JP2007500074A - ２つの流体を混合する装置、及び該装置を使用して超高温流体を冷却する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】極めて温度差の大きい流体を、効果的に互いに混ぜ合わせることができると共に、分離壁に急な温度勾配が生じる影響を避けられる混合装置を提供する。
【解決手段】装置は、管状のケーシング（２）であって、第１の軸線端部には、第１の流体を供給すべく第１の結合要素（５）を備え、また、第２の軸線端部には、第１の流体と第２の流体との混合物を排出すべく第２の結合要素（６）を備えている。混合装置のケーシング（２）の内部には、同軸的に、内部流体案内ダクト（１８ａ，１８ｂ）が配置されている。装置はさらに、第１の結合要素（５）と第２の結合要素（６）との間に配置され、横方向にケーシング（２）を貫通してなる第３の結合要素（７）を具備し、混合装置の円筒形チャンバ（３）の内部へと開かれて、案内ダクト（１８ａ，１８ｂ）の外面に対面している。案内ダクト（１８ａ，１８ｂ）は、２つの部分から作られていて、断熱空間（１９ａ，１９ｂ）を内部に形成されてなる壁を備え、該空間は円筒形チャンバ（３）と連通している。本発明による装置は、特に、超臨界水中における酸化流出工程に使用される、超臨界水を冷却するために用いられる。
【選択図】図２

Description

本発明は、第１の温度をもつ第１の流体を、第２の温度をもつ第２の流体と混合するための装置に関する。

ある種の産業処理においては、互いに極めて違った温度をもった、第１の流体と第２の流体とを混合することが求められている。
例えば、有機廃水を処理するには、超臨界状態にある水中においてこれを酸化させるが、このとき処理の終了時に得られる残留流体の主たる成分は、極めて高温（例えば約５００℃）かつ極めて高圧の水である。
この流体は、冷却して減圧する必要があると共に、これを廃棄したり収集タンクや容器に格納するには、場合によっては、例えば化学的な中和など、潜在的にはさらに処理を施す必要がある。

超臨界水を用いて有機廃水を熱水的に酸化する公知の方法においては、酸素の存在下において、極めて高温かつ極めて高圧の水に廃水を接触させて、一般に発熱性の反応によって有機分子を破壊するが、このために水の温度及び圧力は上昇し、対応する水の臨界点（２２．１ＭＰａ及び３７４℃）を越えることになる。超臨界状態にある水は、極めて強力な溶媒であって、分子の温度安定性にも依るが、１秒間〜１分間の範囲の時間内に、有機分子を破壊できる。
かかる方法はとりわけ、化学ガスや、除草剤、廃水処理汚泥、化学工場の廃水、または、核燃料廃棄水に対する処理に用いられる。
あらゆる状況において、廃水の分子は、二酸化炭素や、水、及び窒素分子など、環境に対して悪影響をもたない物質に変換される。
有機塩素系の物質を処理する場合には、塩酸ＨＣｌを形成し、これを中和すべく苛性ソーダの溶液を残留流体に注入し、苛性ソーダによる中和によって、塩酸を塩化ナトリウムＮａＣｌの形態へと処理する。

既に実現されている超臨界水を用いた酸化方法においては、残留流体は、そのほとんどは水であって、その温度は５５０℃で、その圧力は、臨界圧力２２．１ＭＰａよりも実質的に高い圧力をもつ。
かかる圧力及び温度条件にあっては、壁を介して２つの流体間での熱交換を実現している、従来のタイプの熱交換器によっては、残留流体を大気温度にまで冷却させることは不可能である。しかしながら、産業的な工程においては、約３００℃つまり臨界温度に比べて実質的に低い温度からであれば、例えば２０℃の周辺温度への冷却に熱交換器を用いることは一般的に可能である。
従って、超臨界水中において有機廃棄物を処理する場合には、約５５０℃のスタート温度から約３００℃の温度にまで冷却できるような方法及び装置が依然として求められる。
そのために、同軸タイプの熱交換器を用いる提案がなされており、かかる熱交換器においては、極めて高温である流体の流れは中央管の内部を通り、この中央管を同軸的に取り囲んでいる冷却チャンバには、約２０℃の水流が流される。そのような熱交換器は、極めて長いものになると共に、特に極めて高温である残留流体の流れを運ぶ管については、これをチタンなど極めて高価な耐火性素材から作る必要がある。

また、極めて高温である残留流体を、実質的により低温である流体であって、任意的事項としては様々な反応物を含有する低温流体と混合することも提案されている。高温流体は、ダクトに導入され、ダクトに沿って流される一方、冷却及び処理流体を高温流体の流れに注入し、流体は、高温流体と冷却及び処理流体とが、共通する流れ方向において同軸的に流れて混合される。流体混合物は、混合チャンバを構成しているダクトから、出口にて回収される。冷却及び処理流体は、高温流体の流れを運ぶダクトの壁を通り抜ける、同軸的な第２のダクトによって、高温流体を流すダクトに注入される。冷却流体注入ダクトと、高温流体が流れるダクトにおける所定部分とは、それらの壁に沿って極めて高い温度勾配にさらされ、このため、そうした温度勾配に耐えられる構造をデザインすることは困難になる。さらに、主として超臨界状態にある水によって構成される流体を冷却する場合には、超臨界水に接触するダクトの部分は、極めて高レベルの腐食にさらされ、従って、ダクトにおけるこれらの部分を作製するには、チタンやニッケル合金など、腐食に耐えられる素材を用いることが必要である。

本発明の目的に従って提供される装置は、第１の温度をもつ第１の流体を第２の温度をもつ第２の流体と混合するための装置であって、流体は同一方向へ流れる同軸流の形態において混合され、装置は、実質的に直線状である軸線を有し、略円筒形である管状ケーシングが、ケーシングの内部に円筒形である混合チャンバを形成して備え、さらに、第１の軸線端部には、第１の流体供給手段に結合されるべき第１の結合要素を備え、また、第１の端部に対して反対側にある第２の軸線端部には、第１の流体と第２の流体との混合物を排出する手段に結合されるべき第２の結合要素を備え、第１の流体と第２の流体とのうちの少なくともひとつを案内すべき、少なくともひとつの案内ダクトであって、少なくともひとつのダクトは実質的に直線状で、混合チャンバの内部に同軸的に配置されるような上記案内ダクトを備えてなるような上記装置において、流体を良好な条件下において混合することができると共に、装置における様々なケーシングと管状ダクトにおける温度勾配が限られているような装置が提供される。

このために、かかる装置は、混合チャンバを第２の流体供給手段に結合するための第３の結合要素を具備し、第３の結合要素は、軸線方向において、第１の結合要素と第２の結合要素との間の中間に配置され、軸線方向に対して実質的に垂直である横方向へと延在していて、案内ダクトは、混合チャンバの内部において軸線方向に延在していて、該案内ダクトは、第１の結合要素と、混合ケーシングにおける領域、すなわち、第１の結合要素から第２の結合要素へ向かう方向における、第３の結合要素よりも下流側の領域との間に設けられ、混合チャンバの領域に連通してなる、少なくともひとつの同軸的な環状の断熱空間を具備してなる管状壁を備え、前記空間は、案内ダクトの実質的に全長にわたって延在し、第３の結合要素は、混合チャンバの内部へと開かれて、案内ダクトの外壁面に対面していることを特徴としている。

本発明による装置はまた、以下の特徴を独立して、または、組み合わせて備えても良い。
・案内ダクトは、混合チャンバの内部において、混合チャンバの軸線方向片側にある第１の結合要素から、軸線方向に延在する第１の管状ダクトと、第１の管状ダクトの外径よりも大きな直径をもち、第１の管状ダクトと混合ケーシングとに対して同軸的に配置されてなる第２の管状ダクトと、の両方から構成されており、円筒形チャンバの内部に設けられる第１の軸線方向端部は、第１の管状ダクトの端部部分に対して係合されており、第３の結合要素に対して下流側にある第２の軸線方向端部は、混合チャンバの内部へと開かれて、第２の管状ダクトの外壁面に対面していて、第３の結合要素を経由して混合チャンバの中へ導入された第２の流体は、混合チャンバにおける環状の領域に流入し、該領域は、第２の管状ダクトにおける第２の軸線方向端部においては閉じていて、第２の管状ダクトにおける第１の端部へ向けて流れ、さらに、これとは反対方向にて、第２の管状ダクトの内部では、該第２の管状ダクトの第１の軸線方向端部と第２の軸線方向端部との間において、第１の流体と第２の流体とは、第２の管状ダクトの内部の混合領域を同一方向へと流れる同軸流の形態において混合されること。
・第１の管状ダクトと第２の管状ダクトとは、互いに係合する同軸的なシェルの組によって構成されており、厚みの減じられた壁部分を具備し、両者の間に同軸的な環状空間を残していると共に、穿設された開口部によって同軸的な環状空間は、混合チャンバ内の管状ダクトの外部にある媒体と連通していること。
・第２の管状ダクトは、第２の管状ダクトにおけるシェルの組に対して、軸線方向端部のひとつから突出してなる内側シェルを具備し、該内側シェルは、第１の管状ダクトのまわりに半径方向にクリアランスをもって係合し、第１の管状ダクトの外面と第２の管状ダクトの内側シェルの内面との間に形成される環状の空間に流体を流入させるための開口が穿設されていること。
装置は特に、超臨界水の酸化によって廃物を処理するために使用される、主として超臨界水である第１の流体と、第１の流体の温度に比べて実質的に低温である、主として冷却水としての第２の流体とを混合するために用いられる。
そうした状況において、第１の流体の温度は５５０℃であり、第２の流体の温度は約２０℃である。

以下、本発明を良く理解できるように、超臨界水酸化反応器から排出される極めて高温で高圧の流体を冷却するための、本発明の実施形態による例示的な複数の混合装置について、添付図面を参照しつつ説明する。

図１において、参照符号１は、本発明による混合装置の全体を示しており、この混合装置１は、略管状の円筒形である外側ケーシング２を備え、その内部には円筒形の混合ケーシング３が形成され、ケーシング２と円筒チャンバ３とは、混合装置に共通の長手軸線４を共有している。
ケーシング２の第１の軸線端部には、第１の結合要素５が設けられ、これは、フランジによって取り囲まれた開口部にて構成されていて、第１の流体を供給する手段に混合装置１を結合できるように、つまり、混合装置１の内部で混合されて冷却されるべき第１の流体である、超臨界水で廃物を酸化する反応器３からの出口ダクトに結合できるようにしている。こうした状況において、第１の流体は、温度が５５０℃付近であり、圧力が約２５ＭＰａ程度である、超臨界水によって構成される。

混合装置のケーシング２において、端部５とは反対側に位置する第２の軸線端部には、第２の結合要素６が設けられ、これは、フランジによって取り囲まれた開口部にて構成されていて、混合装置１を排出ダクト、すなわち冷却された水、つまり３００℃の温度に冷やされた水を排出するダクトに結合できるようにしている。結合要素６に結合される排出ダクトは、混合装置と熱交換器３１との間に結合部を提供し、混合装置の出口から得られた混合流体を雰囲気温度にまで冷却できるようにする。
またケーシング２には、分岐結合部として、第３の結合要素７が設けられ、そのフランジを介して、例えば、冷却水タンクやポンプ装置など、冷却流体を供給する手段に混合装置を結合できるようになっていて、温度が約２０℃で、圧力が第１の流体より若干高い、つまり２５ＭＰａよりも若干高い圧力の水が円筒チャンバ３に注入される。
混合装置の円筒チャンバ３の内部には、同軸的な配置において、案内ダクト８が取り付けられ、該案内ダクトの円筒壁には、１又は複数の同軸的な内部環状空間９が設けられ、この空間は、案内ダクト８の実質的に軸線方向全長にわたっており、厚みが薄い同軸的な管状要素の間に形成されている。

図面を簡素化するために、図１においては、案内ダクト８が、単一の環状空間９を、外側壁要素８ａと内側壁要素８ｂとの間に形成されたものとして図示している。
案内ダクト８における外側壁要素８ａには、（例えば直径がミリメートルのオーダーである）直径が小さい開口孔１０が穿設され、これらの開口孔は、案内ダクトの軸方向端部に近い２つの領域にて、管状ダクトの円周まわりに分布するように設けられている。開口孔１０によって、壁８における内部環状空間９は、混合装置の円筒チャンバ３に連通する。こうして、混合装置の運転中には、管状ダクト８の壁内に設けられた内部環状空間９は、事実上停留した状態の水によって充填される。後述の如く、このように水で充填された環状空間は、ある程度の断熱を提供し、案内ダクト８の壁を通る半径方向における温度勾配に対して制限を与える。

案内ダクト８は、その軸線方向の一端において、混合装置のケーシングにおける第１の結合要素５に結合されており、第１の流体の流れ（矢印１１にて示す）が、案内ダクト８の内部を軸線４に沿って流れるようになっている。ダクト８は、環状の部品１２を介して、混合装置のケーシング２に固定するのが好ましい。
第３の結合要素７は、第１の結合要素から出来る限り遠ざけて設けられ、極めて高温である第１の流体が混合装置のケーシング２に導入される領域を、約２０℃の水である第２の流体が導入される領域から遠ざけている。第１の結合要素と第３の結合要素との間の距離は、軸線４の方向において、混合装置のケーシング２の全長に比べてわずかに（例えば１ｍ足らず）短くなっている。第３の結合要素７は、混合装置の長手軸線４に対して実質的に垂直である、軸線１３に沿って向けられていて、円筒チャンバ３へ第２の流体が導入される、第３の結合要素の方向は、混合装置に対して混合装置の横方向ないし半径方向になっている。

冷却水供給ダクト３２に結合されてなる第３の結合要素は、円筒形の囲み３に対して開かれており、その開かれている位置は、案内ダクト８の外面部分に対面するような位置であり、案内ダクト８は、第１の結合要素５から、第３の結合要素７よりも下流側（矢印１１にて示した第１の流体の流れ方向に対して下流側）にある円筒チャンバ３の領域１５にまで軸線方向４に延在している。冷却水は、第１の流体の圧力に比べて若干高い圧力にて、円筒チャンバ３に導入されて、管状ダクト８の外面に接し、円筒チャンバ３の内部において、該ダクト８の軸線長さに沿って分配される。冷却水の導入によって、ケーシング２における第３の結合要素７の付近の部分は、冷却水の温度に近い温度に維持される。さらに、冷却水は、第２の結合要素３を介して混合装置の出口へ向かうように実質的に軸線方向へと流れて、案内ダクト８の内部を流れて来た第１の流体の流れと遭遇する。案内ダクト８の出口にある領域１５においては、冷却水は、極めて高温である第１の流体と混合し、冷却された混合水は、第２の結合要素６を介して、混合装置の出口にて回収される。円筒形ケーシングに導入される冷却水の流れについては、混合装置の出口から回収される混合水の温度が３００℃付近になるように調節される。

混合装置の運転中には、第１の結合要素５の温度は、第１の流体の温度である例えば５５０℃であり、第３の結合要素７の温度は、約２０℃である。第１の結合要素と第３の結合要素との間における軸線方向の温度勾配の値は、第１の結合要素と第２の結合要素との間における円筒形ケーシング２の領域のうちでも高くなっている。ケーシングにおいて、この領域での軸線方向の温度勾配が高いとしても、ケーシングの挙動には影響することはなく、というのは、かかる領域での温度勾配は完全に軸線対称になっているからである。さらに、結合要素の温度は完全に均一かつ一定していて、すなわち第１及び第２の流体の温度と同じである。同様に、混合装置の出口にある第２の結合要素６と、第３の結合要素との間における温度勾配もまた、円筒形である混合装置のケーシングの領域にあるから、運転の挙動には影響しない。

案内ダクト８の内面は、高温である第１の流体と接っしており、一方、その外面は、円筒チャンバ３の内部において、冷却水である第２の流体と接している。
従って、案内ダクト８の壁を貫通する半径方向の温度勾配は、少なくとも案内ダクト８のいくらかの領域においては大きい値になっている。流体つまり水で満たされてなる少なくともひとつの環状空間９が存在していることから、案内ダクト８の壁要素８ａ及び８ｂを貫通する温度勾配の値は低い値に制約されることになり、空間９を満たしている水によって構成される断熱層が、５５０℃の第１の流体に接している案内ダクト８の内面と、円筒チャンバ３の２０℃の冷却水に接している外面との間にある、温度差の大部分を吸収する。

図２は、本発明の第２の実施形態による混合装置を示した模式図である。
図１と図２とで共通する要素には、対応する参照符号を付している。第１の実施形態と第２の実施形態との装置における本質的な相違点は、混合装置１のケーシング２の形状の相違点と、第２の実施形態においては、案内ダクトとして、それぞれが管状ダクトである２つの部分１８ａ及び１８ｂから構成されてなる案内ダクトを混合装置のケーシング２の内部に同軸的に配置して保持している点である。
案内ダクトの第１の部分１８ａを構成している第１の管状ダクトは、第１の実施形態における単一のダクト８の場合と同様に、環状の部品１２を介して、混合装置の第１の結合要素５の内側に固定されている。
第１の管状ダクト１８ａには、その軸線方向の実質的な全体にわたって、少なくともひとつの内部環状空間１９ａが設けられている。
案内ダクトにおける第２の部分１８ｂは、第１の管状ダクト１８ａの外径よりも大きな内径をもった第２の管状ダクトによって構成されており、その実質的な全長にわたって延在してなる少なくともひとつの環状空間１９ｂが設けられた壁になっている。第２の管状ダクト１９ｂの上端は、シェル２０を介して、環状の部品１２に係合していて、底端については、混合装置の第２の結合要素６の内部の軸線出口端に設けられた部品１６に係合している。第１の管状ダクト１８ａの自由端は、所定長さにわたって、第２の管状ダクト１８ｂの自由端に係合していて、第１のダクト１８ａと第２のダクト１８ｂとは、混合装置のケーシングに共通である軸線４を共有している。

第１のダクト部分１８ａと第２のダクト部分１８ｂとの両方から構成されてなる案内ダクトは、混合装置のケーシングの片方の軸線端部にある第１の結合要素５から、第３の結合要素の下流側にある領域１５へまで延びていて、この第３の結合要素は、混合チャンバ３の内部へと開かれて、第２の管状ダクト１８ｂの外壁面に対面している。
混合装置に、第１の軸線端部を経由して５５０℃の第１の流体を供給すると、高温である第１の流体は、矢印１１の如く、第１の管状ダクト１８ａの内部へ流れるが、このダクト１８ａは、第２の管状ダクト１８ｂの内部に対して開かれている。冷却水は、第３の結合要素７に、半径方向ないし横方向（矢印１４）にて導入されて、第２のダクト１８ｂとケーシング２の内面との間において、円筒チャンバ３の環状空間を満たすが、その底端部は断熱部品１６で閉じられて、該部品にはダクト１８ｂの底端部が係合しており、流れは上向きになって、シェル２０の上部へと向かい、該シェルには開口孔２０’が穿設されている。シェル２０の内部を通り抜ける冷却水の流れは、反転して下向きへと流れ、第１の管状ダクト１８ａと第２の管状ダクト１８ｂとの間に設けられた環状空間の中へ浸透する。冷却水は、第１の管状ダクト１８ａからの出口にある混合領域において、高温の第１の流体と混合する。混合水は、混合装置における第２の結合要素６の出口開口から回収される。

第２の実施形態においては、混合装置におけるケーシング２の部分は、肩部２ａと第２の結合要素６との間に位置していて、その温度は、冷却水の温度（２０℃付近）と実質的に同一の温度になっている。
第１の結合要素５の温度は、第１の流体の温度と近い温度（５５０℃）である。軸線方向について、最大の温度勾配は、ケーシングにおける第１の結合要素５と肩部２ｂとの間の円筒形領域２ｂに生じる。急な温度勾配は、ケーシングにおける軸方向に対称的な領域２ｂに生じるので、運転中の混合装置のケーシングの挙動に不都合を与えることはない。結合要素５，６，７の温度はそれぞれ均一であり、結合要素５と結合要素７とは、混合装置のケーシング２の全長に比べてわずかに短い距離だけ、軸線上にて互いに間隔を隔てている。
さらに、前記実施形態と同様に、第１の管状ダクト１８ａと第２の管状ダクト１８ｂとを貫通する温度差のほとんどは、管状ダクト１８ａ又は１８ｂの対応する環状空間１９ａ又は１９ｂの内部にある、停留した水からなる少なくともひとつの断熱層によって吸収される。
内面は高温である第１の流体に接し、外面は冷却水に接している、第１の管状ダクト１８ａにおいて、その壁を横切る温度差は、内面は約３００℃の混合水に接し、外面は混合装置の円筒チャンバ３の外側環状部分を満たしている冷却水に接している、第２の管状ダクト１８ｂにおいて、その壁を横切る温度差に比べて実質的に大きいことを理解されたい。
第２の実施形態においては、領域１５は、第３の結合要素の下流側に、案内ダクトの出口に位置していて、第２の案内ダクト１８ｂの内部上流側に位置している混合領域１７と共に、流体の混合物を受け取る。

図３は、管状ダクト（例えば、図２に示した装置におけるダクト１８ａ）を示していて、この管状ダクトは、３つの環状の断熱空間１９’ａ，１９”ａ，１９'''ａを、ダクト１８ａのうち大きな温度差にさらされる部分の軸線方向全長にわたって延在させている。同軸的な環状空間は、図２においては簡略化されて図示されていた単一の環状空間１９ａに対応するもので、シェルを重ね合わせて構成されている。
図３に示すように、第１組のシェルは第１の管状ダクト１８ａを構成していて、この管状ダクト１８ａはさらに、内側シェル２１と、３つの外側シェル２２ａ，２２ｂ，２２ｃとからなり、これらを、内側シェル２１と併せ、重ね合わせて同軸的に構成されている。

それぞれのシェル２１，２２ａ，２２ｂは、軸線長さＬにわたって延在した部分を有していて、当該部分においてはシェルの厚みは薄くなっている。シェルを互いに係合させて第１の管状ダクト１８ａを組み立てるとき、環状空間１９’ａ，１９”ａ，１９'''ａはそれぞれ、シェル２１と２２ａとの間、シェル２２ａと２２ｂとの間、及び、シェル２２ｂと２２ｃとの間に形成され、これらはダクトにおいて急な温度勾配にさらされる部分に位置している。さらに、外側シェル２２ａ，２２ｂ，２２ｃには、（例えば直径２mmなどの）小径の開口孔がその全厚みに貫通して穿設され、これらの開口孔は、シェル２１，２２ａ，２２ｂにおける厚みが減じられた領域である長さＬの領域、つまり環状空間１９’ａ，１９”ａ，１９'''ａの軸線端部にあたる、２つの領域２３及び２３’において、円周方向に分布している。管状ダクト１８ａを図２に示した装置に組み付けるときには、シェル２１，２２ａ，２２ｂ，２２ｃにおける直径が拡大した上部部分が互いに係合し、スリーブ部品１２の環状溝に装着され、環状空間１９’ａ，１９”ａ，１９'''ａが形成された、シェルにおける長さＬの部分は、第２の管状ダクト１８ｂのシェル２０の内側に結合するように形成されている。シェルにおける領域２３及び２３’に設けられた開口孔は、環状空間１９’ａ，１９”ａ，１９'''ａと、開口孔２０’を介して冷却水を受け入れる、第２の管状ダクト１８ｂのシェル２０の内部である混合装置のチャンバの環状領域と連通させている。環状空間１９’ａ，１９”ａ，１９'''ａは、水で満たされるが、この水は実際には停留していて、領域２３及び２３’に設けた開口孔を介して、環状空間の中へと浸透する。内部シェル２１は、高温の第１の流体を環状空間１９’ａ，１９”ａ，１９'''ａから受け入れる第１の管状ダクト１８ａの内側部分を、第１の管状ダクト１８の外側の冷却水を受け入れる領域から、完全に隔離する。

第２のダクト１８ｂも第１のダクト１８ａと類似していて、シェルを互いに係合させて構成されたものになっていて、第２のダクト１８ｂのシェルは、厚みを減じた部分を実質的にその全長に沿って延在させており、大きな温度差にさらされると共に、内側シェル２０はダクト１８ｂの上端から延びていて開口孔２０’を備えている。

図４Ａ及び図４Ｂに示すように、任意の単一材料から均一壁１８を作製して、その第１の面を第１の温度とし、第２の面を第１の温度よりは低い第２の温度とした場合、温度勾配は傾斜した直線２６によって示され、この直線は、壁１８の両面の温度差が大きい場合には、急な傾きになる。温度勾配が極めて急激である場合には、いかなる固体材料（金属や耐火性材料など）も、使用することができず、材料には損傷が生じる。
図４Ｂに示した壁要素１８’は、第１の壁要素１８’ａと、第２の壁要素１８’ｂと、第３の壁要素１８’ｃとを互いに平行に配置して構成されており、要素１８’ａと１８’ｂとの間に第１の空間１９’ａｂが、要素１８’ｂと１８’ｃとの間に第２の空間１９’ｂｃが、それぞれ形成されて、断熱材で満たされている。こうした状況において、温度勾配は、傾斜した折れ曲げ線２６’にて示され、固体壁要素１８’ａ，１８’ｂ，１８’ｃの内部に対応する部分は浅い傾斜になっていて、断熱材で満たされた空間に対応する部分は急な傾斜になっている。こうした状況において、複合的な壁１８’においては、壁要素１８’ａ，１８’ｂ，１８’ｃの内部における温度勾配を大いに抑えられる。
管状の円筒要素として用いる場合には、壁１８と、壁の要素１８’ａ，１８’ｂ，１８’ｃとは、同軸的な管状ケーシングを形成する。これらの管状円筒壁が急な半径方向の温度勾配にさらされると、半径方向と円周方向とに応力が発生して、これがケーシングの破断限界を越えると、壁の部分は破損する。これらの応力は、温度勾配と、材料の特性（弾性係数、ポアソン係数、及び膨張係数）と、管の寸法（半径及び厚み）の関数である。温度勾配が極めて急激である場合には、いかなる固体材料も、使用することができず、材料には損傷が生じる。従って、ケーシング１８のような管状ケーシングは、急激な温度勾配と関連させて用いることは出来ない。

図４Ｂに示したような、複合的なケーシングを用いる場合には、壁要素１８’ａ，１８’ｂ，１８’ｃは、浅い温度勾配にしかさらされないので、これらはそうした温度勾配に耐えられるように設計すれば良く、空間１９’ａｂと１９’ｂｃとには極めて急な温度勾配にさらされる断熱層を残しておくが、そうした温度勾配における応力に耐えられる断熱材料を見つけることは困難であろう。
壁の両面が、異なる温度の流体に接するとき、壁１８’における断熱空間１９’ａｂ及び１９’ｂｃは、壁要素１８’ｂ及び１８’ｃに設けた開口孔を通り抜けた、低温の流体によって満たされるこの方法において用いられる一方の流体は、２つの壁要素間に流体層を創り出すことで、断熱材として使用される。満足できる特性をもった流体層を得るために、空間１９’ａｂ及び１９’ｂｃに対して限界厚みを定めておき、この厚みよりも薄いならば、空間１９’ａｂ及び１９’ｂｃを充填している流体に自然の対流が生じないようにする。こうした状況においては、流体の熱伝導率だけが関与する。この方法によって実現される総合的な温度差や、及び断熱層の数（例えば上記実施形態では２〜３の断熱層を設けた）にも依存するが、これらの厚みは例えば１mm未満など極めて小さい厚みである。
図４Ｂに示したような、そうした壁は、極めて温度差の大きい流体を隔てるための壁として使用することができ、特に本発明による混合装置の案内ダクトの壁として用いることができる。

従って、本発明による混合装置によれば、極めて温度差の大きい流体を、効果的に互いに混ぜ合わせることができると共に、混合装置の分離壁に急な温度勾配が生じる影響を避けられる。
本発明は、上述した実施形態に制約されるものではない。
従って、本発明による混合装置は、上記実施形態とは異なった形状であるケーシングを備えたり、混合装置のケーシングの内部に１又は複数の案内ダクトを設け、異なった温度にある流体の間にて、流体の流れを案内しても良い。
超臨界状態にある水の酸化によって廃物を処理する操作から得られた残留流体を冷却する場合には、残留流体は、冷却されると同時に、例えば苛性ソーダを含む冷却水を注入するなどにより中和される。
本発明は、超臨界水での廃物の酸化操作による残留流体以外にも、流体の冷却に適用することができる。
本発明は、多くの産業分野、特に化学産業界において、極めて相違する温度をもつ流体の混合するために適用できる。また、本発明は、エネルギー産業の設備にも用いることができる。

図１は、本発明の第１の実施形態による混合装置を示した模式的な軸線断面図である。 図２は、本発明の第２の実施形態による混合装置を示した模式的な軸線断面図である。 図３は、図２に示した混合装置における第１の管状ダクトについて、拡大して示した軸線断面図であって、このダクトは第１の流体を案内するもので、シェルを互いに係合させて構成されている。 図４Ａは、管状ダクトの壁を示した模式的な断面図であって、内面と外面とが異なる温度の流体に接しているときの管状ダクトの壁内部の温度変動を示しており、固体壁の場合について示している。 図４Ｂは、管状ダクトの壁を示した模式的な断面図であって、内面と外面とが異なる温度の流体に接しているときの管状ダクトの壁内部の温度変動を示しており、図４Ｂは、環状の内部空間が流体で充填されている、本発明による壁の場合について示している。

Claims (6)

1. 第１の温度をもつ第１の流体を第２の温度をもつ第２の流体と混合するための装置であって、流体は同一方向へ流れる同軸流の形態において混合され、装置は、実質的に直線状である軸線（４）を有し、略円筒形である管状ケーシング（２）が、ケーシング（２）の内部に円筒形である混合チャンバ（３）を形成して備え、さらに、第１の軸線端部には、第１の流体供給手段に結合されるべき第１の結合要素（５）を備え、また、第１の端部に対して反対側にある第２の軸線端部には、第１の流体と第２の流体との混合物を排出する手段に結合されるべき第２の結合要素（６）を備え、第１の流体と第２の流体とのうちの少なくともひとつを案内すべき、少なくともひとつの案内ダクト（８，１８）であって、少なくともひとつのダクトは実質的に直線状で、混合チャンバ（３）の内部に同軸的に配置されるような上記案内ダクトを備えてなるような上記装置において、該装置は、混合チャンバ（３）を第２の流体供給手段に結合するための第３の結合要素（７）を具備し、第３の結合要素は、軸線方向において、第１の結合要素（５）と第２の結合要素（６）との間の中間に配置され、軸線方向に対して実質的に垂直である横方向へと延在していて、案内ダクト（８，１８ａ，１８ｂ）は、混合チャンバ（３）の内部において軸線方向に延在していて、該案内ダクトは、第１の結合要素（５）と、混合ケーシング（３）における領域（１５）、すなわち、第１の結合要素から第２の結合要素へ向かう方向における、第３の結合要素（７）よりも下流側の領域（１５）との間に設けられ、混合チャンバ（３）の領域に連通してなる、少なくともひとつの同軸的な環状の断熱空間（９，１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９’ａ，１９’ｂ，１９’ｃ）を具備してなる管状壁を備え、前記空間は、案内ダクト（８，１８ａ，１８ｂ）の実質的に全長にわたって延在し、第３の結合要素（７）は、混合チャンバ（３）の内部へと開かれて、案内ダクト（８，１８ａ，１８ｂ）の外壁面に対面していることを特徴とする装置。
2. 案内ダクトは、混合チャンバ（３）の内部において、混合チャンバ（３）の軸線方向片側にある第１の結合要素（５）から、軸線方向に延在する第１の管状ダクト（１８ａ）と、第１の管状ダクト（１８ａ）の外径よりも大きな直径をもち、第１の管状ダクト（１８ａ）と混合ケーシング（２）とに対して同軸的に配置されてなる第２の管状ダクト（１８ｂ）と、の両方から構成されており、円筒形チャンバの内部に設けられる第１の軸線方向端部は、第１の管状ダクト（１８ａ）の端部部分に対して係合されており、第３の結合要素（７）に対して下流側にある第２の軸線方向端部は、混合チャンバ（３）の内部へと開かれて、第２の管状ダクト（１８ｂ）の外壁面に対面していて、第３の結合要素を経由して混合チャンバ（３）の中へ導入された第２の流体は、混合チャンバ（３）における環状の領域に流入し、該領域は、第２の管状ダクトにおける第２の軸線方向端部においては閉じていて、第２の管状ダクト（１８ｂ）における第１の端部へ向けて流れ、さらに、これとは反対方向にて、第２の管状ダクト（１８ｂ）の内部では、該第２の管状ダクトの第１の軸線方向端部と第２の軸線方向端部との間において、第１の流体と第２の流体とは、第２の管状ダクト（１８ｂ）の内部の混合領域（１７）を同一方向へと流れる同軸流の形態において混合されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 第１の管状ダクト（１８ａ）と第２の管状ダクト（１８ｂ）とは、互いに係合する同軸的なシェルの組によって構成されており、厚みの減じられた壁部分を具備し、両者の間に同軸的な環状空間（１９’ａ，１９”ａ，１９'''ａ）を残していると共に、穿設された開口部によって同軸的な環状空間（１９ａ，１９ｂ，１９’ａ，１９”ａ，１９'''ａ，１９’ａｂ，１９’ｂｃ）は、混合チャンバ（３）内の管状ダクト（１８ａ，１８ｂ）の外部にある媒体と連通していることを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 第２の管状ダクト（１８ｂ）は、第２の管状ダクト（１８ｂ）におけるシェルの組に対して、軸線方向端部のひとつから突出してなる内側シェル（２０）を具備し、該内側シェルは、第１の管状ダクト（１８ａ）のまわりに半径方向にクリアランスをもって係合し、第１の管状ダクト（１８ａ）の外面と第２の管状ダクト（１８ｂ）の内側シェル（２０）の内面との間に形成される環状の空間に流体を流入させるための開口（２０’）が穿設されていることを特徴とする請求項３に記載の装置。
5. 超臨界水中での酸化による流出処理のために用いられる超臨界水から主として構成される第１の流体と、第１の流体に比べて実質的に低温である冷却水から主として構成される第２の流体とを混合することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の混合装置の使用方法。
6. 第１の流体の温度は５５０℃であり、第２の流体の温度は約２０℃であることを特徴とする請求項５に記載の使用方法。

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