JP6864743B2 - 圧力平衡を利用した液−液抽出塔の界面制御装置 - Google Patents
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Description
溶質を含有する一つの溶媒が、溶質を含有していない(または単に少量含有する)他の溶媒に接触すると、各溶媒での溶質の濃度が平衡に達するまで、一方の溶媒から他方の溶媒への溶質移動が起こる。
このように、ある溶質を、互いに混和されない2つの溶媒に対する溶解度の差によって一方の溶媒から他方の溶媒へ移動させて分離する単位操作を、「液−液抽出」という。
液−液抽出の通常の実行は、2つの液体を向流(counter−current)的に、すなわち互いに反対方向に流して接触させることにより行われる。
垂直に配置された抽出塔(extraction column)における抽出では、前記2つの液体に対して軽質相(light phase)、重質相(heavy phase)という。
このような抽出塔は、図1に示した概念図から理解することができる。
塔頂部20と塔底部30にはそれぞれ、流体が流入する流入管21、31、および分離された流体が排出される排出管22、32が設置される。
このとき、塔底部30に設けられた排出管32には、塔頂部20で分離された比重の異なる両流体間の界面(interface)維持のために、流体の排出流量を制御する制御弁32aが設置される。
このような構成により、前記塔体10における一連の過程を経て、比重の大きい流体Aは塔底部30を介して排出管32から排出され、比重の小さい流体Bは塔頂部20を介して排出管22から排出される。
この際、比重の小さい流体Bは、界面の位置に応じて塔頂部20の排出管22を介して自然にあふれて排出され、比重の大きい流体Aは、制御弁32aの操作を介して人為的に排出されるのである。
比重の異なる二つの流体を分離して抽出する過程で、流体Aと流体Bとの界面位置が過度に上昇する場合、流体Aが塔頂部20の排出管22を介して排出できるので、塔頂部20内における比重の異なる流体Aと流体Bとの界面は一定の範囲内で維持されなければならない。
このため、計測器40を介して塔頂部20内の界面位置を測定し、塔底部30の制御弁32aを介して流体Aに対する排出量を調節しながら抽出塔全体の水位調節によって塔頂部20内の界面を維持または制御する。
この際、定常状態(steady state)の運転では、理論上、流入流量が一定であるから、排出流量が一定に維持されると、界面の位置も一定に維持されなければならないが、実際の操業では流入流量が正確且つ一定に維持され難いうえ、界面位置の微動や制御系統における電磁気的干渉などによる誤差などもフィードバックされ、制御弁32aの開度が連続的に変化するので、排出流量も一定に維持され難いという問題があった。
したがって、塔頂部20内の界面位置を一定に維持することが難しいという問題があった。
それだけでなく、制御弁32aの連続作動により、制御弁32aの寿命が短くなるという問題も生じた。
つまり、抽出塔の内部圧力と同じ圧力を垂直配管内に提供することができるので、前記塔頂部内の界面の位置は垂直配管内の圧力によって維持でき、前記垂直配管内の水位が可変する場合、前記界面の位置も可変できる。
これにより、垂直配管を介した制御時の制御系統の単純化により、塔頂部内の界面維持作業に対する制御要素が少なく、メンテナンスに対する需要が減少するので、界面維持作業に対する作業生産性を向上させることができるという効果がある。
つまり、抽出塔内に流入する流体の流量変化などにより、抽出塔内の流体全体の密度が変化すると、これにより抽出塔内の圧力が変化するが、抽出塔内の圧力変化に対応して前記圧力制御管の開閉によって垂直配管内の水位を調節することにより、抽出塔の塔頂部内の流体間の界面位置を容易に制御することができるという効果がある。
説明に先立って、従来と同様の構成については同様の符号を付することを明かしておく。
これにより、垂直配管の単純な制御系統を介して界面の維持がなされ得るので、界面維持作業を簡単に行うことができ、メンテナンス作業に対する需要を減らすことができる。
塔体10の内部では、塔頂部20と塔底部30にそれぞれ流入した流体が混合されながら比重差によって上、下に分離される。
塔体10は、一体に構成されてもよく、複数に分離された後、連なって結合されて設けられてもよい。
このとき、塔頂部20の一側と他側にはそれぞれ上部流入管21および上部排出管22が設けられる。
このとき、塔底部30の一側と他側にはそれぞれ下部流入管31および下部排出管32が設けられる。
前記垂直配管100は、抽出塔1の一側に設けられ、抽出塔1と並んで垂直に設置される。
このとき、圧力制御管200は垂直配管100の高さ方向に複数設置される。
このとき、圧力制御管200は、図2に示すように、各高さ別に平行に設置される。
つまり、開閉弁300は、各圧力制御管200の管路を開閉しながら垂直配管100内での流体水位が調節できるようにするものである。
つまり、開放された圧力制御管200を介して排出される流体は、前記流出配管400を介して所定の場所へ移動するのである。
定常状態のとき、抽出塔の内部流体の全高は塔頂部20の上部排出管22の高さに固定されるので、抽出塔1の内部圧力は抽出塔1の内部流体全体の密度によって決定される。
抽出塔の内部には密度の異なる二つの流体が共存し、各流体の流入量と流出量は一定に維持されるので、流体が混ざっている塔体10内の密度は流量比に応じて一定の値を持つようになる。
したがって、抽出塔1の内部流体全体の密度は、塔頂部20の内部における流体の存在比率、すなわち界面の高さによって決定される。
このように、塔頂部20における所望の高さに界面が形成されたときの圧力が算出されると、算出された圧力範囲に応じて、垂直配管100内に形成すべき水柱の高さを導出する。
これにより、抽出塔1の塔底部30から垂直配管100に流入した流体の水位は、開放された圧力制御管200未満の位置に維持される。
これにより、抽出塔1内の圧力は垂直配管100内の圧力と平衡をとり、塔頂部20の二つの流体間の界面は前記水柱による圧力と平衡をとる高さで維持できる。
このとき、垂直配管100に各高さ別に設置された圧力制御管200の管路開放を制御することで、抽出塔1内の圧力値に対して平衡を維持させることができる。
これにより、単純な制御系統の構成によっても、界面を一定に維持させることができ、メンテナンスに対する需要を減らすことができるため、界面維持作業のための作業生産性を向上させることができる。
20 塔頂部
21 上部流入管
22 上部排出管
30 塔底部
31 下部流入管
32 下部排出管
100 垂直配管
200 圧力制御管
300 開閉弁
400 流出配管
Claims (2)
- 塔体と、前記塔体の上部に設置される塔頂部と、前記塔体の下部に設置される塔底部とを含み、
前記塔頂部には、第一流体が流入される上部流入管と、前記第一流体より比重の小さい第二流体が排出される上部排出管とが設置され、
前記塔底部には、前記第二流体が流入される下部流入管と、前記第一流体が排出される下部排出管とが設置された液−液抽出塔において、前記第一流体および前記第二流体間の界面の位置を前記上部流入管と前記上部排出管の間の所望の位置に調整するための界面制御装置であって、
前記下部排出管に接続されて前記第一流体が上昇する管路と、
前記管路に設けられた圧力制御部と、を備え、
前記管路は、前記抽出塔と並んで垂直に設置された垂直配管を含み、
前記圧力制御部は、前記垂直配管の管路を開閉する開閉弁を含み、
前記圧力制御部は、前記所望の位置に前記界面が形成されたときの前記抽出塔の内部の圧力値を導出する第一の導出過程と、前記圧力値に応じて前記管路内に形成すべき内部流体の高さを導出する第二の導出過程と、前記第二の導出過程における導出結果に応じて前記管路内の圧力を制御する制御過程とを実行することにより、前記界面の位置を調整し、 前記制御過程は、前記開閉弁を開閉することによって実行されることを特徴とする、液−液抽出塔の界面制御装置。 - 前記圧力制御部は、前記垂直配管に設置されて前記垂直配管の高さ方向に分岐された複数の圧力制御管を含み、
前記開閉弁はそれぞれの前記圧力制御管ごとに設置されたことを特徴とする、請求項1に記載の液−液抽出塔の界面制御装置。
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