结晶析出装置和结晶析出方法

摘要

减少在流体流入反应容器的流入口附近堆积的结晶析出物。本发明的结晶析出装置是通过控制流体的温度和压力中的至少1个而使流体所含的含有物质结晶析出的结晶析出装置，具备：流入流体并控制流体的温度和压力中的至少1个的反应容器；和流体吹射机构，其在流体流入反应容器的流入口喷出用于防止含有物质的结晶析出物堆积在反应容器的内壁的防止堆积用流体。

说明书

技术领域

涉及一种使溶解于流体中的含有物质结晶析出的结晶析出装置 (crystallizer)和结晶析出方法(crystallizing method)。

背景技术

以往，已知有将溶解于流体中的含有物质进行结晶析出 (crystallization)的结晶析出方法。结晶析出是超过物质可溶解的浓度 后不能再溶解而析出(deposit or precipitate)的现象。结晶析出时，通 过单独或组合控制压力和温度等而使含有物质析出。结晶析出方法不仅 用于化学·石油领域，还用于半导体和钢铁领域。

非专利文献1中从溶液中产生晶体的基本原理到将溶液所含的物质 分离·精制的装置均有详细记载。非专利文献1中，琥珀酸晶体(succinic  acid crystal)的结晶析出、KCl的晶体生长和溶质的获取、KAl(SO₄) ₂·12H₂O的生长等与装置一起被公开。

图8是表示现有的结晶析出装置的构成的图。结晶析出装置具有水 平设置的圆筒状的反应容器14。在反应容器14的流体10的流入口和流 出口连接有配管3。流体10从纸面左侧的流入口流入反应容器14，从 纸面右侧的流出口被排出。流体吹射口7向反应容器14喷出控制温度 用流体9。流体吹射口7沿圆筒状的反应容器14的圆周方向隔规定的间 隔设置多个。

这样构成的结晶析出装置中，如果利用控制温度用流体9冷却流体 10，则流体10中的含有物质作为结晶析出物11(crystallized material) 结晶析出。结晶析出物11从设置在反应容器14的下方的开口部被排出 到结晶析出物输送装置5。通过了结晶析出物输送装置5的结晶析出物 11从排出口6被排出。

现有技术文献

非专利文献

非专利文献1：中井资，“结晶析出工学”，培风馆，1986年2月， P.97～100,P.105～112

发明内容

然而，现有的装置中，析晶物堆积在反应容器的流入口附近。因此， 现有的装置具有如下问题点：定期实施刮取流入口附近的结晶析出物11 的操作，生产效率提高不上去。

本发明是针对这样的问题点而进行的，其目的在于提供减少结晶析 出物堆积在反应容器的流入口附近的结晶析出装置和结晶析出方法。

本发明是为了解决上述问题而进行的，其主旨如下。

[1]一种结晶析出装置，通过改变流体的温度和压力中的至少1 个而使上述流体所含的含有物质结晶析出，其具备：

流入上述流体，控制上述流体的温度和压力中的至少1个的反应容 器，和

第1流体吹射机构，其在上述流体流入上述反应容器的流入口喷出 用于防止上述含有物质的结晶析出物堆积在上述反应容器的内壁的防 止堆积用流体。

[2]根据[1]所述的结晶析出装置，进一步具备第2流体吹射机 构，向上述反应容器喷出用于控制上述流体的温度的控制温度用流体。

[3]根据[1]或[2]所述的结晶析出装置，具备将上述流体导 入上述反应容器的配管，

上述配管的前端收容在上述反应容器中，

上述第1流体吹射机构向上述反应容器内的上述配管的前端吹射上 述防止堆积用流体。

[4]根据[3]所述的结晶析出装置，上述配管的前端以与上述反 应容器的侧面介由缝隙地插入上述反应容器，

上述第1流体吹射机构向上述缝隙吹射上述防止堆积用流体。

[5]根据[1]～[4]中任1项所述的结晶析出装置，上述防止堆 积用流体是非活性气体。

[6]一种结晶析出方法，通过改变流体的温度和压力中的至少1 个而使上述流体所含的含有物质结晶析出，其中，

在上述流体流入的反应容器的流入口喷出用于防止上述含有物质 的结晶析出物堆积在上述反应容器的内壁的防止堆积用流体。

[7]根据[6]所述的结晶析出方法，向上述反应容器喷出用于控 制上述流体的温度的控制温度用流体。

[8]根据[6]或[7]所述的结晶析出方法，将向上述反应容器 导入上述流体的配管的前端收容于上述反应容器中，

从上述反应容器内的上述配管的外周吹射上述防止堆积用流体。

[9]根据[8]所述的结晶析出方法，上述配管的前端以与上述反 应容器的侧面介由缝隙地插入上述反应容器，

向上述缝隙吹射上述防止堆积用流体。

[10]根据[6]～[9]中任一项所述的结晶析出方法，其中，上 述防止堆积用流体是非活性气体。

根据本发明，能够提供减少结晶析出物堆积在反应容器的流入口的 结晶析出装置和结晶析出方法。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式1涉及的结晶析出装置的构成的图。

图2是表示本发明的实施方式1涉及的结晶析出装置的部分放大 图。

图3是将采用本实施方式1的本发明例与采用现有方法的比较例的 条件总结而得的图。

图4是表示比较例和本发明例中的结晶析出装置的壁面温度的图。

图5是表示比较例和本发明例中的结晶析出装置的轴中心部的温度 分布的图。

图6是表示比较例和本发明例的结晶析出装置中的粒子的堆积状态 的比较结果的图。

图7是表示实施例1的结晶析出装置的图。

图8是表示现有的结晶析出装置的图。

具体实施方式

以下，参照附图，对本发明的实施方式进行说明。

[实施方式1]

图1是表示本发明的实施方式1涉及的结晶析出装置1的构成的图。 结晶析出装置1具有配管3、反应容器16、第2流体吹射机构7、第1 流体吹射机构12。另外，在结晶析出装置1的流出口侧设有结晶析出物 输送装置5。应予说明，结晶析出装置1中流动的流体10可以是气体也 可以是液体。本实施方式1的说明中，以流体10为气体(gas)的情况 进行说明。

反应容器16具有纵向设置的圆筒形状。反应容器16具有直径恒定 的圆筒部16b、设在圆筒部16b的上下的上锥形部16a和下锥形部16c。 上锥形部16a随着向上方直径逐渐变小。另一方面，下锥形部16c随着 向下方直径逐渐变小。下锥形部16c具有比上锥形部16a的锥形的倾斜 缓的倾斜。

在上锥形部16a的前端接合有配管3。流体10通过配管3流入反应 容器16。流体10从配管3铅直向下喷出。在此，对于结晶析出装置1， 由于在反应容器16中使含有物质从流体10结晶析出时需要改变(控制) 温度或压力或这两者，所以使反应容器16制成适合温度、压力的变化 的结构。本发明中为了形成耐受温度、压力的变化的结构使反应容器16 成为近似圆筒形的形状。并且，对反应容器16和配管3进行封闭连接， 成为反应容器16不与外界(大气等)进行热和物质的交换的独立体系。 通过使反应容器16成为封闭容器，从而反应容器16不会因急剧的温度 变化、压力变化等被破坏，是顾虑到安全等实施设计和制作的。特别是 流体10为气体时，充分考虑到因结晶析出的体积变化产生的压力变化 而实施装置设计和制作。另外，本发明的目的是减少配管3的喷出口周 围的堆积，其方式没有特别限制。例如，配管3可以有多个，另外结晶 析出物输送装置5也可以设置多个都没问题。

在反应容器16的圆筒部16b的外周设有多个第2流体吹射机构7。 第2流体吹射机构7延伸设置在反应容器16的圆筒部16b的长边方向。 第2流体吹射机构7沿圆筒部16b的圆周方向以等间隔配置。应予说明， 第2流体吹射机构7的个数、配置不限于图1，可以设置任意个数并在 任意的位置设置。

从第2流体吹射机构7喷出用于使流体10所含的含有物质冷却而 析出的控制温度用流体9。应予说明，作为控制温度用流体，可以是气 体、液体或者含固体的气体、液体中的任一种，另外可以组合这些使用。

控制温度用流体9以沿圆筒部16b的圆周方向旋绕的方式斜着从第 2流体吹射机构7喷出。从多个第2流体吹射机构7向相同的旋转方向 喷出控制温度用流体9。因此，圆筒部16b中，控制温度用流体9呈螺 旋状流动。由此，产生旋流(rotational flow)，通过延长流体10和控 制温度用流体9停留在圆筒部16b内的时间，延长结晶析出反应的反应 时间。被控制温度用流体9冷却的流体10所含的含有物质不再溶于流 体10而变成固体，成为结晶析出物11。

为了使控制温度用流体9容易结晶析出，并且防止结晶析出物11 堆积在反应容器16内，调整水平方向和铅直方向的吹射角度、吹射量、 吹射速度。吹射角度、吹射量、吹射速度取决于结晶析出装置，因此通 过数值解析、实际的实验来决定它们。

这样，本实施方式涉及的结晶析出装置1中，通过喷射控制温度用 流体9进行流体10的温度控制。通过吹射控制温度用流体9，能够对反 应容器16加压或减压，容易使含有物质结晶析出。应予说明，可以使 用吹射控制温度用流体9以外的方式而对反应容器16内进一步加压或 减压地构成。另外，可以不吹射控制温度用流体9而控制反应容器16 的压力来构成。

在反应容器16的流入口附近设有第1流体吹射机构12。在此，流 入口表示配管3的前端周边。从第1流体吹射机构12喷出防止堆积用 流体13。防止堆积用流体13是为了防止结晶析出物11堆积在配管3 的喷出口、上锥形部16a而使用的流体。例如，防止堆积用流体13可 以使用属于非活性气体的N₂。

应予说明，流体10为气体时，存在特别容易产生因温度下降等而 结晶析出的结晶析出物的堆积的位置。这样的情况下，通过使防止堆积 用流体13的温度为流体10的结晶析出温度以上而进行吹射，能够进一 步减少结晶析出物11的堆积。

结晶析出物输送装置5由螺旋输送机构成。具体而言，结晶析出物 输送装置5具有螺旋轴51和沿螺旋轴51安装的螺旋状的板部件52。结 晶析出物输送装置5构成为通过使螺旋轴51旋转，将结晶析出物11沿 螺旋状的板部件52从纸面左侧输送到右侧。一旦结晶析出物11到达纸 面右侧，则从形成于纸面右侧的排出口6排出结晶析出物11。

图2是放大表示第1流体吹射机构12的图。如上所述，在配管3 的外周设有隔热砖31。配管3的前端收容在反应容器16的上部。上锥 形部16a的上端具有连接配管3的连接部16d。连接部16d形成为直径 恒定的圆筒状。圆筒状的连接部16d从隔热砖31介由规定的缝隙32地 配置在覆盖配管3的隔热砖31的外周。

第1流体吹射机构12向该缝隙32喷出防止堆积用流体13。换言之， 防止堆积用流体13朝着与反应容器16连接的配管3的部分的外周喷出。 图2中，由于在配管3的外周设有隔热砖31，所以防止堆积用流体13 碰到覆盖配管3的隔热砖31的外周，进而向下方的圆筒部16b流出。

这样，通过从第1流体吹射机构12向配管3的前端喷出防止堆积 用流体13，使碰到配管3的外周的防止堆积用流体13形成沿配管3的 外周向下方的气流。由此，在配管3的流体10的喷出口，利用防止堆 积用流体13产生向下方的气流。因此，从配管3的喷出口喷出的流体 10随着该防止堆积用流体13的气流从上锥形部16a被运到反应容器16 的中央的圆筒部16b。

因此，即使流体10被控制温度用流体9冷却而产生结晶析出物11 的情况下，也因防止堆积用流体13将结晶析出物11向反应容器16的 圆筒部16b运送，所以能减少结晶析出物11在流入口附近堆积。另外， 通过将防止堆积用流体13从反应容器16的流入口附近喷出，能够防止 控制温度用流体9向上锥形部16a扩散。由此，能够进一步提高防止反 应容器16的流入口附近的结晶析出物11的堆积的效果。

这样构成的结晶析出装置1中，流体10从配管3向反应容器16喷 出。在配管3与反应容器16的连接部，从第1流体吹射机构12向配管 3的外周喷出防止堆积用流体13。因此，含有结晶析出的结晶析出物11 的流体随着防止堆积用流体13形成的气流向反应容器16的圆筒部16b 移动。

反应容器16的流体10沿着上锥形部16a的锥形形状，向反应容器 16内扩散，流向圆筒部16b。流体10以跟随从第2流体吹射机构7喷 出的控制温度用流体9的旋流的流动沿圆筒部16b的侧壁旋绕的方式流 动。圆筒部16b中，从第2流体吹射机构7喷出用于冷却流体10的控 制温度用流体9。因此，圆筒部16b中，不再溶解的物质从被控制温度 用流体9冷却的流体10析出，形成结晶析出物11。

圆筒部16b中，越向下方，因控制温度用流体9的冷却结晶析出物 11的从流体10的析出增加。然后，含有结晶析出物11的流体10边旋 绕边通过圆筒部16b，沿下锥形部16c，被排出至结晶析出物输送装置5。 含有结晶析出物11的流体10一旦到达圆筒部16b的下方，则沿下锥形 部16c的侧面进一步向下方移动，被排出到结晶析出物输送装置5。

进入结晶析出物输送装置5的含有结晶析出物11的流体10通过螺 旋轴51和螺旋状的板部件52的旋转从纸面左侧移动至右侧。然后，结 晶析出物11从结晶析出物从输送装置5的排出口6排出。实施方式1 中，由于流体10为气体，所以可从排出口6仅取出结晶析出物11。

实施方式1涉及的结晶析出方法和装置中，通过从第1流体吹射机 构12将防止堆积用流体13从反应容器16的流入口附近吹射，从而即 使在流入口附近产生结晶析出物11时，也能够减少结晶析出物11堆积 在反应容器16的流入口附近。另外，通过将防止堆积用流体13从反应 容器16的流入口附近吹射，能够防止控制温度用流体9扩散到上锥形 部16a。由此，能够进一步防止反应容器16的流入口附近的结晶析出物 11的堆积。

实施方式1涉及的结晶析出方法和装置中，通过在配管3的前端部 与反应容器16的连接部16d之间设置缝隙32，将防止堆积用流体13 向配管3的前端(缝隙32)吹射，能够减少流体10流入反应容器16 之后立即产生的结晶析出物11的堆积。

由此，能够提高使用结晶析出装置和结晶析出方法的结晶析出物或 者除去了结晶析出物的流体的生产率，并且可提高制造的结晶析出物的 纯度。并且，还能够减少刮取结晶析出物11的处理的频率，能够改善 保养·维护性。

本实施方式1中，通过缝隙32向配管3喷出防止堆积用流体13， 但只要能够从反应容器16的流体10的流入口附近喷出防止堆积用流体 13，则第1流体吹射机构12可以是任意的结构。例如，在反应容器16 与配管3之间可以不形成缝隙32，而是向配管3的前端直接喷出防止堆 积用流体13。

或者在配管3的外周设置将防止堆积用流体13向下方吹射的第1 流体吹射机构12，沿着流体10的流路，从上方向下方吹射防止堆积用 流体13地构成。

流体10为气体时，气体内部混杂的结晶析出物质用气体、结晶析 出物质用气体反应而生成的气体中，存在含有结晶析出的物质的气体。 这种情况下，被吹射的防止堆积用流体13只要选择不与结晶析出物质 用气体或该结晶析出物质用气体反应而生成的气体反应的工作流体即 可。由此，不需要控制温度，可以使用该工作流体作为防止堆积用流体 13。

使用液体作为流体10时，如果溶剂为水，则可以使用水控制温度。 此时，可以向水中添加控制结晶析出的试剂等。例如，可以使用作为有 名的媒晶剂的用于氨明矾、钾明矾的硼砂，用于磷酸铵的Al³⁺、Fe³⁺等。 媒晶剂的浓度、量利用数值解析、实验等决定良好的范围即可。

本实施方式1中，使用螺旋输送机作为输送装置，但结晶析出物11 的输送可以采用气体输送。另外，流体10为液体时，结晶析出物11的 输送可以利用液体输送。

本实施方式1中，控制温度得到结晶析出物11，但可以构成为仅改 变压力或者改变温度和压力这两者得到结晶析出物11。这些情况下，也 通过从第1流体吹射机构12喷出防止堆积用流体13，能够防止反应容 器16的流入口附近的结晶析出物11的堆积。

[本发明例与比较例的对比]

接下来，通过模拟进行采用本实施方式1的本发明例和采用现有方 法的比较例的比较。

图3是将采用本实施方式1的本发明例和采用现有方法的比较例的 条件总结而得的图。对于比较例中的结晶析出装置的形状而言，在流体 10的流入口附近没有设置喷出防止堆积用流体13的装置。

另一方面，本发明例中，在配管3的外周设有隔热砖31。此外，配 管3的前端采用了具有陶瓷喷嘴的构成。另外，在反应容器16的流入 口附近设有第1流体吹射机构12。防止堆积用流体13从第1流体吹射 机构12向隔热砖31的外周(缝隙32)喷出到配管3的前端部。本发明 例中，作为防止堆积用流体13，使用常温的N₂气体。

使用上述的本发明例和比较例，通过数值计算确认了本发明的效 果。计算采用通用流体解析软件。此时，将实际装置忠实地模型化，分 析温度、流体和粒子的轨迹等。应予说明，粒子是将FeCl₂模型化而得 的。结晶析出物11是反应容器16中产生的，数值计算时，将粒子设为 从喷嘴喷射的物质。粒径采用FeCl₂的实际粒子的粒径分布的最频值 5μm。

图4是表示比较例和本发明例中的结晶析出装置的壁面温度的图。 本发明例中的结晶析出装置的流入口的防止堆积用流体13的流量设为 100Nm³/Hr。应予说明，为了缩短计算时间，将结晶析出装置的形状相 对于铅直轴设为轴对象，实施1/4部分的模型计算。另外，防止堆积用 流体13的温度设为与控制温度用流体9同等程度的温度。

作为粒子密度采用3160kg/m³。对粒子设定放射率0.4，实施热的对 流·辐射·传导计算。另外，结晶析出装置的壁面设为非滑面，设为其 侧面存在水冷套的壁面进行计算。应予说明，模型化中的总目数约为 100000。计算时，粒子的温度设定为与周围流体的温度几乎一致。

可知反应容器16的流入口正下方(以水冷部上端基准的位置 0～0.4m)的壁面温度在本发明例中与比较例相比较低。这是由于在本发 明例中，从第1流体吹射机构12向流入口的缝隙32喷出与控制温度用 流体9同等程度的温度的N₂气体。因此，受该流入口附近的N₂气体影 响流体10的温度下降。

对于反应容器16的流入口的上部(以水冷部上端基准的位置 0.4～0.8m)，配管3被隔热砖31覆盖。因此，认为反应容器16的流入 口的上部的流体10的温度与比较例相比高出一些。

图5是表示比较例和本发明例中的结晶析出装置的轴中心部的温度 分布的图。以圆筒部16b的上端(上锥形部16b的下端)为基准点0。 反应容器16的内部为几乎相同的温度，出口附近的温度在本发明例中 较低。这是由于本发明例中，从第1流体吹射机构12吹射比流体10低 温的防止堆积用流体13(N₂气体)。因此，在反应容器16的底部(下 锥形部16c)，来自第1流体吹射机构12的N₂气体与流体10混合，与 比较例相比温度更低。

由该结果认为通过轴中心部的流体的含有物质在比较例和本发明 例的任一结晶析出装置中，均从液相转变为固相。

图6是表示比较例和本发明例的结晶析出装置中的粒子的堆积的 图。应予说明，是否发生粒子的堆积根据粒子是否到达壁面来判断。实 际上，即便是到达过壁面一次的粒子，有时也不堆积在壁面而反射返回 到流体内，在此为了将计算简单化，将粒子到达壁面的情况假定为粒子 进行了堆积。

根据计算的结果，在结晶析出装置1的流入口正下方，本发明例1 中堆积在壁面的粒子是现有例中堆积在壁面的粒子的1/2～1/3。

根据以上内容可知，本发明例中在反应容器16的中央流体温度充 分下降，尽管结晶析出物11与比较例同样地产生，但结晶析出物11堆 积在反应容器16的流入口附近的量能够减少到比较例的1/2～1/3。

实施例1

应予说明，本发明可以适用于各种结晶析出装置、粉体制造装置。 图7是表示实施例1涉及的结晶析出装置的图。

实施例1中，为了进一步提高生产率，用水套2从外侧冷却纵型的 反应容器16。应予说明，流体吹射头8是向第2流体吹射机构7供给控 制温度用流体9的机构。应予说明，关于其它的构成，由于具有与实施 方式1大致相同的构成，所以省略各构成要素的说明。

实施例1的说明中，以FeCl₂的结晶析出方法和结晶析出装置采用 本发明的情况为例进行说明。首先，FeCl₂的特性是在大气压下从液相 转化成固相的凝固点为677℃，从液相转化成气相的沸点为1023℃。

为了从含有FeCl₂的气体分离除去FeCl₂，利用FeCl₂的结晶析出现 象。应予说明，FeCl₂自身也是重要的副产品，越纯越好。作为控制温 度用流体9，使用属于非活性气体的Ar、N₂、Ne等。这是由于如果使 用空气作为控制温度用流体9，则有时形成氧化性物质，产生杂质成为 问题。并且通过从第1流体吹射机构12喷出1050℃以上的防止堆积用 流体13而防止堆积。

其结果，可知相对于以往每隔1～3个月停止装置刮取堆积在反应容 器16的流入口附近的FeCl₂的结晶析出物，本实施例1中几乎能够半 年不间断地进行操作。应予说明，在半年后的定期检查中也没有那么多 的堆积，并且通过简单的刮取就能够除去堆积物。

实施例2

为了进一步减少结晶析出物11的堆积，优选喷出沸点更高温度的气 体。因此，进行比较例1～3以及实施例1和实施例2的评价。比较例1～3 以及实施例1和实施例2中，以380～420Nm³/Hr将含有FeCl₂的气体流 入反应容器16。结晶析出装置内的搬入温度为25℃(100Nm³/Hr)。控 制温度用流体9是吹射700Nm³/Hr(总量)的N₂。另外，比较例1和3 以及实施例1的结晶析出装置中，在反应容器的16的外周设有水套2。

比较例1～3以及实施例1和实施例2的条件如下。

(1)比较例1：圆筒部内径600mmφ圆筒高度1400mm使用3 个有水套冷却和结晶析出物的刮取装置

(2)比较例2：圆筒部内径600mmφ圆筒部高度1400mm使用2 个有气体吹射冷却

(3)比较例3：圆筒部内径600mmφ圆筒部高度1400mm使用1 个有水套冷却和气体吹射冷却

(4)实施例1：圆筒部内径600mmφ圆筒部高度1400mm使用1 个有水套冷却、气体吹射冷却和堆积防止气体(无温度控制)吹射

(5)实施例2：圆筒部内径600mmφ圆筒部高度1400mm使用1 个有水套冷却、气体吹射冷却和堆积防止气体(有温度控制)吹射

应予说明，比较例1和2中，使用的结晶析出装置分别为3个、2 个，这是进行与比较例3、实施例1、2的1个同等程度的处理所必须的 个数。

其结果，保养·维护的频率和维护内容如下。

(1)比较例1：3个月一次刮取堆积物和刮取装置的护理(3个)

(2)比较例2：2个月一次刮取堆积物(2个)

(3)比较例3：2个月一次刮取堆积物(1个)

(4)实施例1：6个月一次刮取堆积物(有少许堆积物)(1个)

(5)实施例2：6个月一次刮取堆积物(几乎没有堆积物)(1个)

因此可知相对于比较例1～3，实施例1和2能够大幅减少保养·维 护频率，提高生产率。另外，实施例2与实施例1相比能够减少保养·维 护频率，进一步提高生产率。

根据以上的结果可知本发明与以往相比在不使结晶析出物的品质 劣化的前提下能够得到高生产率。

应予说明，本发明不限于上述实施方式，在不脱离本发明的主旨的 范围内可以进行适当地变更。

符号说明

1 结晶析出装置

2 水套

3 配管

5 结晶析出物输送装置

6 排出口

7 第2流体吹射机构

8 流体吹射头

9 控制温度用流体

10 流体

11 结晶析出物

12 第1流体吹射机构

13 防止堆积用流体

14、16 反应容器

16a 上锥形部

16b 圆筒部

16c 下锥形部

16d 连接部

31 隔热砖

32 缝隙

51 螺旋轴

52 板部件