용매추출 - Mixer-Settle의 배치 및 각 Stream의 방향

Mixer-Settler는 그 형태가 같더라도, 추출, 세정, 역추출 등 사용목적이 다를 수 있습니다. 또한, 최소 구성단위가 추출-역추출인 만큼 Mixer-Settler 1개 단독으로는 용매추출은 이루어질 수 없으며, 이에 따라 여러 단의 Mixer-Settler를 설치하게 됩니다 (다단공정, Multistage Process).

 

Multistage mixer-settler의 배치 예시

 

이 뿐만 아니라, 다단 공정은 특정 공정을 반복함으로써 목적성분에 대한 회수율을 높이기 위해서 적용됩니다.

 

단수가 증가할 수록 목적성분에 대한 회수율이 상승하지만, 불순물이 추출될 가능성 또한 증가하며 추가적인 장비의 설치는 CAPEX의 증가로 이어지기 때문에 최적의 단수 및 배치로 설계되어야 합니다. 아래의 배치 예시는 흐름도를 쉽게 보도록 하기위하여 그림의 예시를 간략하게 표시해두었습니다.

 

Mixer-Settler의 배치와 다단공정(multistage process)

 

아래는 전형적인 Mixer-Settler의 배치 및 주요 흐름을 나타낸 것입니다. (단, 주요 탱크 설비는 생략되었으며 수상과 유기상의 흐름은 실제 공정에 주로 적용되는 Counter-Current 형식임)

Typical Stage Arrangement

 

[참고] 실제 대부분의 용매추출 플랜트 및 이와 관련된 Flowsheet를 참고할 때, 각 Stage마다 부여된 번호(예를 들어 첫번 째 추출단은 E1)가 있습니다. 위 그림에서 확인할 수 있듯이 통상적으로, 추출단은 Aqueous Flow를 기준으로 E1, E2를 배치한 반면 역추출 및 세정단은 Organic Flow를 기준으로 S1, S2 및 SC1, SC2이라는 번호를 부여한 것을 확인할 수 있습니다.

---

공정 내 수상 및 액상이 흐르는 방향

 

용매추출 공정을 디자인 할 때, 두 액상의 방향은 아래와 같이 크게 3가지의 방법으로 설치될 수 있으며, 추출단을 예시로 하여 설명드리겠습니다.

 

(1) Co-Current

 

이는 두 액상이 공정 내에서 흐르는 방향이 동일하도록 배치하는 것입니다. 아래의 그림를 통하여, 2단 이상의 Mixer-Settler를 두었을 시, 이점이 거의 알 수 없다는 것을 알 수 있습니다. 이는, 두 액상의 흐름을 왜 반대로 하는지에 대한 이해를 돕기 위함이며 실험이나 공정 등에서는 사용되지 않습니다.

Co-Current Extraction

 

이와 같이 배치할 시,

 

˙첫 번째 단계에서 두 액상은 거의 평형상태(Equilibrium)에 도달

˙이후 단계에서 추가적인 농도의 변화가 없을 가능성이 높음

 

(2) Cross-Current

 

이는 수상은 전 Mixer-Settler를 관통하는 반면, 유기상은 유량을 나누어 각각의 Mixer-Settler로 진입하는 것입니다. 분별깔때기(Separatory Funnel)를 이용한 실험실 단위의 실험을 이 방법으로 진행하며, 높은 회수율을 얻을 수 있으나 실제 공정에서는 거의 사용되지 않습니다.

Cross-Current Extraction

 

이와 같이 배치할 시,

 

˙각 Mixer-Settler에서 나오는 유기상의 조성이 다름 (목적성분과 불순물 모두)

˙첫번째 단 이후에 공정에 새롭게 유입되는 유기상은 Raffinate와 접촉하게 되므로 불순물을 추출할 가능성 또한 높음

˙다른 공정에 비하여 더 많은 양의 유기상을 필요로 하며, 결국 공정규모의 증대와 같은 경제적인 문제로 이어질 수 있음

 

(3) Counter-Current

 

이는 대다수의 현장에서 채택하는 방법이며, 두 액상이 공정 내에서 흐르는 방향을 서로 반대가 되도록 배치하는 것입니다.

Counter-Current Extraction

 

이와 같이 배치할 시,

 

˙각 단계를 거칠수록 유기상 내의 목적금속 농도가 점진적으로 증가

˙유기상의 부피가 변하지 않는 상태에서 목적금속의 회수율을 최대로 높일 수 있음