JP5620926B2 - 冷却晶析装置 - Google Patents

Description

本発明は、特に、蒸気圧縮冷却により、ブラインから個体を生産するシステムに関する。

商業ベースでの価値ある塩とミネラルを、天然に産生される塩水（ブライン）から太陽蒸発により生産する方法は何千年に亘って全世界で行われている。太陽蒸発を使用する例として、最も知られているのは、海水から通常の塩（NaCl 塩化ナトリウム)を生産する場合がある。即ち、海水を大きい浅い池に入れて、その水分を天然蒸発により取り除いて塩を析出させて収穫する場合である。最近では、別の例として、例えば、死海において、太陽蒸発により結晶化されたミネラルからカリウム塩を生産する場合がある。

浅い池での太陽蒸発は、時々、池での冬冷却と併用されて使用されるものでもあり、極めて経済的な方法であるが、気候条件が適切であることに加えて、不透水土を含む大きくて平らな表面が使えることが必要である。適切な気候条件としては、年間の少なくとも１部分の期間において乾燥した暑い気候が必要であり、年間を通して雨などが少ししか降らないことである。これらの条件が整わない場合には、可燃性の燃料（例えば、泥炭、木材など）を使う必要があるが、これらの燃料資源は不経済であり、高価であり、しかも、容易には、再生できないものである。

死海でのオペレーションの場合、死海の海水から太陽池を使ってカーナライト(KClMgCl₂6・(H₂O)）を生産する。カーナライトを析出させた後の、池に残っている母液を「エンドブライン(EB, End Brine)」として収穫している。このエンドブラインは、死海に含まれるミネラルの飽和溶液であり、そのために、濃度は比較的高い。このエンドブライン（または母液）の実際の濃度は、水源ごとに異なるが、通常の場合、２２％乃至３５％である。このエンドブラインには貴重なミネラルが含まれているが、ブラインの蒸気圧が低いために、通常の太陽蒸発の方法では、それ以上の抽出は不可能である。

本発明の１つの態様によれば、当初温度Ｔ₁を有するブラインから、少なくとも１部分を個体として分離するためのシステムが提供され、このシステムは、
前記のブラインを受け取る晶析装置インレット、前記のブラインの少なくとも一部から発生した第一の圧力Ｐ₁を有する蒸気を排出する晶析装置第一アウトレット、および、前記の当初温度Ｔ₁よりも低い最終温度Ｔ２を有するスラリーを排出する晶析装置第二アウトレットから成る晶析装置と、
前記スラリーを受け取る分離器インレット、前記スラリーから分離した個体の一部分を排出する分離器第一アウトレット、および、実質的にＴ₂と等しい温度を有する残余液体を排出する分離器第二アウトレットから成る分離器と、
前記の蒸気を受け取るコンプレッサーインレット、前記の圧力Ｐ₁よりも高い第二の圧力Ｐ₂を有する圧縮蒸気を排出するコンプレッサーアウトレットから成るコンプレッサーと、
前記圧縮蒸気を受け取るコンデンサー第一インレット、前記分離器から排出された残余液体を受け取り、前記圧縮蒸気から放出された潜熱を吸収し、圧縮蒸気を濃縮するコンデンサー第二インレット、Ｔ₁と実質的に等しい温度を有するアウトレット液体を排出するコンデンサーアウトレットから成る。

各晶析装置を、晶析装置インレットと晶析装置第二アウトレットとの間に直列に配置した複数の晶析装置ユニットで構成してもよい。各晶析装置ユニットは、それぞれが受け取ったブラインの温度を、温度△Ｔずつ下げていく構成になっており、第一の晶析ユニット以外の晶析装置ユニットは、温度がユニット列内の先行する晶析装置ユニットで受け取ったブラインの温度よりも低い温度のブラインを受け取り、列内の先行する晶析装置ユニットから排出された蒸気の圧力よりも低い圧力の蒸気を排出するような構成となっている。オプションとして、１つ以上の晶析装置ユニットが、直列に配置された複数の個別晶析装置で構成されていてもよい。

コンプレッサーを複数のコンプレッサーユニットで構成してもよい。１つ以上のコンプレッサーユニットが、各コンプレッサーユニットがそれぞれに対応する晶析装置ユニットと流体連通されている、直列に配置された複数の個別コンプレッサーで構成されていてもよい。

コンデンサーを直列に配置された複数のコンデンサーユニットで構成してもよい。各コンデンサーユニットをコンデンサー第一インレットとコンデンサーアウトレットとの間で直列に配置された複数の個別コンデンサーで構成して、各コンデンサーがそれぞれに対応するコンプレッサーと流体連通されていてもよく、各コンデンサーユニットが受け取った液体の温度を、温度△Ｔずつ上げるような構成として、最後のコンデンサーユニット以外のユニット列内の先行するそれぞれのコンデンサーユニットが受け取る液体の温度より高い温度を有する液体と、列内の先行するコンデンサーユニットが受け取る蒸気圧よりも高い圧力を有する圧縮蒸気を受け取り、前記の圧縮蒸気は、対応するコンプレッサーユニットから排出されるように構成されているようにしてもよい。コンデンサーのサイズは、対応するコンプレッサーと晶析装置ユニットに適合するように決定してよい。

この温度差は、全部の複数晶析装置ユニットを通して同じであってもよいし、前記の複数晶析装置ユニットのそれぞれの間で異なっていてもよい。

前記の圧縮蒸気の圧力と、各コンプレッサーユニットで受け取った蒸気の圧力との圧縮比が、前記の複数のコンプレッサーユニット間において実質的に等しくなるように構成してもよい。

前記システム内に真空を発生させて、その状態を維持するための手段を設けてもよい。

前記システムを、第二の可溶性の個体を前記コンデンサーに追加する手段を設け、前記の追加がない時の個体の値を基準にして、必要とされる圧縮比Ｐ₂/Ｐ₁を低減させるようにしてもよい。

本発明の第二の態様によれば、当初温度Ｔ１を有するブラインから少なくとも１部分を個体として分離するための方法が提供され、前記方法は、
第一の圧力Ｐ₁を有する蒸気流れを発生する前記ブラインの少なくとも１部分と、前記第一温度Ｔ₁よりも低い第二温度Ｔ２を有するスラリーとを蒸発させることと、
実質的にＴ₂と等しい温度を有する残余液体を発生させる前記スラリーからの前記個体の一部を分離することと、
前記蒸気を圧縮して、それにより、その圧力をＰ₁からＰ₂に上昇させることと、
前記の残存液体に前記の圧縮蒸気から放出された潜熱を吸収させることで、前記圧縮蒸気を濃縮し、Ｔ₁に実質的に等しい温度を有するアウトレット液体を排出することから成る。

発明を理解し、実際に、どのように実施されるかを示すために、非限定的な例として、以下において、添付図面を参照しながら、実施形態を記載する。
図１は、当該発明によるシステムの模式図である。 図２は、図１に示されたシステムの第一段の模式図である。

図１と図２は、ブラインから、少なくとも一部を個体として分離するためのシステム１０を示している。上記システム１０は、４個のサブシステム、すなわち、晶析装置サブシステム２０、コンプレッサーサブシステム３０、コンデンサーサブシステム４０、分離器サブシステム５０から成る。

前記の晶析装置サブシステム２０は、直列に配置されたN個の晶析装置ユニット２０ａ、２０ｂ、…２０ｎから成り、その晶析装置ユニット２０ａ乃至２０ｎは、互いに隣接する晶析装置ユニットのそれぞれと流体連通している。第一晶析装置ユニット２０ａは、ソースブラインＢを受け取るソースインレット２１ａ、最初の蒸気流Ｖａを排出する第一の蒸気アウトレット２３ａ、最初のスラリー流Ｓａを排出する第一スラリーアウトレット２５ａから成る。前記晶析装置ユニット２０ｂ乃至２０ｎは、スラリーＳａ乃至Ｓｎ−１のそれぞれを受け取るスラリーインレット２１ｂ乃至２１ｎ、水蒸気Ｖｂ乃至Ｖｎのそれぞれを排出するための蒸気アウトレット２３ｂ乃至２３ｎ、スラリーＳｂ乃至Ｓｎのそれぞれを排出するスラリーアウトレット２５ｂ乃至２５ｎから成る。

各晶析装置ユニット２０ａ乃至２０ｎは、受け取ったスラリー溶液の温度を△Ｔずつ下げて、その下げた温度で固定されるようになっており、その場合の温度は、数度に達してもよい。しかし、このシステム１０では、各晶析装置ユニットが、受け取った溶液に対して異なった温度勾配を示すように設計されており、その場合には、温度の低下幅は、△Ｔａ乃至△Ｔｎとなる。

各晶析装置ユニット２０ａ乃至２０ｎは、一定の圧力Ｐ₁ａ乃至Ｐ₁ｎを維持するように構成されており、この晶析装置ユニット２０ａ乃至２０ｎ内の蒸気Ｖａ乃至Ｖｎの圧力によって定まる。各ユニットごとに起こるスラリーの温度低下のために、蒸気圧は、晶析装置ユニット２０ａから２０ｎに進むにつれて次第に低下していき、その結果、第一ユニット２０ａ内の圧力Ｐ₁ａが最も高くなり、最後のユニット２０ｎの圧力Ｐ₁ｎが最も低くなる。

分離器サブシステム５０は、排出されているスラリーＳａを受け入れるための最後の晶析装置ユニット２０ｎと流体連通した構造になっているスラリーインレット５１から成る。このサブシステム５０は、さらに、スラリーＳｎから分離された、ある一定量の個体Ｓを排出するための個体アウトレット５３と、残存液体Ｌを排出する液体アウトレット５５から成る。

コンプレッサーサブシステム３０は、Ｎ個のコンプレッサーユニット３０ａ乃至３０ｎと、上記の晶析装置ユニット２０ａと２０ｎのそれぞれに対応する蒸気アウトレット２３ａ乃至２３ｎから排出された水蒸気Ｖａ乃至Ｖｎを受け入れる蒸気インレット３１ａ乃至３１ｎから成る。コンプレッサーユニット３０ａ乃至３０ｎは、さらに、圧縮蒸気流れＶ’ａ乃至Ｖ’ｎのそれぞれを排出するための圧縮蒸気アウトレット３３ａ乃至３３ａから成る。

各コンプレッサーユニット３０ａ乃至３０ｎは、異なった条件下で要求される温度や圧力などの特定の作動条件に従って動作するように設計されている。このコンプレッサーユニットは、さらに、比較的高い体積流量の蒸気を受け取るように設計されている。例えば、１００ｍ³/ｓ以上、さらには、１５０ｍ³/ｓから３２０ｍ³/sの範囲の流量の蒸気を受け取る能力を有する種類のユニットである。その点について、本件のコンプレッサー３０ａ乃至３０ｎについては、本申請者がすでに出願している特許出願（PCT/IL2006/000248)に記載されている種類のものであり、この特許出願の内容は、本出願においても一体的に参照されるものである。

上記コンプレッサーユニット３０ａ乃至３０ｎは、受け取った蒸気を、比較的低い圧縮圧力比で（この圧力比が、コンプレッサーユニット間で同じの場合もあり、異なる場合もある）圧縮する構成となっている。圧縮比は、例えば、２以下、特に、１．３＜Ｒ＜１．５の範囲である。

上記コンデンサーサブユニット４０は、直列に配置されたＮ個のコンデンサーユニット４０ａ乃至４０ｎから成り、各コンデンサーユニット４０ａ乃至４０ｎは、互いに隣接するコンデンサーと流体連通され、さらに、最後のコンデンサーユニットは、分離器ユニット５０と流体連通されている。コンデンサーユニット４０ａ乃至４０ｎは、液体Ｌｂ乃至Ｌを受け取る液体インレット４１ａ乃至４１ｎと、液体Ｌａ乃至Ｌｎを排出する液体アウトレット４３ａ乃至４３ｎと、コンプレッサーユニット３０ａ乃至３０ａのそれぞれから排出された圧縮蒸気Ｖ’ａ乃至Ｖ’ｎを受け取る蒸気インレット４５ａ乃至４５ｎから成る。

各コンデンサー４０ａ乃至４０ｎは、各晶析装置ユニット２０ａ乃至２０ｎにより引き起こされた温度低下分の△Ｔに対応させて、受け取った液体溶液の温度を△Ｔ度だけ上昇させるように構成されている。各コンデンサーユニットでは、晶析装置ユニット２０ａ乃至２０ｎのそれぞれの温度を低下させた場合と同様に、受け取った溶液の温度を上昇させてもよい。但し、この差異は、それぞれ対応する晶析装置ユニット間での温度低下の差異と実質的に等しいものであることが必要である。

各コンデンサーユニット４０ａ乃至４０ｎは、それぞれのユニット内の圧力Ｐ₁ａ乃至Ｐ₁ｎが一定に保たれるように構成されている。この圧力は蒸気Ｖ’ａ乃至Ｖ’ｎの圧力により決定され、その圧力は、コンデンサーユニット４０ｎから４０ａに進むにつれて増加していき、その結果、最後のユニット４０ｎの圧力Ｐ₂ｎが最も低い圧力となり、最初のユニット４０ａ内の圧力Ｐ₂ａが最も高い圧力となるが、これは、あるコンデンサーユニットから次のコンデンサーユニットに液体が移動する時の温度上昇が原因である。

このように、前記システム１０は、事実上、各ステージが、３個のユニット、つまり、１個の晶析装置ユニット、１個のコンプレッサーユニット、１個のコンデンサーユニットで構成されるように配置されたＮ個のステージ１乃至Ｎ（独立な部品である分離器ユニットは除外）から成るマルチステージ・システムなのである。例えば、第一ステージは、第一晶析装置ユニット２０ａ、第一コンプレッサーユニット３０ａ、第一コンデンサーユニット４０ａで構成される。但し、各ステージが、１個以上の晶析装置、１個以上のコンプレッサー、１個以上のコンデンサーで構成されていてもかまわない。

前記システム１０は、さらに、晶析装置サブシステム２０、コンプレッサーサブシステム３０、コンデンサーサブシステム４０内に真空を設けて維持する手段から構成されていてもよい。特に、このシステム１０を、内部からの濃縮不能ガスを連続的に除去するために、適当な種類の外部真空ポンプ（未表示）を装着した構成にしてもよい。

このシステム１０では、第二の可溶性個体をコンデンサーユニット４０ａ乃至４０ｎの全部または部分に追加した構成でもよい。この個体を追加することでコンデンサーユニット内の溶液の濃度を上昇させ（さらに、沸点上昇を起こさせる）、その結果、ユニット内の蒸気圧を下げることになる。上記の蒸気圧の低下は必要な圧縮作業負担（これは、対応するコンプレッサーユニットが行うものであるが）を軽減させる。

稼働中において、溶質濃度がＣ₁であり温度Ｔ１のブラインＢを第一の晶析装置ユニット２０ａのソースインレット２１ａに導入する。以下に述べるように、ユニット内においては、溶液が温度Ｔ₁ａにまで冷やされ、ブラインＢの溶質が部分的に析出されて、スラリーＳａが排出されることになる。冷却中に発生した蒸気Ｖａは、蒸気圧Ｐ₁ａを有し、蒸気アウトレット２３ａから排出され、第一コンプレッサーユニット３０ａに入る。このコンプレッサーユニット３０ａ内において、この蒸気Ｖａは、条件式Ｐ₂ａ＝Ｐ₁ａ・Ｒを満たすユニット３０ａの圧縮圧力比により定まる蒸気圧Ｐ₂ａを有するＶ’ａに圧縮される。圧縮された蒸気Ｖ’ａは、コンデンサーユニット４０ａの蒸気インレット４５ａに入る。このコンデンサーにおいて、圧縮された蒸気Ｖ’ａが濃縮（吸収）されている間に、その潜熱は、液体Ｌｂに吸収されて、その結果、その温度Ｔ₂ａを、それよりも実質的に等しいか、わずかに高い温度Ｔ₁の値まで引き上げることになる。

スラリーＳａのほうは、温度Ｔ₁ａ、ブラインＢの濃度Ｃ₁よりも高い全塩濃度Ｃ₁ａで、第一晶析ユニット２０ａから排出される。そのあと、このスラリーＳａは、隣接する晶析装置ユニット２０ｂに入る。最後の晶析装置ユニット２０ｎから排出されたスラリーＳｎの温度Ｔ₁ｎは第一の晶析装置２０ａに供給されたブラインＢの温度Ｔ₁よりもかなり低い。この温度差は、晶析装置ユニットのカスケード２０ａ乃至２０ｎを流れるスラリーの緩慢な温度低下により起こる。この温度Ｔ₁ｎの下限温度はスラリー溶液の沸点上昇（ＢＰＥ)により定義され、水蒸気圧が純水の氷点に対応する蒸気圧に達することを防止する必要性により定まる。温度がＴ₁ｎになることで、溶質の少なくとも１部が析出されることが可能となり、分離器サブシステム５０によりさらなる分離が進むことになる。

上記の記述と同様のことを、前記システム１０のステージ２乃至Ｎのそれぞれに適用することができ、その過程が、対応する晶析装置ユニット、コンプレッサーユニット、コンデンサーユニット内で起こることになる。

最後の晶析装置ユニット２０ｎから排出されたスラリーＳｎは、分離器ユニット５０のスラリーインレット５１に入る。分離器ユニット５０では、析出個体がスラリーＳｎから分離され、そして、実質的に温度Ｔ₁ｎに等しい温度Ｔ２を有する残存液体Ｌフェーズは、濃縮蒸気Ｖ’ｎより放出される潜熱の吸収体として使用されて、上記で述べたように、最後のコンデンサーユニット４０ｎに導入される。

すでに説明したように、液体Ｌ乃至Ｌａがコンデンサーユニット４０ｎに進むにつれて、その液体の温度は徐々に上昇し温度Ｔ₂からＴ₂ａになる。上記液体の濃度は、液体がコンデンサー４０ｎから４０ａに進むにつれて、そこで起こっている凝結作用のために、低下する。従って、排出された液体Ｌａは、分離器５０により分離された個体を除いて、ブラインＢと同様のパラメーターを有する。分離された個体量は、スラリー内の溶質の全量に比べて少ない。そのために、液体Ｌａの濃度は、システムに供給されたブラインＢの濃度よりほんのわずかに低い。

上記で述べたシステム１０は、例えば、死海のエンドブライン溶液からカーナライトを回収するために使用してもよい。温度Ｔ₁が３５℃、全溶質濃度Ｃ₁が３５％であるエンドブラインを６ステージのシステム１０（Ｎ＝６）に入れる。エンドブラインが晶析装置サブシステム２０を進むにつれて、エンドブライン温度は徐々に下がり、その結果、最後の６番目の晶析装置ユニット２０ｎから排出されるスラリーＳｎの温度Ｔ₁ｎは、およそ１４℃となる。従って、各晶析ユニットごとにＥＢ温度を△Ｔ（３．５℃）だけ降下させる。スラリーＳｎは分離器サブユニット５０に入り、その中で、少量の個体が分離され、残った液体がコンデンサーサブシステム４０に移される。この第一コンデンサーユニット４０ａから排出された液体Ｌａは、実質的に３５℃である温度Ｔ₂ａを有している。

表１は、上記で記載した例の場合について、システムのパラメーターを非限定例として要約したものである。

１０００トンのエンドブラインからの全カーナライト量は、上記例にリストされているように１８．２トンである。カーナライトは、最終販売可能製品である塩化カリウム（ＫＣｌ)を生産する際の中間材料であるので、ここでは、さらにＫＣｌに加工する。カーナライト１トンがカリウム０．２１トンに加工される（８０％の全体回収の工程を仮定）。従って、１０００トンのエンドブラインから生産される全販売可能な塩化カリウムは、３．９トンに達する。

Claims (9)

1. 最初の温度Ｔ_１を有するブラインから少なくとも一部分を固体として分離するための方法であって、
   連続するステージ１〜Ｎを有する複数のステージを含み、該複数のステージは、
   直列に配置されたＮ個の晶析装置ユニットからそれぞれ蒸気流れおよびスラリー流を排出させ、該ブラインの溶質物を沈殿させ、前記最初の温度Ｔ_１よりも低い第二の温度Ｔ_２を有するスラリーＳ_ａ〜Ｓ_ｎを形成し、それにより、第一の圧力Ｐ_１ａ〜Ｐ_１ｎを有する蒸気流れＶ_ａ〜Ｖ_ｎを生成することと、
   前記蒸気Ｖ_ａ〜Ｖ_ｎを圧縮してＶ’_ａ〜Ｖ’_ｎを形成し、その圧力Ｐ _１ａ〜Ｐ_１ｎ をそれぞれＰ_２ａ〜Ｐ_２ｎに上昇させることと、
   前記圧縮された蒸気Ｖ’_ａ〜Ｖ’_ｎを凝縮し、液体Ｌ_ａ〜Ｌ_ｎを形成することと、
   を含み、
   各蒸発ステージは、連続するステージ１〜Ｎを経過することで前記スラリーの漸次的な温度低下ΔＴずつ前記ブラインの温度を低下させ、溶質物をさらに沈殿させ、
   各凝縮ステージは、各蒸発ステージにより発生する温度低下分ΔＴだけ、前記液体Ｌ_ａ〜Ｌ_ｎの温度を上昇させ、
   さらに、前記スラリーＳ_ｎから前記固体を分離させ、それにより、Ｔ_１ｎに等しい温度を有する残余液体を生成することと、
   前記の残存液体に前記圧縮された蒸気Ｖ’_ａ〜Ｖ’_ｎから放出された潜熱を吸収させ、前記ステージ１の凝縮ステージからＴ_１に等しい温度を有するアウトレット液体Ｌ_ａを排出することと、
   を備えていることを特徴とする方法。
2. さらに、第二の可溶性の固体を前記凝縮ステージに追加し、それにより前記追加をしない場合の値に関して必要とされる圧縮比Ｐ_２/Ｐ_１を低減させることを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. さらに、各晶析装置ユニットは、受け取った前記ブラインの温度を、温度ΔＴずつ下げるような構成となっており、前記の第一晶析晶析ユニット以外の晶析装置ユニットは、温度が列内の先行する晶析装置ユニットで受け取った前記ブラインの温度よりも低い温度のブラインを受け取り、列内の先行する晶析装置ユニットから排出された蒸気の圧力よりも低い圧力の蒸気を排出するような構成となっている、直列に配置された前記複数晶析装置ユニットにより前記ブラインを蒸発させることから成ることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. さらに、前記方法は、各コンプレッサーユニットがそれぞれ対応する晶析装置ユニットと流体連通している複数のコンプレッサーユニットにより前記蒸気を圧縮することから成ることを特徴とする請求項１又は２又は３に記載の方法。
5. さらに、各コンデンサーは、それぞれ対応するコンデンサーユニットと流体連通しており、各コンデンサーユニットは、受け取った前記液体の温度をΔＴずつ上昇させ、最後のコンデンサーユニット以外の列内の先行するそれぞれのコンデンサーユニットが受け取る液体の温度より高い温度を有する液体と、列内の先行するコンデンサーユニットが受け取る蒸気圧よりも高い圧力を有する圧縮蒸気を受け取り、前記の圧縮蒸気は、対応するコンプレッサーユニットから排出されるように構成されている、直列に配置された複数のコンデンサーユニットにより、前記の圧縮蒸気を濃縮することを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記温度低下分ΔＴは、全部の前記複数晶析ユニットを通して同じであることを特徴とする請求項３乃至５のいずれか１の請求項に記載の方法。
7. 前記温度低下分ΔＴは、前記の複数晶析ユニットのそれぞれの間で異なっていることを特徴とする請求項３乃至５のいずれか１の請求項に記載の方法。
8. 各コンプレッサーユニットから排出された前記の圧縮蒸気の圧力と各コンプレッサーユニットで受け取った蒸気の圧力との圧縮比が前記の複数のコンプレッサーユニット間において実質的に等しいことを特徴とする請求項４乃至７のいずれか１の請求項に記載の方法。
9. さらに、システム内に真空を発生させ、その状態を維持するための手段が設けていることを特徴とする請求項２乃至８のいずれか１の請求項に記載の方法。

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