JP6864743B2 - 圧力平衡を利用した液−液抽出塔の界面制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧力平衡を利用した液−液抽出塔（ｌｉｑｕｉｄ−ｌｉｑｕｉｄ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｃｏｌｕｍｎ）の界面制御装置に係り、さらに詳しくは、抽出塔の内部圧力との圧力平衡を保つことが可能な垂直配管を介して、抽出塔の塔頂部（ｔｏｐ ｈｅａｄ）内に存在する比重の異なる二つの流体間の界面を制御するために圧力平衡を利用した液−液抽出塔の界面制御装置に関する。

溶媒抽出の原理は、次のとおり一般的に知られている。
溶質を含有する一つの溶媒が、溶質を含有していない（または単に少量含有する）他の溶媒に接触すると、各溶媒での溶質の濃度が平衡に達するまで、一方の溶媒から他方の溶媒への溶質移動が起こる。
このように、ある溶質を、互いに混和されない２つの溶媒に対する溶解度の差によって一方の溶媒から他方の溶媒へ移動させて分離する単位操作を、「液−液抽出」という。
液−液抽出の通常の実行は、２つの液体を向流（ｃｏｕｎｔｅｒ−ｃｕｒｒｅｎｔ）的に、すなわち互いに反対方向に流して接触させることにより行われる。
垂直に配置された抽出塔（ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｃｏｌｕｍｎ）における抽出では、前記２つの液体に対して軽質相（ｌｉｇｈｔ ｐｈａｓｅ）、重質相（ｈｅａｖｙ ｐｈａｓｅ）という。

一方、抽出操作が完了した後、所望の溶質と溶媒を分離するためには、まず、溶質を含んでいる溶媒と溶質を失っている溶媒とを分離する必要であるが、このとき、一般に、前述した抽出塔を用いて両溶媒間の比重差を利用する。
このような抽出塔は、図１に示した概念図から理解することができる。

図１は従来の液−液抽出塔を示す概念図であって、塔体（ｃｏｌｕｍｎ ｂｏｄｙ）１０の上部と下部にはそれぞれ、抽出操作済みの流体Ａと流体Ｂが分離されて排出される塔頂部２０と塔底部３０が設置される。
塔頂部２０と塔底部３０にはそれぞれ、流体が流入する流入管２１、３１、および分離された流体が排出される排出管２２、３２が設置される。
このとき、塔底部３０に設けられた排出管３２には、塔頂部２０で分離された比重の異なる両流体間の界面（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）維持のために、流体の排出流量を制御する制御弁３２ａが設置される。
このような構成により、前記塔体１０における一連の過程を経て、比重の大きい流体Ａは塔底部３０を介して排出管３２から排出され、比重の小さい流体Ｂは塔頂部２０を介して排出管２２から排出される。
この際、比重の小さい流体Ｂは、界面の位置に応じて塔頂部２０の排出管２２を介して自然にあふれて排出され、比重の大きい流体Ａは、制御弁３２ａの操作を介して人為的に排出されるのである。

一方、液−液抽出塔を使用する連続工程では、抽出済みの二つの流体を分離するために工程運転中に二つの流体が分離される箇所、すなわち、二つの流体間の界面位置を一定に維持する必要がある。
比重の異なる二つの流体を分離して抽出する過程で、流体Ａと流体Ｂとの界面位置が過度に上昇する場合、流体Ａが塔頂部２０の排出管２２を介して排出できるので、塔頂部２０内における比重の異なる流体Ａと流体Ｂとの界面は一定の範囲内で維持されなければならない。
このため、計測器４０を介して塔頂部２０内の界面位置を測定し、塔底部３０の制御弁３２ａを介して流体Ａに対する排出量を調節しながら抽出塔全体の水位調節によって塔頂部２０内の界面を維持または制御する。

このとき、塔頂部２０の界面位置測定方法としては、密度測定器またはレベルスイッチなどを用いて界面の位置がどの基準高さを超えたかを確認したり、界面測定用レベル伝送器を使用したり、塔頂部２０の上下段間の圧力差を利用して連続的に測定する方法などがある。
この際、定常状態（ｓｔｅａｄｙ ｓｔａｔｅ）の運転では、理論上、流入流量が一定であるから、排出流量が一定に維持されると、界面の位置も一定に維持されなければならないが、実際の操業では流入流量が正確且つ一定に維持され難いうえ、界面位置の微動や制御系統における電磁気的干渉などによる誤差などもフィードバックされ、制御弁３２ａの開度が連続的に変化するので、排出流量も一定に維持され難いという問題があった。
したがって、塔頂部２０内の界面位置を一定に維持することが難しいという問題があった。
それだけでなく、制御弁３２ａの連続作動により、制御弁３２ａの寿命が短くなるという問題も生じた。

また、前述したように、界面測定が複数の計測器４０によって行われるが、計測器４０と制御弁３２ａとの間で計測信号をやりとりするために制御系統が複雑になるという欠点があった。

さらに、前述のように制御系統が複雑になるので、メンテナンスに対する需要が増加してメンテナンスコストの増加および工数（ｍａｎ−ｈｏｕｒ）の増加により作業生産性が低下するという問題があった。

韓国公開特許第１０−２０１４−００６４６６９号公報

本発明は、前述した問題点を解決するために案出されたものであって、その目的は、抽出塔の外部に一定の圧力を維持することが可能な垂直配管を設け、抽出塔の内部圧力と前記垂直配管の内部圧力との平衡（ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ）を利用して、比重の異なる二つの流体が流入している塔頂部における両流体間の界面を所望の位置で一定に維持されるようにすることにより、単純な制御系統を介して界面の維持がなされるようにした、圧力平衡を利用した液−液抽出塔の界面制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、塔体と、塔体の上部および塔体の下部にそれぞれ設けられ、比重の異なる流体がそれぞれ流入および排出される流入管および排出管が設置される塔頂部および塔底部とを含む液−液抽出塔の界面制御装置であって、前記塔底部の排出管に接続されて塔底部を介して排出された流体が上昇する管路を形成し、前記管路における流体上昇による水位調節を介して抽出塔の内部圧力と前記管路の内部圧力とが平衡を保つことができるようにして、塔頂部に流入している比重の異なる二つの流体間の界面が一定に維持されるようにしたことを特徴とする、液−液抽出塔の界面制御装置を提供する。

また、前記塔底部の排出管に接続され、抽出塔と並んで垂直に設置された垂直配管と、前記垂直配管の管路を開閉する開閉弁とを含むことが好ましい。

また、前記垂直配管には垂直配管の高さ方向に分岐された複数の圧力制御管が設置され、前記開閉弁はそれぞれの圧力制御管ごとに設置されたことが好ましい。

本発明に係る圧力平衡を利用した液−液抽出塔の界面制御装置は、次の効果がある。

抽出塔の一側に、抽出塔の内部圧力との圧力平衡が達成されるようにする垂直配管が設置されることにより、塔頂部内の流体間の界面位置は垂直配管内の圧力によって制御できる。
つまり、抽出塔の内部圧力と同じ圧力を垂直配管内に提供することができるので、前記塔頂部内の界面の位置は垂直配管内の圧力によって維持でき、前記垂直配管内の水位が可変する場合、前記界面の位置も可変できる。
これにより、垂直配管を介した制御時の制御系統の単純化により、塔頂部内の界面維持作業に対する制御要素が少なく、メンテナンスに対する需要が減少するので、界面維持作業に対する作業生産性を向上させることができるという効果がある。

また、垂直配管の高さ方向に複数の圧力制御管が設置されることにより、抽出塔内の圧力変化に対して容易に対応することができるという効果がある。
つまり、抽出塔内に流入する流体の流量変化などにより、抽出塔内の流体全体の密度が変化すると、これにより抽出塔内の圧力が変化するが、抽出塔内の圧力変化に対応して前記圧力制御管の開閉によって垂直配管内の水位を調節することにより、抽出塔の塔頂部内の流体間の界面位置を容易に制御することができるという効果がある。

従来技術による液−液抽出塔を示す概念図である。 本発明の好適な実施形態による圧力平衡を利用した液−液抽出塔の界面制御装置を示す概念図である。

本明細書および請求の範囲で使用される用語や単語は通常的または辞典的な意味に限定解釈されず、発明者は自分の発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義することができるという原則に立脚して、本発明の技術的思想に符合する意味と概念で解釈されるべきである。

以下、添付された図２を参照して、本発明の好適な実施形態による圧力平衡を利用した液−液抽出塔の界面制御装置について説明する。
説明に先立って、従来と同様の構成については同様の符号を付することを明かしておく。

圧力平衡を利用した液−液抽出塔の界面制御装置は、抽出塔の内部圧力との圧力平衡を保つことが可能な垂直配管を設置し、互いに異なる比重の流体の流入および排出がなされる塔頂部での流体界面が一定に維持されるようにする技術的特徴がある。
これにより、垂直配管の単純な制御系統を介して界面の維持がなされ得るので、界面維持作業を簡単に行うことができ、メンテナンス作業に対する需要を減らすことができる。

圧力平衡を利用した液−液抽出塔の界面制御装置は、塔体１０と、塔頂部２０と、塔底部３０と、垂直配管１００と、圧力制御管２００と、開閉弁３００とを含んで構成される。

塔体１０は、塔頂部２０と塔底部３０とを連結し、地面に対して垂直に設けられる。
塔体１０の内部では、塔頂部２０と塔底部３０にそれぞれ流入した流体が混合されながら比重差によって上、下に分離される。
塔体１０は、一体に構成されてもよく、複数に分離された後、連なって結合されて設けられてもよい。

塔頂部２０は、比重の大きい流体（流体Ａ）が流入し、比重の小さい流体（流体Ｂ）が排出される構成であり、塔体１０の上部に設置される。
このとき、塔頂部２０の一側と他側にはそれぞれ上部流入管２１および上部排出管２２が設けられる。

塔底部３０は、比重の小さい流体（流体Ｂ）が流入し、比重の大きい流体（流体Ａ）が排出される構成であり、塔体１０の下部に設置される。
このとき、塔底部３０の一側と他側にはそれぞれ下部流入管３１および下部排出管３２が設けられる。

垂直配管１００は、塔底部３０から下部排出管３２を介して排出された流体が移動する管路を形成し、この流体の圧力を介して抽出塔１の内部圧力と平衡をとることが可能な圧力を発生する役割を果たす。
前記垂直配管１００は、抽出塔１の一側に設けられ、抽出塔１と並んで垂直に設置される。

塔底部３０から排出される流体を垂直配管１００へ移動させて前記垂直配管１００内に圧力を発生させることにより、塔頂部２０内の比重の異なる二つの流体の界面は一定に維持できるのでる。

その後、圧力制御管２００は、垂直配管１００を介して上昇した流体による圧力を段階的に調節して抽出塔１の内部圧力と平衡を保たせる役割を果たす。

つまり、抽出塔１内の圧力が定められると、その圧力値に応じて、垂直配管１００内に作用する圧力も同様に調節されなければならないので、前記圧力制御管２００の開閉によって、垂直配管１００に流入する流体の水位を調節して垂直配管１００内の圧力を制御する。
このとき、圧力制御管２００は垂直配管１００の高さ方向に複数設置される。
このとき、圧力制御管２００は、図２に示すように、各高さ別に平行に設置される。

開閉弁３００は、圧力制御管２００の管路を開閉し、圧力制御管２００ごとに設置される。
つまり、開閉弁３００は、各圧力制御管２００の管路を開閉しながら垂直配管１００内での流体水位が調節できるようにするものである。

一方、各圧力制御管２００の端部には、圧力制御管２００の管路を取り合わせる流出配管４００が設置される。
つまり、開放された圧力制御管２００を介して排出される流体は、前記流出配管４００を介して所定の場所へ移動するのである。

以下、前述した構成からなる圧力平衡を利用した液−液抽出塔の界面装置の作用について説明する。

まず、流体が流入した抽出塔の内部圧力値を算出する。圧力値算出過程は次のとおりである。

脈動などの外力を除くと、抽出塔１の内部圧力は抽出塔１の内部流体の密度と高さにのみ関係する。
定常状態のとき、抽出塔の内部流体の全高は塔頂部２０の上部排出管２２の高さに固定されるので、抽出塔１の内部圧力は抽出塔１の内部流体全体の密度によって決定される。
抽出塔の内部には密度の異なる二つの流体が共存し、各流体の流入量と流出量は一定に維持されるので、流体が混ざっている塔体１０内の密度は流量比に応じて一定の値を持つようになる。
したがって、抽出塔１の内部流体全体の密度は、塔頂部２０の内部における流体の存在比率、すなわち界面の高さによって決定される。
このように、塔頂部２０における所望の高さに界面が形成されたときの圧力が算出されると、算出された圧力範囲に応じて、垂直配管１００内に形成すべき水柱の高さを導出する。

その後、垂直配管１００内の水柱の高さが導出されると、それに相応する圧力制御管２００の開閉弁３００を開放する。
これにより、抽出塔１の塔底部３０から垂直配管１００に流入した流体の水位は、開放された圧力制御管２００未満の位置に維持される。
これにより、抽出塔１内の圧力は垂直配管１００内の圧力と平衡をとり、塔頂部２０の二つの流体間の界面は前記水柱による圧力と平衡をとる高さで維持できる。

一方、抽出塔１内に流入する二つの流体の密度が異なることや、その他の外部条件によって抽出塔１内の圧力値が可変できることなどは理解可能である。
このとき、垂直配管１００に各高さ別に設置された圧力制御管２００の管路開放を制御することで、抽出塔１内の圧力値に対して平衡を維持させることができる。

これまでに説明したように、本発明に係る圧力平衡を利用した液−液抽出塔の界面制御装置は、抽出塔の一側に垂直配管を設置して抽出塔内部の流体圧力と垂直配管内部の流体圧力との平衡を人為的に誘導して、抽出塔の塔頂部に形成される二つの流体の界面位置を制御することができるようにした技術的特徴がある。
これにより、単純な制御系統の構成によっても、界面を一定に維持させることができ、メンテナンスに対する需要を減らすことができるため、界面維持作業のための作業生産性を向上させることができる。

以上、本発明は記載された実施形態について詳細に説明したが、本発明の技術的思想の範囲内で多様な変形及び修正が可能であることは当業者にとって明らかであり、それらの変形および修正も添付された特許請求の範囲に属することは当たり前である。

１０ 塔体
２０ 塔頂部
２１ 上部流入管
２２ 上部排出管
３０ 塔底部
３１ 下部流入管
３２ 下部排出管
１００ 垂直配管
２００ 圧力制御管
３００ 開閉弁
４００ 流出配管

Claims (2)

1. 塔体と、前記塔体の上部に設置される塔頂部と、前記塔体の下部に設置される塔底部とを含み、
   前記塔頂部には、第一流体が流入される上部流入管と、前記第一流体より比重の小さい第二流体が排出される上部排出管とが設置され、
   前記塔底部には、前記第二流体が流入される下部流入管と、前記第一流体が排出される下部排出管とが設置された液−液抽出塔において、前記第一流体および前記第二流体間の界面の位置を前記上部流入管と前記上部排出管の間の所望の位置に調整するための界面制御装置であって、
   前記下部排出管に接続されて前記第一流体が上昇する管路と、
   前記管路に設けられた圧力制御部と、を備え、
   前記管路は、前記抽出塔と並んで垂直に設置された垂直配管を含み、
   前記圧力制御部は、前記垂直配管の管路を開閉する開閉弁を含み、
   前記圧力制御部は、前記所望の位置に前記界面が形成されたときの前記抽出塔の内部の圧力値を導出する第一の導出過程と、前記圧力値に応じて前記管路内に形成すべき内部流体の高さを導出する第二の導出過程と、前記第二の導出過程における導出結果に応じて前記管路内の圧力を制御する制御過程とを実行することにより、前記界面の位置を調整し、 前記制御過程は、前記開閉弁を開閉することによって実行されることを特徴とする、液−液抽出塔の界面制御装置。
2. 前記圧力制御部は、前記垂直配管に設置されて前記垂直配管の高さ方向に分岐された複数の圧力制御管を含み、
   前記開閉弁はそれぞれの前記圧力制御管ごとに設置されたことを特徴とする、請求項１に記載の液−液抽出塔の界面制御装置。

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