KR100295070B1 - Continuous Instant Liquid-Liquid Centrifugation and Centrifuge Using Screw and Suction Impeller - Google Patents
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Abstract
본 발명은 스크류와 흡입 임펠라를 이용한 연속 순간 액체-액체 원심 분리방법과 원심분리기에 관한 것으로, 그 목적은 신속하고 정확하게 두 액상 즉 경액(light liquid)과 중액(heavy liquid)을 분리하는 방법 및 장치를 제공하는데 있으며,The present invention relates to a continuous instantaneous liquid-liquid centrifugation method using a screw and a suction impeller, and to a centrifuge, the object of which is to rapidly and accurately separate two liquids, that is, a light liquid and a heavy liquid. To provide
본 발명의 구성은 경액과 중액을 분리하는 액체-액체 원심분리기에 있어서, a) 수직으로 설치된 주지지대(33), 보조지지대(30)와 이와 상·하부에서 수평으로 접하는 상부지지대(32), 하부지지대(38)에 의해 고정 지지되고, 각 지지대 간을 아크릴재질의 투명 장치보호판(34)으로 연결하여 외부를 이루고, 내부는 아크릴 방으로 구성되는 프레임부와; b) 속도변환기(37)에 의해 회전속도가 변화하는 직류형모터(36)와 이와 수직 및 수평 연결되어 구동되는 회전축(1), 풀리(4), 벨트(3)가 연결 설치되는 동력전달부와; c) 상기 프레임부의 내부 아크릴 방에 장착되는, 원통형 덮개(17)의 내경 내벽과 회전체(18)의 외벽에 각각 가공된 덮개 유체이송 스크류(21)와 회전체 유체이송 스크류(20)로 이루어진 이송장치부와, 상기 회전체(18) 하부에 장착된 흡입 임펠라(impeller, 22)로 이루어진 흡입장치부와, 상기 이송장치부 상부에 장착되는 배출되도륵 한 일체형 분리둑으로 이루어진 원심분리기로 구성된다.The configuration of the present invention is a liquid-liquid centrifuge for separating hard and heavy liquids, comprising: a) a vertically installed support base 33, an auxiliary support 30, and an upper support 32 horizontally contacting the upper and lower portions thereof; It is fixedly supported by the lower support (38), connecting each support between the transparent device protective plate 34 made of acrylic material to form an outside, the inside of the frame portion consisting of an acrylic room; b) Power transmission unit connected to the DC-type motor 36, the rotational shaft (1), the pulley (4), the belt (3) driven in a vertical and horizontal connection with the rotation speed is changed by the speed converter 37 Wow; c) a cover fluid transfer screw 21 and a rotor fluid transfer screw 20 machined to the inner wall of the inner diameter of the cylindrical cover 17 and the outer wall of the rotor 18, respectively, mounted in the inner acrylic room of the frame part. It consists of a centrifugal separator consisting of a conveying device part, a suction device part composed of a suction impeller (22) mounted on the lower part of the rotating body (18), and an integrated separator bank discharged from the upper part of the conveying device part. do.
Description
본 발명은 스크류와 흡입 임펠라를 이용한 연속 순간 액체-액체 원심 분리방법과 원심분리기{Continuous and instantaneous liquid-liquid centrifugal Separating method and centrifugal Separator with Screw and Impeller}에 관한 것이다.The present invention relates to a continuous and instantaneous liquid-liquid centrifugal Separating method and centrifugal Separator with Screw and Impeller using a screw and a suction impeller.
종래의 원심 고온접촉기(Centrifugal pyrocontactor)와 실험실용 용매추출원심접촉기(Centrifugal contactors for laboratory-scale solvent extraction tests)는 중액(heavy liquid)과 경액(light liquid)을 회전체(rotor) 내에 공급하는데 있어서 덮개(housing)의 중간에서 경액(light liquid)과 중액(heavy liquid)을 공급하기 때문에 고속 회전시 두 액상이 회전체(rotor)의 원심력 때문에 위로 넘쳐흘러 나오게 된다.Conventional centrifugal pyrocontactors and centrifugal contactors for laboratory-scale solvent extraction tests cover the delivery of heavy liquids and light liquids into the rotor. In the middle of the housing, light liquid and heavy liquid are supplied so that the two liquids overflow at high speed due to the centrifugal force of the rotor.
회전체(rotor)의 중간에서 두 액상을 공급하는 방법은 회전체(rotor)의 아래에서 공급하는 방법보다 체류시간(residence time)이 길어지게 된다.The method of supplying two liquid phases in the middle of the rotor has a longer residence time than the method of feeding below the rotor.
더구나 두 액상의 흡입력은 덮개(housing) 밑부분에 있는 회전하지 않고 고정되어 있는 8개의 날개판(vane)에 의지하고 있다.Moreover, the two liquid suction forces are relied upon by eight non-rotating vanes at the base of the housing.
회전하지 않는 8개의 날개판(vane)은 오직 회전하는 회전체(rotor)의 힘만으로 그리고 수동적으로 두 액상을 8개의 날개판(vane)에 부딪쳐 회전체(rotor) 안으로 밀어내어 공급하고 있기 때문에 흡입력이 약하다.The eight vanes, which do not rotate, are sucked only by the force of the rotating rotor and passively push the two liquids against the eight vanes and push them into the rotor. This is weak.
이 때문에 덮개(housing)와 회전체(rotor) 밑 부분 사이에서 두 액상의 소용돌이의 사각지역(dead zone)이 발생되고 체류시간(residence time)이 길어지게 된다.This creates a dead zone of two liquid vortices between the housing and the bottom of the rotor and lengthens the residence time.
종래의 실험실용 용매추출 원심접촉기의 체류시간(residence time)은 10 ∼ 520초이다.The residence time of the conventional laboratory solvent extraction centrifugal contactor is 10 to 520 seconds.
그리고 종래의 원심 고온접촉기(Centrifugal pyrocontactor)와 실험실용 용매추출 원심접촉기(Centrifugal contactors for laboratory-scale solvent extraction tests)의 분리장치인 분리둑(separation weir)은 상비(경액유량÷중액유량)의 범위가 0.69 ∼ 1.25이다.In addition, the separation weir, which is a separation device between the centrifugal pyrocontactor and the centrifugal contactors for laboratory-scale solvent extraction tests, has a range of normal flow (liquid flow rate ÷ liquid flow rate). 0.69-1.25.
그러나 이 상비의 범위를 벗어나면 경액(light liquid)과 중액(heavy liquid)을 분리하는 분리둑(separation weir)의 분리효율이 떨어지게 된다.However, the separation efficiency of the separation weir, which separates the light liquid and the heavy liquid, decreases if it falls outside the range of this standing ratio.
종래의 분리둑(separation weir)에 대한 구조를 보면 상부 분리둑(separation weir)과 하부 분리둑(separation weir)으로 구분되어 있고 상부 분리둑(separation weir)에는 분리되어 나오는 중액(heavy liquid)의 유동성을 방해하는 구조를 가지고 있다.The structure of the conventional separation weir is divided into the upper separation weir and the lower separation weir, and the liquidity of the heavy liquid that is separated in the upper separation weir. It has a structure that prevents it.
모든 액체는 원심력에 의하여 바깥쪽으로 나가려는 힘이 있는데 상부 분리둑(separation weir)의 구조는 중액(heavy liquid)의 흐름을 방해하여 원활한 유동을 역방향으로 작용하게 한다.All liquids have a force to go out by centrifugal force, and the structure of the separation weir prevents the flow of heavy liquid, which causes the smooth flow to work in the reverse direction.
또한 하부 분리둑(separation weir)에 있어서 문제점은 분리둑(separation weir)이 필요이상으로 너무 두꺼워 고속회전에 의한 원심력 작용으로 경액(light liquid)의 흐름이 중액(heavy liquid)의 출구쪽으로 흐르게 된다.In addition, a problem with the separation weir is that the separation weir is too thick than necessary so that the light liquid flows toward the outlet of the heavy liquid due to the centrifugal force action due to the high speed rotation.
따라서 이러한 분리둑(light liquid)에 대한 구조적 특성들 때문에 더 넓은 상비의 범위를 제한하고 있다.The structural properties of these light liquids therefore limit the wider scope of standing.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 스크류(screw)와 흡입 임펠라(impeller)를 이용한 연속 순간 액체-액체원심 분리기는 실험실 등에서 서로 다른 밀도의 두 액체가 섞여서 오염되었을 때 화학적 독성 등이 강하여 인체에 흡입될 위험과 주변 환경오염 가능성이 있으므로, 이러한 노출될 위험과 빠른 오염 확산 가능성을 방지하기 위하여 신속하고 정확하게 두 액상 즉 경액(light liquid)과 중액(heavy liquid)을 분리하는 방법 및 장치를 제공하는데 있으며, 아울러 장차 본 장치의 산업의 응용 가능성으로는 해양이나 강등에서 수질의 기름 오염 시에 물과 기름을 빠른 시간 내에 분리 수거하여 환경문제를 해결 하고자 하는 궁극적인 목적이 있다.An object of the present invention for solving the above problems is a continuous instantaneous liquid-liquid centrifuge using a screw and a suction impeller has a chemical toxicity when the two liquids of different densities are contaminated in a laboratory or the like. Because of the strong risk of inhalation and potential environmental contamination, methods and devices for separating two liquids, light and heavy liquids, quickly and accurately in order to prevent such exposure risks and the possibility of rapid contamination spreading. In addition, the future industrial application of the device has the ultimate purpose to solve the environmental problem by separating and collecting water and oil in a timely manner in the event of oil pollution in the sea or river.
따라서, 본 발명은 펌프나 강제적인 힘의 작동 없이 계속적으로 그리고 짧은 시간 안에 일정한 유량을 이송하는 액체-액체원심 분리기 장치 내의 유체이송 스크류(screw)와 흡입 임펠라(impeller)의 발명을 그 대상으로 하였고, 아울러 같은 장치내의 중액(heavy liquid)과 경액(light liquid)을 분리하고 넓은 상비를 갖는 일체형 분리둑(separation weir)의 개발을 발명의 대상으로 하고 있고, 덮개(housing)와 회전체(rotor) 밑 부분 사이에서 두 액상의 소용돌이의 사각지역(dead zone)이 발생되고 체류시간(residence time)이 길어지게 되는 문제점을 개선하도록 하는데 있다.Accordingly, the present invention is directed to the invention of a fluid transfer screw and a suction impeller in a liquid-liquid centrifuge device that continuously and consistently deliver a constant flow rate without a pump or forced force operation. In addition, the present invention aims to develop an integral separation weir that separates heavy liquids and light liquids in the same apparatus and has a wide standing ratio, and includes a housing and a rotor. It is to improve the problem that dead zones of two liquid vortices are generated between the bottom parts and the residence time becomes long.
즉, 본 발명의 목적은 첫째로 종래장치의 체류시간(residence time)을 길게하는 중간흡입 방법을 개선하여 아래에서 공급하는 방법을 선택하였고, 고속회전에 의한 회전체(rotor)의 원심력에 의하여 위로 넘쳐흐르는 것을 방지하고 아래로 공급하는 이송 스크류(feed screw)를 덮개(housing)와 회전체(rotor)에 설계를 하였다.That is, the object of the present invention is to improve the intermediate suction method of lengthening the residence time (residence time) of the conventional device, and to select the method of supplying from below, and to increase by the centrifugal force of the rotor by the high-speed rotation A feed screw was designed in the housing and the rotor to prevent overflow and to feed down.
그리고 소용돌이를 없애고 강한 흡입력 가지며, 이를 통하여 두 액상의 혼합되어 섞인 두 액상의 신속한 상 분리를 할 수 있는 흡입 임펠라 개발에 목적을 두고 있다.And it aims to develop a suction impeller that eliminates the vortex and has a strong suction force, through which the two liquid phases can be rapidly phased apart.
둘째로 종래의 실험실용 용매추출 원심접촉기 보다 상비가 0.69 ∼ 1.25 범위이상과 이하에서도 넓은 범위의 분리능력을 가진 분리둑(separation weir) 개발을 발명의 목적으로 하였다.Secondly, the purpose of the present invention was to develop a separation weir having a wide range of separation capability even in the range of 0.69 to 1.25 and above and below than the conventional laboratory solvent extraction centrifugal contactor.
상기와 같은 본 발명의 목적은 경액과 중액을 분리하는 액체-액체 원심분리 방법에 있어서,The object of the present invention as described above in the liquid-liquid centrifugation method for separating the hard and heavy liquid,
경액(light liquid)과 중액(heavy liquid)의 두 혼합용액이 혼합용액입구쪽에서 회전체 하부에 장착된 흡입 임펠라(impeller)의 흡입력에 의하여 흡입되는 단계와;Two mixed solutions of light liquid and heavy liquid are sucked by the suction force of the suction impeller mounted on the lower part of the rotor at the mixing solution inlet side;
흡입된 두 혼합액상이 회전체(rotor)의 원심력에 의하여 회전하지 않는 덮개(housing)와 회전체(rotor) 사이에서 상승하여 흘러 넘치려고 하는 힘이 회전체(rotor)와 덮개(housing)의 덮개 유체 이송 스크류(screw)와 회전체 유체이송 스크류에 의하여 흘러 넘치지 않고 아래로 작용하는 단계와;The force to rise and overflow between the housing and the rotor where the two sucked mixed liquid phases do not rotate by the centrifugal force of the rotor is the cover of the rotor and the housing. Acting down without overflow by the fluid conveying screw and the rotating fluid conveying screw;
아래로 모인 두 혼합액상은 흡입 임펠라(impeller)의 흡입력에 의하여 회전체(rotor) 내부로 상승하는 단계와;The two mixed liquid phases gathered down are raised into the rotor by the suction force of the suction impeller;
회전체(rotor) 내부로 상승된 두 혼합액상이 분리영역을 지나 분리되는 시점인 분리둑(separation weir) 하단에서 분리되는 단계와;Separating the two mixed liquid phases raised into the rotor at the bottom of a separation weir, which is a time point at which the two mixed liquid phases are separated through the separation region;
각각의 분리된 경액(light liquid)과 중액(heavy liquid)은 경액 수집기와 중액 수집기로 모이는 단계와;Each separated light liquid and heavy liquid are collected into a hard liquid collector and a heavy liquid collector;
각각 수집된 액상은 경액 출구와 중액(heavy liquid) 출구로 넘쳐흘러 배출되어 최종 분리되는 단계를 거치는 것을 특징으로 하는 스크류와 흡입 임펠라를 이용한 연속 순간 액체-액체 원심 분리방법을 제공함으로써 달성된다.Each collected liquid phase is achieved by providing a continuous instantaneous liquid-liquid centrifugal separation method using a screw and a suction impeller characterized by passing through a hard liquid outlet and a heavy liquid outlet to be finally separated.
상기와 같은 본 발명의 목적은 경액과 중액을 분리하는 액체-액체 원심분리기에 있어서,The object of the present invention as described above in the liquid-liquid centrifuge for separating the hard and heavy liquid,
a) 수직으로 설치된 주지지대, 보조지지대와 이와 상·하부에서 수평으로 접하는 상부지지대, 하부지지대에 의해 고정 지지되고, 각 지지대 간을 아크릴재질의 투명 장치보호판으로 연결하여 외부를 이루고, 내부에는 유독성 가스에 의한 원심분리기 보호를 위하여 보조지지대와 일측면을 공유하고 상부는 지지대로 막고 그외의 면은 투명 장치보호판으로 막되, 공기주입구 및 공기배출구만 개방하여 틈새를 없앤 원심분리기가 장착되는 아크릴 방으로 구성되는 프레임부와;a) It is fixedly supported by vertically installed supports, auxiliary supports, and upper and lower supports that are horizontally contacted from the upper and lower sides, and is connected to each other by transparent device protection plates made of acrylic material, and toxic inside. In order to protect the centrifuge by gas, it is an acrylic room where one side is shared with the auxiliary support, the upper part is blocked by the support, and the other side is blocked by the transparent device protection plate, and only the air inlet and the air outlet are opened to eliminate the gap. A frame portion configured;
b) 상기 프레임부 내부에 주지지대 외부에 장착된 속도변환기에 의해 회전속도가 변화하고, 모터 진동 완충기에 의해 하부가 완충되는 직류형 모터와 이와 수직 및 수평 연결되어 구동되는 회전축, 풀리, 벨트가 연결 설치되며, 상기 모터와 회전축은 각각의 상부와 하부에 있는 베어링과 하부 지지대에 의해 고정되고, 풀리와 회전축의 연결은 진동을 흡수할 수 있는 커플링을 사용하여 구성되는 동력전달부와;b) the rotational speed is changed by a speed converter mounted outside the support zone inside the frame part, and a rotating shaft, a pulley, and a belt driven vertically and horizontally connected to the direct current type motor, the lower part of which is buffered by a motor vibration buffer. Is connected and installed, the motor and the rotating shaft is fixed by the bearing and the lower support in the upper and lower, respectively, the connection of the pulley and the rotating shaft is a power transmission unit configured using a coupling that can absorb vibration;
c) 상기 프레임부의 내부 아크릴 방에 장착되는,c) mounted in the inner acrylic room of the frame part,
원통형 덮개의 내경 내벽과 회전체의 외벽에 각각 가공된 덮개 유체이송 스크류와 회전체 유체이송 스크류로 이루어져 회전체의 원심력에 의해 유체가 원통형덮개 내벽에 부딪쳐 상승하는 것을 방지하고 아래로 이송토록 하는 이송장치부와,Consists of a cover fluid transfer screw and a rotating fluid transfer screw respectively machined on the inner wall of the inner diameter of the cylindrical cover and the outer wall of the rotating body to prevent the fluid from rising up against the inner wall of the cylindrical cover by the centrifugal force of the rotating body, and to transport it downward. Device,
상기 회전체 하부에 장착된 흡입 임펠라(impeller)로 이루어져 혼합된 두 액상을 아래에서 직접 공급하고, 소용돌이와 사각지역(dead zone)을 방지하여 신속하게 두 액상을 흡입함으로서 평균체류시간(residence time)을 단축하도록 한 흡입장치부와,It consists of the suction impeller mounted on the lower part of the rotor to directly supply the mixed two liquids from below, and to suck the two liquids quickly by preventing the vortex and dead zone (residence time) Suction device unit to shorten,
상기 이송장치부 상부에 장착되어 원심력에 의한 밀도차이에 의하여 중액은 회전체 내벽과 분리 둑 외부가 이루는 중액입구를 통해 유입되어 중액수집기에 모인 후 중액출구로 배출되고, 경액은 분리 둑 안쪽으로 유입되어 경액입구를 통해 경액수집기에 모인 후 경액출구를 통해 배출되도록 한 넓은 상비를 갖는 일체형 분리둑으로 이루어진 원심분리기로 구성되는 것을 특징으로 하는 스크류와 흡입 임펠라를 이용한 연속 순간 액체-액체 원심분리기를 제공함으로써 달성된다.Due to the difference in density due to centrifugal force, the heavy liquid enters through the heavy liquid inlet formed by the inner wall of the rotating body and the outside of the separating bank, collects in the heavy liquid collector, and is discharged to the heavy liquid outlet. Continuous centrifugal liquid-liquid centrifuge using a screw and a suction impeller, comprising a centrifuge consisting of an integral separation bank having a wide standing ratio which is collected through a hard fluid inlet and discharged through a hard fluid outlet. Is achieved.
도 1은 본 발명의 스크류(screw)와 흡입 임펠라(impeller)를 이용한 연속 순간 액체-액체원심 분리기의 개략도,1 is a schematic diagram of a continuous instantaneous liquid-liquid centrifuge using a screw and a suction impeller of the present invention,
도 2는 본 발명의 스크류(screw)와 흡입 임펠라(impeller)를 이용한 연속 순간 액체-액체원심 분리기의 사시도,2 is a perspective view of a continuous instantaneous liquid-liquid centrifuge using a screw and suction impeller of the present invention;
도 3은 본 발명장치의 전체 조립도,3 is an overall assembly view of the present invention device,
도 4a는 본 발명 덮개(housing)의 덮개(housing) 유체이송 스크류(screw)의 평면도,4A is a plan view of a housing fluid transfer screw of the housing of the present invention,
도 4b는 본 발명 덮개(housing)의 덮개(housing) 유체이송 스크류(screw)의 정면도,4b is a front view of a housing fluid transfer screw of the housing of the invention,
도 5a는 본 발명 회전체(rotor)의 유체이송 스크류(screw)의 평면도,5a is a plan view of a fluid transfer screw of the rotor of the present invention,
도 5b는 본 발명 회전체(rotor)의 유체이송 스크류(screw)의 정면도,5b is a front view of a fluid transfer screw of the rotor of the present invention;
도 6a는 본 발명 흡입 임펠라(impeller)의 평면도,Figure 6a is a plan view of the invention suction impeller (impeller),
도 6b는 본 발명 흡입 임펠라(impeller)의 정면도,Figure 6b is a front view of the present invention suction impeller (impeller),
도 6c는 본 발명 흡입 임펠라(impeller)의 측면도,Figure 6c is a side view of the present invention suction impeller (impeller),
도 7a는 본 발명 분리둑(separation weir)의 평면도,7A is a plan view of the separation weir of the present invention;
도 7b는 본 발명 분리둑(separation weir)의 정면도,7b is a front view of the separation weir of the present invention;
도 8은 본 발명 분리둑(separation weir)의 세부 상세도,8 is a detailed view of the separation weir of the present invention;
도 9는 본 발명 유체 이송 스크류의 날개각이 15°이상일 때 중액(heavy liquid)상에 나타나는 유상액의 전류전도도,9 is a current conductivity of an oily liquid appearing on a heavy liquid when the wing angle of the fluid transfer screw of the present invention is 15 ° or more,
도 10은 흡입임펠라(impeller)를 사용하지 않은 상태에서 유체 이송 스크류(screw)의 덮개(housing)와 회전체(rotor) 사이에서 흘러넘침 정도를 회전수와 유량의 관계도,10 is a relationship between the rotational speed and the flow rate of the degree of overflow between the housing and the rotor of the fluid transfer screw without using the suction impeller;
도 11은 스크류(screw)와 흡입 임펠라(impeller)를 이용한 연속 순간 액체-액체원심 분리기의 평균체류시간(residence time) 분포도와 시간에 따른 전체농도 분포상태도,11 is an average residence time distribution of the continuous instantaneous liquid-liquid centrifuge using a screw and a suction impeller, and a total concentration distribution diagram according to time;
도 12는 덮개내벽의 사각스크류(screw) 깃에 가해지는 힘의 도시도,12 is a view showing the force applied to the square screw collar of the inner wall of the cover,
도 13은 흡입 임펠라(impeller)의 회전 날개각에 가해지는 힘의 도시도,FIG. 13 is a diagram showing a force applied to a rotation vane angle of a suction impeller; FIG.
＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞<Description of the code | symbol about the principal part of drawing>
(1) : 회전축 (3) : 벨트(1): rotating shaft (3): belt
(4) : 풀리 (5) : 지지대(4): pulley (5): support
(6) : 커플링 (8) : 전향날개(6): Coupling (8): Forward wing
(9) : 상부덮개 (10) : 분리 둑(separation weir)(9): top cover (10): separation weir
(11) : 중액 수집기 (12) : 중액출구(11): heavy liquid collector (12): heavy liquid outlet
(13) : 경액 수집기 (14) : 경액출구(13): liquid collector (14): liquid outlet
(15) : 중액입구 (16) : 경액입구(15): Heavy liquid inlet (16): Hard liquid inlet
(17) : 덮개 (18) : 회전체(17): cover 18: rotating body
(19) : 분리영역 (20) : 회전체 유체이송 스크류(19): Separation area (20): Rotor fluid transfer screw
(21) : 덮개 유체이송 스크류 (22) : 흡입임펠라(21): cover fluid transfer screw (22): suction impeller
(23) : 회전체 입구 (24) : 경액과 중액의 혼합용액 입구(23) Inlet of rotating body (24) Inlet of mixed solution of hard and heavy liquid
(25) : 배출구 (26) : 지지판(25): outlet port 26: support plate
(27) : 축 지지점 (28) : 장치지지대(27): shaft support (28): device support
(30) : 보조지지대 (31) : 베어링(30): auxiliary support (31): bearing
(32) : 상부 지지대 (33) : 주 지지대(32): upper support 33: main support
(34) : 장치 보호판 (35) : 공기 배출구(34): device protection plate 35: air outlet
(36) : 모터 (37) : 속도 변환기36: motor 37: speed converter
(38) : 하부 지지대 (39) : 공기 주입구(38): lower support (39): air inlet
(40) : 모터진동 완충기40: motor vibration buffer
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명의 실시예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.When described in detail with reference to the accompanying drawings, the configuration and the operation of the embodiment of the present invention to achieve the object as described above and to perform the task for eliminating the conventional drawbacks.
본 발명의 스크류(screw)와 흡입 임펠라(imp디ler)를 이용한 연속 순간 액체-액체원심 분리기는 국내에서 전무상태이고, 현재 사용되고 있는 외국의 유사장치인 고준위 방사선 폐액 내의 금속원소을 추출하는 원심 고온접촉기(Cent갸려gal pyrocontactor)나 실험실용 용매추출 원심접촉기(Centrifugal contactors for laboratory-scale solvent extraction tests)와 비교해서 본 장치는 이송스크류(screw)와 흡입임팰라(impeller) 그리고 분리둑(separation weir)의 발명으로 구조적 특성을 달리하고 있다.Continuous instantaneous liquid-liquid centrifuge using a screw and suction impeller of the present invention is a centrifugal high temperature contactor for extracting metal elements in a high level radiation waste liquid, which is a stateless state in the country and is currently used in foreign countries. Compared to centrifugal pyrocontactors or centrifugal contactors for laboratory-scale solvent extraction tests, the device is designed for the use of screw, suction impeller and separation weir. The invention has different structural characteristics.
본 발명은 유체의 흘러 넘침을 방지하고 유체를 아래방향으로 이송하기 위한 바깥 덮개(housing) 내경 내벽과 회전체(rotor) 외벽에 유체이송 스크류(screw)를 착안하여 설계하였다.The present invention is designed by focusing the fluid transfer screw on the inner wall of the inner diameter and the outer wall of the rotor to prevent the flow of the fluid and to transfer the fluid downward.
유체이송 스크류(screw)의 개발은 바깥 덮개(housing) 내벽과 회전체(rotor)외벽에 유체의 이송 스크류(screw)인 사각 스크류(screw)를 가공하였고 회전체(rotor)의 원심력에 의해 유체가 바깥 내벽에 부딪쳐 상승하는 것을 방지하고 아래로 이송되게 하였다.The development of the fluid transfer screw has machined a square screw, which is a transport screw of the fluid, on the inner wall of the housing and the outer wall of the rotor, and the fluid is applied by the centrifugal force of the rotor. It bumped against the outer inner wall to prevent it from rising and transported down.
그리고 흡입되는 두 액상의 유량과 회전체(rotor)의 원심력에 관계되는 분당회전수와 비교를 하여 두 혼합 액상의 유량에 대한 흘러넘침(overflow) 정도를 알아내었고 이를 통하여 공급유량에 대한 범위를 정하였다.The degree of overflow for the flow rates of the two mixed liquid phases was determined by comparing the flow rates of the two liquid phases sucked and the revolutions per minute related to the centrifugal force of the rotor. Decided.
그리고 밀도가 다른 두 액상을 흡입되게 하고, 소용돌이를 없애는 동시에 체류시간(residence time)을 단축하며, 아울러 신속한 상분리를 위해 흡입 임펠라(impeller)를 개발하였다.A suction impeller was developed to allow two liquids of different densities to be inhaled, eliminate vortices, reduce residence time, and provide rapid phase separation.
흡입 임펠라(impeller)의 개발을 위해서는 회전 날개각의 변화에 따른 흡입력의 상태를 조사하였고 흡입 임펠라(impeller)의 유·무에 따른 체류시간(residence time) 비교 그리고 종래 유사장치인 실험실용 용매추출 원심접촉기와 본 장치의 체류시간(residence time) 비교를 하였다.For the development of suction impeller, we investigated the state of suction force according to the change of rotating blade angle, comparing residence time with and without suction impeller, and centrifugal solvent extraction centrifuge which is a similar device. The residence time of the contactor and the device was compared.
분리되는 회전체(rotor)의 길이(회전체의 흡입구에서 분리둑 하단까지의 거리)는 투명한 아크릴 속에 있는 분리영역을 육안으로 관찰하여 정하였다.The length of the rotor to be separated (distance from the suction port of the rotor to the bottom of the separation bank) was determined by visually observing the separation zone in transparent acrylic.
끝으로 분리 둑에 있어서 외경은 29.5mm와 회전수 3000rpm으로 고정시키고 내경을 22.5mm (재질이 스테인레스 그리고 회전수가 15000rpm 일 경우 이론 값)에서 0.25mm씩 확장하여 두 액상이 분리되는 최적의 분리 둑(separation weir) 내경에 대한 실험값(분리둑두께 2.5mm)을 24.5mm로 정하였다.Finally, in the separation weir, the outer diameter is fixed at 29.5mm and the rotational speed 3000rpm, and the inner diameter is expanded by 0.25mm at 22.5mm (the material is stainless and the theoretical value when the rotational speed is 15000rpm). separation weir) The experimental value (separation thickness 2.5mm) for the inner diameter was set to 24.5mm.
이 분리 둑에 대한 성능실험을 위해서 유량의 상비(경액/중액) 변화에 따른 분리상태를 조사하였다.In order to test the performance of this separation bank, the separation status according to the change of the ratio of the flow rate (hard / heavy solution) was investigated.
여기서 종래의 실험실용 용매추출장치의 상비 0.69∼1.25보다 더 넓은 범위의 상비 0.42∼1.5로 개량하였다.In this case, the conventional solvent solvent extraction device was improved to a wider range of 0.42 to 1.5 than the normal ratio of 0.69 to 1.25.
그리고 유량과 회전상태에 따른 분리 둑(separation weir)의 성능과 밀도 변화에 따른 분리둑(separation weir)의 성능을 조사하였다.In addition, the performance of the separation weir according to the flow rate and rotation state and the separation weir according to the density change were investigated.
본 발명 장치의 전체적인 설명은 다음과 같다.The overall description of the device of the present invention is as follows.
조건은 상온에서 실시하였고, 경액(light liquid)으로는 유기상 용액인 케로신(등유), 사염화탄소, 등유+사염화탄소가 사용되었으며, 중액(heavy liquid)으로는 수용상 용액인 일반 물을 사용하였다.The conditions were carried out at room temperature, the light liquid of the organic phase solution, kerosene (kerosene), carbon tetrachloride, kerosene + carbon tetrachloride were used, and the heavy liquid was used as the aqueous phase solution of the general water.
물의 색깔을 구분하기 위하여, 유기상에는 녹지 않고, 수용상에는 녹는 황갈색의 페릭나이트(철분)을 수용액에 첨가하여 실험을 수행하였다.In order to distinguish the color of the water, the experiment was performed by adding yellow brown ferric nitrite (iron powder) to the aqueous solution, which was not dissolved in the organic phase but dissolved in the aqueous phase.
본 장치의 주 재질은 내성이 강한 이크릴로 제작되었으며, 그리고 모터의 회전속도는 3000∼7000 rpm 범위에서 사용하였다.The main material of this device is made of acrylate, which is highly resistant, and the rotation speed of the motor is used in the range of 3000 ~ 7000 rpm.
본 장치의 전체적인 설명 및 가동방법은 도 1의 장치 개략도에서 설명 할 수 있다.The overall description and operating method of the device can be described in the device schematic of FIG. 1.
도 1은 본 발명의 스크류(screw)와 흡입 임펠라(impeller)를 이용한 연속 순간 액체-액체원심 분리기의 개략도이고, 도 2는 스크류(screw) 와 흡입 임펠라(impeller)를 이용한 연속 순간 액체-액체 원심 분리기의 사시도인데,1 is a schematic diagram of a continuous instantaneous liquid-liquid centrifuge using a screw and a suction impeller of the present invention, and FIG. 2 is a continuous instantaneous liquid-liquid centrifugal using a screw and a suction impeller. Is a perspective view of the separator,
도 1을 보면 경액(light liquid)과 중액(heavy liquid)의 두 혼합용액이 혼합용액입구(24)쪽에서 흡입 임펠라(impeller, 22)의 흡입력에 의하여 흡입된다.Referring to FIG. 1, two mixed solutions, a light liquid and a heavy liquid, are sucked by the suction force of the suction impeller 22 at the mixed solution inlet 24.
흡입된 두 혼합액상은 회전체(rotor, 18)의 원심력에 의하여 회전하지 않는 덮개(housing, 17)와 회전체(rotor, 18) 사이에서 상승하여 흘러 넘치려고 하는 힘이 발생된다.The suctioned two mixed liquid phases are generated by the centrifugal force of the rotor 18 to rise and flow between the non-rotating cover 17 and the rotor 18.
그러나 상승하려고 하는 힘은 회전체(rotor)와 덮개(housing)의 유체 이송스크류(screw)에 의하여 흘러 넘치지 않고 아래로 작용하게 한다.However, the force to be raised causes the fluid to move downward without overflow by the fluid transfer screw of the rotor and the housing.
아래로 모인 두 혼합액상은 임펠라(impeller)의 흡입력에 의하여 회전체(rotor) 내부로 상승하게 된다.The two mixed liquid phases gathered down rise into the rotor by the suction force of the impeller.
그리고 회전체(rotor) 내부로 상승된 두 혼합액상은 분리둑(separation weir)에 의하여 분리되고 각각의 분리된 경액(light liquid)과 중액(heavy liquid)은 경액 수집기와 중액 수집기로 모이게 된다.Then, the two mixed liquid phases raised into the rotor are separated by a separation weir, and each separated light liquid and heavy liquid are collected into the hard liquid collector and the heavy liquid collector.
각각 수집된 액상은 경액(light liquid)출구(14)와 중액(heavy liquid) 출구(12)로 넘쳐흘러 배출되어 최종 분리된다.Each collected liquid is overflowed to a light liquid outlet 14 and a heavy liquid outlet 12 to be finally separated.
미설명 부호 8은 전향 날개이다.Reference numeral 8 is a forward wing.
미설명 부호 26은 지지판이다.Reference numeral 26 is a support plate.
미설명 부호 27은 축지점이다.Reference numeral 27 is an axis point.
미설명 부호 28은 장치지지대이다.Reference numeral 28 is a device support.
도 3은 전체적인 장치 구성도를 보여주고 있는데, 우선 장치의 동력전달 부분을 설명하면 전체적인 힘의 지지는 스테인레스 재질인 주 지지대(33)와 백그라이트재질인 하부 지지대(38)에 의해 고정되고 모터(36)와 회전축(1)은 각각의 상부와 하부에 있는 베어링(31)과 하부 지지대(38)에 의해 고정된다.Figure 3 shows the overall configuration of the device, first describes the power transmission portion of the device, the overall support of the force is fixed by the main support 33 made of stainless steel and the lower support 38 made of backlight material and the motor ( 36 and the rotating shaft 1 are fixed by bearings 31 and lower supports 38 at their upper and lower portions, respectively.
상기 모터(36)는 직류형 모터(0.55KW, 300Hz, Model EVS31-SLF)를 사용하였고, 우레탄 재질인 벨트(3)와 풀리(4)에 의해 동력이 전달되게 된다.The motor 36 used a DC motor (0.55KW, 300Hz, Model EVS31-SLF), the power is transmitted by the belt 3 and the pulley (4) made of urethane.
풀리(4)와 회전축(1)의 연결은 진동을 흡수할 수 있는 커플링(Model: HELI-CAL, Size:φ15x7mm, 6)을 사용하였다.The coupling of the pulley 4 and the rotating shaft 1 used a coupling (Model: HELI-CAL, Size: φ15x7mm, 6) capable of absorbing vibration.
여기서 사용된 베어링(IKS φ9mm, 31)은 부식성에 대한 내성이 강한 스테인레스 재질이 사용되었다.The bearings (IKS φ9mm, 31) used here were made of stainless steel, which is highly resistant to corrosion.
주 지지대(33)와 하부 지지대(38)를 제외한 장치와 보호 외벽은 관찰이 가능한 아크릴 재질로 되어 있고 유독성 가스에 의해 장치자체의 보호를 하기 위하여 틈새가 없는 장치만의 아크릴 방을 별도로 제작하였다.Except for the main support 33 and the lower support 38, the device and the protective outer wall are made of observable acrylic material, and a separate acryl room only for the device without a gap is manufactured to protect the device itself by toxic gas.
먼저 유독독성 기체에 의한 부식을 방지하기 위하여 도3의 공기주입구(39)에 불순물이 제거되도록 공기출구(35)로 퍼지(purge)시킨다.First, in order to prevent corrosion due to toxic toxic gas, purge to the air outlet 35 to remove impurities from the air inlet 39 of FIG. 3.
밀도가 다른 두 액상을 주입하기 전에 도 3에서 속도변환기(37)로 모터(36)를 서서히 증가시켜 회전속도를 3000 ∼ 7000 rpm 까지 변화시키며 조정한다.Before injecting two liquid phases having different densities, the motor 36 is gradually increased with the speed converter 37 in FIG. 3 to change the rotational speed to 3000 to 7000 rpm.
여기서 속도 변환기(37)는 제작 주문한 것으로 0 ∼ 2000rpm까지 속도를 조정할 수 있다.The speed converter 37 is manufactured and ordered, and can adjust a speed to 0-2000 rpm.
본 장치의 제작에 있어서는 아크릴의 재질 특성상 회전수의 범위를 제한하였다.In manufacture of this apparatus, the range of rotation speed was restrict | limited by the material characteristic of acryl.
도 1에서 보면 도면에 나타나 있지 않은 경액(light liquid) 저장탱크와 중액(heavy liquid) 저장탱크의 두 용액이 외부에서 혼합되어 흡입임펠라(impeller, 22)의 흡입력에 의하여 흡입되게 된다.Referring to FIG. 1, two solutions, a light liquid storage tank and a heavy liquid storage tank, which are not shown in the drawing, are mixed from the outside to be sucked by the suction force of the suction impeller 22.
이렇게 흡입된 두 액상은 덮개(housing, 17)의 유체이송 스크류(screw, 21)와 회전체(rotor, 18)의 유체이송 스크류(screw, 20)에 의하여 덮개(housing, 17)와 회전체(rotor, 18)사이로 넘쳐흐르지 않고, 아랫부분으로 이송하게 된다.The two liquids thus sucked are covered by the housing 17 and the rotor by the fluid transfer screw 21 of the housing 17 and the fluid transfer screw 20 of the rotor 18. It does not overflow between the rotor and 18, but transfers to the lower part.
* 덮개(housing)와 회전체(rotor)간격의 상수값 계산(무차원 실험값) - C(dimensionless)* Calculate constant value of housing and rotor spacing (dimensional experimental value)-C (dimensionless)
rHi: 덮개(housing)내경(반지름)mm, rRo: 회전체외경(반지름)mmr Hi : Housing inner diameter (radius) mm, r Ro : Rotor outer diameter (radius) mm
C의 값은 덮개(housing)나 회전체길이의 변수에 대한 기준값이 된다.The value of C serves as a reference for the variable of housing or rotor length.
아래 부분으로 흡입된 경액(light liquid)과 중액(heavy liquid)은 회전체(rotor, 18) 입구(23)쪽으로 회전체(rotor, 18) 하단에 고정되어 있는 흡입임펠라(impeller, 22)에 의해 회전체(rotor, 18) 내로 흡입된다.The light liquid and heavy liquid sucked into the lower part are driven by the suction impeller 22 fixed to the lower part of the rotor 18 toward the inlet 23 of the rotor 18. It is sucked into the rotor 18.
회전체(rotor, 18)에 장착되어 있는 흡입 임펠라(impeller, 22)에 의해 흡입된 두 액상은 회전체(rotor, 18) 내부에서 흡입 임펠라(22)의 힘과 원심력 작용으로 상승하게 된다.The two liquid phases sucked by the suction impeller 22 mounted on the rotor 18 are elevated by the force and centrifugal force of the suction impeller 22 inside the rotor 18.
상승된 두 액상은 분리영역(separation zone, 19)을 지나 분리되는 시점인 분리둑(separation weir, 10) 하단에서 분리되기 시작하며 이점이 분리 둑(separation weir, 10)의 위치 결정점이 된다.The elevated two liquid phases begin to separate at the bottom of the separation weir 10, which is the point of separation past the separation zone 19, and this is the positioning point of the separation weir 10.
그리고 분리되는 위치결정은 투명한 아크릴 내부의 관찰과 반복 시행착오에 의해 결정되었다.Separate positioning was determined by observation and repeated trial and error inside the transparent acrylic.
* 회전체 길이 상수값 계산(무차원 실험값) - RL(dimensionless)* Rotator length constant calculation (dimension experimental value)-dimensionless (RL)
L : 분리영역의 길이(mm)-----회전체입구에서 둑(weir)시작점까지의 거리,L: length of separation area (mm) ----- distance from turning entrance to weir starting point,
rRo: 회전체외경(반지름 mm)r Ro : Rotating outer diameter (radius mm)
RL : 회전체길이 상수값은 분리영역 길이와 회전체 외경의 변수에 대한 기준값이 된다RL: Rotor length constant value is the reference value for the variable of separation zone length and rotor outer diameter.
분리 둑(separation weir, 10)에서 두 액상은 분리되기 시작하는데 원심력에 의한 밀도차이에 의하여 중액(heavy liquid)은 회전체(rotor, 18) 내벽과 분리 둑(separation weir, 10)사이로 집중되며 흐르고, 경액(light liquid)은 분리 둑(separation weir, 10) 안쪽으로 유입되며 흐른다.In the separation weir (10), two liquid phases begin to separate, and due to the difference in density due to centrifugal force, the heavy liquid concentrates and flows between the inner wall of the rotor (18) and the separation weir (10). Light liquid flows into and out of the separation weir 10.
분리된 중액(heavy liquid)과 경액(light liquid)은 계속 상승하여 하단이 경사진 상부덮개(housing, 9)에 부딪쳐 원심력 작용과 함께 각각 경액 수집기(light liquid collector, 13)와 중액 수집기(heavy liquid collector, 11)로 모이게 된다.Separated heavy liquid and light liquid continue to rise, hitting the lower slanted housing (9), and with centrifugal force, respectively, the light liquid collector (13) and the heavy liquid collector (heavy liquid). collector, 11).
각각의 경액 수집기(light liquid collector, 13)와 중액 수집기(heavy liquid collector, 11)로 모이게 된 서로 다른 밀도를 가진 두 액상은 제각기 중액출구(12)와 경액출구(14)로 넘쳐흘러 배출된다.The two liquids having different densities gathered into respective light liquid collectors 13 and heavy liquid collectors 11 are discharged by overflowing the heavy liquid outlets 12 and the hard liquid outlets 14, respectively.
여기서 배출되어 나온 두 액상은 색깔이 구분되기 때문에 육안으로도 관찰이 가능하다.The two liquids discharged here are color-coded and can be observed with the naked eye.
그리고 도 3에서 장치 내부에 남아있는 두 액상은 장치 하단에 설치되어 있는 배출구(25)를 통하여 배출시키고, 아울러 도 3에서 보는 바와 같이 본 장치에 남아 있는 잔여 유독 가스도 공기주입구(39)와 공기배출구(35)를 통하여 퍼지(purge)시킨다.In addition, the two liquid phases remaining inside the apparatus in FIG. 3 are discharged through the outlet 25 installed at the bottom of the apparatus, and as shown in FIG. Purge through outlet 35.
도 4a, 4b는 장치의 덮개(housing)로 평면도와 정면도를 보여 주고 있고, 도 5a, 5b는 장치의 회전체(rotor)로 평면도와 정면도를 보여 주고 있는데, 최외각을 기준으로 덮개(17)의 내경에 덮개유체이송스크류(21)가 가공되어 있고, 그 안쪽으로 덮개유체이송스크류(21)의 내경보다 작은 회전체유체이송스크류(20) 및 이 회전체유체이송스크류(20)가 가공된 회전체(18)가 도시되어 있다.Figures 4a and 4b show a plan view and a front view as a housing of the device, Figures 5a and 5b show a plan view and a front view with a rotor of the device, the cover 17 on the outermost basis The cover fluid transfer screw 21 is machined in the inner diameter of the inside, and the rotor fluid transfer screw 20 and the rotor fluid transfer screw 20 smaller than the inner diameter of the cover fluid transfer screw 21 are machined therein. Rotating body 18 is shown.
도 6a, 6b, 6c는 회전체(rotor)하부에 장착되어 있는 흡입임펠라(impeller)의 평면도, 정면도, 측면도를 보여 주고 있다.6A, 6B and 6C show a plan view, a front view and a side view of a suction impeller mounted on the lower part of the rotor.
도 7a, 7b는 혼합 흡입된 두 액상을 분리하는 분리둑(separation weir)으로 평면도와 정면도를 보여 주고 있다.7A and 7B show a plan view and a front view of a separation weir separating two liquid phases mixed and sucked.
도 8은 분리둑(separation weir)의 상세도면으로 여기서 RH=둑의 바깥반경, RL=둑의 안쪽반경, RI= 경액과 중액의 접촉반경, R = 회전체 내경을 나타낸다.8 is a detailed view of the separation weir where R H = outer radius of the weir, R L = inner radius of the weir, R I = contact radius of the hard and heavy fluid, and R = inner diameter of the rotor.
도 9는 스크류(screw)의 날개각이 15도 이상일 때 중액(heavy liquid)의 유상액(emulsion)이 발생하는 것을 시간에 따라 전류전도도를 나타낸 것이다.FIG. 9 shows current conductivity with time that an emulsion of a heavy liquid occurs when a blade angle of a screw is 15 degrees or more.
도 10은 흡입임펠라(impeller) 없이 회전체(rotor)의 분당 회전수에 따른 두 혼합액상이 회전체(rotor)와 덮개(housing) 사이에서 흘러넘치(overflow)는 유량의 정도를 각각의 배출구에서 메스실린더로 측정한 총 합이다.FIG. 10 shows the degree of flow rate at which two mixed liquid phases overflow between the rotor and the housing with respect to the revolutions per minute of the rotor without a suction impeller at each outlet. The total measured with the measuring cylinder.
도 11은 시간에 따른 본 장치의 평균체류시간(residence time) 분포를 나타낸 것으로 염화 나트륨(NaCl)의 전도도로 체류시간(residence time) 평균분포도를 나타내고 있다.FIG. 11 shows the distribution of average residence time of the device with time, and shows the average distribution of residence time with sodium chloride (NaCl) conductivity.
이하 본 발명의 바람직한 실시예이다.Hereinafter is a preferred embodiment of the present invention.
＜실시예 1＞<Example 1>
＜유체이송 스크류(screw)＞<Fluid transfer screw>
ㄱ)바깥 덮개(housing) 내벽과 회전체(rotor) 외벽의 사각 스크류(screw)A) square screws on the outer wall of the housing and the outer wall of the rotor;
표 1. 덮개(housing)와 회전체(rotor)의 혼합·이송나선형 깃의 치수표Table 1. Dimensional table of mixing and feeding spiral feathers of housing and rotor
유체이송 스크류(screw)의 경사각을 15도 이상으로 할 때는 두 혼합 액상이 덮게(housing)의 바닥에 충돌하는 힘이 강하여 유상액(emulsion) 현상이 발생된다.(도9 참조)When the inclination angle of the fluid transfer screw is 15 degrees or more, an impulse phenomenon occurs due to the strong force impinging on the bottom of the housing of the two mixed liquid phases (see FIG. 9).
ㄴ)유체이송 스크류(screw)의 성능실험을 위해 흡입 임펠라(impeller)를 사용하지 않고 펌프를 사용하여 유체 이송 스크류(screw)의 회전체(rotor)의 분당 회전수에 따른 덮개(housing)와 회전체(rotor) 사이에서 두 혼합액상 유량의 흘러넘침(overflow) 정도를 알아보았다.B) housing and rotating according to the revolutions per minute of the rotor of the fluid conveying screw using a pump without the use of a suction impeller for the performance testing of the fluid conveying screw The degree of overflow of the two mixed liquid phase flows between the rotors was investigated.
도 12는 덮개(17) 내벽의 사각스크류(screw) 깃에 가해지는 힘을 도시하고 있는데, 여기서 S : 덮개 내벽의 사각스크류(screw) 깃, F1 : 회전체의 원심력, F2 : 유체의 사각스크류(screw)에 의한 아래방향 힘, F3 : 유체의 원심력에 의한 상승하는 힘이다.FIG. 12 shows the force applied to the square screw blade of the inner wall of the cover 17, where S: square screw blade of the inner wall of the cover, F1: centrifugal force of the rotating body, and F2: square screw of the fluid. Downward force by screw, F3: Rising force by centrifugal force of fluid.
F1은 다음의 식으로 구할 수 있다.F1 can be obtained by the following equation.
W : 혼합액 중량, V=π.D.N/60 : 회전체 속도, g : 중력 가속도,W: mixed liquid weight, V = π.D.N / 60: rotor speed, g: gravity acceleration,
R : 회전체 바깥반경이다.R is the outer radius of the rotor.
F1 = F2 + F3, F2 ＜ F3 (유체가 상승하여 넘쳐흐르는 조건)F1 = F2 + F3, F2 <F3 (the condition that the fluid rises and overflows)
표 2. 회전체(rotor)의 분당 회전수에 따른 두 혼합액상 유량의 흘러 넘침Table 2. Flow of Two Mixed Liquid Flows According to Rotational Speed of Rotor
(도10 참조)(See Figure 10)
이상의 결과에서 유체의 이송스크류(screw)는 흡입임펠라(impeller, 22)를 사용하지 않은 상태에서 원심력작용으로 3000rpm에서는 270ml/min이상 그리고 7000rpm에서는 50ml/mon이상에서 혼합액상이 흘러 넘치는 것을 알 수 있었다.From the above results, the conveying screw of the fluid was centrifugal action without using the suction impeller (22), and it was found that the mixed liquid flowed over 270 ml / min at 3000 rpm and 50 ml / mon at 7000 rpm. .
＜실시예 2＞<Example 2>
도 13은 흡입 임펠라(impeller, 22)의 회전 날개각에 가해지는 힘을 도시하고 있는데, 여기서, F : 혼합액상의 날개면에 부딛치는 힘, R : 날개면에 수직으로 작용하는 힘, N,S : 힘의 분력, R : 날개면에 수직으로 작용하는 힘이다.FIG. 13 shows the force applied to the rotor blade angle of the suction impeller 22, where F is the force against the wing surface of the mixed liquid, R is the force acting perpendicular to the wing surface, N, S : Force component, R: Force perpendicular to the wing surface.
이때 F는 다음 식으로 구해진다.F is obtained by the following equation.
R = Fsinθ, V = πDN/60R = Fsinθ, V = πDN / 60
ρ : 밀도, Q : 유량,ρ: density, Q: flow rate,
V : 속도, R : 날개직경/2, N : 회전 수,V: speed, R: wing diameter / 2, N: number of revolutions,
W : 혼합액 중량, V=π.D.N/60 : 회전체속도, g : 중력가속도W: Mixed liquid weight, V = π.D.N / 60: Rotational body speed, g: Gravity acceleration
R : 회전체바깥반경R: Outer radius of rotating body
표 3. 흡입 임펠라(impeller)의 날개각과 회전 수에 따른 흡입 상태Table 3. Suction conditions according to vane angle and number of revolutions of the suction impeller
날개각이 30도 일때 넓은 범위의 회전수인 3000 ∼ 7000rpm에서 흡입력이 좋고 분리가 잘됨When the blade angle is 30 degrees, the suction power is good and separation is good at a wide range of rotational speeds from 3000 to 7000 rpm.
＜실시예 3＞<Example 3>
ㄱ) 분리둑(separation weir, 10)의 두께 결정A) determination of the thickness of the separation weir (10);
도 7, 8의 분리둑(separation weir)에 도시된 RH= 둑의 바깥반경, RL= 둑의 안쪽반경, RI= 경액과 중액의 접촉반경, R = 회전체 내경이다.7 and 8, R H = outer radius of weir, R L = inner radius of weir, R I = contact radius of hard and heavy fluid, and R = inner diameter of rotor.
그리고 경액과 중액간의 접촉반경(RI)은 다음식으로 결정한다.And the contact radius (R I ) between hard fluid and heavy fluid is determined by the following equation.
상기에서 ρL= 캐로신 밀도, ρH= 물의 밀도이다.Where ρ L = carrosine density and ρ H = density of water.
분리둑(separation weir, 10) 두께 실험 값은 흡입 임펠라(impeller, 22)를 제작하기 이전에 정량펌프 두대로 각각의 두 액상을 분당 10ml씩 공급하여 실험하였다.Separation weir (10) thickness test values were tested by supplying each two liquid phases 10ml per minute with two metering pumps before fabricating the suction impeller (22).
분리둑(separation weir, 10)의 최초 외경값을 29.6mm그리고 회전수를 6000rpm으로 고정시키고 내경을 22.5mm (재질이 스테인레스 그리고 회전수가 15000rpm 일 경우 이론 값)에서 0.25mm씩 확장하여 두액상이 분리되는 최적 값을 정하였다.(표 5. 참조)Separation of the two liquid phases is achieved by fixing the initial outer diameter of the separation weir (10) to 29.6 mm and the rotating speed to 6000 rpm, and extending the inner diameter by 0.25 mm from 22.5 mm (the material is stainless and the theoretical value at 15000 rpm). The optimal value is determined (see Table 5.).
표 4. 분리둑(separation weir)의 내경 크기에 따른 최적 분리 실험값Table 4. Optimum Separation Values According to Inner Diameter of Separation Weir
상기 표에서 24.75에서 27.5mm의 분리둑(separation weir) 내경은 분리가 잘되지만 상대적으로 얇은 두께 때문에 상비의 범위가 24.5mm보다 적다.In the table, the separation weir inner diameter of 24.75 to 27.5 mm is well separated but the range of the standing ratio is less than 24.5 mm because of the relatively thin thickness.
결과적으로 최적의 분리둑(separation weir, 10)의 내경은 24.5mm 고정하였다.As a result, the inner diameter of the optimal separation weir was fixed at 24.5 mm.
따라서, 둑의두께(weir thicrness) Thus, weir thicrness
ㄴ)회전수와 유량 변화에 따른 분리둑(separation weir, 10)의 분리능력 실험B) Separation capacity test of separation weir (10) according to rotation speed and flow rate change
회전수 3000 ∼ 7000rpm의 범위에서 회전수의 증가에 따라 밀도가 다른 두 액상의 유량도 함께 증가했다.The flow rate of two liquid phases with different densities also increased with the increase of the rotation speed in the range of rotation speed 3000-7000 rpm.
그러나 경액(light 1iquid)과 중액(heavy liquid)의 분리 정도에는 영향을 미치지 않았다.However, it did not affect the degree of separation between the light liquid and the heavy liquid.
ㄷ)두 액상의 밀도 차이에 따라 분리둑(separation weir)의 분리능력 실험C) Separation ability test of separation weir according to the density difference of two liquid phases
중액(heavy liquid)으로는 물로 고정을 시키고 경액(light liquid)으로는 등유, 사염화탄소(CC14) + 등유, 사염화탄소(CCl4)를 사용하여 밀도의 차이에 의하여 두 액상의 분리상태를 조사하였다.The separation state of the two liquid phases was investigated by using water as a heavy liquid and kerosene, carbon tetrachloride (CC1 4 ) + kerosene and carbon tetrachloride (CCl 4 ) as light liquids.
표 5. 밀도의 변화에 따른 분리둑(separation weir)의 분리능력Table 5. Separation Capability of Separation Weirs with Changes in Density
따라서 경액(light liquid) 과 중액(heavy liquid)의 혼합용액은 밀도차이에 관계없이 잘 분리되었다Therefore, the mixed solution of light liquid and heavy liquid separated well regardless of density difference.
상기와 같은 본 발명은 종래의 장치들인 고준위 방사선 폐액 내의 금속원소을 추출하는 원심 고온접촉기(Centrifugal pyrocontactor)나 실험실용 용매추출 원심접촉기(Centrifugal contactors for laboratory-scale solvent extraction tests)는 실험실 내에서 오염된 서로 다른 밀도를 가진 혼합용액을 신속하고 정확하게 분리하는 유체이송 스크류(screw)와 흡입 임펠라(impeller)를 이용한 연속 순간 액체-액체원심 분리기와 목적 자체를 다르게 하고 있다.As described above, the present invention is a centrifugal pyrocontactor or centrifugal contactors for laboratory-scale solvent extraction tests that extract metal elements in a high-level radiation waste. Its purpose is different from continuous instantaneous liquid-liquid centrifuges using fluid transfer screws and suction impellers to quickly and accurately separate mixed solutions of different densities.
그리고 종래의 장치들은 두 액상을 중간에서 흡입하고, 고정되어 있는 날개판(vane)에 의해서 흡입한다.Conventional devices inhale two liquid phases in the middle and are sucked by a vane that is fixed.
이러한 긴 체류시간(residence time)의 단점을 극복하고자 본 장치에 있어서 혼합된 두 액상을 아래에서 직접 공급하고 덮개(housing)와 회전체(rotor)사이의 유체 상승을 방지하고 유상액이 발생되지 않는 유체 이송스크류(screw)를 착안하였다.In order to overcome this shortcoming of the residence time, in this device, two mixed liquid phases are directly supplied from below, preventing fluid rise between the housing and the rotor, and no oil is generated. The fluid transfer screw was conceived.
아울러 소용돌이와 사각지역(dead zone)을 방지하는 흡임 임펠라(impeller)를 이용하여 신속하게 두 액상을 흡입함으로서 평균체류시간(residence time)을 단축하였다.In addition, by using a suction impeller that prevents swirl and dead zones, the two liquid phases are sucked quickly to reduce the residence time.
본 발명을 종래기술과 각각 비교하여 그 효과를 설명하면 다음과 같다.When comparing the present invention with the prior art, the effect thereof is as follows.
A) 종래의 장치와 본 장치와의 체류시간(residence time)을 각각에 비교하면 다음과 같다.A) The residence time of the conventional apparatus and the apparatus is compared as follows.
1) 흡입 임펠라(lmpeller) 유·무에 따른 체류시간(residence time) 비교시;1) comparing residence time with and without suction impeller;
흡입 임펠라(impeller, 22)가 없을 때는 흡입이 되지 않으나, 회전체(rotor, 18)의 회전수를 5000rpm이상으로 하고 펌프(ISMATEC, Model: REGLO DIG MS-4/8)의 사용 시의 이론 체류시간(residence time)If there is no suction impeller (22), suction is not possible, but the rotation speed of rotor 18 should be 5000rpm or more and the theoretical retention when using pump (ISMATEC, Model: REGLO DIG MS-4 / 8) Residence time
(T=이론체류시간, V=평균순간체적, Q=유량)(T = theoretical residence time, V = average instantaneous volume, Q = flow rate)
흡입 임펠라(impeller)가 있을 때의 평균체류시간(residence time)Average residence time when there is a suction impeller
2)종래의 유사장치와 본장치의 체류시간(residence time) 비교2) Comparison of residence time between conventional similar devices and this device
종래 유사장치의 이론체류시간(residence time)을 보면 본 장치보다 체적이 14ml 작아 체류시간이 짧을 것 같지만 그러나 본 장치의 경우 평균체류시간(residence time)은 10 ∼ 30초이다.The theoretical residence time of the conventional similar device is 14ml smaller than the present device, so the residence time may be shorter, but the average residence time of this device is 10-30 seconds.
도 11에 따라 본 발명 장치의 평균체류시간(residence time) 계산하면, 본 장치는 염화나트륨(NaCl) 1몰 60cc를 주사기로 유입구에 매우 조용히 순간적으로 주입하여 평균체류시간(residence time)의 유동상태를 알아보기 위한 계산이다.When calculating the average residence time (residence time) of the device according to Figure 11, the device is instantaneously injected very quietly into the inlet with a syringe of 60 mol of sodium chloride (NaCl) to the flow of the average residence time (residence time) Calculation to find out.
단. 염화나트륨의 농도는 50V의 전압을 걸어 전류(Current) 상태로 표기하였다.only. The concentration of sodium chloride was expressed in a current state by applying a voltage of 50V.
표 6. 평균체류시간(residence time)계산을 위한 실험농도 값 (전류전도도)Table 6. Experimental Concentration Values for Calculating the Residence Time (Current Conductivity)
∑(mA)i= 650, ∑ti·(mA)i= 2720∑ (mA) i = 650, ∑t i (mA) i = 2720
평균체류시간(residence time)-Average residence time
분리 둑(separation weir, 10)에 있어서는 종래의 두 장치들은 상비의 범위가 0.67 ∼ 1.25이다.In the separation weir 10, the two conventional devices range from 0.67 to 1.25.
그러나 본 장치는 더 넓은 상비를 위해서 분리둑(separation weir, 10)과 종래의 분리둑(separation weir, 10)의 구조는 서로 다른 특징을 가지고 있다.However, the present invention has different features of the separation weir 10 and the conventional separation weir 10 for wider standing.
종래의 장치들의 분리둑(separation weir)은 상부 분리둑(separation weir), 하부 분리둑(separation weir)으로 나누어지고 상부 분리둑(separation weir)의 구조는 중액 수집기로 나가는 출구가 축 안쪽으로 되어 있기 때문에 원심력에 의하여 분리되어 나온 중액(heavy liquid)의 흐름을 방해한다.The separation weir of the conventional apparatus is divided into upper separation weir and lower separation weir, and the structure of the upper separation weir has an outlet inside the shaft that exits to the heavy liquid collector. This disrupts the flow of heavy liquid separated by centrifugal force.
그리고 하부 분리둑(separation weir)의 두께가 너무 두꺼워 고속회전시 경액(light liquid)이 원심력 때문에 중액(heavy liquid)의 출구로 나가게 된다.In addition, the thickness of the lower separation weir is so thick that at high speed the light liquid exits to the outlet of the heavy liquid due to the centrifugal force.
이러한 구조적 특성은 상비의 범위를 제한하고 있다는 단점이 있다.This structural feature has the disadvantage of limiting the scope of standing.
따라서 이러한 구조적 문제점을 극복하기 위해서 본 장치의 분리 둑(separation weir)의 구조를 개선하였다.Therefore, in order to overcome this structural problem, the structure of the separation weir of the apparatus is improved.
먼저 분리둑(separation weir, 10)의 분리 시점을 투명한 아크릴을 통해서 육안으로 관찰하여 정하였다.First, the separation time of separation weir (10) was determined by visual observation through transparent acrylic.
그리고 상부 분리둑(separation weir)과 하부 분리둑(separation weir)을 하나로 통합하고 분리둑(separation weir)의 두께를 실험에 의하여 가장 적정값으로 결정되었다.The upper separation weir and the lower separation weir were combined into one, and the thickness of the separation weir was determined to be the most appropriate value by experiment.
이를 통하여 경액(light liquid)과 중액(heavy liquid)의 흐름이 원활하게 함으로써 상비의 범위를 확장하였다.This facilitates the flow of light liquids and heavy liquids, thereby extending the range of standing.
B)실험실용 용매추출 원심접촉기와 본 장치의 상비 비교B) Comparative standing ratio between laboratory solvent extraction centrifugal contactor and the device
종래 실험실용 용매추출 원심 접촉기의 상비 범위(유기상/수용상)는 참고문헌을 보면 0.67 ∼ 1.25이다.The standing ratio range (organic phase / aqueous phase) of the conventional laboratory solvent extraction centrifugal contactor is 0.67-1.25 by reference.
본 장치에 있어서의 상비 범위는 경액(light liquid)과 중액(heavy liquid)의 흡입구에서 두대의 펌프와 유량계(flow meter)를 설치하고 유량을 조절하여 공급유량을 30ml로 하였다.The normal range of this apparatus was to provide two pumps and a flow meter at the inlets of light liquids and heavy liquids, and the flow rate was adjusted to 30 ml.
표 7. 본 장치에 있어서 상비의 범위Table 7. Range of Standing in this Apparatus
따라서 종래의 실험실용 용매추출 원심 접촉기의 상비 0.69 ~ 1.25보다 더 넓은 범위의 상비(0.42 ~ 1.5)의 성능을 보여 주었다.Therefore, it showed the performance of a wide range of standing ratio (0.42 ~ 1.5) than the normal ratio of 0.69 ~ 1.25 of the conventional laboratory solvent extraction centrifugal contactor.
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