一种用于解决硫酸锰类物料晶体细小问题的设备及方法与流程

本发明属于硫酸锰类物料结晶技术领域，具体指像硫酸锰这种随温度升高其溶解度越低，与大多数物料结晶是相反的物料，具体为一种用于解决硫酸锰类物料晶体细小问题的设备及方法。

背景技术

由于石油、煤等传统资源的日益枯竭，新能源技术已经成为人类可持续发展的关键，锂离子电池有望大规模应用于电动汽车和太阳能、风能等清洁电能的储存，因此高纯硫酸锰的前景被广泛看好。

据近期市场调研2014年我国电池级高纯硫酸锰的产量约3万吨，2015年全球三元材料（即：镍钴锰酸锂li(nicomn)o2，是良好的锂电池正极材料）的出货量比2014年增长了30%左右，其中，中国占到全球三元材料产量的40%以上。据中国工业和信息化部装备工业司2016年1月发布消息，2015年中国累计生产新能源汽车37.90万辆，同比增长4倍。其中，纯电动乘用车生产14.28万辆，同比增长3倍；插电式混合动力乘用车生产6.36万辆，同比增长3倍。纯电动商用车生产14.79万辆，同比增长8倍；插电式混合动力商用车生产2.46万辆，同比增长79%。消息同时强调，2015年12月，中国新能源汽车生产9.98万辆，同比增长3倍。其中，纯电动乘用车生产2.57万辆，同比增长114%，插电式混合动力乘用车生产1.05万辆，同比增长2倍；纯电动商用车生产5.78万辆，同比增长6倍，插电式混合动力商用车生产5725辆，同比增长51%。因此，随着我国动力电池产业化的不断推进，高纯硫酸锰的需求量在未来几年内必将大幅增加。

高纯硫酸锰主要应用于镍钴锰三元正极材料以及锰酸锂正极材料的合成，三元材料未来的发展趋势是向高容量和低成本方向发展，高能量密度是锂电池追求的永恒目标，三元正极材料中的ni、co、mn三者不同比例的组合为动力电池行业提供了极大的发挥空间。在三元体系中，随着ni组分的增加，容量不断提高，同时因co的含量减少，材料成本也随之下降，而mn则在整个正极材料体系中起稳定性和安全性作用。三元材料逐步挤压钴酸锂市场，其优势在于：低成本、高容量、发展空间大。在三元体系中，可以通过调整ni、co、mn三者的比例关系来获得不同特性的正极材料，且三元正极材料中锰的价格最便宜，因此提高锰的比例可以大大降低电池成本，这也成为行业研究的热点。由于石油、煤等传统资源的日益枯竭，新能源技术已经成为人类可持续发展的关键，锂离子电池有望大规模应用于电动汽车和太阳能、风能等清洁电能领域，前景广阔。

如上所述，硫酸锰一直是国民经济建设中不可或缺的重要原料产品，用途广泛。然而硫酸锰的生产一直受到蒸发能耗高和晶粒细小这两大难题的困扰，近几年通过科研人员和生产厂家的持续努力取得了一些进展，但蒸发能耗与晶体大小的矛盾仍然很突出，主要有以下两点。

（1）晶体颗粒大小基本满足要求，但蒸发能耗高

浓缩釜布置内盘管，生蒸汽或导热油通过盘管加热物料，二次蒸汽直接排入大气或被循环水吸收，出料晶体颗粒约100目，基本达到粒度要求。但此种蒸发结晶方式没有充分利用二次蒸汽热量，单效蒸发能耗高，而且由于盘管换热面积受到空间限制，占地面积大。

（2）热源多次利用，蒸发能耗降低，但晶体颗粒小

一水硫酸锰晶体是白色或浅粉红色单斜晶系细结晶，易溶于水，不溶于乙醇，加热到一定温度开始失去结晶水。与大多数结晶物料不同，硫酸锰在水中溶解度随着温度升高而降低，然而多效蒸发或者mvr能利用二次蒸汽，但容易在换热管加热面析出硫酸锰晶体，粘结在管壁上，造成硫酸锰晶体堵塞换热管，晶体在循环过程中被打碎，出来的晶体非常细，离心困难，离心后晶体含水率高，对后续烘干带来困难。

因此，就上述两方面的难题，对于硫酸锰类物料的蒸发结晶，必须设计一套有效解决其晶体细小问题的设备和方法，同时兼故节能，具有良好的经济效益。

技术实现要素：

本发明的目的是针对以上问题，提供一种用于解决硫酸锰类物料晶体细小问题的设备，解决了硫酸锰类物料在蒸发结晶时晶体颗粒细小，产品不达标的问题，同时兼故节能，具有良好的经济效益。

本发明同时公开利用该用于解决硫酸锰类物料晶体细小问题的设备的使用方法。

为实现以上目的，本发明采用的技术方案是：一种用于解决硫酸锰类物料晶体细小问题的设备，包括育晶器和过滤器，所述育晶器包括中空的罐体和内部设置的盘管散热装置，所述盘管散热装置一端为热源进口，另一端为热源出口，所述热源进口和热源出口均贯穿至罐体外侧；所述罐体内部设有搅拌装置，所述搅拌装置包括搅拌叶片和搅拌轴，所述搅拌叶片与搅拌轴一端相连，所述搅拌轴的另一端贯穿至罐体外侧与搅拌电机的输出端连接；所述罐体上端设有进料口和晶种加料口，下端设有出料口，其侧面设有清液排出口；所述过滤器包括筒体和其内部带滤水孔的内胆，所述内胆上设有滤布，所述筒体上方设有过滤器进料口、过滤器出料口和压缩空气进口，底部设有过滤器出液口，所述过滤器进料口与出料口管路连接，其管路上设有过滤器进料阀门，所述过滤器出料口处设有相配合的出料盖，所述过滤器出液口与母液罐的进口管路连接。

进一步的，所述筒体可水平翻转设置于过滤器机架上，所述过滤器机架上设有用于筒体翻转的翻转电机。

进一步的，所述筒体上部设有相配合可拆卸的软管。

进一步的，所述清液排出口沿罐体侧面竖直设有若干个。

进一步的，所述过滤器设置为若干个，其过滤器进料口均与出料口管路连接，其过滤器出液口均与母液罐的进口管路连接。

进一步的，所述筒体上设有推拉装置，所述推拉装置的伸出端与出料盖连接，实现出料盖与过滤器出料口的打开与关闭。

进一步的，所述推拉装置为油缸、气缸或电动推杆。

一种用于解决硫酸锰类物料晶体细小问题的设备的使用方法，包括以下步骤：

步骤a、将前段蒸发工序制得的浓缩混合液由进料口进入育晶器内部，启动搅拌电机带动搅拌轴和搅拌叶片，使浓缩混合液在搅拌叶片的搅拌作用下在育晶器内部循环流动，同时热源进口通入蒸汽源或导热油源，盘管散热装置通过热传递将育晶器内的浓缩混合液加热，浓缩混合液中的晶粒析出并开始长大；

步骤b、育晶器加热至130~180℃后，保温15~60min，搅拌装置停止搅拌，使晶体澄清，随后清液排出口将育晶器中的上层清液排出，排出的上层清液可作为热源预热前段蒸发工序的原料或作为其他热源，然后搅拌装置重新开启搅拌；

步骤c、打开出料口，将含少量水分的晶体混合物从过滤器进料口导入过滤器内部，晶体混合物中的水分依次通过滤布、内胆、过滤器出液口进入到母液罐内，晶体被保留，直到晶体装满内胆，然后压力空气通过压缩空气进口进入到过滤器内，此时压力空气将晶体间残留的水分吹出，并从过滤器出液口进入到母液罐内；

步骤d、停止向过滤器内部通入压力空气，打开过滤器出料口处的出料盖，出料，清理后进行下一次工作循环。

进一步的，所述步骤a中通过晶种加料口加入适量晶体作为晶种引导育晶，加速晶粒长大。

进一步的，所述步骤c中通入吹扫气体为压力空气或惰性气体。

本发明的有益效果：

1、本发明解决了硫酸锰类物料在蒸发结晶时晶体颗粒细小，产品不达标的问题，同时兼故节能，具有良好的经济效益；

2、本发明育晶器工艺使用场合广泛，在蒸汽资源丰富、价格便宜的地区如发电厂附近、产煤地区、热电联产园区，可与多效蒸发系统有机结合，在电力充沛的地区，如水力发电站附近又可以与mvr配套使用，通用性好；

3、本发明育晶器与工艺对物料来料浓度范围广，既可以是未饱和溶液、也可以是临界饱和溶液，还可以是含有晶体的浆液，且浆液中晶体比例不限，对于未饱和溶液和临界饱和溶液，往育晶器内加入一定比例晶体作为晶种，对于含有晶体的浆液，根据浆液中晶体含量和颗粒大小适时适量加入晶体作为晶种，无论来料浓度如何，最终产品粒度都能达到标准要求，产品粒度一致性好；

4、本发明过滤器可在高温高压状态下过滤浆液，实现晶体与母液分离，通过压力空气进一步吹干水分，解决了高温高压状态下无法使用离心机过滤的难题；

5、对于大、中规模生产线或要求自动化生产线，本发明设备可采用可编程plc控制，设备采用上位机远控和机旁近控两种操作方式，plc配dp接口模块，能与dcs系统进行通讯，对于小规模生产线或自动化程度要求不高场合，本发明设备可采用手动操作或半自动操作，灵活度高，解决了以往硫酸锰用平板离心机无法实现自动控制的瓶颈。

附图说明

图1为本发明设备连接关系示意图。

图2为本发明a处局部放大结构示意图。

图中所述文字标注表示为：1、育晶器；11、罐体；111、进料口；112、晶种加料口；113、出料口；114、清液排出口；12、盘管散热装置；121、热源进口；122、热源出口；2、过滤器；201、过滤器进料口；202、过滤器出料口；203、压缩空气进口；204、过滤器出液口；21、筒体；22、内胆；23、滤布；24、过滤器进料阀门；25、出料盖；26、过滤器机架；27、翻转电机；28、筒盖；29、推拉装置；3、搅拌装置；31、搅拌叶片；32、搅拌轴；33、搅拌电机；4、母液罐。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。

如图1-2所示，本发明的具体结构为：一种用于解决硫酸锰类物料晶体细小问题的设备，包括育晶器1和过滤器2（高温高压过滤器），所述育晶器1包括中空的罐体11和内部设置的盘管散热装置12，所述盘管散热装置12一端为热源进口121，其与高温蒸汽源或导热油源连接，另一端为热源出口122，热源出口122出来的热源温度通常大于100℃，可作为前段蒸发或制液工序进行二次循环利用，所述热源进口121和热源出口122均贯穿至罐体11外侧；所述罐体11内部设有搅拌装置3，所述搅拌装置3包括搅拌叶片31和搅拌轴32，所述搅拌叶片31与搅拌轴32一端相连，所述搅拌轴32的另一端贯穿至罐体11外侧与搅拌电机33的输出端连接；所述罐体11上端设有进料口111和晶种加料口112，下端设有出料口113，其侧面设有清液排出口114；所述过滤器2包括筒体21和其内部带滤水孔的内胆22，所述内胆22上设有滤布23，所述筒体21上方设有过滤器进料口201、过滤器出料口202和压缩空气进口203，底部设有过滤器出液口204，所述过滤器进料口201与出料口113管路连接（优选采用部分软管连接，一方面方便设备的灵活布置，另一方面便于过滤器2摆动、翻转等操作），其管路上设有过滤器进料阀门24，所述过滤器出料口202处设有相配合的出料盖25，所述过滤器出液口204与母液罐4的进口管路连接。

上述育晶器1中沿罐体11内部布置盘管散热装置12，管内通入加热介质生蒸汽，也可以通导热油，根据育晶器型号，所需热量布置单层或多层盘管，盘管优选采用φ57、φ63、φ76无缝钢管焊接卷制而成。

为了保证搅拌叶片31能在任何状态下启动和运转，所述搅拌电机33为变频电机，其轴上连接有中载或重载减速机；搅拌轴32采用悬臂结构固定，不设底轴承或中间轴承，避免晶体磨损底轴承与搅拌轴32的接触部分；根据育晶器型号规格采用实心搅拌轴或空心搅拌轴或者实心段与空心段结合的方式，既保证了搅拌轴32的强度和刚度，又减轻了重量，节约贵金属用量和制造成本；搅拌叶片31采用三叶斜直桨型式或三叶推进式桨叶，单层或多层布置，在育晶过程中，晶浆要在育晶器1内充分流动，一方面传递热量，另一方面让析出的晶体在作为晶种的大颗粒晶体上生长，因此桨叶直径和物料循环速度、循环方式极为重要，对于三叶斜直桨型式，搅拌叶片31直径为罐体直径的0.35~0.65、搅拌转速30~80rpm能达到最佳效果，而对于三叶推进式桨叶，搅拌叶片31直径为罐体直径的0.3~0.5、搅拌转速60~150rpm能达到最佳效果，保证晶体生长速度快，晶粒大小一致性好。

上述内胆22，开有滤水孔，内胆22有两种结构：一种是筛板卷制焊接结构，沿内胆圆周均布φ3~φ10筛板孔，锐边倒圆或倒角，内胆22内部附有滤布23，此种结构母液过筛面积大，流通能力强，另一种是多层不同过滤目数的烧结筛板组焊接、拼装结构，内胆22附有滤布23，此种结构强度好、过滤精度高，最大可达3000目，母液通过滤布23和内胆22上筛孔流入过滤器筒体21与内胆22之间的间隙，并从过滤器2下部的过滤器出液口204排出；过滤器进料口201布置在过滤器2顶端，根据过滤器2容积大小、物料含固率、进料温度、压力等布置1个或多个过滤器进料口201，在过滤器2顶部布置一个或多个压缩空气进口203，当物料充满整个内胆22后通入压力空气吹走物料中部分残余水分，残余水分随着压力空气从过滤器2底部排出，通过实际工业应用，此举能进一步降低水分，使晶体含水率低于8%，降低后续烘干能源消耗。

优选的，所述筒体21可水平翻转设置于过滤器机架26上，所述过滤器机架26上设有用于筒体21翻转的翻转电机27。晶体过滤时，启动翻转电机27驱动过滤器2小幅度来回转动筒体21，保证晶体不会附着在滤布23上造成堵料；晶体出料时，翻转电机27驱动过滤器2翻转180°，小幅度来回转动筒体21使出料更彻底。

优选的，所述筒体21上部设有相配合可拆卸的筒盖28。方便拆装，更换与维护等。

优选的，所述清液排出口114沿罐体11侧面竖直设有若干个。当育晶过程完成，停止搅拌一段时间，晶浆中的晶体在重力作用下下沉到育晶器1底部，育晶器1中上部为较清的上层清液，打开清液排出口114上的阀门，排出含固量小的上层清液，之后再次启动搅拌，待晶浆混合均匀后从底部出料口113排料，此举可以大幅减小过滤时母液冲刷及反溶造成的晶体流失。

优选的，所述过滤器2设置为若干个，其过滤器进料口201均与出料口113管路连接，其过滤器出液口204均与母液罐4的进口管路连接。根据工艺要求，物料特性，处理量，实际生产需要配备一个或多个过滤器2，一次性将育晶器中析出的物料进行过滤处理，过滤器2可同时或交替进行晶体的过滤操作，保证产能。

优选的，所述筒体21上设有推拉装置29（优选为油缸、气缸或电动推杆），所述推拉装置29的伸出端与出料盖25连接，实现出料盖25与过滤器出料口202的打开与关闭。所述过滤器出料口202截面成倒v字形，筒体21内部有压力时，将出料盖25顶紧，保证密封性，同时又保证安全性，出料时，筒体21翻转后，推拉装置29向筒体21内顶进出料盖25，晶体从出料盖25与筒体21之间的间隙中出料。

一种用于解决硫酸锰类物料晶体细小问题的设备的使用方法，以下为实施例：

实施例一

按以下步骤进行

步骤a、将前段蒸发工序制得的浓缩混合液（20℃常压下，浓度为22.3%硫酸锰的临界饱和溶液）由进料口进入育晶器内部，启动搅拌电机带动搅拌轴和搅拌叶片，使浓缩混合液在搅拌叶片的搅拌作用下在育晶器内部循环流动，同时热源进口通入蒸汽源或导热油源，盘管散热装置通过热传递将育晶器内的浓缩混合液加热，浓缩混合液中的晶粒析出并开始长大；

步骤b、育晶器加热至155℃后，保温40min，搅拌装置停止搅拌，使晶体澄清，随后清液排出口将育晶器中的上层清液排出，排出的上层清液可作为热源预热前段蒸发工序的原料或作为其他热源，然后搅拌装置重新开启搅拌；

步骤c、打开出料口，将含少量水分的晶体混合物从过滤器进料口导入过滤器内部，此时晶体混合物的温度为155℃，含固率55%，晶体混合物中的水分依次通过滤布、内胆、过滤器出液口进入到母液罐内，晶体被保留，直到晶体装满内胆，然后压力为0.6mpa的压力空气通过压缩空气进口进入到过滤器内，对于有防爆要求场合，可使用惰性气体如氮气等吹扫，此时压力空气将晶体间残留的水分吹出，并从过滤器出液口进入到母液罐内，其母液罐内的母液经由母液泵返回前段蒸发或制液工序；

步骤d、停止向过滤器内部通入压力空气，打开过滤器出料口处的出料盖，出料，用水冲洗出料盖与过滤器出料口处的密封面，冲洗水收集后循环使用，继续进行下一次工作循环。

实施例二

按以下步骤进行

步骤a、将前段蒸发工序制得的浓缩混合液（20℃常压下，浓度为20%硫酸锰的未饱和溶液）由进料口进入育晶器内部，启动搅拌电机带动搅拌轴和搅拌叶片，使浓缩混合液在搅拌叶片的搅拌作用下在育晶器内部循环流动，通过晶种加料口加入适量硫酸锰晶体作为晶种引导育晶，加速晶粒长大，同时热源进口通入蒸汽源或导热油源，盘管散热装置通过热传递将育晶器内的浓缩混合液加热，浓缩混合液中的晶粒析出并开始长大；

步骤b、育晶器加热至130℃后，保温60min，搅拌装置停止搅拌，使晶体澄清，随后清液排出口将育晶器中的上层清液排出，排出的上层清液可作为热源预热前段蒸发工序的原料或作为其他热源，然后搅拌装置重新开启搅拌；

步骤c、打开出料口，将含少量水分的晶体混合物从过滤器进料口导入过滤器内部，此时晶体混合物的温度为130℃，含固率40%，晶体混合物中的水分依次通过滤布、内胆、过滤器出液口进入到母液罐内，晶体被保留，直到晶体装满内胆，然后压力为0.4mpa的压力空气通过压缩空气进口进入到过滤器内，对于有防爆要求场合，可使用惰性气体如氮气等吹扫，此时压力空气将晶体间残留的水分吹出，并从过滤器出液口进入到母液罐内，其母液罐内的母液经由母液泵返回前段蒸发或制液工序；

步骤d、停止向过滤器内部通入压力空气，打开过滤器出料口处的出料盖，出料，用水冲洗出料盖与过滤器出料口处的密封面，冲洗水收集后循环使用，继续进行下一次工作循环。

实施例三

按以下步骤进行

步骤a、将前段蒸发工序制得的浓缩混合液（20℃常压下，浓度为25%硫酸锰的过饱和溶液）由进料口进入育晶器内部，启动搅拌电机带动搅拌轴和搅拌叶片，使浓缩混合液在搅拌叶片的搅拌作用下在育晶器内部循环流动，同时热源进口通入蒸汽源或导热油源，盘管散热装置通过热传递将育晶器内的浓缩混合液加热，浓缩混合液中的晶粒析出并开始长大；

步骤b、育晶器加热至180℃后，保温15min，搅拌装置停止搅拌，使晶体澄清，随后清液排出口将育晶器中的上层清液排出，排出的上层清液可作为热源预热前段蒸发工序的原料或作为其他热源，然后搅拌装置重新开启搅拌；

步骤c、打开出料口，将含少量水分的晶体混合物从过滤器进料口导入过滤器内部，此时晶体混合物的温度为180℃，含固率70%，晶体混合物中的水分依次通过滤布、内胆、过滤器出液口进入到母液罐内，晶体被保留，直到晶体装满内胆，然后压力为0.8mpa的压力空气通过压缩空气进口进入到过滤器内，对于有防爆要求场合，可使用惰性气体如氮气等吹扫，此时压力空气将晶体间残留的水分吹出，并从过滤器出液口进入到母液罐内，其母液罐内的母液经由母液泵返回前段蒸发或制液工序；

步骤d、停止向过滤器内部通入压力空气，打开过滤器出料口处的出料盖，出料，用水冲洗出料盖与过滤器出料口处的密封面，冲洗水收集后循环使用，继续进行下一次工作循环。

按每生产1吨硫酸锰产能计算，能耗、粒度分析对比如下表所示：

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。