JP2009509739A - 流体の反応媒体中で、材料を酸素欠乏状態で処理するためのリアクタ及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、流体の反応媒体中で、材料を加圧水を用いて処理するためのリアクタに関する。反応領域を区画する本体部と、反応領域内で処理される材料のための注入口と、酸化剤を反応領域に導入するためのポイントと、反応領域の外側で処理された材料のための少なくとも１つの排出口と、を有したリアクタにおいて、処理される材料が、注入口及び排出口間で反応領域内に規定された経路に続く。酸化剤を反応領域に導入するためのポイントは、材料のための注入口の下流に配置され、後者から所定距離を置いて離間しており、これにより、処理される材料のための注入口と酸化剤を導入するためのポイントとの間で構成される酸素欠乏領域、及び、流体の反応媒体が酸素欠乏状態である所定の領域を規定している。

Description

本発明は、流体の反応媒体中で、材料を加圧水を用いて処理するリアクタであって、反応領域を区画する本体部と、反応領域内で処理される材料のための注入口と、酸化剤を反応領域に導入するためのポイントと、反応領域の外側で処理された材料のための少なくとも１つの排出口と、を有し、処理される材料が、注入口及び排出口間で反応領域内に規定された経路に続くリアクタに関する。

また、本発明は、リアクタの反応領域内に収容された流体の反応媒体中で、材料を加圧水中で処理するための方法に関する。
方法は、
−反応領域内に処理される材料を導入する工程と、
−反応領域内に酸化剤を導入する工程と、
−反応領域外で処理される材料を排出する工程と、
を有する。

材料、詳細には廃棄物の処理のための加圧型方法の分野において、反応媒体として水を用いる処理の２つの大きなファミリー、すなわち湿式酸化（ＷＯ：wet oxidation）処理及び熱水酸化（ＨＯ：hydrothermal oxidation）処理が知られている。ＷＯは、水の臨界条件(critical conditions)に満たない温度及び圧力状態により特徴付けられている。したがって、これらは、二相性状態下で動作し、ＨＯにおいて得られるよりも１桁または２桁長い鉱化速度（mineralization kinetics）を導く。

超臨界水での熱水（ＨＯ）酸化処理では、２２１ｂａｒ、３７４℃を越える圧力及び熱、特に疎水性化合物を可溶とする小さな誘電率、どのような割合でもガス状化合物に溶ける低い濃度及び粘度に対する水の特有の特徴を用いる。得られる反応媒体は、媒体の温度により自発的に開始しうる鉱化反応において燃料及び酸化剤の機能を有する有機化合物と酸素との親密かつ均一な混合を可能にする。Ｏ_２、ＣＯ_２、Ｎ_２のようなガスは、水及び多くのアルカンに全体的に可溶である。これら酸化は、焼却炉または湿式酸化法処理のように通常低温または低圧において観察される相間遷移制限(interphasic transfer limitation)なく発生し、１分オーダーのドゥエル時間(dwelling times)内での有機基質の全体的な鉱化を導く。これにより、ＨＯ処理は、有機基質の全体的な破壊を必要とする廃棄物の処理に特に適している。

本発明は、包括的な性質により加圧水処理と称されるＷＯ処理及びＨＯ処理双方に適用する。しかしながら、ＨＯ処理は、好ましい適用である。実際には、ＨＯの高温及び高圧の動作状況は、その適用をさらにより有利にする。

このタイプの処理及びリアクタは、すでに知られている（特許文献１参照）。リアクタは、内側管部内に配置される本体部を有し、内側管部が本体部及びルーメン(lumen)と称される中央領域である内部を有するリング状領域を区切る。内側管部は、本体部の第１の端部に取り付けられる第１の端部と、リング状領域及び中央領域間を連通するための通路から離れる第２の端部とを有する。この方法において、超臨界媒体の構成要素、すなわち水及び酸化剤は、リアクタの第１の端部の近傍に２２．１ＭＰａを超える圧力で導入される。これらは、リング状領域で３７４℃を超える温度まで加熱され、リアクタの第２の端部において内側管部内に処理される材料と同時に導入される。加圧された水／酸化剤の燃料と処理される材料との加熱混合物は、内側管部の第１の部分において酸化され、この管部の第２の部分において冷却される。
仏国特許発明第２８１４９６７号明細書

このタイプの方法及びリアクタは、すでに酸化度、とりわけ硝酸度が高い特定の廃棄化合物を中和することに適している。

本発明の目的は、これらの欠点を改善したリアクタ及び方法である。

これらの目的は、本発明において、酸化剤を反応領域に導入するためのポイントが、材料のための注入口の下流に配置され、後者から所定距離を置いて離間しており、これにより、処理される材料のための注入口と酸化剤を導入するためのポイントとの間で構成される酸素欠乏領域（anoxic area）、及び、流体の反応媒体が酸素欠乏状態である所定の領域を規定している、という事実により達成される。

処理される材料は、特許文献１で開示された方法の場合のように、液体として導入されてもよい。このとき、材料は、単一の独立型ポンプを用いて導入されてもよい。本発明によれば、処理される廃棄物の性質のバラツキが増大しうる。したがって、材料は、浮遊する固体粒子として導入されてよい。

この方法によれば、反応領域の酸化剤の導入は、処理される材料のための注入口の下流に配置され、後者から所定距離を置いて離間された導入ポイントであって、処理される材料のための注入口と酸化剤を導入するためのポイントとの間で構成される酸素欠乏領域、及び、流体の反応媒体が酸素欠乏状態である所定の領域を規定している導入ポイントにおいて実行される。

本発明の方法及びリアクタは、すべての廃棄物、詳細には硝酸塩の反応を可能とする。

廃棄物に含まれる有機材料は、硝酸塩により酸化される。硝酸塩は、減少し、これによりＨＯ常態化で安定なＮ_２に変換される。したがって、酸素欠乏領域において、酸化剤種(oxidant species)（例えば硝酸塩）は、廃棄物との反応により減少しうる。酸化剤種は、それ自身が酸化される廃棄物と接触するまで減少する。

さらに、酸素欠乏領域の下流に配置された酸化領域は、廃棄物の酸化反応を反応物量に関係なく完全に終了することを可能とする。実際には、酸化剤種の量は一般に十分でなく、接触時間も、すべての廃棄物が酸化されるためには不十分である。酸化剤（例えば酸素）を加える事実は、酸化反応を終了させることを可能とする。したがって、二重の結果、すなわち、一方では酸素欠乏領域において硝酸塩の還元、他方では酸化領域において廃棄物全体の酸化がもたらされる。

好ましい実施形態において、リアクタは、第１の端部において本体部に封止可能に取り付けられた内側管部であって、当該内側管部の内側容量が、中央領域を区画し、当該内側管部が、本体部と共にリング状領域を区画する内側管部と、内側管部の第２の端部に形成された内側管部とリング状領域との間を連通するための通路と、処理される材料のための注入口であって、第１の端部の側において内側管部の中央領域内に開口する注入口と、酸化剤のための注入口であって、酸化剤を導入するためのポイントが内側管部の第２の端部の近傍に配置されている注入口と、を有する。

本発明の他の特徴及び有利点は、さらに添付の図面の参照と共に説明として与えられる模範的な実施形態を読むと明確になる。

図において、リアクタは、一様に参照符号１により指定されており、上部分において底部の近傍にあって下部分において蓋部４の近傍にある軸ＸＸを有する一様にシリンダ状をなす本体部２からなる。

リアクタ１の下端部は、冷却流体、例えば水が内部を流れる二重ジャケット６により温度が上がらないようにされている。この配置により、本体部２及び蓋部４間のバイトン（登録商標）または他の金属タイプのガスケットによる冷却高圧封止が形成可能になる。

保護筐体８は、本体部２の内部に配置され、本体部２から間隔をあけており、互いに封止可能に隔離された反応領域１０の内部と閉込領域１２の外部とを区画する。

保護筐体８は、一様にシリンダ状をなし、その上端部で閉塞されている。保護筐体８は、リアクタの本体部２と同軸上に取り付けられており、筐体の直径及び長さにおける遊びが最小化されるような寸法で形成されている。保護筐体８は、チタンのように、通気性のない材料であるが腐食に対して耐久性を有する材料で形成されている。

この筐体の取り付けは、図１に示すように、蓋部またはリアクタの本体部２で行われる。筐体、本体部及び蓋部間の冷却封止は、例えばバイトンからなるガスケットにより形成される。

一次熱交換器１４は、リング状領域１２内に設けられている。一次熱交換器１４内で熱伝達流体を循環させることにより、加熱または熱力を引き出すことが可能となる。また、一次熱交換器１４は、リアクタに沿う温度勾配の制御をもたらす。しかしながら、交換器が設けられる循環は、本発明の一部ではない。そのため、詳細に説明されないだろう。

両側が加圧流体に浸された保護筐体８の使用は、リアクタの材料のように圧縮応力にしたがって引張応力にしたがわない内部の熱交換器１４を作製するためのステンレススチール配管の使用を可能とする。そのため、交換器の壁部は、まさに保護筐体の壁部のように薄くしてもよく、反応媒体と熱伝達流体との間の熱伝達は、交換器がリアクタの外側の壁部に配置されたより従来の構造と比較して大幅に改善される。

全体として参照符号１５で示された内側管部は、本体部の軸ＸＸと同軸上の反応領域１０内に配置されている。内側管部は、より大径の下部分１６と、より小径の上部分１８とを有する。管部１５は、中央領域２０とリング状領域２２との間を連通するための通路を形成する開口端部１５ａを有する。

攪拌タービン２４は、反応領域１０内に配置されており、保護筐体８と一体に取り付けられたセンタリング装置２８により回転方向で案内された軸ＸＸの中央シャフト２６を有する。タービンは、例えば蓋部４に取り付けられた磁気駆動部３０を用いることにより回転し始める。タービンは、内側管部１８内に配置された軸２６と平行なブレード３２と、反応のリング状領域２２に配置された軸２６と平行なブレード３４とを有する。中央領域２０のブレード３２とリング状領域２２のブレード３４とは、カップリング３６を介して接続されている。

反応のリング状領域２２内の流体が乱れる場合、一次交換器１４から及び一次交換器１４への熱伝達は、改善される。この点は、ブレード３４を用いて拡散することにより保証される。また、ピストンタイプにおいて存在しているドゥエル時間の分布と同様のドゥエル時間の分布に達するために、流動方向において流体移動が制限される場合でさえも、反応領域の均質性は、この装置により保証される。そのため、攪拌タービン２４は、処理流体の流動からの熱伝達の分離をもたらす。

反応領域の内側の装置の全体は、程度同じ圧力で動作し、圧力への機械的な抵抗の要求を考慮することなく材料及び形状が維持される。廃棄物注入管部、酸化剤注入部及び排出交換器は、ＨＯ腐食に耐性のあるチタニウムのような材料で形成されており、それらが起点となる熱伝達を改善するためにその厚さが最小化されている。

シリンダ状濾過装置４０は、内側注入管部１５、より詳細にはこの管部の小径の部分１８と同軸上に取り付けられている。濾過装置４０は、注入管部１５の軸ＸＸと同軸上であって管部１５と共にリング状空間４２を区画する継手部４１と共に下方に向けて延在している。

管部４３は、リング状領域４２内の一端部とリアクタ１の外側の他端部４４とにおいて熱交換器の開口部を形成するコイルのように巻回されている。

酸化剤、例えば加圧空気を供給するための導管４５は、反応のリング状領域２２において蓋部４を貫通する。導管４５は、内側管部１５の全体長さにわたって軸ＸＸとほぼ平行に延在しており、この管部の上端部１５ａの近傍において開口する縁部４６を有する。

処理される廃棄物は、圧力下において中央反応領域２０内に開くために蓋部４を貫通する導管４８を通って定格流量で入る。最後に、導管５０は、加圧流体媒体、例えば水を閉込領域１２内に導入することを可能とする。有利には、閉込領域は、反応領域に関して超過圧力となっており、保護筐体の封止の欠陥を発見可能となっている。

導管５１は、流体パージバルブ５２に取り付けられており、本体部２の上部分に取り付けられている。

最後に、導管５４は、反応領域５２において蓋部を貫通している。

材料処理方法は、以下のように実行される。

処理される材料は、全体が液体のようにまたは固体材料粒子(solid material particles)が浮遊する水性懸濁液のように、定格圧力及び流量で導管４８を介して中央領域２０内に入る。処理される材料は、注入管部１５の大径部１６の部分に取り付けられた交換器４３を流れる流体廃液の流れに逆らって流動することにより加熱される。そして、処理される材料は、下端部から開口端部１５ａに至るまで注入管部の小径部１８の部分を通って移動する。もし酸化剤を反応領域１０内に注入可能とする管部の上記端部４６が注入管部の端部１５ａの近傍に開いていると、中央領域２０の全体は、酸素欠乏状態となる。酸化剤注入部４６の配置を最適化し、且つ、超臨界状態ではあるが酸素欠乏状態の下で反応領域の一部を利用することが可能である。空気注入の位置に起因して、中央注入領域内に収容されている廃棄物は、酸素欠乏状態の下で酸化燃焼が開始する前に全体的あるいは部分的に維持されまたは全く維持されない。

酸化剤は、ガス（空気または酸素、オゾンなどを富化した空気）として、または液体（液体酸素、過酸化水素など）として導入されてもよい。

この構成の目的は、それらの除去を確実にするために廃棄物からの特定の化合物の反応を可能にすることである。例えば、有機廃棄物が除去されるべき硝酸塩を含有するときの場合、それが含む有機材料は、後者により酸化され、ＨＯ状態下で安定なＮ_２に変換される。管部の端部１５ａに酸化剤を加えた後でこれにより生じる酸化は、硝酸塩の新たな生成を導くのではなく他の有機化合物の変換、とりわけ炭素質種のＣＯ_２への変換を導く。このため、従来のＨＯ処理を用いて除去されない特定の廃棄物を除去することができる。

したがって、本発明は、農業廃水の処理に有利に適用される。リアクタの酸素欠乏領域の使用は、排水内に窒素含有種の生成がない硝酸処理された排水の破壊を可能にする。ミネラルを含有するブライン(brine)の分離及び取り除かれた水性排水の大多数流量(majority flow)の開放により、この処理は、液体肥料のように硝酸塩及びリン酸塩の豊富な集中的な飼育場の排水に適用してもよい。廃棄物からエネルギーを回収するためのＨＯ処理の設計とケースバイケースで適合されうる寸法とは、小さな飼育業に統合されて飼育者により実行される通常の拡散操作(spreading operations)に変えて利用される小単位の創造を考慮することと、設備のために必要なエネルギーの生成に参加することとに繋がる。

そして、処理される材料は、微小孔性フィルタ４０に至るまで上から下まで反応リング状領域２２を通って移動する。直線状ブレードを有する攪拌器２４を用いて乱流状態が保証可能となり、クロス濾過(tangential filtration)に類似した条件下であって、塊(cake)、すなわちフィルタ前面の固体材料の堆積の形成を回避することによる前面タイプの濾過とは類似でない条件下で濾過作用がもたらされる。塊の形成は、前面濾過(frontal filtration)において標準的である。これは、成分の濾過許容量を大きく減少させる。本発明のリアクタにおいて求められる乱れた流動状態において、フィルタへのクロスフロー(tangential flow)は、この材料の堆積を避けてこれにより長時間にわたって可能な限り一定の濾過効率を保証するために維持される。

本発明におけるリアクタを示す長手方向断面図である。 図１のII-II線に沿う断面図である。 図１に示すリアクタにおけるIII-III線に沿う断面図である。 図１に示すリアクタにおけるIV-IV線に沿う断面図である。

符号の説明

１ リアクタ
２ 本体部
１０ 反応領域
１５ 管部，注入管部，内側管部，内側注入管部
１５ａ 開口端部，上端部
２０ 中央領域，中央反応領域
２２ リング状領域
４６ 縁部，酸化剤注入部，端部（注入口，導入ポイント）
４８ 導管（注入口）

Claims (4)

1. 流体の反応媒体中の材料を加圧水中で処理するリアクタであって、
   反応領域（１０）を区画する本体部（２）と、
   前記反応領域（１０）内で処理される材料のための注入口（４８）と、
   酸化剤を前記反応領域（１０）に導入するためのポイント（４６）と、
   前記反応領域（１０）の外側で処理された前記材料のための少なくとも１つの排出口と、
   を有したリアクタにおいて、
   処理される前記材料が、前記注入口及び前記排出口間で前記反応領域内に規定された経路に続き、
   前記酸化剤を前記反応領域（１０）に導入するための前記ポイント（４６）が、前記材料のための前記注入口（４８）の下流に配置され、後者から所定距離を置いて離間しており、これにより、処理される前記材料のための前記注入口と前記酸化剤を導入するための前記ポイントとの間で構成される酸素欠乏領域（２０）、及び、前記流体の反応媒体が酸素欠乏状態である所定の領域を規定していることを特徴とするリアクタ。
2. 酸化領域（２２）が、前記酸素欠乏領域（２０）の下流に配置されており、
   廃棄物の酸化反応が、前記酸化領域において終了することを特徴とする請求項１に記載のリアクタ。
3. 第１の端部において前記本体部（２）に取り付けられた内側管部（１５）であって、当該内側管部（１５）の内側容量が、中央領域（２０）を区画し、当該内側管部が、前記本体部（２）と共にリング状領域（２２）を区画する内側管部と、
   前記内側管部の第２の端部（１５ａ）に形成された前記内側管部と前記リング状領域（２２）との間を連通するための通路と、
   処理される前記材料のための注入口（４８）であって、第１の端部の側において前記内側管部の前記中央領域内に開口する注入口と、
   前記酸化剤（２２）のための注入口（４６）であって、前記酸化剤を導入するための前記ポイントが前記内側管部の前記第２の端部（１５ａ）の近傍に配置されている注入口と、
   を有することを特徴とする請求項１または２に記載のリアクタ。
4. リアクタの反応領域内に収容された流体の反応媒体中の材料を処理するための加圧水方法であって、
   − 前記反応領域（１０）内に処理される材料を導入する工程と、
   − 前記反応領域（１０）内に酸化剤を導入する工程と、
   を備え、
   前記反応領域（１０）内に前記酸化剤を導入する工程が、処理される前記材料のための注入口（４８）の下流に配置され、後者から所定距離を置いて離間された導入ポイント（４６）であって、処理される前記材料のための前記注入口と前記酸化剤を導入するための前記ポイントとの間で構成される酸素欠乏領域（２０）、及び、前記流体の反応媒体が所定の酸素欠乏領域を規定している導入ポイントにおいて実行される、ことを特徴とする方法。

Images