KR101736168B1 - 맥동공급장치를 구비한 맥동탑 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 용매추출공정용 맥동탑을 위한 맥동공급장치 및 맥동공급방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 용매추출공정에서 단위 장비로 사용하는 추출탑 내지는 맥동탑에 저렴한 장치비용과 간단한 방법으로 맥동탑에 안정적인 맥동을 공급할 수 있는 맥동공급장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 맥동공급장치는, 제1 용매 유입구(52) 및 제2 용매 배출구(58)를 탑저부에 구비하고 제2 용매 유입구(56) 및 제1 용매 유출구(54)를 탑정부에 구비하는 용매추출공정용 맥동탑(10)을 위한 맥동공급장치에 있어서, 전기 또는 압축공기에 의해 구동되고 토출부(42) 및 흡입부(44) 중 어느 하나가 블라인드 처리되고 토출부(42) 및 흡입부(44) 중 다른 하나가 맥동공급라인(40)에 의해 맥동탑(10)에 연결되는 다이어프램 펌프(20)를 포함할 수 있다.

Description

맥동공급장치를 구비한 맥동탑 {PULSED COLUMN HAVING APPARATUS FOR SUPPLYING PULSE}
본 발명은 용매추출공정용 추출탑을 위한 맥동공급장치 및 맥동공급방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 용매추출공정에서 단위 장비로 사용하는 맥동을 이용하는 추출탑(이하 ‘맥동탑’)에 저렴한 장치비용과 간단한 방법으로 맥동탑에 안정적인 맥동을 공급할 수 있는 맥동공급장치에 관한 것이다.
용매추출공정은 용매에 녹아있는 용질을 다른 용매에 이동시키는 방법을 통하여 원하는 물질을 추출하여 분리, 정제하는 데 이용하는 공정이다. 특히, 원자력 화학공학에서 용매추출공정은 선행과 후행 원자력연료 주기에 적용되는 핵심적인 원자력연료 생산 공정이다.
선행 원자력연료 주기에서 용매추출공정은 우라늄 혼합물의 황산 또는 질산 용해액에서 우라늄을 용매로 추출하여 분리, 정제에 사용하며, 후행 원자력연료 주기에서는 사용후핵연료(spent fuel)의 질산용해액에서 우라늄 또는 플루토늄을 추출하고 분리, 정제하는 데 이용한다.
용매추출공정에서 사용하는 용매는 방사선에 대한 안정성이 우수한 [Tributylphosphate(C12H27O4P) + 탄화수소계] 유기용매로, 이 용매는 우라늄 또는 플루토늄에 대한 선택적 친화성이 있으며, 수상(aqueous phase)과 유기상(organic phase)을 분리하기 쉬운 장점이 있다.
원자력연료물질을 취급하는 용매추출공정의 단위 장비는 임계안전관리상 형상치수 제한을 받으므로 소형이고 높은 신뢰성의 장비가 요구된다. 또한, 용매는 방사성 물질과 접촉하므로 방사선에 의한 손상을 방지하기 위하여 추출탑 내부 접촉시간을 가능한 단축할 필요가 있다.
현재 원자력연료 생산 공정에서 사용하는 용매추출장비는 믹서(mixer)-세틀러(settler), 맥동탑, 원심추출기가 있다.
그 중 맥동탑은 선행과 후행 원자력연료 주기에 범용으로 사용하는 용매추출장비로 연속운전이 가능하며, 맥동탑 내부의 용매 체류시간이 짧으므로 용매의 방사선손상이 적은 이점이 있다.
하지만 종래의 용매추출공정은 맥동탑에 맥동을 공급하는 장치비용이 비싸거나, 맥동을 공급하는 제어방법이 까다로워 안정적인 공정운전이 어렵다.
아울러 종래의 맥동탑을 이용한 용매추출공정은 맥동탑의 설치용량이 커질수록 맥동공급기의 장치투자비가 비싸지고, 설치면적이 커져서 쉽게 사용할 수 없다.
도 1에는 종래의 맥동공급기(102)를 포함한 맥동탑(10)이 도시되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 맥동공급기(102)를 포함한 맥동탑(10)에서는, 맥동공급기(102)가 맥동탑(10)을 안치한 위치와 같은 높이에 설치되어 사용되므로 맥동공급기(102)의 설계용량이 커질 뿐만 아니라, 맥동공급기(102)가 받는 저항이 커져서 안정적인 용매추출공정 운전이 어렵다.
또한, 도 2에는 압축공기를 이용하여 맥동을 공급하는 장치가 도시되어 있다. 이와 같은 압축공기공급부(110)에서 공급되는 압축공기를 이용하여 맥동레그(112)를 통해 맥동을 맥동탑에 공급하는 방식 또한 압축성 유체를 사용하여 압력에 의한 맥동을 맥동탑에 공급하므로, 맥동의 공급이 안정적이지 않다.
이러한 종래의 맥동탑에 안정적인 맥동의 부재는 탑체(塔體) 내부 유체의 채널링(channeling) 현상 및 탑정부(塔頂部) 유체의 플러딩(flooding) 현상을 일으키므로 용매추출공정의 안정성과 용매추출 효율을 감소시킨다.
그러므로 맥동탑을 쉽게 운전할 수 있을 뿐만 아니라 경제성까지 고려하여 용매추출공정을 운전하기 위한, 비용이 저렴하고 동시에 간단한 방법으로 맥동탑에 필요한 맥동을 안정적으로 공급하는 맥동공급장치가 필요하다.
Burkhart, L. E., and Fahien, R. W. Pulse Column Design. Ames Laboratory, 1958.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서,
저렴한 비용과 간단한 방법으로 용매추출공정 단위 장비인 맥동탑에 맥동을 안정적으로 공급할 수 있는 맥동공급장치 및 맥동공급방법을 제공하는데 목적이 있다.
또한, 맥동탑에 안정적으로 맥동을 공급함으로써 탑체 내부 유체의 채널링 현상 및 탑정부 유체의 플러딩 현상을 방지하여 용매추출공정을 운전하도록 하는 맥동공급장치를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하고, 후술하는 본 발명의 특징적인 기능을 수행하기 위한, 본 발명의 특징은 다음과 같다.
본 발명의 일 실시예에 따른 맥동공급장치는, 제1 용매 유입구 및 제2 용매 배출구를 탑저부(塔低部) 구비하고 제2 용매 유입구 및 제1 용매 유출구를 탑정부에 구비하는 용매추출공정용 맥동탑을 위한 맥동공급장치에 있어서, 전기 또는 압축공기에 의해 구동되고 토출부 및 흡입부 중 어느 하나가 블라인드 처리되고 토출부 및 흡입부 중 다른 하나가 맥동공급라인에 의해 상기 맥동탑에 연결되는 다이어프램 펌프를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 양태에 따르면, 상기 다이어프램 펌프는 맥동탑이 안치된 층높이보다 높은 위치에 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 맥동공급장치의 설치용량은 다이어프램 펌프의 용적 및 수두 중 적어도 하나에 기초하여 선택될 수 있다. 바람직하게는, 상기 다이어프램 펌프의 용적은 요구되는 펄스 진폭(amplitude)에 맥동탑의 내부 단면적을 곱한 값에 기초하여 선택될 수 있다. 바람직하게는, 상기 다이어프램 펌프의 수두는 맥동탑의 높이와 펌프의 설치 위치에 의존하여 선택될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 용매추출공정용 맥동탑을 위한 맥동을 공급하는 방법은, 다이어프램 펌프를 포함하는 맥동공급장치의 설치용량을 선택하는 단계; 상기 다이어프램 펌프의 토출부 및 흡입부 중 어느 하나를 블라인드 처리하는 단계; 상기 다이어프램 펌프를 맥동탑이 안치된 층높이보다 높은 위치에 설치하는 단계; 상기 다이어프램 펌프의 토출부 및 흡입부 중 다른 하나를 맥동탑에 연결되는 맥동공급라인에 연결하는 단계; 및 압축공기 또는 전기에 의해 상기 다이어프램 펌프를 작동시키는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 맥동공급장치의 설치용량은 다이어프램 펌프의 용적 및 수두 중 적어도 하나에 기초하여 선택되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 우라늄 혼합물의 질산 용해액에서 우라늄을 용매로 추출하여 분리, 정제하는 용매추출공정 맥동탑에서 탑체 내부 유체의 채널링 현상 및 탑정부 유체의 플러딩 현상 없이 안정적으로 운전되었다.
그리고 불순물을 포함한 우라늄 혼합물의 질산 용해액에서 우라늄을 추출하는 우라늄 정제 실험결과의 정제효율은 90.2% 정도였으며, 원자력연료 제조에 사용하는 이산화우라늄 분말의 불순물 시방서 대비 100% 만족하는 결과를 도출하였다.
따라서 본 발명에 따라 용매추출공정 맥동탑에 맥동을 공급하면 종래의 장치에 비해 설비투자비를 절감하여 공정을 운전할 수 있으며, 간단한 방법으로 안정적인 용매추출공정 운전이 가능하다.
도 1은 종래의 맥동공급기를 포함한 맥동탑을 도시하고,
도 2는 종래의 압축공기를 이용하여 맥동을 공급하는 맥동탑을 도시하며,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 맥동공급장치를 포함하는 맥동탑을 도시하며,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 맥동공급장치 및 맥동공급방법을 도시한다.
본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 발명에서 제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소들과 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다.
어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다거나 "접속되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다거나 또는 "직접 접촉되어"있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 인접하는"과 "~에 직접 인접하는"등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.
명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급되지 않는 한 복수형도 포함된다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자가 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 맥동공급장치는, 제1 용매 유입구 및 제2 용매 배출구를 탑저부에 구비하고 제2 용매 유입구 및 제1 용매 유출구를 탑정부에 구비하는 용매추출공정용 맥동탑을 위한 맥동공급장치에 있어서, 전기 또는 압축공기에 의해 구동되고 토출부 및 흡입부 중 어느 하나가 블라인드 처리되고 토출부 및 흡입부 중 다른 하나가 맥동공급라인에 의해 상기 맥동탑에 연결되는 다이어프램 펌프를 포함할 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
본 명세서에서 용매추출공정에서 단위 장비로 사용하는 맥동을 이용하는 추출탑을 맥동탑이라고 명명하기로 한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 용매추출공정용 맥동탑(10)은 탑정부에 제1 용매 유출구(54) 및 제2 용매 유입구(56)를 구비하고, 탑저부에는 제1 용매 유입구(52) 및 제2 용매 배출구(58)를 구비한다. 즉, 제1 용매는 제1 용매 유입구(52)로부터 제1 용매 유출구(54)로 통하고, 제1 용매와 상이한 제2 용매는 제2 용매 유입구(56)로부터 제2 용매 유출구(58)로 통한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 다이어프램 펌프(20) 및 구동부(30)를 포함하는 맥동공급장치는 맥동공급라인(40)에 의해 맥동탑(10)에 연결된다. 구동부(30)는, 바람직하게는, 압축공기 또는 전기에 의해 구동될 수 있다.
다이어프램 펌프(20)는 토출부(42) 및 흡입부(44)를 구비한다. 맥동공급장치 내지는 다이어프램 펌프(20)의 토출부(42) 및 흡입부(44) 중 어느 하나는 블라인드 처리되고, 토출부(42) 및 흡입부(44) 중 다른 하나에는 맥동공급라인(40)이 연결되어 맥동탑(10)의 내부 유체가 왕복운동을 하도록 구성된다. 설명의 편의를 위하여 토출부(42)가 블라인드 처리되어 있는 것으로 본 명세서 및 도면에서 설명하고 있지만, 흡입부(44)가 블라인드 처리될 수 있다는 것이 명백할 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따르면, 맥동공급장치 내지는 다이어프램 펌프(20)는 맥동탑(10)이 안치된 층높이보다 높은 위치에 설치된다. 바람직하게는, 다이어프램 펌프(20)는 맥동탑(10) 탑체 내부의 패킹이 안착된 높이보다 높은 위치에 설치된다.
다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 용매추출공정용 맥동탑을 위하여 맥동을 공급하는 방법은, 먼저, 용매추출공정용 맥동탑(10)을 운전하기 이전에 맥동공급장치의 설계 및 설치를 선행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 용매추출공정용 맥동탑을 위하여 맥동을 공급하는 방법은, 다이어프램 펌프(20)를 포함하는 맥동공급장치의 설치용량을 선택하는 단계; 다이어프램 펌프(20)의 토출부(42) 및 흡입부(44) 중 어느 하나를 블라인드 처리하는 단계; 다이어프램 펌프(20)를 맥동탑(10)이 안치된 층높이보다 높은 위치에 설치하는 단계; 다이어프램 펌프(20)의 토출부(42) 및 흡입부(44) 중 다른 하나를 맥동탑(10)에 연결되는 맥동공급라인(40)에 연결하는 단계; 및 압축공기 또는 전기에 의해 상기 다이어프램 펌프(20)를 작동시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 용매추출공정용 맥동탑을 위하여 맥동을 공급하는 방법은, 다이어프램 펌프(20)를 포함하는 맥동공급장치의 설치용량을 선택하는 단계를 포함할 수 있다. 용매추출공정의 맥동탑(10)에 필요한 압축공기 또는 전기로 구동하는 다이어프램 펌프(20)의 맥동공급장치 설치용량은 펌프 용적과 수두로 선정한다. 여기서, 맥동공급장치의 펌프 용적은 필요한 펄스 진폭에 맥동탑(10) 내부 단면적을 곱한 값에 설계 여유를 고려하며, 펌프의 수두는 맥동탑(10) 높이와 펌프 설치 위치를 생각하여 설계한다. 맥동탑에 안정적인 맥동공급은 압축공기 또는 전기로 구동하는 다이어프램 펌프 설치용량의 적절한 선정과 펌프를 설치하는 위치를 높여 펌프 내부의 다이어프램이 받는 저항이 적어 건전성이 유지될 때 가능하다. 따라서, 용매추출공정 맥동탑에 안정적인 맥동공급과 운전은 용매추출공정에 적합한 용적과 수두의 다이어프램 펌프 선정과 펌프 내부 다이어프램이 받는 저항을 적절하게 감소하는 높이에 맥동공급기를 설치하면 가능하다.
그 다음, 본 발명의 일 실시예에 따른 용매추출공정용 맥동탑을 위하여 맥동을 공급하는 방법은, 다이어프램 펌프(20)의 토출부(42) 및 흡입부(44) 중 어느 하나를 블라인드 처리하는 단계 및 다이어프램 펌프(20)의 토출부(42) 및 흡입부(44) 중 다른 하나를 맥동탑(10)에 연결되는 맥동공급라인(40)에 연결하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 용매추출공정용 맥동탑을 위하여 맥동을 공급하는 방법은, 다이어프램 펌프(20)를 맥동탑(10)이 안치된 층높이보다 높은 위치에 설치하는 단계를 포함할 수 있다. 맥동공급장치의 다이어프램이 받는 저항을 줄이기 위해 맥동탑이 안치된 위치보다 높은 위치 또는 맥동탑 탑체 내부의 패킹이 안착된 높이보다 높은 위치에 설치하며, 맥동공급장치의 다이어프램에 맥동탑 내부 유체가 자연적으로 채워지도록 하여 맥동공급기의 dry-run에 의한 고장을 예방한다.
압축공기 또는 전기로 구동하는 다이어프램 펌프의 흡입부 또는 토출부를 블라인드 처리하여 맥동탑의 맥동공급 노즐에 연결한 후 사용하고, 맥동공급기 설치 높낮이를 변경하여 장치 내부의 다이어프램이 받는 저항을 감소시켜 추출탑에 맥동을 안정적으로 공급하는 방법에 관한 상기와 같은 본 발명의 장치와 그 방법에 따르면, 종래의 맥동공급기보다 90% 이상 저렴한 비용으로 맥동탑을 이용하여 안정적으로 용매추출공정 운전이 가능했다.
또한, 불순물을 포함한 우라늄 혼합물의 질산 용해액에서 우라늄을 추출하는 용매추출공정에서 우라늄 정제 실험결과의 정제효율은 90.2% 정도였으며, 원자력연료 생산에 이용하는 이산화우라늄 분말의 불순물 시방서 대비 100% 만족하는 결과를 도출하였다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
10: 맥동탑 20: 다이어프램 펌프
30: 구동부 40: 맥동공급라인
42: 토출부 44: 흡입부
52: 제1 용매 유입구 54: 제1 용매 배출구
56: 제2 용매 유입구 58: 제2 용매 배출구
102: 맥동공급기 110: 압축공기공급부
112: 맥동레그

Claims (7)

  1. 제1 용매 유입구 및 제2 용매 배출구를 탑저부에 구비하고 제2 용매 유입구 및 제1 용매 유출구를 탑정부에 구비하는 용매추출공정용 맥동탑; 및
    전기 또는 압축공기에 의해 구동되고 토출부 및 흡입부 중 어느 하나가 블라인드 처리되고 토출부 및 흡입부 중 다른 하나가 맥동공급라인에 의해 상기 맥동탑에 연결되는 다이어프램 펌프;를 포함하고,
    상기 다이어프램 펌프는 맥동탑 탑체 내부의 패킹이 안착된 높이보다 높은 위치에 설치되는 것인 맥동공급장치를 구비한 맥동탑.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 맥동공급장치의 설치용량은 다이어프램 펌프의 용적 및 수두 중 적어도 하나에 기초하여 선택되는 것인 맥동공급장치를 구비한 맥동탑.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 다이어프램 펌프의 용적은 요구되는 펄스 진폭에 맥동탑의 내부 단면적을 곱한 값에 기초하여 선택되는 것인 맥동공급장치를 구비한 맥동탑.
  5. 청구항 3에 있어서, 상기 다이어프램 펌프의 수두는 맥동탑의 높이와 펌프의 설치 위치에 의존하여 선택되는 것인 맥동공급장치를 구비한 맥동탑.
  6. 다이어프램 펌프를 포함하는 맥동공급장치의 설치용량을 선택하는 단계;
    상기 다이어프램 펌프의 토출부 및 흡입부 중 어느 하나를 블라인드 처리하는 단계;
    상기 다이어프램 펌프를 맥동탑 탑체 내부의 패킹이 안치된 높이보다 높은 위치에 설치하는 단계;
    상기 다이어프램 펌프의 토출부 및 흡입부 중 다른 하나를 맥동공급라인에 의해 맥동탑에 연결하는 단계; 및
    압축공기 또는 전기에 의해 상기 다이어프램 펌프를 작동시키는 단계;
    를 포함하는 것인 용매추출공정용 맥동탑에 맥동공급장치를 설치하는 방법.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 맥동공급장치의 설치용량은 다이어프램 펌프의 용적 및 수두 중 적어도 하나에 기초하여 선택되는 것을 특징으로 하는 용매추출공정용 맥동탑에 맥동공급장치를 설치하는 방법.
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