JPH11156186A - 水熱反応処理方法及び水熱反応処理容器 - Google Patents

水熱反応処理方法及び水熱反応処理容器

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JPH11156186A
JPH11156186A JP10270268A JP27026898A JPH11156186A JP H11156186 A JPH11156186 A JP H11156186A JP 10270268 A JP10270268 A JP 10270268A JP 27026898 A JP27026898 A JP 27026898A JP H11156186 A JPH11156186 A JP H11156186A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 廃棄物分解、エネルギー生成、又は化学物質
製造の目的のための熱処理を行う方法及びシステムを提
供する。 【解決手段】 原料物質の処理用のシステムおよび方法
は反応容器中に反応室を含んでいる。この反応容器は垂
直に配向された縦軸を有しているため、重力が一般的に
容器の上部と底との間で軸に沿った方向に作用する。原
料物質を反応室中にノズルにより容器の上端部を通るジ
ェット流として導入する。このジェット流が反応室中で
逆流を伴う混合を引き起こし、反応の急速開始および反
応室を通る物質の一般的な下向き流に寄与する。反応室
中の物質を冷却して流出液が容器の下端部から放出され
る前に流出液中の粘着性固体を溶解させることができ
る。さらに、反応室は原料物質の追加反応を実施するた
めの栓状平行流区画を含むこともできる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は一般的に廃棄物分
解、エネルギー生成、または化学物質製造の目的のため
の水熱処理を行う方法およびシステムに関する。より特
に、本発明は例えば塩または酸化物の如き無機化合物を
含有するかまたは酸化中にそれらを発生する有機物の水
熱処理用の方法およびシステムに関する。本発明は特に
反応器中の無機化合物の望ましくない増加を避けて水熱
処理を行う反応器を使用する方法およびシステムとして
有用であるが、それらに限定されるものではない。
【0002】
【従来の技術】本発明は一般的には広範囲の物質の転化
に関するものであり、そして特に超臨界温度および超臨
界圧力条件下で、あるいは超臨界温度および亜臨界圧力
において例えば塩または酸化物の如き無機化合物を含有
するかまたはそれらを発生する有機物の水熱処理方法に
関する。湿式酸化方法は30年以上にわたり水溶液体の
処理用に使用されてきている。一般的には、この方法は
高められた温度および圧力における水溶液体に対する酸
化剤、典型的には空気または酸素、の添加を含む。生じ
た有機または無機性の酸化可能物質の「燃焼」が水相内
で直接的に起きる。
【0003】湿式酸化方法は典型的には30バール−3
50バール(440psia−3,630psia)の
圧力で操作しそして摂氏150度−摂氏370度(15
0℃−370℃)の温度で操作することにより特徴づけ
られており、そのためには液相および気相が水性媒体用
に共存する。気相酸化はこれらの温度においては極めて
遅いため、水の少なくとも一部は液体で存在する。しか
しながら、液相においても実質的な酸化にかかる反応時
間は1時間程度である。多くの用途ではこの長さの反応
時間は許容できない。許容できないほど長い反応時間の
他に、従来の湿式酸化の利用は数種の要因により限定さ
れる。それらには、得られる酸化の程度、難分解性化合
物を適切に酸化できないこと、および低い工程温度のた
めに動力回収利用ができないことが包含される。これら
の理由のために、湿式酸化を比較的高い温度および圧力
に拡大することに対してかなりの興味がもたれてきてい
た。例えば、1960年6月12日にBarton他に
対して発行された米国特許第2, 944, 396号は追
加の第二酸化工程ステップが湿式酸化操作後に行われる
ような方法を開示している。Barton法では、第一
ステップ湿式酸化反応器の気相中に集積している未酸化
の揮発性可燃物がそれらの酸化を完了させるために第二
ステップに送られる。この第二ステップは摂氏約374
度(374℃)である水の臨界温度より上の温度におい
て操作される。
【0004】Modellに対する1982年6月6日
の米国特許第4, 338, 199号の発行に伴いこの分
野における意義ある発展が生じた。Modellの’1
99特許は超臨界水酸化(「SCWO」)として知られ
るようになった臨界湿式酸化方法を開示している。SC
WOという名は、SCWO法の一部の実施においては、
酸化の本質的に全てが温度(>374℃)および圧力
(>約3, 200psiすなわち220バール)の両者
において超臨界である条件下で起きることを意味する。
重要なことに、SCWOは有機化合物の急速で且つ完全
な酸化を摂氏500度−摂氏650度(500℃−65
0℃)および250バールにおいて事実上数秒以内に生
ずることが示されている。この酸化中に、酸化された物
質中の炭素および水素が一般的な燃焼生成物である二酸
化物(「CO2」 )および水を生成する。塩素化された
炭化水素類が含まれる時には、それらは塩酸(「HC
l」)を生じ、それは利用可能なカチオンと反応して塩
化物塩を生成するであろう。HClの悪影響のために、
アルカリを意図的に反応器に加えて反応器中および特に
反応器後の冷却装置中での高濃度塩酸による腐食を避け
ることができる。硫黄の酸化が含まれる時には、SCW
Oにおける最終生成物は硫酸塩アニオンである。これ
は、気体状二酸化硫黄(「SO2」 )を生成する一般的
な燃焼とは対照的である。塩化物の場合には、アルカリ
を意図的に加えて高濃度の硫酸を避けることができる。
同様に、燐の酸化の生成物は燐酸塩アニオンである。
【0005】典型的なSCWO反応器条件下では、密度
は0. 1g/ccの範囲であるため、水分子はそれらが
通常状態の水の中にあるものよりかなり離れている。短
距離現象である水素結合はほとんど完全に分裂し、そし
て水分子は液体水の特徴的性質の多くに寄与する配列を
失う。特に、溶解度性能は液体水より高圧蒸気のものに
より近い。相対的に高い揮発性を有する極性が比較的小
さい有機化合物および無極性有機化合物は典型的なSC
WO条件下で蒸気として存在するであろうし、そしてそ
の結果として超臨界水とは完全に混和するであろう。例
えばN2、 O2、 およびCO2の如き気体は同様に完全
な混和性を示す。比較的大きい有機化合物および重合体
は典型的なSCWO条件下では加水分解して比較的小さ
い分子となり、化学反応により溶解するであろう。水相
による流体の体積極性の損失は一般的な水溶性の塩に対
しても顕著な効果を有する。特に、それらは水分子によ
りもはや容易に溶解されないため、塩はしばしば固体と
して沈澱し、それは工程表面上に析出する、そして熱移
動表面の堆積または工程流の阻害を引き起こす。
【0006】超臨界温度の水の酸化(「STWO」)と
して知られるSCWOに関連する方法はある種の供給原
料に対しては同様に比較的低い圧力において酸化効果を
有する。この方法は1992年4月21日にHongに
対して発行された米国特許第5, 106, 513に記載
されており、そして摂氏600度(600℃)の範囲の
温度および25バール−220バールの間の圧力を使用
する。他方では、一部の供給原料の処理用には、摂氏4
00度−摂氏500度(400℃−500℃)の範囲の
温度と1, 000バール(15,000psi)までの
圧力との組み合わせがある種の無機物質を溶液からの沈
澱から保護するために有用であることも証明されている
(Buelow,S.J.,"Reduction of Nitrate Salts Under Hy
drothermal Conditions,"Proceedings of the 12th I
nternational Conference on theProperties of Water
and Stream, ASME, Orlando, Florida, September, 199
4)。水性マトリックス中での酸化用の種々の方法は、
摂氏約374度−摂氏800度(374℃−800℃)
の間の温度および約25バール−1, 000バールの間
の圧力において行われるなら、まとめて水熱酸化として
集合的に称されている。反応速度、固体処理、および物
質腐食に関する同様な考察は関連する水熱精製方法にも
適用され、そこでは完全に酸化されていない生成物を生
成するために酸化剤がシステムから大部分または完全に
除去される。水熱酸化および水熱精製方法は以下ではま
とめて「水熱処理」と称されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】水熱酸化の用途におい
て考慮すべき重要事項の一つは、流入する原料物質を反
応温度に昇温させるための手段である。典型的な方式は
加熱器または熱交換器の使用であり、そこでは原料物質
が熱を吸収するために長い1つもしくはそれ以上の管の
中を通過する。しかしながら、多くの原料物質に関して
は有機チャーの生成、無機スケーリング、および腐食の
可能性がそのような熱交換器または加熱器の操作を非常
に困難にさせることがありうる。そのような加熱法の使
用は供給原料の保有エネルギーを増加させるという別の
効果を有するため、原料はさらに希釈した水準で処理し
なければならない。これは有機物中で希釈される原料に
は適しているが、濃縮有機原料にとっては欠点である。
例えば、1, 800Btu/lbの加熱値を有する冷た
い原料は、空気または酸素が酸化剤として使用される時
には、摂氏約600度(600℃)の断熱酸化温度に達
するであろう。しかしながら、この同じ原料を急速反応
が始まる概略温度である摂氏約375度(375℃)に
予備加熱するなら、摂氏600度(600℃)に達する
ためにはまでに消費できる熱量は900Btu/lbに
制限される。それ故、予備加熱された原料の有機含有量
は予備加熱されていない原料のものの約半分でしかあり
えない。
【0008】水熱酸化方法に関する第二の重要な事項
は、粘着性固体を含有するかまたはそれらを発生する原
料物質を処理する手段である。そのような原料物質が内
部での固体堆積および工程装置の実際的な閉塞をもたら
しうることはよく知られている。粘着性固体は一般的に
は塩類、例えばハロゲン化物、硫酸塩類、炭酸塩類、お
よび燐酸塩類、からなっている。例えば連続的にそのよ
うな固体を処理するための最も早期のデザインの一つは
米国特許第4, 822, 497号に示されている。反応
は垂直に配置している反応容器中で実施される。反応が
進行するにつれて固体が生成しそして反応器の底に保持
されている冷却塩水区域の中に放出されそして落下す
る。粘着性固体を塩水の中に再溶解させそして反応器か
ら連続的に除去してもよい。固体の溶解および移送用に
必要な工程流の一部だけが塩水として除去されるため、
固体分離が得られる。ほとんど最大部分を占める工程流
の残部が反応器内部で流れを上向き方向へ反転させ、そ
して反応器上部区画から除去する。このことは、ほとん
ど固体を含まない高温流体を工程から回収可能にするこ
とを意味する。反応器内部での上向き流中の固体粒子の
混入を最小にするためには、大きな断面積の反応容器を
使用することにより速度を低い水準に保つ。経験から、
粘着性固体の大部分は塩水区域に移されるが、一部は容
器の壁に付着しており、実際にはオンラインまたはオフ
ラインのクリーニング工程を必要とすることが示されて
いる。反応器の壁に析出した固体の量は反応器内部での
反転流パターンにより悪化するようである。それ故、こ
のデザインはある種の供給原料の処理には欠点を有する
かもしれない。
【0009】以上に照らして、本発明の目的は反応器の
壁の洗い流しの必要性を最少にしながらかなりの量の粘
着性固体を含有するかまたは発生する廃棄物を連続的に
且つ信頼性のある方法で処理する水熱処理用のシステム
および方法を提供することである。本発明の別の目的は
物質の反応器滞在時間が1分以内であるような連続的オ
ンライン法において水熱処理を行うためのシステムおよ
び方法を提供することである。本発明のさらに別の目的
は固体析出および付着を受ける表面積を最少にするため
に簡単な幾何学的形状を使用する水熱処理を行うための
システムおよび方法を提供することである。本発明のさ
らに別の目的は実施が容易であり、使用が簡単であり、
且つ低コストである水熱処理を行うためのシステムおよ
び方法を提供することである。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明によると、摂氏約
374度(374℃)〜摂氏約800度(800℃)の
範囲の温度および約25バールより上の圧力において水
熱処理を行うためのシステムは反応室を形成する実質的
に円筒状の形状の容器を含む。この容器が縦軸を規定し
ておりそして上端部および底端部の両者を有する。本発
明の目的のためには、容器は好適には垂直に配列された
その縦軸を有して配置されているため、重力は一般的に
反応室の縦軸に平行に反応室の上端部から反応室の底端
部への方向に作用する。それ故、容器を通る物質の下向
き流は重力により助けられる。
【0011】
【作用】噴射機構が容器の上端部に設置されており、加
圧された原料物質の単一流または複数流を反応室中に導
入する。重要なことに、噴射機構は加圧された原料物質
を反応室の壁に直接衝突しないような方向に向ける。原
料物質が反応室中に導入される速度により、逆流を伴う
混合作用が反応室の上部の逆流を伴う混合区画中で起こ
る。本発明の目的のためには、この逆流を伴う混合はそ
れが反応室内部で反応を促進するという点で有利であ
る。逆流を伴う混合区画の下には、栓状平行流区画があ
る。この栓状平行流区画は、逆流を伴う混合区画と比べ
て、最少の逆流を伴う混合により特徴づけられている。
反応室のこの栓状平行流区画中で、必要に応じて追加の
反応を行うことができる。
【0012】上記のように、反応室を通る反応流の全体
的平均流は容器を通る実質的に線状方向にあることが本
発明の重要な特徴である。簡単に述べると、好ましい形
態としては、本発明は原料物質が容器の上部を通って供
給されそして反応流が容器の底を通して除去されるよう
な一方向の下向き流配置で実施される改良された水熱方
法を提供することである。さらに、本発明の重要な特徴
は反応室中の反応流の移動が重力効果および反応器中の
流体の下向き流によることである。反応器の寸法は粘着
性固体の析出を考えずに反応器中の有効流れの実現を目
指して設定できる。この目的のためには、反応器の長さ
−対−直径比は典型的には1:1−50:1である。
【0013】本発明の別の実施例では、冷却ラインを使
用して冷却用流体を反応室下部の冷却区画の中に導入す
ることができる。この冷却は数種の目的のために作用す
る。最も重要には、冷却流が反応流と混合して粘着性固
体の再溶解を引き起こす。再溶解されると、粘着性固体
は次に阻害を引き起こすことなく反応室から出ることが
できる。反応流が反応室から出た後に、それを冷却しそ
して圧力を解放して気体および液体副生物を適当に廃棄
または集めることができる。
【0014】本発明を米国特許第4, 822, 497号
の反転流デザインと比べると、それがこのデザインで起
きる可能性がある迂回を避けそしてそれは反応器から出
る単一流だけに限定するという点でより簡単であるた
め、有利である。さらに、本方法は原料物質の高い転化
率を保証するための栓状平行流区画を含む。例えば米国
特許第5, 252, 224号で特定さている長管状反応
器と比べて、本発明は固体閉塞の危険性が少ないという
利点を有する。さらに、開示されている反応容器は管状
反応器よりかなり低い表面−対−容量比を有するため、
耐腐食性構造体またはライナーの使用を容易にさせ、そ
して熱損失を減少させる。管状反応器はまた多数の高価
な連結部を必要としそして原料の常温注入用に改変でき
ない。
【0015】本発明はしばしば反応器からの固体析出物
の除去用の機械的手段なしで実施してもよいが、それは
そのような手段を必要とする用途とも相容性である。本
発明の目標はしばしば高度酸化であるが、本発明の方法
は部分的酸化または酸化なしが望ましい同様な用途にお
いても有用である。後者の場合には、原料物質は加水分
解により改質される。そのような改質方法の例には、石
炭からの液体有機物の製造を記載している米国特許第
3, 850, 738号および種々の有機供給原料からの
気体状物の製造を記載している米国特許第4, 113,
446号が包含される。これらの特許の両者は超臨界水
条件を使用している。
【0016】さらに、本発明の目標は有用なエネルギ
ー、例えば、電力または熱の発生でもある。
【0017】
【発明の実施の形態】最初に図1を参照すると、本発明
のに従う水熱処理システムが図式的に示されておりそし
て一般的に10と表示されている。示されているよう
に、システム10は側壁15を有する反応室14を有す
る反応容器12を含む。反応容器12が上端部16およ
び底端部18を有することも示されている。好適には、
反応容器12は底端部18のすぐ上にある上端部16を
有し実質的に垂直に配向されているため、重力は可燃性
物質を反応室14を通して引っ張るように作用するであ
ろう。しかしながら、出口区画19が反応区画より下に
あり、密度不安定性が避けられる限り且つ過剰固体が側
壁15上に落下したり堆積集積したりしない限り、容器
12を垂直以外に配向できることを認識すべきである。
特定の配向とは関係なく、以下でさらに詳細に示されて
いる重要な要素は容器12を通る物質の実質的に一方向
の流れがあることである。
【0018】システム10の反応容器12への原料物質
は、ある実施例では、4種の別個の同定可能成分を含む
ことができる。これらは(1)被処理しようとする反応
物、(2)必要に応じて反応室14中の反応を維持する
ために必要な補助燃料、(3)水、並びに(4)加圧さ
れた酸化剤である。より特に、図1は処理しようとする
反応物20が最初に保有タンク22に保有されているこ
とを示している。本発明に関して考えられるように、反
応物20は有機物質、無機物、粒状物、スラッジ、土、
中和剤、塩−生成剤、鉱物、および/または可燃性物質
からなることができる。なお、反応物20が、粒子状物
質や汚泥のように粒子を含む場合には、粉砕処理してか
ら加圧供給することができる。粉砕処理の手段は特に限
定されず、粉砕機等の手段を用いてもよいし、ポンプに
よる攪拌で十分な場合は移送ポンプ28を利用すること
ができる。図1に示されているように、この反応物20
を最初に保有タンク26中に保有されていてもよい例え
ばエタノールの如き補助燃料24と一緒にすることが必
要かもしれない。
【0019】図1は、反応物20および使用するなら補
助燃料24を反応室14に入れる前に加圧することを示
している。特に、移送ポンプ28および高圧ポンプ30
を使用して反応物20を加圧する。同様に、移送ポンプ
32および高圧ポンプ34を使用して補助燃料24を加
圧する。図1でシステム10の構成図に関して示されて
いるように、加圧された反応物20および補助燃料24
を管36の中で一緒にしそして反応室14の上端部16
に移送する。反応物20および補助燃料24はそれぞれ
高圧ポンプ30および34により約220バールより高
い圧力に加圧されているがそれらを反応室14中に加え
る前に温度を上昇させる必要がないことに注目すべきで
ある。それ故、システム10に関して意図されているよ
うに、反応物20を反応室14に常温において加えるこ
とができる。
【0020】反応物20および補助燃料24の他に、反
応室14への原料物質は加圧された水38および加圧さ
れた酸化剤を含んでいてもよい。特に、水38を保有タ
ンク40から移送ポンプ42により抜き出し、そしてそ
の後にそれを管46中に通す前に高圧ポンプ44により
加圧する。同時に、空気または一部の他の酸化剤をコン
プレッサー48により加圧しそして管46中に通す。本
発明の目的のためには、空気の代用品として使用される
酸化剤は純粋な液体もしくは気体状の酸素、濃縮空気、
過酸化水素、硝酸、亜硝酸、硝酸塩、および亜硝酸塩で
あることができる。或いは、反応物20の部分的酸化が
望まれる用途のためには化学量論的酸化剤を使用するこ
ともできる。いずれにせよ、この点において加圧された
水38および圧縮された空気(酸化剤)を混合しそして
予備加熱器50に入れる。本発明により意図するよう
に、予備加熱器50中での加圧された水/空気混合物の
加熱は数種の方法で実施できる。
【0021】例えば、この予備処理を反応室14からの
高温反応流との再生熱交換により実施してもよい。予備
加熱は例えば電気もしくは燃焼加熱器またはこれらの組
み合わせの如き外部熱源により実施してもよい。外部熱
源はシステムの冷時始動が要求される時に予備加熱器5
0用に使用しなければならない。他方では、それ自身で
十分な固有加熱値を有する反応物20用にはシステム1
0の定常操作が得られたら予備加熱器50を遮断してよ
いことにも注目すべきである。空気/水混合物が予備加
熱器50を出ていくにつれて、それが管36からの反応
物20および補助燃料24と混合される。この混合は連
結部52で起き、そして反応物20、補助燃料24、水
38、および圧縮空気(酸化剤)の組み合わせを含む原
料物質を次に反応室14の中に管54を介して加える。
熟練技術者により認識されるように、システム10の代
替法は原料物質を構成する流れの1種もしくはそれ以上
を反応室14に加えるための別個の管を使用することも
できる。そうすると、1つの管を反応物20および補助
燃料24の加入用に使用することができ、そして他方の
管を水38および酸化剤の加入用に使用することとなろ
う。同様に、別個の管を反応物20、補助燃料24、水
38、および酸化剤用に使用することもできる。さら
に、特定の反応物20によっては、管36からの原料/
燃料流を予備加熱器50からの水/酸化剤と混合するた
めに連結部52のところで高剪断混合器を使用すること
も重要かもしれない。例えば、反応物20が非常に水溶
性が低い物質なら、可燃性物質および高圧酸化剤の十分
な混合を確実にするために高剪断混合が望ましい。
【0022】次に図2に関すると、容器12および反応
室14が一般的に縦軸56を規定することがわかる。以
上で意図されているように、本発明の目的のためには、
容器12のこの縦軸が底端部18のすぐ上にある上端部
16に垂直に配向されていることが好ましい。この配向
では、管54を通って反応室14に加えられる物質の全
てがノズル58の中を通る。重要なことに、ノズル58
が物質流60を容器12の反応室14の中に実質的に軸
56に沿った方向で加える。一つの実施例では、ノズル
58はまっすぐな単独ジェット流60を毎秒約55フィ
ート(50fps)の速度で加えることができる。他の
実施例では、ノズル58は各々の流れ60が軸56に向
かって傾斜しているジェットとして加えられる複数のノ
ズル58からなることができる。この傾斜で、流れ60
は相互衝突のために互いに向かってわずかに方向がつけ
られている。
【0023】重要なことに、ノズル58からの原料物質
が反応室14の壁15に直接衝突しないような方向にあ
ることが望ましい。この方法で、反応室14の壁15上
の固体物質の蓄積を最少にすることができる。両者の場
合とも、反応流60は反応室14の上部に加えられ、そ
こでそれが激しい逆流を伴う混合を受ける。特に、この
逆流を伴う混合区画62中の流体流は反応流60中の撹
拌により特徴づけられており、それは原料物質が反応室
14中に入るにつれて設定される担持されている剪断力
および渦巻き流64から生ずる。原料物質はそれにより
摂氏374度(374℃)の超臨界温度より上に急速に
高められ、そして急速反応が始まる。さらに、このシス
テム10は反応流60の壁15への直接衝突を避けなが
ら、逆流を伴う混合区画62中の壁15からの熱移動が
容器12内の反応の促進を助けることができる。
【0024】反応室14中の逆流を伴う混合区画62の
下に栓状平行流区画66がある。この栓状平行流区画6
6は、反応室14のこの下部にある反応流60の大規模
な逆流を伴う混合がないことにより特徴づけられてい
る。しかしながら、栓状平行流区画66中の反応流60
の流れは局部的撹拌混合を示す。ある種の用途では、栓
状平行流区画66の下に濾過装置を装備することが有利
かもしれない。そのような装置は低濃度の粘着性固体を
捕獲するためにまたは反応器内で粒子をそれらが完全に
反応するまで保有するために有用である。
【0025】このシステム10は栓状平行流区画66の
下に流出流を冷却するための冷却区画67を含んでいて
もよい。反応中に増加するかもしれない粘着性固体を再
溶解させること、反応器の外にある比較的少ない物質の
使用を可能にすること、および/または流出流のpHを
調節することを含む多くの理由のために流出流を冷却す
ることが望ましいことがある。少しの間、図1に戻る
と、水38を保有タンク40から取り出しそしてそれを
管70に沿って反応室14の底18近くにある栓状平行
流区画66の下にある入り口管72(図2参照)に送る
ために高圧ポンプ68が配置されていることがわかる。
管72を通って注入された水38は冷却区画67中の反
応流60を冷却するために使用される。特に、管72を
通って加えられる冷却流体が反応流60と混合しそして
反応室14中で反応中に発生した粘着性固体を再溶解さ
せる。この冷却は冷却流体水準74より下であるが出口
76より上で起きるため、反応流60は出口76の閉塞
または汚染を引き起こすことなく出口76を通りそして
管82中に送ることができる。
【0026】当技術の専門家には、むしろ水よりも例え
ば高圧気体の如き流体を冷却媒体として使用できること
は認識されよう。また、外部源からの水、または相対的
に汚染された水(例えば、海水)または冷たい再循環反
応流を冷却媒体として使用できることも認識されよう。
これらの任意選択がきれいな冷却水に対するシステムの
要望を減ずるのを助けるであろう。さらに、冷却流体は
冷却媒体を供給するための反応流と比べると時には相対
的に冷たくなければならない。換言すると、冷却流体は
反応流を冷却するためにの反応流より冷たいことだけが
必要である。
【0027】さらに、冷却管72は冷却媒体を出口76
に直接向けるように配向できることも本発明により考え
られる。それ故、冷却媒体の運動力を使用して出口76
のクリーニングを助けることができる。ある種の用途で
は、反応器出口温度を塩粒子のいずれかまたは全てを再
溶解させるのに十分なほど低下させることは必要ないか
もしれない。反応室14は図2では簡単な単一壁の容器
として示されているが。或いは、図3に示されているよ
うに、反応室14が内壁79および耐圧力負荷壁81を
含んでいてもよい。内壁79は耐腐食性ライナーを含む
ことができる。さらに、内壁79を耐圧力負荷壁81ま
たは圧力外板から単離することもできる。このデザイン
では、耐圧力負荷壁81を相対的に低い温度で運転操作
可能にするために断熱物質85が内壁79と耐圧力負荷
壁81との間の間隙83の中に含まれていてもよい。さ
らに、ライナーを用いるように、工程と接触する表面が
耐腐食性物質からなっていてもよく、または耐腐食性物
質でコーテイングされていてもよい。適当な耐腐食性物
質にはチタン、白金、イリジウム、チタニア、およびジ
ルコニアが包含される。
【0028】或いは、図4に示されているように、汚染
物質が間隙83中へ流入するのを保護するために例えば
空気、窒素、または水の如き浄化流体84を内壁79と
圧力負荷壁81との間の間隙83の中に放出することも
できる。容器12に関する数種の別の代替構造が図3お
よび4に表示されている。特に、代替冷却区画67が示
されている。代替冷却区画67に関しては、中空中心軸
86が反応室14中に反応室14の底部18にある入り
口88を通して挿入される。反応した物質が出口76を
通って反応器流出液78として除去される前に該物質を
冷却するために冷却噴霧90を次に入り口88に向ける
ことができる。本発明用に意図されているように、この
冷却は上記の如く流60中の粘着性物質(図2に示され
ている)を再溶解させそして反応室14の下部から流す
ことができる点まで温度を低下させることにより生ず
る。
【0029】スクレーパー装置80が中空中心軸86と
連結されている。このスクレーパー装置80は実質的に
円筒状でありそして反応器の側壁15に沿って伸びてい
る。スクレーパー装置80は中空中心軸86の回転によ
り回転して固体析出物を反応器の壁から除去する。スク
レーパー装置80は米国特許第5, 100, 560号に
記載されているようなブレード−タイプのデザインまた
は他の操作可能な幾何学的形状であってよい。例えば、
スクレーパー装置80は複数の削除部分92、すなわち
円筒内の開口部、を有する円筒を含む。図3および4に
示されている削除部分92は例示目的だけのためのもの
である。或いは、回転運動よりむしろ軸または振動運動
を利用するスクレーパーを使用してもよい。軸デザイン
では、収縮位置にある時に冷却流体中に浸漬するスクレ
ーパー部品を有してこの部品を固体析出物から保護する
ことができる。別の実施例では、固体を壁15および/
または出口76から除去するためにねじ錐タイプの装置
を使用してもよい。別の代替デザインは底端部18近く
にある反応室14からの1つより多い出口を使用でき
る。
【0030】ここで図1に戻ると、反応流60が溶液1
2から除去されるにつれてそれは管82を通って冷却器
96に送られることがわかるであろう。システム10に
関して意図されているように、冷却器96は冷たい反応
器流との再生熱交換または周囲もしくは加圧空気との熱
交換、または例えば蒸気発生器(示されていない)から
のような別個の水供給を使用してもよい。冷却器96に
より冷却されると、高圧反応器流は次に減圧される。好
適には、減圧は毛管98を使用して実施される。しかし
ながら、圧力調節弁またはオリフィス(示されていな
い)を毛管の代わりにまたはそれに追加して使用するこ
ともできる。
【0031】反応室14からの流出液78に対して冷却
器96による冷却および毛管98による減圧の両方を行
った後に、それを管100からサンプル採取することが
できる。そうでない場合には、流出液78を管102を
通して液体−気体分離器104の中に送る。分離器10
4中での代表的なサンプルの集積を可能にするために、
それをシステム始動中にタンク106に迂回させること
またはシステム10の中断中にタンク108に迂回させ
ることができる。システム10の正常操作中に、管11
0および弁112を使用して集めた流出液から液体11
4を除去することができる。さらに、分離器104の上
部空間からの気体116を管118を通して除去し、そ
して希望するなら管120からサンプル採取する。或い
は、無毒な気体126として大気中に放出するために気
体116をフィルター122および弁124中に通すこ
ともできる。当技術の専門家に認識されるように、アル
カリ中和剤130が充填された供給タンク128を使用
しそして中和剤130を管132を介して分離器104
に加えて存在するかもしれない酸類と中和作用させるこ
とができる。反応室14中で試験した下記の反応例がシ
ステム10により得られる結果を示している。
【0032】実施例1:この実験では、本発明が粘着性
固体を処理する能力を試験した。試験用に使用した塩原
料は亜硫酸ナトリウムおよび燐酸一ナトリウムの組み合
わせであり、それは反応器中を通ると硫酸一ナトリウム
および燐酸一ナトリウムの約2対1(2:1)の重量比
混合物を与えた。内径(「ID」)が11. 1センチメ
ートルであり長さが158センチメートルのチタンで裏
張りされた反応器を使用した。表1は使用した反応条件
をまとめてある。塩の容量の低い方の限界である2. 6
g/ccの塩密度を仮定すると、少なくとも反応器容量
の1. 5倍量が8時間の実験期間にわたり処理されたこ
とが計算された。この期間中に、システム圧力は約10
0psi以内で一定であり、それは安定定常操作が得ら
れたことを示している。同時に、エタノール有機原料の
高い分解効率が得られた。表1に示されているように、
実施された高い逆流を伴う混合度により常温における原
料の注入でも高い分解効率が得られる。
【0033】
【表1】
【0034】実施例2:この実験では、本発明が複合有
機混合物を処理する能力を試験した。この場合、水性水
酸化アンモニウムで加水分解された有害等級1. 1の固
体ロケット推進薬からなる実在する世界的な原料を使用
した。加水分解後に、ポンプ挿入を促進させるために残
っている大きすぎる粒子を濾過した。元の推進薬物質の
組成は表2aに示されている。加水分解予備処理中に、
アルミニウム金属成分は非−粘着性固体である水酸化ア
ルミニウムに部分的に転化される。次に、水熱処理反応
器中で、この物質を非粘着性固体である酸化アルミニウ
ムに部分的に転化させてもよい。表2bは使用した反応
条件をまとめてある。それ故、この試験は本発明が粘着
性塩も非粘着性固体物と同様に高濃度で処理する能力を
示している。同様に重要なことに、この試験は難分解性
成分を含有しているかもしれない複雑な有機混合物を処
理する時の酸化反応の強い性質も示している。前の実施
例のように、チタンで裏張りされた反応器を使用した
が、幾らか寸法が異なっており、すなわち8. 8センチ
メートルの内径および183センチメートルの長さであ
った。実験中に、システム圧力は約100psi内で一
定であり、それは安定操作が得られたことを示してい
る。表2bから、補助燃料は廃棄物質の高い有機含有量
のために必要なかったことに注目されよう。さらに、処
理される固体が非−粘着性であるため、冷却流は反応器
出口で必要なかった。
【0035】
【表2】
【0036】実施例3:この実験では実質的に臨界未満
の操作圧力の使用を試験した。表3は使用した反応条件
をまとめてある。この試験も、比較的低い密度の反応相
を使用する時でも酸化反応の強い性質を示している。実
施例1のチタンで裏張りされた反応器をこの試験で使用
した。大量の固体処理性能を示す必要はなかったため、
この実験期間は相対的に短かった。
【0037】
【表3】
【0038】
【発明の効果】ここで詳細に示されそして開示されてい
るような特定の下向き流式の水熱処理方法は前記の目的
を完全に達成することができ且つ前記の利点を完全に与
えることができるが、それは本発明の現在好適な実施例
の単なる説明であること並びに添付されている請求の範
囲に記載されているもの以外に構成またはデザインの詳
細に関する制限は考えられないことを理解すべきであ
る。例えば、栓状平行流区画66および冷却区画67の
特徴は本発明の実施において一緒にまたは独立して使用
することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に従うシステムの構成部品の構成図であ
る。
【図2】反応器内の流動特徴を示す本発明用の反応器の
構成断面表示である。
【図3】本発明用の反応器の別の実施例に関する構成断
面表示である。
【図4】本発明用の反応器のさらに別の実施例に関する
構成断面表示である。
【符号の説明】
10 システム 12 容器 14 反応室 15 側壁 16 上端部 18 底端部 19 出口区画 20 反応物 22 保有タンク 24 補助燃料 26 保有タンク 28 移送ポンプ 30 高圧ポンプ 32 移送ポンプ 34 高圧ポンプ 36 配管 38 水 40 保有タンク 42 移送ポンプ 44 高圧ポンプ 46 配管 48 コンプレッサー 50 予備加熱器 52 連結部 54 配管 56 軸 58 ノズル 60 反応流 62 逆流を伴う混合区画 64 渦巻き流 66 栓状平行流区画 67 冷却区画 68 高圧ポンプ 70 配管 72 管 74 冷却流体水準 76 出口 78 反応器流出液 79 内壁 80 スクレーパーブレード 81 圧力負荷壁 82 配管 83 間隙 84 流体 85 断熱体 86 中心軸 88 入り口 90 噴霧 92 削除部分 96 冷却器 98 毛管 100 配管 102 配管 104 液体−気体分離器 106 サンプル保有タンク 108 サンプル保有タンク 110 配管 112 弁 114 液体 116 気体 118 配管 120 配管 122 フィルター 124 弁 126 気体流 128 供給タンク 130 中和剤 132 配管
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI C02F 1/74 101 B09B 3/00 304H (72)発明者 ダビッド エー. ハズルベック アメリカ合衆国 92020 カリフォルニア 州 エル カジョン リブ オーク ドラ イブ 486 (72)発明者 ケビン ダブリュウ. ダウニイ アメリカ合衆国 92128 カリフォルニア 州 サンディエゴ サウス モーニング クリーク ドライブ 11041 (72)発明者 ミカエル エイチ. スプリツェル アメリカ合衆国 92122 カリフォルニア 州 サンディエゴ ポーテ デ パルマス 4090−6

Claims (59)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 少なくとも1種の反応物および水を含む
    原料物質を、温度が約374℃以上ないし約800℃ま
    での範囲内であり且つ圧力が約25バールより上である
    ような条件下で処理する方法であって、該方法が実質的
    に垂直な反応室内で原料物質を反応室の逆流を伴う混合
    区画中で噴射混合して反応流を生成することにより反応
    を開始させ、 追加反応を反応室の逆流を伴う混合区画より下に配置さ
    れた栓状平行流区画中の反応流の中で実施し、 そして反応流を栓状平行流区画より下に配置された反応
    室の出口から放出するステップを含む方法。
  2. 【請求項2】 さらに反応室を実質的に垂直に配向して
    重力が一般的に反応室の縦軸と平行に反応室の上端部か
    ら反応室の底端部への方向へ作用させるステップも含
    む、請求項1記載の方法。
  3. 【請求項3】 反応流を相対的に冷たい流体を用いて出
    口からの放出前に栓状平行流区画より下に配置された冷
    却区画中で冷却するステップも含む、請求項1記載の方
    法。
  4. 【請求項4】 相対的に冷たい流体を用いる反応流の冷
    却ステップが水を用いて冷却するステップを含む、請求
    項3記載の方法。
  5. 【請求項5】 相対的に冷たい流体を用いる反応流の冷
    却ステップが中和剤を含む水溶液を用いて冷却するステ
    ップを含む、請求項3記載の方法。
  6. 【請求項6】 原料物質を実質的に反応室の縦軸に沿っ
    た方向に向けて原料物質が反応室の側壁に直接衝突しな
    いようにし、そして原料物質と反応室の側壁との接触を
    最少にすることを含む反応開始ステップを備えた、請求
    項1記載の方法。
  7. 【請求項7】 固体を反応容器から機械的装置を用いて
    除去するステップを含む、請求項1記載の方法。
  8. 【請求項8】 固体を除去するステップにおいて少なく
    とも1つの切り欠き窓部分を含む実質的に円筒状のスク
    レーパーを使用することを含む、請求項7記載の方法。
  9. 【請求項9】 反応を促進するために反応器の側壁から
    逆流を伴う混合区画に熱移動を行うステップを含む、請
    求項1記載の方法。
  10. 【請求項10】 さらに耐腐食性ライナーを有する反応
    室を備えた、請求項1記載の方法。
  11. 【請求項11】 反応室において耐腐食性ライナーと圧
    力負荷壁との間に間隙が存在するように耐腐食性ライナ
    ーを配置することを含む、請求項10記載の方法。
  12. 【請求項12】 反応室において間隙の少なくとも一部
    内へ断熱体を配置することを含む、請求項11記載の方
    法。
  13. 【請求項13】 反応室において間隙の少なくとも一部
    内に流体流れを導入するステップを含む、請求項11記
    載の方法。
  14. 【請求項14】 酸化剤を含む原料物質を供給するステ
    ップを含む、請求項1記載の方法。
  15. 【請求項15】 空気、酸素、過酸化水素、硝酸、亜硝
    酸、硝酸塩および亜硝酸塩よりなる群から選択される酸
    化剤を含む原料物質を供給するステップを含む、請求項
    1記載の方法。
  16. 【請求項16】 酸化剤および可燃性物質を含む原料物
    質を供給するステップを含む、請求項1記載の方法。
  17. 【請求項17】 原料物質を実質的に常温において反応
    室に供給するステップを含む、請求項1記載の方法。
  18. 【請求項18】 反応を開始させるステップの前に原料
    物質の少なくとも一部を常温以上に予備加熱するステッ
    プを含む、請求項1記載の方法。
  19. 【請求項19】 予備加熱ステップが反応室から放出さ
    れた反応流から原料物質の少なくとも一部への熱移動を
    含む、請求項18記載の方法。
  20. 【請求項20】 原料物質を反応室に単一流で供給する
    ステップを含む、請求項1記載の方法。
  21. 【請求項21】 原料物質を反応室に複数流で供給する
    ステップを含む、請求項1記載の方法。
  22. 【請求項22】 少なくとも1種の反応物および水を含
    む原料物質を、温度が約374℃以上ないし約800℃
    までの範囲内であり且つ圧力が約25バールより上であ
    るような条件下で処理する方法であって、該方法が実質
    的に垂直な反応室内で原料物質を反応室の逆流を伴う混
    合区画中で噴射混合して反応流を形成することにより反
    応を開始させ、 相対的に冷たい温度の流体を反応室の逆流を伴う混合区
    画より下に配置された冷却区画中に導入することにより
    反応流を冷却し、そして実質的に全ての反応流を冷却区
    画より下に配置された反応室の出口から放出するステッ
    プを含む方法。
  23. 【請求項23】 さらに追加反応を反応室の逆流を伴う
    混合区画より下に配置された栓状平行流区画中の反応流
    の中で実施するステップも含む、請求項22記載の方
    法。
  24. 【請求項24】 反応流を冷却するステップが水を用い
    て冷却するステップを含む、請求項22記載の方法。
  25. 【請求項25】 反応流を冷却するステップが中和剤を
    含む水溶液を用いて冷却するステップを含む、請求項2
    2記載の方法。
  26. 【請求項26】 反応を開始させるステップが原料物質
    を実質的に反応室の縦軸に沿った方向に向けて原料物質
    が反応室の側壁に直接衝突しないようにしそして原料物
    質と反応室の側壁との接触を最少にすることを含む反応
    開始ステップを備えた、請求項22記載の方法。
  27. 【請求項27】 固体を反応容器から機械的装置を用い
    て除去するステップを含む、請求項22記載の方法。
  28. 【請求項28】 固体を除去するステップが少なくとも
    1つの切り欠き窓部分を含む実質的に円筒状のスクレー
    パーを使用することを含む、請求項27記載の方法。
  29. 【請求項29】 さらに耐腐食性ライナーを有する反応
    室を備えた、請求項22記載の方法。
  30. 【請求項30】 反応室において耐腐食性ライナーと圧
    力負荷壁との間に間隙が存在するように耐腐食性ライナ
    ーを配置することを含む、請求項29記載の方法。
  31. 【請求項31】 反応室において間隙の少なくとも一部
    内への断熱体を配置することを含む、請求項30記載の
    方法。
  32. 【請求項32】 反応室において間隙の少なくとも一部
    内に流体流れを導入するステップを含む、請求項29記
    載の方法。
  33. 【請求項33】 酸化剤を含む原料物質を供給するステ
    ップを含む、請求項22記載の方法。
  34. 【請求項34】 酸化剤および可燃性物質を含む原料物
    質を供給するステップを含む、請求項22記載の方法。
  35. 【請求項35】 原料物質を実質的に常温において反応
    室に供給するステップを含む、請求項22記載の方法。
  36. 【請求項36】 反応を開始させるステップの前に原料
    物質の少なくとも一部を常温以上に予備加熱するステッ
    プを含む、請求項22記載の方法。
  37. 【請求項37】 反応を促進するために反応器の側壁か
    ら逆流を伴う混合区画に熱移動を行うステップを含む、
    請求項22記載の方法。
  38. 【請求項38】 少なくとも1種の反応物および水を含
    む原料物質を、温度が約374℃以上ないし約800℃
    までの範囲内であり且つ圧力が約25バールより上であ
    るような条件下で処理する方法用の反応容器であって、
    該反応容器が反応室の上部近くに配置された逆流を伴う
    混合区画、原料物質を逆流を伴う混合区画中で噴射混合
    して原料物質の反応を開始させそして反応流を生成する
    ための噴射機構を含む実質的に垂直な反応室、 追加反応を反応流の中で実施するための逆流を伴う混合
    区画の下に配置された栓状平行流区画、および反応流を
    反応室から放出させるための栓状平行流区画より下に配
    置された出口を含む反応容器。
  39. 【請求項39】 反応室が縦軸を有しておりそして原料
    物質と反応室の側壁との接触を最少にするように噴射機
    構が実質的に反応室の縦軸に沿って向けられている、請
    求項38記載の反応容器。
  40. 【請求項40】 反応容器が耐腐食性ライナーを含む、
    請求項38記載の反応容器。
  41. 【請求項41】 耐腐食性ライナーと圧力負荷壁との間
    に間隙が存在するように耐腐食性ライナーを配置するこ
    とを含む、請求項40記載の反応容器。
  42. 【請求項42】 間隙の少なくとも一部内に配置された
    断熱体を含む、請求項41記載の反応容器。
  43. 【請求項43】 間隙の少なくとも一部内に導入される
    流体流れを含む、請求項41記載の反応容器。
  44. 【請求項44】 固体を反応容器の少なくとも一部から
    除去するために適する機械的装置を含む、請求項38記
    載の反応容器。
  45. 【請求項45】 原料物質が酸化剤を含む原料物質を含
    む、請求項38記載の反応容器。
  46. 【請求項46】 原料物質が酸化剤および可燃性物質を
    含む、請求項38記載の反応容器。
  47. 【請求項47】 原料物質が反応室に入る時に実質的に
    常温である、請求項38記載の反応容器。
  48. 【請求項48】 原料物質の少なくとも一部が反応室に
    入る前に常温より高く予備加熱される、請求項38記載
    の反応容器。
  49. 【請求項49】 相対的に冷たい温度を与えて反応流を
    冷却するための実質的に栓状平行流区画の下に配置され
    た冷却区画を含む、請求項38記載の反応容器。
  50. 【請求項50】 固体を反応容器の少なくとも一部から
    除去するために適する機械的装置を含む、請求項49記
    載の反応容器。
  51. 【請求項51】 機械的装置が少なくとも1つの切り欠
    き窓部分を含む実質的に円筒状のスクレーパーを含む、
    請求項50記載の反応容器。
  52. 【請求項52】 原料物質が酸化剤を含む原料物質を含
    む、請求項49記載の反応容器。
  53. 【請求項53】 原料物質が酸化剤および可燃性物質を
    含む、請求項49記載の反応容器。
  54. 【請求項54】 原料物質が反応室に入る時に実質的に
    常温である、請求項49記載の反応容器。
  55. 【請求項55】 原料物質の少なくとも一部が反応室に
    入る前に常温以上に予備加熱される、請求項49記載の
    反応容器。
  56. 【請求項56】 反応容器が耐腐食性ライナーを含む、
    請求項49記載の反応容器。
  57. 【請求項57】 耐腐食性ライナーと圧力負荷壁との間
    に間隙を含む、請求項56記載の反応容器。
  58. 【請求項58】 間隙の少なくとも一部内に配置された
    断熱体を含む、請求項57記載の反応容器。
  59. 【請求項59】 間隙の少なくとも一部内に導入される
    流体流れを含む、請求項57記載の反応容器。
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