JP2019166499A

JP2019166499A - 晶析装置

Info

Publication number: JP2019166499A
Application number: JP2018057470A
Authority: JP
Inventors: 大志内藤; Hiroshi Naito
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Priority date: 2018-03-26
Filing date: 2018-03-26
Publication date: 2019-10-03

Abstract

【課題】製品結晶の粒径の調整が容易である晶析装置の提供。【解決手段】分級部６の母液Ｓを抜き出して、抜き出した母液Ｓを分級脚７に供給する循環流路２０を備えたＤＴＢ型晶析装置１であって、循環流路２０は、分級部６から母液Ｓを抜き出す母液抜出部２１を備えており、母液抜出部２１は、その先端に母液Ｓを抜き出す母液抜出口２１ｈが設けられており、母液抜出口２１ｈの位置を分級部６の高さ方向に沿って移動可能に設けられたＤＴＢ型晶析装置１。分級部６の高さ方向に沿って母液抜出口２１ｈの位置を変化させれば、排出する母液Ｓに含まれる結晶の状態が変化するので、装置から排出される製品結晶の粒度分布を変化させることができる。母液抜出口２１ｈの位置を変化させるだけであるので、製品結晶の粒度分布を調整する作業が容易で、製品結晶の粒度分布の調整を短時間で実施することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、晶析装置に関する。さらに詳しくは、連続して結晶を製造する晶析装置に関する。

硫酸ニッケルや塩化ナトリウム等の塩の結晶を製造する場合、原料となるイオンを含有する母液から製造される。かかる結晶を連続してかつ粒径の大きいものを製造する装置が開発されており、ドラフトチューブ＆バッフル型（ＤＴＢ型）晶析装置が知られている（例えば文献１、２参照）。

ＤＴＢ型晶析装置は、原液が貯留されるＤＴＢ槽を備えており、このＤＴＢ槽内に母液が循環する晶析部と、晶析部の外側に設けられ結晶を分級する分級部とを備えている。また、ＤＴＢ槽の下部には、所定の粒径以上となった結晶を取り出す分級脚が設けられている。かかるＤＴＢ型晶析装置では、晶析部では母液を上下方向に対流させる間に結晶化が行われる。そして、晶析部で形成された結晶は分級部において沈降を利用して分級され、所定の粒径以上となった結晶（以下製品結晶という）は分級脚まで沈降して分級脚から母液とともに外部に取り出されるようになっている。そして、かかるＤＴＢ型晶析装置では、分級脚から抜き出された母液と同量の新しい母液をＤＴＢ槽に供給することによって連続晶析を実現している。

かかるＤＴＢ型晶析装置では、分級部では、分級部の上部から取り出した結晶を含む母液をＤＴＢ槽の底部に供給しＤＴＢ槽の底部と分級部との間に流れ（上昇流）を形成している。そして、この上昇流の流量（以下分級流量という）を調整して、分級脚から取り出される製品結晶の粒度分布を調整している（特許文献１、２参照）。

特許第４０８１８２０号公報特開２０００−３３４２０２号公報

しかるに、ＤＴＢ型晶析装置において、分級流量を調整して製品結晶の粒度分布を調整した場合に、製品結晶の粒度分布の変動周期の位相と分級流量の調整周期の位相は一致しないことが知られている（特許文献２参照）。このため、製品結晶の粒度分布を適切に調整するには、製品結晶の粒度分布の変動を想定して分級流量を調整しなければならないので、製品結晶の粒度分布の調整が非常に煩雑になる。

しかも、分級流量を変化させた場合には、分級部内における母液の流動や結晶の濃度分布が変化して不安定な状態になってしまう。母液の流動や結晶の濃度分布がある程度安定しなければ製品結晶の粒度分布も安定しないので、製品結晶の粒度分布が適切に調整できたか否かを判断するまでに時間を要する。したがって、製品結晶の粒度分布を適切に調整するまでに時間が掛かってしまう。

本発明は上記事情に鑑み、製品結晶の粒度分布の調整が容易である晶析装置を提供することを目的とする。

第１発明の晶析装置は、分級部の母液を抜き出して、抜き出した母液を分級脚に供給する循環流路を備えたＤＴＢ型晶析装置であって、前記循環流路は、前記分級部から母液を抜き出す母液抜出部を備えており、該母液抜出部は、その先端に母液を抜き出す母液抜出口が設けられており、該母液抜出口の位置が前記分級部の高さ方向に沿って移動可能に設けられていることを特徴とする。
第２発明の晶析装置は、第１発明において、製品結晶を含む母液を排出する製品結晶回収部を備えており、該製品結晶回収部から排出される製品結晶の状態に基づいて、前記母液抜出部の母液抜出口の位置を変化させる制御部を備えていることを特徴とする。
第３発明の晶析装置は、第１または第２発明において、前記母液抜出部が、記母液抜出口が設けられた先端部と前記分級部の壁面に固定された基端部との間で伸縮可能な構造を有していることを特徴とする。
第４発明の晶析装置は、第１または第２発明において、前記母液抜出部は、前記分級部の壁面に連結された基端部を支点として、前記母液抜出口が設けられた先端部を上下に揺動可能な構造を有していることを特徴とする。

第１発明によれば、分級部の高さ方向に沿って母液抜出口の位置を変化させれば、分級部の長さを実質的に調整できるので、装置から排出される製品結晶の粒度分布を変化させることができる。すると、分級流量を変化させないで製品結晶の粒度分布を調整できるので、分級部内の母液の流動や結晶の濃度分布の変動を抑制することができる。つまり、分級部内の母液の状態が安定した状態で製品結晶の粒度分布を調整できるので、製品結晶の粒度分布の調整を短時間で実施することができる。しかも、母液抜出口の位置を変化させるだけであるので、製品結晶の粒度分布を調整する作業が容易になる。
第２発明によれば、製品結晶の粒度分布を安定した状態に維持しやすくなる。
第３および第４発明によれば、母液抜出口の位置を簡単に調整することができる。また、母液抜出口が設けられた先端部の位置を変化させる構成を母液抜出部に設けても、装置の構造が複雑にならない。

本実施形態の晶析装置１の概略説明図である。図１のII−II線断面図である。（Ａ）は母液抜出部２０の母液抜出部２１が伸縮する場合の一例を示した図であり、（Ｂ）は母液抜出部２０の母液抜出部２１が揺動する場合の一例を示した図である。母液抜出口が下段にある状態の数値シミュレーション結果を示した図であり、（Ａ）は装置内の粒子の体積分率を状態を示した図であり、（Ｂ）は０．１ｍｍ、０．４ｍｍおよび１ｍｍの各粒径の体積分率と細粒割合である。母液抜出口が上段にある状態の数値シミュレーション結果を示した図であり、（Ａ）は装置内の粒子の体積分率を状態を示した図であり、（Ｂ）は０．１ｍｍ、０．４ｍｍおよび１ｍｍの各粒径の体積分率と細粒割合である。

本発明の晶析装置は、母液から結晶を製造する晶析装置であって、製品結晶の粒度分布の調整を容易にできるようにしたことに特徴を有している。

本発明の晶析装置が使用される用途はとくに限定されない。例えば、硫酸ニッケルや塩化ナトリウム等の塩の結晶を製造する晶析装置として本発明の晶析装置を使用することができる。なお、以下の説明で母液とは、硫酸ニッケルを製造する場合には硫酸ニッケル液が母液に相当し、塩化ナトリウム等の塩の結晶を製造する場合には塩水が母液に相当する。

（本実施形態の晶析装置１）
図１に示すように、本実施形態の晶析装置１は、一般的なＤＴＢ型晶析装置であって、循環流路２０の母液抜出部２１の母液抜出口２１ｈの位置を調整できるようになっている点に特徴がある。

図１に示すように、本実施形態の晶析装置１は、結晶を形成する原料を含有する母液Ｓを収容するＤＴＢ槽２を備えている。このＤＴＢ槽２は密閉された容器であり、その上端部に内部の圧力を調整するための真空ポンプが連通されている。そして、ＤＴＢ槽２の内部が所定の圧力以下となるように調整されている。具体的には、ＤＴＢ槽２の液面より上方の空間の空気を真空ポンプによって適宜吸引することによって、ＤＴＢ槽２の内部は所定の圧力以下となるように調整されている。

なお、ＤＴＢ槽２の内部を所定の圧力以下とするのは、減圧することで加熱された母液Ｓを霧状として、母液Ｓ中の溶媒の大部分を蒸発させるためである。溶媒の大部分を蒸発させれば結晶が晶析部５において形成されるようになる。
また、ＤＴＢ槽２は、内部の母液Ｓの温度が所定の温度で維持されるように熱交換器（一般的には、蒸気式）によって加熱されている。例えば、硫酸ニッケルや塩化ナトリウム等の塩の結晶を製造する場合であれば、母液Ｓの温度が４０〜６０℃程度となるように加熱されている。

このＤＴＢ槽２内には、ＤＴＢ槽２の中央部を囲むようにバッフル４が設けられている。具体的には、バッフル４は略筒状に形成されており、その上端部がＤＴＢ槽２の天井に連結される一方、その下端部がＤＴＢ槽２の底部から離間した状態となるように配設されている。つまり、バッフル４によってＤＴＢ槽２内は、バッフル４に囲まれた晶析部５と、バッフル４とＤＴＢ槽２の側壁との間に形成される分級部６とに分離されている。一方、バッフル４の下端がＤＴＢ槽２の底部から離間しているので、ＤＴＢ槽２の下部では、晶析部５と分級部６とは連通されている。つまり、ＤＴＢ槽２の下部の領域を介して、晶析部５と分級部６と間で母液Ｓは流動できるようになっている。

図１に示すように、晶析部５の内部にはドラフトチューブ３が設けられている。このドラフトチューブ３は、略筒状の部材でありバッフル４の中心軸（つまりＤＴＢ槽２の中心軸）とほぼ同軸となるように配設されている。

このドラフトチューブ３の内部には、攪拌装置１０が設けられている。この攪拌装置１０は、ドラフトチューブ３の中心軸（つまりＤＴＢ槽２の中心軸）とほぼ同軸となるように配設された回転軸１１を備えている。この回転軸１１は、その上端部がＤＴＢ槽２の外方に突出しモータ等の駆動源１３に接続されている。一方、回転軸１１の下端部には攪拌翼１２が設けられている。この攪拌翼１２は、ドラフトチューブ３内またはドラフトチューブ３の下端よりも下方に設けられている。そして、攪拌翼１２は、駆動源１３によって回転軸１１を回転させると、ドラフトチューブ３内を上昇する上昇流が形成されるような構造を有している。ドラフトチューブ３内を上昇する上昇流は、液面まで到達するとドラフトチューブ３外に排出されるので、ドラフトチューブ３の外面を下降する下降流となる。つまり、攪拌装置１０を駆動すると、晶析部５の内部に、ドラフトチューブ３の壁面を旋回するように上下方向に沿った母液Ｓの旋回流が母液Ｓ中に形成されるようになっている。

また、ＤＴＢ槽２の下端には、ＤＴＢ槽２の底部と連通された分級脚７が設けられている。この分級脚７は、ＤＴＢ槽２のほぼ中心部に設けらており、その上端開口がＤＴＢ槽２の内部と連通されている。この分級脚７には、製品結晶回収部８が設けられている。この製品結晶回収部８は分級脚７内部の母液Ｓを次工程の分級サイクロン、篩等に排出するものである。

ＤＴＢ槽２の底部は、上述した分級脚７の開口に向かって傾斜している。この傾斜面には母液供給部９が設けられている。母液供給部９は、母液槽（図示せず）から概ね３０〜４０℃の状態に調整された新規な母液ＳをＤＴＢ槽２に供給するものである。

そして、製品結晶回収部８から製品結晶を含んだ母液Ｓを抜き出す量（抜出流量）と、母液供給部９から母液Ｓを供給する量（供給流量）は同じ流量になるように調整されている。

図１に示すように、晶析装置１は、分級部６とＤＴＢ槽２の分級脚７との間を連通する循環流路２０を備えている。この循環流路２０は、ＤＴＢ槽２の側壁と分級脚７の側壁との間を繋ぐ連結配管２２を備えている。この連結配管２２には、ＤＴＢ槽２の側壁から底部に向かう母液Ｓの流れを形成するポンプ等の流動発生部２３が設けられている。

なお、連結配管２２の流れに起因して、ＤＴＢ槽２の内部には、ＤＴＢ槽２の側壁内面に沿って分級部６に向かう母液Ｓの流れが形成される。晶析装置１では、通常、この流れの流速が晶析部５内に生じる旋回流よりも速くなるように流動発生部２３が制御されている。

また、分級部６内には、連結配管２２におけるＤＴＢ槽２の側壁側の開口と連通された母液抜出部２１が設けられている。この母液抜出部２１は、その先端に母液Ｓが流入する母液抜出口２１ｈが設けられている。そして、母液抜出部２１は、その先端の母液抜出口２１ｈの位置、具体的には、母液抜出口２１ｈの高さを変更できるようになっている。例えば、母液抜出部２１は、図１に示すように、その先端が基端よりも上方に位置するように設けられており、しかも、その軸方向に伸縮可能な構造を有している。つまり、母液抜出部２１が伸縮すると、母液抜出口２１ｈの高さが上下するようになっている。

本実施形態の晶析装置１が以上のごとき構成を有するので、以下のように作動させれば、分級脚７から取り出される母液Ｓ中の製品結晶の粒度分布を調整することができる。

まず、攪拌装置１０を作動させれば、母液Ｓ中にＤＴＢ槽２のドラフトチューブ３を旋回する上下方向の旋回流が形成される。つまり、晶析部５内に旋回流が形成される。すると、晶析部５内の液面では母液Ｓが蒸発し濃縮されるので、母液Ｓ中には結晶が形成される。そして、形成された結晶はある程度の大きさまでは攪拌装置１０が形成する晶析部５内の旋回流の流れにのって旋回する。

旋回流中の結晶は、旋回流の流れにのって旋回している間に成長し、その粒径が一定以上になると旋回流に追従できなくなりＤＴＢ槽２の底部に沈降する。

一方、ＤＴＢ槽２の内部には、ＤＴＢ槽２の側壁内面に沿って分級部６に向う母液Ｓの流れが形成されている。この流れによって晶析部５内で生成した結晶は分級部６に向かって流れる。

分級部６では下方から上方に向かう流れが生じているので、分級部６に流入した結晶は分級部６内において徐々に成長し、粒径の大きな結晶が下部に位置し、粒径の小さい結晶は上部に位置することになる。具体的には、分級部６に向かう母液Ｓの流れから結晶に加わる浮力と、結晶に加わる重力とが釣り合う位置に結晶が位置するように結晶の濃度勾配が分級部６内に形成される。

そして、所定の粒径になった結晶（製品結晶）はＤＴＢ槽２の底部に沈降し、ＤＴＢ槽２の底部から分級脚７に流入する。この製品結晶は製品結晶回収部８から母液Ｓとともに外部に排出される。

ところで、分級部６内における結晶の成長状況は、分級部６の長さに依存している。具体的には、分級流量が同じであっても、分級部６の長さが長くなると、清澄度の高い（微粒を含まない）液が循環流路２０に供給され、分級部６の長さが短くなると清澄度の低い（微粒を含む）液が循環流路２０に供給されようになる。つまり、製品結晶回収部８から母液Ｓとともに流出する製品結晶の粒度分布は分級部６の長さが長くなると微粒を含みにくくなり、分級部６の長さが短くなるとより多くの微粒を含むようになる。

ここで、循環流路２０の母液抜出部２１を通して分級部６から母液Ｓが排出されているので、分級部６の長さは、循環流路２０の母液抜出部２１の母液抜出口２１ｈの高さによって変化する。本実施形態の晶析装置１は、循環流路２０の母液抜出部２１の母液抜出口２１ｈの高さを変えることができるので、実質的に分級部６の長さを変化させることができる。上述したように分級部６の長さを変化させれば、製品結晶の粒度分布が変化する。つまり、母液抜出部２１の母液抜出口２１ｈの高さを変化させるだけで、製品結晶回収部８から母液Ｓとともに流出する製品結晶の粒度分布を変化させることができる。

すると、分級流量を変化させないで製品結晶の粒度分布を調整できるので、製品結晶の粒度分布を調整する際に、分級部６内の母液Ｓの流動や結晶の濃度分布の変動を抑制することができる。つまり、分級部６内の母液Ｓの状態が安定した状態で製品結晶の粒度分布を調整できるので、製品結晶の粒度分布の調整を短時間で実施することができる。

しかも、製品結晶の粒度分布を調整する際に、母液抜出口２１ｈの位置を変化させるだけであるので、製品結晶の粒度分布を調整する作業が容易になる。

（排出される母液Ｓに基づく制御）
また、本実施形態の晶析装置１に、製品結晶回収部８から排出される母液Ｓの状態、つまり、母液Ｓ中の製品結晶の粒度分布を測定し、その結果に基づいて母液抜出部２１の母液抜出口２１ｈの高さを調整する機構を設けてもよい。この場合、製品結晶の粒度分布の変動に伴って、母液抜出部２１の母液抜出口２１ｈの高さを連続的に制御できるので、製品結晶の粒度分布を安定した状態に維持しやすくなる。例えば、製品結晶の粒度分布の測定結果を分析する制御部を設ける。そして、制御部に、分析結果に基づいて母液抜出部２１の動作（上記例では母液抜出部２１の伸縮）を制御する機能を設ける。すると、製品結晶の粒度分布の測定結果に基づいて、制御部が母液抜出部２１の作動を制御して、母液抜出口２１ｈの高さを調整することができる。すると、分級部６の実質的な長さを調整できるので、製品結晶の粒度分布を調整することができる。

なお、母液Ｓ中の製品結晶の粒度分布を測定する方法はとくに限定されず、種々の方法を採用することができる。例えば篩やレーザー回折・散乱法等、簡易的には濁度計等を使用して製品結晶の粒度分布を測定することができる。また、分級脚のサイトグラス（図示せず）などの動画像処理などを使用して粒度分布を判定してもよい。

また、上述した制御部が、母液Ｓ中の製品結晶の粒度分布を測定結果に基づいて母液抜出部２１の母液抜出口２１ｈの高さを調整する方法もとくに限定されない。予め得られている実験結果や数値シミュレーションの結果などを利用して、製品結晶の粒度分布の測定結果に合わせて、母液抜出部２１の母液抜出口２１ｈの高さを調整してもよい。

（母液抜出部２１）
母液抜出部２１の構造もとくに限定されず、母液抜出口２１ｈの高さを調整できるのであればどのような方法や機構を採用してもよい

上述したように、母液抜出部２１に伸縮する構造を採用し、この母液抜出部２１を伸縮して母液抜出口２１ｈの高さを調整するようにしてもよい（図３（Ａ）参照）。例えば、母液抜出部２１を、蛇腹管（伸縮式蛇腹チューブ）と蛇腹管を伸縮させる機能を有する伸縮部（例えばジャッキ機構やシリンダ機構、ネジナット機構等を有する伸縮部）で形成する。そして、母液抜出部２１を、その伸縮方向が鉛直方向に対して斜めになるように設置する。この場合、伸縮部を作動すれば、母液抜出部２１の母液抜出口２１ｈは伸縮部の伸縮方向に沿って移動する。伸縮部の伸縮方向が鉛直方向に対して斜めになっているので、伸縮部が伸縮すると母液抜出口２１ｈの高さを変化させることができる。なお、この機構を採用した場合には、制御部によって母液抜出部２１の作動を制御する場合には、制御部は伸縮部の作動を制御することになる。また、母液抜出部２１を伸縮させる構造としては、モーター駆動のヘリコイド等の方法も採用することができる。

また、図３（Ｂ）に示すように、母液抜出部２１を管状の部材で構成し、その基端をＤＴＢ槽２の側壁に揺動装置を介して連結してもよい。この場合には、揺動装置を作動させれば母液抜出部２１の先端（つまり母液抜出口２１ｈ）を上下方向に移動させることができるので、母液抜出口２１ｈの高さを変化させることができる。なお、この機構を採用した場合には、制御部によって母液抜出部２１の作動を制御する場合には、制御部は揺動装置の作動を制御することになる。

本発明の晶析装置によって製品結晶の粒度分布を調整できること確認した。実験では、図１に示すような構造を有するＤＴＢ型晶析装置のモデルを用いて、製品結晶の粒度分布および分級部内の結晶濃度を数値シミュレーションにより確認した。

数値シミュレーションでは、ＡＮＳＹＳ社の汎用熱流体解析ソフトＣＦＸを用いて、母液抜出部の母液抜出口の位置を、上段（分級部上端部から下方に100ｍｍの位置）、下段（分級部上端部から下方に600ｍｍの位置）と変化させて、母液抜出口の位置が製品結晶の粒度分布および分級部内の結晶濃度に与える影響を確認した。

数値シミュレーションは、以下の条件で実施した。

（ＤＴＢ型晶析装置）
本実施例に用いたＤＴＢ型晶析装置の形状は、分級部の内径φ４２００ｍｍ、晶析部の内径φ２８５０ｍｍ、ドラフトチューブの内径φ１９５０ｍｍ、長さ３６００ｍｍとし、撹拌翼の回転数を３８ｒｐｍ、全体の循環（加熱用流体の循環、配管を図示せず）の流量を８３３３［Ｌ/ｍｉｎ］とし、ポンプ（図１における流動発生部２３）を用いて循環流量を１５０［Ｌ/ｍｉｎ］とした。。実際のＤＴＢ型晶析装置では、図１に示すように、母液を母液供給部から流入させ製品結晶回収部から晶析後のスラリーを取り出すが、計算では、母液供給部を製品結晶回収部と接続し、３３０［Ｌ/ｍｉｎ］の流量で循環させるモデルにて計算した。

（母液の性状）
実際のＤＴＢ型晶析装置では、母液は殆ど結晶を含まないが、計算では、分級性能を比較するため、上述したように、結晶を含む製品結晶回収部から排出される液を母液として用いた。具体的には、装置全体の各液の初期条件として、母液中の結晶の体積分率を４．０［％］均一とし、粒子を３つの粒径で代表させて計算した。代表粒径は、０．１ｍｍ、０．４ｍｍ、１ｍｍとし、細粒である粒径が０．１ｍｍの粒子の割合を５０．６３［％］、粒径が０．４ｍｍの粒子の割合を５．０［％］、粒径が１ｍｍの割合を４４．３７［％］とした。細粒割合は、計算では、母液抜出部の母液抜出口から排出される液に含まれる全粒子の体積中の０．１ｍｍと０．４ｍｍの粒径の粒子の体積分率にて評価した。

母液抜出口の位置を下段にした結果を図４に上段にした結果を図５に示す。
図４（Ｂ）および図５（Ｂ）に示すように、母液抜出口を下段にした結果と比較して、母液抜出口を上段にした結果のほうが細粒割合が減少していることが確認できた。

以上のように、母液抜出部の母液抜出口の位置を変化させることによって、その他の条件は同じでも、分級脚から排出される母液に含まれる製品結晶の粒度分布および分級部内の結晶濃度が変化することが確認された。

本発明の晶析装置は、硫酸ニッケルや塩化ナトリウム等の塩の結晶を製造する装置に適している。

１晶析装置
２ＤＴＢ槽
３ドラフトチューブ
４バッフル
５晶析部
６分級部
７分級脚
８製品結晶回収部
９母液供給部
１０攪拌装置
１１回転軸
１２攪拌翼
２０循環流路
２１母液抜出部
２１ｈ母液抜出口
Ｓ母液

Claims

分級部の母液を抜き出して、抜き出した母液を分級脚に供給する循環流路を備えたＤＴＢ型晶析装置であって、
前記循環流路は、
前記分級部から母液を抜き出す母液抜出部を備えており、
該母液抜出部は、
その先端に母液を抜き出す母液抜出口が設けられており、
該母液抜出口の位置が前記分級部の高さ方向に沿って移動可能に設けられている
ことを特徴とする晶析装置。
製品結晶を含む母液を排出する製品結晶回収部を備えており、
該製品結晶回収部から排出される製品結晶の状態に基づいて、前記母液抜出部の母液抜出口の位置を変化させる制御部を備えている
ことを特徴とする請求項１記載の晶析装置。
前記母液抜出部が、
前記母液抜出口が設けられた先端部と前記分級部の壁面に固定された基端部との間で伸縮可能な構造を有している
ことを特徴とする請求項１または２記載の晶析装置。
前記母液抜出部は、
前記分級部の壁面に連結された基端部を支点として、前記母液抜出口が設けられた先端部を上下に揺動可能な構造を有している
ことを特徴とする請求項１または２記載の晶析装置。