JP2018015754A - 溶媒抽出工程用抽出塔のための脈動供給装置及び脈動供給方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】溶媒抽出工程用抽出塔のための脈動供給装置及び脈動供給方法に係り、より具体的には、溶媒抽出工程で単位装備として使用する脈動を利用する抽出塔ないしは脈動塔に安価な装置費用と簡単な方法で安定的な脈動を供給することができる脈動供給装置を提供する。【解決手段】本発明の脈動供給装置は、第１溶媒流入口及び第２溶媒排出口を塔底部に備え、第２溶媒流入口及び第１溶媒排出口を塔頂部に備える溶媒抽出工程用脈動塔のための脈動供給装置において、電気または圧縮空気によって駆動され、吐出部および吸入部のいずれか一方がブラインド処理され、吐出部及び吸入部のもう一方が脈動供給ラインによって前記脈動塔に連結されるダイヤフラムポンプを含むことができる。【選択図】図１

Description

本発明は、溶媒抽出工程用抽出塔のための脈動供給装置及び脈動供給方法に係り、より具体的には、溶媒抽出工程で単位装備として使用する脈動を利用する抽出塔（以下、「脈動塔」ともいう）に、安価な装置費用と簡単な方法で安定的な脈動を供給することができる脈動供給装置に関する。
溶媒抽出工程は、溶媒に溶けている溶質を他の溶媒に移動させる方法によって所望の物質を抽出して分離、精製することに利用する工程である。特に、原子力化学工学における溶媒抽出工程は、先行と後続の原子原料サイクルに適用される核心的な原子原料生産工程である。
溶媒抽出工程は、先行の原子原料サイクルではウラン混合物の硫酸または硝酸溶解液からウランを溶媒抽出して分離、精製することに使用し、後続の原子原料サイクルでは使用済み核燃料（ｓｐｅｎｔ ｆｕｅｌ）の硝酸溶解液からウランまたはプルトニウムを抽出して分離、精製することに使用する。
溶媒抽出工程で使用される溶媒は、放射線に対する安定性に優れた［リン酸トリブチル（Ｔｒｉｂｕｔｙｌｐｈｏｓｐｈａｔｅ）（Ｃ１２Ｈ２７Ｏ４Ｐ）＋炭化水素系］有機溶媒であって、この溶媒は、ウランまたはプルトニウムに対する選択的親和性があり、水相（ａｑｕｅｏｕｓ ｐｈａｓｅ）と有機相（ｏｒｇａｎｉｃ ｐｈａｓｅ）を分離し易いという利点がある。
原子原料物質を取り扱う溶媒抽出工程の単位装備は、臨界安全管理上、形状寸法の制限を受けるので、小型で信頼性の高い装備が求められる。また、溶媒は、放射性物質と接触するので、放射線による損傷を防止するために抽出塔内部の接触時間をできる限り短縮する必要がある。
現在、原子原料生産工程で使用される溶媒抽出装備は、ミキサーセトラー（ｍｉｘｅｒ−ｓｅｔｔｌｅｒ）、脈動塔、遠心抽出器がある。
その中でも、脈動塔は、先行と後続の原子原料サイクルに汎用的に使用する溶媒抽出装備であって、連続運転が可能で、脈動塔内部の溶媒滞留時間が短いので溶媒の放射線損傷が少ないという利点がある。
しかし、従来の溶媒抽出工程は、脈動塔に脈動を供給する装置費用が高いか、或いは脈動を供給する制御方法がやかましくて工程運転が難しい。
また、従来の脈動塔を用いた溶媒抽出工程は、脈動塔の設置容量が大きくなるほど、脈動供給機の装置投資費が高くなり、設置面積が大きくなって使用し難い。
図１には従来の脈動供給機１０２を含む脈動塔１０が示されている。図１に示すように、従来の脈動供給機１０２を含む脈動塔１０では、脈動供給機１０２が脈動塔１０の設置位置と同じ高さに設置されて使用されるので、脈動供給機１０２の設計容量が大きくなるだけでなく、脈動供給機１０２が受ける抵抗が大きくなって安定的な溶媒抽出工程の運転が難しい。
また、図２には圧縮空気を用いて脈動を供給する装置が示されている。このような圧縮空気供給部１１０から供給される圧縮空気を用いて脈動レッグ１１２を介して脈動を脈動塔に供給する方式も、圧縮性流体を用いて圧力による脈動を脈動塔に供給するので、脈動の供給が安定的ではない。
このような従来の脈動塔に安定的な脈動の部材は、塔体内部流体のチャネリング（ｃｈａｎｎｅｌｉｎｇ）現象及び塔頂部流体のフラッディング（ｆｌｏｏｄｉｎｇ）現象を起こすので、溶媒抽出工程の安定性及び溶媒抽出効率を減少させる。
よって、脈動塔を容易に運転することができるだけでなく、経済性まで考慮して溶媒抽出工程を運転するための、費用が安くて簡単な方法で、脈動塔に必要な脈動を安定的に供給する脈動供給装置が求められる。
Burkhart, L. E., and Fahien, R. W. Pulse Column Design. Ames Laboratory, 1958
本発明は、上述した問題点を解決するために案出されたもので、その目的は、低コストと簡単な方法で、溶媒抽出工程の単位装備である脈動塔に脈動を安定的に供給することができる脈動供給装置及び脈動供給方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、脈動塔に安定的に脈動を供給することにより、塔体内部流体のチャネリング現象及び塔頂部流体のフラッディング現象を防止して溶媒抽出工程を運転するようにする脈動供給装置を提供することにある。
本発明の目的は上述した目的に制限されず、上述していない他の目的は以降の記載から通常の技術者に明確に理解できるだろう。
上述した本発明の目的を達成し、後述する本発明の特徴的な機能を実行するための本発明の特徴は、次のとおりである。
本発明の一実施様態に係る脈動供給装置は、第１溶媒流入口及び第２溶媒排出口を塔底部に備え、第２溶媒流入口及び第１溶媒排出口を塔頂部に備える溶媒抽出工程用脈動塔のための脈動供給装置において、電気または圧縮空気によって駆動され、吐出部および吸入部のいずれか一方がブラインド処理され、吐出部及び吸入部の他方が脈動供給ラインによって前記脈動塔に連結されるダイヤフラムポンプを含むことができる。
また、本発明の一様態によれば、前記ダイヤフラムポンプは、脈動塔の設置された層高さよりも高い位置に設置されることを特徴とする。
また、本発明の別の様態によれば、前記脈動供給装置の設置容量は、ダイヤフラムポンプの容積及び水頭の少なくとも一つに基づいて選択できる。好ましくは、前記ダイヤフラムポンプの容積は、要求されるパルス振幅（ａｍｐｌｉｔｕｄｅ）に脈動塔の内部断面積を乗じた値に基づいて選択できる。好ましくは、前記ダイヤフラムポンプの水頭は脈動塔の高さとポンプの設置位置に依存して選択できる。
本発明の一実施様態に係る溶媒抽出工程用脈動塔のための脈動を供給する方法は、ダイヤフラムポンプを含む脈動供給装置の設置容量を選択する段階と、前記ダイヤフラムポンプの吐出部及び吸入部のいずれか一方をブラインド処理する段階と、前記ダイヤフラムポンプを脈動塔の設置された層高さよりも高い位置に設置する段階と、前記ダイヤフラムポンプの吐出部及び吸入部の他方を脈動塔に連結される脈動供給ラインに連結する段階と、圧縮空気または電気によって前記ダイヤフラムポンプを作動させる段階とを含むことができる。
好ましくは、前記脈動供給装置の設置容量はダイヤフラムポンプの容積及び水頭の少なくとも一つに基づいて選択されることを特徴とする。
本発明によれば、ウラン混合物の硝酸溶解液からウランを溶媒抽出して分離、精製する溶媒抽出工程用脈動塔で、塔体内部流体のチャネリング現象及び塔頂部流体のフラッディング現象なしに安定的に運転された。
また、不純物を含むウラン混合物の硝酸溶解液からウランを抽出するウラン精製実験結果の精製効率は９０．２％程度であり、原子原料の製造に使用される二酸化ウラン粉末の不純物仕様比１００％満足する結果を導出した。
したがって、本発明によって溶媒抽出工程用脈動塔に脈動を供給すると、従来の装置に比べて設備投資費を節減して工程を運転することができ、簡単な方法で安定的な溶媒抽出工程の運転が可能である。
従来の脈動供給機を含む脈動塔を示す図である。 従来の圧縮空気を用いて脈動を供給する脈動塔を示す図である。 本発明の一実施様態に係る脈動供給装置を含む脈動塔を示す図である。 本発明の一実施様態に係る脈動供給装置及び脈動供給方法を示す図である。
本発明の実施様態で提示される特定の構造乃至機能の説明は本発明の概念による実施様態を説明するための目的で例示されたものに過ぎず、本発明の概念による実施様態は様々な形態で実施できる。また、本明細書に説明された実施様態に限定されるものと解釈されてはならず、本発明の思想及び技術範囲に含まれるすべての変更物、均等物ないし代替物を含むものと理解されるべきである。
本発明において、「第１」および／または「第２」等の用語は多様な構成要素の説明に使用できるが、これらの構成要素はこれらの用語に限定されない。前記用語は、ある構成要素を他の構成要素から区別する目的のみで、例えば、本発明の概念による権利範囲から逸脱することなく、第１構成要素を第２構成要素と命名でき、これと同様に、第２構成要素を第１構成要素とも命名できる。
ある構成要素が他の構成要素に「連結されて」いる或いは「接続されて」いると言及された場合には、該他の構成要素に直接連結または接続されていることも意味するが、それらの間に別の構成要素が介在することも含むと理解されるべきである。一方、ある構成要素が他の構成要素に「直接連結されて」いる或いは「直接接続されて」いると言及された場合には、それらの間に別の構成要素が介在しないと理解されるべきである。構成要素間の関係を説明するための他の表現、すなわち「〜間に」と「すぐに〜間に」または「〜に隣り合う」と「〜に直接隣り合う」なども同様に解釈されるべきである。
明細書全体にわたって、同一の参照番号は同一の構成要素を示す。一方、本明細書で使用された用語は、実施形態を説明するためもので、本発明を限定するものではない。本明細書において、単数の表現は、文脈上特に言及されない限り、複数の表現も含む。本明細書において、「含む」または「からなる」などの用語は言及された構成要素、段階、動作及び／または素子が一つ以上の他の構成要素、段階、動作及び／または素子の存在または追加を排除しない。
本発明の一実施様態による脈動供給装置は、第１溶媒流入口及び第２溶媒排出口を塔底部に備え、第２溶媒流入口及び第１溶媒排出口を塔頂部に備える溶媒抽出工程用脈動塔のための脈動供給装置において、電気または圧縮空気によって駆動され、吐出部および吸入部のいずれか一方がブラインド処理され、吐出部及び吸入部の他方が脈動供給ラインによって前記脈動塔に連結されるダイヤフラムポンプを含むことができる。
以下、添付図面を参照して本発明について詳細に説明する。
本明細書において、溶媒抽出工程で単位装備として使用する脈動を利用する抽出塔を脈動塔と命名する。
図３に示すように、溶媒抽出工程用脈動塔１０は、塔頂部に第１溶媒排出口５４及び第２溶媒流入口５６を備え、塔底部には第１溶媒流入口５２及び第２溶媒排出口５８を備える。つまり、第１溶媒は第１溶媒流入口５２から第１溶媒排出口５４に流れ、第１溶媒とは異なる第２溶媒は第２溶媒流入口５６から第２溶媒排出口５８に流れる。
図４に示すように、ダイヤフラムポンプ２０及び駆動部３０を含む脈動供給装置は、脈動供給ライン４０によって脈動塔１０に連結される。駆動部３０は、好ましくは圧縮空気または電気によって駆動できる。
ダイヤフラムポンプ２０は吐出部４２及び吸入部４４を備える。脈動供給装置ないしはダイヤフラムポンプ２０の吐出部４２及び吸入部４４のいずれか一方は、ブラインド処理され、吐出部４２及び吸入部４４の他方は、脈動供給ライン４０が連結されて脈動塔１０の内部流体が往復運動をするように構成される。説明の便宜のために、吐出部４２がブラインド処理されていると本明細書及び図面で説明しているが、吸入部４４がブラインド処理されてもよい。
図３に示すように、本発明によれば、脈動供給装置ないしはダイヤフラムポンプ２０は、脈動塔１０の設置された層高さよりも高い位置に設置される。好ましくは、ダイヤフラムポンプ２０は、脈動塔１０の塔体内部のパッキンが取り付けられた高さよりも高い位置に設置される。
次に、本発明の一実施様態に係る溶媒抽出工程用脈動塔のために脈動を供給する方法は、まず、溶媒抽出工程用脈動塔１０を運転する前に、脈動供給装置の設計及び設置を行うことができる。
本発明の一実施様態に係る溶媒抽出工程用脈動塔のために脈動を供給する方法は、ダイヤフラムポンプ２０を含む脈動供給装置の設置容量を選択する段階と、ダイヤフラムポンプ２０の吐出部４２及び吸入部４４のいずれか一方をブラインド処理する段階と、ダイヤフラムポンプ２０を脈動塔１０の設置された層高さよりも高い位置に設置する段階と、ダイヤフラムポンプ２０の吐出部４２及び吸入部４４の他方を脈動塔１０に連結される脈動供給ライン４０に連結する段階と、圧縮空気または電気によって前記ダイヤフラムポンプ２０を作動させる段階とを含むことができる。
本発明の一実施様態に係る溶媒抽出工程用脈動塔のために脈動を供給する方法は、ダイヤフラムポンプ２０を含む脈動供給装置の設置容量を選択する段階を含むことができる。溶媒抽出工程の脈動塔１０に必要な圧縮空気または電気で駆動するダイヤフラムポンプ２０の脈動供給装置の設置容量はポンプ容積と水頭に基づいて選定する。ここで、脈動供給装置のポンプ容積は、必要なパルス振幅に脈動塔１０の内部断面積を乗じた値に設計余裕を考慮し、ポンプの水頭は、脈動塔１０の高さとポンプの設置位置を考慮して設計する。脈動塔に安定的な脈動供給は、圧縮空気または電気で駆動するダイヤフラムポンプ設置容量を適切に選定し、且つポンプの設置位置を高めてポンプ内部のダイヤフラムが受ける抵抗を少なくすることで健全性を維持するときに実現可能である。したがって、溶媒抽出工程用脈動塔に安定的な脈動供給と運転は、溶媒抽出工程に適した容積と水頭のダイヤフラムポンプを選定し、且つポンプ内部のダイヤフラムが受ける抵抗を適切に減少させる高さに脈動供給機を設置すれば、実現可能である。
次に、本発明の一実施様態に係る溶媒抽出工程用脈動塔のために脈動を供給する方法は、ダイヤフラムポンプ２０の吐出部４２及び吸入部４４のいずれか一方をブラインド処理する段階と、ダイヤフラムポンプ２０の吐出部４２及び吸入部４４の他方を脈動塔１０に連結される脈動供給ライン４０に連結する段階とを含むことができる。
また、本発明の一実施様態に係る溶媒抽出工程用脈動塔のために脈動を供給する方法は、ダイヤフラムポンプ２０を脈動塔１０の設置された層高さよりも高い位置に設置する段階を含むことができる。脈動供給装置のダイヤフラムが受ける抵抗を低減するために、脈動塔の設置位置よりも高い位置または脈動塔の塔体内部のパッキンが取り付けられた高さよりも高い位置に設置し、脈動供給装置のダイヤフラムに脈動塔内部の流体が自然に充填されるようにして脈動供給機のｄｒｙ−ｒｕｎによる故障を防止する。
圧縮空気または電気で駆動するダイヤフラムポンプの吸込部または吐出部をブラインド処理して脈動塔の脈動供給ノズルに連結した後で使用し、脈動供給機の設置高低を変更して、装置内部のダイヤフラムが受ける抵抗を減少させることにより、抽出塔に脈動を安定的に供給する方法に関する上述したような本発明の装置及びその方法によれば、従来の脈動供給機よりも９０％以上低いコストで脈動塔を利用して安定的に溶媒抽出工程の運転が可能である。
また、不純物を含むウラン混合物の硝酸溶解液からウランを抽出する溶媒抽出工程において、ウラン精製実験結果の精製効率は９０．２％程度であり、原子原料の生産に用いる二酸化ウラン粉末の不純物仕様比１００％満足する結果を導出した。
以上で説明した本発明は、前述した実施様態及び添付図面によって限定されるものではなく、本発明の技術的思想から外れない範囲内で様々な置換、変形及び変更が可能であることは、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に明らかであろう。
１０ 脈動塔
２０ ダイヤフラムポンプ
３０ 駆動部
４０ 脈動供給ライン
４２ 吐出部
４４ 吸入部
５２ 第１溶媒流入口
５４ 第１溶媒排出口
５６ 第２溶媒流入口
５８ 第２溶媒排出口
１０２ 脈動供給機
１１０ 圧縮空気供給部
１１２ 脈動レッグ

Claims (7)

  1. 第１溶媒流入口及び第２溶媒排出口を塔底部に備え、第２溶媒流入口及び第１溶媒排出口を塔頂部に備える溶媒抽出工程用脈動塔のための脈動供給装置において、
    電気または圧縮空気によって駆動され、吐出部および吸入部のいずれか一方がブラインド処理され、吐出部及び吸入部の他方が脈動供給ラインによって前記脈動塔に連結されるダイヤフラムポンプを含む、脈動供給装置。
  2. 前記ダイヤフラムポンプは、脈動塔の設置された層高さよりも高い位置に設置されることを特徴とする、請求項１に記載の脈動供給装置。
  3. 前記脈動供給装置の設置容量は、ダイヤフラムポンプの容積及び水頭の少なくとも一つに基づいて選択されることを特徴とする、請求項１に記載の脈動供給装置。
  4. 前記ダイヤフラムポンプの容積は、要求されるパルス振幅に脈動塔の内部断面積を乗じた値に基づいて選択されることを特徴とする、請求項３に記載の脈動供給装置。
  5. 前記ダイヤフラムポンプの水頭は脈動塔の高さとポンプの設置位置に依存して選択されることを特徴とする、請求項３に記載の脈動供給装置。
  6. ダイヤフラムポンプを含む脈動供給装置の設置容量を選択する段階と、
    前記ダイヤフラムポンプの吐出部及び吸入部のいずれか一方をブラインド処理する段階と、
    前記ダイヤフラムポンプを脈動塔の設置された層高さよりも高い位置に設置する段階と、
    前記ダイヤフラムポンプの吐出部及び吸入部のもう一方を脈動塔に連結される脈動供給ラインに連結する段階と、
    圧縮空気または電気によって前記ダイヤフラムポンプを作動させる段階とを含んでなる、
    溶媒抽出工程用脈動塔のための脈動を供給する方法。
  7. 前記脈動供給装置の設置容量はダイヤフラムポンプの容積及び水頭の少なくとも一つに基づいて選択されることを特徴とする、請求項６に記載の溶媒抽出工程用脈動塔のための脈動を供給する方法。
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