CN104302583A - 用于基质氧化的反应器 - Google Patents

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Abstract

一种用于基质氧化的反应器及工艺，包括：配置为在液体内溶解基质的第一反应腔，所述第一反应腔包括连接出口；所述连接出口与所述第一反应腔下游的管状反应腔相连接，所述第一反应腔的条件对于流体为超临界的，所述管状反应腔的条件对于运载溶解的基质的液体为超临界的。

Description

用于基质氧化的反应器
技术领域
本发明涉及一种用于基质氧化的反应器及工艺。具体地，本发明涉及一种包含多个反应腔的反应器及工艺。
背景技术
当高于其临界温度和压力时，液体发生结构变化。这些变化引起与亚临界系统所观察到的迥然不同的热力学性质和反应行为。例如，当温度高于374℃、压力高于220.4bars(22mPa)时，水变为超临界，其氢键减弱，水的物理性质发生变化，使得其变成所有有机物和气体的溶剂(不同于环境水)。照此，在超临界范围内，水变为一种用于大范围化学反应的理想反应介质，该化学反应在亚临界条件下的该介质(如果有的话)中是不可能发生的。这显著拓宽了水及其他液体的潜在应用范围。
超临界液体的一个应用为通过超临界水介质的氧化，实现包括化学稳定的有害污染物的水性废液的处理。该工艺被称为超临界水氧化(SCWO)。
在SCWO工艺中，超临界水条件下(分别高于375℃和220.4bars(22mPa))，水性废料与反应器内的氧化剂(空气或氧气)相接触。快速氧化仅需数秒或数分钟发生。这使得工艺具有极高的效率。由于超临界水(SCW)的溶解力，反应介质为单相，促进完成反应。对大部分废料，这些条件足以实现99.99％的消灭和去除效率(DRE)，甚至更高。专利US 4,543,190描述了一种超临界条件下的用于有机材料的氧化还原反应的SCWO工艺。
SCWO工艺面临的挑战包括在反应器壁形成金属氧化物的可能性导致的腐蚀。这是由水和氧气在极端条件下的共同存在而引起的。在一定程度上，氧化物为反应器壁提供保护，然而超过一定极限时，其变为破坏性，使得壁开始被分解。另一项挑战为不溶于超临界水的盐类和其他无机物的沉淀。这些盐类在反应器壁和系统管路的沉淀会引起堵塞。然而，盐类沉积受制于基质的生产尺寸、操作条件和化学结构。
专利US 6,056,883提出无机物沉淀可通过合适溶剂的冲洗去除；然而，这需要SCWO反应停止。专利US 5,358,646提出多重热阶段可用于废液的处理。催化过程阶段实现固体材料(包括任何形成于废料处理之前的沉积盐类)的去除。固体材料的去除降低了昂贵的催化剂发生中毒的风险。专利WO/2006/052207描述了SCWO系统，在系统中，一种包括氧化剂的流与包括基质的流相接触。
人们迫切需要一种改进的超临界基质氧化工艺。该工艺力图提供提高的氧化效率、产生的无机沉淀规模的控制(无论是使其易于去除，还是避免氧化过程中的破坏)、引入催化工艺的需求的避免、提供连续工艺的可能性，以及氧化液体流和固体废料流的一者或两者(如可能，能在两者间转换)的可能性的一种或多种。
本发明旨在改进现有超临界基质氧化工艺的至少部分方面，如有可能，解决上述描述的问题中的一个或多个。SCWO型工艺在废料处理，尤其是临床废料，可能在实验室规模的应用也是可取的。
发明内容
因此，本发明的第一个方面提供一种用于基质氧化的反应器，包括：配置为在液体内溶解基质的第一反应腔，所述第一反应腔包括连接出口；所述连接出口与所述第一反应腔下游的管状反应腔相连接，所述管状反应腔的条件对于运载溶解的基质的液体为超临界的。照此，所述第一反应腔的条件对于液体通常，但并非总是亚临界的。当采用亚临界条件是有利的，因为亚临界条件下的溶解比等效的超临界系统更温和安全，使得基质的预处理为相对安全(相对于已知的超临界系统)、节能方式。本发明的反应器的一个优势在于为第一反应器去除沉淀固体提供多重反应腔设计，提高管状反应腔内的第二阶段氧化工艺的效率。另外，通过该种方式间隔反应，可更高效地监控到反应的整体进度。进一步，先于氧化的溶解在工艺安全、调节热发生和回收方面具有操作优势。
尽管反应器的一般描述包含一个第一反应腔，和一个管状反应腔；应理解在不同的操作配置中，可采用两个或多个的每种反应腔。例如，两个或多个第一反应腔可为一个管状反应腔供料，或者一个第一反应腔可为两个或多个下游的管状反应腔供料，视情况而定。
当存在两个或多个第一反应腔，从一个腔体到另一个腔体的切换可通过三通阀实现。它可隔离多个第一反应腔中的一个(当其装满)，而运作的腔体“内连”(如流体连通)所述管状反应腔。这种设置具有如下有益效果：
1、通过从一个第一反应腔到另一个反应腔的切换，它保证工艺连续性的可靠，允许一个或多个腔体装满的同时，一个或多个其他腔体的内容正在被处理。
2、它允许不溶性固体的去除，诸如“针状物”和尖状物不能流入管状反应腔。
3、它允许不溶性盐的去除，所述盐类从流体-基质混合物中沉淀析出。
第一反应腔的条件对于液体为亚临界时，将促进流体中的固体的溶解、以及液体废料和流体的混合。几乎所有基质将要么溶解，要么与流体混合，从而被携带通过连接出口进入管状反应腔；然而流体的出现引起不溶性盐的形成，或者基质不溶于流体(例如废料如为玻璃尖状物)，它们将在流体转移到管状反应腔之前从流体中去除。可采用广泛范围的去除方式，不管怎样，典型的重力分离将为采用的方法。
本文所用的术语“重力分离”规定为其在本领域的通常含义；即，从悬浮液采用重力过程的固体分离或者，换言之，液体在重力下的固定的“沉淀”。本发明的重力分离的使用并不禁止其他方法的附加使用，其他方法例如过滤、絮凝、凝结和/或抽吸，其可提高分离速度，但通常重力分离会单独使用。
提供的腔体允许沉淀固体从基质和流体的混合物的重力分离高效利用自然沉降过程，并且提供第一反应腔内的主要工艺物料流的任何沉淀盐类和不溶性固体的快速去除，若需要允许基质和流体的混合物以连续流经过管状反应腔。先前的系统常局限于分批处理，导致在第二氧化或其他反应阶段之前从流体分离沉淀固体的需求。
提供的用于沉淀的固体的出口确保这些固体可从反应混合物中完全去除，而不需要被破坏，确保了这些固体不会干预后续的化学和物理处理。进入管状反应腔的基质和流体的混合物通常为大致均匀的并大致无微粒(例如，微粒的范围为0-5％、0-2％、0-1％、0-0.5％或0-0.1％)。
在许多例子中，流体包含水。通常流体将主要为水介质，然而其他溶剂也可以存在。使用水介质是因其简单实用性，以及因为许多净化工艺从已经为水形式的废弃基质开始(例如水溶液或悬浮液)。因此，使用水作为用于反应的基础介质来处理这些基质是最高效地。通常，第一反应腔在对于流体为亚临界条件下运行，在这种情况下，当流体为水时，水一般将被加热、压缩或两者皆是。照此，水可在第一反应腔的条件下为热压缩水，在管状反应腔的条件下为超临界水。
本发明的一个预期应用为在破坏化学稳定的有害废物流中，反应器构造为旨在针对临床(医疗)废料(包括病原性的、传染性的和有毒废料)，并可能扩大本申请至核废料。照此，经常出现的情况是，基质为从出现在临床废料、核废料、污水、石化的和医药废料和工业废料的基质选出的；这提供了系统在废料处理产业的效用。通常，基质为有机的、生物学的和/或偶尔无机的。基质可为一个化合物，或具有相似反应性的多个化合物的简单混合；或者基质可为每个具有不同反应性的不同物质的复杂混合物，并且其将在不同条件下氧化。然而，管状反应腔的条件一般将满足废料中的所有有机物质的氧化。无机物质一般呈现不明显的含量(无论是由于在第一反应腔的沉积，还是在第一反应腔的不溶而被去除)。
所述基质可仅为一种类型，或者一种或多种有机的、生物学的和无机的废料的混合物。可理解，一种特定的废料物质落入这三种类型中的不只一个是可能的。这些有机的、生物学的和无机的基质为废料基质时，它们一般将为上述描述的废料的不同类型中出现的类型。
上述基质可为液体或固体或其组合。本发明的一个优势为反应器可处理固体、液体或组合的废物流，而不需要分离。这里的“液体”基质是指，包括单纯液体或多种液体的混合物、包含溶质的液体，和流内运载细颗粒物的液体(例如胶体系统)。术语“固体”适用于包括凝胶。仍将被理解的是，固体可包含一定量的液体并仍未大致“固体”，例如，一种描述为污泥的基质，在本文定义为固体，但包含可测量的(大概高达30wt％)液体。包含微粒物质的液体和固体之间的界面是要取决于基质中的固体的含量。在本文中，固体为当其包含少于或等于30wt％的液体的“固体”，即0-30wt％范围的液体。类似地，液体将包含少于或等于70％的固体，即0-70％范围的固体。
所述基质可被挤压、活塞进给、泵送或直接放置在第一反应腔。基质为固体时，其通常被放置、挤压或活塞进给到第一反应腔，在一些例子中，可使用注射泵将基质转移到腔体。液体可使用泵或直接倾倒来注入第一反应腔，然而对于两种基质，两种方法可单独或结合使用。
在一些例子中，基质的一部分可绕过第一反应腔并直接注入到下游的管状反应腔。这最经常发生在液体基质，因为管状反应腔中固体的出现会干扰氧化过程。通常，这发生在包含只有极低的微粒物质的含量的液体，大概2％或更低。
所述第一反应腔可为圆柱体结构，通常在重力方向的“底部”具有锥形部分，使得任何沉淀的或不溶性的固体将从流体中分离进入该锥形部分。所述第一反应腔配置为包括锥形部分，不论所述第一反应腔为圆柱体或其他(例如矩形或球形)结构，锥体的底部可为沉淀固体的出口位置。为避免疑义，“沉淀固体的出口”也是指通过该出口，可以设想，从第一反应腔除去任何在采用的条件下不溶于流体的固体(不溶性固体)。
通常，所述第一反应腔的容量为500ml-51的范围，常常为11-31，在一些情况为1.51-21。可以看到，制作此种大小的腔体的优势在于考虑到实验室环境的部件的内含，使得多个部件可出现在一个建筑物(例如医院)周围的各种位点。
尽管第一反应腔可采取多种结构，圆柱体部分的内含通常优选为包括较少的边和角的圆筒。由于边和角更易于腐蚀和俘获沉淀物质，提供给第一反应腔的圆柱体结构的选择，使得第一反应腔不易于受腐蚀、变堵塞、或生水垢。由于腐蚀的修补、腔体的清理二者皆需要基质处理的中断，因此选择圆柱形的配置是有利的。
在一些例子中，所述第一反应腔包括圆柱形部分，该圆柱形部分的直径为容器高度的0.25-0.75范围内，通常腔体的直径大约为容器高度的0.5倍。
所述第一反应腔通常位于特别设计的“工作站”内，其可被用户安全和轻易地装满。通常，本领域的普通技术人员可通过已知的任一种方法将第一反应腔固定以防止倒塌，而第一反应腔为圆柱形时，通常使用底环。
用于沉淀固体的出口可包括孔或阀，以便于沉淀固体和不溶性固体的定期去除和处理。由于沉淀固体常常包括腐蚀性的盐类，至少在高温高压情况下，第一反应腔中对固体物料连续的或定期的去除可限制腔体内的腐蚀损坏。另外，反应器的堵塞也可降低，例如在多个反应腔之间工作的管道，或腔体自身的水垢。
所述出口为阀时，其通常设计为多阀系统，该多阀系统能够使出除的沉淀固体从第一反应腔进入第二反应腔。第二反应腔的压力可下降，固体可从反应器内排放出去。通常，阀结构为两通阀。使用两通阀系统允许在第一反应腔内的固体的去除不损耗压力(由此引起高压反应条件的损耗)。因此可提供连续的反应过程。
除了流体内的基质的分解，和通常固体的沉积和去除，可能出现的情况是，第一反应腔提供基质的第一阶段氧化。在该第一阶段氧化中，通常为，要被氧化的混合基质中较不复杂的组分，而混合基质中更复杂的组分也可被氧化为最终产物或简单为一系统氧化反应的第一阶段氧化。当基质为一种物质，或多种物质的简单混合物(其将以大致相同的方式被氧化)，氧化反应可在单一步骤内发生。在该情况下，可以在第一反应腔内不添加氧化剂，氧化反应单独在第二反应腔内完成。在该情况下，第一反应腔的目的在于促进流体内的固体基质的溶解、流体和液体基质的混合、不溶性固体或沉积盐类的经常性的沉积和去除。反应腔一般由耐腐蚀材料组成，如钛。也可使用镍铬合金如因科镍(RTM)家族合金，或不锈钢如SS316。这些材料众所周知能很好地抗高压和超临界流体的腐蚀。SS316为一种能承受高达300bars(30mPa)的压力和300℃-350℃范围的温度的不锈钢。该等级的不锈钢的别名包括航海级不锈钢，其典型的化学组分为：C 0.08wt％，Cr 16-18wt％，Mn 1.25-2wt％，Mo 2-2.5wt％，Ni 10-11wt％，P 0.04wt％，S 0.03wt％，Si 0.75wt％，余量为Fe。
因科镍(RTM)合金为奥氏体镍铬基高温合金。他们一般含有镍、铬、铁、锰、硅、碳和硫，可选地，还含有钼、铌、钴、铝、钛、磷、硼中的一个或多个。因科镍(RTM)合金的具体实例包括：
第一反应腔可由一种或多种材料，单独或结合，组成。例如，第一反应腔可为钢或镍合金，通常为不锈钢，如SS316。第一反应腔可为有内衬的，或内表面的部分或全部有涂覆的，以提高耐腐蚀性，通常内表面的大致全部为有内衬的，通常为选取自金、银、钛或其合金，铬、镍、锰及其组合的耐腐蚀金属。可选地，这些合金包括硅或碳，并且可经过处理以提高他们的耐腐蚀性。
目前，用于沉积固体的出口处的任意阀可由上述描述的材料单独或结合组成，通常，阀由钛或钛合金构成。可选地，阀可涂覆有钛。钛的使用提供耐腐蚀性。
管状反应腔一般由上述描述的材料构成，然而由于潜在地腐蚀的沉积固体已经被去除，通常的情况为管状反应腔的内表面不被涂覆。通常，管状反应腔将由耐腐蚀合金构成，例如钛或镍铬合金。当使用镍合金时，其通常为因科镍合金，如因科镍625。
管状反应腔的典型容量为0.051-0.51，通常为0.1-0.21，通常为0.1251-0.151的范围，通常由合适长度的小直径管实现，例如长度在1/8-1英寸(0.32-2.54cm)，通常为1/4-1/2英寸(0.64-1.27cm)的范围。如上所述，制作此种大小的腔体的优势在于考虑到实验室环境的部件的内含，使得多个部件可出现在一个建筑物(例如医院)周围的各种位点。
如上所述，经过基质的溶解、以及所有沉淀或不溶性的固体的去除后，从第一反应腔的输出一般为液体。该液体可从下方被泵入管状反应腔进行进一步处理。可选地，可使用重力转移，或应用到连续过程的未反应的基质进入第一反应腔的压力。如果第一反应腔在对流体为亚临界的条件下操作时，流体在通过连接孔将要进入管状反应腔时变为超临界。
第一反应腔和管状反应腔之间可设置一个混合阀，例如以允许基质和流体的混合物从第一反应腔通过至少一个管道进入管状反应腔，或以允许至少一个第一反应腔的产物注入到单一的管状反应腔。流速通常维持在足够高的水平，以得到管状反应容器内的充分湍流。
管状反应腔位于第一反应腔的下游，并一般用于“第二阶段”处理，以得到基质的完全(近乎完全)转化。基质的建立转化的过程依赖于基质的性质，但其一般包括沉积和氧化反应的结合。如果仅用于一个“阶段”或反应容器，氧化反应将一般构成“第二阶段”，并因而将发生在管状反应容器内。照此，氧化反应可不发生在第一反应腔，该第一反应腔可单独用于基质的溶解，以及可选的，不溶性组分和沉积盐类的分离。基质为废料时，一般希望通过将废料大致或全部转化为良性产物来消灭废料，该良性产物如水、氮气、二氧化碳、氯离子、硝酸盐、硫酸盐和磷酸盐。
所述管状反应容器的结构设置为可提高废料的转化效率，然而，当反应混合物(例如，基质和流体的混合物)转移到管状反应容器之前已去除沉积物时，管状结构工作最高效。照此，通常情况下，在反应混合物转移到管状反应腔之前，第一反应腔将去除大部分(如非全部)的沉积固体(95％，通常为98％或99％或99.5％或99.9％；因此在95％-99.9％或100％，98％-99.9％或100％，99.5％-99.9％或100％，或99.9％-100％范围内。)
所述管状反应腔通常为推流式反应器。
氧化剂可添加到第一反应腔和/或管状反应腔。在许多情况下，管状反应腔可为唯一使用氧化剂的腔体，在该情况下，第一反应腔可考虑作为预处理腔体，在该腔体中溶解基质、和从基质和流体的混合物中分离不溶性固体和沉积(一般为无机物)盐类。通常氧化物包含氧，并选自过氧化氢、纯氧、富氧空气、和/或空气，这是由于这些氧化物容易存取，并且它们的反应容易控制。
通常基质使用过量的氧化剂氧化，过量的氧化剂的使用确保了大致全部，若非全部(90％，通常为95％，通常为98％，若非99％，99.5％或99.9％；因此在90％-99.9％或100％，95％至99.9％或100％，98％-99.9％或100％，99.5-99.9％或100％或99.9％-100％)的基质被氧化。当基质为具有不同氧化性质的组分的混合物时，过量的氧化剂的使用是可取的；在该情况下，过量的氧化剂的使用可帮助确保更多的基质被氧化。在本文中，属于“过量的氧化剂”是指氧化剂的化学计量的过量。
使用时，氧化剂可通过入口添加到第一反应腔。通常，氧化剂通过第一腔体或第二腔体的多个入口添加到第一反应腔和/或第二反应腔。多个氧化剂入口(尤其是在管状反应腔)的使用提高了基质转化的效率，尤其是对基质的含氮碎片。这些益处尤其当多个氧化剂入口用于管状反应腔时，同时当每一阶段的反应混合物的流量经过管状反应腔时可被观测到，添加更多的氧化剂，确保氧化剂和未反应基质的较好混合，进而确保更大比例的基质氧化。
如果多个氧化剂入口仅用于一个腔体，他们将用于管状反应腔，同时该腔体配置为获得多个入口的最大使用效率。通常情况下，如果真要出现的话，第一反应腔仅出现一个、或两个或三个氧化剂入口。
已发现，氧化剂注入到管状反应腔的位置、和分流比为影响氧化过程的因素，氧化剂的逐步添加在提高废料的转化、反应能量的定期释放方面是有利的，其在释放的能量的使用方面更安全和高效，并且氮部分的转化的提高有利于与温室气体N20相对的良性N2的产量。当65-85％或70-80％的氧化剂从腔体入口(或附近)注入到管状反应腔，以及15-35％或20-30％的氧化剂在大约管状反应腔的长度的一半处添加时，实现最高的转化效率。当大约75％(可选地，±2％)的氧化剂在入口注入，并且大约25％(可选地，±2％)的在管状反应腔的长度的一半处注入时，可观测到最佳效果。在本文中，术语“一半”是指沿管状反应腔的纵轴的40-60％范围的距离，通常为沿管状反应腔的纵轴的45-55％或50±2％范围的距离。
多次氧化剂注入的另一个优点在于，调节沿管状反应腔的长度方向的热分布(因而温度)。由于氧化剂产生快速和大量的热量，调节反应程度将同样调节热发生并将热损失和消耗减至最低。
在添加至第一和/或管状反应腔之前，氧化剂可压缩至至少等于(优选高于)待添加的腔体的压力。可采用任何已知的压缩机，如气泵。通常，氧化剂的压力大于或等于220bars(22mPa)，并且可在240-260bars(24-26mPa)范围内，通常大约为250bars(25mPa)。
本发明的第二个方面提供一种用于基质氧化的工艺，包括：在第一反应腔内的流体中溶解基质；传送基质和流体的混合物至下游的管状反应腔；在超临界条件下氧化基质；以及从反应器内排出氧化产物。所述工艺还包括允许通过重力从基质和流体的混合物中分离沉积和不溶性固体的步骤、和从第一反应腔中去除沉积和/或不溶性固体的步骤中的一项或二者。
一般而言，管状反应腔的大致全部(若非全部)的过程都在超临界条件下操作。这对于，当需要高水平的能量来将用于基质的超临界流体返还到一度回复到环境状态的超临界状态，是有效处的。因此，在整个反应过程中，能更高效地维持超临界流体处于超临界状态。
本发明的工艺的优点在于，基质(不需要使用催化剂)可高产量地被氧化。这降低了工艺成本，并简化了如发生唯一的额外的反应组分为氧化剂时的反应。照此，由于本发明不需要使用催化剂，本发明的过程和反应器可不包括催化剂。然而，催化剂并不被明确排除，当反应的研究需要催化剂存在的辅助，并且催化剂的存在或不引入操作问题，或催化剂使用的益处大于引入的操作问题，他们仍可被使用。
通常，本发明的工艺为连续性的，尽管仍可使用批量氧化。连续过程的优点在于不需要停止过程和重启反应器，本发明的工艺的采用连续过程的特有优点在于，通常待氧化的基质会构成连续生成流的一部分，如废物流；插入将废料处理进入流的连续方法比为流建立多个贮存容器，在允许批量处理上更高效。
为了确保最佳的反应条件，第一反应腔一般维持在250℃-350℃的温度范围，通常为275℃-325℃的范围，通常为大约或刚低于300℃，例如290℃-295℃。第一反应腔通常还要被加压，压力值一般在240-260bars(24-26mPa)的范围，通常为240-250bars(24-25mPa)。当系统采用该温度和压力的组合，其中的流体具有很好地溶解性质，但不为超临界，从而降低了结合装置使用的风险。
为了确保超临界条件，管状反应容器一般维持在400℃-500℃的温度范围，通常为400℃-550℃的范围，有时管状反应容器为400℃-500℃。本领域的普通技术人员能理解，管状反应容器所选取的温度是为了确保超临界条件，并平衡了提高执行工艺的温度所带来的额外成本。当水构成反应介质/流体时，若想要实现超临界条件，管状反应腔必须维持高于374℃的温度。另外，维持温度等于或高于400℃能降低超临界流体的腐蚀形，这是由于腐蚀较少发生在270℃-390℃范围以外的温度，因此控制温度也能控制腐蚀。
管状反应腔的压力值一般独立在240-260bars(24-26mPa)的范围，通常大约为250bars(25mPa)，以确保维持超临界条件。
由于工艺发生在高压和高温(通常超临界)的条件下，安全是至关重要的，因此通常系统使用安全阀和自动回压调节器，第一反应腔通常配合安全隔板。
本发明的第三个方面提供了一种本发明的第一个方面的反应器在基质氧化的应用。使用时，废料一般直接通过第一反应腔加入反应器中。一旦装满，第一反应腔可被密封、加热和加压直至所需的温度和压力(通常大约为300℃和250bar/25mPa)。第一反应腔同样连接到管状反应腔。连接一般通过第一反应腔的简单密封和连接孔的开放。加热通常通过使用套式加热器来实现，但是视容器的尺寸和所处的环境而定，可使用一系列的方法。加压可通过进入第一反应腔的流体的抽入实现，可使用一系列不同的泵，但通常选取HPLC泵。
如上所述，一般至少有两个第一反应腔，促进其中的一个或多个的加注，同时存在于一个或多个反应腔中的废料被处理。当多个第一反应腔和/或管状反应腔存在，连接出口可为多通阀，然而简单的开关阀同样可构成连接出口，并接着允许流入多通阀。这样的配置提供了系统控制及安全的附加等级。
一旦达到这些温度和压力条件，第一反应腔变为可操作的，溶解/混合开始。接着，流体和基质的混合物可通过连接出口进入管状反应腔。一般来说，当连接出口打开时，如果第一反应腔的压力足以提供流体和基质的混合物从第一反应腔自然流出进入到管状反应腔，则不需要抽运。通常，流速为使得进入管状反应腔的流体为湍流，有助于基质的氧化。
已发现，本发明的反应器能破坏多种系列的基质，包括有机废料、有毒物质、和传染性物质，如医疗废料，效率达99.9％。
来自管状反应容器的惰性输出或处于高压和高温，通常高达250bars(25mPa)和大约500℃。照此，该惰性输出包括高品位热能；其可通过预加热进入第一反应腔或管状反应腔之前流经(也可被抽送至)热交换部件的液体基质来回收。热能的再利用进一步提高了本发明的工艺的效率。可选地，如需要，该热能可转向其他应用。
不管是否经过热交换部件(尽管这将是一般情况)，惰性输出可接着进入分离部件，以分离液体和气体。液体一般可由水组成，有时含有低浓度的无机盐，而气流可含有良性气体，如氮气和二氧化碳。
除另有说明外，可被本领域普通技术人员理解的是，本发明描述的每一个整体可与其他任一整体结合使用。进一步，尽管本发明的各方面优先“包括”与该方面描述相关的特征，可以明确设想，他们可由权利要求书概况的特征“组成”或“本质上组成”。
进一步，在本发明的讨论中，除非说明相反，参数的容许范围的可选值的上限值和下限值的披露需被理解为，默认所述参数的每个中间值位于可选值的最小和最大之间，其自身也可公开为参数的一个可能值。
另外，除另有说明外，本申请出现的所有数值应理解为“大约”。
附图说明
为了更容易理解本发明，下文将结合附图和具体实例进行描述。
图1是根据本发明的超临界水的氧化装置的示意图，该系统具有一个第一反应腔和一个管状反应腔；以及
图2是根据本发明的超临界水的氧化装置的进一步示意图，该系统具有两个第一反应腔和一个管状反应腔。
具体实施方式
图1的反应腔10包括容纳在加热器13内的第一反应腔11和管状反应腔12。加热器13可为烘箱或其他合适的工具，以加热温度至靠近并超过水的超临界温度。在本实施例中，使用可拆卸的套式加热器。容器11为2升的容量，并由镍合金因科镍645制成，内衬为钛。
贮存容器14内的主要包括固体废料的废料进入高压挤出部件15，该高压挤出部件15迫使废料在压力下通过管道进入第一反应腔11。氧气形式的氧化剂通过250bar(25mPa)的压缩机16引入到第一反应腔11。
第一反应腔中的从废料中沉淀固体盐类的反应发生在250℃至350℃的温度间，和250bar(25mPa)的压力下。
第一反应腔11的锥形部分17具有圆锥形的截面，并向阀18逐渐缩小。阀18为钛阀，通过该阀可以在不影响第一反应腔11的压力下，所有沉积的盐类移到第二腔体19。当阀18关闭时，第二腔体19可回到大气压力，并从系统中移除，所有收集的不溶性固体和沉积的盐类被再利用或丢弃。
从第一反应腔11部分处理的废料通过混合阀20(连接出口)进入管状反应腔12。管状反应腔12具有管状结构，并由镍合金因科镍625制成。管状反应腔的直径为1/4英寸(0.63cm)，容量为0.125升。管状反应腔12的温度维持在450℃和500℃间，压力维持在250bar(25mPa)。
管状反应腔12具有两个有压缩机21提供的氧化剂入口，通过压缩机21提供压力为250bar(25mPa)的氧气或富氧空气。75％的氧化剂通过靠近管状反应腔12入口的氧化剂入口进入管状反应腔12，25％的氧化剂通过沿管状反应腔长度方向的大概一半处的氧化剂入口进入管状反应腔12。
存贮在容器22的液体废料通过液体泵23以出口压力250bar(25mPa)注入到系统。经过液体泵23后，液体废料通过三通阀24进入管状反应腔12，其中三通阀24可直接导向第一反应腔11，或直接导向混合阀20。
管状反应腔12的惰性输出通过热交换部件25，将热量转移给进来的液体废料，使其在进入第一反应腔或管状反应腔之前被预加热，从而使工艺更高效节能。
从热交换器25出去后，惰性输出物质通过背压调节阀26并进入气/液分离部件27，通过该部件，气相收集在存贮部件28中，液相收集在存贮部件29中。
图2示出了本发明的反应器，其具有两个第一反应腔11，每个第一反应腔11由不锈钢(SS316)制成，并操作在260bar(26mPa)的压力和大约300℃的温度下。在该结构中，一个腔体11可进行处理，同时第二个腔体正被填充，反之亦然，为系统提供连续处理。在本实施例中，第一反应腔的容量为1升，且填充是经由基质的简单添加进入到敞开的第一反应腔11.
两个第一反应腔11的存在需要三通阀，以允许流向从该腔体的一个或另一个到管状反应腔。
第一反应腔容纳在可拆卸的套式加热器13内，并与泵30相连接，水在泵30中被泵压至250bars(25mPa)。
废料的泄流通过安全开关阀3到混合阀20，到加热腔体32。三通阀24可用于，在进入管状反应腔12之前，允许其他预加热的混合的液体废料的加入。
氧气形式的氧化剂引入到管状反应腔12中。其为具有塞流设计的管状结构，有镍合金因科镍625制成。管状反应腔的加热通过使用烘箱13来实现。
管状反应腔12具有由压缩机21提供的两个氧化剂入口，通过压缩机21，提供压力为250bars(25mPa)的氧气或富氧空气。
管状反应腔12的惰性输出通过热交换部件25，从中，高品质的热含量通过加热进来的液体废料并进入管状反应腔12来回收，使得工艺更节能高效。
从热交换器25出来后，惰性输出物质通过自动反压力调节器(BPR)26。不管废料性质和流量的变化，BPR 26用于保证整个系统处于恒压下。
膨胀的出口物质处于大气压和室温下。它注入到气/液分离部件27中，从中气相被排到大气中，液相被丢弃。
应理解，本发明的反应器、工艺和应用可包含多种不同形式的实施例，上文仅举例和描述其中的几个实施例。

Claims (21)

1.一种用于基质氧化的反应器，包括：配置为在液体内溶解基质的第一反应腔，所述第一反应腔包括连接出口；所述连接出口与所述第一反应腔下游的管状反应腔相连接，所述管状反应腔的条件对于运载溶解的基质的液体为超临界的。
2.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述流体包括水。
3.如权利要求2所述的反应器，其特征在于，所述第一反应腔的流体为热压缩水，和/或所述管状反应腔的流体为超临界水。
4.如前述任一条权利要求所述的反应器，其特征在于，所述基质选自临床废料、核废料、污水和工业废料。
5.如前述任一条权利要求所述的反应器，其特征在于，所述基质为有机的、生物学的和/或无机的。
6.如前述任一条权利要求所述的反应器，其特征在于，所述第一反应腔还配置为分离从流体和/或不溶性固体中沉积的固体，通过重力分离沉积固体至出口。
7.如前述任一条权利要求所述的反应器，其特征在于，所述第一反应腔为圆柱形容器。
8.如前述任一条权利要求所述的反应器，其特征在于，所述管状反应腔为塞流反应器。
9.如前述任一条权利要求所述的反应器，其特征在于，氧化剂添加到所述第一反应腔和/或所述管状反应腔。
10.如权利要求9所述的反应器，其特征在于，所述氧化剂包括氧。
11.如权利要求9或10所述的反应器，其特征在于，氧化剂从多个入口添加到第一反应腔和/或第二反应腔。
12.一种用于基质氧化的工艺，包括：
在第一反应腔内处于亚临界条件下的流体中溶解基质；
传送基质和流体的混合物至下游的管状反应腔；
在超临界条件下氧化基质；
以及从反应器内排出氧化产物。
13.如权利要求12所述的工艺，还包括允许通过重力从基质和流体的混合物中分离沉积和不溶性固体的步骤；和从第一反应腔中去除沉积和/或不溶性固体的步骤。
14.如权利要求12或13所述的工艺，该工艺为连续的。
15.如权利要求12-14中的任一项所述的工艺，其特征在于，所述第一反应容器维持在250-325℃的温度范围，和/或所述管状反应腔维持在400-600℃的温度范围。
16.如权利要求12-15中的任一项所述的工艺，其特征在于，所述基质使用过量的氧化剂氧化。
17.如权利要求12-16中的任一项所述的工艺，其特征在于，所述基质在第一反应腔和/或管状反应腔中氧化。
18.如权利要求17所述的工艺，其特征在于，所述基质仅在管状反应腔中氧化。
19.如权利要求18所述的工艺，其特征在于，所述基质包括固体基质和液体基质的组合，其中，所述液体基质仅在管状反应腔中氧化。
20.一种如权利要求1-11中任一项所述的反应器在基质氧化的应用。
21.一种大体上由本文结合附图描述的反应器或工艺。
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