JPS5921655B2 - 地表下の制御され、促進された化学反応をおこなう方法および装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 この発明は一般に化学反応を実行するための改良に関し
、特に下水汚泥及び同様な廃流水の湿式酸化処理を有効
に実行し、水成分を浄化しかつ熱の形でエネルギーを回
収するのに特に有効な化学反応を促進実行する新規かつ
改良された方法及び装置に関する。

背景技術 地表の大気温度より実質的に高い温度と大気圧より実質
的に高い圧力の条件下において、促進することができる
化学反応には、様々な種類がある。

このような種々の化学反応を高温・高圧で実施するため
に従来設けられた反応装置の主要部には、一般に例えば
、回転シール部、及び大面積の合せ面を有した高圧液体
ポンプ・高圧高温熱交換器及び圧力容器を必要とする。

この発明の方法及び装置が特に適する化学反応のひとつ
は、排水中の物質の直接湿式酸化処理及び特に下水汚泥
の直接湿式酸化処理である。

Ｚｉｍｐｒｏ法、Ｂ ａｒｂｅｒ Ｃｏｌｅｍａｎ及び
Ｎ ａｖｙＳｈｉｐｂｏａｒｄ反応器は、下水汚泥の直
接湿式酸化処理を行うために用いられる現行法の例であ
って、いずれも、廃棄物をほぼ地表面に設けた高温高圧
反応装置内に送らなければならない。

反応容器には、空気を圧送し、外方から加熱する。

反応物である酸素を廃水に混合し、かつ、反応生成物で
ある二酸化炭素を除去するために、常に機械的に攪拌を
必要とする。

液体または流体の静水圧コラムによって得られる高圧を
利用して、地表下で化学反応を促進実行する試みは、い
くつか行われてきた。

すなわち、バウアーへの米国特許３４２９２４７、ロー
レスへの米国特許３６０６９９９及びタイトマスへの米
国特許３８５３７５９を特に参照せよ。

発明の開示 化学反応を促進−実施するための方法及び装置において
、地表下に相当距離下方に延伸して折り返してＵ字管を
構成する降下型通し管を地表下の相当距離にて行う反応
のために用いる。

流入流体を制御選択された温度、圧力および流量で地表
から降下管部分を通じて選択した地表下深度まで圧下せ
しめて高い反応速度で反応物を反応させる選択圧力およ
び温度を与えるのに十分な静水圧コラムを形成させ、放
熱を行うために選択した滞留時間の間さらに反応域を介
して降下管部分を流下させて反応生成物を生成せしめ、
流体を反応域において加熱する。

加熱流体及び反応生成物は、流下流体と熱交換関係で上
昇管部分を還流し、上昇管部分の出口から排出するまで
に実質的に冷却せしめられる。

流入流体の反応域における温度は、反応速度を最大にし
、かつ、反応域の流体が沸騰しないように加熱または除
熱することによって制御される。

操業中にあっては、発熱反応による熱は、有用な熱エネ
ルギーとして回収される。

反応に気体を用いる場合、反応装置の頂部でティラー気
泡（Ｔａｙｌｏｒ ｂｕｂｂｌｅｓ ）と呼ばれる大気
泡の形状にして、気体流を低圧で導入することによって
効果は増大する。

圧入ポンプ条件を緩和するために、望ましくは、複数個
の高さから複数個の気体流として気体を導入する。

このような大気泡によって流体路中の差圧は小さくなり
、従って、一定流量を維持するためのポンプ圧は低圧で
よい。

また、このような大気泡においては、小気泡におけるよ
うな境界層なしに流体は気泡上を流れるので強力な混合
接触が得られて、反応物及び生成物の流体に対する流出
入が増大する。

注入気体の量は、気体量が不足すると望ましくない生成
物が生成し、気体量が過剰であると注入気体は浪費され
反応装置処理速度が減少するので、流入流体に対して適
性な比率となるよう制御する。

流体流速は、気泡上昇速度より高速に維持して、気泡の
すべてを反応域へと、移送せしめる。

反応装置の出口の圧力および流量は、システム全体の流
量及び圧力を適性に維持するように制御する。

この発明の他の目的、利点及び効果は、添付図面に関連
して説明するにつれて、より明らかとなり、なお、図中
同様の部分は、同様の参照番号を付す。

【図面の簡単な説明】

添付図面の第１図は、気体を１反応物として用いるこの
発明の特徴を具現した装置の模式図、第２図は、第１図
の装置の拡大模式図であって、外方流路を流下し、内方
流路を上昇する大気泡を発生するように流体流中に気体
を圧力下に導入する方法を詳細に示す図、第３図は、第
２図とは逆方向の流れで、流体路及び気泡を示す拡大模
式図、第４図は、第５ないし１９図に詳細に示す反応装
置に関して種々の深度位置に符号を付した反応装置の模
式図、第５図は、反応装置の上方部分の垂直断面図、第
６図は、第５図の線分６−６による断面図、第７図は、
反応装置の中間部分の垂直断面図、第８図は、反応装置
の下方部分の垂直断面図、第９図は、第７図の線分９−
９による垂直断面図、第１０図は、第９図の線分１０−
１０による断面図、第１１図は、第７図の線分１１−１
１による断面図、第１２図は２第７図の線分１２−１２
による断面図、第１３図は、第８図の線分１３−１３に
よる断面図、第１４図は、第８図の線分１４１４による
断面図、第１５図は、第８図の線分１５−１５による断
面図、第１６図は、ジャケット及び流動線間の流体の流
動を詳細に示す第１３図の拡大垂直断面図、第１７図は
、第８図の線分１７１７による断面図、第１８図は、第
１７図の線１１１８による断面図、第１９図は、反応装
置のジャケットの底部の斜視図、第２０図は、ティラー
気泡（Ｔａｙｌｏｒ ｂｕｂｂｌｅｓ ）の拡大側面図
、第２１図は、第２０図の気泡の底面図、及び第２２図
は、直列に連結し、１個の外方ケーシングに配設した３
個の反応装置を示す模式望ましい実施例の説明 さて、第１図を参照すると、その模式図には、１７で示
す地表高さから下方の相当距離の地中に及ぶ竪穴１６内
に延伸することのできる構成の反応装置１５が示されて
いる。 該括的に示す反応装置１５は、外方管部分１８とその外
方管部分１８に離間同心関係の内方管部分１９とを有し
、外方管部分及び内方管部分間に、外方流通路２１と内
方管部分１９内に、内方流通路２２とを形成する。 外方管部分１８は、その下方端を覆う閉鎖キャップ２４
を有し、内方管部分１９は、その閉鎖キャップ２４から
所定距離上方に終端を有しており、竪穴１６内で地表面
下の静水圧Ｕ字管を構成する。 図面の反応装置１５はさらに、地表高さ１７より上方に
突出する上方部分に、矢印で示すように流入流体が流れ
る外方流通路２１と連通したポート２６と、矢印で示す
ように流出流体が流れる内方流通路２２と連通したポー
ト２７とを具備する。 矢印は、流入流体が外方流通路２１を下方へ、また、内
方流通路２２′を上方へ流れるように示しているが、こ
れによって、流出流体より通常粘度が高い流入流体に、
より高い入力流量が与えられるが、流体の流動方向は、
第３図に示すように、逆方向であってもよい。 定圧力ポンプ２９を地表高さに設けて３８で示した適当
な流体供給源から、圧力制御バルブ３２を有して、所定
圧である供給流動ライン３１を介して、流入流体を、ポ
ート２６から矢印が示すように外方流通路２１を下方に
圧入せしめる。 低圧ポンプ２９とポート２６間に連結された流動ライン
３３を介してポート２６に流入流体は供給される。 バイバスライン３５のバイパス制御バルブ３４が設けら
れ、ポンプ２９を経ないで直接流動ライン３１から流動
ライン３３へと流動する。 すなわち、′流体がＵ字管構造体を流れた後には、多く
の場合、その流動を連続維持するためのポンプ圧を必要
としない。 出口２７からの出口流動ライン３７に背圧制御バルブ３
６を設げてそのオリビス寸法によって流通路２２の流出
流体の流量及び圧力を制御する。 流入流体の供給源は３８で示され、その供給源からの流
動ライン３１への流量は制御バルブ３２により制御され
る。 ポンプ２９は、作動開始時期中に流動ライン３３の圧力
及び流量を制御し、バルブ３４及び３６は、作動中に、
圧力及び流量を制御する。 第１図に示す装置は、廃水、特に好気性微生物下水処理
場廃棄汚泥の直接湿式酸化処理を行うのに適当であるが
、この発明は、高温高圧の種々の化学反応を実施するこ
とができる。 下水汚泥を処理する際の図示のフローチャートにおいて
、流動ライン３７を通る流出流体は灰分沈澱槽へ導入さ
、れる。 沈澱槽の清浄水は、流動ライン４２を介して供給流動ラ
イン３１へ清浄な希釈水として循環せしめる。 流動ライン４２は制御バルブ４３を有していて流入流体
の濃度を制御してバルブ３９及び４３のセツティングが
所定ＣＯＤ値の流入流体ブレンドとなるようにする。 酸化処理反応を完全におこなうに必要な酸素の量をその
下水スラッジの１化学酸素要求量ｊ（ＣＯＤ）と呼ぶ。 沈澱槽４１は清浄水排出流動ライン４４と灰分流動ライ
ン４５とを有する。 Ｒで示す反応域での流入流体の温度を制御するために温
度制御装置が設けられる。 この温度制御装置は地表高さに冷媒ポンプ５１を含み、
このポンプによって地表高さ冷媒槽５２内に蓄積された
冷媒を地表高さのヒータ５３を介して熱交換ジャケット
５５の底部にバルブ制御流動ライン５４を介して流下せ
しめバルブ制御流動ライン５６を介して竪穴を上昇せし
める。 ヒータ５３は種々の形式を採用することができるが模式
的に示したように、電気ヒータであって電源５３ａから
給電されてない電源にはレオスタットが設けられていて
加熱素子５３ｃに印加される電圧を規制してヒータ温度
設定をすなわち流動ライン５４を流動する冷媒の温度を
変更することができる。 ジャケット５５は中空環状管形状の構成として実質的に
反応域Ｒに対して共延在しかつより詳細に後述するよう
に外方流通路２１と熱交換関係にある。 他の流動ライン５６は反応域の頂部でジャケットの頂部
に結合されてそこから地表高さまで延伸し、かつ環流バ
ルブ制御流動ライン５６ａにより槽５２へ結合されてラ
イン５４及び５６内の冷媒に加熱する。 除熱回路はジャケット５５０頂部まで下降するライン５
６に結合したバルブ制御流動ライン５６ｂと熱交換器５
８に結合した地表高さより上方のバルブ制御流動ライン
５４ｂとを含み、この熱交換器５８は槽５２へ結合され
て閉鎖ループ型流体流温度制御回路が形成される。 流動ライン５４ｂの流動制御バルブはこの流体流動回路
の流量を制御する。 ジャケット５５及び流動ライン５４および５６の冷媒の
温度を規制することによって、反応域Ｒの流入流体の温
度が制御される。 これは冷媒に対して加熱又は除熱することによっておこ
なわれ、局部温度における流入流体の蒸気圧が流入流体
の沸とうを防止すべくその局部圧力より常に小としなが
ら実質的に最大の反応速度を達成するように制御される
。 流入流体の温度はヒータ５３により供給される熱を加え
ることによっておこなわれる。 ヒータは流動ライン５４を通ってポンプ５１による圧力
によりジャケット５５に流下せしめられる冷媒を加熱す
る、この冷媒の流量はライン５４の制御バルブを設定す
ることにより制御される。 反応域における流入流体の温度の上限は熱交換器５８か
ら除去される熱とライン５４ｂのバルブを設定すること
によって制御される流量とを規制することによって制御
される。 除熱量はライン５４ｂのバルブの設定に直接関連する。 タービン６０は制御バルブ６６付き流動ラインを介して
熱交換器５８に結合図示されているが、これはエネルギ
ー、特に反応により発生した熱を利用する例であって熱
エネルギーを機械エネルギーに変換するものである。 或いは、負荷６７を制御バルブ付流動ラインを介して熱
交換器に結合するように図示されているが、この負荷は
反応装置が発生する熱により暖房される室であってよい
。 反応域Ｒの上限すなわち始端の圧力を測定するための圧
力センサーは反応域Ｒの上限まで内方管部分１９を下方
に延伸する１／８インチステンレススチール管のような
小径管６１を含む。 地表高さに圧力ビン６２は所定の空気圧を与えて管６１
に送出バルブ６３を介して空気を流下させる。 圧力ビン６２及び管６１の間には送出空気圧ゲージ６４
及び圧力調節器６５が結合されている。 圧力の読取りを行うために、管６１から水を排出させ送
出バルブ６３を閉じる。 圧力ゲージ６６に、反応装置の温度及び圧力の重要な部
分である反応域の上限における反応装置内の圧力が読取
られる。 気体を反応物として用いる化学反応では、特に、空気の
酸素成分を必要とする下水汚泥の湿式酸化処理を実施す
る場合には、大気泡７８を用いることによって、効果が
著しく高められることが見出された。 第２０及び２１図を参照すれば、これらの気泡は概略球
形の頭部７８ａと概略円筒形の主要部７８ｂと平頭状底
部７８ｃとを有する形状を特徴としている。 横断面は円形である。拡大図に示したように、主要部は
、頭部から底部まで曲線状に末広がりである。 この気泡は、これにつき基礎研究を完成したジー・ジエ
ー・ティラー（Ｇ。 Ｊ 、 Ｔ ａｙｌｏｒ ）にちなんで、ティラー気泡
としばしば呼ばれている。 このティラー気泡は、外方流通路を下方に流れる時圧縮
され、反応域に達すると気泡内の酸素は反応の反応物と
なって強力な混合接触を伴って下水汚泥を急激に酸化せ
しめ、寸法が小さくなった気泡が内方通路を介して帰還
する。 非常に微細な気泡の流れに比較してこのような気泡を用
いることの主要な利点は、ティラー気泡の管長当りの圧
力効果が極めて小さいので、地下に流体と気泡を圧入す
るためのポンプ条件が軽減され、また、反応域Ｒにおけ
る気相および液相間の総物質移動量を大きくすることが
できる。 すなわち、気液混合が促進され、液中に溶解する気体の
量が大きくなり液中からの反応生成物の除去率が太き（
なる。 これらの大気泡を形成するために用いる図示の装置は、
地表に設けた空気圧縮器７１であって、これにより外方
流量路の上方部分に所定圧の１個または複数個の空気流
を１個または複数個の流動ラインを介して送出して入口
流動ライン３３からの流入流体と混合するようにする。 このようにして一連の大気泡すなわちティラー気泡７８
が形成され流入流体とともに搬送される。 この目的のために、地表の流動ライン３３内に延伸する
流動ライン７７０制御バルブ７６及び地下の一定深度ま
で延伸する流動ライン７５０制御バルブ７４ならびに地
中にさらに延伸する流動ライン７３０制御バルブ７２が
示されて℃・る。 流動ライン７３，７５及び７７の各々の終端部分は、降
下流通路内にその長手方向に沿って延伸し降下流通路の
下流端に向かって出口を開放させてなり、空気流は、こ
れにより、所定圧及び流量で流入流体流内に導入される
。 流入流体の流量及び圧力に対して圧力・温度及び流量を
適当に選択することにより、気泡は結合して外方流通路
２１に沿って離間間隔を有する一連のティラー気泡７８
が形成される。 これらの大気泡すなわちティラー気泡は、水中では一定
速度で上昇する。 その水中相対速度は、によって決定される。 式中、ｇｏ＝３２．２フイー）／ｆｆ 、ｒ−管内方半
径（フィート）図示の装置においては、流入流体排水流
の流速は、気泡上昇速度より大きく保持して気泡のすべ
てが反応域Ｒまで透下されるようにしなければならない
。 流入流体は、気泡上を流れ、反応域における液相と気相
間の物質移動が高められる。 酸化反応は、概して一次反応であるので、反応速度は、
液中の生成物と反応物の量に比例する。 小気泡流と比較してティラー気泡は、流通路内で流体力
学上の圧力損が小さいのでＵ字管構造体に一定流速で材
料を流すのに必要なエネルギーは少なくてすむ。 小寸法の気泡は、水柱内において流体力学上の圧力損が
太きい。 ）らに、小気泡は、そのまわりに水の境界層を有するの
で気液間の物質移動を損う。 すなわち、ティラー気泡は、管系に流体を流すために必
要なエネルギーが小さくてすみ、しかも反応速度を増大
させる。 圧縮器７１が必要とするエネルギーを軽減するために、
第１および２図に示すように、空気を外方流通路２１０
頂部の複数個の高さにおいて導入する。 空気は、最高位置において、最低の圧力で液体容積当り
１空気容積に対応する量で導入される。 流体が降下するにつれて圧力は増大するので空気は圧縮
される。 さらに空気を下方位置において、より高い圧力で又液体
容積当り１空気容積に対応する量で導入される。 このように順次大きな深度で空気を順次注入することに
よって圧縮器の条件は軽減され液中の反応物を酸化する
のに必要な酸素が与えられる。 反応装置の任意の点における圧力はその上に存在する液
体の質量に依存する。 水だけを用いるのであれば圧力勾配は深さ１フィート当
り約０．４３ｐｓｉとなる。 しかし降下流通路２１は相当量の気体を含有し、降下す
るにつれてその気体は圧縮され加熱される。 約言すると、地表下の種々の高さで空気を導入すること
によって、所要ポンプ圧力はちいさくてすみ、操作開始
後には流下する流入流体材料によって、液体ポンプを必
要とすることなく液体はすいこまれる。 ティラー気泡の形状によって、圧縮器条件が軽減され、
圧力差がちいさくなり反応物及び生成物の液体に対する
流出入が増大する。 すなわちこれは液体は気泡上を流れ小気泡において存在
するような境界層がないからである。 第５ないし１０図に詳細を示す反応装置は竪穴内部に配
設されるが、そ′の竪穴は大径上方部分８１と小径下方
部分８２から成る竪穴ケーシングによって裏打ちされ、
下方部分８２の外側に上方及び下方部分８１及び８２の
垂直方向に亘り８３で示すグラウトを有し、ケース下方
部分８２の底部を閉鎖密閉するグラウト栓体８４を有す
る。 ケース上方部分８１の上方端は、地表面１７と面１とな
るように埋込んだ円形の底板８６に例えば溶接すること
により固定される。 外方管部分１８及び内方管部分１９は、概略底板８６か
ら懸架されて支持され温度変化による竪穴ケーシングに
対する伸縮を補償するようにする。 上方管部分１８の頂部の上方端は、底板８６に座着した
円形の底板８７に、例えば溶接することによって固着さ
れ、外方管部分１８は、ケーシング８２内に懸架支持さ
れる。 冷媒ジャケット５５に対し流体を送出入するための２個
の流動管５４及び５６は、その底板のブッシングから竪
穴ケーシングと外方管部分の外部との間に垂下延伸する
。 さらに、地表高さ上には、外方管部分１８の延伸部があ
って、この延伸部は、底板８６に座着した底板８７に固
定した外方管部分１８の頂部地表下管部分の雄螺子に螺
着した一文字継手８９とニップル９１と丁字形継手９２
と上方端に例えば溶接により固着したフランジ板９４を
有し、下方端は丁字形継手９２内に螺着させた管９３と
を含む。 フランジ板９５はフランジ板９４に座着し、内方管部１
９の上方端を例えば溶接によって固着して成り、これに
より内方管部分１９は底板８６及び８７に支持された外
方管部分１８から懸架支持される。 さらに、第３の頂部フランジ板９６はフランジ板９５に
座着し、上方管ニップル９７を螺着して有する。 ニップル９７に頂部継手９８を固着して流出流体が通る
流動ライン３７との継手を構成する。 さらに、フランジ板９４及び９５０間にガスケット１０
１とフランジ板９５及び９６の間にガスケット１０２と
を図示のように設は定着ポルト１０３によってこれらの
フランジ板を密封水密状態に重合固定する。 圧力感知管６１は、フランジ板９６の中心を通って内方
管部分１９内を垂下延伸するように示され、内方管部分
１９は、フランジ板９５に連結すべく地表上に延伸して
いる。 ２個の流動ライン５４及び５６は、冷媒流体ケ導くため
に地表から支持板８７を介して延伸し第９及び１０図に
最もよく視られるように外方管部分に支持される。 冷媒流動管は各々１００フイート程度の比較的長い硬性
管部分１０９と２フイ一ト程度の可撓性管部分すなわち
ホース１１１とを相互に継手１１２によって直列に連結
して示した一連の管部分を有する。 硬性管部分１０９の下方端は、外方管部分１８に締着さ
せた下方ブラケット１１０に形成した支持表面に座着せ
しめる。 支持案内ブラケット１１３によって外方管部分１８の上
方端部分は、軸方向に摺動自在に案内されこの案内ブラ
ケットは弾性スリーブ１１５を担持する環１１４を有す
る。 硬性管部分１０９は弾性スリーブ１１５内で軸方向に可
動であって、温度変化による流動ラインの伸縮移動を補
償する。 可撓性管部分１１１は、図示するように伸縮を補償すべ
く湾曲形状とする。 下方端の継手１１２は、管部分１０９とともに摺動可能
であり、上方端の継手１１２はブラケット１１０によっ
て保持される。 可撓性管部分１１１は、耐熱組編カバーによって被覆さ
れたベローズ状管によって構成してもよい。 第７及び８図に最もよく視えるように地表から竪穴内に
延伸する外方管部分１８は近傍端でＡＰ Ｉ （Ａｍｅ
ｒｉｃａｎ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｉｎ５ｔｉｔｕｔ
ｅアメリ力石油協会）継手１１６によって連結した複数
個の直列管部分１１８から構成される。 これらの継手１１６は各端に実質的なテーパーを有し、
標準的な堅太型管継である。 反応域の上方において外方管部分１８を構成する管部分
は、第１１及び１２図に示すステンレススチール製ライ
ナー１０８を有する黒色酸化鉄から構成され、反応域か
ら地表下約５００フィートの深度まで延伸する。 このような構成によって腐食が防止される。 同様に内方管部分１９も末端溶接によって端部を連結し
た複数個の直列管部分１１９から構成される。 第１５図に示すように、外方管部分１８の底部管部分は
、エンドキャップ２４の１８０度折返し成形部を有し、
内方管部分１９を上方へと流体を向けさせる払拭作用に
よって、詰りか防止される。 内方流通路の壁の内外には圧力差が無いので、薄板管を
使用する。 薄板管を使用することによって経費が節減され、かつ、
高温反応筒流出流体と低温未処理流入流体間の熱交換が
良好となる。 図中の符号を説明すると、反応域上方の外方管部分１８
の内径は、Ｄｌで指示され、反応域上方の内方管部分１
９の内径はＤ２で指示され、反応域における外方管部分
の内径はＤ３で指示され、反応域における外方管部分１
９の内径はＤ４で指示される。 外方管部分に設けられたジャケット５５は、地表高さ下
方の所定の深度すなわち反応域Ｒの頂部始端に始端を有
する。 この深度において、外方及び内方管部分は寸法が小さく
なり、実質的に一様の材料流量が得られるようにする。 外方流通路を流体が流下するにつれて、気体は圧縮され
るので、気液容量比は減少し、液体の速度も従って減少
する。 より完全に一様な流速を得るために外方及び内方管部分
は、反応域の領域で寸法が小さくなっている。 このように寸法を小さくすることによって、投資資本当
りの生産量が高くなり、同時に少なくとも気泡を下方に
移動せしめるのに必要な流速は確保される。 第１１図に示すように、反応域から成る距離上方の内方
管部分１１９ａは、小径内方管部分１１９ｂを内部に受
ける寸法絞りスリーブ継手１２１を有する。 同様にしそ、第１２図に示すようにスリーブ継手１２１
の下方であって反応域上方の外方管部分１１８ａは、小
径外方管部分１１８ｂが嵌入される内ぐりを有する寸法
絞りスリーブ継手１２２を担持してなる。 外方管部分１’Ｌ８ａは、望ましくは、黒色酸化鉄で構
成し、これをスリーブ継手１２２の上方から地表下約５
００フィートまで延伸するステンレススチール管１０８
によって裏打ちする。 絞りスリーブ継手は、望ましくはステンレススチールで
構成し、詰りを防止するように平滑テーパー人口表面を
有するように加工する。 大径外方管部分１２３をス、リーブ継手１２２の環状外
ぐりに嵌着させ、管部分１２３と１１８ｂとの間の空所
によって反応装置の底部まで延伸する冷媒ジャケット５
５を構成する。 反応熱は、ジャケット５５に収集され、そこから取出さ
れるか、または、反応装置の始動を助けるために、加熱
冷媒流体及び／または蒸気の形で熱を入力することもで
きる。 ジャケット５５の上方端には、ジャケットを構成する外
方管部分１２３の下方端に冠着し、例えば螺子または溶
接により固着されたエンドキャップ１２４を設ける。 エンドキャップ１２４は、その底部に垂直孔１２５を有
する。 第１７，１Ｂ及び１９図に示す取付は金具１２６は、エ
ンドキャップ１２４の底部に例えば溶接により固着され
、エンドキャップの一側に片寄るように横方向延伸部を
有する。 取付は金具１２６は、ジャケットの底部に解放する通路
を有し、その通路は、一方端に穴１２７を有し、流動ラ
イン５４に結合する。 このようにエンドキャップ及び取付は金具を有するジャ
ケットは、栓体８４から一宗距離主方に終端を有し、伸
縮による栓体８４に対する上下動が可能となる。 温度を監視するために、第４図に示す熱電対１３１の態
様の温度感知器を約２５０フイート間隔をもって外方管
部分上に配設し、地表の温度表示器Ｔと結線する。 竪穴ケーシング８１及び８２内部に水が存在すると、熱
損が大きくなる場合がある。 かかる水は、蒸発して冷却器高さまで上昇し、そこで、
凝縮し、反応装置の外壁表面を伝って流下して再び蒸発
することになる。 このような循環作用によってエネルギー効率全体が下が
り、この処理方法が不可能になる場合も考えられる。 これを防止するために、ケーシングの内部をポンピング
または浄化によって乾燥状態に保つか、もしくは第８，
１７及び１８図において１２９で示す遮断層によって遮
断してもよい。 プラスチック被覆ガラス繊維綿、岩綿、セラミックフェ
ルトは、伝熱対流熱損を防止する断熱材として有効であ
ることが判明している。 作動 上述の実施例においては、下水汚泥流である流入流体を
供給源３８から流動ライン３１及び３３を介して外方流
通路２１に送入流下させる。 加圧空気流を外方流通路に圧力して一連の離間したティ
ラー気泡７８を形成させるが、ポンプ２９によって与え
られる圧力は流入流体と気泡の双方を、外方流通路２１
内を下方に移動せしめるのに十分をものとする。 流体と気泡の両方が地下に進むにつれて、温度及び圧力
が増大し、促進された反応速度の酸化が始まる線分りで
示すレベルに達し、線分Ｇで示す底レベルに進む。 線分りとＧの間の領域がＲで示される。 この反応域Ｒにおいて、温度及び圧力によって酸素は水
と急激に混合され、可燃性固体が急激に酸化され、熱が
発生し、これにより流体は加熱される。 この酸化による反応生成物には、ＣＯ２・Ｈ２Ｏ−Ｎ２
＋熱がある。 加熱された流体及び反応生成物は、〔流出流体〕と呼ぶ
が、降下流入流体と熱交換関係で内方連通路２２を上昇
する。 反応装置を出る時、流出流体は灰分沈澱槽を通つつて流
動し、流入流体が適切な流入ＣＯＤを保持するように希
釈液として使用されるかもしくは流動ライン４４を介し
て排出される。 流入流体の液体成分（水）の量に対する反応物の各濃度
は、バルブ７２．７４．７６．４３及び３９の相関的設
定位置によって制御される。 なお、これらの制御バルブは、地表面高さ領域において
、すべて、調節設定可能である。 始動中には、冷媒流体を槽５２からヒーター５３を介し
て流動ライン５４を圧送流下させてジャケット５５に送
入し、流動ライン５６から還流させることによって、熱
を通常、反応域に加えて流入流体を加熱する。 反応域の上方高さの温度が約４００下に上昇して続いて
起こる発熱反応によって熱が発生すると、流動管５４及
び５６の冷媒流体の流動方向は逆転して、ジャケットか
ら流動管５４及び５４ｂを上昇して熱交換器５８に入り
、これによって熱すなわち蒸気タービン６０を介して仕
事量を得るかあるいは部屋６７を暖房することができる
。 反応開始時の温度は、コントロール５３ｂの設定位置を
変更し、かつ、ライン５４の流量を変更することによっ
て制御される。 作動中の温度は、局部温度の流入流体の蒸気圧力を、反
応速度は最大にしながら沸騰を防止するように局部圧力
より小さく保持するように制御される。 第２２図を次に参照すると、３個の地下反応装置１３５
．１３６及び１３７を１個の外方竪穴ケーシング１３８
に取付け、１個の長い反応装置の場合よりも短い深度の
１個の垂直穴で、より太き＊な処理能力を持たせたこの
発明による構成が図示されている。 この場合も竪穴ケーシングは竪穴の内側を裏打ちするグ
ラウトを有し、底部にはグラウトの栓体１３９を有する
。 反応装置とケーシングの間の空所は、遮断材１４１によ
って充填される。 前述したように、各々の反応装置は、地表上に入力及び
出力ポートを連接させる外方管部分と内方管部分とを有
する。 図示の構成においては、反応装置１３５に槽１４２、反
応装置１３６に槽１４３、及び反応装置１３７に槽１４
４が設けられている。 流体ポンプ１４８及び空気圧縮器１４９が各反応装置に
前述のように連接される。 ライン１４５に示される流入流体と、回圧気体は、槽１
４２内に送入され、槽１４２から反応装置１３５内に流
下せしめられ反応装置１３５からの流出流体は、槽１４
３に送られる。 槽１４３からの流入流体と気体は、反応装置１３６内に
送入され、反応装置１３６からの流出流体は、槽１４４
に送られる。 さらに、流出流体と回圧気体は槽１４４から反応装置１
３７内に送入され、反応装置１３７からの流出流体は、
ライン１４７を介して、利用位置まで送られる。 このように、３個の反応装置を直列に結合した構成によ
って、同一の滞留時間の単一の反応装置よりもＣＯＤ低
下率が増大する。 これは、反応生成物ＣＯ２を槽１４２，１４３を介して
除去することができるからであると思われる。 いくらかの典型的な条件範囲を次の表に掲げる。 表 例 範 囲 １、反応装置 反応域上方直径 外方管部分Ｄ１ 内径２．４６５インチ
１〜２４インチ内方管部分Ｄ２ 内径１
．５６０インチ ３／４〜２０インチ反応域直径 外方管部分Ｄ３ 内径１．８７０インチ
３／４〜２０インチ内方管部分Ｄ４ 内径０
．９９５インチ ０．５〜１８インチ例
範 回 船 深 度 １０００フイート
１０００〜６０００フイート反応域始端までの深度
１０００フイー） ５００〜４５００フイ
一ト反応域の長さ ５００フイート
５００’〜３０００フイ一ト反応域の頂部の
温度 ４５０下 ３００ 〜５５
０５５０下の底部の温度 ４７０’Ｆ
３００ 〜６５０’Ｆ６５０’Ｆ部の圧力
４１０ ｐｓｉａ ２００〜１９
３０ ｐｓｉａ反応域の底部の圧力 ６５０
ｐｓｉａ ４３３〜２６００ ｐｓｉａ
３、流出流体 圧 力 ８０ ｐｓｉ
ａ Ｏ−２００ｐｓｉａ温 度
外気温度
外気温度流 速 約３ｇｐｍ
Ｏ〜５００ ｇｐｍ４、出 力 エネルギーＢｔｕ／日 ０．６７×１０６
０〜１ｏ×１０８ＣＯＤ減少率
７０％ θ〜９９％処理排出
量ＣＯＤ／日 １１２１ａ／日 １ｏ
ｏ〜１ｏｏｏｏ。 ｌｂ／日ＣＯＤ 流 速 ３ｇｐｍ
Ｏ〜５，００ ｇｐｍ生下水相当量※
７２０００ｇｐｄ ４５０００〜
６４Ｘ１０ ｇｐｄ※−１００万ガロンの下水あたり
で１５６０１ｂ／ＣＯＤにおいて産業上の利用可能性 約言すると、この発明の方法および装置は、下水汚泥及
びその他の流体の湿式酸化処理を含む高温高圧化学反応
を単に低圧のポンプ装置を必要とするのみで実行するも
のである。 建設費及び操業費用はいずれも同様の効果を達成する従
来の方法及び装置より極めて少なくてすむ。 さらにこの発明の方法及び装置は、熟練を要しない保守
を必要とするのみで高品質の蒸気の態様でエネルギーを
得ることができる。 この発明によって実質的にすべての微生物を１００％死
滅させることができ、また約９８％ＣＯＤを減少せしめ
ることができ、無臭であって容易に乾燥可能な灰性品を
得ることができる。 この発明では、すべての制御は、地表面領域にあり、か
つ、比較的大量の流体を送入するのに動力条件が小さく
てすみ、しかも連続的な降下上昇流体処理排出が得られ
る。 記載した方法及び装置は、例えば、石油製品のクラッキ
ングのような高温高圧化学反応を実施するのに、また、
大気泡を必要としないアンモニア合成などのような高温
高圧の水素添加反応を実施するのに適する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 少なくとも２個の反応物間の促進された化学反応を
   行う方法であって、 少なくとも２個の反応物を有する流入流体を、降下流通
   路を所定の流速で下方に地表下の所定の深度まで流下せ
   しめ、圧力作用静水圧コラムを形成し、反応に十分な圧
   力、温度を与え、当該所定深度において当該反応物を促
   進された反応速度で反応せしめ、かつ、当該所定深度よ
   り所定距離下方に当該降下流通路を通じて延伸する反応
   域中へとさらに通過せしめ、当該反応域において反応生
   成物を生成せしめ、かつ当該流体を該反応域において加
   熱せしめ、当該加熱流体と反応生成物を降下流体と熱交
   換関係で上昇流通路中を流出流体として反応域からほぼ
   地表高さまで還流せしめ、当該反応域領域において、当
   該流入流体が所定以下の温度の場合は当該流入流体を加
   熱し、所定温度以上の場合は当該流入流体を除熱するこ
   とによって最大の反応速度を達成しつつ、かつ、当該流
   入流体の沸騰を防止すべく局所温度における流入流体の
   蒸気圧力を当該局所圧力より常に低く維持しながら当該
   反応域における当該流入流体の温度制御下で反応をおこ
   なうことを特徴とする方法。 ２ 当該反応物の１つが、当該降下流通路の下流端に向
   く出口を介してほぼ地表高さで当該流入流体中に所定圧
   力で導入される気体流であって、これにより一連の大気
   泡が形成され、当該流入流体とともに透下されて、強力
   な混合接触をこれにより発生せしめ、反応域での反応を
   最大にし、ポンプ条件を軽減することを特徴とする請求
   の範囲第１項による方法。 ３ 当該反応物の１つが、地表高さの下方の複数個の所
   定深度間隔で累加的に高圧力を有する逐次流として導入
   される気体であることを特徴とする請求の範囲第１項に
   よる方法。 ４ はぼ地表高さにおける流入流体の圧力は、はぼ外気
   温度において約Ｏないし２００ ｐｓｉａの範囲であっ
   て、しかも、連続的な降下上昇流体処理排出が得られる
   ことを特徴とする請求の範囲第１項による方法。 ５ はぼ地表高さにおいて流入流体と流出流体の圧力及
   び流量を制御することを特徴とする請求の範囲第１項に
   よる方法。 ６ 当該反応物の濃度と相互に、かつ流入流体の液体成
   分の量に対して制御することを特徴とする請求の範囲第
   １項による方法。 ７ 連続的な流体流において逐次化学反応を行うために
   、共通の穴に直列結合して配設された一連の降下及び上
   昇流通路内において、当該流出流体を逐次、流入流体と
   して循環流下させ、かつ流出流体として上昇せしめ、各
   反応装置からの流出流体は、気相反応生成物を除去する
   ために、外気に解放した槽内に導くことを特徴とする請
   求の範囲第１項による方法。 ８ 当該流入流体が、当該降下流通路に所定流量及び所
   定圧力で供給される下水汚泥であり、当該反応物の１つ
   が酸素含有空気であって、下水汚泥の湿式酸化処理を行
   うことを特徴とする請求の範囲第１項による方法。 ９ 反応を開始するために当該反応域のほぼ領域におけ
   る当該流入流体に加熱することを特徴とする請求の範囲
   第１項による方法。 １０ 少なくとも２個の反応物間の促進された化学反
   応を行う装置であって、 降下流通路と当該降下流通路と熱交換関係にある上昇流
   通路とを形成する第１及び第２の管部分を含んで成り、
   当該降下流通路は、流通路内の降下流体が静水圧コラム
   を形成するのに十分な深度までほぼ地表から延伸し、こ
   れにより、当該所定深さにおける流体中の２個の反応物
   が促進された速度で反応するのに十分な圧力及び温度を
   与え、当該降下通路は、当該所定深度から下方に延出１
   し、反応域を形成して、当該反応域において反応生成物
   を生成せしめ、かつ当該流体を加熱せしめるようにした
   反応装置と、 はぼ地表高さから少な（とも２個の反応物を有する流入
   流体を当該降下及び上昇通路に送通し、反応生成物を有
   する流出流体を、当該反応装置から、抜出すようにした
   手段と、 当該反応域の領域における当該流入流体に対して加熱ま
   たは除熱することによって、当該反応域における流体を
   沸騰させることなく、はぼ最大の反応速度を維持するよ
   うに、当該反応域における当該流入流体の温度を制御す
   るための手段とから成る装置。 １１ 当該第１及び第２管部分を同心離間関係で、一
   方が他方の内側となるよう配置し、外方管部分は、水圧
   貫流Ｕ字管を形成するように、底部において閉鎖するこ
   とを特徴とする請求の範囲第１０項による装置。 １２ 当該反応装置は、当該反応装置であるが当該反
   応装置とは別の、地下）・ウジングを構成する地下のケ
   ース付穴内に配設されることを特徴とする請求の範囲第
   １０項による装置。 １３ 当該第１及び第２の管部分が、地表高さの共通
   支持板から懸架支持されることを特徴とする請求の範囲
   第１０項による装置。 １４ 当該管部分は、当該管部分内にほぼ一定の速度
   を維持するために、当該反応域のほぼ上限で地表より所
   定深度において寸法が減少していることを特徴とする請
   求の範囲第１０項の装置。 １５ 当該降下及び上昇流通路内に流体を連続的に排
   出流動せしめるために、地表高さ領域に設けたポンプ手
   段を有することを特徴とする請求の範囲第１０項による
   装置。 １６ 流入流体の温度を制御する当該手段は、冷媒流
   体が送通される当該管部分を取巻き、当該管部分の外方
   と熱交換関係にある内方環状通路を有したジャケットを
   有し、さらに、当該ジャケットに結合され、地表高さま
   で延伸して、当該ジャケットを地表高さ間に流体を循環
   せしめる一対の流動ラインを含むようにしたことを特徴
   とする請求の範囲第１０項による装置。 １７ 地表高さの領域の槽、ポンプ、熱交換器、制御
   バルブ及び熱源を当該ジャケット及び流動ラインの流体
   流動回路を結合して、一方の動作モードにおいて加熱流
   体を加熱して当該ジャケットに送入させ、かつ、他方の
   動作モードにおいて当該ジャケットからの加熱流体を当
   該熱交換器に送通するようにして当該反応域における流
   体の温度を制御することを特徴とする請求の範囲第１０
   項による装置。 １８ 地表高さの領域で降下流通路内に所定の圧力で
   気体流を導入して、概略同筒形の主要部と概略球部の頭
   部と当該頭部に対向する平頭部とを有し、ティラー気泡
   と呼ばれる大気泡を形成せしめ、当該大気泡を流入流体
   とともに透下するようにする手段を含むことを特徴とす
   る請求の範囲第１０項による装置。 １９ 地表高さより下方に離間配置した当該気体流の
   ための複数個の入口を含むことを特徴とする請求の範囲
   第１８項による゛装置。 ２０ ガス流を導入するための当該手段は、当該降下
   流通路に当該流通路の下流端に向って解放する出口を有
   して当該通路長手方向に配置した端管部分を含むことを
   特徴とする請求の範囲第１８項による装置。 ２１ 単一の竪穴ケーシングに並列配置された複数個
   の反応装置を有して当該反応装置を直列に流通結合せし
   め、流入流体を当該反応装置の１つに通し、当該１つの
   反応装置からの流出流体を次の反応装置に通すようにし
   て順次さらに反応を行うために、流体を循環せしめて連
   続流体流に対して順次化学反応を行うようにしたことを
   特徴とする請求の範囲第１０項による装置。