원심 추출기
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1. 개요
원심 추출기는 밀도가 다른 두 액체를 혼합 및 분리하는 데 사용되는 장치이다. 1932년 발터 포드비엘니악이 최초의 액체-액체 원심 접촉기를 특허 출원한 이후 다양한 모델이 개발되었다. 이 장치는 용매 추출, 페니실린 생산, 핵 산업에서의 금속 추출, 사용후 핵연료 재처리, 폐 전기 및 전자 장비 처리에 활용된다. 원심 추출기는 단단 원심 추출기와 다단 원심 추출기로 나뉘며, 혼합 및 분리, 직접 공급에 의한 분리, 다단계 공정과 같은 다양한 구성으로 작동한다.
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| 원심 추출기 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 유형 | 혼합물의 분리에 사용되는 장비 |
| 작동 원리 | 밀도 차이를 이용한 원심력 활용 |
| 상세 정보 | |
| 특징 | 액체-액체 추출에 특히 효과적이며, 고체-액체 추출에도 사용 가능 |
| 장점 | 높은 효율 짧은 체류 시간 낮은 용매 소비 연속 작동 가능 |
| 단점 | 높은 초기 투자 비용 및 유지 보수 비용 |
| 적용 분야 | 제약 산업 식품 산업 화학 산업 광업 |
| 작동 방식 | 혼합물을 회전하는 로터에 주입 원심력에 의해 밀도가 높은 상과 낮은 상으로 분리 분리된 상을 각각 다른 출구로 배출 |
| 추가 정보 | |
| 고려 사항 | 추출 효율에 영향을 미치는 요인: 회전 속도, 온도, 혼합물의 조성 최적의 작동 조건을 위한 실험적 결정 필요 |
| 참고 자료 | 분리 공정 관련 서적 및 연구 논문 |
2. 역사
최초의 액체-액체 원심 접촉기는 발터 포드비엘니악(Walter Podbielniak)이 발명하여 1932년에 특허를 출원했다.[3] 이후 여러 모델이 개발되어 광물의 용매 추출 및 식물성 기름 정제 등 다양한 공정에 사용되었으며, 특히 제2차 세계 대전 중에는 페니실린 생산에 중요한 역할을 했다.[4] 이후 원심 추출기는 핵 산업[5][6]이나 폐 전기 및 전자 장비 처리[6] 등 다양한 분야로 활용 범위가 넓어졌다.
2. 1. 핵 산업에서의 활용
원심 추출기는 핵 산업에서 가치 있는 금속에 대한 용매 추출 공정에 사용되었다. 예를 들어 미국 사바나 리버 부지의 염 폐기물 처리 시설에서는 CSSX 공정을 통해 저장된 탱크 폐기물에서 방사성 세슘을 추출하는 데 활용되었다.[5] 또한 사용후 핵연료(SNF) 재처리 과정에서 악티나이드, 특히 핵분열성 물질과 같은 가치 있는 물질을 회수하는 데에도 사용된다.[6]3. 단단 원심 추출기 (Monostage centrifugal extractor)
밀도가 다른 두 개의 서로 섞이지 않는 액체가 별도의 입구를 통해 공급된다. 이 액체들은 회전하는 로터와 고정된 하우징 사이의 환형 공간에서 빠르게 섞인다. 혼합된 액체는 하우징 바닥에 있는 방사형 베인에 의해 로터의 중앙으로 이동한다. 액체가 로터 중앙의 구멍으로 들어가면 원심력에 의해 벽 쪽으로 빠르게 밀려나며 가속된다. 혼합된 액체는 로터의 회전 속도에 맞춰 빠르게 가속되고, 위로 이동하면서 밀도 차이에 따라 분리되기 시작한다. 로터 위쪽의 댐 구조를 통해 분리된 각 액체는 로터를 빠져나와 수집 링으로 모이고, 다음 단계로 넘어가거나 외부로 배출된다. 여러 단을 연결할 경우, 액체는 중력에 의해 다음 단으로 흘러가므로 별도의 펌프가 필요 없다. 결과적으로 단단 원심 추출기는 혼합기, 원심 분리기, 그리고 (단계 간 이동을 위한) 펌프의 역할을 동시에 수행한다. 원심 추출기의 크기는 보통 로터의 직경으로 나타낸다. 예를 들어, '5인치 원심 추출기'는 로터 직경이 약 12.70cm임을 의미한다.
환형 원심 추출기는 비교적 낮은 rpm로 작동하며, 100–2000 G(중력 가속도의 100배에서 2,000배) 정도의 원심력을 발생시킨다. 따라서 속도 조절이 가능한 모터를 이용해 직접 구동하는 방식이 가능하다. 작은 크기(로터 직경 2cm) 장치의 일반적인 회전 속도는 약 3600 rpm이며, 크기가 커질수록 낮은 rpm으로 작동한다 (예: 약 12.70cm [12.5cm] 크기 장치는 약 1800 rpm). 원심 분리의 효율성은 작용하는 원심력의 크기(g의 배수)와 액체가 로터 내부에 머무는 시간(체류 시간, 초)의 곱, 즉 '''g-초''' 값에 비례한다고 볼 수 있다. 액체-액체 분리에서 원하는 효율('''g-초''' 값)을 얻으려면, 원심력을 높이거나 액체의 체류 시간을 늘리는 두 가지 방법이 있다. 주어진 로터 직경에서 더 높은 '''원심력'''을 만드는 것은 오직 회전 속도(rpm)를 높이는 것을 통해서만 가능하다.
4. 다단 원심 추출기 (Multistage centrifugal extractor)
다단 원심 추출기는 여러 개의 기계적 단계(stage)로 구성된 로터를 사용한다. 추출하려는 하나 이상의 용질을 포함하는 공급 용액(그림 3의 단면도에서 무거운 상)과, 이와 밀도가 다르며 서로 섞이지 않는(혼화성) 용매(그림 3의 단면도에서 가벼운 상)가 로터 내부에서 서로 반대 방향으로 흐른다.
각 기계적 단계에서는 공급 용액과 용매를 섞는 혼합 과정과 원심력을 이용해 다시 분리하는 과정이 연속적으로 수행된다. 이 과정을 통해 용질이 공급 용액에서 용매로 이동하게 된다.
4. 1. 각 단계의 구성
5. 구성 (Configurations)
원심 추출기는 공정의 특정 요구 사항에 맞춰 다양한 방식으로 구성될 수 있다. 가장 일반적인 방식은 액체-액체 추출에 사용되는 '혼합 및 분리' 구성으로, 두 액상을 혼합하여 용질을 전달시킨 후 원심력으로 분리한다. 또한, 이미 형성된 분산액을 분리하기 위한 '직접 공급' 방식도 사용될 수 있다. 더 복잡한 공정에서는 여러 대의 원심 추출기를 직렬 또는 다른 방식으로 연결하여 추출, 세정, 스트리핑 등의 작업을 수행하는 '다단계 공정'을 구성하기도 한다. 각 구성 방식은 액체 간의 밀도 차이를 이용한 분리 원리를 기반으로 하며, 공정 변수를 조절하여 효율을 최적화할 수 있다.
5. 1. 혼합 및 분리 (Mix and separation)
'혼합 및 분리' 구성은 액체-액체 추출 공정에 사용되는 원심 분리 접촉기의 표준적인 작동 방식이다. 이 과정에서는 일반적으로 물을 포함하는 수성상(무거운 상)과 유기 용매로 이루어진 유기상(가벼운 상)이라는 두 종류의 액체가 사용된다. 이 두 액체는 먼저 환형 혼합 구역으로 들어가 섞이면서 액체-액체 분산 상태를 형성한다. 이 과정에서 한 액체에 녹아 있던 용질(예: 녹아 있는 금속 이온)이 다른 액체로 옮겨가면서 추출이 일어난다.혼합된 액체는 회전체 내부로 들어가는데, 여기서 각 액체의 밀도 차이에 따라 무거운 상(그림에서 파란색)과 가벼운 상(그림에서 노란색)으로 분리된다. 분리 효율을 최적화하기 위해 각 상의 비율(상비), 전체 액체의 흐름 속도(총 유량), 회전체의 회전 속도, 그리고 웨어(액체가 넘어가는 턱의 일종)의 크기 등을 다양하게 조절할 수 있다.
분리가 끝난 액체는 별도의 압력 없이 중력에 의해 자연스럽게 흘러 장치를 빠져나간다.
5. 2. 직접 공급에 의한 분리 (Separation by direct feed)
환경 정화 등에서 기름과 물처럼 섞여 있는 분산액을 분리해야 할 때 직접 공급 방식을 사용할 수 있다. 이 방식은 혼합된 액체 흐름을 낮은 전단력으로 로터에 직접 공급하는 특징이 있다. 로터 내부에서 액체는 밀도 차이에 따라 무거운 상(그림에서 파란색)과 가벼운 상(그림에서 노란색)으로 분리된다. 이 원리를 이용하여 분리 효율을 최적화할 수 있다. 분리된 액체는 별도의 압력 없이 배출된다.
5. 3. 다단계 공정 (Multi-stage processing)
일반적으로 원심 분리 추출기와 같은 다단식 장비의 용매 추출 공정에서는 추출, 세정, 스트리핑 등의 작업을 위해 여러 개의 접촉기(컨택터)를 직렬로 연결하여 사용한다. 다른 연결 방식도 가능하다. 공정의 각 부분(섹션)에 필요한 단계 수는 공정 설계 요구 사항, 특히 필수 추출 계수에 따라 결정된다.아래 그림 6은 4개의 단계가 서로 연결된 연속 공정의 예시이다. 첫 번째 단계는 침강 단계이며, 다음 두 단계는 역류 추출을 수행한다. 마지막 단계는 교차 흐름 방식으로 연결되어 중화 작업을 담당한다.
참조
[1]
서적
Design Principles and Applications of Centrifugal Contactors for Solvent Extraction
Ion Exchange and Solvent Extraction: A Series of Advances (Volume 19)
2010
[2]
웹사이트
G-Force Extraction
https://gforceextrac[...]
[3]
서적
Chemical Engineering Vol 2 Particle Technology and Separation Processes
Butterworth Heinemann
1991
[4]
간행물
Podbielniak's contactor
https://www.chemistr[...]
Royal Society of Chemistry
2023-09-04
[5]
웹사이트
Salt Waste Processing Facility - Phase II
https://web.archive.[...]
2012-12-19
[6]
논문
Process intensification of element extraction using centrifugal contactors in the nuclear fuel cycle
2022-05-23
[7]
논문
A high-capacity annular centrifugal contactor
1973
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