JP2014004523A - 流体浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内筒２２や外筒２１の熱伸縮による疲労を従来よりも抑えることができる流体浄化装置を提供する。
【解決手段】外筒２１とこれの内側に配設された内筒２２とからなる二重構造を具備するとともに、廃水Ｗを内筒２２の内部に流入するために、自らの先端部を内筒２２の先端部に挿入している流入管２６とを有し、内筒２２の先端部で空気Ａと廃水Ｗとを加熱及び加圧しながら混合し、混合流体中の有機物を酸化分解する流体浄化装置において、内筒２２の単位長さあたりの容積について、内筒２２の長手方向における先端側領域の容積を、内筒２２の長手方向における後端側領域の容積よりも小さくした。
【選択図】図４

Description

本発明は、有機物を含む浄化対象流体と、酸化剤との混合流体を加圧及び加熱しながら浄化対象流体中の有機物を酸化分解して浄化対象流体を浄化するための反応槽を備える流体浄化装置に関するものである。

この種の流体浄化装置の反応槽としては、特許文献１に記載の圧力バランス型反応槽が知られている。この圧力バランス型反応槽９００は、図１に示されるように、外筒体９０１と、これの内側に配設された内筒体９０２とからなる二重筒構造を具備している。外筒体９０１の後端壁（図中で下端にある壁）には、外筒体９０１の内側における外筒体９０１と内筒体９０２との間の筒間空間９０５に対して、酸化剤としての空気を圧送するための送入口９０１ａが設けられている。内筒体９０２は、図中下側に位置している後端部を外筒体９０１の後端壁（下端壁）に貫通させた状態でその後端壁によって片持ち支持されている。内筒体９０２の先端（図中の上端）には、流入管９０４を受け入れるための貫通口９０２ａが形成されている。外筒体９０１の外部から外筒体９０１の先端壁を貫通して外筒体９０１の内側に進入した流入管９０４の先端部が、前述の貫通口９０２ａを通じて内筒体９０２の内部に進入している。

外筒体９０１の後端壁に設けられた送入口９０１ａを経由して外筒体９０１と内筒体９０２との間の筒間空間９０５に圧送された空気は、筒間空間９０５内を下方から上方に向けて移動した後、貫通口９０２ａの内壁と流入管９０４との間の間隙を通って内筒体９０２内に進入する。内筒体９０２内では、流入管９０４を通じて圧送されてくる処理対象流体としての廃水と、前述の間隙を通って流入してくる空気とが混合される。そして、混合流体が加熱及び加圧されながら内筒体９０２内をその先端側から後端側（図中上側から下側）に向けて送られる過程で、混合流体中の有機物が酸化分解される。このような酸化分解においては、活性汚泥による生物処理では不可能であった高濃度有機溶剤廃水やプラスチック微粒子含有廃水でも、浄化することができる。

しかしながら、この圧力バランス型反応槽９００では、内筒体９０２の先端部が特に高温になって、伸縮による金属疲労を引き起こし易いという問題があった。具体的には、内筒体９０２の先端部では、流入管９０４を通じて圧送されてくる廃水と、筒間空間９０５を通じて圧送されてくる空気とが混ざり合いながら、有機物の酸化分解が急速に始まる。廃水中の有機物濃度が高濃度であると、内筒体９０２の先端部で多量の有機物が酸化分解されて発熱することから、先端部の領域が特に高温になってしまうのである。また、内筒体９０２の熱が筒間空間９０５内の空気を介して外筒体９０１に伝わることから、外筒体９０１も先端部の領域が特に高温になって金属疲労を引き起こし易くなる。

本発明は、以上の背景に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、内筒体や外筒体の熱伸縮による疲労を従来よりも抑えることができる流体浄化装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明は、外筒体とこれの内側に配設された内筒体とからなる二重構造を具備するとともに、浄化対象流体を前記内筒体の内部に流入するために、自らの先端部を前記内筒体の先端部に挿入している流入管とを有し、前記内筒体の先端部で酸化剤と前記流入管から排出される浄化対象流体とを加熱及び加圧しながら混合し、得られた混合流体を前記内筒体の先端側から後端側に向けて送る過程で、混合流体中の有機物を酸化分解して前記浄化対象流体を浄化するための反応槽を備える流体浄化装置において、前記内筒体の単位長さあたりの容積について、前記内筒体の長手方向における先端側領域の容積を、前記内筒体の長手方向における後端側領域の容積よりも小さくしたことを特徴とするものである。

本発明においては、内筒体の長手方向の先端側領域における単位長さあたりの容積が、先端側領域の単位長さあたりの容積よりも小さくなっていることから、内筒体の先端側領域内で後端に向けて送られる混合流体の流速が、内筒体の後端側領域内で後端に向けて送られる混合流体の流速よりも速くなる。これにより、内筒体の先端側領域の混合流体をより迅速に内筒体の後端側領域に移動させることで、内筒体の先端側領域において酸化分解される有機物の量を減らして発熱量を減少させるとともに、内筒体の後端側領域において酸化分解される有機物の量を増やして発熱量を増加させる。このようにして、内筒体の先端側領域と後端側領域とで発熱量の均一化を図ることで、内筒体の先端側領域や外筒体の先端側領域の昇温量をより低くして、内筒体や外筒体の熱伸縮による疲労を従来よりも抑えることができる。

特許文献１に記載の圧力バランス型反応槽を示す概略構成図。 実施形態に係る流体浄化装置を示す概略構成図。 同流体浄化装置の反応槽の内筒を示す斜視図。 同反応槽を示す縦断面図。 先端側を分解した状態の同反応槽を示す分解断面図。 流体浄化実験装置を示す概略構成図。

以下、本発明を適用した流体浄化装置の一実施形態について説明する。
まず、実施形態に係る流体浄化装置の基本的な構成について説明する。図２は、実施形態に係る流体浄化装置を示す概略構成図である。実施形態に係る流体浄化装置は、原水タンク１、攪拌機２、原水供給ポンプ３、原水圧力計４、原水入口弁５、酸化剤圧送ポンプ６、酸化剤圧力計７、酸化剤入口弁８、熱交換器９、熱媒体タンク１０、熱交換ポンプ１１、出口圧力計１２、出口弁１３、気液分離器１４、反応槽２０、図示しない制御部などを備えている。

制御部は、漏電ブレーカー、マグネットスイッチ、サーマルリレーなどの組み合わせからなる給電回路を、攪拌機２、原水供給ポンプ３、酸化剤圧送ポンプ６、酸化剤圧送ポンプ６、熱交換ポンプ１１にそれぞれ個別に対応する分だけ有している。そして、プログラマブルシーケンサーからの制御信号によって給電回路のマグネットスイッチをオンオフすることで、それら機器に対する電源のオンオフを個別に制御する。

原水圧力計４、酸化剤圧力計７、出口圧力計１２はそれぞれ、圧力の検知結果に応じた値の電圧を出力する。また、反応槽２０の第１温度計２４は、後述する内筒２２の先端側領域の温度を検知してその検知結果に応じた電圧を出力する。また、反応槽２０の第２温度計２７は、後述する内筒２２の後端側領域の温度を検知してその検知結果に応じた電圧を出力する。それらの測定機器から出力される電圧は、それぞれ図示しないＡ／Ｄコンバーターによって個別にデジタルデータに変換された後、センシングデータとしてプログラマブルシーケンサーに入力される。プログラマブルシーケンサーは、それらのセンシングデータに基づいて、各種の機器の駆動を制御する。

原水タンク１には、分子量の比較的大きな有機物を含む廃水Ｗが未処理の状態で貯留されている。廃水Ｗは、有機溶剤廃水、製紙工程で生ずる製紙廃水、及びトナー製造工程で生ずるトナー製造廃水のうち、少なくとも何れか１つからなるものである。製紙廃水やトナー製造廃水には、難分解性の有機物が含まれている可能性がある。

攪拌機２は、浄化対象流体としての廃水Ｗを撹拌することで、廃水中に含まれる浮遊物質（Suspended solids）を均等に分散せしめて、有機物濃度の均一化を図っている。原水タンク１内の廃水Ｗは、高圧ポンプからなる原水供給ポンプ３によって連続的に圧送されて、原水入口弁５を介して反応槽２０に高圧流入する。原水入口弁５は、逆止弁の役割を担っており、原水供給ポンプ３から圧送されてくる廃水Ｗについて、原水供給ポンプ３側から後述する反応槽２０側への流れを許容する一方で、逆方向の流れを阻止する。

反応槽２０は、外筒２１と、これの内部に配設された内筒２２とによる二重筒構造になっている。原水入口弁５を通過した廃水Ｗは、後述する流入管（図３の２６）を通って、反応槽２０の内筒２２の内部に流入する。

原水供給ポンプ３の駆動による廃水Ｗの流入圧力は、原水入口弁５よりも上流側に配設された原水圧力計４によって検知されて、センシングデータとして制御部のプログラマブルシーケンサーに入力される。原水供給ポンプ３が駆動しているときの廃水Ｗの流入圧力と、内筒２２内の圧力とは、ほぼ同じになる。プログラマブルシーケンサーは、原水供給ポンプ３を駆動しているときに原水圧力計４から送られてくる圧力の検知結果に基づいて、内筒２２内の圧力の適否を判断する。

コンプレッサーからなる酸化剤圧送ポンプ６は、酸化剤として取り込んだ空気を、廃水Ｗの流入圧力と同程度の圧力まで圧縮しながら、酸化剤入口弁８を介して反応槽２０に送り込む。酸化剤入口弁８は、逆止弁の役割を担っており、酸化剤圧送ポンプ６から圧送されてくる空気について、酸化剤圧送ポンプ６側から反応槽２０側への流れを許容する一方で、逆方向の流れを阻止する。

反応槽２０内に圧送された空気は、外筒２１と内筒２２との間にある筒間空間に進入した後、内筒２２における長手方向の先端から内筒２２内に流入する。そして、流入管によって内筒２２内に送り込まれた廃水Ｗと混合されて混合流体になる。

酸化剤圧送ポンプ６の駆動による空気の流入圧力は、酸化剤入口弁８よりも上流側に配設された酸化剤圧力計７によって検知されて、センシングデータとして制御部のプログラマブルシーケンサーに入力される。酸化剤圧力計７が駆動しているときの空気の流入圧力と、反応槽２０内の圧力とは、ほぼ同じになる。プログラマブルシーケンサーは、酸化剤圧送ポンプ６を駆動しているときに酸化剤圧力計７から送られてくる圧力の検知結果にも基づいて、反応槽２０内の圧力の適否を判断する。

酸化剤圧送ポンプ６の駆動による空気の圧送量は、廃水中の有機物を完全に酸化させるのに必要となる化学量論的な酸素量に基づいて決定されている。より詳しくは、廃水のＣＯＤ（Chemical Oxygen Demand）、全窒素（ＴＮ）、全リン（ＴＰ）など、廃水Ｗ中の有機物濃度、窒素濃度、リン濃度などに基づいて、有機物の完全酸化に必要な酸素量が算出され、その結果に基づいて、空気の圧送量が設定されている。

空気の流入量の設定は作業員によって行われるが、廃水Ｗ中に含まれる有機物の種類が経時で安定しており、濁度、光透過度、電気伝導度、比重などの物性と、前述の酸素量との相関関係が比較的良好である場合には、その物性をセンサー等で検知した結果に基づいて、前述の制御範囲を自動で補正する処理を実施するように、プログラマブルシーケンサーを構成してもよい。

酸化剤としては、空気の他、酸素ガス、オゾンガス、過酸化水素水の何れか１つ、あるいは、それらの２種類以上を混合したもの、を用いることも可能である。

図３に示されるように、内筒２２の外面には、内筒２２内の混合流体を加熱するためのヒーター２３が巻き付けられている。図２において、内筒２２内の混合流体は、ヒーター２３によって加熱されることで昇温することに加えて、有機物が酸化分解されることによる発熱によっても昇温する。廃水Ｗが有機物を高濃度に含むものである場合、多量の有機物が酸化分解される際の多量の発熱だけで、混合流体が所望の温度まで昇温することもある。この場合、装置の立ち上げ時のみ、ヒーター２３による加熱を行い、酸化分解が開始された後には、ヒーター２３に対する電源をオフにすることができる。

内筒２２内の混合流体に加える圧力としては、０．５〜３０ＭＰａ（望ましくは５〜３０ＭＰａ）の範囲を例示することができる。内筒２２内の圧力は、後述する出口弁１３によって調整される。出口弁１３は、内筒２２内の圧力が閾値よりも高くなると、自動で弁を開いて内筒２２内の混合流体を外部に排出することで、内筒２２内の圧力を閾値付近に維持する。

内筒２２内の混合流体の温度としては、１００〜７００℃（望ましくは２００〜５５０℃）を例示することができる。温度の調整は、上述したヒーターのオンオフによって行われる。なお、外筒２１の外周面にも熱交換器を設けた場合には、この熱交換器のオンオフによっても、内筒２２内の混合流体の温度を調整することが可能になる。

温度及び圧力の条件として、温度＝３７４．２℃以上、且つ、圧力＝２１．８ＭＰａ以上を採用した場合、水の臨界温度や臨界圧力をそれぞれ超え、且つ空気の臨界温度や臨界圧力もそれぞれ超える状態であるため、混合流体が液体と気体との中間的な性質を帯びる超臨界流体になる。かかる超臨界流体中では、有機物が良好に超臨界流体に溶解するとともに、空気に良好に接触することから、有機物の酸化分解が急激に進行する。

温度及び圧力の条件として、温度＝２００℃以上（望ましくは３７４．２℃以上）、且つ、圧力＝２１．８ＭＰａ未満（望ましくは１０ＭＰａ以上）の比較的高圧を採用して、内筒２２内で混合流体中の廃水を高温高圧蒸気にしてもよい。

内筒２２内においては、混合流体を高温且つ高圧の状態にすることで、混合流体中の有機物の酸化分解を促す。有機物が酸化分解された混合流体は、反応槽２０から排出される。そして、急激に冷却されたのち、出口弁１１３で減圧されてから、気液分離器１１４によって液体と気体に分離される。

図４は、反応槽２０を示す縦断面図である。内筒２２は、酸に強いチタン（Ｔｉ）からなる筒である。チタンからなるものに代えて、Ｔａ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｏからなるものを用いてもよい。また、Ｔｉ、Ｔａ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｉ、Ｃｏ及びＭｏのうち、少なくとも何れか１つを含む合金からなるものを用いてもよい。また、セラミックや石英ガラスからなるものを用いてもよい。

外筒２３は、ステンレス（ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６）、インコネル６２５、ニッケル合金など、強度に優れた金属材からなる筒である。反応槽２０の内部の圧力は、０．５〜３０ＭＰａ、望ましくは５〜３０ＭＰａという高圧に制御される。このような高圧に耐え得るように、外筒２３の厚みは肉厚になっている。これに対し、実施形態に係る流体浄化装置における内筒２２は、耐圧性よりも耐食性が求められることから、優れた耐食性を発揮するチタンが材料として採用されている。

原水供給ポンプ（図２の３）によって反応槽２０に向けて圧送される廃水Ｗは、原水入口弁（図２の５）を経由した後、原水入口弁の出口側に接続されている給送管１５に進入する。この給送管１５は、入口継手１７により、反応槽２０の入口側に設けられている流入管２６に接続されている。給送管１５から反応槽２０内に圧送された廃水Ｗは、反応槽２０において、流入管２６を通って内筒２２内に流入する。そして、内筒２０内のその長手方向に沿って図中左側から右側に向けて移動する。

一方、酸化剤導入ポンプ（図２の６）によって反応槽２０内に圧送された空気Ａは、外筒２１と内筒２２との間の筒間空間に流入する。そして、筒間空間をその長手方向に沿って図中右側から左側に向けて移動する。内筒２２は、図中左側の端部に、筒断面の中心線を中心とし、且つ筒内径とほぼ同じ径の先端開口を有している。廃水Ｗを内筒２２内に流入するための流入管２６の先端部は、この先端開口を通じて内筒２２内に挿入されている。流入管２６の先端部の外径は、内筒２２の内径よりも遙かに小さいため、内筒２２内においては、流入管２６の外周面と、内筒２２の内周面との間に間隙が形成されている。外筒２１と内筒２２との間の筒間空間の図中左端まで移動した空気Ａは、内筒２２よりも図中左側に回り込んだ後、その隙間を通って内筒２２内に進入する。

内筒２２内は、高圧であることに加えて、高温になっている。その温度は、１００〜７００℃、望ましくは２００〜５５０℃である。流体浄化装置の運転が開始されるときには、内筒２２内の廃水Ｗと空気Ａとの混合流体は、圧力がかけられているが、温度はそれほど高くなっていない。そこで、運転開始時には、プログラマブルシーケンサーがヒーター（図３の２３）を発熱させて、内筒２２内の混合流体の温度を２００〜７００℃まで昇温させる。

内筒２２内において有機物の酸化分解が開始され、内筒２２内の混合流体の温度が高温に維持されるようになると、内筒２２と外筒２１との間の筒間空間内で、内筒２２の外周面やヒーター（２３）に接触しながら図中右側から左側に進む空気Ａが、内筒２２の外周面やヒーターからの熱伝導によって予備加熱されながら、内筒２２内に流入するようになる。

内筒２２内では、有機塩化物のクロロ基に由来する塩酸や、アミノ酸等のスルホニル基に由来する硫酸が発生して、内筒２２の内壁を強い酸性下におくことがある。このため、内筒２２には、耐食性に優れたチタンからなる筒が採用されているのである。但し、チタンは非常に高価な材料であるため、内筒２２の厚みを高圧に耐え得る値まで大きくすると、非常にコスト高になってしまう。そこで、内筒２２の外側に外筒２１を配設し、チタンよりも安価なステンレス等からなる外筒２１によって必要な耐圧性を発揮させるようにしている。内筒２２と外筒２１との間の筒間空間の圧力は圧送される空気Ａによって内筒２２内の圧力とほぼ同じ値になるため、肉薄のチタンからなる内筒２２に対しては、大きな圧力がかからないようになっている。

内筒２２の後端部（図中右側端部）付近まで移動した混合流体（Ｗ＋Ａ）は、有機物や無機化合物がほぼ完全に酸化分解された状態になっている。内筒２２の後端部（流体搬送方向の下流側端部）には、出口継手１８を介して、内筒２２内で浄化された混合流体を搬送するための搬送管１６が接続されている。有機物の酸化分解によって浄化された混合流体は、この搬送管１６に進入する。

搬送管１６内では、浄化された混合流体中の水分が冷却されて、超臨界状態、あるいは高温高圧蒸気状態、から液体状態に態様を変化させる。一方、混合流体中の酸素や窒素は、超臨界状態から気体状態に態様を変化させる。搬送管１６を通り過ぎた混合流体は、気液分離器１４によって処理水とガスとに分離され、処理液は処理液タンクに貯留される。また、ガスは大気中に放出される。

処理水は、活性汚泥による生物処理では除去し切れないフェノールなどの難分解性の有機物もほぼ完全に酸化分解されたものであるため、浮遊物質や有機物は殆ど含まれていない。酸化できない無機物が含まれているだけである。そのままの状態でも、用途によっては工業用水として再利用することが可能である。また、限外濾過膜による濾過処理を施せば、ＬＳＩ洗浄液などに転用することも可能である。気液分離器１４によって分離されたガスは、二酸化炭素、窒素、及び酸素ガスを主成分とするものである。

図２において、搬送管１６の外壁には、熱交換器９が装着されている。熱交換器９の本体は、搬送管１６の外壁を覆う外管で構成され、外管と搬送管１６の外壁との間の空間を水などの熱交換流体で満たしている。そして、搬送管１６の外壁と熱交換流体との熱交換を行う。反応槽２０の運転時には、非常に高温の液体が搬送管１６の内部に流れるため、搬送管１６から熱交換器９内の熱交換流体に熱が移動して、熱交換流体が熱せられる。熱交換器９内における熱交換流体の搬送方向は、いわゆる向流型の熱交換を行うように、搬送管１６内の液体の搬送方向とは逆方向になっている。即ち、出口弁１３側から反応槽２０側に向けて熱交換流体を送っている。これは、熱媒体タンク１０内の熱交換流体を吸引しながら熱交換器９に送る熱交換ポンプ１１によって行われる。熱交換器９を通過して熱せられた熱交換流体は、図示しないパイプを通って発電機に送られる。発電機では、熱せられたことによって圧力を高めている熱交換流体を液体から気体の状態にするときに発生する気流によってタービンを回転させることで発電が行われる。

なお、熱交換器９を通過した熱交換流体の一部を分岐パイプによって流入管２６や原水タンク１まで搬送して、廃水Ｗの予備加熱に利用してもよい。

搬送管１６における出口弁１３の近傍には、搬送管１６の温度、又は搬送管１６内の液体の温度を検知する図示しない出口温度計が設けられている。制御部のプログラマブルシーケンサーは、出口温度計による検知結果を所定の上限温度以下にするように、熱交換ポンプ１１の駆動を制御する。具体的には、出口温度計による検知結果が所定の上限温度に達したときには、熱交換ポンプ１１の駆動量を増加して熱交換器９への熱交換流体の供給量を増やすことで、熱交換器９による冷却機能を高める。これにより、液体を上限温度以下の温度にした状態で、熱交換器９に流入させるようにする。

また、熱交換器９の近傍には、熱交換器９を通った直後の熱交換流体の温度を検知する図示しない熱交換温度計が設けられている。熱交換器９を通った直後の熱交換流体の温度は、所定の下限温度以上であることが望ましい。そこで、制御部のプログラマブルシーケンサーは、熱交換温度計による検知結果を所定の下限温度以下にするように、熱交換ポンプ１１の駆動を制御する。具体的には、熱交換温度計による検知結果が所定の下限温度まで低下したときには、熱交換ポンプ１１の駆動量を減少させて熱交換器９への熱交換流体の供給量を低下させる。これにより、熱交換器９を通った直後の熱交換流体の温度を上昇させるようにする。但し、出口温度計による検知結果に基づく熱交換ポンプ１１の駆動量の調整が、熱交換温度計による検知結果に基づく熱交換ポンプ１１の駆動量の調整よりも優先して行われる。このため、出口温度計による検知結果が所定の上限温度以上になっており、且つ、熱交換温度計による検知結果が所定の下限温度以下になっている場合には、前者の検知結果による駆動量の調整が優先されて、駆動量が増やされる。

廃水Ｗ中の有機物濃度が比較的高い場合には、有機物の酸化分解によって多量の熱が発生する。このため、運転初期にはヒーター２３を作動させるものの、有機物の酸化分解が開始された後には、有機物の酸化分解によって発生する熱により、廃水Ｗと空気Ａとの混合流体の温度を、所望の温度まで自然に昇温することができるようになる場合もある。そこで、制御部のプログラマブルシーケンサーは、内筒２２の先端側領域の温度を検知する第１温度計２４や、内筒２２の後端側領域の温度を検知する第２温度計２７による検知結果が、所定の温度よりも高くなった場合には、加熱手段としてのヒーター２３をオフにする。これにより、無駄なエネルギーの消費を抑えることができる。

次に、実施形態に係る流体浄化装置の特徴的な構成について説明する。
図４に示される外筒２１や内筒２２の断面形状は何れも真円である。外筒２１の直径は、外筒２１の先端側（流体搬送方向上流側＝図中左側）から後端側（流体搬送方向下流側＝図中右側）に向けて一定になっている。これに対し、内筒２１では、長手方向の先端側領域の径が、後端側領域の径よりも小さくなっている。そして、内筒２２の先端側領域における単位長さあたりの容積が、先端側領域の単位長さあたりの容積よりも小さくなっている。かかる構成では、内筒２２の先端側領域内で後端に向けて送られる混合流体の流速が、内筒２２の後端側領域内で後端に向けて送られる混合流体の流速よりも速くなる。これにより、内筒２２の先端側領域（小径領域）の混合流体をより迅速に内筒２２の後端側領域（大径領域）に移動させることで、内筒２２の先端側領域において酸化分解される有機物の量を減らして発熱量を減少させるとともに、内筒２２の後端側領域において酸化分解される有機物の量を増やして発熱量を増加させる。このようにして、内筒２２の先端側領域と後端側領域とで発熱量の均一化を図ることで、内筒２２の先端側領域や外筒２１の先端側領域の昇温量をより低くして、内筒２２や外筒２１の熱伸縮による疲労を従来よりも抑えることができる。

反応槽２０の先端側領域においては、内筒２２の外径が後端側領域よりも小さくなっているのに対し、外筒２１の内径が後端側領域と同じになっている。これにより、先端側領域では、内筒２２の外壁と外筒２１の内壁との間により多くの空気Ａが介在することから、内筒２２の外壁から空気Ａを介した外壁２１への熱伝導が抑えられる。外筒２１については、このように熱伝導が抑えられることによっても、従来に比べて昇温量をより低くして熱伸縮による疲労を抑えることができる。

なお、内筒２２内に送入されている流入管２６の先端については、内筒２２の先端側領域（小径領域）と後端側領域（大径領域）とのうち、先端側領域に位置させている。これにより、先端側領域で空気Ａと廃水Ｗとを混合することができる。

流入管２６については、外筒２１に対して着脱可能に保持させている。図５は、先端側を分解した状態の反応槽（２０）を示す分解断面図である。同図において、外筒２１は、その先端に入口管部２１ａを有している。また、処理対象流体を内筒２２内に流入するための流入管２６の長手方向における全域のうち、外筒２１の外側に位置する領域には、管外周面から法線方向に突出する突出部２６ａが管外周面の全周に渡って延在する姿勢で設けられている。流入管２６は、外筒２１の入口管部２１ａの貫通口に挿入された状態で、突出部２６ａを入口管２１ａの先端側壁に当接させている。そして、処理対象流体を入口管部２１ａに給送するための給送管１５と、入口管２１ａとを連結させる入口継手１７により、流入管２６の突出部２６ａが入口管２１ａの先端側壁に押さえ付けられていることで、流入管２６が外筒２１に対して着脱可能に保持されている。入口継手１７を緩めることにより、給送管１５と入口管２１ａとを分離するとともに、流入管２６を外筒２１から取り外すことができる。かかる構成では、流入管２６を長さの異なるものに交換することで、流入管２６の先端部の内筒２２への挿入量を容易に変化させる。これにより、内筒２２の先端側領域内において、筒長手方向における廃水Ｗと空気Ａとの混合開始位置を容易に調整することができる。

図４において、内筒２２の長手方向における全域のうち、後端側領域には、管状の触媒２５が内筒２２の径方向に複数重ねた状態で配設されている。この触媒２５は、廃水Ｗ中に含まれている有機物やアンモニア態窒素の酸化分解を促進する材料からなる。かかる材料としては、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｅ、Ｔｉ又はＭｎを例示することができる。また、それらのうち、少なくとも何れか１つを含む化合物でもよい。廃水Ｗ中に含まれる有機物の殆どは、内筒２２の長手方向における前半の領域で酸化分解されるが、前半の領域を通過しても酸化分解されない有機物やアンモニア態窒素は、この触媒２５によって酸化分解が促進される。かかる構成では、難分解性の有機物が廃水Ｗ中に含まれていても、それを良好に酸化分解することができる。

廃水Ｗの有機物濃度が非常に高い場合には、内筒２２内で廃水Ｗ中有の有機物の酸化分解によって発生する熱量が、新たに内筒２２内に流入してくる廃水Ｗや空気Ａを所望の温度まで昇温させるのに必要な熱量を上回ることもある。この場合、そのままでは、内筒２２、外筒２１、内筒２２内の混合流体の温度がそれぞれ上昇の一途を辿ってしまう。そこで、制御部のプログラマブルシーケンサーは、第１温度計（２４）や第２温度計（２７）による検知結果が、所定の上限温度よりも高くなった場合には、原水供給ポンプ（３）によって原水Ｗを内筒２２内に送る給送速度を低下させるか、あるいは、原水供給ポンプの駆動を一時的に停止させる処理を実施する。このとき、酸化剤圧送ポンプ６も、駆動速度を低下させるか、駆動を一時停止させる。これにより、内筒２２や外筒２１の過剰な昇温を防止することができる。

なお、筒の長手方向を水平方向に沿わせる横型の姿勢で反応槽（２０）を配設した例について説明したが、筒の長手方向を鉛直方向に沿わせる縦型の姿勢や、筒の長手方向を鉛直方向や水平方向から傾けた傾斜方向に沿わせる傾斜型の姿勢で、反応槽（２０）を配設してもよい。

次に、本発明者らが行った実験について説明する。
図６は、本発明者らによって試作された流体浄化実験装置を示す概略構成図である。この流体浄化実験装置は、原水タンク１０１、原水供給ポンプ１０３、原水圧力計１０４、原水入口弁１０５、酸化剤タンク１５０、酸化剤圧送ポンプ１０６、酸化剤圧力計１０７、酸化剤入口弁１０８、熱交換器１０９、出口圧力計１１２、出口弁１１３、気液分離器１１４、反応槽１２０、触媒１２３、酸化剤ヒーター１２８、酸化剤タンク１５０などを備えている。これらのうち、実施形態に係る流体浄化装置に備えられる機器と同じ名称のものは、その機器と同じ機能を担うものである。なお、酸化剤ヒーター１２８は、酸化剤を予備加熱するためのものである。また、酸化剤タンク１５０は、酸化剤としての過酸化水素水を貯留するものである。

反応槽１２０の内筒１２２は、実施形態に係る流体浄化装置の内筒（２２）と同様に、先端側領域の径が後端側領域の径よりも小さくなっていることで、先端側領域の単位長さあたりにおける容積が後端側領域の単位面積あたりにおける容積よりも小さくなっている。これにより、混合流体の流速は、先端側領域の方が後端側領域よりも速くなる。

内筒１２２の先端側領域は、内径が４．４ｍｍであり、長さが１２０ｍｍであり、全体容積が１．８２４ｍｌであり、長さ１ｃｍあたりの容積が０．１５２ｍｌである。これに対し、内筒１２２の後端側領域は、内径が１０．２２ｍｍであり、長さが１２０ｍｍであり、全体容積が９．８４４ｍｌであり、長さ１ｃｍあたりの容積が０．８２ｍｌである。

原水タンク１０１には、廃水として、メタノール溶液を貯留した。また、酸化剤タンク１５０には、酸化剤として、３０ｗｔ％の過酸化水素水を貯留した。また、触媒１２３としては、ＭｎＯ_２からなるものを５ｇ充填した。

出口弁１１３の調整により、原水供給ポンプ１０３によって圧送されるメタノール溶液の流入圧力や、酸化剤圧送ポンプ１０６によって圧送される過酸化水素水の流入圧力が約１０ＭＰａになるようにした。これにより、内筒１２２内の混合流体の圧力や、筒間空間内の過酸化水素水の圧力が１０ＭＰａになるようにした。過酸化水素水の単位時間あたりの流入量については、それに含有される酸素がメタノールの酸化分解に必要な化学両論量の１．２倍になるように調整した。そして、過酸化水素水を反応槽２０に流入する前に酸化剤ヒーター１２８によって４３０℃まで予備加熱することで、水と酸素ガスに熱分解した。それら２つの流体は、内筒１２２内でメタノールと混合されることで混合流体の温度を約４００℃にして、有機物の酸化分解反応を促進する。

反応槽２０から排出された処理済み混合流体は、熱交換器１０９によって一瞬で約２５℃まで冷却された後、気液分離器１１４によって液体成分と気体成分とに分離される。

かかる条件でメタノールの酸化分解処理を行っている最中に、第１温度計１２４によって内筒１２２の先端側領域の温度（以下、先端側温度という）を測定するとともに、第２温度計１２７によって内筒１２２の後端側領域の温度（以下、後端側温度という）を測定した（実験１）。すると、先端側温度＝３９９．４℃、後端側温度＝３９１．９℃という結果が得られた。内筒１２２内において、先端側から後端側にかけて酸化分解反応が均等に行われたことから、先端側と後端側とで大きな温度差を発生させることなく、内筒１２２の温度を４００℃未満に維持することができた。

次に、本発明者らは、メタノール溶液の流入速度と、過酸化水素水の流入速度とをそれぞれ１．６５倍にした条件で、同様の実験を行った（実験２）。すると、先端側温度＝４００．３℃、後端側温度＝３９１．７℃という結果が得られた。内筒１２２内において、先端側から後端側にかけて酸化分解反応が均等に行われたことから、先端側と後端側とで大きな温度差を発生させることなく、内筒１２２の温度を４００℃付近に維持することができた。

次に、本発明者らは、反応槽２０内の圧力を１５ＭＰａに高めた点の他は、実験１と同じ条件で、同様の実験を行った（実験３）。すると、先端側温度＝４００．８℃、後端側温度＝３９２．１℃という結果が得られた。内筒１２２内において、先端側から後端側にかけて酸化分解反応が均等に行われたことから、先端側と後端側とで大きな温度差を発生させることなく、内筒１２２の温度を４００℃付近に維持することができた。

次に、本発明者らは、酸化剤の予備加熱温度を高めて、実験開始時における混合流体の温度を４５０℃にした点の他は、実験１と同じ条件で、同様の実験を行った（実験４）。すると、先端側温度＝４５０．５℃、後端側温度＝４４１．３℃という結果が得られた。内筒１２２内において、先端側から後端側にかけて酸化分解反応が均等に行われたことから、先端側と後端側とで大きな温度差を発生させることなく、内筒１２２の温度を４５０℃付近に維持することができた。

次に、本発明者らは、内筒１２２の先端側領域の直径を、後端側領域と同じ１０．２２ｍｍにした。これにより、先端側領域と後端側領域とで、単位長さ当たりの容積を同じにした。この点の他は、実験１と同じ条件で、同様の実験を行った（実験５）。すると、先端側温度＝５１１．９℃、後端側温度＝３６６．５℃という結果が得られた。内筒１２２内において、先端側領域における有機物の酸化分解反応が、後端側領域よりも圧倒的に多く行われたことから、先端側温度が後端側温度よりも約１５０℃も大きくなってしまった。この結果から、先端側領域の単位長さあたりの容積を後端側領域の単位長さがりの容積よりも小さくすることで、内筒１２２の過剰な昇温の発生を有効に抑え得ることが立証された。

参考までに、各実験における温度の測定結果を次の表１に示す。

反応管内管の上流部と下流部の内径を一定にした以外は実施例１と同様の方法でMeOH水溶液の高温高圧水中燃焼を行った。

以上に説明したものは一例であり、本発明は、次の態様毎に特有の効果を奏する。
［態様Ａ］
外筒体（例えば外筒２１）とこれの内側に配設された内筒体（例えば内筒２２）とからなる二重構造を具備するとともに、浄化対象流体を前記内筒体の内部に流入するために、自らの先端部を前記内筒体の先端部に挿入している流入管（例えば流入管２６）とを有し、前記内筒体の先端部で酸化剤（例えば空気Ａ）と前記流入管から排出される浄化対象流体（例えば廃水Ｗ）とを加熱及び加圧しながら混合し、得られた混合流体を前記内筒体の先端側から後端側に向けて送る過程で、混合流体中の有機物を酸化分解して前記浄化対象流体を浄化するための反応槽（例えば反応槽２０）を備える流体浄化装置において、前記内筒体の単位長さあたりの容積について、前記内筒体の長手方向における先端側領域の容積を、前記内筒体の長手方向における後端側領域の容積よりも小さくしたことを特徴とするものである。

［態様Ｂ］
態様Ｂは、態様Ａにおいて、前記内筒体の前記先端側領域の中に、前記流入管の先端を位置させたことを特徴とするものである。かかる構成においては、内筒体の先端側領域で酸化剤と処理対象流体とを混合することができる。

［態様Ｃ］
態様Ｃは、態様Ａ又はＢにおいて、前記流入管を前記外筒体に対して着脱可能に保持させたことを特徴とするものである。かかる構成では、既に説明したように、内筒体の先端側領域内において、筒長手方向における処理対象流体と酸化剤との混合開始位置を容易に調整することができる。

［態様Ｄ］
態様Ｄは、態様Ａ〜Ｃの何れかにおいて、前記内筒体として、先端に開口を具備するものを用い、前記開口を通じて前記流入管の先端部を前記内筒体の先端部に挿入し、前記外筒体の前記内筒体との間の筒間空間に酸化剤を高圧流入させる酸化剤高圧流入手段（例えば酸化剤圧送ポンプ６）を設け、且つ、前記筒間空間に高圧流入した酸化剤を、前記開口の内壁と前記流入管との間隙を通じて前記内筒体の中に流入させるようにしたことを特徴とするものである。かかる構成では、酸化剤を筒間空間に充填して筒間空間と内筒体内とで圧力のバランスを保ちつつ、酸化剤を内筒体内に流入させて有機物の酸化反応に利用することができる。

［態様Ｅ］
態様Ｅは、態様Ｄにおいて、前記酸化剤高圧流入手段によって前記筒間空間に酸化剤を高圧流入するために前記外筒体に設ける流入口（図４の矢印Ａが付されている貫通口）の位置を、前記内筒体の後端付近に設定し、筒間空間内で酸化剤を内筒体の後端側から先端側に向けて移動させるようにしたことを特徴とするものである。かかる構成では、酸化剤を内筒体の中に流入させるのに先立って内筒体の外壁に接触させながら移動させることで、内筒体の外壁から酸化剤への熱伝導を促進して、酸化剤を予備加熱することができる。

［態様Ｆ］
態様Ｆは、態様Ａ〜Ｅの何れかにおいて、有機物の酸化分解を促進するための触媒（例えば触媒２３）を前記内筒体の中に配設したことを特徴とするものである。かかる構成では、触媒により、難分解性の有機物を良好に酸化分解することができる。

［態様Ｇ］
態様Ｇは、態様Ｄ又はＥにおいて、上記流入管から上記内筒体に処理対象流体を高圧流入させる処理前流体高圧流入手段（例えば原水供給ポンプ３）の駆動量、及び、上記酸化剤高圧流入手段の駆動量をそれぞれ制御する制御手段（例えばプログラマブルシーケンサー）を設けたことを特徴とするものである。かかる構成は、処理対象流体の有機物濃度に応じて、反応槽に対する処理対象流体や酸化剤の流入量を調整することが可能である。そして、これにより、反応槽内における単位時間あたりの酸化分解反応量を一定にすることで、反応槽の過剰昇温の発生を防止することができる。

［態様Ｈ］
態様Ｈは、態様Ａ〜Ｇの何れかにおいて、前記酸化剤として、酸素ガス、空気、オゾン、又は過酸化水素水の何れかを用いることを特徴とするものである。かかる構成では、酸化剤を流体の状態で反応槽に供給することができる。

［態様Ｉ］
態様Ｉは、態様Ａ〜Ｈの何れかにおいて、前記内筒体として、Ｔｉ、Ｔａ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｐｂ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｉ、Ｃｒ、及びｂＭｏのうち、少なくとも何れか１つを含む物質、セラミック、又は石英ガラス、からなるものを用いたことを特徴とするものである。かかる構成では、所望の耐食性を内筒体に発揮させることができる。

［態様Ｊ］
態様Ｊは、態様Ａ〜Ｉの何れかにおいて、上記外筒体として、ステンレス又はニッケル合金からなるものを用いたことを特徴とするものである。かかる構成においては、所望の高圧条件に耐え得る耐圧性を、外筒体に発揮させることができる。

３：原水供給ポンプ（処理前流体高圧流入手段）
６：酸化剤圧送ポンプ（酸化剤高圧流入手段）
２０：反応槽
２１：外筒（外筒体）
２２：内筒（内筒体）
２３：触媒
２６：流入管
Ｗ：廃水（浄化対象流体）
Ａ：空気（酸化剤）

特開２００３−１７５３２６号公報

Claims (10)

1. 外筒体とこれの内側に配設された内筒体とからなる二重構造を具備するとともに、浄化対象流体を前記内筒体の内部に流入するために、自らの先端部を前記内筒体の先端部に挿入している流入管とを有し、前記内筒体の先端部で酸化剤と前記流入管から排出される浄化対象流体とを加熱及び加圧しながら混合し、得られた混合流体を前記内筒体の先端側から後端側に向けて送る過程で、混合流体中の有機物を酸化分解して前記浄化対象流体を浄化するための反応槽を備える流体浄化装置において、
   前記内筒体の単位長さあたりの容積について、前記内筒体の長手方向における先端側領域の容積を、前記内筒体の長手方向における後端側領域の容積よりも小さくしたことを特徴とする流体浄化装置。
2. 請求項１の流体浄化装置において、
   前記内筒体の前記先端側領域の中に、前記流入管の先端を位置させたことを特徴とする流体浄化装置。
3. 請求項１又は２の流体浄化装置において、
   前記流入管を前記外筒体に対して着脱可能に保持させたことを特徴とする流体浄化装置。
4. 請求項１乃至３の何れかの流体浄化装置において、
   前記内筒体として、先端に開口を具備するものを用い、
   前記開口を通じて前記流入管の先端部を前記内筒体の先端部に挿入し、
   前記外筒体の前記内筒体との間の筒間空間に酸化剤を高圧流入させる酸化剤高圧流入手段を設け、
   且つ、前記筒間空間に高圧流入した酸化剤を、前記開口の内壁と前記流入管との間隙を通じて前記内筒体の中に流入させるようにしたことを特徴とする流体浄化装置。
5. 請求項４の流体浄化装置において、
   前記酸化剤高圧流入手段によって前記筒間空間に酸化剤を高圧流入するために前記外筒体に設ける流入口の位置を、前記内筒体の後端付近に設定し、筒間空間内で酸化剤を内筒体の後端側から先端側に向けて移動させるようにしたことを特徴とする流体浄化装置。
6. 請求項１乃至５の何れかの流体浄化装置において、
   有機物の酸化分解を促進するための触媒を前記内筒体の中に配設したことを特徴とする流体浄化装置。
7. 請求項４又は５の流体浄化装置において、
   上記流入管から上記内筒体に処理対象流体を高圧流入させる処理前流体高圧流入手段の駆動量、及び、上記酸化剤高圧流入手段の駆動量をそれぞれ制御する制御手段を設けたことを特徴とする流体浄化装置。
8. 請求項１乃至７の何れかの流体浄化装置において、
   前記酸化剤として、酸素ガス、空気、オゾン、又は過酸化水素水の何れかを用いることを特徴とする流体浄化装置。
9. 請求項１乃至８の何れかの流体浄化装置において、
   前記内筒体として、Ｔｉ、Ｔａ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｐｂ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｉ、Ｃｒ、及びｂＭｏのうち、少なくとも何れか１つを含む物質、セラミック、又は石英ガラス、からなるものを用いたことを特徴とする流体浄化装置。
10. 請求項１乃至９の何れかの流体浄化装置において、
    上記外筒体として、ステンレス又はニッケル合金からなるものを用いたことを特徴とする流体浄化装置。

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