KR910008720B1 - 화학반응제어를 위한 반응방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

화학반응제어를 위한 반응방법 및 장치

제1도는 격벽식 밀폐용기(compartmentalized containment vessel)를 가진 본원발명 반응시스템의 개략 설명도.

제2도는 관상코일(tubular coil)에 대한 튜브디자인에서 튜브를 포함한 반응시스템의 개략설명도.

제3도는 관상코일에 대한 일부 튜브구조를 보여주는 부분사시도.

제4도는 밀폐용기내측에서 압력을 받으면서 반응시스템속에 열교환유체가 수용되는 반응시스템을 나타내는 개략설명도.

제5도는 밀폐용기내에서 열교환유체위의 빈 공간에 압력을 걸기 위하여 압력조절을 포함하는 반응시스템을 나타내는 개략설명도.

제6도는 유출부와 유입부사이에서 온도의 내부교환을 허락하기 위한 응축기와 내부교환기(interchanger)의 추가부분 개략설명도.

제7도는 관상코일의 통로를 따라 다수의 반응물 주입 또는 인출점을 포함하는 반응시스템에 대한 개략설명도.

제8도는 본 발명상의 반응코일의 개략설명도.

제9도는 본원발명상의 단수, 수직형코일의 개략설명도.

제10도는 격벽식으로 된 용기를 갖는 본 발명상의 반응시스템의 개략설명도.

제11도는 본원발명상의 동심원튜브 앗셈블리의 예를 나타낸 부분 사시도.

제12도는 횡단면에서의 본원발명상의 동심원튜브 앗셈블리의 예의 종단부 (terminal end of the concentric asembly embodiment)의 측정면도.

제13도는 동심원튜브 앗셈블리를 가진 본 발명의 반응시스템을 나타낸 개략설명도.

제14도는 반응물 및 생성물의 도입 또는 추출을 위한 반응코일의 길이를 따라 주어지는 다수의 기지(site)를 가지는 본원발명상의 반응시스템을 나타낸 개략설명도.

제15도는 본 발명상의 타원의 꾸불꾸불한 형태의 도관을 나타내는 개략설명도.

제17도는 제16도에 도시한 반응시스템의 평면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 반응시스템 12, 16, 40, 44, 48, 66, 84 : 도관

18 : 관상코일(tubular coil) 20 : 수용용기(containment vessel)

24 : 유동액 32, 34, 42, 70, 75, 72, 73 : 밸브

38 : 열교환기 50 : 분리기

56 : 내관 68 : 가열코일

본원발명은 통상 화학반응을 생성키 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 보다 상세히는 기상 및 액상 산화 반응을 포함하는 화학반응을 수행하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

특히 그 중에서도 본원발명은 주로 대략 수평축 주위로 배열된 얇은 벽을 가진 관상코일에 상향 및 하향하여 뻗는 부분과 대략 수평적인 부분을 구비하고, 관상코일은 열전도매체속에 침지되게하며, 관상코일과 열전도 매체와 관련하여 다음의 작업단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 화학반응 제어방법, 즉 미리 지정된 압력으로 관상코일속으로 제1반응물을 가지는 액체유입물을 흐르게 하는 단계, 미리 지정된 압력으로 관상코일속으로 제2반응물을 가지는 기체유입물을 흐르게 하는 단계, 관상코일을 통하여 액체유입물과 기체유입물의 2상 플러그 및 슬로그 흐름을 생성하기 위하여 미리 지정된 압력으로 액체 및 기체상의 유입물의 상대용적과 공급 및 흐름속도를 제어하고, 상향하여 뻗는 코일부에서 제1속도로 액체를 통하여 상향하여 흐르는 플러그 유동기체상 기포를 포함하며, 중간 수평부분에서 플러그 유동가스상 기푸를 부수어 그 발생을 방해하며 반응물의 기상 및 액상의 충분한 혼합성을 부여하는 단계, 액체 및 기체유입물에서 반응물의 화학반응을 부여하는 단계, 액체 및 기체유입물에서 반응물의 화학반응을 개시하기 위하여 열전도매체를 가열하는 단계로 구성되는 방법 및 밀폐용기와, 이 밀폐용기내에서 관상코일을 통하여 유입유동체의 플러그 또는 슬러그 흐름을 가져오는 선택된 흐름속도로 관상코일을 통하여 유입유동체의 유동을 시키기 위한 길고 얇은 관벽을 가진 관상코일과, 유동체의 온도가 가열된 유동체와 반응 생성물을 만들게 하는 유동체안에서 화학반응을 일으키기 위해 미리 지정된온도 이상으로 될 때 열을 제거하거나 또는 유동체의 온도가 미리 지정된 온도 이하로 될 때 관상코일내에서 열을 가하기 위하여 유동체의 온도를 제어하는 기구와 관상코일로부터 가열된 유동체와 유출되는 반응생성물을 수납하는 기구와로 구성되는 것을 특징으로 하는 화학반응 제어장치에 관한 것이다. 그런데 관상코일은 내관이 외관내에서 서로 동심원적으로 배열되도록 한내관 및 외관으로 구성되고, 내관을 통하여 제1방향으로 유입유동체를 흐르게 하고 내관의 외주변과 외관의 내주변사이에 형성되는 환대 내에서 제2방향으로 유동체를 환류케하며, 발열화학반응이 제1방향으로 유동체가 흐름에 따라 일어나도록 유동체의 농도를 제어하고, 그 후 제2방향으로 유동체가 흐름에 따라 계속되도록 하므로써 이 유동체에서 화학반응에 의해 발생되는 열이 제1방향으로 흐르는 유동체를 가열하기 위하여 사용되도록 하는 장치이다.

물질에 있어서의 화학성분은 여러 가지 조건하에서 가변되기 마련이다. 이들 조건들에는 특수반물(specific reactant), 반응물의 농도, 온도, 압력 및 반응용기의 성질이 포함된 조건들이 포함된다. 물질이 놓여진 환경을 정확히 조절하면 미리 선택된 반응속도에서 소정의 화학반응이 얻어진다. 따라서 편리하고 경제적인 반응설계라는 것이 화학공정 기술의 중요한 목표가 되고 있다.

통상 액체 매체에서 많은 산화반응이 이루어지고 있는데, 그 예가 "수성상산화(aqueous-phase oxidation)" 또는 "습식산화(wet oxidation)"이다. 이 가연성물질의 습식산화에는 연소를 일으키기에 충분할 정도의 높은 온도 또는 열과, 반응물과의 접촉도를 촉진하기 위한 혼합교반 및 습식산화반응이 일어나기에 충분한 시간이 필요하다. 가연성물질의 습식산화는 상당량의 열이 발생되는 발열반응이다. 어떤 공정에서는 열이 발열반응으로 저절로 발생되는 가연성물질의 자발연소 온도를 유지하기 위해 사용되기도 한다. 이와 같이 습식산화 공정은 자기유지력(self-sustaining)에 의하여 얻어진다.

가연성 물질의 습식산화는 도시 폐기물처리(municipal waste)에 있어서의 중요한 반응으로 되고 있다. 여러 가지 공정시스템이 고안된 바 있으나 성공적인 공정수행이 거의 없고 그나마 제한된 범위내에서 이루어질 뿐이었다. 다만 하나의 예의가 도시슬럿지의 지하 또는 다운 홀(down-hole)의 습식산화이다. 본원발명의 출원인에게 양도되어 있는 미국 특허 제4,272,383호와 기타 여기에서 소개하는 특허들에 도시폐기물의 습식산화를 위한 제1차로 알려진 성공적인 수직형튜브(vertical-tube), 다운 훌 반응시스템(down-hole-reaction system)이 개시되어 있다. 폐기물 처리장치에는 약1마일(mile)거리의 깊이로 지하에 수직으로 들어가 있는 원심형파이프 또는 튜브의 앗셈블리로 구성되어 있는 반응용기가 포함되어 있다. 튜브 앗셈블리에는 희석된 도시폐기물이 투입되어 통할 수 있는 유입통로(influent passage)가 있고 폐기물 또는 폐액이 주입된 후 유출될 수 있는 유출통로(effluent passage)가 있다. 주입된 폐기물이 반응용기로 유입되면 사실상 유체압(fluid pressure)의 역할을 하는 정수칼럼(hydrostatic column)을 형성한다. 유입폐유체(influent waste stream)의 온도는 유체의 흐름이 반응용기로 들어갈 때 가열기구에 의하여 증가된다. 또한 압축공기도 아래로 흐르는 슬럿지폐유체에 흡입시키는데 가급적 레일러 타입의 가스기포(Taylortype gas bubble)를 발생케한다.

약 300m 내지 1,800m(약1,000^ft∼6,000^ft)의 깊이에서, 반응역(reaction zone)은 폐유체의 습식산화가 스스로 유지되고 있는 역에서 만들어지고, 물론 반응물(가연성물질 및 산소)의 농도가 충분히 큰 곳에서도 생긴다. 반응역의 온도는 대략 260∼316^℃(500∼600^℉)에 이르고 있다. 보일링(boiling)은 정수칼럼에 의해 작용을 받은 유체압에 의해 억제되고 있다. 열교환자켓(heat-exchange jacket)이 반응역으로부터 열을 제거하거나 공급하거나 하기 위해 장치된다.

맥그류특허에서, 반응온도는 반응역의 온도제어를 위해 자켓에 가열된 오일이나 기타 다른 열교환매체(액체)를 펌핑하는 내부등심원 파이프를 둘러싼 열교환자켓에 의하여 제어된다. 이 공정은 도시폐기물과 반응 생성물이 항상 반응용기를 통해 이동할 정도로 통상 계속적이고 연속적이다. 따라서 폐유체의 유속은 반응역에서 가연성물질의 완전산화를 얻기 위하여 반응물의 농도에 따라 제어도지 않으면 안된다. 그렇게 되면 반응생성물은 통상 동심원튜브에 의하여 형성되는 환대, 즉 둥근테(annulus)로 되는 방출통로를 통해 움직인다. 이후에도 다시 설명하겠지만, 그것은 폐기물처리 공정시스템의 성공률을 결정하는 반응용기를 통하는 반응물의 흐름패턴(flow pattern)이다.

도시폐기물의 습식산화용 상기 공지의 그라운드시스템(ground system)들은 그 성공률이나 성공조건이 극히 제한되어 있다.

따라서 대부분 이들 시스템은 침전, 탈수, 건조, 소각등과 같은 폐기물처리 방법을 바꾸지 않는다. 상기 종래의 그라운드시스템은 그들의 큰 에너지 요구와 신속한 폐기물 처리의 불가성과 습식재료의 불완전한 산화 때문에 불충분하다. 더우기, 공지의 상기 그라운드시스템은 설치, 조업, 정비등에 있어서 매우 비용이 많이 든다. 이러한 종래의 그라운드시스템의 예로서는 미국특허 제2,665,249호와 제2,932,613호 등을 들 수 있다.

이상 기술한 타입의 연속적인 습식산화반응을 수행하기 위한 연속적인 습식산화반응장치 또는 방법의 적합성은 부분적으로는 유동폐턴에 따라 결정되는데, 이 유동패턴은 증기 및 액상부에 있어서의 체류시간과 유동속도의 안정성등을 부여한다. 따라서 습식산화 반응이나 이와 유사한 반응이 효율적인 것이 되기 위한 또한 질량 이동을 촉진하기 위한 반응물의 혼합교반이 되기 위한 방법 및 장치를 제공하는 것이 바람직스럽다. 또한, 반응공정을 보충하는 액체 및 기체부분 모두에 대한 상대적 체류시간에 있어서의 습식산화를 위한 방법 및 장치가 또한 필요한 것이다. 나아가서 반응물 및 생성물의 안정된 유동속도를 갖도록 하는 습식산화용 방법 및 장치가 또한 필요한 것인데, 본원발명은 이상과 같은 방법 및 장치를 제공할 수 있도록 한 것이다.

본원발명의 처리기구는 최소의 비용과 높은 열역학효율과 우수한 밀폐성, 내구성 및 최소의 공간으로도 간이하게 처리할 수 있는 구조성 및 작업성을 제공한다. 또한 일정한 기계적교반과 상당한 지표면적(land surface area)을 필요로 하는 큰 압력을 가진 용기가 없이도 높은 온도와 압력하에서의 화학반응의 효과를 높이는 신규의 방법 및 장치를 제공한다. 또한 본원발명은 상기 그라운드상의 폐기물을 취급하는 것과 관련이 있는 환경상의, 과도한 에너지상 및 정비상의 제 문제점을 해결하기 위한 것이다.

화학반응 촉진에 영향을 미치기 위한 본원발명상의 화학반응 시스템에는 기본 구성부분으로 긴 관상코일(long tubular coil)이 포함된다. 유입폐유체나 다른 반응물은 유입폐유체에 가해지는 제2의 반응물과 같이 관상코일을 통하여 흐르도록 된다. 이 반응시스템은 폐유체에 주입될 공기 또는 순도가 높은 산소와 희석된 유기폐기물로 구성되어 있는 폐유체의 습식산화에 이용하기 위한 시스템이다. 하나의 예로서, 관상코일은 열교환유체로 충전되어 있는 연속된 격벽들을 형성하기 위하여 구획되어 있는 밀폐용기에 위치한다. 각 격벽에서의 폐유체는 유체내에 침지되어 있는 관상코일에 관하여 여러 가지 레벨(level)로 조정된다. 또한 열교환유체는 관상코일내의 폐유체에서 화학반응이 발생되도록 시작온도(start-up temperture)로 가열된다. 한편, 열은 관상코일내에서 반응이 자생되도록 열교환유체(heat exchange fluid)으로부터 수출가능하다.

희석된 유기폐기물을 처리하고 있을 때, 예를 들어 본원발명상의 반응시스템에서 유동폐유체는 그 속에 가해지는 공기나 산소와 같은 기체와 더불어 약1,000∼2,000프시(psi)정도의 압력하에서 관상코일에 핌핑된다. 기체와 액체의 유동속도는 반응물의 철저한 혼합이라는 결과를 가져오도록 설정된다. 반응물은 코일내에서 폐유체의 산화를 초래하는 온도인 통상 약149℃ 내지 액 316℃(300℉∼600℉)로 가열된다. 이와 같이, 코일내에서의 반응은 폐유체에서는 고압, 고온 및 2상의 플러그유동(two phase flow)과의 결합조건하에서 발생한다. 그러나 본원발명상의 반응시스템은 염화탄화수소 화합물, 시안화합물, 유기 및 무기페놀 다방향족화합물 등의 유동산업폐기물의 파괴, 제거에 특히 적합하다. 그러나 본원발명의 반응시스템은 화합적 산화물감소가 주목적이 아닌 유체에 떠 있는 여러 가지 화학물질 또는 고체를 처리하는 데에도 사용된다. 따라서 온도 및 압력의 선택은 반응계획에 따라 달라진다.

본원발명상의 시스템은 얇은 벽을 가진 반응콘테이너, 예컨데 관상코일과 같은 이점을 가진 용기를 제공하는데 그 이유는 이러한 용기는 코일링된 형태의 길이를 갖고 있어 반응물이 반응물이 반응역에서 소요산화량을 부여하는데 필요한 체류시간을 제공할 수 있기 때문이다. 반응에 필요한 고온과 고압조건은 얇은 벽을 가진 튜브내에서 적합한데 종래의 개념으로 보면 두꺼운 벽을 가진 압력용기 내에서 통상 이러한 종류의 반응을 만들어 왔으므로 전혀 뜻밖의 일이 될 것이다. 이하에 상세히 설명하겠지만, 전형적인 장치상의 튜브의 직경은 벽두께 약 31.75mm(1.25inchs)정도의 두께를 가진 약50.8mm(2inchs)의 것으로, 일례로 이속에서도 반응은 약316℃(600℉)의 온도에서 약2.000프시(psi)의 압력하에 유속초당 약 152.4cm(5ft/sec)의 속도로 진행한다. 이러한 특성은 실질적으로 설비 자금과 코스트를 줄이고 시스템 자체를 휴대용으로까지 만들 수 있게 한다. 더우기 관상코일을 통한 반응물의 플러그(plug)나 슬러그(slug)의 흐름은 개선된 화학반응 혼합물을 제공하는데, 그 이유는 코일의 만곡도가 유체내에서 이 유체가 코일의 내면성에서 나선상으로 유동할 수 있도록 하므로써 더욱 기체상으로 현저한 혼합효과를 거둘 수 있을 정도로 제2차흐름(secondary flow)을 유도하려는 경향을 가지기 때문이다. 나선형 튜브의 만곡도는 유동액에서 이중 스파이럴(double spiral)의 형태로 제2차 흐름을 유도하며, 기체상은 코일의 톱부분을 향해 흐르는데, 여기에서 기체슬러그 또는 플러그는 코일의 저부를 통하여 유도되어 충분하고도 철저한 혼합이 이루어지도록 한다. 그뿐 아니라 관상코일에 의하여 만들어지는 반응용기가 같은 압력 및 온도조건하에서 비교해보더라도 종전까지 알려진 그 어느 반응용기보다도 몇 배 작은 것이다. 또한 산화공정이 개선되어 이루어질 수 있을 정도로 반응물이 산화반응을 거른다거나 할 가능성은 거의 없으며 반응물이 관상코일과 같은 개선된 용기내에서 반응작업을 수행하므로 환경상의 문제점을 일으킬 가능성을 최소화할 수 있다.

본원발명은 관상코일의 연속적인 단면에 길이를 가로질러 적용되어야 할 각기 다른 온도구배를 갖게 한다. 수용용기의 격벽의 실시예에서 각 격벽에 있는 열교환유동액의 온도가 조정되므로써 관상코일의 각 단면안에서 일어나는 반응의 속도가 적절히 제어되도록 조정될 수 있는 것이다. 또한, 유체 열교환유동액이 사용되면 각 격벽의 유동약의 레벨은 침지된 코일에 관하여 조정되므로써 화학반응에 영향을 미쳐서 그 결과 외부온도구배가 각 외부온도구배가 각 격벽에서 코일 단면에 작용하게 되는 것이다.

관상코일에 대한 상호 튜브-속-튜브 디자인구조(alternatetube-in-tube design)는 2상의 유입폐수를 내부튜브를 통과케하고 내관의 주변과 바깥 동심원튜브의 내주변사이에 형성되는 환대(annulus)안에 통하여 회귀, 즉 역류(return)시킨다. 이것은 내관내의 폐수와 의관내의 회귀수 사이에서 역류열교환(count current heat exchange)이 이루어지도록 하는 방법이다. 따라서, 수용용기내의 열교환 유동은 필요하지 않다.

상호디자인은 반응물을 열투입 또는 열제거나 필요하지 않은 점에서의 자발작업점(autogenic operating point)또는 그 근처에서 반응물을 처리하는데 특히 유용하다. 반응물의 농도는 일정량의 화학반응과 열품림(heat release)즉, 방열이 있어나서 폐유체가 내관내에서 흘러다니도록 할 수 있을 정도로 미리 정한다.

화학반응은 튜브들 사이의 환대, 즉 둥그런데 내에 반응물이 되돌아오고, 반응열이 내관을 통하여 어떤 계속적으로 들어오는 폐유체를 가열할 수 있도록 화학반응이 계속된다. 더우기 튜브-속-튜브구조로의 설계는 시간온도 반응속도를 제어하기에 용이하게 한다.

반응용기로서 긴 관상코일을 사용하면 코일의 통로를 따라 복수의 반응물 주입점(injection point)또는 추출점(extraction point)의 개입이 필요하다. 관상코일과 기체의 길이를 따라 다수의 점에 기체, 액체 또는 고체반응물이 더하여지면 액체 또는 고체는 여러점에서 추출되기도 한다. 예를 들면 폐유체의 반응에 의하여 가열될 때에 다수의 주입점은 새로운 반응물이 가해지도록 유도한다. 관상코일의 길이를 따라 중간점에서 기체상 또는 고체반응 생성물을 추출하는 작업은 추출점에서의 폐유체 흐름도의 하류(waste stream velocity downstream)를 감소케 하므로써 남아 있는 반응물의 체류시간을 증가시킨다. 관상코일은 예를 들어 길이로 따져서 대략 1.6km(1마일)정도에 이르는 것이 많지만, 대기중으로 일출함을 방지하기 위한 고압 및 고온하에 반응흐름에 대해 아주 우수한 공해상 또는 환경상의 용기를 제공한다. 더우기, 긴 관상코일은 계속적인 열투입, 자발작업 및 연속열 추출용 온도제어에 극히 적합하다.

예를 들어 밀폐용기내에서 관상코일을 둘러싼 열교환유동액은 증기, 액체 또는 가스상 열교환유동액을 포함한다. 더우기 반응온도를 제공함에 필요한 개시열(start-up heat)이 관상코일 속으로의 직접적인 액주입을 통하여 아주 편리하게 공급된다. 관상코일은 물론이고 더욱 튜브-속-튜브구조 및 복합주입점의 설계가 반응물의 농도를 여러가지로 가변시키므로써 온도제어를 가능하게 하므로 열의 투입 또는 추출을 위한 필요없이 자발적 작업을 가능하게 한다.

본원발명에는 통상 타원형 또는 루프형으로 된 꾸불꾸불한 관상코일의 형태로 되어 있는 그 측면은 사실상 수직형으로 되는 도관을 포함하는 반응장치가 있다. 통상 타원형코일과 꾸불꾸불한 스트링(string)으로 되는 이러한 장치는 본원장치에서는 수직적으로 상당히 큰 부분을 차지하든가 상당히 큰 직경을 가지든가한다.

다시말해 대략 타원형 또는 꾸불꾸불한 스트링의 주축은 수직형 위치에 있다. 이러한 반응코일의 형태는 예상치 못한 우수한 질량 효과나 반응물의 열전달능을 부여하며, 반응용기를 통해 반응물의 서징(surging)을 감소시키며, 반응혼합물의 액상화 및 증기 상화를 위한 최량의 체류시간을 부여하고 또한 이하에 기술하는바의 이점을 부여한다. 본 발명상의 반응시스템은 특히 연소 가능한 물질을 포함하는 도시폐기물의 습식산화에 특히 적합하며, 본원방법 및 장치는 그 외에도 다른 화학반응에도 이용 가능하다.

원형보다도 타원형의 코일이나 단면을 만듬에 따라 다운 홀(down-hole)의 대략 수직형인 다운카머부(downcomer portion) 즉, 강수관과 수직형 반응장치는 보다 가깝게 근접된다. 수직형 강수관부에서, 증기상(vapor phase)은 가장밀도가 적은 성분으로 되어 액상의 하향흐름에 저항하므로써 반응물의 최선의 혼합성과 접촉성을 부여한다. 액상의 하향흐름에 대한 증가상에 의한 저항은 또한 강수관부의 증기상의 체류시간을 증가시킨다.

반응물의 증가된 혼합과 강수관부에서의 증기상의 증가된 체류시간은 산소와 산화가능한 폐기물 성분사이에서 보다 큰 질량효과전달을 이루게 하여 보다 효과적인 습식산화반응을 부여한다. 타원형 관상부의 상향연장부 또는 상수관(upcomer)부분은 더욱 큰 잇점을 가진다.

이 상수관의 부위에서 기체상은 액상보다도 빠른 속도로 올라가고 고체들은 중력의 영향으로 가장 느린속도로 움직이기 때문이다.

이러한 현상으로 부유되고 있는 고체 "펄스(pulse)"는 상기상수관부에서 기체의 기포에 의한 영향을 받아 더욱 혼합과 열전달이 잘 되는 결과를 가져온다.

반응물의 흐름은 관상단면이 통상 수평적이므로 "루프"부분인 상정부 및 저부의 만곡부분이 차지하는 비율이 감소된다. 그러나 이들 통상 수평단면을 통해 흐르는 반응물의 흐름패턴은 질량전달속도를 감소시키고, 시스템을 통한 반응물의 서징에 기여하는 액상 및 기상의 보다 큰 층상배열(stratification)을 가져오므로써 시스템의 효율을 저하시키는 것으로 믿어지고 있다. 따라서 본원발명은 시스템의 질량전달 특성과 흐름의 안정성에 획기적인 개선을 이룩하도록 한 발명에 주안을 두었다. 여기에서 "타원형 (elliptical)"이라는 말은 관상 반응기의 형태를 가리킨 것으로 "타원형(elliptical)"d이 닫혀 있는 것이든 열린 것이든 이를 불문한다. 즉, 관상반응용기에는 통상수직으로 뻗는 상수관 및 강수관부위를 말하는 측면부와 통상수평으로 되는 수평부가 아울러 포함된다.

본 발명상의 통상 꾸불꾸불한 타원형 관상코일을 형성하는 도관은 단관이나 교호로 엮어져 중앙공(central bors)이나 유입통로 및 이를 둘러싼 환대 또는 유출통로로 이루어지는 동심원 튜브 앗셀블리로 통상 구성되는 복합관으로 구성되어 있다. 통상 동심원관운 내부튜브의 벽두께가 비교적 얇다는 데서 보다 큰 잇점을 갖는데, 그 이유는 튜브를 사이에서의 압력에 있어 차이가 적어서 열전달능을 개선시키기 때문이다. 튜브가 구부러지거나 커브를 그린속에서의 장치의 "코일강도(coil-strength)"는 2,000프시(psi)를 초과하는 폐기물처리중에 발생되는 내부압력에 견딜 수 있는 내력을 증가시킨다. 또한, 반응용기의 만곡부는 반응물의 제2차흐름을 유도하는데, 이는 "이중나선형(double spiral)"의 형태로 되는 것으로 믿어지고 있다. 제2차흐름은 반응물의 추가혼합을 가져오고 따라서 습식산화 반응을 더욱 촉진시킨다.

상술한 바와 같이, 장치상의 사실상 수직단면은 유입강수관부(influent downcomer portion)과 유입상수 관부(influent-up-comer portion)를 가르킨다. 슬러그 흐름이나 플러그 흐름패턴은 튜브반응에 있어 필요한 것으로 원형코일 장치보다는 이들 수직형 유입부에서 보다 큰 정도로 얻어진다.

본원발명의 최선의 실시형태에서도 역시 본원발명의 타원형코일 반응장치를 부분적으로든 전부를 갖든간에 열교환기의 성질을 가진 밀폐용기가 포함되어 있다. 이 밀폐용기는 또한 여러 일련의 쳄버들로 나뉘어져 있는데, 여기에는 반응장치의 하나 또는 그 이상의 루프(loop)가 존재한다. 이 밀폐용기는 사용되는 수용 단면반응코일이나 토(furnace)로부터 열을 전도하거나 배열하기 위하여 오일이나 물과 같은 열교환매체로 차 있다. 한번 일어나기만 하면 저절로 유지되는 발열반응이 수행되는 동안에는 열이 반응이 개시된 다음부터는 열교환매체에 의해 반응코일에 공급되고 배출된다.

본원발명의 타원형 반응코일 또는 꾸불꾸불한 관상코일과 관련하여, 도시폐기물과 같은 가연성물질이 포함되는 액체가 유입폐유체로서 본원발명의 타원상의 코일 또는 꾸불꾸불한 관상 반응장치를 통해 흐르는 그속에서 한 가지 방법이 주어진다. 그리고 공기, 산소가 풍부한 기체나 순수 산소와 같은 산소원이 이 폐기물에 흡입된다. 이렇게 해서 된 산소를 함유한 액체폐기물의 온도 및 압력을 반응용기 내측에서 자생, 자발적인 발열성 습식산화반응을 갖도록 상승시킨다. 반응생성물은 유출폐유체로서 반응장치의 밖으로 흘러나간다. 습식산화 반응은 수직형 상수관 및 강수관부(vertical upcomer and downcomer portions)에서의 슬러그와 플러그의 양 흐름과 코일이 만곡된 부위에서의 반응물의 제2차 흐름을 만들므로 아주 적합하다. 증기상의 체류시간은 코일반응 장치의 사실상 수직형 강수관부에서 증가된다. 시스템을 통한 반응물의 서징은 수직형 상수관부와 강수관부는 말할 것도 없고 통상 코일 앗셈블리의 수평부를 감소시킴에 의하여 최소화된다. 전환비(turn-down ratio)도 또한 일정시간당 보다 낮은 처리량과 보다 높은 처리량의 양쪽이 원형코일 반응용기에서 보다도 더욱 잘 이루어지도록 증가된다.

본 발명상의 "타원형 꾸불꾸불한 사형(elliptical serpentine)"의 형태는 로(furnance) 또는 크랙킹유닛트(crackingunit)에 이용할 수가 있는데, 여기에서 타원형에다 꾸불꾸불한 사형의 관은 로주위에 뻗어 예를들면 방사히터에 의해 가열된다. 가열유닛트는 굴뚝부에 있는 코일링된 부위와 같은 예열부위를 가질 수도 있다. 그리고 히터에의 연료는 별도의 반응에서 폐기물에 의해 발생되는 메탄가스와 같은 가스도 이용된다.

가연성물질, 산소와 시스템으로부터 가해지거나 배출하거나 하는 가열량의 농도 또는 크기는 전체 폐기물반응을 조절하기 위해 따라서 제어되는데, 여기에는 폐기물을 완전히 산화하는 데 필요한 시간제어와 길이나 반응코일을 따라 여러 가지 점에서의 반응온도제어가 포함된다. 본원발명상의 동심원튜브 앗셈블리에는 반응이 유입폐유체를 더욱 가열하기 위해 유입통로와 열교환관계를 갖는 유출통로나 환대에서 반응이 계속되도록 제어된다.

본원발명상의 다른 이점과 특징은 다음의 본원발명의 명세서, 콜레임 및 도면에 의하여 보다 상세히 이해되리라 생각된다.

본원발명의 일시시예를 도면에 의하여 이하에 보다 상세하고도 구체적으로 설명하고저 한다. 제1도에 본 발명상의 기본반응시스템(10)의 계략을 도시하였다. 도관 (12)을 통해 유입폐유체 또는 제1반응물이 들어오고, 열교환기(14), 도관(16)을 거쳐서 밀폐용기(20)내에 있는 긴 관상코일(18)로 들어간다. 제2반응물이 도관(22)을 통해 유입폐유체에 가해진다. 만일 희석된 유기폐기물로 구성되는 폐기물유입액의 습식산화를 위한 반응시스템(10)을 사용하고저 할 때에는 공기나 순산소를 통상도관(22)을 통해 폐유체속으로 흡입시켜 사용한다. 제1도에서 도시된 바와 같이 밀폐용기(20)가 열교환유동액(24)으로 사실상 채워져 있는 연속적인 일련의 격벽을 형성하기 위해 구획지어져 있다. 유동액(24)은 저류조(26)로부터 펌핑되어 도관(28)을 통해 각각의 밀폐용기(20)속으로 들어간다. 도관(28)상의 밸브(30)를 닫고 밸브(32)(34)를 열어서 유동액(24)이 도관(36)을 통하여 관상코일(18)내의 폐유체에서 반응이 일어나도록 하는 시작온도로 가열되는 열교환기(38)로 들어간다. 다음, 가열된 유동액(24)은 도관 (40)을 통해 열교환기를 떠나서 도관(28)을 통해 되돌아 온다. 또한 관상코일(18)내에서의 반응은 자발적인 반응이 된 후 유동액(24)으로부터 열을 추출하는데 필요하다. 만일 그렇다면, 유동액(24)은 열교환기를 통해 소정의 온도로 냉각시키기 위하여 도관(44)속으로 삽입되어 있는 열교환기를 통해 순환가능하다.

용기(20)의 각 밀폐실 내에서의 유동액(24)의 레벨은 밸브(42)의 어느 하나를 작동시켜서 저류조(26)로 도관(44)을 통해 유동액(24)이 드레인되도록 선택제어된다. 또한, 유동액(24)이 보일링온도에 이르게 되면, 압력을 받은 증기가 압력제거라인 (46)을 통해 분리되거나 증기가 시스템으로 돌아가도록 콘덴서로 순환된다.

제1도에서의 열교환유동액(24)이 액체상으로 있는 동안, 가스상의 열교환유동액이 또한 이용된다. 만일 가스상의 열교환유동액이 사용된다면, 펜이나 불로워 같은 선풍기류를 저류조(26)의 위치에서 시스템에 연결하면 된다. 폐유체가 관상코일(18)안에서 반응을 한 후에 도관(48)을 통해 분리기(50)로 통과하는데, 이 분리기에서는 증기유출이 도관(52)을 통해 방출되고 액상 유출액은 도관(54)를 통해 내부교환기(14)로 방출된다. 액상유출액이 내부교환기(14)를 통해 통과함에 따라 그 액이 가진 온도는 역시 이곳을 통과하는 유입폐액을 가열하거나 냉각시키는 데 사용한다.

반응시스템(10)에서 희석유기폐기물을 처리할 때에, 유입폐유체는 도관(22)을 통해 흡입되는 공기나 산소와 같은 기체에 의해 약1,200∼2,000프시(psi)라는 압력하에 관상코일(18)로 펌핑된다. 기체와 유체흐름의 속도는 관상코일(18)을 통한 폐유체의 플러그 또는 슬러그 흐름을 발생케 하도록 셋팅되어 반응물의 적절한 혼합이 되도록 한다. 반응물은 코일(18)내에서 가열되어 통상 149∼316℉∼600℉)의 온도에 있는 폐유체의 산화를 가져온다. 따라서 코일(18)내에서의 반응은 고압, 고온 및 폐유체에서의 2상 플러그 흐름의 복합조건하에 일어나는 것이다.

본 시스템은 벽이 얇은 반응용기의 잇점을 제공하는데, 즉 관상코일(18)은 그 코일링된 길이 때문에 소요산화량을 허용하기 위해 반응역에서 반응물에 필요한 체류시간을 줄 수 있게 된다. 반응에 필요한 고압 및 고온조건이 벽이 얇은 관의 안에서 얻어지기 쉬운데 이는 통상 두터운 벽을 가진 압력용기를 으례 사용해온 종래의 관념으로 보면 뜻밖의 일인 것이다. 이러한 특징으로 사실상 설비투입자금과 유지코스트가 경감된다. 더우기, 튜브코일이나 반응용기를 통해 반응물이 플러그 또는 슬러그 유동(흐름)을 한다는 것이 화학적 반응물의 혼합성에 큰 개선점을 가져다 준다.

그 이유는 코일의 만곡도가 유체의 제2차흐름에 유도되려는 경향을 갖는데 이 유체는 코일의 내측면상의 스파이럴, 즉 나선상으로 통과되므로써 기체상과 더욱 잘 혼합교반을 이룰 수 있는 것이다. 더우기 본원 관상코일(18)에 의하여 주어지는 반응용기가 지금까지 알려진 공지의 반응용기에 비하여 같은 압력이나 온도범위로 비교해 보아도 그 직경에 있어 몇배나 작아져서, 산화공정의 수행이 개선되므로써 반응물이 산화반응을 거른다든가 할 가능성은 거의 없어진다는 점이다.

반응시스템의 개시된 이상의 유체기구로부터 이해되었으리라 믿어지는 바, 슬러그나 플러그의 흐름이 구성인자에 충분한 혼합교반을 부여할 수 있을 정도로 액체, 가스 및 고체가 병류 또는 동시흐름(concurrent flow)을 가진다는 습식산화와 같은 화학반응에 있어서는 대단히 중요하다. 낮은 속도로부터 적절한 속도변환, 기포의 유동도 교반효과를 계속 이어준다. 보다 높은 물질흐름에서는 흐름이 비교적슬러그(느릿느릿한흐름) 및 플러그흐름(일부 막히기도 하는 흐름)이 된다.

본원발명상의 최선의 방법 및 장치에서 유동되면서 떠다니는 고체들은 가스의 명확히 구분된 플러그에 의해 분리되는데 이 플러그는 백 믹싱(back mixing)을 유도하고 유체상과 기체상사이에서 보다 밀접하고 활발한 접촉을 갖도록 한다. 또한 플러그 흐름은 보다 큰 속도에서도 일어난다. 튜브에서 굽거나 또는 만곡된 부위는 상(phases)을 분리시키는 역할을 한다. 만곡부에서는 플러그를 형성하는 기포의 합체가 일어난다. 실시예에서의 코일의 만곡도도 또한 더블 스파이럴의 형태로 유동액에서 제2차흐름을 유도한다. 전술한 바와 같이 유체는 내측면상의 흐름에 편승한다. 플러그 흐름에 있어서의 바람직한 수평적 코일은 이와 같이 하여 액상과 기상사이에서 비교적 높은 속도로 철저하고도 충분한 접촉을 만들어 주는 것이다.

전술한 바와 같이, 반응용 코일은 가급적 얇은 벽을 가지도록 한다. 종래의 기술에서 개시되어 있는 압력을 받고 있는 반응용기에서는 압력을 받고 있는 용기가 반응압력 및 용기내에서의 압력변화에 견딜 수 있도록 약6인치(152.4mm)이상의 벽두께를 가진 것을 사용하여 왔다. 또한 반응용기의 직경에 있어서도 뱃치형 반응을 상업적으로 용이하게 갖도록 하기 위하여 직경으로 따져 약1.83m 내지 3.05m(6∼10ft)의 직경을 사용하여 왔다. 이에 비해 일례로서 본 발명상의 관상코일 반응용기의 직경은 겨우 0.61m(2ft)정도이면서도 초당 0.3m 내지 2.5m(1∼8ft/sec)의 유동속도와 약288℃ (500℉)에서 약2,000프시(psi)의 압력에 적용된다. 또한 내부튜브직경은 통상 25.4mm(1inch)이하이고 플러그 또는 슬러그 흐름에 견디는 경우에는 152.4mm (6inch)의 범위까지도 가능하다. 전형적인 반응에서는, 기체상은 약30%용적을 차지하며, 반응온도는 약 260℃∼316℃(500∼600℉)에 이르고 압력은 약2,000프시에 이른다. 예를 들면 용접이음이 없는 무게목 닉켈합금강관이 잘 사용되는데, 외경은 약60.3mm(2,375inch), 내경 45.7mm(1.8inch), 관벽두께 7.29mm(0.287inch)의 것이 대표적인 사용규격의 일례이다.

플러그 흐름은 이튜브(강관)에서는 초당 45.7mm 내지 203.2mm (1.5ft∼8ft/sec)의 흐름속도와 규정된 온도 및 압력에도 유지된다. 다시 제1도에서, 본원발명에는 서로 다른 온도구배(temperature gradient)가 길이를 가로질러 관상코일(18)의 이어지는 단면에 적용된다. 밀폐용기(20)가 격벽으로 구획지어 있기 때문에 열교환유동액(24)의 온도가 각 격실에서 소정한 바 대로 상향 또는 하향조정 될 수 있다. 이것은 튜빙코일(tubing coil)(18)의 각 단면내에서 일어나는 반응속도의 제어에 아주 훌륭한 것이다. 또한 각 격실에서의 유동액(24)은 침지된 코일(18)에 관하여 서로 다른 레벨로 조정가능한데, 이는 각 격실에서의 코일단면에 작용하는 외부 온도구배상에 일어나는 변화결과의 하나로서 화학반응에도 영향을 미친다.

제2도 및 제3도는 두 개의 동심원 튜브(56)(58)로 구성되는 튜빙코일(18), 즉 관상코일에 있어서의 복합튜브구조를 도시한 것이다. 폐유체의 역류를 허용하기 위해서는 튜브(56)(주, 제3도의 튜브의 우측단)가 닫혀진 튜브(58)의 단부로부터 안쪽으로 스페이스를 둔다. 2상의 유입폐유체는 내관(56)을 통해 통과하고 둘러싸는 튜브(58) 또는 외관의 내주면과 내관(56)의 외주면 사이에 형성되는 환대, 즉 둥근테의 스페이스내로 환류, 즉 되돌아 흘러온다. 이는 튜브(56)내의 폐유체와 튜브(58)내에서의 환류사이에서 역열교환이 이루어진다는 뜻이 되고 따라서 열교환유동은 필요없게 된다. 이러한 설계구조는 특히 반응물을 열투입 또는 열제거가 밀폐용기(20)에서 필요하지 않는 자발적 작업점 또는 이 작업점의 근처에서의 반응물처리에 특히 효과적이다. 예를 들면 내관(56)을 통과하는 반응물의 농축물이 튜브(56)의 단부를 폐유체를 도달케하는동안 일어나는 반응으로부터 미리 정한량의 화학반응과 가열이 일어나도록 미리 예치한다. 다음 반응물이 튜브(56)(58)사이의 환대사이로 환류됨에 따라 화학반응이 계속되고, 따라서 튜브(56)를 통해 들어오는 폐유체를 가열하기 위해 환류폐유체에서 반응열이 전달되도록 한다. 또한 튜브-속-튜브(복이중관)설계구조가 제1도와 관련하여 상술한 바 있는 격벽식 밀폐용기에 의하여 주어지는 다단 기능형 반응속도에 비하여 경사진 시간 온도 반응속도를 허용한다.

제4도를 보면, 그 속에서 튜빙코일(18)을 가진 밀폐용기(20)가 재 도시되어 있다. 여기에서 코일(18)은 먼저 넣은 열교환유동액(24)에 침지되어 있다. 그러나 이 유동액(24)은 압력을 가진 용기(20)내측에 수용된다. 작업공정을 시작하기 위해, 펌프 (60)가 유동액(24)을 펌핑하여 도관(62)을 통하여 가열기(64)로 송출하는데, 이 유동액은 다음 가열된 상태로 도관(66)을 통해 환류되어 밀폐용기(20)로 되돌려 보내어 진다. 한편, 가열코일(68)이나 쟈켓(jacket) 또는 증기직접주입(direct steam injection)이 유동액(24)의 온도를 올리기 위하여 사용된다. 반응시스템이 반응물로부터 튜빙코일(18)내에서 생성된 발열에 의하여 저절로 진행 운영되면, 더 이상 히터(64)나 히터코일(68)을 사용하지 않아도 된다. 사실, 밸브(70)(75)를 닫고, 밸브(72)(73)를 열고 유동액(24)을 펌핑하여 냉각기(74)를 통하게 하며 이 냉각된 유동액을 다시 밀폐용기 (20)로 환류시켜서 유동액 (24)으로부터 열을 제거해야 할 경우도 있다.

제5도에서 압력제어밸브(76)가 밀폐용기(20)내의 유동액(24)상의 증기공간 (vapor space)(78)의 압력을 만드는데 사용된다. 튜빙코일(18)에서의 반응물의 반응열은 위 증기공간(78)에서 증기의 압력을 가하여 유동액(24)에서 보일링하게 한다.

압력이 과대하게 초과되면, 벨브(76)가 응축기(82)로 도관(80)을 통하여 잉여증기를 빠지게 하며 농축된 유동액은 도관(84)을 통하여 용기(20)으로 환류된다.

제6도는 내부교환기(86)나 응축기(82)를 추가적으로 갖고 있는 반응시스템 (10)을 도시하고 있는데, 여기에서 도관(48) 및 (16)을 통하여 각각 유출유체와 유입유체 사이에 온도의 내부변화가 생긴다. 이에 따라 증기 유출유체에서의 물증기량이 감소되므로 작은 증기처리시스템의 사용을 가능케 한다. 또한 도관(49)에서의 액체온도가 감소되므로 사실상 분리기(50), 밸브(87) 및 열교환기(14)의 크기 및 코스트를 감소시키는 효과를 가져온다.

제7도에서와 같이, 긴 관상코일(18)을 반응용기로 사용하면 다수의 반응물 주입 또는 반응물 추출점을 관상코일의 통로를 따라 만들어 넣을 수가 있다. 기체, 액체 또는 고체반응물은 위 주입점(88)(90)에서와 같이 관상코일(18)의 길이를 따라 다수의 점에서 가해진다. 더우기 기체, 액체 또는 고체물질이 점(92)(94)와 같이 여러가지 점 위치에서 추출될 수도 있다. 다수의 주입점은 새로운 반응물이 가해지도록 하는데, 예를들면 폐유체의 온도가 반응에 의하여 가열되므로써 전체반응 수행과 능력을 개선시킨다. 기체상이나 액상의 반응생성물을 관상코일의 길이를 따라 중간점에서 추출하는 것은, 예를 들면 추출점에서의 폐기유체속도흐름을 감소시켜서 남아 잔존하는 반응물의 체류시간을 증가시키게 한다.

관상코일(18)은 길이로 따라서 거의 1.6Km(1마일)에 이르는 것이 있는데, 이것은 대기중에 빠져나감을 방지하기 위한 고압 및 고온하에서의 반응유체를 담는 용기로서는 대단히 성능이 우수한 용기를 제공한다. 또한, 긴 관상코일은 전술한 바와 같이 온도제어에는 아주 적합하여 연속적인 가열, 자연발생적인 자동조업 및 연속 열추출을 가능케한다. 밀폐용기(20)내에 있는 관상코일(18)을 둘러싼 열교환용 유동액에는 증기, 액체 또는 기체상의 열교환유체가 포함되어 있다. 또한 반응온도를 공급하는데 필요한 시동열(start-up-heat)이 직접증기주입을 통하여 관상코일(18)속으로 편리하게 공급될 수 있다. 스팀주입은 튜빙코일(18)속으로 반응물이 들어가기 전에 행해진다. 관상코일(18)과 특히 제2도 및 제3도에서 도시된 튜브 속 튜브 설계구조 또는 제7도에서 도시된 다수의 주입, 추출구조의 것은 온도제어가 반응물의 농도를 가변시켜서 이루어지므로 열투입 또는 열방출을 할 필요없이도 자연발생적인 자발조업을 가능하게 한다.

제11도에서 본원발명의 다른 실시예를 들어보면, 본원발명상의 "타원형"반응장치(120)가 개략 도시되어 있고 여기에는 통상일련의 타원형 단면이나 또는 제9도에서 각각 도시되어 있는 루프형의 도관(124)이 포함된다. 각 루프(124)는 실질적으로 수직형인 상수관부위(126)와 이에 대응하는 실질적으로 수직형인 강수관부위(128)과 같이 주어져 있다. 각 루프(124)의 배치가 타원형이나 또는 타원형 같은 형태로 되어 있고, 상기부위(126)(128)가 실질적으로 수직형이 되어 본원발명상의 소정의 패턴 및 체류시간을 부여한다. 각 루프(124)의 타원성은 더욱 만곡부(130)의 길이를 최소화하여 반응물의 수평적흐름에 최소화하며, 제9도에서 보는 것이 단순한 것으로 나타나 있다.

본원발명의 방법의 기술로부터 보다 분명히 알게 되었겠지만 실질적으로 수직적인 상수관부(126), 강수관부(128) 및 반응코일(120)의 만곡부(130)는 반응물의 향상된 혼합성을 부여한다.

만곡부(130)도 또한 루프의 구부림 강도에 의해 반응코일(120)의 구조적인 잇점을 증가시킨다.

도관(22)은 내관의 직경이 9.5∼152.4mm(0.375∼6.0inch), 가급적 9.5∼50.8mm(0.375∼2inch)의 직경을 가진 내관를 가진 것으로 구성된다.

본원발명의 개선된 반응효율은 보다 작은 공간에서 보다 큰 용적의 폐기물도 처리할 수 있게 한다.

이러한 선택된 범위밖의 내경을 가진 도관(122)을 사용하는 경우도 있다. 도관(122)의 벽은 도관(122)을 코일상으로 형성함에 따라 주어지는 증가된 강도에 의하여 종전의 튜브와 같은 반응장치 보다도 그 벽을 얇게하여도 된다. 도관(122)은 일례로 대략 약0.76mm내지 6.35mm의 관두께를 가지는데, 이 두께는 수행되어야 할 반응의 정확한 성질과 도관(122)의 부피에 의하여 좌우되고 도관(122)의 재료강도에 의해서도 좌우된다. 도관(122)의 재료로서는 스텐레스강이나 티라늄합금제가 적합하다. 기타 다른 재료들은 공지의 기술로 알려져 있다. 무게목 닉켈합금강관이나 무게목 티라늄강관등이 높은 부식성으로 특히 유용하다.

반응코일(120)이 타원형의 주축이나 주직경이 실질적으로 수직형이 될 정도로 방향성을 가지는 것이 중요하다. 제12도에서 도시된 각 루프(124)의 높이는 "H"형으로 약 1.5mm 내지 6m(5ft∼20ft), 가급적 1.8m 내지 3m(6ft∼10ft)에 이른다. 실험적 증거는 수직형 단면이 1.2m(4ft)이하가 되면 효과가 줄어드는 것을 보여주고 있다. 상수관부(126)과 강수관부(128)는 각기 각 루프(124)의 총 높이의 약 75%이상의 높이로 이루어져 있다. 이것은 유효한 흐름패턴, 체류시간 및 본원발명의 서징제어를 얻고 강수관부(128)가 건조하게 되는 것을 방지하기 위하여 필요하다. 만곡부(130)는 실질적으로 압축흐름 또는 봉쇄를 초래할 예리한 구부림을 주지 않으면서도 수평적 흐름을 없애기에 충분할 정도로 짧아야 한다. 따라서 제12도에서 L자로 나타낸 각 만곡부 (130)의 길이는 약 0.6m(2ft)보다도 가급적 작아야 한다. 도관(122)의 길이는 열과 반응시간과 같은 반응매체에 의하여 또한 수행되는 반응의 형태에 의하여 결정된다. 습식산화 반응에서 도시폐기물을 처리하기 위하여 도관(122)은 가급적 약300mm 내지 1,800m(1,000ft∼6,000ft)의 길이를 갖는 것이 바람직하다. 이것은 대응적의 슬러지가 실질적으로 코일(122)에서 유용한 혼합된 흐름속도하에서 충분히 산화될 수 있음을 보증하는 것이다. 반응코일(120)을 이루는 루프(124)의 수는 전술한 루프(124)의 칫수와 도관(122)의 길이에 의해 결정된다. 반응코일(120)이 지상의 반응장치가 되기 위해서는 비교적 휴대가능한 장치가 되고 반응코일(120)을 지하에 설치하고 루프(124)의 수직형 방향을 유지하는 것이 유리하다.

제13도를 보면, 본 발명상의 반응시스템(132)이 도시되어 있는데 예를들어 희석된 도시폐기물의 압력이 걸린 유입폐유체가 찬넬(134)속으로 주입되고 가스나 전기히터 같은 가열기구(136)를 통해 흐른다. 유입폐유체가 가열되어 약149℃(300℉)로 승온되면, 습식산화중의 산소와의 반응속도는 실질적으로 증가된다. 가열된 폐유체가 가열기구(136)로부터 떠나면 찬넬(138)을 통해 반응코일(140)로 향하는데 이것은 수직적이고 통상 타원형구조로 되어 있다. 찬넬(138)을 단열하는 것은 열에너지를 보존하기 위해 바람직스럽다.

찬넬(138)을 통해 가열된 액체 폐기유체로서 유용한 산소원이 가스공급라인 (142)을 거쳐 공급된다. 산소는 습식산화시스템의 제2차반응물인데 액체폐유체의 가연부분이 제1반응물로 구성된다. 산소의 공급은 통상폐유체속으로 인도되는 산소의 양을 증감시킴에 의하여 속도제어로 조절하게 되어 있다. 공기, 순산소 또는 산소가 풍부한 가스는 산소원으로서는 적합한 것들이다. 용도에 따라서는 산소를 폐유체속에 주입시켜 고급 라인(142)이나 다른 복수개의 주입기지에 주입하기도 한다.

제10도에서 도시된 바와 같이 반응코일(140)은 반응코일(140)의 단수개의 루프를 각각 갖고 각기 분리되어 있는 다수의 챔버들로 구성되어 있는 밀폐용기(144)내에 위치하고 있다. 다른 장치들도 각각의 격실내에 둔 하나 이상의 루프를 유지하는데 적합하다. 또 다른 하나의 특수장치(도시안됨)에서 반응코일(140)의 상수관부가 격실의 첫 셋트에 위치되고, 강수관부는 격실의 제2셋트에 위치된다.

반응장치에서 이러한 제어장치의 추가는 경우에 따라 필요하다. 밀폐용기(144)는 발열반응으로서 습식산화반응을 수행하는 액체흐름과 도관(150)을 통해 저류조 (148)로부터 밀폐용기(144)속으로 펌핑하는 열교환 매체(146)사이에서 열교환이 되도록 하는 역할을 한다. 필요하다면, 열교환매체(146)가 밸브(152)를 열고 다른 밸브 (154)(156)를 열어서 가열되므로써 열교환매체(142)가 도관(158)을 통해 열교환기 (160)에 들어간 다음 도관(162)을 거쳐 도관(150)으로 환류된다. 또한, 어떤 경우에는 열교환매체(146)로부터 열을 제거하여 두는 것이 필요한 경우가 있는데, 발열반응인 습식산화반응중 반응코일(140)로부터 열을 제거하는 것이 그것이다. 이것은 본원발명에서는 여러 가지 방법으로 수행될 수 있는데 열교환매체(146)의 흐름을 역류시키든가 저류조(148)와 같이 하여 열교환기(도시안됨)를 만들어 주든가 하면 되는 방법을 포함하여 수행한다. 열교환매체는 도관(149)을 통해 저류조(148)로 환류가능하다. 밀폐용기(144)에서의 열교환매체(146)의 량이나 레벨은 밸브(164)로 조절할 수 있는데 이것은 본 실시예에서는 밀폐용기(144)의 각 격실에 있는 열교환매체(146)상의 선택제어기능을 부여하므로써 조절가능하다. 압력제거밸브(166)도 여기서는 밀폐용기 (144)의 꼭대기부분에 위치시켜 설치하여 증기가 열교환매체(146)가 조업중 끊게 되면 생성되도록 이 압력제거밸브(166)가 풀려지도록 하였다. 열교환매체(146)로서는 오일과 같은 액체나 가능하면 기체상 매체와 같은 매체를 사용한다. 열교환매체(146)가 가스나 증기가 되는 경우에 저류조(148)에 선풍기나 블로우어를 부착한다.

희석된 폐유체는 가급적 약1,500 내지 2,200프시의 압력하에서 반응코일 (140)속으로 펌핑된다. 전술한 바와 같이, 유용한 산소원은 공급라인(142)을 통해 폐액속으로 흡입되기도 한다. 순산소나 산소가 풍부한 기체를 물론 공기도 사용상 적합하긴 하지만 본 실시예에서 사용하였다.

액상폐유체속에 산소농도를 증가시킨다는 것은 습식산화반응의 속도를 증가시킨다는 뜻이 된다. 습식산화 반응이 진행함에 따라 액상폐유체(liquid waste stream)의 온도는 코일(140)내측에서 약260∼371℃(500∼700℉)로 상승한다. 이 온도에서 습식산화반응은 가연성물질이 충분히 있고 산소가 계속 존재하는 한두 반응물의 적절한 접촉에 의해 반응이 자기유지, 즉 자발 또는 자생적인 산화반응이 계속 스스로 유지된다. 그런다음, 열은 반응코일(140)로부터 열교환매체(146)와 더불어 배열된다.

밀폐용기(144)의 격실을 이용하여 폐액이 반응코일(140)에 맨 처음 들어갈 때 열을 가하고 그 후 반응코일(140)의 단부근처로부터 열을 뽑아 배열하는 것이 바람직하다. 가연성 폐기물의 농도, 폐액에 가해지는 산소의 농도, 반응코일(140)을 통한 반응물의 속도와 흐름패턴들은 폐기물이 반응코일(140)을 떠날 때까지 완전히 반응될 수 있을 정도로 제어된다. 또한 온도가 그속에서 371℃(700℉)이상 되고 압력이 3,200프시 이상 초과되는 "초임게점(supercritical)"이상에서도 반응을 계속케 할 수 있다. 초임게점에서의 반응은 본원발명의 반응시스템의 특별한 응용상 필요한 경우가 있는데, 즉 특수산업 폐기물 처리시에 이용하는 경우라 하겠다.

폐유체가 실질적으로 반응코일(140)내에서 충분히 반응된 후에는 반응생성물이 반응코일(140)의 밖으로 흘러서 도관(168)을 통하여 분리기(170)로 가게 된다. 여기에서 반응생성물 또는 유출폐유체(waste effluent)는 액체와 용적이 작은 쓸모없는 재와로 분리된다. 액체흐름은 상승된 온도하에서 계속 도관(172)을 통해 계속 흘러서 가열기구(136)로 가서 유입폐유체를 가열하는데 사용된다. 이 액체흐름은 유입폐유체를 희석시키는데 사용되기도 한다. 습식산화반응 유출물은 실질적으로 감소된 산소를 요구한다. 통상 타원형의 반응코일(140)은 전술한 바와 같이 습식산화반응에서 폐액처리에 중요한 영향을 미친다. 폐액속으로 기체공급라인(142)을 통해서 공기나 산소를 흡입시킴에 따라 폐유체의 흐름과 흡입된 기체는 슬러그나 플러그 흐름이 반응코일 (140)에서 얻어질 정도로 제어되는데, 이는 종래의 기술로도 이해가능한 바와 같이 증기상, 액상의 상대적 속도의 기능을 가지고 있다. 슬러그 또는 플러그 흐름이 필요한 것은 이들이 휼륭한 혼합성을 부여하여 반응물의 질량 이동성을 개량시키기 때문이다. 본원발명과 관련하여, 슬러그 또는 플러그 흐름과 질량이동성은 반응코일(140)의 통상 타원형이 갖는 성질 때문에 더욱 두드러진다.

상수관부(126)를 통하여 기체 및 액체가 통과함에 따라 제8도 내지 제10도에서 도시된 바와 같이 수직형 배열은 상수관부를 통해 증기상의 움직임을 빨라지게 한다. 만곡면(130)에서, 제2차흐름이 커브진 반응코일 벽 상에서 혼합물의 이동결과를 가져오는 이중나선형으로 유도된다. 수평흐름의 길이를 최소화하므로써 다르게 일어나는 상들의 층(stratification of phases)이 크게 감소된다. 액체 및 증기상이 더욱 반응코일 (140)에서 층상을 이루게 되면, 질량이동이 반응물 사이에서 적어진다. 이 반응물 사이에서 개선된 질량이동 효과에 다가 상의 층감소는 반응코일(140)을 통해 혼합물의 서징을 더욱 감소시켜 준다. 더 더욱 중요한 것은 증기상이 액상보다 농도가 묽다는 것인데, 액상에서의 "플로우트(floats)"는 강수관부(128)에서의 액상의 하향흐름에 제동을 건다는 사실이다.

이 제동이 액체와 혼합되는 증기의 접촉성과 혼합성을 증가시켜서 질량이동 효과를 높이고 나아가서 산화반응을 촉진하게 되는 것이다. 여기에 덧붙여, 반응코일 (140)의 강수관부(128)의 수직형배치가 증기상의 체류시간을 증가시키는 결과를 가져다 주는 것이다. 증기가 생기기 때문에 강수관부에서는 대단히 오랜동안 남아있게 된다.

이것은 질량이동 효과의 증가는 물론 흡입시킨 산소의 이용성도 향상시키는 결과를 가져왔다.

마지막으로, 길이로 1.2m(4ft)이상의 강수관부(128)를 제공하므로써 강수관부는 건조가 방지되는데 그렇지 않으면 질량이동성을 감소시키고 원하지도 않은 자연발생적인 연소가 일어나게 된다.

전술한 바와 같이, 상수관부도 또한 개선된 혼합성 및 개선된 열전도성을 제공한다. 기체상은 액상보다 빠른 속도로 상수관부로 올라간다. 폐유동액에 고체가 포함되어 있으면, 부유하여 떠다니는 고체들이 중력의 영향으로 느린 속도로 상수관부에서 움직이게 된다.

따라서, 세가지 분리된 흐름속도가 만들어지고, 따라서 보다 양호한 혼합성과 열전도성을 가져다 준다. 더우기, 반응물의 성분에 따라서 상수관부에서 부유하는 고체들은 기포나 기체의 영향으로 고동치게 된다. 이는 특히 도시슬럿지의 처리에 있어 그러한데 그 속에서 유동액이 희석된 도시슬럿지와 산소 또는 산소가 풍부한 기체로 구성될 때 특히 이런 현상이 발생됨을 알게 되었다.

제11도를 참조하면, 동심원 반응코일이 도시되어 있는데, 반응코일(140)에는 내관(174)이 외관(176)내에 동심원적으로 배치된 것을 알 수 있다. 화살표로 가리키는 바와 같이, 유입폐유체는 내관(174)의 구멍속으로 흘러들어가고 습식산화반응생성물이나 또는 폐유출유체가 외관(176)에 의해 만들어진 환대, 즉 둥그런 테두리로 유입유체흐름과 반대방향으로 통과한다. 따라서, 이러한 배열에 의해 유출흐름은 유입흐름과 열교환관계에 있게 된다. 열의 이동 또는 열이 전달되는 량은 내관(174)에서 생기는 재료의 열전도도에 의하여 결정된다. 제12도에서는 반응코일(140)의 단부가 횡단면으로 나타나 있는데, 여기에서 화살표는 반응생성물의 흐름방향을 가리키는 바, 여기에서 반응생성물이 내관(174)으로 나와서 외관(176)에 의해 형성되는 환대속으로 들어가는 것을 나타낸다.

제13도에서, 본원발명상의 폐기물 반응시스템이 나타나 있고, 여기에는 제11도 및 제12에서 도시된 동심원 튜브앗셈블 리가 개략적으로 도시되어 있다. 희석된 폐액은 찬넬(134)을 통해 흘러서 폐액의 온도가 습식 산화반응을 촉진하기 위하여 상승하는 가열기구(136)속으로 들어간다. 가열된 폐액이 찬넬(138)을 통해서 흐름에 따라 산소나 기타 다른 산소를 함유한 기체가 가스공급라인(142)을 통해 폐액속으로 설명한 바의 반응코일(140)내에서 질량이동을 이끌 수 있는 속도로 흡입된다. 다음, 산화된 폐기물이 반응코일(140)속으로 흐르는데, 본원발명상의 이 실시예에서는 동심원 또는 튜브 속 튜브, 즉 이중관 앗셈블리로 구성된 반응코일 속으로 흐르는 것이다. 여기에서, 반응코일(140)만이 흡입폐기물의 흐름의 상대적 방향과 실질적인 반응된 유출물을 나타내기 위하여 공정도로 도시되어 있다. 사실상, 반응코일(140)은 제8도 내지 제10도에서 도시된 바와 동일한 타원형 배열을 갖고 있다. 습식산화반응유출물은 다음 도관(168)을 통해 반응코일(140)밖으로 흘러나간다. 유출물은 다시 분류와 농축, 탈수등을 위하여 분리기(170)속으로 다시 유입된다.

제14도를 보면, 본원발명의 폐기물 반응시스템은 반응코일(140)의 통로를 따라 다수의 반응흡입 또는 배출점을 갖고 있다. 기체, 액체 또는 고체 반응물이 이들 다수의 주입점 또는 흡임점(178)(180)에서 가해져서 더욱 정확하게 습식산화반응을 제어할 수 있게 된다. 배출점(182)(184)은 필요하다면 반응코일(140)로부터 재료가 제거되도록 한다. 이들 다수의 흡입(주입)점들은 자기유지 내지 자생 가능한 발열반응으로서의 습식산화반응에 의해 저절로 공급되는 열을 이용하여 새로운 반응물들이 추가되어 이용될 수 있도록 한다.

다시 말해, 가열되지 않은 폐기물들은 반응온도가 높은 점에서 반응코일(140)로 직접 가하여 진다. 열교환매체(146)로부터 반응코일(140)로부터 배열된 열이 본 발명의 실시예에서 흡입폐기물을 가열하는 데에도 사용된다는 점에 유의하여야 할 것이다. 추출기지(184)(184)에서의 반응생성물의 추출은 폐기물의 흐름속도로 하여금 배출내지 추출기지의 다운스트림(downstream)을 감소시키므로써, 잔존하는 반응물의 체류시간을 증가시키는 것이다.

제15도에서는 본 발명상의 반응장치에서 "타원형 사형"이라는 형태의 예를 도시하고 있다. 반응용기(190)에는 사실상 수직형인 상수관부 및 강수관부(192)와 내부연결되어 있는 통상 수평으로 되는 관상부(194)가 구성되어 있다. 반응용기에 있어서의 타원형 내지 사형의 형태(190)는 특히 제16도 및 제17도에는 반응시스템에 적합한 로와 크랙킹유닛트가 도시되어 있다.

크랙킹유닛트는 제16도 및 제17도에서 개략적으로 도시되어 있는데 여기에는 연돌(198)을 가진 로(196)내장물이 개시되어 있다. 여기 로(196)의 내장물은 강철로 강화된 로 연와와 같이 종래의 로재료로 형성된다. 반응시스템의 개시예에서는 연돌(198)에서의 예열부가 원형코일(200)의 형태로 도시되어 있다. 폐액은 액체상의 고체 부유물의 형태로 되어서 입구(202)를 통해 들어간다.

전술한 바와 같이 본 발명상의 방법상 본원발명의 방법 및 장치가 단수개의 "반응물"을 처리하는 데 비록 이용되는 한이 있더라도 통상 희석된 도시슬럿지와 산소와 같은 2개의 반응물을 포함하여 사용된다. 전술한 바와 같이 산소나 기체가 포함된 산소가 가하여지도록 기체상의 반응물이 입구(202)에서 유동폐액에 가하여 지도록 또는 반응유체에 가하여 지도록 한다.

이하에서의 설명에 의하여 충분히 이해되리라 믿어지는바, 로(196)에서 가열된 공기는 연돌(198)을 통하여 발산되고 코일(202)에서 유동폐액에 가하여지도록 한다.

이하에서의 설명에 의하여 충분히 이해되리라 믿어지는 바로(196)에서 가열된 공기는 연돌(198)을 통하여 발산되고 코일(200)에서 반응물이 예열된다. 예열된 반응물들은 다음 튜브(204)를 통해 이동되어 로(196)의 하부에서 타원형 또는 사형 반응기부(190)로 들어간다. 도시된 바와 같이 사형, 즉 꾸불꾸불한 관상코일은 로내부 주위를 두 번이나 돌아가며 뻗어 있고 수직형 연신부(192)는 제16도 에서와 같이 수평으로 엇갈려 뻗어 있다. 따라서 양 부위에는 개략 도시된 방사히터(206)밖으로 노출되어 있다. 방사히터(206)는 종래의 메탄버너와 같은 버너로 되어 있다. 처리된 폐기물은 다음 출구(208)를 통해 반응용기로부터 제거된다. 알 수 있는 바와 같이, 반응물이 관상시스템에서 가열되는 바람직한 온도라는 것은 반응에 달려있는 것이다. 전술한 바와 같이 폐기물은 바람직하게는 약204∼316℃(400∼600℉)의 온도로 가열된다. 또한 바람직한 예로서의 타원형의 꾸불꾸불한 관(190)의 칫수는 이상 기술한 예에서와 같다. 즉, 수직형부분은 통상 1.5∼6m(5∼20ft), 또는 바람직하게는 1.8∼3m(6∼10ft)로서 그 속에서 수평부(194)는 0.6m(2ft)보다도 작다. 반응용기의 길이에는 수직형 상수관부와 강수관부 및 통상수평으로 내부연결되는 단부들이 포함되고 이는 반응장치에서 수행되는 반응에 좌우된다. 가장 많은 응용에는 반응장치가 최소한 300m(1,000ft)이상의 길이로 된다는 것이다. 도시슬럿지의 처리에서는 그러나 반응장치가 최소한 1,200∼1,500m (4,000∼5,000ft)의 길이를 가져야 한다.

이상 기술한 본원발명의 일실시예에 의하여 여러 가지 본원발명에 변형된 것들까지 추측가능할 것이다.

Claims (8)

1. 밀폐용기내에 수평으로 위치한 길고 가는 벽을 관상의 코일을 통해 반응물을 포함하고 있는 유입액흐름을 만들고, 상기 흐름단계는 상기 코일을 통해 상기 유동액의 플러그(plug) 또는 슬러그(slug)흐름을 일으키도록 소정의 유속으로 흐름제어되도록 하는 단계와; 상기 관상의 코일과 접촉하고 상기 밀폐용기를 통해 유동액의 온도를 제어하는 단계와; 유동액의 온도가 소정의 온도이하로 내려갈 때 상기 유동액에 열을 가하므로써 상기 관상코일내에 유동액흐름의 온도를 제어하고 상기 유동액의 온도가 소정의 온도이상으로 올라갈 때 상기 유동액으로부터 열을 제거하고 그 속에서 유동액 내에서의 상기 반응물의 화학반응이 유출 유동액과 반응생성물을 형성하기 위하여 일어나게 되는 단계와; 상기 유출유동액을 흐르게 하고 상기 관상의 코일로부터 상기 반응생성물을 흐르게 하는 단계와로 구성되는 것을 특징으로 하는 화학반응 수행방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 화학반응은 발열반응으로 되고, 상기 방법에는 상기 얇은 관벽을 가진 관상코일에서 상기 반응물의 상기 발열화학반응을 개시하기 위한 상기 열전도매체를 가열하는 것을 포함하며, 상기 반응이 자생적(autogenic)이 될 때 열전도매체를 제거하는 것을 특징으로하는 화학반응 제어방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 발열반응의 반응생성물내에는 기체상반응생성물이 포함되고, 상기 방법에는 상기 코일을 통하여 상기기체상 플러그를 유지하는 것이 포함되는 것을 특징으로 하는 화학반응 제어방법.
4. 밀폐용기와, 이 밀폐용기내에 수평위치되고 상기 코일을 통하여 유입유동액의 플러그 또는 슬러그 유동을 일으키도록 선정된 유속에서 그곳을 통해 반응물을 포함하는 유입액을 흐르게 하기 위해 길고 가는 벽을 가진 관상의 코일과; 상기 밀폐용기내에 열교환매체를 포함하고 상기 유동액의 온도가 소정의 온도아래로 될 때 열을 가하고 상기 유동액의 온도가 소정의 온도이상으로 올라갈때에는 열을 제거하기 위하여 상기 관상의 코일내에서 상기 유동액의 온도를 제어하도록 되고 그 속에서 유동액 흐름내에서 화학반응이 일어나서 유동액과 반응생성물을 유출하도록 되며, 또한 상기 밀폐용기를 통해 상기 열교환 매체를 순환시키기 위한 기구를 포함하는 열교환매체 포함기구와; 유동액과 상기 관상코일로부터 반응생성물 유출액을 수납하기 위한 기구와로 구성되는 것을 특징으로 하는 화학반응수행장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 밀폐용기에는 상기 관상코일을 여러개의 구획으로 나누기 위한 일련의 칸막이가 포함되고, 그 속에서 상기 유동액의 온도제어기구는 상기 코일의 연속적인 구획에 길이를 가로질러 서로 다른 온도구배가 이루어지도록 유동액의 온도를 제어하도록 한 기구가 포함되는 것을 특징으로 하는 화학반응제어장치.
6. 제4항에 있어서, 관상코일은 내관이 외관내에서 서로 동심원적으로 배열되도록 한 내관 및 외관으로 구성되고, 상기 내관을 통하여 제1방향으로 유입유동체(influent fluid stream)를 흐르게 하고 상기 내관의 외주변과 상기 외관의 내주변사이에 형성되는 환대(annulus)내에서 제2방향으로 상기 유동체를 환류케하며, 발열화학반응이 상기 제1방향으로 유동체가 흐름에 따라 일어나도록 유동체의 농도를 제어하고, 그 후 상기 제2방향으로 유동체가 흐름에 따라 계속 되도록 하므로써 상기 제2방향으로 유동체가 흐름에 따라 이 유동체에서 화학반응에 의해 발생되는 열이 상기 제1방향으로 흐르는 유동체를 가열하기 위하여 사용되도록 한 것을 특징으로 하는 화학반응 제어장치.
7. 제1항에 있어서, 상기 관상코일은 통상다수의 타원형부를 가지는 관상반응기로 되고, 상기 타원형부는 각기 대략 수직의 상수관부(upcomer portion)와 강수관부 (downcomper portion)와로 구성되어 화학반응을 수행하는 방법.
8. 제4항에 있어서, 상기 관상의 코일은 통상 다수의 타원형의 루프(elliptical loops)로 이루어지고, 상기 각 타원형루프는 대략 수직의 상수관부와 강수관부로 구성되는 것을 특징으로 하는 화학반응수행장치.

Images