맥동탑의 동역학 및 조업 특성 연구(Ⅱ)

구 보성, 신 치범, 김 철, 신 현규*, 변 기호*

아주대학교 화학·생물공학부, 한국원자력연구소*

Dynamics and Operating Characteristics of a Pulsed Column (Ⅱ)

Bo Sung Ku, Chee Burm Shin, Chul Kim, Hyun Kyoo Shin*, Kee Hoh Byeon*

Division of Chemical Engineering and Biotechnology, Ajou University

Korea Atomic Energy Research Institute*

서 론

금속·비금속물질의 분리·정제장치로 많이 이용되는 맥동추출탑은 연속조업성 및 유지보수성의 우수성으로 많은 분야로 사용되고 있으며(1), 이 맥동추출탑의 성능에 영향을 미치는 인자로는 다공판의 간격, 다공판 구멍의 직경, 다공판의 공극률과 같은 기하학적인 인자와 맥동속도(pulse velocity = pulse amplitude × pulse frequency), 수용액상과 유기상의 유량비와 같은 조업변수 및 각상의 물리·화학적 성질 등을 들 수 있다(2).

이러한 맥동추출탑에서의 물질전달 과정은 여러가지 수학적 모델로 표현될 수 있으며, 그 중 가장 간단한 모델은 수용상과 유기상이 모두 plug flow를 유지하면서 탑내에서 Countercurrent로 흐른다는 'stage model'이다(3). 그러나 실제의 경우 추출탑은 plug flow에서 벗어난 거동을 보이며 이러한 거동은 '축방향 혼합(axial mixing)'이라는 개념을 사용하여 설명된다. 축방향혼합은 다시 두종류의 모델로 나타나는데 그 중 하나는 축방향혼합을 확산과정으로 보는 □분산모델 (dispersion model)'이며(4), 다른 하나는 □역혼합모델 (backmixing model)'이다(5).

본 연구에서는 이러한 모델의 특성을 이해하여 그 활용도를 높이기 위하여 물질전달계수(kL)와 액적의 크기(a)를 추출효율에 가장 큰 영향을 미치는 유기상의 □Holdup([eqn: rm PHI _d~])□으로 표현하고 추정된 관계식으로부터 일반화된 물질전달 모델식을 도출하는데 있다.

실 험

1. 시약 및 장치

추출용매로 사용되는 TBP (Tri-n-butyl phosphate)는 Aldrich(U.S.A)사의 순도 98%을 사용하였고 TBP의 희석을 위하여 Kerosene은 Yakuri(Japan)사의 정제된 제품을 사용하였다.

그외 수용상의 용질로 사용된 Zirconium(ZrCl2O·8H2O)과 HNO3은 모두 시약급이다. 사용된 실험 장치는 Figure 1.에 나타낸 바와 같이 탑의 안지름이 10.2cm,

높이 50cm와 두께 7mm인 QVF 유리관 형식으로된 5개의 부분이 main column

Fig.1 Flow diagram  of the pulse column and associated equipments.

1. Oranic Tank                          11. Oranic Flow Meter

2. Aqueous Tank                        12. Aqueous Flow Meter

3. Pulse Generator                       13. Control Valve

4. Lower Disengagement Section          14. Pneumatic Transducer

5. Main Column                          15. Controller

6. Upper Disengagement Section          16. Pneumatic Transmitter

7. Oranic Feed Pump                     17. Air Compressor

8. Aqueous Feed Pump                   18. Solenoid Valve

9. Oranic Buffer Tank

10. Aqueous Buffer tank

을 구성한다. 탑 상하부에 disengagement 부분이 있어 맥동추출탑의 전체 높이는 437cm이다. 다공판과 다공판사이는 5cm이고 전체 탑 내에 설치된 다공판은 45개이다. 다공판의 구멍의 지름은 3.17mm이며, free area의 전체 분율은 0.23이다. 유기상과 수용상을 탑내에 공급하기 위하여 diaphragm 형식의 펌프를 사용했으며, 탑 상부의 수위를 조절하기 위하여 미차압(differential-pressure, DP)을 측정한후 유압 전달기를 통하여 자동 조절기에서 유압 자동밸브를 작동시켜 유량을 조절할수 있도록 DP cell를 column의 중앙에 설치하였다.

2. 실험방법 및 분석

본 실험에서의 유기상의 Holdup은 전체 column의 부피중 유기상이 차지하는 부피비로 정의되며 전체 column중 2,4,6번째 단에서 sampling 한 후 평균 값을 사용했으며, 먼저 물질전달이 없는 상황에서 조업조건이 유기상의 Holdup에 미치는 영향을 검토하였다. 얻어진 결과로부터 Holdup의 관계식을 도출한후 실제 용질을 넣고 얻어진 holdup관계식을 일반화 하였다. 일반화된 관계식과 실제 물질전달의 계수와 액적 표면적의 상관관계도 검토 하였다. 물질전달이 있는 시료는 원심분리에 의하여 한번 더 상분리 후 일정량의 수용상을 취하여 수용상의 금속원소를 분석하고, 처음 수용상의 금속 농도와   용매추출후의 수용상의 금속 농도 차에 의하여 유기상의 금속농도를 구하였다. 얻어진 시료는 ICP/AES (ICPS-1000IV,Shimadzu,Japan)를 이용하여 Zr의 농도를 측정하였다.

결과 및 토론

맥동추출탑의 물질전달 현상을 고찰하기 위하여 진행된 본 실험은 Figure 2, Figure 3, Figure 4.에서 보듯이 용질이 없는 상황에서  Holdup은 Amplitude와 유기상의 유량이 증가될수록 증가되며 Frequency에 따라서는 증가함에따라 감소되다가 다시 증가하는 경향을 보이고 있으며 이는 이전의 다른 연구 결과와 일치됨을 알수 있으며(6), 수용상의 유량에 따라서는 Figure 5.에서 보듯이 차이가 없었다. 얻어진  Holdup관계식은 다음과 같으며 Figure 6, Figure 7.에서 그 결과를 도시하였다. 아울러 물질전달이 있는 조건에서의 관계식은 현재 진행중이며 이에 대한 물질전달 상관관계를 예측하고자한다.

① For Mixer-settler region(without mass-transfer)

[eqn: rm{ PHI }_{d }~=~1.97 TIMES 10^-3~ A^ 0.305 ~f^-0.55 ~ { U}`_{d } ^{1.054 } ~ { U}`_{c } ^{0.035 }]

② For Emulsion region(without mass-transfer)

[eqn: rm{ PHI }_{d }~=~0.986 TIMES 10^-4~ A^ 0.507 ~f^0.57 ~ { U}`_{d } ^{0.875 } ~ { U}`_{c } ^{-0.018 }]

감사의 글

본 연구는 과학기술부의 원자력연구개발사업의 일환으로 수행 되었으며, 이에 감사드립니다.

참고 문헌

1. R.Herbert et al., "Transient holdup behavior of pulsed sieve plate solvent      extraction column", Ind.Eng.Chem.Process Des.Develop., Vol.9, No.2 (1970)

2. K.Gonda and T.Matsuda,"Calculation Code PULCO for Purex Process in        Pulsed Column", PNCT841-82-19 (1982)

3. A. D. Mitchell, "Use of the SEPHIS-MOD4 Program for Modeling the         Purex and Thorex Solvent Extraction Processes," Separ. Sci. Technol.,        Vol. 16, pp.1299-1319 (1981).

4. T. Miyauchi and T. Vermeulen, "Longitudinal Dispersion in Two-Phase        Continuous-Flow Operations," I & EC Fund., Vol. 2, pp.113-126 (1963).

5. S. Hartland and J. C. Mecklenburg, "A Comparison of Differential and         Stagewise Counter Current Extraction with Backmixing," Chem. Eng.         Sci., Vol. 21, pp.1209-1221 (1966).

6. G. A. Sehmel et al., "Holdup studies in a pulsed sieve-plate solvent           extraction column" I&EC Process Disign and Development., Vol. 2, No. 1,     pp.38-42 (1963).