CN1202841A - 化学分离与反应设备 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种用于将挥发性物质与非挥发性物质分离,将各挥发性物质彼此分离,和用于进行各种化学反应的设备,尤其是涉及这样一种设备,它在执行这些功能时采用在一旋转的容器中将高于环境的温度与高于一英寸汞柱的真空组合,该容器装有或不装设一内过滤器,排出的气体和蒸气必须通过该过滤器。由于本发明所提供的紧凑性,该设备也可以被构形成以独立的移动方式操作。

Description

化学分离与反应设备
本发明涉及一种用于将挥发性物质与非挥发性物质分离，将各挥发性物质彼此分离以及用于进行各种化学反应的设备，特别是涉及一种利用在一旋转容器中的高于环境的温度和超过一英寸汞柱真空的组合而完成这些功能的设备，所述容器装有或不装有现有气体和蒸气必须通过的一个内部过滤器。由于本发明所提供的紧凑性，本设备还可以被构形成以一种独立的移动方式操作。
为了将挥发性物质与非挥发性物质分离，曾经使用并继续使用各种热处理系统。例如，常常使用热解吸附装置从土壤和其它固体中去掉像水银和挥发性有机物这样的物质。这些先有技术的系统采用了加热的旋转或不旋转容器，它们在从在旋转系统中低于1英寸汞柱的少量真空至在不旋转系统中超过28英寸汞柱的高真空的条件下操作。在旋转系统中所用的少量真空为的是防止受环境限制的物质泄漏出干镏釜和废气处理系统外面，而在不旋转系统中的高真空则用于缩短处理时间。虽然该技术是众所周知的，但是它有若干要用本发明克服的缺点和限制。
首先，在现有技术的旋转系统中，与系统的处理率相比，要求在将经过处理的气体排放到大气中以前去掉已污染的颗粒和经过调节的化学品的废气处理装置是非常大而且昂贵的。由于越来越严格的空气排放限制和保护人类健康和环境的需要，这些废气处理系统将持续变得越来越复杂和费钱。主要原因之一是，与现有技术的热装置相联的废气处理系统之所以如此大和昂贵是由于在操作时要运送大量的被污染的颗粒以及从干镏釜中排出的燃烧气体，尾气和/或漏出的气体。为了减少废气处理系统的尺寸和复杂性，采用了间接点火的蒸镏容器。
通常对干镏釜的外面加热或用干镏釜内的电阻加热器加热。这些系统减少了颗粒量并且排除了干镏釜中存在的燃烧气体。但是，现有技术的系统不能消除从干镏釜中运出颗粒，它们仍然需要相当大量的尾气将蒸发的化学品移出干镏釜。因此，即使是一种改进，现有技术的间接点火的干镏釜仍然需要比较大和昂贵的废气处理系统。
不过，在本发明中，将范围从1至29+英寸汞柱的相当大的真空与一内过滤器组合，可在实际上消除颗粒的搬运，并使将蒸发的化学品从干镏釜中去掉所必需的洗选气体减至最少。本发明的相当大的真空具备至少下列两个优点。其一，它使细颗粒在干镏釜中的悬浮为最少，从而使加到内部过滤器上的灰尘为最少；其二，它建立一压力梯度，以有助于气体扩散到干镏釜外面。由此，可以将从干镏釜中排出的颗粒量和洗选气体减少到能达到的实际最低水平。大大地减少废气处理设备的尺寸，复杂性和成本是远胜于现有技术的技术的改进。
此外，有许多情况，其中，要分离的基体和/或物质的一种或一种以上的组分都是热敏性的。也就是说，一种或更多的物质分解成有害的物质，和/或一种或更多的基体组分的组织以一种不利地影响后续的处理或再使用的方式被改变。采用热与真空的现有技术的系统可以用于这些状况。采用真空降低了物质的沸点，同时，根据所涉及的物质，可以允许化学品在较低的临界温度下分离。但是，采用高于环境的温度和相当大的真空的现有技术的系统并不旋转，因而是需要长的处理时间的小分选系统。现有技术的系统不与高温和相当大的真空配合而采用旋转是因为，在这些条件下难于密封一热的旋转容器。不合适的密封使其量不受控制的空气流入干镏釜，造成颗粒的运出并且加大废气处理要求。为了克服现有技术系统的低处理率，本发明采用了加热的、在相当大的真空下操作的旋转容器。
旋转通过提高向处理材料的传热、极大地减少已挥发的物质跑出干镏釜必须行经的路径长度、以及最大地减少已挥发物质与颗粒在排出干镏釜之前由其间的冲击而引起的干涉提高了处理率。本发明通过使用特别设计的旋转套筒和外部安装的密封构形而克服了在相当大的真空下密封加热的旋转容器的问题，该外部安装的密封构件使密封易于冷却和保持在低于密封的最大操作温度的温度下。
与现有技术有关的另一问题为，可用于建造干镏釜的普通材料限制了间接点火装置的最大操作温度。因此，其沸点高于这些温度限的物质不能在这些装置中迅速地挥发，而是必须采用其内部衬有昂贵的耐火材料的加热装置处理。但是，在本发明中，在旋转容器中采用高的真空将物质的沸点降低多达几百华氏度。这一改进允许本发明以比采用现有技术时低的成本挥发具有高沸点的材料。
最后，污染地点的净化水平常常由现有最好的显示技术确定。通常，如果从保护人类健康和环境的观点出发不能用就地处理达到可接受的净化水平，则必须将被污染的材料挖出并运送到被处理和掩埋的地点。其它技术不能使经处理的材料的污染达到可接受的低残余水平的原因常常是由于不能在材料颗粒内从深处将污染物去掉。过了一些时候，可以发现“洁净”地点被污染，这是因为在经过处理的材料中的化学品已经迁移到材料颗粒的表面并再次在分析试验中被测出。在本发明中采用高真空提供了这样的优点，即加速整个分离过程并最大限度地加大挥发性化合物从固体内部扩散到其迅速蒸发并从干镏釜中排出的表面上。通过加大颗粒中心与颗粒表面之间的压力梯度，可使扩散成为最大。与颗粒表面的非常低的压力相比，颗粒内的污染物质蒸发，在颗粒内部产生比较高的压力。因此，本发明实现了这样的目标，即通过有效地在固体基体中从深处去掉污染物质而产生可达到的最低残余污染水平。
用于处理材料的先有技术方法和设备已在美国专利No.4,268,306、5,183,499、5,244,492和5,300,137中公开。
本发明通过提供一种能被构形成用于移动操作的设备提供了一种用于将挥发性物质与非挥发性物质分离，将各挥发性物质彼此分离以及用于进行各种化学反应的设备，该设备利用在一旋转的容器中采用高于环境的温度和大于或等于大约一英寸汞柱的真空。此设备将颗粒和洗选气体减少至可忽略不计的量，从而大大地降低了对现有技术中存在的大而且昂贵的废气处理系统的需求。本设备通过使用大于或等于约一英寸汞柱的真空和一设计独特的、与一内过滤器组合的可旋转的密封与密封装置来达到这一目的，所述的内过滤器有效地消除了颗粒逸出干镏釜。
本发明将大于或等于约一英寸汞柱的真空与一外部或内部的加热旋转干镏釜组合并产生一种设备，该设备真正地消除了颗粒的带出并使进入干镏釜因而进入废气处理系统中的有害气体为最少，所述干镏釜通过使用一内过滤器和密封装置防止空气泄漏入干镏釜中。此外，本发明的真空降低了许多挥发性化合物的沸点，因而能有效地处理那些通常用流行的现有技术的间接点火热解吸附装置不能处理的物质。
重要的是，通过将大于或等于约一英寸汞柱的真空、低的洗选气体体积和一内过滤器与一种传统的防阻塞逆吹系统组合，就可真正地消除颗粒运出。这一组合还可以最大限度地提高处理率。真空通过在颗粒的中心和表面之间建立一压力梯度而加速在像土壤颗粒这样的材料内的化合物的挥发率。这样，污染物质就更快地从被污染的物质内部扩散出。
为了更全面地理解本发明及其优点，现在联系附图作出下列说明。在附图中：
图1是表示本发明设备的一个优选实施例的示意图；
图2是本发明设备的密封部件的一个实施例的纵向剖视图；
图3是本发明的干镏釜的一个优选实施例的纵向剖视图。
现在翻至图1，在该图中公开了本发明的整个设备10。被处理的材料20可用任何合适的进给机构将其送入干镏釜40中。如果需要的话，材料20也可以用任何数量的传统方法如破碎、分级、筛选、加入化学品和/或其它添加剂或切碎进行制备，由此制备出材料20并将其尺寸减小至能经过设备10的第一套筒30送入并被处理的合适尺寸。当材料20经过第一套筒30输入时，它被送入旋转式真空热处理容器(干镏釜)40中。可以用包括一螺旋泵的任何合适的机构或其它任何运输方法通过套筒30将材料20送入干镏釜40。例如，为了装载较大的材料20，如金属管，普通的进给装置可以由一装载口代替，它允许将较大块的材料20放入干镏釜中。材料20也可以堆放在干镏釜40中。
可以注意到有一隔热的火箱50包围干镏釜40。火箱50可以用任何能支持隔热的合适材料建造。在一个实施例中，在火箱50与干镏釜40的壁之间有一包层隔热材料60。干镏釜40可以用任何能耐高温和真空的材料建造。干镏釜40最好用能耐1100℃的高温和29+英寸汞柱的真空的材料建造。干镏釜40最好有一个与干镏釜40配合使用的内过滤器70，以防止颗粒进入废气处理系统。过滤器70(在至少一个实施例中)被做成一个或更多个烧结金属圆筒的形式，它配有一位于干镏釜40内的传统逆吹系统(未示出)。设备10也可以根据所处理的材料和干镏釜40的操作参数不设置内过滤器70。
在操作时，已经挥发的材料通过一导管80并经过套筒90排出干镏釜40。套筒90在静止的废气管和旋转的导管80之间有一密封100，它使真空得以保持。已经挥发的材料一旦从干镏釜中排出，就被通至任意数量的合适的废气处理系统110，用于进一步处理或排放至大气中。在使用时采用一真空泵120保持干镏釜40中的恰当的真空。根据真空泵的位置，废气处理可以在环境压力或真空下进行。
在操作时，通过采用火箱50和隔热材料60将来自一热源130的热间接地作用在干镏釜40上。热源130可以是任何一种传统型的热源，并可以采用任何一种能产生合适的温度的传统燃料和任何必需的进入干镏釜40中的传热。例如，热源130可以是来自燃烧的矿物燃料、电阻加热器、红外线加热器和微波加热器或任何数量的传统装置的热。另一种方案为，可以将电阻加热器，红外线加热器或微波加热器装在干镏釜40里面，并且干镏釜不加衬里或在里面用耐火材料做衬里或在外面用能耐高温的材料隔热。在操作设备10的所有时间内，最好用真空泵120在干镏釜40内建立并维持一由1至29+英寸汞柱的真空。
在设备10中经过处理以后，已经挥发的气态材料可以经过包括传统的分离器、气/气相反应器、冷凝器、洗涤器、吸收/吸附床、催化反应器在内的许多种废气处理系统110并直接释放到大气中。
现在参看图2，在该图中进一步描述了与本发明一起使用的套筒90的一优选实施例。要注意，已经蒸发的气态材料在其从干镏釜40排出时穿过导管80进入废气处理系统110。已经蒸发的气态材料流经过滤器70。导管80也与旋转的真空密封110和外部的不旋转的管接头140相连。
在图2中还示出了清洗气体或处理气体流控制装置150。采用可以为空气的清洗气体160执行两个功能：第一，它协助保持外套筒90的温度，使之接近周围空气的温度。第二，它协助防止处理的废气进入，进而防止冷凝的污染物质堆积在套筒90里面。此外，由清洗气体产生的非常小的压力梯度有助于防止颗粒进入套筒90。
重要的是，密封的设计还减少了为协助已挥发的气态物质移出干镏釜40而需要的清洗气体的量。此外，高真空提高了气体和蒸气从干镏釜40内的高浓度区扩散至废气处理系统110中的低浓度区的扩散率。
采用密封100使旋转的干镏釜40可以在高温下被恰当地密封，即使干镏釜40的尺寸由于膨胀而不断变化。重要的是，由于本发明的管路系统中的清洗气体和旋转管有能力保持密封100与干镏釜40的接口冷却，因此可以采用市场上可得到的弹胶体密封件。现有技术的缺点之一是，多数传统的密封只能承受高至300～400°F左右的温度，这远远低于在干镏釜40内产生的1600～1900°F的温度。虽然目前已经研制出高温密封件，但是它们要比本发明中所用的密封贵得多。
此外，注意到有热塞子170，它们有助于在干镏釜40与套筒90之间和在套筒140与废气处理系统110之间维持温度差。
现在参看图3，在设备10的一个实施例中，干镏釜40是一个圆筒形的容器，它有内螺旋片或螺旋和提升器180。与干镏釜40一起使用的还有支承滚子190，因而它可以在火箱50中容易地旋转。一旦已经由真空泵120建立起真空，干镏釜40就由一合适的驱动电动机和齿轮传动系统(未示出)旋转。沿干镏釜40的内壁放置螺旋片和提升器180的作用为加强从干镏釜40至被处理的材料20的传热。干镏釜40的旋转和采用螺旋片与提升器180还通过引起材料的崩落和/或滚动而加大曝露在真空中的材料20的表面积，从而使蒸气和气体排出干镏器40所需要的路径长度为最小，并使在蒸气跑出干镏釜的运动中由蒸气分子与颗粒之间的相互作用而产生的干涉为最小。
采用螺旋片和提升器180还允许干镏釜40装至一比传统的干镏釜更大的床深，从而提高产量。已经挥发的物质迅速地从干镏釜40中去掉使在干镏釜40中产生的热分解度为最小，导致较明确的废气流并使废气处理系统110的设计更简单。
在干镏釜40内可以采用链、钢球或其它装置，以进一步减小在处理时的颗粒尺寸。干镏釜40的内部最好包含一能在于干镏釜40内建立的条件下连续使用的烧结金属过滤器70。所有的从干镏釜40出去的气体都经过过滤器70，其作用为防止颗粒进入废气处理系统110。通常，将过滤器70共轴线地或偏置地装在干镏釜40的上三分之一处并可在干镏釜内旋转或不旋转。
要注意，装置10可以放在拖车或机动有轨车上，或者空载并组装在要处理材料的任何地方。虽然在本专利中所描述的处理是一种分批处理，但它也可以按连续供料的模式使用。此外，也可以通过使用设备10进行化学反应，以在干镏釜40内建立必需的热与气压条件。
还有，本发明的设备10对通过使用干镏釜40去掉自由水和结合水、从像有机离子交换树酯这样的放射性非挥发性物质中和放射性金属同位素中分离非放射性挥发性物质，以及将非放射性固体分解成一种或更多种气体，例如将用在核反应堆废水处理中的非放射性碳酸钙转变成氧化钙和二氧化碳而减少放射性材料的体积是特别有用的。
虽然已经详细描述了本发明，但是应当很清楚地理解，它只是作为说明性的和示例性的，不能被认为是对本发明的限制。本发明的精神与范围只由所附权利要求书来限制。

Claims (20)

1.一种用于将挥发性物质与非挥发性物质分离和将各挥发性物质彼此分离的化学处理及反应设备，包括：一外壳；一可旋转地设置在外壳内的真空热处理容器；一与容器的至少一端连接的可旋转的套筒和密封装置；用于将被处理的材料送入容器中的装置；一设置在容器内的内过滤器；用于将挥发性物质输出附着内过滤器的容器的装置；用于旋转容器的装置；用于冷却可旋转的套筒和密封装置的装置；用于在容器内建立和维持在1至29英寸汞柱之间的真空压力，从而在操作设备时降低挥发性物质的沸点的装置；以及用于将容器加热至足以蒸发挥发性物质的温度的装置。
2.如权利要求1所述的设备，进一步包括多个与容器两端相连的热塞子，它们用于协助防止冷凝物堆积，并协助在容器和可旋转的套筒与密封装置之间维持温度差。
3.如权利要求1所述的设备，其特征为，用于将被处理的材料输入容器的装置是一传统的螺旋加料器。
4.如权利要求1所述的设备，其特征为，内过滤器是一烧结金属过滤器。
5.如权利要求1所述的设备，进一步包括多个在容器内部的提升机构，用于加强从容器壁至被处理的材料的传热，并用于通过引起物质的崩落和滚动加大曝露在真空中的被处理的材料的表面积。
6.如权利要求1所述的设备，其特征为，用于输送挥发性物质的装置还包括一固定在可旋转的套筒和密封装置上的导管和一外部管接头。
7.如权利要求1所述的设备，进一步包括一废气处理系统，它可操作地与用于将挥发性物质送出容器的装置相连。
8.如权利要求1所述的设备，其特征为，用于加热容器的装置产生可高达1100℃的热。
9.如权利要求1所述的设备，进一步包括一设置在外壳与容器之间的隔热包层。
10.如权利要求1所述的设备，其特征为，用于冷却的装置包括一与可旋转的套筒和密封装置相连的清洗气体流控制装置，它用于使清洗气体流入容器，将可旋转的套筒和密封装置的温度保持成接近环境空气的温度，并用于防止处理废气进入，这样可防止污染物质的冷凝物在可旋转的套筒与密封装置内聚集。
11.一种用于处理材料以将挥发性物质与非挥发性物质分离和将各挥发性物质彼此分离的设备，包括：一外壳；一可旋转地设置在外壳内的真空热处理容器，该容器可绕一旋转轴线旋转；一用于接收被处理的材料的第一套筒，该第一套筒可绕上述轴线旋转并穿过外壳从容器向外伸出；一可绕上述轴线旋转并穿过外壳从容器向外伸出的第二套筒，它位于与第一套筒相对的端部上；一可旋转的真空密封，它在从容器向外延伸的一端上与第二套筒相连；用于在外壳内使容器绕轴线旋转的装置；一用于将挥发性物质送出容器的排气导管，该排气导管从容器内部穿过第二套筒沿轴线向外延伸；一真空泵，它可操作地与排气导管相联，用于在容器内产生一在1～29英寸汞柱之间的真空压力，从而降低挥发性物质的沸点；用于将容器加热至足以使材料中的挥发性物质蒸发的温度的装置；以及，用于冷却第二套筒和可旋转的真空密封的装置。
12.如权利要求11所述的设备，进一步包括一设置在容器内并与排气导管相连的过滤器。
13.如权利要求11所述的设备，进一步包括至少一个牢固地装在容器内的提升机构，用于加强从容器至材料的传热并用于搅动材料，以便加强处理。
14.如权利要求11所述的设备，其特征为，用于冷却的装置包括一与在容器和可旋转的真空密封之间的第二套筒连接的清洗气体流控制装置，它用于使清洗气体流穿过第二套筒流入容器，从而使第二套筒的热膨胀减为最小，以致可旋转的真空密封能保持合适的密封。
15.如权利要求11所述的设备，进一步包括设置在容器与外壳之间的支承滚子。
16.如权利要求11所述的设备，进一步包括一在从容器向外伸出的端部上与第一套筒相连的可旋转的真空密封。
17.如权利要求11所述的设备，进一步包括一与排气导管可操作地相连的废气处理系统。
18.如权利要求11所述的设备，其特征为，用于加热容器的装置产生可高达1100℃的热。
19.如权利要求11所述的设备，进一步包括设置在第二套筒内、位于容器与可旋转的真空密封之间的热填料，用于在容器与可旋转的真空密封之间提供一热密封。
20.一种用于处理材料以将挥发性物质与非挥发性物质分离，并将各挥发性物质彼此分离的设备，包括：一外壳；一可旋转地设置在外壳内的真空热处理容器，该容器可绕一旋转轴线旋转；一用于接收被处理的材料的第一套筒，该第一套筒可绕上述轴线旋转并穿过外壳从容器向外延伸；一可绕上述轴线旋转并穿过外壳从容器向外延伸的第二套筒，它位于与第一套筒相对的端部上；一可旋转的真空密封，它在从容器向外延伸的端部上固定在第二套筒上；用于在外壳中使容器绕轴线旋转的装置；一用于将挥发性物质送出容器的排气导管，该排气导管从容器内部穿过第二套筒沿轴线向外延伸；一真空泵，它可操作地与排气导管相连，用于在容器内产生一在1至29英寸汞柱之间的真空压力，从而降低挥发性物质的沸点；用于将容器加热至大约500～1100℃的装置；以及，用于冷却第二套筒和可旋转的真空密封的装置。
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