KR100811665B1

KR100811665B1 - 액상 물질과 기상 물질 사이의 동위원소 교환을 행하기위한 컬럼

Info

Publication number: KR100811665B1
Application number: KR1020010072205A
Authority: KR
Inventors: 엥겔레르크리스티안; 룩스툴한스; 즈마젝리하르트
Original assignee: 술저 켐테크 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2000-11-24
Filing date: 2001-11-20
Publication date: 2008-03-11
Also published as: KR20020040571A; EP1213047B1; DE50109211D1; US20020079259A1; US7052656B2; EP1213047A1

Abstract

본 발명의 컬럼은 촉매반응(EK)을 이용하여 액상 물질(L)과 기상 물질(G) 사이의 동위원소 교환(EM)을 행하기 위해 제공된다. 이 반응에서, 기화된 액상 물질(V)과 기상 물질(G)의 분자 사이의 동위원소 교환은 불균일 촉매반응(heterogeneous catalysis)을 통해 일어난다. 컬럼은 수직방향으로 포개어져 배열되고 각각의 경우에 접속 영역(C)에 의해 직렬로 접속되는 두 개의 영역(K, A)으로 다시 분할되는 복수의 모듈(M)을 포함한다. 촉매반응은 제1 패킹(2) 상의 영역(K)에서 행해질 수 있다. 물질 농도를 보상하기 위한 제2 패킹(3)을 이용하여 영역(A)에서 액상 및 증기를 함유하는 기상간의 물질 교환(E1, E2)이 행해질 수 있다. 컬럼의 조작이 진행되는 동안, 압력 기울기의 결과로서 모듈을 통해 증기를 함유하는 기상 물질(G, V)의 이동이 이루어진다. 여기서 물질 이동의 방향은 접속 영역에서 적어도 한번, 하향하는 방향으로부터 상향하는 방향으로 변경되며, 액상 물질(L)은 오직 중력 작용에 의해서 모듈을 통해 하향하는 방향으로 진행한다.

동위원소, 물질 교환, 중수, 중수소, 삼중수소, 컬럼, 패킹, 촉매

Description

액상 물질과 기상 물질 사이의 동위원소 교환을 행하기 위한 컬럼 {COLUMN FOR CARRYING OUT AN ISOTOPE EXCHANGE BETWEEN A LIQUID SUBSTANCE AND A GASEOUS SUBSTANCE}

도 1은 약어 표기의 표 및 동위원소 교환에 관한 관계식이고,

도 2는 본 발명에 따른 컬럼의 길이방향 단면도이고,

도 3은 컬럼의 모듈에 대한 물질 농도의 변화를 정성적으로 예시한 도표이고,

도 4는 핵반응기 및 중수(重水)로부터의 삼중수소의 농도 저하를 위한 장치를 구비한 설비의 개요도이고,

도 5는 동위원소 교환의 다른 예에 관한 관계식이고,

도 6은 중심선 대칭형 구조를 가진 본 발명에 따른 컬럼에 관한 모듈이고,

도 7 및 도 8은 모듈의 두 가지 변형도이다.

본 발명은 촉매 반응을 이용하여 액상 물질과 기상 물질 사이의 동위원소 교환을 행하기 위한 컬럼에 관한 것이다.

수소 동위원소의 교환, 즉 액체인 물 H₂O과 수소 가스 H₂ 사이에서 수소 H["프로튬(protium)"]가 부분적으로 중수소(deuterium) D 또는 삼중수소(tritium) H로 치환되는 것을 이용하는 방법이 US-A-4,143,123을 통해 공지되어 있다. 이 방법에서는 수소 분자에 결합되어 있는 동위원소가 촉매반응에 의해 물 분자의 수소 동위원소로 치환되는 가역반응이 중심 역할을 한다. 이 반응은 촉매 활성을 가진 물질이 건조할 경우에만, 즉 액체인 물에 젖지 않은 상태로 있는 경우에만 충분한 효율을 가진다. 따라서 촉매 활성을 가진 물질은 한편으로는 소수성이어서 물에 반발하지만 다른 한편으로는 수증기 또는 습한 가스로 형성되는 분위기로부터 유리 상태의 물 분자를 투과시킬 수 있는 반투과성 막으로 코팅되어 있는 촉매 활성 물질이 개발되었다.

본 발명의 목적은 예를 들면 액체인 물과 수소 가스 사이에 수소 동위원소의 교환이 이루어질 수 있고 액체에 의한 촉매의 오염 또는 습윤(wetting)이 일어나지 않도록 하는 수단을 구현할 수 있는 컬럼을 제공하는 것이다. 또한 본 발명의 컬럼에는 무효공간이 없게 되어 있다. 이 목적은 청구항 1에 기재된 컬럼에 의해 충족된다.

본 발명의 컬럼은 촉매반응을 이용하여 액상 물질과 기상 물질 사이의 동위원소 교환을 행하기 위해 제공된다. 이 반응에서, 기화시킨 액상 물질과 기상 물 질의 분자간 동위원소 교환은 불균일 촉매반응(heterogeneous catalysis)을 통해 일어난다. 컬럼은, 수직방향으로 포개어져 배열되고 각각의 경우에 접속 영역에 의해 직렬로 접속되는 두 개의 영역(K, A)으로 다시 분할되는 복수의 모듈을 포함한다. 촉매반응은 제1 패킹 상의 영역(K)에서 행해질 수 있다. 액상 및 증기를 함유하는 기상간의 물질 교환은 물질 농도를 보상하기 위한 제2 패킹을 이용하여 영역(A)에서 행해질 수 있다. 컬럼이 조작되는 동안, 압력 기울기(pressure gradient)의 결과로서 모듈을 통해 증기를 함유하는 기상 물질의 이동(transport)이 이루어진다. 여기서 물질 이동의 방향은 접속 영역에서 적어도 한번, 하향하는 방향으로부터 상향하는 방향으로 변경되며, 액상 물질은 오직 중력 작용에 의해서 모듈을 통해 하향하는 방향으로 진행한다.

청구의 범위 제2항 내지 제8항의 종속 청구항은 본 발명에 따른 컬럼의 바람직한 실시예에 관한 것이다. 본 발명에 따른 컬럼의 두 가지 가능한 용도가 각각 제9항 및 제10항의 주제이다.

이하에서 도면을 참고하여 본 발명을 설명한다.

본 발명에 따른 컬럼이 제공되어 행해지는 동위원소 교환은 액체(L)와 기체(G) 사이에 일어나며, 여기서 액체(L)는 동위원소 교환의 촉매방식 부분 단계를 위한 증기(V)로서 존재할 필요가 있다. 액체(L)는 예를 들면 그 분자 성분 중 일정 부분이 동위원소에 관하여 상이한 조성을 갖는 중수 D₂O이고; D₂O(=L₂₂, 도 1에 기재된 관계식, 1열 및 1a열에 따름)에서 중수소 D는 삼중수소 T로 치환됨으로써 DTO(=L₂₃)가 제2 성분을 형성한다. 도 1의 표로 나타낸 바와 같이, L이 둘 이상의 성분 L_ij(인덱스 i, j = 1, 2 또는 3임)의 상이한 혼합물로 이루어진 다른 예도 있을 수 있다. 액체(L)의 증기(V)는 성분 V_ij(i, j = 1, 2, 3)의 대응하는 조성을 가지며, 그 의미는 도 1의 1열 및 1b열에서 찾을 수 있다. 마찬가지로 기체(G)는 성분 G_ij(i, j = 1, 2, 3)으로 이루어지고, 그 의미는 2열 및 2a열에 제시되어 있다. 세 가지 동위원소, H, D 및 T의 조성은 인덱스 i 및 j에 의거하여 판독될 수 있으며, 이 때 인덱스 1은 H에 대응하고, 인덱스 2는 D에 대응하며 인덱스 3은 T에 대응함을 알아야 한다.

도 1에서 동위원소 교환을 기호로 예시한 관계식이 예로서 부가적으로 제시되어 있다. 관계식 EM은 하나의 반응 방향에서는 L₂₃과 G₂₂ 사이, 또는 역방향 반응에서는 L₂₂와 G₂₃ 사이의 가역적 동위원소 교환에 관한 것이며, 따라서 EM은 중수와 중수소 사이의 T 및 D의 교환을 설명하는 것이다. 본 발명에 따른 컬럼(1)의 모듈(M)(도 2 참조)에 관한 상기 교환 EM은 물리-화학적 부분 단계, 즉 모듈(M)의 두 개의 분리된 영역(A) 및 영역(K)에서 일어나며 관계식 E1, EK 및 E2로 나타낼 수 있는 교환 공정을 거쳐 일어난다. E1 및 E2는 물 분자의 가역 응집 상태(reversible aggregate state)의 변화, 즉 성분 L₂₃ 및 L₂₂ 각각의 증발, 그리고 성분 V₂₂ 및 V₂₃ 각각의 응축을 나타낸다. 이들 교환 공정에서, 액상과 증기 함유 기상 사이의 물질 교환이 이루어지며, 이것은 산소 농도의 보상으로 이어진다. 관 계식 EK는 모듈(M)의 영역(K)에서 일어나는 촉매반응을 나타내며, 여기서 기체 G 및 증기 V의 분자들은 촉매 활성 물질 표면에 흡착되고, 다시 그로부터 탈착되고, 동위원소 교환은 흡착된 상태에서 일정 확률로 일어난다.

도 2에 부분도로 예시된 컬럼(1)은 수직방향으로 포개어져 배열된 복수의 모듈(M)을 포함한다. 이것들은 각 경우에 통로(4) 또는 접속 영역(C)에 의해 직렬로 접속되는 두 영역(K, A)으로 다시 분할된다. 영역(K)에서는 증기 V를 함유한 기체 G가 유통되는 패킹(2) 상에서 촉매반응 EK가 일어난다. 영역(A)에서는 액체 L과 G 및 V로 이루어지는 기체 흐름 사이의 상태 변화 E1 및 E2에 의거한 물질 교환이 패킹(3)에 의해 일어난다. 패킹(3)을 통과한 후 액체 L은 계속해서 포집기(collector)(5)를 거쳐 인접 모듈의 분배기(distributor)(51)로 이송된다. 액체 포집기(5)는 사이폰형 배출구(drain)(50)를 구비하며, 배출구에 의해 기체가 위쪽으로 관통하는 것이 방지될 수 있다.

G 및 V로 이루어지는 기체 흐름의 이동은 압력 기울기에 의해 일어난다. 기체 흐름은 영역(K)에서 위쪽으로 통과하고, 접속 영역(C)에서 아래쪽으로 통과하며, 영역(A)에서 다시 위쪽으로 통과한다. 액체 L은 오직 중력에 의해 컬럼(1)의 모듈(M)을 통해 아래쪽으로 이송된다.

촉매 활성 물질이 표면 상에 도포된 다공성 입자를 충전한 것을 패킹(2)으로 사용할 수 있다. 여러 가지 촉매의 예가 앞에서 언급한 US-A-4,143,123에 제시되어 있다. 영역(A)에서의 물질 교환을 위해 정돈된 패킹(ordered packing)(3)을 이용할 수 있다. 정돈된 패킹은 특히 주름잡힌 재료 표면으로부터 생성됨으로써 개 방 상태로 가로지르는 채널과 함께 교차 채널 구조(cross channel structure)를 형성하는 경사 채널(inclined channel)을 포함하는 수직층으로 되어 있다. 패킹(2)은 또한 워시 코트(wash coat)가 촉매 물질의 캐리어로서 사용되는 교차 채널 구조를 가진 정돈된 패킹으로서 형성될 수 있다. 패킹(3)은 이에 대응하여 패킹체(packing body)를 충전하여 형성될 수 있다. 용이하게 습윤되는(wettable) 산화동 피막이 동 표면에 생성될 수 있기 때문에 패킹(3)은 동을 사용하여 제조하는 것이 유리하다.

도 2에 개략적으로 예시한 컬럼(1)의 구조는 다음과 같은 이점을 갖는다. 즉, 모든 공간 영역을 유체가 유통하기 때문에 이롭지 못한 무효공간(dead space)이 없다. 두 영역(A, K)은 액적(液滴)이 영역(A)로부터 영역(K)로 통과할 수 없는 방식으로 서로 간막이 되어 있다. 이와 같은 액적은 한편으로 영역(K)에서의 촉매반응의 효율을 저하시키고, 다른 한편으로는 액적에 의해 동의 물질 이동이 이루어질 것이고, 이는 촉매를 오염시킴으로써 촉매의 반응성을 저하시킨다.

도 3은 컬럼(1)의 모듈(M) 내에서 교환 공정 E1, EK 및 E2(도 1 참조)의 결과로서 성분 G_ij, V_ij 및 L_ij의 농도가 변하는 것을 도표와 함께 나타낸다. 그 변화는 정성적으로만 도시되어 있다. 교환 공정 E1, EK 및 E2의 결과인 농도의 결합이 점선으로 연결한 선을 이용하여 인식할 수 있게 되어 있다. 영역(A, C, K)을 통과하는 성분 G_ij, V_ij 및 L_ij의 이동 방향을 볼 수 있도록 하기 위해 곡선 부분은 화살표로 도시되어 있다.

도 4는 감속제(moderator) 및 냉각수로서 중수(=L, 성분 L₂₂를 가짐)가 사용되는 핵반응기(R)를 구비한 설비(7)를 개략적으로 도시한다. 중성자 포획을 통해 중수에서 D가 T로 변환된다. 본 발명에 따른 컬럼(1)에서 D₂로 이루어진 기체 흐름(=G, 성분 G₂₂를 가짐)에 의해 삼중수소가 중수(=L, 성분 L₂₂ 및 L₂₃을 가짐)로부터 농도 저하된다(de-enriched). 삼중수소가 부하된 기체 흐름(=G, 성분 G₂₂, G₂₃ 및 G₃₃을 가짐)은 저온 컬럼(6)에서 재생되어 삼중수소가 분리되어 나온다(G₂₃ 및 G ₃₃의 형태로).

본 발명에 따른 컬럼은 또한 중수의 추출을 위해 이용될 수 있다. 교환 공정 E1', EK' 및 E2'을 도 5에 종합하였다. 이 방법에서 D를 함유하는 수소 가스는 기상 물질 G를 형성하고 경수(light water) 및 중수의 혼합물은 액상 물질 L을 형성한다. 중수소는 G로부터 L로 배출되고, 동시에 수소(예를 들면 프로튬)는 G에 의해 L로부터 탈취된다.

도 6은 본 발명에 따른 컬럼에 부속하는 모듈(M)로서 보일러 셸 링(shell ring) 또는 파이프 도막(10)으로서 형성되고 중심선 대칭형으로 형성된 모듈을 나타낸다. 물질 교환 E1 및 E2를 위한 패킹(3)은 영역(A)을 형성하는 원통형 쳄버(3') 내에 위치한다. 접속 영역(C)은 영역(A)와 동심을 이루어 배열되는 제1 환형 공간(4)을 포함한다. 패킹(2)이 장입되는 영역(K)은 제2 동심 환형 공간(2')에 의해 형성된다. 액체 L은 원통형 분배기(51)에 의해 패킹(3) 위로 분배된다.

도 7은 영역(K)이 중앙 영역(A)을 바로 둘러싸고 배열되는 환형 공간(2") 내에 위치하는 중심선 대칭형 모듈의 다른 예를 나타낸다. 외측 환형 공간(4')은 인접한 모듈(M)들 사이의 접속 영역을 형성한다. 이 실시예에서는 더 이상 분리된 부분 공간을 형성하지 않는 영역(A) 및 영역(K) 사이의 접속 영역(C)에서 G와 V로 이루어진 기체 흐름의 이동 방향은 단 한 번 바뀐다. 즉, 영역(K)을 통해 하향하여 흘러 내려온 후, 접속 영역(C)을 통과하면서 흐름의 방향은 반전되어 상향하게 된다. 이러한 방향 전환으로 인해 액적이 영역(A)으로부터 영역(K)으로 통과할 위험이 없다.

길이 방향 단면 및 횡단면도로 예시된 도 8에 나타낸 다른 실시예는 평행을 이루어 배열된 복수의 부분 영역(K1, K2, K3)으로 구성되는 영역(K)을 가진다. 이들 부분 영역간의 공간은 접속 영역(C)의 일부를 형성한다. 영역(A)의 패킹(3)은 직사각형 평행관 형상을 갖는 공간 내에 배열된다.

본 발명에 의하면 액체인 물과 수소 가스 사이에 수소 동위원소의 교환이 이루어질 수 있고 액체에 의한 촉매의 오염 또는 습윤이 일어나지 않도록 하는 수단을 구현할 수 있는 컬럼이 제공된다.

Claims

촉매반응(EK)을 이용하여 액상 물질(L)과 기상 물질(G) 사이의 동위원소 교환(EM)을 행하기 위한 컬럼으로서,

상기 동위원소 교환에서는 기화된 액상 물질(V) 분자와 상기 기상 물질(G)의 분자 사이의 동위원소 교환이 불균일 촉매반응(heterogeneous catalysis)을 통해 일어나고,

상기 컬럼은 수직방향으로 포개어져 배열되고 각각의 경우에 접속 영역(C)에 의해 직렬로 접속되는 두 개의 영역(K, A)으로 다시 분할되는 복수의 모듈(M)을 포함하고,

제1 패킹(2) 상의 상기 영역(K)에서 촉매반응이 행해질 수 있으며,

물질 농도를 보상하기 위한 제2 패킹(3)을 이용하여 상기 영역(A)에서 증기를 함유하는 기상 및 액상간의 물질 교환(E1, E2)이 행해질 수 있고,

상기 컬럼의 조작이 진행되는 동안, 압력 기울기의 결과로서 상기 모듈을 통해 증기를 함유하는 상기 기상 물질(G, V)의 이동(transport)이 이루어지고,

상기 물질 이동의 방향은 상기 접속 영역에서 적어도 한번, 하향하는 방향으로부터 상향하는 방향으로 변경되며, 반면에 상기 액상 물질(L)은 오직 중력 작용에 의해서 상기 모듈을 통해 하향하는 방향으로 진행되는

컬럼.
제1항에 있어서,

증기를 함유하는 상기 기상 물질(G, V)의 상기 모듈(M)을 통한 이동은 각각의 경우에, 상기 영역(K)을 통해 상향하여 이루어지고, 상기 접속 영역(C)을 통해 하향하여 이루어지며, 상기 영역(A)을 통해 상향하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 컬럼.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 제1 패킹(2)용으로 촉매 활성 물질이 표면에 피복된 다공성 입자의 충전이 이용되는 것을 특징으로 하는 컬럼.
제1항 또는 제2항에 있어서,

주름진 재료 표면으로 만들어진 경사 채널을 가짐으로써 개방 상태로 가로지르는 채널을 가진 교차 채널 구조(cross channel structure)을 형성하는 수직층으로 이루어진 정돈된(ordered) 패킹(3)이 각각의 경우에 상기 영역(A)에서의 물질 교환에 이용되는 것을 특징으로 하는 컬럼.
제1항 또는 제2항에 있어서,

기체(G, V)가 상향하여 통과하는 것을 방지할 수 있도록 이용되는 사이폰형 배출구(50)를 구비한 액체 포집기(5)가 상기 영역(A) 밑에 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 컬럼.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 제2 패킹(3)이 상기 영역(A)를 형성하는 원통형 쳄버(3') 내에 위치하고, 상기 접속 영역(C)이 상기 영역(A)과 동심인 상태로 배열되어 있는 제1 환형 공간(ring space)(4)을 포함하고, 동심을 이룬 제2 환형 공간(2')에 의해 상기 영역(K)이 형성되는 것을 특징으로 하는 컬럼.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 영역(K)이 평행하게 배열되어 있는 복수의 부분 영역(K1, K2, K3, K4)으로 이루어지고, 상기 부분 영역들 사이의 공간이 상기 접속 영역(C)의 일부를 형성하는 것을 특징으로 하는 컬럼.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 영역(A)의 패킹인 상기 제2 패킹(3)이 동(銅)으로 제조되고, 상기 동의 표면은 산화동 막으로 인해 용이하게 습윤될 수 있는 것을 특징으로 하는 컬럼.
중수(重水)로부터 삼중수소(tritium)의 농도 저하(de-enrichment)를 위해 제1항 또는 제2항에 따른 컬럼(1)을 이용하는 방법으로서,

중수소(deuterium)가 기상 물질(G)로서 사용되고 중수가 액상 물질(L)을 형성하며, 중수소에 의해 이 물질로부터 삼중수소가 탈취(taken up)되며, 삼중수소와 함께 투입되는 중수소가 저온 컬럼(6)에서 재생되며, 삼중수소는 분리되어 나가는 것을 특징으로 하는 방법.
중수를 획득하기 위해 제1항 또는 제2항에 따른 컬럼을 이용하는 방법으로서,

중수소를 함유하는 수소가 상기 기상 물질(G)을 형성하고, 이 물질로부터 액상 물질(L)을 형성하는 중수 쪽으로 중수소가 방출되고, 이와 동시에 경수소[프로튬(protium)]가 탈취되는 것을 특징으로 하는 방법.