JP2018030066A

JP2018030066A - 遠心抽出器

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Publication number: JP2018030066A
Application number: JP2016162747A
Authority: JP
Inventors: 淳志坂本; Atsushi Sakamoto; 史一大畠; Fumikazu Ohata; 竹内　正行; Masayuki Takeuchi; 正行竹内
Original assignee: Japan Atomic Energy Agency
Current assignee: Japan Atomic Energy Agency
Priority date: 2016-08-23
Filing date: 2016-08-23
Publication date: 2018-03-01
Anticipated expiration: 2036-08-23
Also published as: JP6829457B2

Abstract

【課題】スラッジの洗浄に用いる洗浄液の量を抑制することができ、スラッジの洗浄時間も低減することが可能な遠心抽出器を提供する。
【解決手段】本発明に係る遠心抽出器１は、ハウジング１０と、回転軸によって前記ハウジング内に吊り下げられると共に、前記回転軸３５の回転に伴い回転するロータ９と、前記回転軸３５芯に設けられる軸部流路１１と、前記ロータ９内に設けられ、前記軸部流路１１と連通するロータ部流路１２と、前記ロータ部流路１２と連通するノズル２０と、を有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、医薬品、食品、石油化学、樹脂といった様々な化学工業分野において行われている液々抽出、油水分離などに用いられる遠心抽出器に関する。

遠心抽出器は、強い攪拌能力と高い分離能力を有し、例えば、使用済燃料再処理を含めた様々な化学工業分野において使用される。

このような遠心抽出器として、例えば、特許文献１（特開２００４−６９３５１号公報）には、ハウジング内でロータが回転自在に支持されており、水相と有機相とがロータ外周に供給されてハウジングとロータとの間で混合され、混合相がロータ内部に吸引されてロータ内部の遠心力場で水相と有機相の２相に分離され、分離された各相が対応するコレクタへ排出される構造の遠心抽出器において、ロータ中心に空洞部を設け、その空洞部を利用して中性子吸収体を設置したことを特徴とするものが開示されている。
特開２００４−６９３５１号公報

従来の遠心抽出器において、高い分離能力は、高速で回転するロータに起因するものであったが、処理液の条件によっては、ロータ内に加わる強力な遠心力により、ロータ内にスラッジが堆積する可能性がある。図１０は従来の遠心抽出器１の模式的断面図である。図１０に示すように、遠心抽出器１のロータ９の内周面には、スラッジＳが堆積する可能性がある。

ロータ９におけるスラッジＳの堆積状況によっては、相分離性能が低下する可能性があるとともに、最終的には流路が閉塞することで運転ができなくなる。

そこで、ロータ９に堆積したスラッジＳを除去するための洗浄を行う必要があるが、スラッジＳの洗浄には、大量の洗浄液が必要であると共に、洗浄時間も長くかかる、という問題があった。

上記のような問題点を解決するために、本発明に係る遠心抽出器は、ハウジングと、回転軸によって前記ハウジング内に吊り下げられると共に、前記回転軸の回転に伴い回転するロータと、前記回転軸芯に設けられる軸部流路と、前記ロータ内に設けられ、前記軸部流路と連通するロータ部流路と、前記ロータ部流路と連通するノズルと、を有することを特徴とする。

また、本発明に係る遠心抽出器は、前記ロータから延出する延長棹と、前記延長棹内に設けられ、前記ロータ部流路と連通する延長棹部流路と、前記延長棹部流路と連通するノズルと、を有することを特徴とする。

また、本発明に係る遠心抽出器は、前記延長棹部流路が連通するノズルを複数有することを特徴とする。

また、本発明に係る遠心抽出器は、ハウジングと、回転軸によって前記ハウジング内に吊り下げられると共に、前記回転軸の回転に伴い回転するロータと、前記回転軸芯に設けられる軸部流路と、前記ロータ内に設けられ、前記軸部流路と連通するロータ部流路と、前記ロータから延出する延長棹と、前記延長棹内に設けられ、前記ロータ部流路と連通する延長棹部流路と、前記延長棹部流路と連通するノズルと、を有することを特徴とする。

また、本発明に係る遠心抽出器は、前記回転軸に配される第１ギアと、前記第１ギアと噛合する第２ギアと、前記第２ギアに回転駆動力を付与するモータと、を有することを特徴とする。

また、本発明に係る遠心抽出器は、前記回転軸の端部に配されるロータリージョイントを有し、前記ロータリージョイント内の流路と前記軸部流路とが連通することを特徴とする。

また、本発明に係る遠心抽出器は、前記ノズルが前記ロータに対して固着されることを特徴とする。

本発明に係る遠心抽出器は、回転軸芯に設けられる軸部流路と、ロータ内に設けられ、軸部流路と連通するロータ部流路と、ロータ部流路と連通するノズルと、を有しており、このような本発明に係る遠心抽出器によれば、スラッジの洗浄に用いる洗浄液の量を抑制することができるようになると共に、スラッジの洗浄時間も低減することが可能となる。

また、本発明に係る遠心抽出器においては、軸部流路やロータ部流路などの洗浄液の流路は、ノズルより鉛直上方に設けられた構造となっているために、処理液が前記流路に進入していく確率が非常に低いために、前記流路の耐久性が確保されると共に、前記流路の維持・管理が容易となる。

本発明の第１実施形態に係る遠心抽出器１の模式的断面図であり、遠心抽出器１の分離抽出機能を説明する図である。本発明の第１実施形態に係る遠心抽出器１の模式的断面図であり、遠心抽出器１の洗浄機能を説明する図である。洗浄時間と洗浄率との関係を示す図である。本発明の第２実施形態に係る遠心抽出器１の模式的断面図であり、遠心抽出器１の洗浄機能を説明する図である。本発明の第３実施形態に係る遠心抽出器１の模式的断面図であり、遠心抽出器１の洗浄機能を説明する図である。本発明の第４実施形態に係る遠心抽出器１の模式的断面図であり、遠心抽出器１の洗浄機能を説明する図である。滞留法の概略を説明する図である。試験データの評価法の概略を説明する図である。試験結果を示す図である。従来の遠心抽出器１の模式的断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る遠心抽出器１の模式的断面図であり、遠心抽出器１の分離抽出機能を説明する図である。このような遠心抽出器１は、ピューレックス法において、使用済み核燃料を硝酸に溶解し、硝酸酸性水溶液中に溶存しているＵ（ウラン）やＰｕ（プルトニウム）を溶媒抽出操作で分離して回収する際に用いることを想定しているが、本発明に係る遠心抽出器１は、このような用途に限らず、医薬品、食品、石油化学、樹脂といった様々な化学工業分野に適用することができる。

本発明に係る遠心抽出器１は、図示するようにハウジング１０内に収容されたロータ９の軸心部には、その長さ方向に延びる回転軸３５が設けられている。さらに、この回転軸３５の上端部はロータ９の上部を貫通してハウジング１０上部に設けられたモータ３０にギア類を介して連結されている。

図示するロータ９は、ロータ９の軸心部から延びる棹部材（不図示）によって互いに連結されるようになっている。また、ロータ９は、回転軸３５によって吊り下げられると共に、回転軸３５の回転に伴い回転するようになっている。

より具体的には、回転軸３５はベアリング４５などからなる軸受け部４０を介してハウジング１０の軸心部に支持されており、ロータ９をハウジング１０内に中空に吊り下げるように支持しながらその軸部を回転軸として回転させるようになっている。

このロータ９の周囲にはロータ９を囲繞するように円筒状の空間をした混合槽５５が形成されており、さらにこの混合槽５５には、有機溶媒と抽出剤（主としてＴＢＰ：リン酸トリブチル）を供給する有機相供給管５１と、ＴＲＵ元素を含む硝酸酸性水溶液を供給する水相供給管５２が接続されている。

また、ロータ９の底部中央にはこの混合槽５５内の処理液体をロータ９内に流入するための流入孔５７が形成されていると共に、ロータ９の上部中央にはロータ９内の液体の一部（重物質）を流出するための水相流出孔６０が形成されている。また、この水相流出孔６０は、ロータ９上部に延びた回転軸３５の一部を囲繞するように形成されたドーナツ空間状の水相流出路６３に連通されており、水相流出孔６０からでた液体（重物質）をこの水相流出路６３を通過させて水相排出管６５からハウジング１０の外部へ流出させるようになっている。

また、ロータ９内上部には、回転軸３５の上部を囲繞するようにリング状に区画された分離流路７４が形成されており、ロータ９内の軸心部付近にある処理液体の一部（軽物質）を回転軸３５近傍の分離孔７２から分離して供給するようになっている。また、この分離流路７４の外周部にはロータ９の側面を貫通して外部に臨む有機相流出孔８０が形成されており、分離流路７４内に流入してきた液体（軽物質）をロータ９外へ流出するようになっている。さらに、この有機相流出孔８０の周囲には水相流出路６３と同様にドーナツ空間状をした有機相流出路８３が形成されており、有機相流出孔８０から流出した液体を有機相排出管８５からハウジング１０の外へ排出するようになっている。

軸受け部４０から上方に延出している回転軸３５には第１ギア２１が配されている。また、モータ３０の回転出力軸であるモータ軸２５には第２ギア２２が配されており、第１ギア２１と第２ギア２２とが噛合するようになっている。モータ軸２５が回転駆動されると、第２ギア２２と噛み合っている第１ギア２１が回転し、これに伴い、回転軸３５がロータ９を回転するようになっている。

図１０に示す従来の遠心抽出器１においては、回転軸３５の上方にモータ３０が設けられており、モータ３０がギア類を介することなく回転軸３５を直接回転駆動するようになっていた。これに対して、本発明に係る遠心抽出器１は、ギアを設けることで、モータ３０を、回転軸３５の上方の空間からずらして、回転軸３５の上方のスペースを確保するようにしている。

本発明に係る遠心抽出器１は、上記のようなスペースを確保することで、ハウジング１０内に洗浄液を導入するための構成を配するようにしている。より具体的には、回転軸３５の端部には、ロータリージョイント７を設けるようにして、当該ロータリージョイント７に対して、洗浄液供給管５から洗浄液を供給するようにしている。

回転軸３５の回転軸芯には軸部流路１１が設けられている。また、ロータ９内にはロータ部流路１２が設けられている。さらに、ロータ９はノズル２０が設けられている。

軸部流路１１はロータリージョイント７の流路と連通し、また、ロータ部流路１２は先の軸部流路１１と連通し、ノズル２０はロータ部流路１２と連通している。したがって、洗浄液供給管５から供給される洗浄液は、洗浄液供給管５→ロータリージョイント７→軸部流路１１→ロータ部流路１２→ノズル２０の順の流路で、ノズル２０から洗浄液を噴射することができるようになっている。

なお、本実施形態では、ノズル２０がロータ９に対して固着され、ロータ９の回転に伴い、ノズル２０も連れ回りするように構成されているが、ノズル２０とロータ９とを固着しないようにも構成することができる。

また、回転軸３５の上方のスペースを確保するために、本実施形態では回転駆動力の伝達機構としてギア類を用いるようにしたが、回転駆動力の伝達機構としてベルトやプーリを用いるようにしてもよい。また、回転駆動力の伝達機構を採用することができず、回転軸３５の上方のスペースを確保することができないような場合には、モータ３０として中空モータを用いれば、モータ軸２５と回転軸３５とを直結しつつも、軸部流路１１に洗浄液を供給するような構成とすることができる。

図２は本発明の第１実施形態に係る遠心抽出器１の模式的断面図であり、遠心抽出器１の洗浄機能を説明する図である。図２に示すように、処理液体を遠心抽出処理した後には、スラッジＳがロータ９に堆積する。このスラッジＳを除去するためにノズル２０から洗浄液を噴射する。

従来のノズル２０が設けられていない遠心抽出器１においては洗浄操作１回当たり４０％の洗浄率（試験終了後回収した全てのスラッジのうち洗浄液中に含まれるスラッジ割合）が得られていたが、ノズル２０を採用した本発明に係る遠心抽出器１によれば、洗浄操作１回当たり６０％の洗浄率を得ることができるようになった。当該洗浄操作には、洗浄液を遠心抽出器１に供給し、これを遠心抽出器１から排出させて、スラッジを含む洗浄液を回収する一連の操作が含まれる。

図３は洗浄時間と洗浄率との関係を示す図である。スラッジＳをほぼ１００％洗浄するのに必要な洗浄時間、並びに洗浄液量については、洗浄のためのノズル２０のない従来の遠心抽出器１に比べて、洗浄時間が約１／４、洗浄液量が約１／５程度まで低減させることが可能であった。ここで、洗浄時間は、前記洗浄操作の実施回数（１回目のみ１時間、２回目以降は５分）の合計によって算出している。また、洗浄液量は実際に使用した洗浄液の総量としている。なお、前記洗浄操作１回当たりに使用する洗浄液量は、約１．５L一定としている。

本発明に係る遠心抽出器１は、回転軸３５芯に設けられる軸部流路１１と、ロータ内に設けられ、軸部流路１１と連通するロータ部流路１２と、ロータ部流路１２と連通するノズル２０と、を有しており、このような本発明に係る遠心抽出器１によれば、スラッジＳの洗浄に用いる洗浄液の量を抑制することができるようになると共に、スラッジの洗浄時間も低減することが可能となる。

また、本発明に係る遠心抽出器１においては、軸部流路１１やロータ部流路などの洗浄液の流路は、ノズル２０より鉛直上方に設けられた構造となっているために、処理液が前記流路に進入していく確率が非常に低いために、前記流路の耐久性が確保されると共に、前記流路の維持・管理が容易となる。

次に、本発明の他の実施形態について説明する。図４は本発明の第２実施形態に係る遠心抽出器１の模式的断面図であり、遠心抽出器１の洗浄機能を説明する図である。

第２実施形態に係る遠心抽出器１においては、ロータ９の下方に延長棹１５を設けるようにしている。延長棹１５内には延長棹部流路１６が設けられており、この延長棹部流路１６はロータ部流路１２と連通している。また、延長棹１５の下端側にはノズル２０が設けられており、ノズル２０は延長棹部流路１６と連通している。このように第２実施形態に係る遠心抽出器１では、ロータ９の上段部、及び、ロータ９の中段部の２箇所にノズル２０が設けられ、これらにより、ロータ９の内面側に堆積したスラッジＳを洗浄することができるようになっている。

第２実施形態に係る遠心抽出器１では、洗浄液供給管５から供給される洗浄液は、洗浄液供給管５→ロータリージョイント７→軸部流路１１→ロータ部流路１２→上段側のノズル２０→延長棹部流路１６→中段側のノズル２０の順の流路で、２つのノズル２０から洗浄液を噴射することができるようになっている。

このような第２実施形態によっても、先の実施形態と同様の効果を享受することができる。

次に、本発明の他の実施形態について説明する。図５は本発明の第３実施形態に係る遠心抽出器１の模式的断面図であり、遠心抽出器１の洗浄機能を説明する図である。

第２実施形態に係る遠心抽出器１では、延長棹１５の延長棹部流路１６と連通するノズル２０は１つだけであったが、第３実施形態に係る遠心抽出器１では、延長棹１５の延長棹部流路１６と連通するノズル２０を複数設けている。

第３実施形態に係る遠心抽出器１では、ロータ９の鉛直方向にわたって、計４つのノズル２０が配され、これらにより、ロータ９の内面側に堆積したスラッジＳを洗浄することができるようになっている。

このような第３実施形態によっても、先の実施形態と同様の効果を享受することができる。

次に、本発明の他の実施形態について説明する。図６は本発明の第４実施形態に係る遠心抽出器１の模式的断面図であり、遠心抽出器１の洗浄機能を説明する図である。

第４実施形態に係る遠心抽出器１は、ロータ部流路１２と連通するノズル２０は設けず、延長棹部流路１６と連通するノズル２０を設けるようにしたものである。したがって、第４実施形態に係る遠心抽出器１では、延長棹１５の下端側に設けた１つのノズル２０によって、ロータ９の内面側に堆積したスラッジＳを洗浄する。

このような第４実施形態によっても、先の実施形態と同様の効果を享受することができる。

次に、従来の遠心抽出器１と、実施形態１乃至実施形態４の遠心抽出器１との比較検討結果について説明する。
●遠心抽出器１の試験装置構成について
比較検討において、いずれの遠心抽出器１としても、ロータ内径φ８０ｍｍのものを用い、従来の遠心抽出器１と、実施形態１乃至実施形態４の遠心抽出器１の５種類の試験装置を製作した。ノズル２０からの洗浄液の吐出圧力は、基本的には0.3 MPa程度とした。
●供給液について
比較検討における試験液の組成等、基本的な条件は以下の通りとした。
a)堆積運転時供給液
堆積運転には、模擬スラッジＳとしてアルミナ（メディアン径0.73 μm）を15 g/Lとした上で、分散剤として、カルボン酸型高分子界面活性剤（ポイズ521、花王製）を重量割合５%で純水中に加えた。
b)洗浄運転時供給液
洗浄運転においては、洗浄液として純水を用いた。
●スラッジ堆積処理について
スラッジ洗浄試験の前準備として、アルミナを含む供給液を遠心抽出器１で処理し、ロータ９内壁にスラッジＳの堆積層を形成させた。スラッジＳの初期堆積率は、ロータ内径φ80 mmの遠心抽出器で処理流量が85 %程度まで低下するスラッジ堆積率30 %を基本とした。ここでスラッジ堆積率はロータ９内の最大堆積量に対する割合として定義される。ロータ９の回転数及び供給液の流量は、限界粒子径が0.72 μmとなる3500 min^-1、44 L/hとした。
●洗浄運転について
洗浄運転は洗浄効果が確認されている『滞留法』を一連の洗浄操作に組み入れた。図７は滞留法の概略を説明する図である。具体的には、図７に示すように、ハウジング１０内に洗浄液を一定量供給し、内壁に掛かる遠心力を、スラッジの再堆積が生じない一定の値（１Ｇ：150 min^-1）として１時間の洗浄運転を行った。

洗浄液の供給方法は、比較のため実施した滞留法のみの条件を除き、洗浄ノズルを使用する条件ではいずれもノズル２０から洗浄液をロータ９内に供給した。

洗浄液の回収方法は、これまでに最も洗浄効果の現れているハウジング横側の排出ドレイン（不図示）を用いる「水平抜出方式」を採用した。
●手順について
ア) 試験装置
模擬スラッジ（アルミナ）を15 g/Lの濃度で純水に混濁させて供給液を調製した。また、凝集防止のため分散剤をアルミナ重量に対して５%の割合で添加した。試験開始前に供給液の濁度測定と粒度分布測定を行い、所定の濃度と粒度分布に相当することを確認した。
イ) スラッジ堆積処理
3500 min^-1でロータ９を回転させた上で、上記供給液を１時間供給し、30 %の初期堆積率に相当する量のスラッジをロータ９内に堆積させた。スラッジ堆積処理では、約15分間隔で単位時間当たりの排出液量を測定し、目標流量から外れた場合にはポンプ出力を調整して所定の流量（＝44 L/h）とした。
ウ) 洗浄運転
各ノズル２０（滞留法のみ（従来例）の場合は水相供給管５２）より、洗浄液をオーバーフローラインまで供給した後、ロータ回転数150 min-1にて滞留法による洗浄操作を１時間実施した。洗浄液供給時の流量は滞留法のみの場合、堆積運転時と同様の44 L/hとした。各ノズル２０を用いた試験では、それぞれ0.3 MPaの吐出圧で洗浄液を供給した。
エ) 抜き出し
上記ウ）にて得られた洗浄液は、いずれも水平抜出方式により回収した。
●試験データの評価について
図８は試験データの評価法の概略を説明する図である。上記の手順にて回収した洗浄液中のスラッジに加えて、（１）ロータ内、（２）ロータ上部、（３）ボトム内からそれぞれ残留したスラッジを回収した。それぞれスラッジを回収した箇所を図８に示す。回収したスラッジ濃度と液量から液中のスラッジ含有量を求め、その合計量から洗浄率及び残留率を求めた。洗浄率については洗浄液中に含まれるスラッジの割合とし、その他（１）ロータ内、（２）ロータ上部、（３）ボトム内については残留率として評価した。
● 結果と検討
試験結果を図９に示す。第１実施形態に関してはロータ上部のみを狙った構造であることから、ノズル２０使用によるロータ内の残留率低下には直接寄与しないが、これが生み出す二次的な洗浄液の流れによってロータ内の堆積スラッジが洗浄され、ロータ内の残留率の低下（洗浄率の上昇）に繋がっていると考えられる
第２実施形態、及び第３実施形態に関しては、第１実施形態よりもノズル２０の吹出口が多い構造であるが、洗浄率自体は第１実施形態と同程度であった。ただし、第１実施形態に比べて第２実施形態ではボトム部の残留率が若干低下し、第３実施形態ではボトム部の残留率が増加した。なお、第３実施形態に関しては、ロータ上部の残留率が増加しているが、これは第３実施形態のノズル吹出口が多くなるために、吐出圧の上昇には洗浄液流量の増加が必要であり、結果として洗浄液の供給時間が短くなったためと考えられる。

第１実施形態と第４実施形態の洗浄性能を比較すると、第１実施形態は従来例での洗浄率よりも20%向上したものの、第４実施形態ではある程度の効果しか得ることはできなかった。

なお、ロータ９内のノズル２０がロータとともに回転する条件では、ロータ回転の有無による洗浄性能の向上は認められなかった。さらには、吐出圧の変更も確認したが、一定（0.1 MPa以上）の吐出圧であれば洗浄効果は同様であった。このように、ノズル構造の違いによる洗浄効果の向上が認められないことから、第１実施形態をベースとした構造に関しては、メンテナンス等を考慮し、よりシンプルな構造を有する第１実施形態が最有望であると考えられる。

以上、本発明に係る遠心抽出器は、回転軸芯に設けられる軸部流路と、ロータ内に設けられ、軸部流路と連通するロータ部流路と、ロータ部流路と連通するノズルと、を有しており、このような本発明に係る遠心抽出器によれば、スラッジの洗浄に用いる洗浄液の量を抑制することができるようになると共に、スラッジの洗浄時間も低減することが可能となる。

１・・・遠心抽出器
５・・・洗浄液供給管
７・・・ロータリージョイント
９・・・ロータ
１０・・・ハウジング
１１・・・軸部流路
１２・・・ロータ部流路
１５・・・延長棹
１６・・・延長棹部流路
２０・・・ノズル
２１・・・第１ギア
２２・・・第２ギア
２５・・・モータ軸
３０・・・モータ
３５・・・回転軸
４０・・・軸受け部
４５・・・ベアリング
５１・・・有機相供給管
５２・・・水相供給管
５５・・・混合槽
５７・・・流入孔
６０・・・水相流出孔
６３・・・水相流出路
６５・・・水相排出管
７２・・・分離孔
７４・・・分離流路
８０・・・有機相流出孔
８３・・・有機相流出路
８５・・・有機相排出管

Claims

ハウジングと、
回転軸によって前記ハウジング内に吊り下げられると共に、前記回転軸の回転に伴い回転するロータと、
前記回転軸芯に設けられる軸部流路と、
前記ロータ内に設けられ、前記軸部流路と連通するロータ部流路と、
前記ロータ部流路と連通するノズルと、を有することを特徴とする遠心抽出器。
前記ロータから延出する延長棹と、
前記延長棹内に設けられ、前記ロータ部流路と連通する延長棹部流路と、
前記延長棹部流路と連通するノズルと、を有することを特徴とする請求項１に記載の遠心抽出器。
前記延長棹部流路が連通するノズルを複数有することを特徴とする請求項２に記載の遠心抽出器。
ハウジングと、
回転軸によって前記ハウジング内に吊り下げられると共に、前記回転軸の回転に伴い回転するロータと、
前記回転軸芯に設けられる軸部流路と、
前記ロータ内に設けられ、前記軸部流路と連通するロータ部流路と、
前記ロータから延出する延長棹と、
前記延長棹内に設けられ、前記ロータ部流路と連通する延長棹部流路と、
前記延長棹部流路と連通するノズルと、を有することを特徴とする遠心抽出器。
前記回転軸に配される第１ギアと、
前記第１ギアと噛合する第２ギアと、
前記第２ギアに回転駆動力を付与するモータと、を有することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の遠心抽出器。
前記回転軸の端部に配されるロータリージョイントを有し、
前記ロータリージョイント内の流路と前記軸部流路とが連通することを特徴とする請求項５に記載の遠心抽出器。
前記ノズルが前記ロータに対して固着されることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の遠心抽出器。