止用流体を噴出すると共に、反応容器の側面から温度制御用流体を吹き込むことにより、反応容器の流入口および内壁に含有物質が凝集・凝固する現象を低減させる技術が開示されている。

ＷＯ２０１４／０２０８５４公報

中井資、晶析工学 ケミカルエンジニアリング・シリーズ９、培風館、６〜５１頁

しかしながら、特許文献１に開示された装置では、依然として、含有物質が反応容器の壁面に凝集・凝固するという問題がある。含有物質が反応容器の壁面に凝集・凝固しはじめると、含有物質が成長して壁面に大量に付着し、最悪の場合、反応容器内に詰りが発生する。そのため、反応容器内の清掃等を頻繁に行う必要がある。

本発明は、このような問題点に対してなされたものであり、反応容器の壁面への含有物質の凝集・凝固を抑制し、メンテナンス頻度を低減させることができる晶析装置および晶析方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記の目的を達成するために、以下のような特徴を有している。
［１］ 反応容器に流体を供給し、反応容器内の温度及び圧力のうち少なくとも１つを変化させて、流体の含有物質を晶析させる晶析装置において、
一端から流体が供給され、他端から流体が排出される円筒状の反応容器と、
反応容器の側面から、種物質となる固体粒子を含んだキャリア流体を反応容器内に供給する種物質供給手段と、を備える晶析装置。
［２］ 反応容器の出側に設けられ、反応容器から排出された流体から、晶析した含有物質を回収して、含有物質を回収した後の流体を排出する回収手段をさらに備え、
種物質供給手段は、回収手段から排出された流体の一部を、該種物質となる固体粒子を含んだキャリア流体として反応容器内に供給する［１］に記載の晶析装置。
［３］ 種物質供給手段が種物質となる粒径1000μm以下の固体粒子を含んだキャリア流体を反応容器内に供給する［１］又は［２］に記載の晶析装置。
［４］ 反応容器に流体を供給し、反応容器内の温度及び圧力のうち少なくとも１つを変化させて、流体の含有物質を晶析させる晶析方法において、
円筒状の反応容器一端から流体を供給し、
反応容器の側面から、種物質となる固体粒子を含んだキャリア流体を反応容器内に供給して、反応容器内の温度及び圧力のうち少なくとも１つを変化させる晶析方法。
［５］ 反応容器の他端から排出された流体から、晶析した含有物質を回収し、
含有物質を回収した流体の一部を、該種物質となる固体粒子を含んだキャリア流体として反応容器の側壁から供給する［４］に記載の晶析方法。
［６］ 種物質となる粒径1000μm以下の固体粒子を含んだキャリア流体を反応容器内に供給する［４］又は［５］に記載の晶析方法。
［７］ 浸珪により珪素鋼板を製造するプロセスにおいて用いられる［４］から［６］までのいずれか一つに記載の晶析方法。

本発明に係る晶析装置および晶析方法によれば、反応容器の側面から、種物質となる固体粒子を含んだキャリア流体を反応容器内に供給することで、含有物質の壁面への凝集・凝固を抑制し、メンテナンス頻度を低減させることができる。

本発明の実施の形態に係る晶析装置の構成を示す図である。 壁面付着量に及ぼす種物質粒子径の影響を示す図である。 本発明の実施の形態に係る晶析装置の他の構成を示す図である。 本発明の実施の形態に係る晶析装置（図１に示される晶析装置）の構成を示す説明図である。

以下、添付した図面を参照し、本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本発明の実施の形態１に係る晶析装置１の構成を示す図である。まず、本発明の概要について説明する。晶析装置１は、反応容器２内の温度及び圧力のうち少なくとも１つを変化させて、供給された流体１０に含有されている含有物質を晶析させ、その晶析物を回収する装置である。

例えば、このような晶析装置１は、流体１０に、環境問題上、外部にそのまま排出できない含有物質が含まれている場合に、流体１０から含有物質を回収するために用いられる。

晶析装置１は、反応容器２内の温度及び圧力のうち少なくとも１つを変化させる、図示されない制御装置および機能を有している。この晶析装置１では、キャリア流体を反応容器２内に供給することで、反応容器２内の温度及び圧力のうち少なくとも１つを変化させて、流体１０に含有されている含有物質を晶析させて、含有物質を回収する。

最初に、流体１０が気体であるとして説明を行う。また、含有物質が、高温では気体であるが、低温(例えば室温)では固体となる物質であり、反応容器２内の温度制御を行う場合を例に説明する。

含有物質を含んだ流体１０は、反応容器２内に導入される。このとき、流体１０は、含有物質と反応しない種類の気体であれば、使用可能である。また、流体１０が反応容器２に導入されるときは、含有物質が気体の状態を維持できる程度に十分高温である。

次に流体１０の温度を、高温から温度を下げていく場合、温度が下がるにつれて含有物質が凝縮、凝固し、固体として析出する。凝縮、凝固する温度は物質により異なるが、いずれにせよ、反応容器２内の壁面に固体として析出すると、析出した固体を基点として含有物質が成長していくため、流体１０が供給され続けると、壁面には大量の含有物質が付着することになる。

ここで、反応容器２内の含有物質の壁面付着を防ぐためには、含有物質を含んだ流体１０が壁面に接触する前に、含有物質を空中で凝縮および凝固させることが有効である。含有物質が空中で凝縮および凝固すると粉末状となって速やかに落下するため、付着による詰まりを発生させることなく、容易に反応容器２の外へ排出することができる。そこで、本発明では、含有物質を反応容器２内で効率良く凝縮および凝固させるために、含有物質の凝集核となる固体物質である種物質をキャリア流体に混入し、このキャリア流体を、反応容器２の側面から、反応容器２内に供給している。

反応容器２の側面から種物質を含むキャリア流体を供給することで、種物質が反応容器２の側面から中央側に運ばれて、反応容器２内の中央付近で晶析を誘発し、壁面付着前に含有物質を固体として晶析させることが可能となる。

さらに、本発明では、種物質を含むキャリア流体として、流体１０から晶析した含有物質が回収された後の流体の一部を、循環させて反応容器２に供給している。含有物質が回収された流体２には、回収されずに残った含有物質が含まれているが、この残りの含有物質を種物質として利用することが出来る。

含有物質と異なる物質を種物質として用いると、反応容器２の出側で、含有物質と種物質とをさらに分離する工程が必要となるが、本発明では、反応容器２から排出された流体を循環させてキャリア流体として用い、キャリア流体に含まれる含有物質を種物質として用いることで、上述のような分離工程を増やすことなく、晶析効率を向上させることができる。

次に、本発明に係る晶析装置１の各構成について説明する。晶析装置１は、反応容器２と、回収装置３、ガス量制御装置４、とキャリア流体供給管５を有している。

反応容器２は、縦に設置された円筒形状を有している。反応容器２には、一端（上方）から流体１０が供給され、他端（下方）から含有物質が晶析した晶析物１１と流体１０が排出される。反応容器２は、径が一定である円筒部２ｂと、円筒部２ｂの上下に設けられた上テーパー部２ａ、下テーパー部２ｃを有している。上テーパー部２ａは、上方に向かって径が小さくなる。一方、下テーパー部２ｃは、下方になるにしたがって径が小さくなる。

反応容器２の円筒部２ｂには、周方向に所定の間隔をおいて、種物質供給手段２１が設けられている。種物質供給手段２１は、種物質となる固体粒子を含んだキャリア流体を反応容器２内に供給する。種物質供給手段２１は、キャリア流体が円筒部２ｂの内部を旋廻するように、噴き込み角度をつけてキャリア流体を噴射する。このようにキャリア流体を噴出することで、旋廻流を発生させ、流体１０を円筒部２ｂ内に留める時間を長くし、晶析反応の反応時間を長くしている。また、種物質供給手段２１は、種物質が混入されたキャリア流体を反応容器２の側面から供給することで、種物質を反応容器２の中央付近まで運びこみ、反応容器２の側壁よりも中央の空中で晶析を誘発する。

種物質供給手段２１によるキャリア流体の噴き込み角度、噴き込み量、速度は、晶析反応効率の向上、さらには晶析物１１の付着・堆積を防止するよう調整する必要がある。しかし、特に噴き込みの角度、速度、量は各々の晶析装置に依存するため、一概にいえるものではなく、晶析装置ごとに決定する必要がある。

回収装置３は、反応容器２の出側に設けられ、反応容器２から排出された晶析物１１を回収するとともに、晶析物１１を回収した後の流体を排出する。回収装置３は、例えばスクリューコンベアにより構成される。具体的には、回収装置３は、スクリュー軸３１と、スクリュー軸３１に沿って取り付けられた螺旋状の板部材３２を有している。回収装置３は、スクリュー軸３１を回転させることにより、螺旋状の板部材３２に沿って、晶析物１１を紙面左側から右側に搬送する。回収装置３の一方の端部には、反応容器２に接続される導入口があり、他方の端部には、晶析物１１を回収する排出口が設けられている。晶析物１１は導入口から回収装置３に導入され、スクリューコンベアで搬送されて排出口から回収される。

ガス量制御装置４には、晶析物１１を回収した後の流体が供給されている。ガス量制御装置４は、晶析物１１を回収した後の流体の一部を分離して、キャリア流体供給管５を介して種物質供給手段２１に供給する。この分離された流体は、キャリア流体として機能する。また、ガス量制御装置４は、キャリア流体の流量を調節する。キャリア流体には、晶析物１１として回収しきれなかった含有物質が残っているが、この残りの含有物質が、種物質となる固体粒子として機能する。

排気される流体に含まれている回収しきれなかった含有物質の回収には、フィルタや遠心分離など、通常用いられている手段によって、取り除く。

なお、図３に示すように、キャリア流体供給管５の途中に、キャリア流体を供給するキャリア流体供給装置６や種物質を供給する種物質供給装置７を必要に応じて別途設置してもよい。

このように、本発明では、反応容器２に、種物質となる固体粒子を含むキャリア流体を反応容器２の側面から供給することで、反応容器２の側面よりも中央での晶析を促し、含有物質の反応容器２の壁面への凝集・凝固を抑制し、メンテナンス頻度を低減させることができる。

また、本発明では、反応容器２から排出された流体の一部を循環させてキャリア流体として用い、キャリア流体に含まれる含有物質を種物質として用いることで、反応容器２の出側にて晶析物１１と種物質を分離させる工程を設けることなく、晶析効率を向上させることができる。

上記の説明は、反応容器２内の温度を変化させていく場合の例であるが、圧力を変化させる場合も全く同様である。圧力を変化させる場合、反応容器２の入り口側で高圧に、出口側で低圧になるように反応容器２を構成する。圧力が下がると含有物質の流体１０に対する溶解度が低くなるので、含有物質が凝縮、凝固するようになる。

温度の変化と圧力の変化を併用してもよい。

また、流体１０が含有物質と同一の物質であっても、全く同様に本発明を適用することが出来る。

なお、含有物質を含む流体が液体である場合、含有物質を含む流体と同じ流体をキャリア流体として用いることが好ましい。その際に晶析をコントロールする物質等を添加しても良い。たとえば、液体に溶解しないセラミックの微粒子等を種物質として流体に混入させてもよい。液体の場合でも、噴き込み角度、噴き込み量、速度の良好な範囲を、数値解析、実験等を用いて決定していく必要がある。

種物質の径があまりに大きいと自重により即座に落下するために、キャリア流体に混じって飛散させることができない。安定してキャリア流体と混合飛散する種物質の径の上限は、キャリア流体の流量および流速にもよるが約1000μmである。また、種物質は小径で粒の数が多いほど、拡散して晶析を促す効果が高いため、粒径の下限は設けなくてもよいが、本発明による晶析物の形成状況を考慮すれば、種物質の粒径の下限は、約0.01μmである。尚、キャリア流体に含まれる種物質の粒径の大きさの調節は、キャリア流体を適当なフィルタに通すことにより行うことができる。粒径は、例えばふるい分け法（ＪＩＳ８８０１）により求めることができる。

本発明に係る晶析装置および晶析方法は、浸珪により珪素鋼板を製造するプロセス（例えば、連続浸珪ライン）に用いることが特に好ましい。具体的には、珪素を含有する鋼板を連続浸珪ラインで製造する際には、副産物としてFeCl₂を含むガスが産生する。このFeCl₂を含むガスを、流体１０として本発明に係る晶析装置および晶析方法で処理することにより、反応容器の壁面への含有物質の凝集・凝固を抑制しつつ晶析処理を行うことができる。

図１に示す装置を用いて、FeCl₂の分離・回収実験を行った。FeCl₂の凝固点は677℃、沸点は1023℃である。

本発明例では、流体１０として、FeCl₂（気体）を含有した窒素ガスを温度1200℃、流量500Nm³/hで反応容器２の上から投入した。キャリア流体としては、晶析物１１を回収した残りの流体を用い、種物質供給手段２１から常温で550Nm³/h投入した。他の本発明例では、キャリア流体であるN₂の代わりに、Ar、又はN₂とArの混合ガスを用いて同様に実験を行い、種物質であるFeCl₂の代わりにAl₂O₃又はCuOを使用して同様に実験を行った。

表1に実験結果を示す。

種物質を投入しなかった従来例のＮｏ．１に比べ、種物質を投入したＮｏ．２〜１２では壁面付着量が減少していることが分かる。すなわち、本発明を適用することで、壁面への塩化鉄の付着を低減させることができ、粉状の塩化鉄を装置外で回収できたことが分かる。また、壁面付着量はキャリア流体の種類によらず、ほぼ同等であった。どの種物質を使用した場合においても、付着量が低減することから、晶析効率は、種物質の種類にはよらないといえる。

次に種物質の粒径を0.5〜1500μmに変更して実験を行った。このとき投入する種物質の重量は粒子径によらず0.003kg/s一定とした。すなわち、粒径を変更した場合は、同時に投入する粒子の数も変更した。粒子の粒径は、キャリアガスを装置内に投入する前の流路にフィルタを設けることにより調整した。本発明に使用した装置は、操業に伴い徐々にFeCl₂が装置内に堆積して、晶析効率を低下させるため、定期的にFeCl₂を除去するためのメンテナンスが必要となる。種物質を投入せずに操業した場合は4日に一回のペースでメンテナンスを実施しており、操業を圧迫する。本発明においては、メンテナンス間隔を10日以上に延長できるような粒径の範囲を特に適正な範囲とした。メンテナンス間隔が10日以上であれば、効率を落とすことなく、操業を行うことができる。

図２に壁面付着量に及ぼす種物質粒子径の影響を示す。図２では、表１に示される例のうち、番号２及び７〜１２の結果を示す。種物質の粒径が小さいほど壁面付着量が減少した。これは、粒子径が小さく数が多いほどキャリア流体中および反応容器２内で拡散しやすいために、塩化鉄の凝集を促進できるためと考えられる。尚、前記したメンテナンス間隔を10日以上に延長できるような壁面付着量の上限は、約1200g/日であった。

表１に装置のメンテナンス間隔の調査結果を示す。なお、種物質を用いなかった比較例（表１のＮｏ．１）では、装置のメンテナンスを4日に一回のペースで行っていた。しかし、本発明を適用すると含有物質の壁面付着量が減少し、装置を停止して装置内を清掃・メンテナンスする回数を削減することができ、運転効率が大幅に向上した。特に、メンテナンス間隔を10日以上に延ばすことができる種物質の粒径は、1000μm以下であった。

１ 晶析装置
２ 反応容器
２ａ 上テーパー部
２ｂ 円筒部
２ｃ 下テーパー部
２１ 種物質供給手段
３ 回収装置
３１ スクリュー軸
３２ 板部材
４ ガス量制御装置
５ キャリア流体供給管
６ キャリア流体供給装置
７ 種物質供給装置
８ 種物質
１０ 流体
１１ 晶析物

Claims (7)

1. 反応容器に流体を供給し、反応容器内の温度及び圧力のうち少なくとも１つを変化させて、流体の含有物質を晶析させる晶析装置において、
   一端から流体が供給され、他端から流体が排出される円筒状の反応容器と、
   反応容器の側面から、種物質となる固体粒子を含んだキャリア流体を反応容器内に供給する種物質供給手段と、を備える晶析装置。
2. 反応容器の出側に設けられ、反応容器から排出された流体から、晶析した含有物質を回収して、含有物質を回収した後の流体を排出する回収手段をさらに備え、
   種物質供給手段は、回収手段から排出された流体の一部を、該種物質となる固体粒子を含んだキャリア流体として反応容器内に供給する請求項１に記載の晶析装置。
3. 種物質供給手段が種物質となる粒径1000μm以下の固体粒子を含んだキャリア流体を反応容器内に供給する請求項１又は２に記載の晶析装置。
4. 反応容器に流体を供給し、反応容器内の温度及び圧力のうち少なくとも１つを変化させて、流体の含有物質を晶析させる晶析方法において、
   円筒状の反応容器一端から流体を供給し、
   反応容器の側面から、種物質となる固体粒子を含んだキャリア流体を反応容器内に供給して、反応容器内の温度及び圧力のうち少なくとも１つを変化させる晶析方法。
5. 反応容器の他端から排出された流体から、晶析した含有物質を回収し、
   含有物質を回収した流体の一部を、該種物質となる固体粒子を含んだキャリア流体として反応容器の側壁から供給する請求項４に記載の晶析方法。
6. 種物質となる粒径1000μm以下の固体粒子を含んだキャリア流体を反応容器内に供給する請求項４又は５に記載の晶析方法。
7. 浸珪により珪素鋼板を製造するプロセスにおいて用いられる請求項４から６までのいずれか一項に記載の晶析方法。

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