JP2015513458A - 基質を酸化するための反応器 - Google Patents

Abstract

基質を流体中に溶解するように構成されている第１の反応チャンバーを含み、第１の反応チャンバーは連結出口を含み、連結出口は第１の反応チャンバーの下流の管状反応チャンバーに接続されており、第１の反応チャンバー内の条件は流体に関して亜臨界であり、管状反応チャンバー内の条件は溶解した基質を運ぶ流体に関して超臨界である、基質を酸化するための反応器及び方法。【選択図】なし

Description

[0001]本発明は基質を酸化するための反応器及び方法に関する。より詳しくは、本発明は複数の反応チャンバーを含む反応器及び方法に関する。

[0002]それらの臨界温度及び圧力より高い条件においては、流体は構造の変化を受ける。これらの変化によって、亜臨界系において観察されるものと大きく異なる熱力学特性及び反応挙動がもたらされる。例えば、３７４℃より高い温度及び２２０．４ｂａｒ（２２ｍＰａ）より高い圧力においては、水は超臨界状態になり、水素結合が弱くなり、水の物理特性が変化して（雰囲気条件における水とは異なり）全ての有機化合物及び気体に対する溶媒になる。このように、超臨界範囲においては、水は、亜臨界条件においては（あったとしても）この媒体中において可能でない広い範囲の化学反応のための理想的な反応媒体になる。これにより、水及び他の液体に関する使用可能な範囲が劇的に拡がる。

[0003]超臨界液体に関する１つの用途は、超臨界水媒体中における酸化によって化学的に安定な危険汚染物質を含む水性廃棄物流を処理することである。このプロセスは超臨界水酸化（ＳＣＷＯ）として知られている。

[0004]ＳＣＷＯプロセスにおいては、水性廃棄物を、反応器内において、超臨界水条件（それぞれ３７５℃及び２２０．４ｂａｒ（２２ｍＰａ）より高い条件）下で酸化剤（空気又は酸素ガス）と接触させる。迅速な酸化が起こり、僅か数秒間又は数分間しかかからない。これにより、優れた効率を有するプロセスが与えられる。ＳＣＷの溶媒和力のために、反応媒体は単一相であり、これにより完全な反応が促進される。殆どの廃棄物に関して、これらの条件は、９９．９９％及びそれより良好な分解及び除去効率（ＤＲＥ）を達成するのに十分なものである。ＵＳ−４，５４３，１９０においては、超臨界条件下で有機物質を酸化するためのかかるＳＣＷＯプロセスが記載されている。

[0005]ＳＣＷＯプロセスが直面している課題としては、反応器壁の上に金属酸化物が形成される可能性による腐食が挙げられる。これは極限条件下で水及び酸素が共存することによって引き起こされる。酸化物はある程度は反応器壁に対する保護を与えるが、それらが破壊性になる点を超えると、壁は崩壊し始める。他の課題は、超臨界水中に不溶の塩及び他の無機化合物が沈殿することである。反応器壁及びシステム配管の上にこれらの塩が堆積すると、閉塞を引き起こす可能性がある。しかしながら、塩の堆積は、プロセスの規模、運転条件、及び基質の化学構造に左右される。

[0006]ＵＳ−６，０５６，８８３において、好適な溶媒を用いてフラッシングすることによって無機沈殿物を除去することができることが提案されているが、これにはＳＣＷＯ反応を停止する必要がある。ＵＳ−５，３５８，６４６においては、廃棄物流を処理するために複数の熱段階を用いることができることが提案されている。固体物質（廃棄物処理の前に形成される沈殿物塩を含む）の除去は触媒プロセス段階において行われる。固体物質を除去することによって、高価な触媒が被毒する危険性が減少する。ＷＯ−２００６／０５２２０７においては、酸化剤を含む流れを、基質を含む流れと接触させるＳＣＷＯシステムが記載されている。

ＵＳ−４，５４３，１９０ ＵＳ−６，０５６，８８３ ＵＳ−５，３５８，６４６ ＷＯ−２００６／０５２２０７

[0007]改良された超臨界基質酸化プロセスを与えることが望ましい。このプロセスは、向上した酸化効率；生成する無機沈殿物のスケールの取扱い（これを除去しやすくするか、或いは酸化プロセスに対する乱れを回避することのいずれか）；触媒プロセスを適用する必要性の回避；連続プロセスを与える可能性；並びに、液体及び固体の廃棄物流の一方又は両方を酸化する可能性（可能ならば２つの間を切り替える可能性と共に）；の１以上を与えることを目指すものである。

[0008]本発明は、可能な場合には上記に記載の問題の１以上に対処することによって、現在の超臨界基質酸化プロセスの少なくとも幾つかの形態を改良することを意図するものである。廃棄物、特に医療廃棄物の廃棄に、場合によっては実験室規模のＳＣＷＯタイプのプロセスを適用することもまた望ましい。

[0009]したがって、本発明の第１の形態においては、基質を流体中に溶解するように構成されている第１の反応チャンバーを含み、第１の反応チャンバーは連結出口を含み、連結出口は第１の反応チャンバーの下流の管状反応チャンバーに接続されており、管状反応チャンバー内の条件は溶解した基質を運ぶ流体に関して超臨界である、基質を酸化するための反応器が提供される。第１の反応チャンバー内の条件は流体に関して超臨界であることがしばしばであるが、常にそうとは限らない。亜臨界条件を用いる場合には、亜臨界条件下での溶解は同等の超臨界系よりもより温和でより安全であり、これにより比較的安全（公知の超臨界系に対して）なエネルギー効率のよい方法で基質を予備処理することが可能になるので、これは有利である可能性がある。本発明の反応器の１つの有利性は、複数の反応チャンバーのデザインによって第１の反応チャンバーから沈殿した固体が除去され、これによって管状反応チャンバー内における第２段階の酸化プロセスの効率が向上することである。更に、このように反応を分離することによって、反応の全体的な進行をより効率的に監視することができる。更に、酸化の前に液化を行うことは、プロセスの安全性、制御された熱の生成、及び回収率の点で運転上の有利性を与える。

[0065]図１は、本発明による超臨界水酸化装置を示す概略図であり、このシステムは単一の第１の反応チャンバー及び単一の管状反応チャンバーを有する。 [0066]図２は、本発明による超臨界水酸化装置を示す更なる概略図であり、このシステムは２つの第１の反応チャンバー及び単一の管状反応チャンバーを有する。

[0010]単一の第１の反応チャンバー、及び単一の管状反応チャンバーを含む反応器に関して概説するが、２以上のそれぞれのチャンバーを異なる運転構成で用いることができることを理解すべきである。例えば、必要に応じて、２以上の第１の反応チャンバーから単一の管状反応チャンバー中に供給することができ、或いは単一の第１の反応チャンバーから２以上の下流の管状反応チャンバー中に供給することができる。

[0011]２以上の第１の反応チャンバーが存在する場合には、三方弁を用いて１つのチャンバーから他のチャンバーへの切り替えを行うことができる。これにより、充填中の第１の反応チャンバーの１つを隔離し、運転状態のチャンバーを管状反応チャンバーと「インライン」（即ち流体連絡状態）にする。この配置は以下の有利性を有する。

１．１つの第１の反応チャンバーから他の反応チャンバーへ切り替えることによってプロセスの連続性が確保され、これによって１以上の他のチャンバーの内容物を処理しながら１以上のチャンバーを充填することができる。

２．管状反応チャンバーに流入させてはならない「針状結晶」及び鋭利物のような不溶の固体を除去することが可能になる。
３．流体−基質混合物から沈殿析出した不溶の塩を除去することが可能になる。

[0012]第１の反応チャンバー内の条件が流体に関して亜臨界である場合には、固体の流体中への溶解、及び液体廃棄物と流体との混合が促進される。殆ど全部の基質が流体中に溶解するか又は流体と混合し、このために管状反応チャンバーへの連結出口を通って運ばれるが、流体の存在により不溶の塩の形成が引き起こされる場合、或いは基質が流体中に可溶でない（例えば廃棄物がガラスの鋭利物である場合）には、これらは流体を管状反応チャンバーに移送する前に流体から除去する。広範囲の除去方法を用いることができるが、通常は重力分離が採用される方法である。

[0013]本明細書において用いる「重力分離」という用語は、当該技術におけるその通常の意味を与えると意図され、即ち、重力プロセスを用いて懸濁液から固体を分離すること、或いは言い換えれば重力下で液体から固体を「沈降」させることである。本発明において重力分離を用いることは、濾過、凝集、凝析、及び／又は吸引のような分離速度を増加させることができる他の方法を更に用いることを禁止するものではないが、一般に重力分離を単独で用いる。

[0014]基質及び流体の混合物から沈殿した固体を重力分離することを可能にするチャンバーを与えることによって、自然沈降プロセスが効率的に用いられ、第１の反応チャンバー内の主プロセス流から沈殿した塩又は不溶の固体が迅速に除去され、所望の場合には基質及び流体の混合物を管状反応チャンバーに連続流で送ることが可能になる。従前のシステムは、第２の酸化又は他の反応段階の前に流体から沈殿した固体を分離することが望ましい結果として、しばしばバッチ処理に限定されていた。

[0015]沈殿した固体に関する出口を与えることによって、これらを分解させる必要なしに反応混合物から完全に除去することができることが確保され、これらの固体がその後の化学的及び物理的プロセスを妨げないことが確保される。管状反応チャンバー中に送られる基質及び流体の混合物は、一般に実質的に均一であり、粒状物を実質的に含まない（即ち、粒状物が０〜５％、０〜２％、０〜１％、０〜０．５％、又は０〜０．１％の範囲である）。

[0016]多くの例においては、流体は水を含む。しばしば流体は主として水性媒体であるが、他の溶媒を存在させることもできる。それらの入手容易性のために、及び多くの精製プロセスは既に水性形態（例えば水溶液又は水懸濁液）である廃棄物基質を用いて開始されるので、水性媒体が用いられている。したがって、反応のためのベース媒体として水を用いてかかる基質を処理することが最も効率的である。しばしば、第１の反応チャンバーは流体に関して亜臨界の条件下で運転し、これらの場合において、流体が水である場合には、水は一般に加熱し、圧縮し、又は両方の処理を行う。このように、水は、第１の反応チャンバーの条件下においては加圧熱水、管状反応チャンバーの条件下においては超臨界水であってよい。

[0017]本発明の１つの所期の用途は、化学的に安定な有害廃棄物流の分解における使用である。反応器は、病院廃棄物（医療廃棄物）（病原性、感染性、及び毒性廃棄物を含む）を対象物とすることを意図して構成され、核廃棄物への適用の拡張の可能性がある。このように、基質は、医療廃棄物、核廃棄物、下水、石油化学及び医薬廃棄物、並びに工業廃棄物において見られる基質から選択されることが多く、これにより廃棄物処理産業における有用性を有するシステムが与えられる。しばしば、基質は有機、生物学的、及び／又は場合によっては無機である。基質は、単一の化合物又は同様の反応性を有する複数の化合物の単純な混合物であってよく、或いは基質は、それぞれが異なる反応性を有し、異なる条件下で酸化される異なる物質の複合混合物であってよい。しかしながら、管状反応チャンバー内の条件は、一般に廃棄物中の全ての有機物質を酸化するのに適当なものである。無機物質は、（第１の反応チャンバー内で沈殿するためであるか、或いは不溶性であるので第１の反応チャンバー内で除去されるために）一般に僅かな量で存在する。

[0018]基質は１つのみのタイプのものであってよく、或いは有機、生物学的、及び無機廃棄物の１以上の混合物であってよい。理解されるように、特定の廃棄物質をこれらの３つのカテゴリーの１つより多くの中に分類することができる。これらの有機、生物学的、及び／又は無機基質が廃棄物基質である場合には、これらは一般に上記に記載の異なるタイプの廃棄物中に見られるタイプのものである。

[0019]基質は、液体又は固体或いはこれらの組み合わせであってよい。反応器によって分離の必要なしに固体、液体、又は混合廃棄物流を処理することができることが、本発明の有利性である。ここで「液体」基質と呼ぶ場合には、これらには、単一の液体又は複数の液体の混合物、溶質を含む液体、及びこれらの流れ（例えばコロイド系）中の微粒子物質を運ぶ流体が含まれる。「固体」という用語はゲルを含むと意図される。また、固体は一定量の液体を含んでいてよく、これもなお実質的に「固体」であり、例えばスラッジとして記載される基質は本発明において規定する固体であるが、測定可能な（おそらくは３０重量％程度の多さの）液体を含む。粒子状物質を含む液体と固体との間の界面は、基質中の固体の量によって調節すると意図される。本明細書において用いる固体は、３０重量％以下の液体、即ち０〜３０重量％の範囲の液体を含む場合には「固体」である。同様に、液体は７０％以下の固体、即ち０〜７０％の範囲の固体を含む。

[0020]基質は、第１の反応チャンバー中に押出すか、ピストンで供給するか、ポンプ移送するか、又は単純に配置することができる。基質が固体である場合には、これはしばしば第１の反応チャンバー中に配置するか、押出すか、又はピストンで供給し、幾つかの例においてはシリンジポンプを用いて基質をチャンバーに移送することができる。液体はポンプを用いて第１の反応チャンバー中に供給することができ、或いは単純にその中に注ぎ入れることができるが、いずれの方法も単独又は両方の基質に関して組み合わせて用いることができる。

[0021]幾つかの例においては、基質の一部は第１の反応チャンバーを迂回させて、下流の管状反応チャンバー内に直接供給することができる。これを行う場合には、管状反応チャンバー中に固体が存在すると酸化プロセスが妨げられるので、殆どの場合は液体基質に関して行う。殆どの場合、これは粒子状物質を非常に低いレベル、おそらくは２％以下しか含まない液体に関して行う。

[0022]第１の反応チャンバーは、しばしば重力の観点で「底部」においてテーパー状の部分を有する円筒形の構造のものにして、沈殿した固体又は不溶の固体が流体からテーパー状の部分の中に分離されるようにすることができる。第１の反応チャンバーをテーパー状の部分を含むように構成する場合には、第１の反応チャンバーが概して円筒形又は他の（例えば長方形若しくは球状の）構造のものであるかどうかにかかわらず、テーパー状部分の基部は沈殿した固体のための出口の位置に配することができる。誤解を避けるために、「沈殿した固体のための出口」は、用いる条件下において流体中に不溶である固体（不溶固体）が第１の反応チャンバーからそれを通して除去されると考えられる出口でもある。

[0023]しばしば、第１の反応チャンバーの容積は、５００ｍＬ〜５Ｌ、しばしば１Ｌ〜３Ｌ、幾つかの場合においては１．５Ｌ〜２Ｌの範囲である。以上のように、チャンバーをこのスケールに寸法調整することの有利性によって、ユニットを実験室環境内に含ませて、幾つかのユニットを病院のような単一の建物の周囲の種々の場所に存在させることができるようになる。

[0024]第１の反応チャンバーに関して種々の構造を採用することができるが、円筒形はより少ない端部又は角部しか含まないので、円筒形の部分を含ませることが一般に好ましい。端部及び角部は腐食及び沈殿した物質の捕捉をより起こし易いので、円筒形の構造を選択することによって、より腐食しにくく、より閉塞するようになりにくく、又はスケールをより起こしにくい第１の反応チャンバーが与えられる。腐食の修繕及びチャンバーの洗浄は両方とも基質の処理を中断することが必要なので、円筒形の構造を選択することは有利である。

[0025]幾つかの例において、第１の反応チャンバーが円筒形の部分を含む場合には、円筒形の部分の直径は容器の高さの０．２５〜０．７５の範囲であり、しばしばチャンバーの直径は容器の高さの約０．５倍である。

[0026]第１の反応チャンバーは、しばしば特にデザインされた「作業台」内に配置され、ここでユーザーによって安全且つ容易に充填することができる。しばしば、第１の反応チャンバーは倒れることがないように制止され、これは当業者に公知の任意の複数の方法によって行うことができるが、第１の反応チャンバーが円筒形である場合には環状の基部がしばしば用いられる。

[0027]沈殿した固体の出口には、沈殿した固体及び不溶の固体の通常の除去及び廃棄を容易にする開口又はバルブを含ませることができる。沈殿した固体はしばしば腐食性の塩を含むので、少なくとも高い温度及び圧力の条件下においては、第１の反応チャンバーから固体物質を連続的か又は通常的に除去することによって、チャンバーの内部の腐食損傷を制限することができる。更に、反応器、例えば反応チャンバーの間の任意の配管の閉塞、或いはチャンバーそれ自体のスケール付着を減少させることができる。

[0028]出口がバルブである場合には、これはしばしば沈殿した固体を第１の反応チャンバーから第２のチャンバーへ除去することを可能にするようにデザインされている多バルブシステムである。次に第２のチャンバー内の圧力を低下させることができ、固体を反応器から排出することができる。しばしば、バルブの構造は２バルブ構造である。２バルブシステムを用いることによって、第１の反応チャンバー内で圧力を損失（したがって高圧反応条件を損失）させることなく固体を除去することが可能になる。而して、連続反応プロセスを提供することができる。

[0029]流体中に基質を溶解し、しばしば固体を沈殿及び除去することに加えて、第１の反応チャンバーによって基質の第１段階の酸化を与える可能性がある。かかる第１段階の酸化においては、しばしば混合基質のより少ない複合成分が酸化されるが、混合基質のより多い複合成分も、最終生成物への酸化、或いは単純に一連の酸化反応における第１段階の酸化としての酸化を受ける可能性がある。基質が単一の物質、或いは実質的に同じように酸化される複数の物質の単純な混合物である場合には、酸化は単一工程で行うことができる。かかる場合においては、第１の反応チャンバーに酸化剤は加えず、酸化は専ら第２の反応チャンバー中で完了させることが可能である。かかる場合においては、第１の反応チャンバーの目的は、流体中の固体基質の溶解、流体と液体基質との混合、しばしば沈殿、及びしばしば不溶の固体又は沈殿した塩の除去を促進することである。反応器は、一般にチタンのような耐腐食性材料から製造される。インコネル（登録商標）合金群のようなニッケル−クロム合金もまた用いることができ、SS316のようなステンレススチールも同様である。これらの材料は、高い圧力及び超臨界流体からの腐食によく抵抗することが知られている。SS316は、３００ｂａｒ（３０ｍＰａ）以下の圧力及び３００℃〜３５０℃の範囲の温度に耐えるステンレススチールである。ステンレススチールのこのグレードに関する別の名称には海洋グレードステンレススチールが含まれ、通常の化学組成は、Ｃ＝０．０８重量％、Ｃｒ＝１６〜１８重量％、Ｍｎ＝１．２５〜２重量％、Ｍｏ＝２〜２．５重量％、Ｎｉ＝１０〜１１重量％、Ｐ＝０．０４重量％、Ｓ＝０．０３重量％、Si=０．７５重量％、Ｆｅ＝残余量である。

[0030]インコネル（登録商標）合金は、オーステナイトニッケル−クロムベースの超合金である。これらは一般に、ニッケル、クロム、鉄、マンガン、ケイ素、炭素、及びイオウを；場合によっては更にモリブデン、ニオブ、コバルト、アルミニウム、チタン、リン、及びホウ素の１以上と共に含む。インコネル（登録商標）合金の具体例としては次のものが挙げられる。

[0031]第１の反応チャンバーは、単独か又は組み合わせの１以上の材料で製造することができる。例えば、第１の反応チャンバーは、鋼材又はニッケル合金、しばしばSS316のようなステンレススチールであってよい。第１の反応チャンバーは、耐腐食性を向上させるために内表面の一部又は全部をライニング又は被覆することができ、しばしば内表面の実質的に全部を、しばしば、金、銀、チタン、又はこれらの合金；クロム、ニッケル、マンガン、及びこれらの組み合わせ；から選択される耐腐食金属でライニングする。かかる合金は場合によってはケイ素又は炭素を含み、それらの耐腐食性を向上させるために加工されたものであってよい。

[0032]存在する場合には、沈殿した固体のための出口におけるバルブは、単独か又は組み合わせの上記に記載の材料から製造することができ、しばしばバルブはチタン又はチタン合金から形成する。或いは、バルブはチタンで被覆することができる。チタンを使用することにより耐腐食性が与えられる。

[0033]管状反応チャンバーも一般に上記に記載の材料から形成するが、潜在的に腐食性の沈殿した固体は除去されているので、管状反応チャンバーの内表面は被覆しないことがよくある。しばしば、管状反応チャンバーは、耐腐食性の合金、例えばチタン又はニッケルクロム合金から形成する。ニッケル合金を用いる場合には、これはしばしばインコネル６２５のようなインコネル合金である。

[0034]管状反応チャンバーに関する通常の容積は、０．０５Ｌ〜０．５Ｌ、しばしば０．１〜０．２Ｌ、しばしば０．１２５Ｌ〜０．１５Ｌの範囲であり、これらはしばしば適当な長さ、例えば１／８〜１インチ（０．３２〜２．５４ｃｍ）、しばしば１／４〜１／２インチ（０．６４〜１．２７）の範囲の細いチューブを用いて達成される。上述したように、チャンバーをこのスケールに寸法調整することの有利性により、ユニットを実験室環境内に含ませて、病院のような単一の建物の周囲の種々の場所に幾つかのユニットを存在させることができるようにすることが可能になる。

[0035]上記に記載したように、基質を溶解し、沈殿した固体又は不溶の固体を除去した後の第１の反応チャンバーからの産出物は、一般に液体である。この液体は、次に更なる処理のために管状反応チャンバー中にポンプ移送することができる。或いは重力移送を用いることができ、或いは第１の反応チャンバー中へ送られる未反応の基質から連続プロセスで圧力を加えることができる。流体に関して亜臨界である条件において第１の反応チャンバーを運転する場合には、流体が超臨界になるのは、連結開口を通して管状反応チャンバー中に導入される箇所である。

[0036]例えば基質及び流体の混合物を第１の反応チャンバーから１つより多い導管を通して管状反応チャンバーへ送ることを可能にするためか、或いは生成物を１つより多い第１の反応チャンバーから単一の管状反応チャンバー中に供給することを可能にするために、第１の反応チャンバーと管状反応チャンバーとの間に混合バルブを与えることができる。流速は、しばしば管状反応容器内において完全な乱流を確保するのに十分に高いレベルに維持する。

[0037]管状反応チャンバーは第１の反応チャンバーの下流であり、一般に基質の完全（又はほぼ完全）な転化を確保するために「第２段階」の処理を行うことを意図する。基質の転化を構成する処理は基質の性質のよって定まるが、これらは一般に沈殿及び酸化の組合せを含む。ただ一つの「段階」又は反応容器で用いる場合には、酸化は一般に「第２段階」を形成し、したがって管状反応容器内で行う。このように、酸化は第１の反応チャンバー内では行わない可能性があり、第１の反応チャンバーは専ら基質を溶解するため、及び場合によっては不溶の成分及び沈殿した塩を分離するために用いることができる。基質が廃棄物である場合には、それを水、窒素、二酸化炭素、塩化物イオン、硝酸塩、硫酸塩、及びリン酸塩のような無害の生成物に実質的か又は完全に転化させることによって廃棄物を分解することが一般的に望ましい。

[0038]管状反応容器の構造によって廃棄物質の向上した転化効率が与えられるが、管状構造は、反応混合物（即ち基質及び流体の混合物）を管状反応容器に移送する前に沈殿物を除去した場合に最も効率的に機能する。このように、第１の反応チャンバーは、反応混合物を管状反応チャンバーに移送する前に、沈殿した固体の全部ではなくても殆ど（９５％、しばしば９８％又は９９％又は９９．５％又は９９．９％；したがって９５％〜９９．９％又は１００％、９８％〜９９．９％又は１００％、９９．５％〜９９．９％又は１００％、或いは９９．９％〜１００％の範囲）を除去することが一般的である。

[0039]管状反応チャンバーはしばしば栓流反応器である。
[0040]酸化剤は、第１の反応チャンバー及び／又は管状反応チャンバーに加えることができる。多くの場合には管状反応チャンバーは酸化剤を用いる唯一のチャンバーであり、かかる場合においては、第１の反応チャンバーは、その中で基質を溶解し、不溶の固体及び沈殿した（通常は無機の）塩を基質及び流体の混合物から分離する予備処理チャンバーと考えることができる。しばしば酸化剤は酸素を含み、しばしば酸化剤は、過酸化水素、酸素、酸素富化空気、及び／又は空気から選択される。これは、これらの酸化剤は容易に入手でき、それらの反応は制御するのが容易だからである。

[0041]しばしば、基質は過剰の酸化剤を用いて酸化し、過剰の酸化剤を用いることにより、基質の全てとは限らないが実質的に全部（９０％、しばしば９５％、しばしば９８％、そうでなければ９９％、９９．５％、又は９９．９％；したがって、９０％〜９９．９％又は１００％、９５％〜９９．９％又は１００％、９８％〜９９．９％又は１００％、９９．５％〜９９．９％又は１００％、或いは９９．９％〜１００％の範囲）が酸化されることが確保される。過剰の酸化剤を用いることは、基質が異なる酸化挙動を有する複数の成分の混合物である場合に望ましく；かかる場合においては、過剰の酸化剤を用いることによって、より多くの酸化剤が酸化されるのを確保することを助けることができる。本明細書において用いる「過剰の酸化剤」という用語は、化学量論的に過剰の酸化剤を指すように意図される。

[0042]用いる場合には、酸化剤は入口を通して第１の反応チャンバーに加えることができる。しばしば、酸化剤は、第１又は第２のチャンバーのいずれかにおける複数の入口を通して第１の反応チャンバー及び／又は第２の反応チャンバーに加える。（特に管状反応チャンバーにおいて）複数の酸化剤入口を用いることによって、基質、特に窒素を含む基質のフラクションの転化の効率が向上する。これらの利益は、特に複数の酸化剤入口を管状反応チャンバーにおいて用いる場合に観察される。これは、管状反応チャンバーを通る反応混合物の流れのそれぞれの段階においてより多くの酸化剤が加えられ、これにより酸化剤と未反応の基質との良好な混合、及びしたがって基質酸化のより大きな割合が確保されるからである。

[0043]複数の酸化剤入口を１つのチャンバーのみにおいて用いる場合には、これらは管状反応チャンバーにおいて用いる。これは、このチャンバーは複数の入口の最も効率的な使用を与えるように構成されているからである。仮にそれらを存在させる場合には、単一、或いは２つ又は３つのみの酸化剤入口を第１の反応チャンバー内に存在させることがしばしばあり得る。

[0044]管状反応チャンバー中への酸化剤の供給位置、及び分割比は、中でも酸化プロセスの効率に影響を与えるファクターであり、酸化剤を徐々に加えることは、増大された廃棄物の転化、反応エネルギーの制御された放出（これは、放出されたエネルギーを用いる観点でより安全且つより効率的である）の点で有利性を有しており、窒素フラクションの向上した転化によって温室効果ガスのＮ_２Ｏとは対照的に無害のＮ_２の生成が優勢になる。最も良好な転化効率は、酸化剤の６５〜８５％又は７０〜８０％の範囲を管状反応チャンバー中に、このチャンバーの入口又はその付近において供給し、酸化剤の１５〜３５％又は２０〜３０％を、管状反応チャンバーの長さに沿ってほぼ中間の位置において加える場合に達成される。最も良好な結果は、酸化剤の約７５％（場合によっては±２％）を入口において、約２５％（場合によっては±２％）を管状反応チャンバーの長さに沿って中間の位置において供給する場合に観察された。本明細書において用いる「中間」という用語は、管状反応チャンバーの縦軸（長さ）に沿った距離の４０〜６０％の範囲、しばしば管状反応チャンバーの縦軸に沿った距離の４５〜５５％又は５０％±２％の範囲を意味するように意図される。

[0045]複数の酸化剤供給口の更なる有利性は、これによって管状反応チャンバーの長さに沿った熱分布（及びしたがって温度）が制御されることである。酸化剤は迅速に激しい熱を生成するので、反応の程度を制御することによってまた、熱の生成も制御され、熱損失及び損耗が最小になる。

[0046]第１及び／又は管状反応チャンバーに加える前に、酸化剤を、それを加えるチャンバー内の圧力と少なくとも同等で、好ましくはそれよりも高い圧力に圧縮することができる。エアポンプのような任意の公知のコンプレッサーを用いることができる。酸化剤の圧力は、しばしば２２０ｂａｒ（２２ｍＰａ）以上であり、２４０〜２６０ｂａｒ（２４〜２６ｍＰａ）の範囲、しばしば約２５０ｂａｒ（２５ｍＰａ）であってよい。

[0047]本発明の第２の形態においては、第１の反応チャンバー内で基質を流体中に溶解し；基質及び流体の混合物を下流の管状反応チャンバー中に送り；基質を超臨界条件下で酸化し；そして反応器から酸化の生成物を排出する；ことを含む、基質を酸化する方法が提供される。この方法には、沈殿した固体及び不溶の固体を重力によって基質及び流体の混合物から分離する更なる工程；並びに沈殿した固体及び／又は不溶の固体を第１の反応チャンバーから取り出す工程；のいずれか又は両方を含ませることができる。

[0048]一般に、管状反応チャンバーは両方とも、プロセスの全部ではなくても実質的に全部に関して超臨界条件下で運転する。超臨界流体をその基質に関する周囲状態に一旦戻して超臨界状態に戻すためには高いレベルのエネルギーが必要であるので、これは有用である。したがって、超臨界流体を反応プロセス全体にわたって超臨界状態に維持することがより効率的である。

[0049]触媒を用いる必要なしに基質を高い収率で酸化することができることは、本発明方法の有利性である。これによってプロセスのコストが減少し、僅かな更なる反応成分しか酸化剤にならないので起こる反応が単純になる。このように、触媒は本発明において用いることが必要ではないので、本発明の方法及び反応器は触媒を含まない可能性がある。しかしながら、これらは明確に排除されるものではなく、触媒を存在させることによって考慮している反応が促進され、触媒を存在させることが運転の問題を導かないか、又は触媒を使用することの利益が導かれる運転の問題を上回る場合には用いることができる。

[0050]しばしば、本発明の方法は連続的であるが、バッチ酸化を用いることもできる。連続プロセスの有利性は、処理を停止して反応器をリセットする必要性が排除されることであり、本発明方法において連続処理を採用することの特別な利益は、しばしば酸化する基質が廃棄物流のような連続的に生成する流れの一部を形成し、廃棄物を処理する連続方法を流れの中に組み入れることが、流れをバッチ処理するために貯蔵容器を形成するよりも効率的であることである。

[0051]最適の反応条件を確保するために、第１の反応容器は、一般に、２５０℃〜３５０℃の範囲、しばしば２７５℃〜３２５℃の範囲、しばしばほぼ３００℃又はそれを僅かに下回る値、例えば２９０℃〜２９５℃の温度に維持する。第１の反応容器はしばしば加圧も行い、圧力は、通常は２４０〜２６０ｂａｒ（２４〜２６ｍＰａ）、しばしば２４０〜２５０ｂａｒ（２４〜２５ｍＰａ）の範囲の値である。この温度及び圧力の組合せを採用することによって、流体が優れた溶媒和特性を有するが、超臨界でない系が与えられ、これにより装置を用いることに関連する危険性が減少する。

[0052]超臨界条件を確保するために、管状反応容器は、一般に、管状反応容器内において４００℃〜５００℃の範囲、しばしば４００℃〜５５０℃、時には４００℃〜５００℃の範囲の温度に維持する。当業者であれば、管状反応容器の温度は、超臨界条件を確保し、更に処理を行う温度を上昇させることに伴う更なるコストのバランスを取るように選択されることを理解するであろう。水が反応媒体／流体を形成する場合には、管状反応チャンバーは、超臨界条件を達成すべきならば３７４℃より高い温度に維持しなければならない。更に、腐食は２７０℃〜３９０℃の範囲の外側の温度においてはあまり起こらないと思われるので、４００℃以上の温度を維持すると超臨界流体の腐食性が減少し、したがって温度を制御することによって腐食も制御される。

[0053]管状反応チャンバー内の圧力は、通常は、超臨界条件を維持することを確保するために、独立して２４０〜２６０ｂａｒ（２４〜２６ｍＰａ）の範囲、しばしばほぼ２５０ｂａｒ（２５ｍＰａ）の値にする。

[0054]プロセスは高圧及び高温（しばしば超臨界）条件下で行うので、安全性が重要であり、したがって安全弁及び自動背圧調整器のシステムがしばしば用いられ、しばしば破裂ディスクが第１の反応チャンバーに取り付けられる。

[0055]本発明の第３の形態においては、基質を酸化するための本発明の第１の形態の反応器の使用が提供される。使用中には、廃棄物は一般に第１の反応チャンバーを介して反応器に直接加える。充填されたら、第１の反応チャンバーを密封し、所望の温度及び圧力（しばしば約３００℃及び２５０ｂａｒ／２５ｍＰａ）に加熱及び加圧することができる。接続は、一般に第１の反応チャンバー及び連結開口の開口部を単純に密封することによる。加熱は、しばしばジャケットヒーターを用いることによって達成されるが、容器の寸法及びそれらが配置される環境に対して適当な一定範囲の技術を用いることができる。加圧状態は、第１の反応チャンバー中に流体をポンプ移送することによって達成することができるが、一定範囲の異なるポンプを用いることができ、しばしばＨＰＬＣポンプが選択される。

[0056]上述したように、一般に少なくとも２つの第１の反応チャンバーを存在させて、反応チャンバーの１以上の中に含まれる廃棄物を処理しながらこれらの１以上を充填することを容易にする。複数の第１の反応チャンバー及び／又は管状反応チャンバーを存在させる場合には、連結出口は多方弁であってよいが、単純な「オンオフ」バルブによって連結出口を形成して、これを次に多方弁に流すこともできる。かかる構成によって更なるレベルのシステム制御、及びそれにより安全性が与えられる。

[0057]これらの温度及び圧力の条件が達成されたら、第１の反応チャンバーは運転可能になり、溶解／混合を開始する。次に、連結出口を通して流体及び基質の混合物を管状反応チャンバー中に流入させる。一般に、第１の反応チャンバー内の圧力は、連結出口が開放されている際に流体及び基質の混合物の第１の反応チャンバーから管状反応チャンバーへの自然な排出を与えるのに十分なものであるので、ポンプ移送は必要ない。通常は、流速は、管状反応チャンバーに導入される流体が乱流を形成して基質の酸化を助けるようなものにする。

[0058]本発明の反応器は、有機廃棄物質、毒性物質、及び医療廃棄物のような感染性物質などの種々の範囲の基質を９９．９９％の効率で分解することが分かった。
[0059]管状反応容器からの不活性の産出物は、しばしば２５０ｂａｒ（２５ｍＰａ）及び約５００℃の高さの昇圧及び昇温状態であってよい。このように、これは高いグレードの熱を含み、熱交換器ユニットを通して回収することができ、それを通して任意の液体基質流をポンプ移送して、液体基質を第１の又は管状反応チャンバー中に導入する前に予備加熱することもできる。この熱の再利用によって、本発明方法の効率が更に増加する。或いは、熱は所望の場合には他の用途に転用することができる。

[0060]不活性の産出物は、熱交換器ユニットを通して処理していてもいなくても（通常は処理しているが）、次に分離器ユニット中に送って気体から液体を分離することができる。この液体は、主として、時には低濃度の無機塩を含む水から構成されていてよく、一方、気体流は窒素及び二酸化炭素のような無害の気体を含んでいてよい。

[0061]他に示していない限りにおいて、本発明において記載する整数のそれぞれは、当業者に理解されるように任意の他の整数と組み合わせて用いることができる。更に、本発明の全て形態は好ましくはその形態に関して記載されている特徴を「含む」が、これらは特許請求の範囲において述べられているこれらの特徴から「構成されて」いるか又は「実質的に構成されて」いてもよいことが具体的に認識される。

[0062]更に、本発明の議論においては、反対に示されていない限りにおいて、パラメーターの許容範囲の上限又は下限に関して複数の選択値が開示されていることは、かかるパラメーターのより小さい選択値及びより大きい選択値の間にあるそれぞれの中間値自体もこのパラメーターに関する可能な値として開示されていることが言外に読み取れるものとして解釈すべきである。

[0063]更に、他に示さない限りにおいて、本出願において登場する全ての数値は用語「約」によって修飾されていると理解すべきである。
[0064]本発明をより容易に理解することができるように、図面及び以下の具体例を参照して本発明を更に記載する。

[0067]図１の反応器１０は、ヒーター１３内に収容されている第１の反応チャンバー１１及び管状反応チャンバー１２を含む。ヒーター１３は、水の超臨界温度付近又はこれより高い温度に加熱するためのオーブン又は他の好適な手段であってよい。本例においては、脱着可能なジャケットヒーターを用いる。容器１１は２Ｌの容積のものであり、ニッケル合金のインコネル６４５から製造され、チタンでライニングされている。

[0068]貯蔵容器１４内の主として固体の廃棄物を含む廃棄物質を高圧押出ユニット１５に送り、パイプラインを通して廃棄物を第１の反応チャンバー１１中に圧力下で強制流入させる。酸素ガスの形態の酸化剤を、コンプレッサー１６によって２５０ｂａｒ（２５ｍＰａ）の圧力で第１の反応チャンバー１１中に導入する。

[0069]第１の反応チャンバー１１内において固体の塩を廃棄物から沈殿させる反応は、２５０℃〜３５０℃の間の温度、２５０ｂａｒ（２５ｍＰａ）の圧力において行う。
[0070]第１の反応チャンバー１１のテーパー状の部分１７は円錐形の断面を有し、バルブ１８に向かって先細りになっている。バルブ１８はチタンバルブであり、第１の反応チャンバー１１内の圧力に影響を与えることなく、それを通して沈殿した塩を第２のチャンバー１９中に取り出すことができる。バルブ１８を閉止したら、第２のチャンバー１９を大気圧に戻し、システムから取り外して、任意の不溶の固体及び沈殿した塩を回収し、再使用するか又は廃棄処分することができる。

[0071]第１の反応チャンバー１１からの部分的に処理された廃棄物は、混合バルブ２０（連結出口）を通して管状反応チャンバー１２に送る。管状反応チャンバー１２は管状の構造を有しており、ニッケル合金のインコネル６２５から製造されている。管状反応チャンバーは１／４インチ（０．６３ｃｍ）の直径を有し、０．１２５Ｌの容積のものである。管状反応チャンバー１２内の温度及び圧力は、４５０℃〜５００℃の間の温度、２５０ｂａｒ（２５ｍＰａ）の圧力に維持する。

[0072]管状反応チャンバー１２はコンプレッサー２１から供給される２つの酸化剤入口を有することを特徴としており、これを通して酸素ガス又は酸素富化空気を２５０ｂａｒ（２５ｍＰａ）の圧力で供給する。酸化剤の７５％を、管状反応チャンバー１２の入口付近の酸化剤入口を通して管状反応チャンバー１２に導入し、２５％を、管状反応チャンバー１２の長さに沿ったほぼ中間の位置の酸化剤入口を通して導入する。

[0073]容器２２内に貯蔵されている液体廃棄物を、液体ポンプ２３を通して２５０ｂａｒ（２５ｍＰａ）の出口圧力でシステム中に供給する。液体ポンプ２３を通過した後、液体廃棄物は三方弁２４を通過して、これから第１の反応チャンバー１１に送るか、又は混合バルブ２０、及び管状反応チャンバー１２中に送ることができる。

[0074]管状反応チャンバー１２からの不活性の産出物は、熱交換器ユニット２５に通して熱を流入する液体廃棄物に伝達して、第１の又は管状反応チャンバーに導入する前に予備加熱してプロセスをよりエネルギー効率よくする。

[0075]熱交換器２５から排出された後、不活性の産出物質は、背圧調節バルブ２６を通して気／液分離ユニット２７中に送り、これから気相を貯蔵ユニット２８内に回収し、液相を貯蔵ユニット２９内に回収する。

[0076]図２は、それぞれステンレススチール（SS316）から製造され、２６０ｂａｒ（２６ｍＰａ）の圧力及び約３００℃の温度において運転する２つの第１の反応チャンバー１１を用いる本発明の反応器を示す。この構成においては、第２のチャンバーを充填しながら１つのチャンバー１１で処理を行うことができ、その逆も可能であり、これにより連続処理システムが与えられる。この態様においては、第１の反応チャンバーの容積は１Ｌであり、充填は空の第１の反応チャンバー１１に基質を単純に加えることによる。

[0077]２つの第１の反応チャンバー１１を存在させることは、三方混合弁を存在させて、これらのチャンバーの一方又は他方からの管状反応チャンバーへの流れを可能にすることが必要である。

[0078]第１の反応チャンバーは脱着可能なジャケットヒーター１３内に収容し、ポンプ３０に接続し、加圧のために水を２５０ｂａｒ（２５ｍＰａ）でポンプ流入させる。
[0079]廃棄物の出口流は、安全オンオフバルブ３を通して、混合バルブ２０、及び加熱チャンバー３２上に送る。三方弁２４を用いて、他の予備加熱した液体廃棄物を、管状反応チャンバー１２中に流入させる前に混合しながら加えることを可能にすることができる。

[0080]酸素ガスの形態の酸化剤を管状反応チャンバー１２中に導入する。これは、ニッケル合金のインコネル６２５から製造された栓流デザインを伴う環状構造を有する。管状反応チャンバーの加熱はオーブン１３を用いて行う。

[0081]管状反応チャンバー１２は、コンプレッサー２１によって供給される二重の酸化剤入口を有することを特徴としており、これを通して酸素ガス又は酸素富化空気を２５０ｂａｒ（２５ｍＰａ）の圧力で供給する。

[0082]管状反応チャンバー１２からの不活性の産出物は、熱交換器ユニット２５を通して送り、ここで流入する液体廃棄物を加熱することによってその高グレードの熱容量を回収し、管状反応チャンバー１２に導入し、それによってプロセスをよりエネルギー効率よくする。

[0083]熱交換器２５から排出された後、不活性の産出物物質は、自動背圧調節器（ＢＰＲ）２６に通す。ＢＰＲ２６は、廃棄物の特性及び流れの変化に関係なく、システム全体を一定の圧力下に維持する役割を果たす。

[0084]膨張した出口物質は大気圧及び室温である。これは気／液分離ユニット２７中に供給して、それから気相を大気に排気し、液相を廃棄処分する。
[0085]本発明の反応器、プロセス、及び使用は種々の態様の形態で導入することができ、上記においてはその僅かしか示し、記載していないことを認識すべきである。

Claims (21)

1. 基質を流体中に溶解するように構成されている第１の反応チャンバーを含み、第１の反応チャンバーは連結出口を含み、連結出口は第１の反応チャンバーの下流の管状反応チャンバーに接続されており、第１の反応チャンバー内の条件は流体に関して亜臨界であり、管状反応チャンバー内の条件は溶解した基質を運ぶ流体に関して超臨界である、基質を酸化するための反応器。
2. 流体が水を含む、請求項１に記載の反応器。
3. 第１の反応チャンバー内の流体が加圧熱水であり、及び／又は管状反応チャンバー内の流体が超臨界水である、請求項２に記載の反応器。
4. 基質が、医療廃棄物、核廃棄物、下水、及び産業廃棄物中に見られる基質から選択される、請求項１〜３のいずれかに記載の反応器。
5. 基質が、有機、生物学的、及び／又は無機である、請求項１〜４のいずれかに記載の反応器。
6. 第１の反応チャンバーが、更に、流体から沈殿した固体及び／又は不溶の固体を、重力分離によって沈殿した固体のための出口に分離するように構成されている、請求項１〜５のいずれかに記載の反応器。
7. 第１の反応チャンバーが円筒形の容器である、請求項１〜６のいずれかに記載の反応器。
8. 管状反応チャンバーが栓流反応器である、請求項１〜７のいずれかに記載の反応器。
9. 酸化剤を第１の反応チャンバー及び／又は管状反応チャンバーに加える、請求項１〜８のいずれかに記載の反応器。
10. 酸化剤が酸素を含む、請求項９に記載の反応器。
11. 酸化剤を、複数の入口を通して第１の反応チャンバー及び／又は第２の反応チャンバーに加える、請求項９又は１０に記載の反応器。
12. 第１の反応チャンバー内において基質を亜臨界条件下で流体中に溶解し；
    基質及び流体の混合物を下流の管状反応チャンバー中に送り；
    超臨界条件下で基質を酸化し；そして
    酸化の生成物を反応器から排出する；
    ことを含む、基質を酸化する方法。
13. 沈殿した固体及び不溶の固体を重力によって基質及び流体の混合物から分離させ；そして、沈殿した固体及び／又は不溶の固体を第１の反応チャンバーから取り出す；更なる工程を含む、請求項１２に記載の方法。
14. 連続的である、請求項１２又は１３に記載の方法。
15. 第１の反応容器を２５０〜３２５℃の範囲の温度に維持し、及び／又は管状反応容器を４００〜６００℃の範囲の温度に維持する、請求項１２〜１４のいずれかに記載の方法。
16. 過剰の酸化剤を用いて基質を酸化する、請求項１２〜１５のいずれかに記載の方法。
17. 基質を第１及び／又は管状反応チャンバー内で酸化する、請求項１２〜１６のいずれかに記載の方法。
18. 基質を管状反応チャンバー内のみにおいて酸化する、請求項１７に記載の方法。
19. 基質が固体及び液体の基質の組み合わせを含み、液体基質を管状反応チャンバー内のみにおいて酸化する、請求項１８に記載の方法。
20. 基質を酸化するための請求項１〜１１のいずれかに記載の反応器の使用。
21. 実質的に図面を参照して本明細書において記載される反応器又は方法。

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