CN113173635A - 超临界水氧化反应装置 - Google Patents
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Abstract
公开了一种超临界水氧化反应装置，包括反应器；第一入口，位于所述反应器的上部，通过所述第一入口向所述反应区通入反应气体；第二入口，位于所述反应器的上部，通过所述第二入口向所述反应区通入反应液体；出口，位于所述反应器的中部，通过所述出口排出所述反应区内的液体和反应剩余物料；还包括：换热模块，位于所述反应器的底部，所述换热模块采用具有预定温度的沙粒料对所述反应液体进行换热，所述沙粒料的顶部低于所述出口，所述预定温度高于所述反应液体的超临界温度。本申请的超临界水氧化反应装置，通过采用换热模块来加快有机废水到达超临界水的状态的时间，从而降低对反应装置的腐蚀。
Description
技术领域
本发明涉及有机废水净化技术领域，特别涉及一种超临界水氧化反应装置。
背景技术
高浓度、有毒、难降解有机废水的处理是国内外公认的难题。传统的有机废水处理技术(如物化处理技术、生物处理技术、湿式氧化、焚烧等)存在成本高、降解率低、易衍生二次污染等问题。
超临界水是指当压力和温度达到一定值时，因高温而膨胀的水的密度和因高压而被压缩的水蒸气的密度正好相同时的水。此时，水的液体和气体便没有区别，完全交融在一起，成为一种新的呈现高温高压状态的水。一般的，超临界水存在于温度为374℃以上且压力为22.1MPa以上的环境条件下，该条件下水的介电系数大大降低，氧气和多种有机物质在水体系中形成均一相，消除传质阻力，使本来发生在液相、固相、气相之间的多相反应转化为在超临界水中的均相氧化反应，反应速率更快，停留时间更短，而且不需要使用催化剂，氧化效率很高，大部分有机物的去除率可达99％以上。另外，无机组分与盐类在超临界水中的溶解度很低，几乎可以完全沉淀析出，使反应过程中盐的分离变得容易。
但是由于超临界湿式氧化过程中，加热时间过长及换热时间过长都容易导致反应器腐蚀加剧，因为腐蚀性与加热时间及换热时间几乎呈线性关联。相关技术中，解决腐蚀性问题的思路是尽可能地避免超临界污水与反应器壁的接触，例如形成隔离壁，从而降低反应器的腐蚀。但是隔离壁的形成，意味着大量密孔的加工，以形成隔离介质的微观隔离环境。而大量微孔的加工，本身就严重削弱了隔离壁的耐腐蚀能力，造成其隔离层如：空气层或蒸发壁层也是脆弱的，导致氧化反应器系统不能长时间运行。同时，隔离层的设计也存在着隔离层的隔离与换热之间的矛盾，反应器也很难做大。所以单纯依靠隔离的思路去解决超临界水的腐蚀难题，面临着技术自身的缺陷，不是终极解决办法。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种超临界水氧化反应装置，采用预热至一定温度的换热模块对有机废水进行加热，通过加快有机废水到达超临界水的状态的时间，从而降低对反应装置的腐蚀。
根据本发明的一方面，提供一种超临界水氧化反应装置，包括：反应器，包括外壁，内筒以及位于外壁和内筒之间的夹层，所述内筒围成反应区；第一入口，位于所述反应器的上部，与所述反应器内筒的反应区连通，通过所述第一入口向所述反应区通入反应气体；第二入口，位于所述反应器的上部，与所述反应器内筒的反应区连通，通过所述第二入口向所述反应区通入反应液体；出口，位于所述反应器的中部，与所述反应器内筒的反应区连通，通过所述出口排出所述反应区内的液体和反应剩余物料；其特征在于，还包括：换热模块，位于所述反应器的底部，所述换热模块采用具有预定温度的沙粒料对所述反应液体进行换热，所述沙粒料的顶部低于所述出口，所述预定温度高于所述反应液体的超临界温度。
可选地，在所述换热模块的温度低于第一温度阈值后停止向所述反应器内通入反应气体和反应液体。
可选地，在所述反应器内的反应时间达到第一时间阈值后停止向所述反应器内通入反应气体和反应液体。
可选地，在所述换热模块的温度低于第二温度阈值后通过所述出口排出所述反应区内的液体和反应剩余物料。
可选地，在所述反应器内的反应时间达到第二时间阈值后通过所述出口排出所述反应区内的液体和反应剩余物料。
可选地，排出所述反应区内的液体和反应剩余物料后，将所述换热模块加热至所述预定温度。
可选地，在所述反应器外部加热所述换热模块至所述预定温度。
可选地，所述反应器的夹层中还包括：加热模块，对所述换热模块进行加热。
可选地，在所述换热模块的温度低于第一温度阈值后通过所述加热模块对所述换热模块进行加热。
可选地，在所述反应器内的反应时间达到第一时间阈值后通过所述加热模块对所述换热模块进行加热。
可选地，所述反应气体包括空气和氧化剂，所述反应液体包括有机废水。
可选地，还包括：温度压力探测器，位于所述反应器的上部，与所述反应器内筒的反应区连通，通过所述温度压力探测器探测所述反应器中的压力和温度。
可选地，还包括：顶盖，位于所述反应器顶部，与所述反应器形状相匹配；法兰，位于所述顶盖与所述反应器之间，用于固定所述顶盖与所述反应器。
可选地，所述换热模块加热至预定温度后经由所述反应器顶部进入所述反应器。
本发明提供的超临界水氧化反应装置，在反应腔内增加换热模块，在对有机废水进行加热前，先把换热模块加热到比超临界水更高的温度，然后使用换热模块对有机废水进行加热，由于换热模块的温度远远高于有机废水，因此有机废水在短时间内就被加热到超临界状态，从而避免了因加热时间过长而引起的设备系统的材质腐蚀问题。
本发明提供的超临界水氧化反应装置，换热模块中采用沙粒料，在对沙粒料进行加热时不会存在设备系统腐蚀的问题。
本发明提供的超临界水氧化反应装置，采用换热模块对有机废水进行加热，其翻腾的沙粒料，可加速传质效果，使氧化反应更完全，有机废水净化的更彻底，还省略了反应器内的搅拌设置。
在本申请中，由于不用换热器形式对中低温水体进行加热，还解决了传热过程中，发生在换热管道内的因无机盐析出沉淀而导致的传热不佳及堵塞难题，使系统更加稳定。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示出了根据本发明第一实施例的超临界水氧化反应装置；
图2示出了根据本发明第二实施例的超临界水氧化反应装置。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，可能未示出某些公知的部分。为了简明起见，可以在一幅图中描述经过数个步骤后获得的半导体结构。
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
图1示出了根据本发明第一实施例的超临界水氧化反应装置。
参考图1，超临界水氧化反应装置100包括反应器7，换热模块8，温度压力探测器5，第一入口3，第二入口4，出口6，顶盖1以及法兰2。其中，换热模块8位于反应器7内的底部，第一入口3，第二入口4，出口6，以及温度压力探测器5均位于反应器7的侧壁上，且高度大于换热模块8的顶部，顶盖1位于反应器7的顶部，法兰2位于顶盖1与反应器7之间，用于固定顶盖1与反应器7。
反应器7具体包括外壁，内筒以及外壁和内筒之间的夹层。其中，内筒环绕的区域为反应区，换热模块8位于反应区底部，第一入口3，第二入口4，出口6，以及温度压力探测器5均穿过外壁和夹层到达内筒的反应区。
第一入口3位于反应器7的上部，用于向反应器7内部通入反应气体，反应气体例如为氧化剂及空气。第二入口4位于反应器7的上部，与第一入口3相对且高于第一入口3，用于向反应器7内部通入反应液体，反应液体例如为中低温预热有机废水。出口6位于反应器7的中部，低于第一入口3的高度且高于换热模块8的表面，用于排出反应后剩余的液体和反应剩余物料。温度压力探测器5位于反应器7的中部，高度低于第一入口3但高于出口6，用于探测反应器7内部的温度与压力。
在该实施例中，与第一入口3连接的输入管路上还安装有空气压缩器，空气预热器，其中，空气预热器的出口与第一入口3连接，从而向反应器7内通入预热好的压缩空气及氧化剂。使得换热模块8的热量尽可能的用于使有机废水到达超临界状态，进一步降低有机废水到达超临界状态的时间。
在该实施例中，与第二入口4连接的输入管路上还安装有有机废水储罐，增压泵，有机废水预热器和/或有机废水加热器，有机废水输入管路的出水管一端接在有机废水加热器的输出端，另一端与第二入口4相连接。因此，反应器7内可以接收预热好的高压有机废水。
在该实施例中，换热模块8中为沙粒物质及类似沙粒形状的物质的沙粒料；有机废水为以有机物为主要污染物的工业废水；超临界水，是指当气压和温度达到一定值时，因高温而膨胀的水的密度和因高压而被压缩的水蒸气的密度正好相同时的水。
在使用超临界水氧化反应装置100对有机废水进行处理时，包括以下步骤。
(1)预先加热换热模块8至预定温度，该预定温度例如不小于750℃。
(2)拧开反应器7顶端的法兰2，打开反应器7的顶盖1，将预热好的换热模块8放入反应器7的反应区底部，并盖好反应器7的顶盖1，紧固好法兰2的螺栓。
(3)通过第一入口3向反应器7内通入反应气体，并将反应气体加压维持到一定压力，比如：18Mpa，以及将反应气体预热至一定温度。
在该步骤中，例如采用空气压缩器和空气预热器对反应气体进行加压和加热，使通入反应器7内的反应气体维持一定的压力和一定的温度。
在该步骤中，在换热模块8的温度低于第一温度阈值后停止向反应器7内通入反应气体，或在反应器7内的反应时间达到第一时间阈值后停止向反应器7内通入反应气体。
(4)将预热好的中低温高压有机废水通过第二入口4通入到反应器7中，其中，预热好的中低温高压有机废水地温度例如为150℃，压强为5Mpa，通入反应器7中时按照一定的速度加压泵入。
在该步骤中，在换热模块8的温度低于第一温度阈值后停止向反应器7内通入反应液体，或在反应器7内的反应时间达到第一时间阈值后停止向反应器7内通入反应液体。反应液体例如为有机废水。
(5)中低温有机废水在反应器7内下落接触到位于反应器7底部的预热至预定温度的换热模块8，有机废水被强制换热，温度急剧升高，并在接触面局部发生有机物的氧化反应，同时也使反应器7内的水体及水蒸气温度急剧升高，利用温度压力探测器5记录反应器7内的温度和压力变化。
(6)随着反应器7内的整体环境温度及压力的提高，当反应器7内的温度超过374.15℃，压力超过20Mpa时，反应器7内部的水系统会出现超临界现象，即：液态水温度升高膨胀密度变小，以及水蒸气的高压压缩密度变大，使二者的密度达到一致，此时，液态水与水蒸气界面消失，系统内传质充分，有机物与氧化剂充分接触反应完全，有机废水中的有机物在很短时间被氧化成二氧化碳和水，并放出一定热量。
(7)当反应器7内发生超临界现象时，加压泵停止工作，待1至2分钟或几分钟后，氧化反应完全，即可通过出口6将反应器7内的水体和反应剩余物料排除。
在该步骤中，还可以在换热模块8的温度低于第二温度阈值后通过出口6排出反应区内的液体和反应剩余物料。或者在反应器内的反应时间达到第二时间阈值后通过出口6排出反应区内的液体和反应剩余物料。
进一步地，排出反应区内的液体和反应剩余物料后，还包括将换热模块8加热至所述预定温度。其中，在所述反应器外部加热换热模块8至所述预定温度。
在步骤(5)和步骤(6)中，随着反应器7内的中低温有机废水的持续加压泵入，换热模块8的温度继续降低，当发生超临界现象(或换热模块8的温度低于第一温度阈值或反应器7内的反应时间达到第一时间阈值)时加压泵也停止工作，有机废水不再加入。因此，换热模块8在每次反应结束后，都需要重新加热至预定温度，才能进行下一下的超临界水氧化反应。优选地，可以在换热模块8在反应器7内的时间超过第二时间阈值(或换热模块8的温度低于第二温度阈值)之后，默认反应器7内的反应结束，可以开始进行下一轮的反应，因此当换热模块8在反应器7内的时间超过预定时间阈值之后，取出换热模块模块进行加热。
在该实施例中，第一时间阈值小于第二时间阈值，即停止向反应器7内通入反应气体和反应液体一段时间后才认为反应器7内的反应结束。第一温度阈值大于第二温度阈值，即停止向反应器7内通入反应气体和反应液体一段时间后才认为反应器7内的反应结束，在这段时间内换热模块8与反应液体之间的换热还在进行。
图2示出了根据本发明第二实施例的超临界水氧化反应装置。与第一实施例的超临界水氧化反应装置相比，第二实施例的不同之处在于增加了一个加热器，此处不再对相同之处进行赘述，仅描述不同之处。
在该实施例中，第二实施例的超临界水氧化反应装置200中，在反应器7的外壁和内筒之间的夹层中增加一个加热模块9，如图2所示，用于给换热模块8加热，可以减少打开反应器7对换热模块8加热的次数，有利于换热模块8对有机废水加热至超临界状态的持续性。
在本申请中，超临界水氧化反应装置100的换热模块8只要沙粒料足够多，温度足够高，泵入的中低温预热有机废水体量合适，反应器7内超临界现象就一定发生。利用换热模块8中的高温沙粒料在反应器7内直接接触加热有机废水的方式，解决了一般超临界水氧化工艺存在着的加热时间长、设备腐蚀严重的难度。避免了给中低温水体的漫长加热而导致的高温高压水体对设备材料的长时间伤害，使反应器设备运行生命周期更长。
在本申请中，由于不用换热器形式对中低温水体进行加热，还解决了传热过程中，发生在换热管道内的因无机盐析出沉淀而导致的传热不佳及堵塞难题，使系统更加稳定。另外翻腾的沙粒料，可加速传质效果，使氧化反应更完全，有机废水净化的更彻底，还省略了反应器内的搅拌设置。
依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (14)
1.一种超临界水氧化反应装置，包括：
反应器，包括外壁，内筒以及位于外壁和内筒之间的夹层，所述内筒围成反应区；
第一入口，位于所述反应器的上部，与所述反应器内筒的反应区连通，通过所述第一入口向所述反应区通入反应气体；
第二入口，位于所述反应器的上部，与所述反应器内筒的反应区连通，通过所述第二入口向所述反应区通入反应液体；
出口，位于所述反应器的中部，与所述反应器内筒的反应区连通，通过所述出口排出所述反应区内的液体和反应剩余物料；
其特征在于，还包括：换热模块，位于所述反应器的底部，所述换热模块采用具有预定温度的沙粒料对所述反应液体进行换热，所述沙粒料的顶部低于所述出口，所述预定温度高于所述反应液体的超临界温度。
2.根据权利要求1所述的超临界水氧化反应装置，其特征在于，在所述换热模块的温度低于第一温度阈值后停止向所述反应器内通入反应气体和反应液体。
3.根据权利要求1所述的超临界水氧化反应装置，其特征在于，在所述反应器内的反应时间达到第一时间阈值后停止向所述反应器内通入反应气体和反应液体。
4.根据权利要求2或3所述的超临界水氧化反应装置，其特征在于，在所述换热模块的温度低于第二温度阈值后通过所述出口排出所述反应区内的液体和反应剩余物料。
5.根据权利要求2或3所述的超临界水氧化反应装置，其特征在于，在所述反应器内的反应时间达到第二时间阈值后通过所述出口排出所述反应区内的液体和反应剩余物料。
6.根据权利要求4所述的超临界水氧化反应装置，其特征在于，排出所述反应区内的液体和反应剩余物料后，将所述换热模块加热至所述预定温度。
7.根据权利要求6所述的超临界水氧化反应装置，其特征在于，在所述反应器外部加热所述换热模块至所述预定温度。
8.根据权利要求1所述的超临界水氧化反应装置，其特征在于，所述反应器的夹层中还包括：
加热模块，对所述换热模块进行加热。
9.根据权利要求8所述的超临界水氧化反应装置，其特征在于，在所述换热模块的温度低于第一温度阈值后通过所述加热模块对所述换热模块进行加热。
10.根据权利要求8所述的超临界水氧化反应装置，其特征在于，在所述反应器内的反应时间达到第一时间阈值后通过所述加热模块对所述换热模块进行加热。
11.根据权利要求1所述的超临界水氧化反应装置，其特征在于，所述反应气体包括空气和氧化剂，所述反应液体包括有机废水。
12.根据权利要求1所述的超临界水氧化反应装置，其特征在于，还包括：
温度压力探测器，位于所述反应器的上部，与所述反应器内筒的反应区连通，通过所述温度压力探测器探测所述反应器中的压力和温度。
13.根据权利要求12所述的超临界水氧化反应装置，其特征在于，还包括：
顶盖，位于所述反应器顶部，与所述反应器形状相匹配；
法兰，位于所述顶盖与所述反应器之间，用于固定所述顶盖与所述反应器。
14.根据权利要求13所述的超临界水氧化反应装置，其特征在于，所述换热模块加热至预定温度后经由所述反应器顶部进入所述反应器。
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