JP4087604B2 - 流体処理装置 - Google Patents
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Description
本発明は、流体処理装置に関し、特に(限定するものではないが)、液体中に固体を含むスラリーを処理するための装置に関する。プロセス流体の処理の際に遭遇する問題として、他の物質、特に金属、ガラス、石等の粒子によってこのような流体が汚染される可能性があることが挙げられる。明らかにこれらの物質はプロセス流体が受ける細菌処理によっては影響されず、しかも、処理プラント中に好ましくない固体物の蓄積をもたらす。
【0002】
従って、本発明は、これらの無機固体あるいは更には、処理装置中の物質の滞留時間中にチャンバーで行なわれるどのような細菌処理過程でも破壊されない程に稠密で十分に大きな粒子に凝集した有機固形物を、処理装置へリサイクル又は再導入する分離処理の前の更なる処理として処理装置から取り除く手段を提供することを目的とする。
【0003】
このようなスラリーが発生する技術分野としては、細菌作用による有機性物質の処理があり、特に有機性廃棄物の処理として知られている所謂スラリー消化処理(slurry digestion processes)がある。細菌学的プロセス及び他のプロセスの両方によるプロセス流体の処理においては、プロセス流体が処理システムを通過するので、プロセス流体が遭遇する条件の違い、特にシステム内での物質の滞留時間の違いに起因する不均一処理の可能性からくる問題が起こる。
【0004】
細菌作用が含まれる場合は、それが完了までに比較的長時間を要し、平均的な経路よりも短い経路を通る物質は不十分にしか処理されない。これは、処理プロセスが廃棄物の生物学的分解である状況においては受け入れがたい。なぜなら、結果として得られる部分的に処理された物質は、完全に処理された材料が用いられる用途には適してはいないからである。
【0005】
例えば、動物の排泄物のような有機性廃棄物の生物学的分解は、処理が完了した時、無臭で栄養素に富み、園芸や農業の肥料としての使用に適している残留固形物を生産する。他方では、十分に処理されなかった物質は無臭ではなく、さらに重要なことには、生物学的汚染物質、病原体又は種を含んでおり、前者は危険であるか少なくとも有害であり、後者はまだ生育能力があるならば、肥料としての材料の価値を下げることとなる。
【0006】
したがって、本発明の一つの態様によれば、プロセス流体から固体粒子を分離するための処理装置であって、固体粒子を含有するプロセス流体を受け入れる処理チャンバー(17、18)と、該処理チャンバー内に設けられ、該処理チャンバー内の流体中を上昇するバブルを生成するようなレベルにガスを導入するためのガス導入口(21、22)を含むガス配送手段(19、20)と、固体粒子を収集するための粒子収集溝(26)とを備えており、該粒子収集溝は沈降してくる粒子を集める位置に設けられている処理装置が設けられる。
【0007】
本発明の一実施形態においては、プロセス流体の処理装置は、装置内の流体の滞留時間が、プロセス物質の密度や組成に関わらず全てのプロセス物質で少なくともほとんど一定であるように構成する。
【0008】
プロセス流体の全成分がらせん経路に沿って、最初は一方向に半径方向に(例えば外側に向かって)、次いで他の方向に半径方向に(例えば内側に向かって)流れる事を確実にすることにより、不均一処理のリスクを最小にする。この効果は、プロセス流体の処理容器への入口及び処理容器からの出口がその反対端にあるようにすることによってさらに増す。
【0009】
本発明の他の形態は、処理する液体を受け入れるチャンバーが、少なくとも2つの通常は妨げられない内部領域を有し、それらの各々の中で、プロセス流体が循環経路に従うようにされ、チャンバーの入口及び出口の間でプロセス流体の異なる部分の全体的な経路を画定する手段により経路の長さがプロセス流体の全ての部分に対して実質的に異ならないようした処理装置からなる。
【0010】
本発明の実施の形態は、固体/液体または液体/液体スラリーまたはそれらの混合物からなる有機性プロセス材料に関する生物学的作用を含むプロセスのための、該容器内に低い高さでガスを導入してバブルを上昇させることによってプロセス材料の循環を生じさせ、更なる処理のために固体が除去される固体の収集領域を備えた処理容器として形成されていてもよい。
【0011】
本発明の好ましい態様では、バブル導入口はその中に複数の列として配置され、それによりバブルの“カーテン”が提供される。上に略述したような容器の形では、プロセス流体が反対方向に循環させられる2つの領域を有し、容器内を通過する間に一方から他方へのプロセス流体の移動が起こり、循環を生じさせるバブルは、プロセス流体が容器を通過する際にバブルのカーテンを横切らなくてはならないように、2つの領域の間に“カーテン”を形成してもよい。プロセス流体に混入した比較的稠密ないかなる固体物質粒子も、バブルのカーテンを通り過ぎる際に、その浮力が大幅に減少し、それにより固体物収集領域へ落下する。
【0012】
バブル導入口が2列であるような構成は、バブル導入口の2つの列の間にこの収集領域として機能する溝を有していてもよく、そのような溝は、その中に収集される固体粒子を集めてそれらを容器から排出する分配点へ運ぶための、オーガー又は他の手段を備えていてもよい。
【0013】
容器からのこのような固体物の除去は、例えば、さらなるオーガー又はガスリフト装置の手段によって固形物が持ち上げられる水柱の使用を含んでもよく、これは固体物が除去されるにもかかわらず容器のガス気密を維持するのに役立つ。
収集領域の上方で、ガス配送手段によって生じるバブルの近くにスクリーンを配置して固体粒子の分離を促進することができる。このスクリーンは実質的に垂直であるか又はわずかに傾斜した平面になるよう方向付けられる。
【0014】
容器の形状(ある好ましい構成については後で詳しく述べる)にかかわらず、プロセス流体の処理システムは、異なる容器で異なるプロセスが起きるように配置された、複数の連続したこのような容器からなっていてもよい。
【0015】
一例として挙げると、本発明の実施の形態の一つは、生物学的に分解される有機物質からなるか、有機物質を含むプロセス流体のための処理システムからなり、この処理システムは、プロセス流体を受け取るための相互に連結した複数のチャンバーからなり、それぞれのチャンバーは、少なくとも一つのプロセスパラメーターを制御するための手段及びチャンバー内にプロセス流体に加えて他の流体を導入する手段を有する。さらに、プロセス流体を、チャンバーの出口から同じチャンバーの入口又はシステム中のプロセス流体の流れに関し上流又は下流の他のチャンバーの入口へ導くための手段が設けられていてもよい。
【0016】
チャンバー中で制御されるパラメーターは、チャンバー内のプロセス流体の温度、チャンバー内の圧力、チャンバーを通って流れるプロセス流体の流速、チャンバーの正確な細菌の含有量(材料中に特定の細菌を導入して植え付けることによってなされる生物学的プロセスの場合)、及び/又は他のプロセス試薬、特に液体や気体の導入や存在からなる。
【0017】
処理容器へのガスの導入は、単に容器内でプロセス流体を循環させるために行なわれてもよく、その場合、必要に応じて、ガスは好気性又は嫌気性の状態を維持するのに寄与するものを選んでもよいし、あるいはまた、ガスは容器内で進行している反応に関与するものであってもよい。
【0018】
複数のチャンバーが容器中に仕切りによって区画形成されていても、導管により連結された別々の容器として形成されていても、チャンバーを構成している壁の少なくともいくつかが、システム中のプロセス流体の流れの方向に関して向流に流される熱交換流体と接していることが好ましい。例えば、この方法によると、いくつかのチャンバー内で生じる発熱反応が熱交換流体によって冷却され、熱は他のチャンバーへ移動し、それにより、その中の物質の温度を上げる。
【0019】
ここで、本発明の種々の実施の形態について、例をあげて、図を参照してさらに詳しく説明する。
図1は、本発明の第一の実施の形態として形成された容器の透視図である。
図2は、図1の実施の形態の断面図である。
図3は、本発明の実施の形態として形成された処理システムを形成する多数の容器の概略透視図である。
図4は、図3の多数の容器を上部から見た平面図である。
図5は、本発明の更なる実施の形態として形成された容器の側面図である。
図6は、2つの隣接したタンクの間の仕切りの概略透視図である。
図7は、図6に示したダブルスキンパーティションを組み込んだタンク構造の軸方向の断面図である。
図8は、スリット状び出口開口部をもつガス配送管の概略図である。
図9は、ガスをシステムから抜き出すためのガスポンピングシステムの概略図である。
【0020】
ここで図1を参照すると、図示された実施形態は、横断面が心臓形をした細長い容器1つからなり、さらに詳細には本件出願人の先のGB特許出願No.9519499.9及び国際出願No.PCT/GB96/02336(公開番号WO97/11915号)に記載されているので、その内容についてはここでは参考のために記載する。容器11は、入口ダクト13を有する端壁12、および出口ダクト14を有する反対側の端壁12’を有する。
【0021】
図2に示すように、図示された容器10の横断面の形は、中央の対称な正中面X−X(図2)により分割された一般に17、18で示される2つの分離した領域を生じさせ、その領域の各々の側には、細長いガス配送パイプ19、20が設置されており、ガス配送パイプ19、20には、使用時には、バブルの列23、24が浮上してバブルの“カーテン”を形成する穴の列21、22がある。
容器10の一端の入口ダクト13は、バブルのカーテン24、25の一方の側にある第一の領域17に開口しており、出口ダクト14は、もう一方の領域18に通じており、容器11に導入されたプロセス材料は第一の領域を通過する際に、まず一方向(図2において、破線矢印Aで示される反時計回り)に循環(circulate)し、領域17からバブルのカーテン24、25を横切って、もう一方の領域18へ移動し、この領域を通過する際に反対方向(図2において示される時計回り)に循環し、出口14を通って容器11から出る。
【0022】
このバブルのカーテン24、25を横切る際に、プロセス流体に混入したいかなる稠密な材料の重い粒子でも、バブルの存在により、領域17、18の部分で受けるよりも浮力がかなり小さくなり、その結果、これらの粒子は、導入されたガスが流れる開口21、22の2列の間にある収集溝26へ落下する。
【0023】
領域17での循環流で、プロセス流体は、容器10の長手方向に沿って流れるにつれて直径が徐々に増大していくらせん状の経路をたどり、そして領域18では反対に、図2の破線矢印Bで示されるように徐々に直径が減少していくらせん状の経路をたどる。個々の粒子がたどる実際の経路(及びチャンバー18の周り及びチャンバー18に沿う対応する循環経路)は、それゆえ、しだいに直径が増加していきチャンバー10の長手方向に沿って流れる領域17の周りのらせん流れにおいては、容器10の長さの数倍の距離まで延長される。この延長された循環経路は、各々の粒子の残留時間が常に少なくとも領域17、18の1つを通る移動時間で表される最小値であることを意味する。事実、各々の粒子の滞留時間は全ての他の粒子と実質的に同じである。なぜなら、一つの粒子が、他の粒子が通る経路よりも短い経路で、より少ない処理を受けるような経路をたどって入口ダクト13から出口ダクト14へ偶然に通過できる経路はないからである。
【0024】
例えば、もし粒子が領域18へ渡る前にその長さに沿って完全に移動して領域17にとどまっているとしたら、粒子は出口端に位置し、出口14に比較的早く向かうであろう。他の粒子はすばやく領域17の半径方向外周部に循環し、カーテンを横切って、領域18に入り、入口端の近くで止まっているかもしれない。この粒子は、出口14に到達する前にらせん状の経路に沿って容器の全長を移動しなければならないが、その経路は最初に述べた粒子が通る経路と実質的に同じ長さになる。
【0025】
重い粒子を収集する溝26は、図5に概略を示したように、プロセス流体で充填されているアップライトカラム29がそこから伸びている閉鎖されたチャンバー28に出ていくオーガー27を収容している。このカラム29は、出口31まで伸びている垂直なオーガー30を収容している。従って、溝26に収集された粒子は、まずチャンバー28へ搬送され、次にカラム29に沿って処理流体の表面まで上昇し、出口31を通って出て行き分離される。このプロセスによって処理されたこれらの粒子(例えば、有機物が集まった稠密な塊)は、分解されプロセス流体に再び導入されてもよいし、この処理によっては処理できないものは他の用途にリサイクルされる。
【0026】
図3と図4に、複数の容器からなるシステムを示す(この実施の形態では、6つ図示されているが、配列は4、8またはより多くの容器からなっていてもよい)。配列のそれぞれの容器11には、その配置を順に識別するために特定の添え字1〜6で明確にした。図4に示すように、容器111の入口ダクト13が左手領域aに開かれ、チャンバー111bからの連絡ダクト35はチャンバー112bに開かれているように、個々の容器11は順々に隣の容器のa側又はb側に交互に接続されている。
【0027】
それぞれの容器の各側の突出部での循環流は、上述したように、図4に示したそれぞれの容器の矢印を付した曲線で表しているように、渦巻状でらせん状の経路となり、それぞれの流れの経路が単に図示されたようであるだけでなく、どんな粒子も実際に矢印の経路に沿うのではなく、むしろ図1及び図2に関して述べたようなより回旋状の、延長された経路に沿うことが好ましい。
【0028】
容器11は、浴又はラグーン36(組織的に示されている)にすべて収容される。浴又はラグーン36は、タンク壁にかかる圧力を同じにするためタンク中のプロセス流体と同じレベルまで液体で満たされ、タンク壁に比較的薄い材料、特にプラスチックを用いることを可能にし、極端に高い機械的強度を必要とせずにプロセス流体を収容することができる。ラグーン36は、このためピットとして形成されてもよい。
【0029】
それぞれの容器の中央の尖端部分の下には、以下で詳細に述べるように、熱交換流体を供給される熱交換器37がある。容器のこの部分で熱を供給することにより、対流がおきるのを促進させて、尖端でガスバブルを導入することにより生じる強制循環を増強したり、これにとって代わっても良い。
【0030】
図3及び図4に関して述べた装置の使用の際には、特に有機性廃棄物のスラリーからなるプロセス流体に関しては、有機性動物及び/又は植物材料の好気性又は嫌気性分解が生じ、単純物質が生じる。これらは、ガス状及び溶解性生成物を高比率で含む。ガス状の生成物は、特にメタンを含むと考えられるが、各容器11の頂部にあるマニホールド38(図1及び図2参照)から、又はむしろガス状生成物が生成するこれら容器11の頂部から引き出される。
【0031】
もちろん、第一の容器やチャンバーでおこるプロセスは循環起動媒体として発泡された空気による予備的な曝気をしか含まないので、ガス状の生成物は必ずしもすぐには生成されない。このプロセスからの過剰なガスのみが第一のマニホールドから引き出される。その後で、細胞外酵素による多糖類、脂質、及びたんぱく質の分解を含む嫌気性の消化プロセスが起こり、それらは、糖、脂肪酸、グリセロールに分解される。これらの分解プロセスの最初の部分は、例えば容器112で起こるが、ガス状の生成物をまたすぐには生成しない。予備処理されたプロセス流体は、次に容器113に移り、続いて種々の生物による発酵が開始し、酢酸塩、ブチラート、エタノール、乳酸塩(エステル)、プロピオナート、およびコハク酸塩(エステル)を一酸化炭素や水素と共に生成する。これらのプロセスは、非常に複雑なものであり、実際にいくつかのプロセスに示されている概略のみを示す。一酸化炭素と水素は、あるバクテリアが存在すると、細菌学的代謝によって酢酸塩と結びつき、一方、他のバクテリアは一酸化炭素と水素をメタンにかえる。
【0032】
他の容器114、115等では、温度、圧力、流速等のような容器中の状態や設定を異なる状態とすることで、異なるバクテリアのコロニーを形成しても良い。このようなバクテリアは、例えば、エタノール、乳酸塩又はエステル、及び他の最初の発酵生成物を代謝し、酢酸塩や水素とする。
【0033】
種々の細菌学的プロセス及び/又は他のプロセスが起こる温度は、熱交換器37の制御を含む適切な手段(図示はしない)によって制御することができる。
【0034】
ガス配送パイプ19、20へ導入されるガスの速さは、熱交換器37により設定される対流の流れとともに、容器中のプロセス流体の循環の速さを決定し、(手段は図示しないが)独立して制御されることができる。種々の容器内でのプロセス流体の滞留時間は、また、(図示しないが)バイパス弁、分路弁、補助的保持容器、遮断弁、フィードバック又は再循環管路等のような手段によって制御してもよい。ダクト19、20を通り循環を引き起こすガスとして導入されるガスとしては、例えば、最初と最後の容器111と116では空気を選択するが、中間の容器112と115へはメタンが導入され、113と114へは不活性ガスが導入されてもよい。メタンはもちろんこの消化プロセスで生成したものであってもよい。これは、直接リサイクルされたものでもよいし、貯蔵容器から引き出されたものでもよい。
【0035】
直列の最後の容器116からの消化され排出されたスラリーは、次に分離器に送られ、そこで固体物が液体から分離され、(問題のプロセス流体及び的確な処理プロセスによって)栄養に富んだ無臭の肥料、および肥料としても使用できる液体が得られるか、又はおそらくさらなる最終精製処理をした後に排出されてもよい。
【0036】
もう一つの実施の形態としては(図示しないが)、図5に関して述べたように、容器から好ましくない固体物を取り出すために、カラム29のオーガー30に代えて水の栓(プラグ)をダクトに沿って出口31へ汲み上げるポンプを使用してもよいし、あるいは特に空気を用いたガスリフトシステムを採用してもよい。たものである。
【0037】
図6は、図3に示したように複数のタンクシステムの隣接したタンクを分離するダブル−スキンパーティションの形状を示したものである。外周壁35は、2つの平面端壁34、33を分離し、内部チャンバーを構成する。このようにすることで、2つの端壁34、35の1つを半透膜からなるか、半透膜を含むものとすることができ、塩、重金属、又は他の化合物のような成分をプロセス流体から除去することが可能になる。図6に示したように、出口34の位置、あるいは中心点における一つのチャンバーから次のチャンバーへの移動通路は、パーティション36を通って一つのチャンバーから次のチャンバーへ通過する時に、循環するプロセス流体が半透膜と接触して軽く擦る作用をするために、半透膜を確実にきれいなままで維持する役目を果たしている。
【0038】
この開口34は、図6に示すように、例えばケーブルによりパーティションの上部の、タンクの上部に突き出ているコントロールハンドル41に接続されている閉塞プレート39の設備によりサイズが調整可能であってもよい。ハンドル41の操作により、ケーブル40がその長さ方向に動かされ、閉塞プレート39の位置を変え、したがって開口34の流れの断面の大きさを変える。
【0039】
2つの端プレートの間には、また、上述したように循環流の速さをそこで集めた雑音により検出するために用いるマイクを含む多くのセンサーが設けられている。また、開口部44の形と同様なボールの形43をした安全圧力弁42が端壁に設けられ、弁開放ハンドル41に隣接し、タンクの上部にまで伸びているケーブル45に張力をかけることにより該開口中に引き入れられる。もし予定された閾値よりも特に大きな圧力差が、パーティション36に生じると、ボール43は、ソケット44から押し出され、流体が隣接したチャンバーの間に流れるようにし、それらの圧力を同じにするか又は少なくとも圧力の差異を減少させる。ボール43は、単にケーブル45に張力をかけ、ボールをソケット44の中に戻すことにより元の位置に戻る。類似の安全弁が、一方では壊れやすい外プレート(図示しない)とともに、ラグーンで連結しているタンクの列の端壁に備えられている。
【0040】
図7と図8には、隣接したタンクが図7に示すダブルスキンパーティションで分離されたような実施の形態で使用するための、19、20のようなガス配送チューブの形を示す。ここでは、配送チューブ19を示す。タンクの上部の上部開口46を通して除去できるように、一般にL字型である。水平なリム部19hは、その外面に複数のスリット状の開口部47を有する。チューブの材料は、ガスがわずかな圧力で配送された時、チューブがわずかに拡張することによってスリット47が開くように、わずかに弾性である。このように開口部47は、ガスが配送されていない時に、ガス配送チューブの中にガスが戻ってきたり流体が入ってくるのを避ける弁として働く。
【0041】
図9は、チャンバーで発生したガスを圧縮するためのポンピングシステムを示すための概略図であり、チャンバーにはパイプ60が接続されている。ポンピングシステムは、一部水で満たされ、その下端でポンプ65、66により2つが接続されている一群の(この場合4つの)垂直な中空カラム61、62、63、64からなる。中空カラム61〜64の上端は、弁67、68、69、70により、パイプ60に接続され、弁69は、配管71に接続され、配管71は、ガス収集容器72に導入され、ここから圧縮されたガスの配送出口73がガス貯蔵所(図示しない)に導入される。
【0042】
収集容器73は、“ガス計量器”を逆さにした形であり、その円枠が、上部が開口した容器74内の液体浴75に入っている。
【0043】
操作の際に、弁67〜70は、選択的に開閉するように制御サーキット(図示しない)で制御され、ガスがパイプ60から中空のカラム61〜64の一つ以上に入るようにする。カラムが充満したら、適当な弁を閉めて、水をポンプ65又は66によって、一方のチューブからガスが圧縮されるガス収集チューブへ汲み上げる。次に弁67〜70は、ガス収集容器72への圧縮されたガスの通路を形成するために適切に開いたり及び/又は閉じたりし、そこから更なるプロセスのために必要な時に出口73を通って引き出される。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第一の実施の形態として形成された容器の透視図である。
【図2】 図1の実施の形態の断面図である。
【図3】 本発明の実施の形態として形成された処理システムを形成する多数の容器の概略透視図である。
【図4】 図3の多数の容器を上部から見た平面図である。
【図5】 本発明の更なる実施の形態として形成された容器の側面図である。
【図6】 2つの隣接したタンクの間の仕切りの概略透視図である。
【図7】 図6に示したダブルスキンパーティションと合体したタンク構造の軸方向の断面図である。
【図8】 スリットのような出口開口部をもつガス配送チューブの概略図である。
【図9】 ガスをシステムから引き出すためのガスポンピングシステムの概略図である。
Claims (13)
- プロセス流体から固体粒子を分離するための処理装置であって、固体粒子を含有するプロセス流体を受け入れる処理チャンバー(17、18)と、該処理チャンバー内に設けられ、該処理チャンバー内の流体中を上昇するバブルを生成するようなレベルにガスを導入するためのガス導入口(21、22)を含むガス配送手段(19、20)と、固体粒子を収集するための粒子収集溝(26)とを備えており、該粒子収集溝は沈降してくる粒子を集める位置に設けられていることを特徴とする処理装置。
- ガス導入口(21、22)が、複数列配置された請求項1に記載の処理装置。
- ガス導入口(21、22)が、二列以上で、その間に固体粒子の収集溝を有するように配置されたことを特徴とする請求項1に記載の処理装置。
- 前記収集溝から固体粒子を抜き出す手段(27、28、29、30)を備えたことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の処理装置。
- 固体粒子を抜き出す手段が、垂直なカラム(29)を含み、該カラムの頂部又はその付近が開口しており、カラムの下端又はその付近でチャンバー内部と連通している請求項4記載の処理装置。
- 処理チャンバーが、2つの領域(17、18)を有し、該領域中で、プロセス流体が反対方向に循環させられており、処理チャンバー内の通過中に一方の領域から他方の領域への流体の移動が起こり、ガス配送手段が2つの領域の間にバブルのカーテンを形成して、プロセス流体が処理チャンバーを通過する際にバブルのカーテンを通過するようにしたことを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の処理装置。
- 処理チャンバーがプロセス流体処理容器(11)内に形成されていることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の処理装置。
- 固体粒子を前記収集溝(26)に沿って出口又は排出端(28)に移送する手段(27)を備えていることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の処理装置。
- バブルが処理チャンバー内のプロセス流体の循環を引き起こすように導入されることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の処理装置。
- 前記収集溝の上部で、ガス配送手段により生じたバブルの近くにスクリーンを備えることにより固体粒子の分離を促進するようにしたことを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の処理装置。
- 前記スクリーンが実質的に垂直であるか又はわずかに傾斜した平面になるよう方向付けられていることを特徴とする請求項10に記載の処理装置。
- 処理チャンバーが細長い容器からなることを特徴とする請求項1〜11のいずれかに記載の処理装置。
- 処理チャンバーの横断面が心臓形である請求項1〜12のいずれかに記載の処理装置。
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