CN101622062B - 自生热的地下化学反应器和方法 - Google Patents

Abstract

一种地下自生热的反应器和方法，这种反应器具有下行和上行流道，所述下行和上行流道在底部连接，以形成U形管，并相互成热交换关系。下行和上行流道各具有上部热交换段和下部反应段。空气注射系统将空气注入热交换段与反应段之间的下行流道中。上行热交换段的横截面积大于下行热交换段的横截面积，以使下行和上行的流速平衡。下行热交换段具有多个管，以增加传热面积。

Description

自生热的地下化学反应器和方法

技术领域

本发明涉及实现化学反应，更具体地说，涉及适合于用于实现湿氧化的自生热的地下反应器和方法。

背景技术

许多化学反应可以在高压、高温条件下加速。通常，用于产生高压和高温的设备需要高压泵和高压容器。这种设备比较复杂、昂贵并且由于大多数废水的磨蚀性而有危害。

具有在底部连接在一起形成长U形管的地下竖直下行和上行流道的设备利用静液柱来产生用于加速化学反应的高压。通常，这些反应器包括一对同心的圆筒形竖直管，所述一对竖直管延伸到地下深处。泵送到一个管顶部的反应剂沿该管而下流到底部，沿另一管向上流动并流出另一管的顶部。在这些反应器中，下行管和上行管通常相互成热交换关系，以便在向上流动的流体中反应产生的热加热向下流动的流体。

本申请人的美国专利No.4,272,383包括在本文中作为参考，该专利公开了这种反应器和方法，所述反应器和方法特别适用于对废液，比如污水污泥、动物废料和其它可氧化流体起反应。在所公开的设备中，空气在地面附近以“泰勒气泡”的形式被注入，而在反应器下部的反应区中的热交换器控制温度。在高于135psi的压力和大于350°F的温度下，这些废液被水解，从而将有机成分分解成较轻分子量的分子。在足够的温度、压力、时间和氧作用下，有机分子将基本上转化成二氧化碳、水和热。

在现有技术已知的竖直地下反应器中，从向上流动的流体传送到向下流动的流体中的热量不足以使反应自保持或自生热。在这些反应器中，通过热交换器连续地增加热量，以保持反应，或者是用液氧代替注射的空气来增加热量回收，从而显著地增加了成本和安全忧虑。

发明内容

一种地下自生热的反应器和方法包括下行装置和上行装置，所述下行装置限定下行流道，而所述上行装置限定上行流道，上行装置与下行装置成热交换关系。下行和上行装置在底部连接，以形成U形结构。下行装置具有上部下行热交换段、中间空气注射段和下部下行反应段，而上行装置具有上行热交换段和上行反应段，它们分别与下行热交换段和下行反应段基本上共同扩张。上行热交换段的横截面积大于下行热交换段的槽截面积。上行热交换段的横截面积与下行热交换段的横截面积的比取决于设计反应器所用流体的化学需氧量(COD)。空气被注入到选择的深度处在下行热交换段与反应段之间下行装置的空气注射段中。下行和上行热交换段构造成具有比单个同心管的热交换表面面积更大的热交换表面面积。上行热交换段的较大横截面积使上行流体的流速降低。降低的上行流体流速和增加的热交换面积改善了下行与上行装置之间的热传递，从而能使反应器自生热或自支持。

该方法包括以下步骤：提供下行流道，所述下行流道具有下行热交换段、空气喷射段和下行反应段；提供上行流道，所述上行流道具有上行热交换段和上行反应段；使流体沿下行流道而下流动并沿上行流道向上流动；使流体在下行反应段和上行反应段中起反应；和将热量从上行热交换段中的流体传送到下行热交换段中的流体中，所述热量足以保持起反应的步骤。上行热交换段大于下行热交换段。反应器和方法能够产生和回收足够的热量，以省去对液氧和增加热能的需要。

附图说明

本发明的详细情况结合附图进行说明，各图显示相同的附图标记，其中：

图1是体现本发明特点的反应器的示意图。

图2是图1中反应器的部分放大剖开的立面侧视图。

图3是沿图2中线3-3截取的剖视图。

图4是沿图2中线4-4截取的剖视图。

图5是沿图2中线3-3截取的替换剖视图。

图6是沿图2中线4-4截取的替换剖视图。

图7是沿图2中线3-3截取的热交换器的放大剖视图。

具体实施方式

现在参见图1-4，体现本发明特点的地下自生热的反应器10包括下行装置11、上行装置12、泵16、空气注射系统17和热交换器18；所述下行装置11用于限定下行流道14，而所述上行装置12用于限定上行流道15。上行和下行流动装置11和12沿地层中孔19而下延伸到地面20以下相当大的深度。优选的是，反应器10被外壳体21包围。反应器10可以构造成套管井。上行和下行装置11和12相互成逆流热交换关系，并在底部连接在一起，以形成地下液压U形管结构。反应器10包括热交换区22和反应区23，所述热交换区22从地面20向下延伸到第一深度d1，而所述反应区23从热交换区22向下延伸到第二深度d2。

下行装置11包括顶端25、下行热交换段26、空气注射段31、下行反应段27和底端28，所述下行热交换段26从顶端25向下贯穿热交换区22，所述空气注射段31从下行热交换段26向下延伸，而所述下行反应段27从空气注射段31向下贯穿反应区23。在所述的实施例中，下行热交换段26包括多个细长圆筒形间隔开的下行热交换管29。优选的是，下行热交换段26包括至少3个下行热交换管29。下行反应段27包括至少一个和优选为多个细长圆筒形间隔开的下行反应管30。下行反应管30通过空气注射段31连接到下行热交换管29上，所述空气注射段31作为歧管32示出。

上行装置12包括顶端33、上行热交换段34、上行反应段35和底端36；所述上行热交换段34从顶端33向下贯穿热交换区22，所述上行反应段35从上行热交换段34向下贯穿反应区23。在所示的实施例中，上行装置12包括细长圆筒形上行管38，且其底端36闭合，上行管38形成用于反应器10的反应器壳体。热交换器18具有细长圆筒形热交换器主体39，所述热交换器主体39沿上行管38的中心而下延伸。各下行热交换管29成间隔开的关系围绕热交换器主体39设置在上行管38的内部。各下行热交换管29以一个或多个间隔开的同心圆设置。圆的数目取决于下行热交换管29的数量。各下行反应管30成间隔开的关系设置在上行管38的内部，并围绕热交换器主体39。下行和上行装置11和12可以具有其它的构型。作为示例，而不作为限制，下行装置11可以包括外管，而上行装置12包括一个或多个内管，或者下行和上行装置11和12可以是单个管的分开部分。

空气注射系统17包括空气压缩机43和气流管道44，所述空气压缩机43在地面20处，而所述气流管道44从空气压缩机43延伸到歧管32。泵16连接到下行装置11的顶端25，以将液体泵送到下行流道14中。流体沿下行热交换管29而下流动。空气注射系统17连接到歧管32上，并在歧管32处将空气注入到向下流动的流体中。各下行反应管30的下端形成下行装置11的底端28，它们在上面间隔开并通向上行装置12的底端36。与空气混合的流体沿下行反应管30而下流动，从中出来进入上行装置12的底端36，再沿上行管38向上流动，绕下行反应管30和下行热交换管29的外侧。压力控制装置41，比如压力调节器连接到上行装置12的顶端33，以控制反应器10中的压力和流率。

下行热交换段26具有选择的第一横截面积，并且上行热交换段34具有选择的第二横截面积。选择的第二横截面积比第一横截面积大很多。第二横截面积与第一横截面积的比值根据反应器处理的流体的COD选择。沿下行热交换段26而下的流体流是单相液流。在下行热交换段26的底部将空气注入到流体中的情况下，经过下行反应段27并经过上行反应段和热交换段35和34的流体流变为液体和气体的两相流。

两相流具有比单向流更低的密度和更低的热容。由于较低密度和大部分加入的空气，致使两相流具有比单相流更大的体积。由于随着流体接近地面20而压力下降和相应的气体膨胀，所以特别是在上行热交换段34中两相流具有更大的体积。

选择第一和第二横截面积，以使下行热交换段26中单相流的流速与上行热交换段34中两相流的流速近似相等，这样使两个流动流的停留时间近似相等，或者平均流速近似相等。第一和第二横截面积还可以这样选择，以使在下行热交换段26中单相流的流速和在上行热交换段34中两相流的流速乘以相应的传热系数的乘积近似相等。使流速相等并用多个下行热交换管29增加传热面积确保下行流体流的最大加热和用两相流冲洗的热量最小。

反应器10的总深度是第一深度d1和第二深度d2之和，并且通常为3000-6000英尺，但在某些应用中可以更大。热交换区22的第一深度d1是在大约200英尺(对很低COD流体)与3000英尺(对较高COD流体)之间。空气在第一深度d1被注入向下流动的流体中。反应器10的总深度d1+d2和第一深度d1取决于预定在反应器1 0中处理的流体的COD，且反应器10应适合于具体指定的应用。COD通常表示为氧化流体所需氧质量以百万分之一为单位的份数。优选的是，空气以“泰勒气泡”的形式注入。

反应器10中任何点处的压力取决于上述流体的质量和泵16的压力。如果仅使用水，则压力梯度为每英尺深度约0.43psi。对于低的COD流体，使流体反应所需的大气压下空气的体积可以小于流体的体积，而对于高的COD流体，使流体反应所需的大气压下空气的体积可以显著大于流体的体积。在地面20处或其附近，在大气压下或在大约大气压下的空气的注射，即使对于低的COD流体，也将降低向下流动的流体的密度，并由此降低静压头。对于高的COD流体，在不将流体加压到高压的情况下，在地面20处或其附近不可能注射所需的空气。这种加压需要能处理磨蚀流体的高压液体泵。

在大气压和室温下一立方英尺空气含有大约0.0166磅的氧。在786psi下，一立方英尺空气含有大约0.8876磅的氧，或者大约为大气压下质量的53倍。因为在喷射点处空气压力必须大于流体的静液柱的压力，所以在786psi下的空气以大约1750ft被喷射，其中，由于静液柱而产生的压力大约为750psi。因为通过在热交换区22的底部喷射空气可以增加更多的氧，所以增加了反应器10的生产率。增加的氧产生更多的热量，从而改善热产生/热损失的比值，以使有用的热量可以回收。在热交换区22的底部喷射空气在任何深度处都提供更高的静压力，因此可以减小反应器10所需的深度。对可以被注射的空气量的限制是在注射点的下面所有深度处的静压力都必须大于水的蒸汽压力。

第一深度d1，即注射段31的深度选择如下。确定待处理的流体的COD，并选择反应剂的反应度高达100％。根据COD和反应度，确定所需的氧量。选择空气体积与液体体积的比。根据这个体积比，计算含氧空气的所需密度，并由此计算被注射空气的所需压力。最小第一深度d1是这样的深度，即在该深度；由于下行热交换段26中静液柱造成的压力稍微低于所需压力的深度。

在第二横截面积没有显著大于第一横截面积的情况下，将不能获得在热交换区22的底部注射空气的益处。第二横截面积与第一横截面积的比根据预定将要在反应器10中处理的材料的COD，并由此根据待注射的相对空气质量选择。

下面具体的尺寸和数字作为示例而不是作为限制提供。参见图3，反应器10的热交换区22具有直径为17英寸和横截面积为1.58平方英尺的上行管38。热交换器主体39具有3.5英寸直径和0.0668平方英尺的横截面积。将36个间隔开的下行热交换管29围绕热交换器主体39布置，每个下行热交换管29都具有1.5英寸直径和1.7671平方英寸的横截面积。第一横截面积是1.7671平方英寸×36＝0.4418平方英尺。第二横截面积是(1.58-0.0668-0.4418)＝1.0677平方英尺。第二横截面积与第一横截面积的比是2.42。

多个下行热交换管29增加了上行与下行热交换段34和26之间的热交换表面面积。同心围绕3.5英寸热交换器主体39并设置在17英寸上行管38内、其横截面积相等于36个1.5英寸下行热交换管29的单个下行热交换管29将具有约为9.66英寸的直径。36个1.5英寸下行热交换管29的表面面积约为等效单个下行热交换管表面面积的5.6倍。因为总的热传递与表面面积成正比，所以增加的上行与下行热交换段34和26之间的表面面积显著增加了总的热传递。

参见图4，在反应器10的反应区23中，上行管38仍然具有17英寸直径和1.58平方英尺的横截面积，而热交换器主体39具有3.5英寸直径和0.0668平方英尺的横截面积。3个间隔开的下行反应管30围绕热交换器主体39布置，每个下行反应管30都具有5英寸直径和19.635平方英寸的横截面积。下行反应段27的横截面积是19.635平方英寸×3＝0.4091平方英尺。上行反应段35的横截面积是(1.58-0.0668-0.4091)＝1.1004平方英尺。在反应区23中上行流道15的横截面积与下行流道14的横截面积的比是2.69。

图5示出用于热交换区22的替换配置。上行管38具有10英寸直径和0.5454平方英尺的横截面积。热交换器主体39具有2英寸直径和0.0218平方英尺的横截面积。十个间隔开的下行热交换管29围绕热交换器主体39布置，每个下行热交换管29都具有1.5英寸直径和1.7671平方英寸的横截面积。第一横截面积是1.7671平方英寸×10＝0.1227平方英尺。第二横截面积是(0.5454-0.0218-0.1227)＝0.4009平方英尺。第二横截面积与第一横截面积的比是3.2667。

同心围绕2英寸热交换器主体39并设置在10英寸上行管38内部、其横截面积相等于十个1.5英寸下行热交换管29的单个下行热交换管将具有约为5.15英寸的直径。十个1.5英寸下行热交换管29的表面面积约为等效单个下行热交换管表面面积的2.9倍。

图6示出用于反应区23的替换配置，供与图5的热交换区22一起使用。上行管38仍然具有10英寸直径和0.5454平方英尺的横截面积，并且热交换器主体39具有2英寸直径和0.0218平方英尺的横截面积。三个间隔开的下行反应管30围绕热交换器管38布置，每个下行反应管30都具有2.5英寸直径和4.9087平方英寸的横截面积。下行反应段27的横截面积是4.9087平方英寸×3＝0.1023平方英尺。上行反应段35的横截面积是(0.5454-0.0218-0.1023)＝0.4213平方英尺。在反应区23中上行流道15的横截面积与下行流道14的横截面积的比是4.12。

上行管38的直径和反应器10的深度根据具体应用和相应的COD以及所需的产量或生产能力选择。静压力必须足以防止在材料处理所需的反应温度下流体沸腾和喷出，从而确定所需的深度。上行管38的直径根据深度、所需的产量和反应区22中为保证所需反应所需的采样时间确定。下行热交换管29的数量应至少是3个，并且仅受下行热交换管29的最小可用直径限制。可以使用一个或多个下行反应管30。

参见图7，热交换器主体39包括圆筒形内管46、圆筒形中间管47、保温层48和外管49，所述中间管47围绕内管46同心设置并与该内管46在外面间隔开，所述保温层48在内管与中间管46和47之间，而所述外管49围绕中间管47同心设置并与该中间管47在外面间隔开。内管46的内部限定第一通道50，而中间管与外管47和49之间的空间限定第二通道51。内管46在底部开口，而外管49在底部闭合，以形成U形管。如图1所示，加热器53通过第一流动管道54在地面20上方连接到热交换器主体39上，所述第一流动管道54连接到第一通道50上。第二流动管道55连接到第二通道51上。

在第一和第二流动管道54和55上的第一和第二控制阀56和57分别控制流体流入和流出热交换器主体39的流量。在反应器10启动期间，被加热器53加热的流体通过第一流动管道54流入，沿第一通道50而下流动，沿第二通道向上流动，以向反应区22提供热量，并通过第二流动管道55流出。在反应区22中的反应变成自持之后，热交换器18中的流体的流动反向，从而通过第二流动管道55流入，沿第二通道51而下流动，沿第一通道50向上流，并通过第一流动管道54流出，以回收反应中的热量。热交换器18控制反应温度，以防止过热、沸腾和喷出。优选的是，对于本发明的反应器10，如上所述，热交换器18是水冷式设计。由于增加了氧输入和改善了反应器10的热回收，所以过热蒸汽有用的含量可用热交换器18回收。应设置至少一个热电偶58，以监测反应器10的底部流体的温度，并且优选的是，设置多个热电偶58，在选择的深度间隔开，来监测反应器10内的温度。

尽管本发明在一定程度上已作了具体说明，但要理解到，本公开内容作为示例提出，并在不脱离本发明的精神情况下，可以在结构的细节上进行改变。

Claims (17)

1.一种地下自生热的反应器，其用于实现废水的湿氧化，所述反应器包括：

下行装置，所述下行装置用于限定下行流道，并具有下行热交换段和位于所述下行热交换段下方的下行反应段，所述下行热交换段延伸到足以形成所述废水的静液柱的深度，所述废水的静液柱具有足以实现所述湿氧化的压力和温度，所述下行热交换段具有选择的第一横截面积，

空气注射系统，所述空气注射系统连接到所述下行热交换段与下行反应段之间的所述下行装置上，用于将压缩的含氧空气注入到所述废水内并在一定压力下引起所述湿氧化，所述压力增加所述氧气的量，以便在所述湿氧化期间产生更多的热量，和

上行装置，所述上行装置用于以与所述下行装置成热交换关系而限定上行流道，并具有上行热交换段和位于所述上行热交换段下方的上行反应段，所述上行装置与所述下行装置成流动连通，使得沿所述下行装置向下流动的所述废水和空气作为两相流体向上沿所述上行装置流动返回，所述上行热交换段具有选择的第二横截面积，该第二横截面积选择成比所述第一横截面积大很多，以使所述两相流体在所述上行热交换段中的速度相对于所述废水在所述下行热交换段中的速度放慢，以便将基本上最大热量从所述上行热交换段中的所述两相流体传送到所述下行热交换段中的所述废水，

并由此在不从其它源添加热量的情况下维持所述湿氧化，

所述反应器还包括可逆流动的热交换器，所述可逆流动的热交换器与所述下行热交换段和所述下行反应段成间隔开的关系，并延伸到所述上行反应段中，用于引发所述湿氧化、控制所述湿氧化的温度和回收来自所述湿氧化的多余的热。

2.如权利要求1所述的反应器，其中，所述下行热交换段延伸到足以形成所述废水的静液柱的深度，所述废水的静液柱具有足够的压力喷射在一密度下的压缩的含氧空气，所述密度高到足以将湿氧化进行到选择的程度并提供所述空气与所述废水的选择的体积比。

3.如权利要求1所述的反应器，其中，所述第一横截面积和第二横截面积通过考虑流速和热传递系数来进行选择，使得从所述上行热交换段向在所述下行热交换段中的所述下行的废水传送的热量基本上最大化。

4.如权利要求1所述的反应器，其中，所述上行装置包括细长圆筒形上行管，并且所述下行装置包括至少一个在所述上行管内的细长圆筒形下行管。

5.如权利要求1所述的反应器，其中，所述上行装置包括细长圆筒形上行管，所述下行热交换段包括多个在所述上行管内部的间隔开的细长圆筒形下行热交换管，并且所述下行反应段包括至少一个在所述上行管内的细长圆筒形下行反应管。

6.如权利要求5所述的反应器，其中，所述下行热交换段包括至少3个下行热交换管。

7.如权利要求1所述的反应器，包括压力控制装置，所述控制装置被连接到所述上行装置上以控制所述下行和上行装置中的压力和流率。

8.如权利要求1所述的反应器，其中，所述下行和上行装置延伸到3000-6000英尺的深度。

9.如权利要求1所述的反应器，其中，所述下行和上行热交换段延伸到200-3000英尺的深度。

10.一种地下自生热的反应器，用于实现废水的湿氧化，所述反应器包括：

下行装置，所述下行装置用于限定下行流道，并具有顶端、多个在所述顶端下方间隔开的细长圆筒形下行热交换管、多个在所述下行热交换管下方间隔开的细长圆筒形下行反应管，以及底端；所述下行热交换管延伸到足以形成所述废水的静液柱的深度，所述废水的静液柱具有足以进行所述湿氧化的压力和温度，所述下行装置具有选择的第一横截面积，

泵，所述泵用于将所述流体抽送到所述下行流道的所述顶端中，

空气注射系统，所述空气注射系统连接到所述下行热交换段与下行反应段之间的所述下行装置上，用于将压缩的含氧空气注入到所述废水内并在一定压力下引起所述湿氧化，所述压力增加所述氧气的量，以便在所述湿氧化期间产生更多的热量，

上行装置，所述上行装置用于以与所述下行装置成热交换关系而限定上行流道，并具有顶端、上行管和闭合的底端，所述上行管在所述顶端的下方，并围绕所述下行热交换管和反应管；所述闭合的底端与所述下行装置的所述底端成流动连通，使所述废水和空气沿所述下行流道向下流动并流出所述上行装置的所述顶端，所述上行装置具有选择的第二横截面积，该第二横截面积选择成比所述第一横截面积大很多，以使所述两相流体在所述上行热交换段中的速度相对于所述废水在所述下行热交换段中的速度放慢，以便将基本上最大热量从所述上行热交换段中的所述两相流体传送到所述下行热交换段中的所述废水，和

可逆流动的热交换器，所述可逆流动的热交换器在所述上行管内，与所述下行热交换管和所述下行反应管成间隔开的关系，所述热交换器从所述顶端延伸到所述上行装置的所述底端附近，用于引发所述湿氧化、控制所述湿氧化的温度和从所述湿氧化回收多余的热，

由此，在不从其它源添加热量的情况下维持所述湿氧化。

11.一种实现地下自生热的废水湿氧化的方法，所述方法包括以下步骤：

提供下行流道，所述下行流道具有下行热交换段和在所述下行热交换段下方的下行反应段，所述下行热交换段延伸到足以形成所述废水的静液柱的深度，所述废水的静液柱具有足以进行所述湿氧化的压力和温度，所述下行热交换段具有选择的第一横截面积，和

提供空气注射系统，所述空气注射系统连接到所述下行热交换段与下行反应段之间的所述下行装置上，

通过所述空气注射系统将压缩的含氧空气注入到所述下行流道中的所述废水内，以便在一定压力下引起所述湿氧化，所述压力增加所述氧气的量，以便在所述湿氧化期间产生更多的热量，

提供上行流道，所述上行流道与所述下行流道成热交换关系，并具有上行热交换段和在所述上行热交换段下方的上行反应段，所述上行流道与所述下行流道成流动连通，使得沿所述下行流道而向下流动的所述废水作为两相流体向上沿所述上行流道流动返回，所述上行热交换段具有选择的第二横截面积，该第二横截面积选择成比所述第一横截面积大很多，以使所述两相流体在所述上行热交换段中的速度相对于所述废水在所述下行热交换段中的速度放慢，以便将基本上最大热量从所述上行热交换段中的所述两相流体传送到所述下行热交换段中的所述废水，

使所述废水沿所述下行流道而向下流动并沿所述上行流道向上流动，

将热量从所述上行热交换段中的所述两相流体传送到所述下行热交换段中的所述废水，所述热量足以维持所述湿氧化的步骤，

由此，所述湿氧化为自生热的，

所述方法还包括以下步骤：

提供可逆流动的热交换器，所述热交换器伸入到所述上行反应段中，

通过用所述热交换器将热量加到所述上行反应段中的所述流体而引发所述反应的步骤，

用所述热交换器控制所述反应步骤的温度，和

用所述热交换器从所述反应步骤回收多余的热。

12.如权利要求11所述的方法，其中，所述下行热交换段延伸到足以形成所述流体的静液柱的深度，所述流体的静液柱具有足够的压力以喷射一密度的压缩的含氧空气，所述密度高到足以使所述湿氧化进行到选择的程度，并提供所述空气与所述废水的选择体积比。

13.如权利要求11所述的方法，其中，所述传热的步骤将基本上最大的热量从所述上行热交换段中的所述两相流体传送到所述下行热交换段中的所述废水。

14.如权利要求11所述的方法，其中，所述上行流道由细长圆筒形上行管限定，所述下行热交换段由所述上行管内的多个间隔开的细长圆筒形下行热交换管限定，而所述下行反应段由所述上行管内的至少一个细长圆筒形下行反应管限定。

15.如权利要求11所述的方法，该方法包括提供压力控制装置的步骤，所述压力控制装置连接到所述上行流道上，以控制所述下行和上行流道中的压力和流率。

16.如权利要求11所述的方法，其中，所述下行和上行流道延伸到3000-6000英尺的深度。

17.如权利要求11所述的方法，其中，所述下行和上行热交换段延伸到200-3000英尺的深度。

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