KR101710906B1 - 압력 평형을 이용한 액-액 추출탑의 계면 제어장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압력 평형을 이용한 액-액 추출탑의 계면 제어장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 추출탑의 일측에 추출탑과 나란한 수직배관을 설치하고, 상기 추출탑으로부터 수직배관으로의 유체 이동을 통해 상기 추출탑 내부에 작용하는 압력과 상기 수직배관 내부에 작용하는 압력이 인위적으로 평형될 수 있도록 함으로써, 단순한 제어계통 구성을 통해 추출탑의 탑정부에 유입되어 있는 비중이 다른 두 유체 간에 계면유지가 일정하게 유지될 수 있도록 한 액-액 추출탑의 계면 제어장치에 관한 것이다.
이를 위해, 탑체와, 탑체의 상부 및 탑체의 하부에 각각 설치되며 비중이 다른 유체가 각각 유입되고 배출되는 유입관 및 배출관이 설치되는 탑정부 및 탑저부를 포함하는 액-액 추출탑이 마련되고, 상기 탑저부의 배출관에 연결되어 탑저부을 통해 배출된 유체가 상승되는 관로를 형성하며, 상기 관로에서의 유체 상승에 따른 수위 조절을 통해 탑체 내부의 압력과 상기 관로 내부의 압력이 평형을 유지할 수 있도록 하여, 탑정부에 유입되어 있는 비중이 다른 두 유체 간에 계면이 일정하게 유지될 수 있도록 하며, 상기 탑저부의 배출관에 연결되며, 탑체와 나란하게 수직으로 설치된 수직배관;상기 수직배관의 관로를 개폐하는 개폐밸브:를 포함하되, 상기 수직배관에는 수직배관의 높이 방향으로 분기된 복수의 압력제어관이 설치되며, 상기 개폐밸브는 각각의 압력제어관마다 설치된 것을 특징으로 하는 액-액 추출탑의 계면 제어장치를 제공한다.

Description

압력 평형을 이용한 액-액 추출탑의 계면 제어장치{The interface control device for liquid-liquid extraction by pressure equilibrium}

본 발명은 압력 평형을 이용한 액-액 추출탑(liquid-liquid extraction column)의 계면 제어장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 추출탑의 내부 압력과 압력 평형을 유지할 수 있는 수직배관을 통해 추출탑의 탑정부(塔頂部, top head)내에 존재하는 비중이 다른 두 유체 간의 계면을 제어하기 위해 압력 평형을 이용한 액-액 추출탑의 계면 제어장치에 관한 것이다.

용매 추출의 원리는 다음과 같이 일반적으로 알려져 있다.

용질을 함유하는 한 용매가가 용질을 함유하지 않은 (또는 단지 소량만 함유하는) 다른 용매와 접촉하면, 각 용매에서의 용질의 농도가 평형에 도달할 때까지, 한 쪽의 용매로부터 다른 용매로의 용질 이동이 일어난다.

이와 같이, 어떤 용질을 서로 섞이지 않는 두 용매에 대한 용해도 차이에 의해 한 용매에서 다른 용매로 이동시켜 분리하는 단위조작을 액-액 추출이라 한다.

액-액 추출의 통상적인 실행은 2개의 액체를 향류 (counter-current) 로, 즉 서로 반대 방향으로 흐르게 하여 접촉시키는 것으로 구성된다.

수직으로 배치된 추출탑(extraction column)에서의 추출에서는, 상기 2개의 액체에 대하여 경질 상(light phase)과 중질 상(heavy phase)이라고 말한다.

한편, 추출 조작이 완료된 후 원하는 용질과 용매를 분리하기 위해서는 먼저, 용질을 포함하고 있는 용매와 용질을 잃은 용매를 분리해낼 필요가 있는데, 이때 일반적으로 상기한 추출탑을 이용하여 두 용매 간의 비중 차이를 이용하게 된다.

이러한 추출탑은 도 1에 도시된 개념도를 통해 이해할 수 있다.

도 1은 종래의 액-액 추출탑을 나타낸 개념도로서, 탑체(column body)(10)의 상부와 하부에는 각각, 추출 조작이 완료된 유체A와 유체B가 분리되어 배출되는 탑정부(20)와 탑저부(30)가 설치된다.

탑정부(20)와 탑저부(30)에는 각각, 유체가 유입되는 유입관(21,31)과 분리된 유체가 배출되는 배출관(22,32)이 설치된다.

이때, 탑저부(30)에 마련된 배출관(32)에는 탑정부(20)에서 분리된 비중이 다른 두 유체 간의 계면(界面, interface) 유지를 위해 유체의 배출 유량을 제어하는 제어밸브(32a)가 설치된다.

이와 같은 구성을 통해, 상기 추출탑(10)에서의 일련의 과정을 거쳐 비중이 큰 유체A는 탑저부(30)를 통해 배출관(32)으로 배출되고, 비중이 작은 유체B는 탑정부(20)를 통해 배출관(22)으로 배출된다.

이때, 비중이 작은 유체B는 계면 위치에 따라 탑정부(20)의 배출관(22)을 통해 자연스럽게 범람되어 배출되고, 비중이 큰 유체A는 제어밸브(32a)의 조작을 통해 인위적으로 배출되는 것이다.

한편, 액-액 추출탑을 사용하는 연속공정에서는 추출이 완료된 두 유체를 분리하기 위해 공정 운전 중 두 유체가 분리되는 지점, 즉 두 유체 간의 계면(界面) 위치를 일정하게 유지할 필요가 있다.

비중이 다른 두 유체를 분리하여 추출하는 과정에서, 유체A와 유체B의 계면 위치가 과도하게 상승될 경우 유체A가 탑정부(20)의 배출관(22)을 통해 배출될 수 있으므로, 탑정부(20)내에서의 비중이 다른 유체A와 유체B의 계면은 일정한 범위내에서 유지되어야 하는 것이다.

이를 위해, 계측기(40)를 통해 탑정부(20)내의 계면 위치를 측정하고, 탑저부(30)의 제어밸브(32a)를 통해 유체A에 대한 배출량을 조절하면서 추출탑 전체의 수위 조절을 통해 탑정부(20) 내의 계면을 유지하거나 제어하게 된다.

이때, 탑정부(20)의 계면 위치 측정 방법으로는, 밀도측정기 또는 레벨스위치 등을 사용하여 계면의 위치가 어떤 기준 높이를 넘었는지 확인하거나, 계면 측정용 레벨전송기를 사용하거나, 탑정부(20)의 상-하단 간의 압력 차이를 이용하여 연속적으로 측정하는 방법 등이 있다.

이때, 정상상태(steady state)의 운전에서는 이론상, 유입 유량이 일정하므로 배출 유량이 일정하게 유지되면, 계면의 위치도 일정하게 유지되어야 하지만, 실제 조업에서는 유입 유량이 정확하고 일정하게 유지되기 어려울 뿐만아니라, 계면 위치의 미동이나 제어 계통에서의 전자기적 간섭 등에 의한 오차 등도 피드백되어 제어밸브(32a)의 개도(開度)가 연속적으로 변화하게 되므로 배출 유량도 일정하게 유지되기 어려운 문제가 있었다.

따라서, 탑정부(20)내의 계면 위치를 일정하게 유지하기 어려운 문제가 있었다.

뿐만아니라, 제어밸브(32a)의 연속 작동에 의해, 제어밸브(32a)의 수명이 단축되는 문제도 야기하였다.

또한, 상기한 바와 같이 계면 측정은 여러 계측기(40)를 통해 이루어지게 되는데, 계측기(40)와 제어밸브(32a) 간에 계측 신호를 주고받기 위해, 제어계통이 복잡해지는 단점이 있었다.

나아가, 상기와 같이 제어계통이 복잡해지므로, 유지 보수에 대한 수요가 증가하여 유지보수 비용 증가 및 맨아워 증가로 인해 작업 생산성이 떨어지는 문제가 있었다.

대한민국 공개번호 10-2014-0064669

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 추출탑 외부에 일정한 압력을 유지할 수 있는 수직배관을 마련하여, 추출탑 내부의 압력과 상기수직배관 내부 압력의 평형(equilibrium)을 통해 비중이 다른 두 유체가 유입되어 있는 탑정부에서의 두 유체간 계면을 원하는 위치에서 일정하게 유지되도록 함으로써, 단순한 제어계통을 통해 계면의 유지가 이루어질 수 있도록 한 압력 평형을 이용한 액-액 추출탑의 계면 제어장치를 제공하고자 한 것이다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위하여, 탑체와, 탑체의 상부 및 탑체의 하부에 각각 설치되며 비중이 다른 유체가 각각 유입되고 배출되는 유입관 및 배출관이 설치되는 탑정부 및 탑저부를 포함하는 액-액 추출탑이 마련되고, 상기 탑저부의 배출관에 연결되어 탑저부을 통해 배출된 유체가 상승되는 관로를 형성하며, 상기 관로에서의 유체 상승에 따른 수위 조절을 통해 탑체 내부의 압력과 상기 관로 내부의 압력이 평형을 유지할 수 있도록 하여, 탑정부에 유입되어 있는 비중이 다른 두 유체 간에 계면이 일정하게 유지될 수 있도록 하며, 상기 탑저부의 배출관에 연결되며, 탑체와 나란하게 수직으로 설치된 수직배관;상기 수직배관의 관로를 개폐하는 개폐밸브:를 포함하되, 상기 수직배관에는 수직배관의 높이 방향으로 분기된 복수의 압력제어관이 설치되며, 상기 개폐밸브는 각각의 압력제어관마다 설치된 것을 특징으로 하는 액-액 추출탑의 계면 제어장치를 제공한다.

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본 발명에 따른 압력 평형을 이용한 액-액 추출탑의 계면 제어장치는 다음과 같은 효과가 있다.

추출탑의 일측에, 추출탑 내부의 압력과 압력 평형이 이루어질 수 있도록 한 수직배관이 설치됨으로써, 탑정부 내의 유체 간의 계면 위치는 수직배관 내의 압력에 의해 제어될 수 있게 된다.

즉, 추출탑의 내부 압력과 동일한 압력을 수직배관내에 제공할 수 있으므로, 상기 탑정부 내의 계면의 위치는 수직배관내의 압력에 의해 유지될 수 있으며, 상기 수직배관 내의 수위가 가변될 경우 상기 계면의 위치도 가변될 수 있게 된다.

이에 따라, 수직배관을 통한 제어시 제어계통의 단순화로 인해, 탑정부 내의 계면 유지 작업에 대한 제어 요소가 적고, 유지 보수에 대한 수요가 감소될 수 있으므로, 계면 유지 작업에 대한 작업 생산성을 높일 수 있는 효과가 있다.

또한, 수직배관의 높이 방향으로 복수의 압력제어관이 설치됨으로써, 추출탑 내의 압력 변화에 대하여 용이하게 대응할 수 있는 효과가 있다.

즉, 추출탑 내에 유입되는 유체의 유량 변화 등으로 인해 추출탑 내의 유체 전체의 밀도가 변화하면 이에 따라 추출탑 내의 압력이 변화하는데, 추출탑 내의 압력 변화에 대응하여 상기 압력제어관의 개폐를 통해 수직배관 내의 수위를 조절함으로써 추출탑 탑정부 내의 유체간의 계면 위치를 용이하게 제어할 수 있는 효과가 있는 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 액-액 추출탑을 나타낸 개념도
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압력 평형을 이용한 액-액 추출탑의 계면 제어장치를 나타낸 개념도.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정 해석되지 아니하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

이하, 첨부된 도 2를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압력 평형을 이용한 액-액 추출탑의 계면 제어장치에 대하여 설명하도록 한다.

설명하기에 앞서 종래와 동일한 구성에 대해서는 부호를 병기하도록 한다.

압력 평형을 이용한 액-액 추출탑의 계면 제어장치는 추출탑 내의 압력과 평형 압력을 이룰 수 있는 수직배관을 설치하여, 서로 다른 비중을 갖는 유체의 유입 및 배출이 이루어지는 탑정부에서의 유체 계면이 일정하게 유지될 수 있도록 한 기술적 특징이 있다.

이에 따라, 수직배관의 단순한 제어계통을 통해 계면 유지가 이루어질 수 있으므로, 계면 유지 작업이 심플하게 이루어질 수 있으며 유지 보수 작업에 대한 수요를 줄일 수 있게 된다.

압력 평형을 이용한 액-액 추출탑의 계면 제어장치는 탑체(10)와, 탑정부(20)과, 탑저부(30)과, 수직배관(100)과, 압력제어관(200)과, 개폐밸브(300)를 포함하여 구성된다.

탑체(10)는 탑정부(20)와 탑저부(30)를 연결하며 지면에 대하여 수직하게 마련된다.

탑체(10)의 내부에서는 탑정부(20)와 탑저부(30)로 각각 유입된 유체가 혼합되면서 비중차에 의해 상,하로 분리된다.

탑체(10)는 일체로 구성될 수도 있으며, 복수로 분리된 후 연이어 결합되어 마련될 수도 있다.

다음으로, 탑정부(20)는 비중이 큰 유체(유체A)가 유입되고, 비중이 작은 유체(유체B)가 배출되는 구성이며, 탑체(10)의 상부에 설치된다.

이때, 탑정부(20)의 일측과 타측에는 각각 상부 유입관(21) 및 상부 배출관(22)이 형성된다.

다음으로, 탑저부(30)는 비중이 작은 유체(유체B)가 유입되고 비중이 큰 유체(유체A)가 배출되는 구성이며, 탑체(10)의 하부에 설치된다.

이때, 탑저부(30)의 일측과 타측에는 각각 하부 유입관(31) 및 하부 배출관(32)이 형성된다.

다음으로, 수직배관(100)은 탑저부(30)에서 하부 배출관(32)을 통해 배출된 유체가 이동되는 관로를 형성하여, 이 유체의 압력을 통해 추출탑(10) 내부의 압력과 평형을 이룰 수 있는 압력을 발생하는 역할을 한다.

상기 수직배관(100)은 추출탑(10)의 일측에 설치되며, 추출탑(10)과 나란하게 수직으로 설치된다.

탑저부(30)에서 배출되는 유체를 수직배관(100)으로 이동시켜 상기 수직배관(100)내에 압력을 발생시킴에 따라, 탑정부(20) 내의 비중이 다른 두 유체의 계면은 일정하게 유지될 수 있게 된다.

다음으로, 압력제어관(200)은 수직배관(100)을 통해 상승된 유체에 의한 압력을 단계적으로 조절하여, 추출탑(10) 내부의 압력과 평형을 유지시키는 역할을 한다.

즉, 추출탑(10) 내의 압력이 정해지면, 그 압력값에 따라 수직배관(100) 내에 작용하는 압력도 동일하게 조절되어야 하는바, 상기 압력제어관(200)의 개폐를 통해 수직배관(100)으로 유입되는 유체의 수위를 조절하여 수직배관(100) 내의 압력을 제어하는 것이다.

이때, 압력제어관(200)은 수직배관(100)의 높이 방향으로 복수로 설치된다.

이때, 압력제어관(200)은 도 2에 도시된 바와 같이, 각 높이별로 평행하게 설치된다.

다음으로, 개폐밸브(300)는 압력제어관(200)의 관로를 개폐하며, 각 압력제어관(200)마다 설치된다.

즉, 개폐밸브(300)는 각 압력제어관(200)의 관로를 개폐하면서 수직배관(100) 내에서의 유체 수위가 조절될 수 있도록 한 것이다.

한편, 각 압력제어관(200)의 단부에는 압력제어관(200)의 관로를 취합하는 유출배관(400)이 설치된다.

즉, 개방된 압력제어관(200)을 통해 배출되는 유체는 상기 유출배관(400)을 통해 정해진 장소로 이동되는 것이다.

이하, 상기한 구성으로 이루어진 압력평형을 이용한 액-액 추출탑의 계면장치의 작용에 대하여 설명하도록 한다.

먼저, 유체가 유입된 추출탑 내부의 압력값을 산출하며, 압력값 산출과정은 다음과 같다.

맥동 등의 외력을 제외하면 추출탑(100 내부의 압력은 추출탑(10) 내부 유체의 밀도와 높이에만 관계된다.

정상상태일 때, 추출탑 내부 유체의 전체 높이는 탑정부(20)의 상부 배출관(22) 높이로 고정되므로, 추출탑(10) 내부의 압력은 추출탑(10) 내부 유체 전체의 밀도에 의해 결정된다.

추출탑 내부에는 밀도가 서로 다른 두 유체가 공존하며, 각 유체의 유입량과 유출량은 일정하게 유지되므로, 유체가 섞여 있는 탑체(10)부분에서의 밀도는 유량비에 따라 일정한 값을 갖게 된다.

따라서, 추출탑(10) 내부 유체 전체의 밀도는 탑정부(20) 내부에서의 유체 존재비율, 즉 계면(界面)의 높이에 의해 결정된다.

이와 같이, 탑정부(20)에서, 원하는 높이에 계면이 형성되었을 때의 압력이 산출되면, 산출된 압력 범위에 따라 수직배관(100) 내에 형성해야할 수주(水柱) 높이를 도출한다.

이후, 수직배관(100) 내의 수주(水柱) 높이가 도출되면, 그에 상응하는 압력제어관(200)의 개폐밸브(300)를 개방한다.

이에 따라, 추출탑(10)의 탑저부(30)로부터 수직배관(100)으로 유입된 유체의 수위는 개방된 압력제어관(200) 미만의 위치에 유지된다.

이에 따라, 추출탑(10) 내부의 압력은 수직배관(100) 내의 압력과 평형을 이루게 되며, 탑정부(20)의 두 유체간에 계면(界面)은 상기 수주(水柱)에 의한 압력과 평형을 이루는 높이에서 유지될 수 있게 된다.

한편, 추출탑(10) 내로 유입되는 두 유체의 밀도가 다르거나 여타 외부 조건에 의해 추출탑(10) 내부의 압력값은 가변될 수 있음은 이해 가능하다.

이때, 수직배관(100)에 각 높이별로 설치된 압력제어관(200)의 관로 개방을 제어하여, 추출탑(10) 내부의 압력값에 평형을 유지시킬 수있게 된다.

지금까지 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 압력 평형을 이용한 액-액 추출탑의 계면 제어장치는 추출탑의 일측에 수직배관을 설치하여 추출탑 내부의 유체 압력과 수직배관 내부의 유체 압력을 인위적으로 평형을 유도하여 추출탑의 탑정부에 형성되는 두 유체의 계면 위치를 제어할 수 있도록 한 기술적 특징이 있다.

이에 따라, 단순한 제어계통의 구성을 통해서도, 계면을 일정하게 유지시킬 수 있으며, 유지보수에 대한 수요를 줄일 수 있어 계면 유지 작업을 위한 작업 생산성을 높일 수 있게 된다.

이상에서 본 발명은 기재된 실시예에 대하여 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정은 첨부된 특허 청구범위에 속함은 당연한 것이다.

10 : 탑체 20 : 탑정부
21 : 상부 유입관 22 : 상부 배출관
30 : 탑저부 31 : 하부 유입관
32 : 하부 배출관 100 : 수직배관
200 : 압력제어관 300 : 개폐밸브
400 : 유출배관

Claims (3)

1. 탑체와, 탑체의 상부 및 탑체의 하부에 각각 설치되며 비중이 다른 유체가 각각 유입되고 배출되는 유입관 및 배출관이 설치되는 탑정부 및 탑저부를 포함하는 액-액 추출탑이 마련되고,
   상기 탑저부의 배출관에 연결되어 탑저부를 통해 배출된 유체가 상승되는 관로를 형성하며, 상기 관로에서의 유체 상승에 따른 수위 조절을 통해 탑체 내부의 압력과 상기 관로 내부의 압력이 평형을 유지할 수 있도록 하여, 탑정부에 유입되어 있는 비중이 다른 두 유체 간에 계면이 일정하게 유지될 수 있도록 하며,
   상기 탑저부의 배출관에 연결되며, 탑체와 나란하게 수직으로 설치된 수직배관;상기 수직배관의 관로를 개폐하는 개폐밸브:를 포함하되,
   상기 수직배관에는 수직배관의 높이 방향으로 분기된 복수의 압력제어관이 설치되며, 상기 개폐밸브는 각각의 압력제어관마다 설치된 것을 특징으로 하는 액-액 추출탑의 계면 제어장치.
   
   
   
   
   
   
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