NL8602374A

NL8602374A - Werkwijze en apparatuur voor beheerste chemische reacties.

Info

Publication number: NL8602374A
Application number: NL8602374A
Authority: NL
Original assignee: Vertech Treatment Systems Inc
Priority date: 1986-04-03
Filing date: 1986-09-19
Publication date: 1987-11-02
Also published as: JPS63100927A; US4721575A

Description

* _ i VO 8366

Werkwijze en apparatuur voor beheerste chemische reacties.

De uitvinding heeft betrekking op verbeteringen in het uitvoeren van chemische reacties, en meer in het bijzonder op een verbeterde werkwijze en apparatuur die in het bijzonder effectief is voor het uitvoeren van natte oxydatie-van afvalstromen met inbegrip 5 van rioolslib. ~ '

Bovengrondse natte oxydatiesystemen worden.verscheidene jaren reeds gebruikt met beperkt succes voor de vernietiging van gemeente-slib, dat van een rioolbehandelingsproces afkomstig is. De bovengrondse natte oxydatiesystemen maken gebruik van‘een hoge oppervlaktedruk en 10 warmte om de natte oxydatiereactie op gang te brengen, maar de apparatuur # maakt geen efficient gebruik van energie, het systeem is onderhevig aan mislukkingen en resulteert in een slechts partiele oxydatie van het slib; zie bijvoorbeeld de Amerikaanse octrooi3chriften 2.665.249 en 2.932.613. De bovengrondse natte oxydatieprocessen hebben bijgevolg 15 niet geleid tot een vervanging van.de traditionele methode voor het behandelen van gemeenteslib, waarbij een bezinking, ontwatering, droogbehandeling, verbranding en dergelijke worden uitgevoerd.

Verscheidene vertikale of ondergrondse fluidumbehandelings-systemen zijn in de stand van de techniek voorgesteld maar worden 20 alleen in zeer beperkte toepassingen gebruikt. Een ondergronds fluidüm-behandelingssysteen maakt gebruik van vertikale pijpen die zich in het algemeen naar beneden in de grond uitstrekken vanaf een regelstation.

Het te behandelen fluidum wordt in de vertikale reactorpijpen gepompt en de fluidumkop creëert een druk die bijdraagt aan de gewenste 25 fluidumverwerking of reactie. In de tot op heden gebruikte werkwijzen, vereist de reactie additionele warmte die kan worden toegevoerd door elektrische weerstandswikkelingen of verwarmd fluidum dat in een warmtewisselaar circuleert. Lucht of andere gassen kunnen aan het behandelde fluidum worden toegevoerd om 30 de reactie te bevorderen.

Hoewel verschillende octrooien een nat oxydatiereaetiesysteem in een vertikale put voorstellen voor de behandeling van gemeenteslib 8802374 -2- V i' of andere fluïde afvalstromen, zijn de in deze octrooien beschreven werkwijzen en apparaten niet erg succesvol-geweest; zie bijvoorbeeld het Amerikaanse octrooischrift 3.449.247. Zoals in deze octrooi-schriften is ingezien, hangt de door de fluïdum.kop uitgeoefende 5 druk af van de lengte van de reactor. Het is derhalve theoretisch mogelijk om gemeenteslib volledig te oxyderen op een diepte van ongeveer 1600 m mits de concentratie van het oxydeerbare materiaal in het gemeenteslib in evenwicht wordt gebracht met de zuurstof die in de in het systeem geïnjecteerde lucht beschikbaar is. Voorzover aan aanvraagster 10 bekend is er echter tot nu toe niemand in^eslaagd om een ondergronds nat oxydatiesysteem voor gemeenteslib te bouwen, behalve aanvraagster zelf.

In het Amerikaanse octrooischrift 4.272.383 van aanvraagster, worden de principes beschreven van het eerste succesvolle ondergrondse 15 natte oxydatieeactiesysteem voor gemeenteslib. De in dit octrooischrift beschreven apparatuur omvat een reeks in het algemeen concentrisch opgestelde pijpen of buizen waarin verdund organisch afvalmateriaal bij voorkeur in de inwendige pijp wordt ontvangen en naar beneden stroomt naar een. reactiezone nabij de bodem van de pijp en na de reactie 20 opwaarts wordt gerecirculeerd door een tweede pijp die de inwendige pijp omringt. Gecomprimeerde lucht of zuurstof wordt in het naar beneden stromende slib geïnjecteerd, waarbij bij voorkeur Taylor-type gasbellen worden gevormd. In het genoemde octrooischrift wordt de temperatuur van de reactie beheerst door een warmtewisselaarmantel 25 die de inwendige concentrische pijpen omringt, waarin verwarmde olie of een andere warmtewisselings fluidum in de mantel wordt gepompt om de temperatuur van de reactiezone te regelen.

De behandelingsapparatuur volgens de uitvinding verschaft een werkwijze en apparatuur voor het uitvoeren van chemische reacties, 30 gekenmerkt door minimale initiële investeringskosten, een relatief hoog totaal thermodynamisch rendement, een uitstekende omhulling en duurzaamheid en een totale eenvoud van constructie en uitvoering met een minimale ruimtebehoefte. Bovendien verschaft de onderhavige 55 uitvinding een nieuwe grondoppervlakmethode en een apparatuur voor het verbeteren van chemische reacties bij hoge temperatuur en drukken zonder de noodzaak van de gebruikelijke drukvaten die een constant

8/i .« O *7 -! I

ÖvUO J 4 £ * -3- mechanisch roeren en een aanzienlijk landoppervlak vereisen. Verder lost de onderhavige uitvinding een aantal problemen voor de omgeving, voor buitensporige energie, en voor onderhoud op, die momenteel aan het behandelen van afval boven de grond zijn verbonden.

5 Het reactiesysteem volgens de onderhavige uitvinding voor het uitvoeren van versnelde chemische reacties, omvat als zijn basiscomponent een lange buisvormige spiraal binnen een omhullingsvat.

Een influent afvalstroom of eerste reactant wordt door de buisvormige spiraal geleid waarbij een tweede reactant aan de influent afvalstroom 10 wordt toegevoegd. Het reactiesysteem kan worden gebruikt voor de natte oxydatie van een afvaltoevoerstroom die uit verdund organisch afval bestaat, waarbij lucht of zuivere zuurstof in de afvalstroom wordt geïnjecteerd.

In een uitvoeringsvorm is het omhullingsvat verdeeld onder 15 vorming van een reeks successieve compartimenten die met een warmte-wisselingsfIuidum ' zijn gevuld. Het fluiaum in elk compartiment kan worden ingesteld op verschillende niveaus ten opzichte van de buisvormige spiraal die in het fluidum is ondergedompeld. Verder kan het warmtewisselingsfiuidum worden verwarmd tot een opstart-20 temperatuur, die het mogelijk maakt dat een chemische reactie plaatsvindt in de afvalstroom binnen de buisvormige spiraal. Ook is mogelijk dat warmte van het warmtewisselingsfIuidum wordt onttrokken nadat de reactie binnen de buisvormige spiraal autogeen is geworden.

Wanneer verdund organisch afval wordt behandeld, bijvoorbeeld 25 in het reactiesysteem volgens de onderhavige uitvinding, wordt de influent vloeibare afvalstroom naar de buisvormige spiraal gepompt met een druk van ongeveer 7-14 MPa, waarbij een gas zoals lucht of zuurstof daaraan wordt toegevoerd. De gas- en vloeistofstroomsnelheden worden zodanig ingesteld dat een prop- of blokstroming van de twee 30 fasen afvalstroom door de buisvormige spiraal wordt veroorzaakt, hetgeen resulteert in een innig mengen van de reactanten. De reactanten worden binnen de spiraal verwarmd tot een temperatuur welke tot oxydatie van de afvalstroom leidt, welke temperatuur in het algemeen ligt tussen 150 en 320°C. De reactie vindt derhalve binnen de spiraal 35 plaats onder de gecombineerde condities van hoge druk, hoge temperatuur en twee fase propstroming in de afvalstroom. Het reactiesysteem 3; ;i o 7 4 -4-

* V

volgens de onderhavige uitvinding is echter bijzonder geschikt voor vernietiging van toxische en industriële afvalmaterialen, zoals gechloreerde koolwaterstoffen, cyanidea, organische en anorganische fenolen, polyaromaten, enz. Het zal echter duidelijk zijn dat het 5 reactiesysteem volgens de uitvinding ook kan worden gebruikt voor het behandelen van verscheidene chemicaliën of vaste stoffen, die gesuspendeerd zijn in een vloeistof, waarbij chemische oxydatiereactie niet het hoofddoel is. De geprefereerde temperatuur en. druk zal derhalve afhangen van de beoogde reactie.

10 Dit systeem geeft het voordeel van een dunwandige reactiehouder, d.w.z. de buisvormige spiraalvvanwege zijn spiraallengte de noodzakelijke verblijfstijd voor de reactanten in de reactiezone verschaft waardoor de gewenste hoeveelheid oxydatie kan plaatsvinden. De voor de reactie vereiste hoge temperatuur en hogedrdccondities heersen binnen de dunwandige 15 buis, hetgeen onverwacht is omdat reacties van dit type gewoonlijk uitgevoerd worden binnen dikwandige drukvaten. Zoals onderstaand meer volledig zal worden beschreven, kan de diameter van de buis in een typerende installatie ongeveer 5 cm zijn met een wanddikte van ongeveer 6 mm, waarbij de reactie verloopt bij een temperatuur van ongeveer 20 320°G en bij een druk van ongeveer 14 MPa, en een stroomsnelheid van ongeveer 1,5 m per sec. Dit kenmerk leidt tot een aanzienlijke verlaging van de investeringskosten voor de apparatuur en het systeem kan ook draagbaar worden uitgevoerd.

Verder zorgt de prop- of blokstroming van de reactanten door 25 de buisvormige spiraal voor een betere vermenging van de chemische reactanten omdat de kromming van de spiraal de neiging heeft een zodanige secundaire stroming in de vloeistof op gang te brengen dat de vloeistof neigt tot een spiraalvormige beweging langs' de inwendige oppervlakken van de spiralen, waardoor een inniger vermenging met 30 de gasfase wordt verkregen. De kromming van de spiraalvormige buis induceert een secundaire stroming in de vloeistof in de vorm van een dubbele spiraal en de gasfase stroomt naar de "top” van de spiraal, waarbij de gasblokken of -proppen door de bodem van de spiraal worden getrokken, hetgeen een innige en grondige vermenging geeft. Omdat 35 bovendien de reactiehouder die door de buisvormige spiraal wordt verschaft, vele keren kleiner in diameter is dan bekende reactievaten o y l o / 4 .........

·* -* -5- die in. dezelfde druk- en temperatuurbereiken werken, worden de prestaties van het oxydatieproces verbeterd omdat er weinig mogelijkheid voor de reactanten is om de oxydatiereactie te ontwijken en door de verbeterde omhulling van de reactanten binnen de buis-5 vormige spiraal wordt de mogelijkheid van omgevingsproblemen tot een minimum beperkt.

Door de onderhavige uitvinding is het ook mogelijk om verschillende temperafcuurgradienten op achtereenvolgende secties van de buisvormige spiraal over zijn lengte toe te passen. In de uitvoeringsvorm van 10 het omhullingvat met compartimenten, kan de temperatuur van het warmte-wisselings· fluidum in elk compartiment zodanig worden ingesteld, dat de fijne regeling van de in elke sectie van de buisvormige spiraal optredende reactiesnelheid wordt verkregen. Wanneer een vloeibaar waratewisselingsfluidum wordt gebruikt, kan verder het niveau van 15 het fluidtim in elk compartiment worden ingesteld ten opzichte van de ondergedompelde spiraal waardoor de chemische reactie eveneens wordt beinvloed als gevolg van de uitwendige temperatuurgradient die op de spiraalsectie in elk compartiment werkt.

Door een alternerende buis in het buizenontwerp voor de buis— 20 vormige spiraal wordt mogelijk gemaakt dat de influent tweefazen afvalstroom door de inwendige buis passeert en binnen het ringvormige kanaal, gevormd tussen de buitenomtrek van de inwendige buis en de binnenomtrek van de buitenste concentrische buis, terugkeert.

Hierdoor wordt een tegenstroomwarmtewisseling mogelijk tussen de 25 afvalstroom binnen de inwendige buis en de terugkerende stroom in de buitenbuis, en bijgevolg wordt het warmtewisselingsfluidum in het omhullingsvat overbodig. Dit ontwerp is bijzonder geschikt voor de verwerking van reactanten bij of nabij het autogene werkingspunt waar invoer of verwijdering van warmte niet nodig is.

30 De concentratie van de reactanten kan vooraf zijn vastgelegd zodat een bepaalde hoeveelheid chemische reactie plaatsvindt en warmte vrijkomt terwijl de afvalstroom in de inwendige buis stroomt.

De chemische reactie zou voortgang vinden wanneer de reactanten in het ringvormige kanaal tussen de buizen terugkeren en de 35 reactiewarmte zou een mogelijk daaropvolgend door de inwendige buis 8302374

* V

-6- binnenkomende afvalstroom verwarmen. Bovendien maakt de buis in het buizenontwerp een geleidelijk wijzigende tijdtemperatuurreactie-snelheid mogelijk, vergeleken met de reactiesnelheid van een meer stapfunctietype die door het in compartimenten gedeelde omhullingsvat 5 wordt verschaft.

Het gebruik van een lange buisvormige spiraal als reactie-houder maakt mogelijk dat meerdere injectie- of afvoerpunten voor reactanten langs de lengte van de spiraal worden opgenomen.Gasvormige, vloeibare of vaste reactanten kunnen op meerdere punten langs de lengte 10 van de buisvormige spiraal worden toegevoerd, en.gassen, vloeistoffen of vaste stoffen kunnen op verschillende punten worden afgevoerd. Meerdere injectiepunten maken mogelijk dat verse reactanten worden toegevoerd, wanneer de temperatuur van de afvalstroom bijvoorbeeld door de reactie is toegenomen. Afvoer van gasvormige of vaste 15 reactieprodukten op tussengelegen punten langs de lengte van de buisvormige spiraal kan bijvoorbeeld mogelijk maken dat de snelheid van de afvalstroom stroomafwaarts van het afvoerpunt wordt verminderd zodat de verblijfstijd van de resterende reactanten wordt vergroot.

De buisvormige spiraal, die een lengte heeft van ongeveer 20 1600 m,„ verschaft een uitstekende omgevingshouder voor de reactie- stroom onder hoge druk en temperatuur waardoor een ontwijken naar de atmosfeer wordt verhinderd. Verder is de lange buisvormige spiraal buitengewoon geschikt voor temperatuurbeheersing waardoor een continue warmteinvoer, een autogene bedrijfsvoering, en een continue afvoer 25 van warmte mogelijk wordt. HetWrmtewisselingsfluidum dat de buisvormige spiraal in het omhullingsvat omgeeft, kan dampvormige, vloeibare of gasvormige warmtewisselingsfluida omvatten. Bovendien kan de opstartwarmte die nodig is om de reactietemperatuur te verkrijgen, op een geschikte wijze worden verkregen door een directe 30 stoominjectie in de buisvormige spiraal. De buisvormige spiraal en meer in het bijzonder de buis in de buis en het ontwerp met meerdere injectiepunten staan een autogene bedrijfsvoering toe zonder noodzaak voor warmteinvoer of afvoer omdat de temperatuurregeling kan worden gerealiseerd door de concentratie van 35 de reactanten te variëren.

8602374 -7- 4 %

Andere voordelen en merites van de uitvinding zullen vollediger worden begrepen aan de hand van de navolgende beschrijving van de uitvinding, de conclusies, en de hierna volgende beschrijving van de tekening.

5 Fig. 1 is em schematische weergave van het reactiesysteem vol gens de onderhavige uitvinding, dat een in compartimenten verdeeld omhullingsvat omvat; fig. 2 is een schematische weergave van het reactiesysteem, dat een buis in een buisontwerp voor de buisvormige spiraal omvat; 10 fig. 3 is een gedeeltelijk aanzicht in perspectief van de buis in een buisconfiguratie voor de buisvormige spiraal; fig. 4 is een schematische weergave van het reactiesysteem waarin het warmtewisselingsfluidum zich onder druk bevindt binnen het omhullingsvat; 15 fig. 5 is een schematische weergave van het reactiesysteem dat een drukbeheersing omvat om de druk van de dampruimte boven het warmtewisselingsfluidum binnen het omhullingsvat in te stellen; fig. 6 is een schematische weergave van de toevoeging van een condensor of uitwisselaar waardoor een uitwisseling van de temperatuur 20 tussen de effluentstroom en de influentstroom mogelijk wordt gemaakt; fig. 7 is een schematische weergave van het reactiesysteem dat meerdere injectie- of afvoerpunten voor reactanten omvat langs de lengte van de buisvormige spiraal.

Een schematische weergave van het bovengrondse reactiesysteem 10 25 volgens de onderhavige uitvinding wordt getoond in fig. 1. Een influent afvalstroom of eerste reactant wordt door leiding 12, warmte-uitwisselaar 14, en leiding 16 geleid naar een lange buisvormige spiraal 18 in omhullingsvat 20. Een tweede reactant kan door leiding 22 aan de influent afvalstroom worden toegevoerd. Wanneer het gewenst 30 is dat het reactiesysteem 10 wordt gebruikt voor natte oxydatie van een afvalinfluent dat uit verdund organisch afval bestaat, zal normaal lucht of zuivere zuurstof door leiding 22 in de afvalstroom worden geïnjecteerd.

Zoals getoond in fig. 1, is het omhullingsvat 20 verdeeld onder 35 vorming van een reeks successievelijke compartimenten die in hoge mate met een warmteuitwisselingsfluidum 24 zijn gevuld. Het fluidum 24 102374 W » -8- wordt uit reservoir 26 door leiding 28 in de individuele compartimenten van .het vat 20 gepompt. Door sluiten van de klep 30 in leiding 28 en openen van de kleppen 32 en 34, wordt fluïdum 24 door leiding 36 naar een warmteuitwisselaar 38 geleid waar het verwarmd wordt tot op 5 een opstarttemperatuur die mogelijk maakt dat in de afvalstroom binnen de buisvormige spiraal 18 een reactie optreedt. Het verwarmde fluïdum 24 verlaat de warmteuitwisselaar 38 door leiding 40 en wordt door leiding 28 naar het vat 20 teruggevoerd. Anderzijds kan het nodig zijn dat aan het fluïdum 24 warmte wordt onttrokken nadat de reactie 10 binnen de buisvormige spiraal 18 autogeen is geworden. Indien dat het geval is, kan het fluïdum 24 door de in leiding 44 ingebrachte warmteuitwisselaar worden gerecirculeerd om een koeling tot de gewenste temperatuur te bereiken.

Het niveau van het fluidum 24 binnen elk compartiment van vat 20 15 kan selectief worden geregeld door een of meer van de kleppen 42 in bedrijf te stellen waardoor mogelijk wordt gemaakt dat fluidum 24-door leiding 44 naar het reservoir 26 wordt afgevoerd. Wanneer het fluidum 24 een kooktemperatuur bereikt kan verder damp die onder druk staat worden afgelaten door een of meer van de drukaflaatleidingen 46 20 of kan de damp naar een condensor worden gerecirculeerd om in het systeem te worden teruggebracht.

Hoewel het in fig 1 getoonde warmteuitwisselingsfluidum 24 een vloeistof is, kan ook een gasvormig of dampvormig warmteuitwisselingsfluidum worden gebruikt. Wanneereen gasvormig warmteuitwisselingsfluidum wordt ge-25 bruikt zal een ventilator of blazer ter plaatse van reservoir 26 aan het systeem zijn verbonden.

Nadat de afvalstroom binnen de buisvormige spiraal 18 heeft gereageerd, passeert hij door leiding 48 naar de scheidingsinrichting 50 waar het dampvormige effluent door leiding 52 wordt afgevoerd en het 30 vloeibare effluent door leiding 54 wordt afgevoerd naar de uitwisselaar 14. Terwijl het vloeibare effluent door de uitwisselaar 14 passeert, wordt zijn temperatuur gebruikt om de instromende afvalstroom, die eveneens daardoorheen passeert, te verwarmen of af te koelen.

Wanneer verdund organisch afval in het reactiesysteem 10 wordt 35 behandeld, wordt de instromende vloeibare afvalstroom naar de buis- 8502374 -9- vonnige spiraal 18 gepompt met een druk van ongeveer 8-14 MPa, waarbij een gas zoals lucht of zuurstof door leiding 22 wordt toegevoerd, de gas- en vloeistofstroomsnelheden worden zodanig gekozen, dat een prop- of blokstroming van de tweefazenafvalstroom door de buisvormige 5 Spiraal 18 wordt veroorzaakt, hetgeen tot een innige vermenging van de reactanten leidt» De reactanten worden binnen de spiraal 18 verhit tot op een temperatuur die tot een oxydatie van de afvalstroom leidt welke temperatuur in het algemeen ligt tussen 150 en 320°C. De reactie in de spiraal 18 vindt derhalve plaats onder de gecombineerde condities 10 van hoge druk, hoge temperatuur, en een tweefaze-propstroming in de afvalstroom.

Dit systeem verschaft het voordeel van een dunwandige reactie-houder, d.w.z. de buisvormige spiraal 18 die vanwege zijn spiraallengte de noodzakelijke verblijfstijd voor de reactanten in de reactiezone 15 geeft, waardoor de gewenste hoeveelheid oxydatie kan plaatsvinden.

De hoge temperatuur en hogedrukcondities die voor de reactie nodig zijn, heersen binnen de dunwandige buis, hetgeen onverwachts is omdat reacties van dit type gewoonlijk binnen drukvaten met zeer dikke wanden zijn uitgevoerd. Dit kenmerk leidt tot een aanzienlijke verlaging 20 van de investeringskosten van de apparatuur. Verder veroorzaakt de prop- of blokstroming van de reactanten door de buisvormige spiraal of reactiehouder 18 een verbeterde vermenging van de chemische reactanten omdat de kromming van de spiraal er toe neigt om een zodanige secundaire stroming in de vloeistof op gang te brengen dat de 25 vloeistof de neiging heeft om in de vorm van een spiraal langs de inwendige oppervlakken van de spiralen te stromen waardoor een inniger vermenging met de gasfaze wordt verkregen. Omdat de reactiehouder die door de buisvormige spiraal 18 wordt verschaft, bovendien een vele malen kleinere diameter heeft dan de bekende reactievaten welke 30 binnen dezelfde druk- en temperatuurbereiken werken, zijn de prestaties van het oxydatieproces verbeterd omdat er weinig mogelijkheid is voor de reactanten om de oxydatiereactie te ontwijken.

Zoals men zal begrijpen uit de fluidumdynamica van het beschreven reactiesysteem, zal de samengaande stroming van vloeistof, gas en 35 vaste stoffen met snelheden die voldoende zijn om een blok- of prop- stroming te verzekeren, een innige vermenging van de bestanddelen geven, 3 0 2 3~ - -10-

♦ V

hetgeen in chemische reacties zoals natte oxydatie belangrijk is.

Bij lage tot matige snelheden, wordt een stroming in bellen opgevolgd door een woelige stroming. Bij hogere massastromen, worden de stromingen resp. blokstroming een propstroming. In de meest gepre-5 fereerde werkwijze en apparatuur volgens de uitvinding, worden de. fluida en de gesuspendeerde vaste stoffen gescheiden door aparte en onderscheiden gasproppen waardoor een terugvermenging wordt geïnduceerd en een inniger, pulserend contact wordt verkregen tussen de vloeistof- en gasfazen. Verder treedt propstroming op bij een grotere snelheid. Een buiging of kromming in de buis leidt tot een 10 scheiding van de fazen. Een buiging kan een samenvloeien van bellen veroorzaken waardoor proppen worden gevormd en kan meegevoerde druppels in ringvormige stroming scheiden.De kromming -\an de spiraal in de voorkeursuitvoeringsvorm induceert eveneens secundaire stroming in het fluidum in de vorm van een dubbele spiraal. Zoals beschreven wordt de vloeistof meegesleept in de stroming langs het inwendige 15 oppervlak. De geprefereerde horizontale spiraal in propstroming voorziet aldus in een grondig en innig contact tussen de vloeistof- en gasfaze terwijl relatief hoge snelheden mogelijk zijn.

Zoals beschreven heeft de reactiesp-iraal bij voorkeur een dunne wand. In de bekeneb onder druk gebrachte bovengrondse reactievaten heeft het drukvat een wanddikte van ongeveer 15 cm om de reactie-20 druk en de veranderingen van de druk in het vat te kunnen weerstaan.

De diameter van het reactievat kan 1,8-3 m zijn om een ladingsgewijze reactie commercieel uitvoerbaar te maken. Bij wijze van voorbeeld kan het buisvormige spiraalreactievat volgens de uitvinding een diameter hebben van ongeveer 5 cm, waarbij ruimte wordt gegeven aan stroming van 0,3-2,4 m per sec bij een druk van ongeveer 14 MPa 25 bij 290°C.Het zal duidelijk zijn dat de inwenige buisdiameter iets van 2,5 cm of minder kan bedragen en een bereik tot ongeveer 15 cm heeft terwijl de geprefereerde prop- en blokstroming wordt gehandhaafd. In een typerende reactie maakt de gasfase ongeveer 30% uit, is de reactietemperatuur ongeveer 260-320°C en bedraagt 30 de druk ongeveer 14 MPa. Naadloze staalsoorten van nikkel- of titaan-legering hebben voor de buizen de voorkeur. Als voorbeeld kan worden genoemd een naadloze buis van een nikkel legering met een uitwendige diameter van 6 cm en een inwendige diameter van 4,6 cm of een wanddikte ' van ongeveer 0,73 cm. Een propstroming zal in deze buis bij de aange- ο Ό U i d / f -11- V ♦ geven temperaturen en drukken worden gehouden op een stroomsnelheid van tussen 0,46 en 2,44 m per sec.

Opnieuw verwijzend naar fig. 1, maakt de onderhavige uitvinding verschillende temperatuurgradienten mogelijk die op successievelijke 5 secties van de buisvormige spiraal 18 langs zijn lengte worden aangelegd. Omdat het omhullingsvat 20 in compartimenten is verdeeld, kan de temperatuur van het warmteuitwisselingsfluidum 24 in elk compartiment naar wens zowel naar boven als naar beneden worden ingesteld.

Hierdoor is een fijnregeling van de reactiesnelheid die binnen elke 10 sectie van de buisvormige spiraal 18 plaatsvindt, mogelijk. Verder kan het fluidum 24 in elk compartiment op verschillende niveaus worden ingesteld ten opzichte van de ondergedompelde spiraal 18, waardoor eveneens de chemische reactiesnelheid wordt beïnvloed als gevolg van de veranderingen in de uitwendige temperatuursgradient die op de spiraal-15 sectie in elk compartiment werkt.

De fig. 2 en 3 illustreren een alternerend buis in buis ontwerp voor de buisvormige spiraal 18 die uit twee in zijn algemeenheid concentrische buizen 56 en 58 bestaat. Om een tegenstroomsstroming van de afvalsüDom mogelijk te maken, ligt het uiteinde van de buis 56 (d.w.z. het rechtereinde van buis 56 zoals getekend in fig.2) 20 op een afstand binnen het uiteinde van de buis 58, welk uiteinde gesloten is. De influent twee-fase afvalstroom passeert door de inwendige buis 56 en keert terug in het ringvormige kanaal dat gevormd is tussen de buitenomtrek van de inwendige buis 56 en de inwendige omtrek van de buitenste concentrische of omringende buis 58. Hierdoor is een tegenstroomswarmteuitwisseling mogelijk tussen de afval-25 stroom in de buis 56 en de terugkerende stroom in de buis 58, en daardoor zou het warmteuitwisselingsfluidum 24 overbodig kunnen zijn. Dit ontwerp is bijzonder geschikt voor het behandelen van reactanten bij of nabij het punt van autogene procesvoering waar toevoer of verwijdering van warmte in het omhullingsvat 20 niet nodig is. Bij-30 voorbeeld kan de concentratie van de rèactanten die door de inwendige buis 56 passeren, zodanig van tevoren worden geregeld, dat een voorafbepaalde hoeveelheid chemische reactie plaatsvindt en warmte bij de reactie vrijkomt in de tijd die de afvalstroom nodig heeft om het 8602374 -12- ♦ * uiteinde van de buis 56 te- bereiken. De chemische reactie zou dan voortgang vinden wanneer de reactanten terugkeren in het ringvormige kanaal tussen de buizen 56 en 58, waardoor mogelijk wordt dat de reactiewarmte in de terugkerende afvalstroom wordt overgedragen 5 voor verwarming van de door de buis 56 binnenkomende afvalstroom.

Verder maakt het buis-in-buis ontwerp een geleidelijk variërende tijdtemperatuurreactiesnelheid mogelijk, vergeleken met de reactiesnelheid van een meer stapfunctietype die door het in compartimenten verdeelde omhullingsvat wordt geleverd 10 welke in verband met de fig.1 is beschreven.

Thans verwijzend naar fig. 4, wordt opnieuw het omhullingsvat 20 getoond met daarin de buisvormige spiraal 18. De spiraal 18 is zoals eerder ondergedompeld in het warmteuitwisselingsfluidum 24, maar het fluidum 24 bevindt zich onder druk in het vat 20. Om het proces 15 in bedrijf te stellen, levert een pomp 60 fluidum 24 door leiding 62 af aan een verwarmer 64 waarna het door leiding 66 in een verwarmde toestand naar het omhullingsvat 20 wordt teruggevoerd. Ook kan een verwarmingsspiraal 68 of mantel of directe stoominjectie worden gebruikt om de temperatuur van fluidum 24 te verhogen. Nadat het 20 reactiesysteem autogeen verloopt dank zij de warmte die binnen de buisvormige spiraal 18 door de reactanten wordt geproduceerd, hoeft noch verwarmer 64 noch de verwarmingsspiraal 68 meer gebruikt te worden.

In feite kan het nodig zijn dat warmte van het fluidun24 wordt verwijderd. Door de kleppen 70 en 75 te sluiten en de kleppen 72 en 73 te 25 openen en fluidum 24 door een koeler 64 te pompen en het afgekoelde fluidum terug naar vat 20 te leiden.

In fig.5 wordt een drukregelklep 76 gebruikt om druk van de dampruimte 78 boven het fluidum 24 in het omhullingsvat 20 tot stand te brengen. De reactiewarmte van de reactanten in de buisvormige 30 spiraal 18 zal tot een koken in het fluidum 24 leiden hetgeen bij draagt aan de druk van de damp die daarboven in de ruimte 78 aanwezig is.

Wanneer de druk overmatig is, zal klep 76 overmaat damp aflaten door leiding 80 naar condensor 82 en zal gecondenseerd fluidum door leiding 84 naar vat 20 terugkeren.

35 Fig. 6 toont het reactiesysteem 10 met de toevoeging van een condensor of uitwisselaar 86 waarbij er een temperatuurs- 8602374 -13- e t uitwisseling plaatsvindt tussen de effluentstroom en de influent-stroom door resp. de leidingen 48 en 16. Hierdoor wordt het gebruik van een kleiner dampbehandelingssysteem mogelijk gemaakt omdat de hoeveelheid waterdamp in de dampeffluentstroom wordt verkleind.

5 Omdat de temperatuur van de vloeistof in leiding 49 wordt verlaagd, zullen ook de grootte en kosten van schelder 50, de klep 86 en de warmteuitwisselaar 14 aanzienlijk worden verminderd.

Zoals getoond in fig. 7, wordt door het gebruik van een lange buisvormige spiraal 18 als reactiehouder het opnemen mogelijk gemaakt 10 van meerdere injectie— of afvoerpunten voor reactanten langs de lengte van de buisvormige spiraal. Gasvormige, vloeibare Of vaste reactanten kunnen op meerdere punten langs de lengte van de buisvormige spiraal 18 worden toegevoerd,bijvoorbeeld op de injectie-punten 88 en 90. Bovendien kan gas, vloeistof of vaste stoffen op 15 verschillende punten zoals 9Z en 94, worden afgevoerd. Meerdere injectiepunten maken mogelijk dat verse reactanten worden toegevoerd wanneer bijvoorbeeld de temperatuur van de afvalstroom door de reactie is verhoogd, zodat de totale reactieprestatie en capaciteit worden verbeterd. Afvoer van gasvormige of vaste reactieprodukten op tussengelegen 20 punten langs de lengte van de buisvormige spiraal, zal bijvoorbeeld mogelijk maken, dat de afvalstroom snelheid stroomafwaarts van het afvoerpunt wordt verminderd, waardoor de verblijfstijd van de resterende reactanten wordt vergroot.

De buisvormige spiraal 18, die een lengte van ongeveer 1600 m 25 heeft, verschaft een uitstekende houder voor de reactiestroom onder hoge druk en temperatuur waardoor een ontwijken naar de atmosfeer wordt verhinderd. Verder is de lange, buisvormige spiraal buitengewoon geschikt voor temperatuurregeling, zoals beschreven, waardoor een continue toevoer van warmte, een autogene bedrijfsvoering, 30 en continue afvoer van warmte mogelijk zijn. Het warmteuitwisselings- fluidum dat de buisvormige spiraal 18 binnen het omhullingsvat 20 omringt, kan dampvormige, vloeibare of gasvormige warmteuitwisselingsfluida omvatten. Bovendien kan de opstartwarmte die nodig is om de reactie-temperatuur te realiseren, op geschikte wijze worden geregeld door 35 een directe injectie van stoom in de buisvormige spiraal 18. De injectie van stoom kan worden uitgevoerd voor de ingang van de 8602275 -14- reactant en in de buisvormige spiraal 18. De buisvormige spiraal 18 en meer in het bijzonder het buis in buis ontwerp van de f'ig.2-3, of het meerdere injectie/extractie punten ontwerp van fig.7, maken een autogene bedrijfsvoering mogelijk zonder behoefte aan warmte-5 invoer of afvoer omdat de temperatuurregeling kan worden gerealiseerd door de concentratie van de reactanten te variëren.

Nu de uitvinding is beschreven zal het duidelijk zijn dat verschillende modificaties in de hier beschreven uitvinding kunnen worden aangebracht binnen de omvang van de conclusies.

8602374

Claims

1. Werkwijze voor het uitvoeren van chemische reacties omvattende de stappen van: het leiden van een stroom van een influent fluidum door een lange dunwandige buisvormige spiraal binnen een omhullingsvat bij 5 een geselecteerde stroomsnelheid waardoor een prop- of blokstroming van de stroom van influent fluidum door genoemde spiraal wordt veroorzaakt; het regelen van de temperatuur van de fluidumstroom binnen de buisvormige spiraal door warmte toe te voeren wanneer de temperatuur 10 van-het fluidum beneden een voorafbepaalde temperatuur is of warmte te verwijderen wanneer de temperatuur van het fluidum boven een voorafbepaalde temperatuur is, teneinde een chemische reactie in het fluidum te veroorzaken die in verwarmd fluidum en reactieprodukten resulteert; en 15 het uit de buisvormige spiraal leiden van het verwarmde fluidum en de reactieprodukten.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, waarin het omhullingsvat een reeks compartimenten heeft en waarbij een stap wordt uitgevoerd waarin de temperatuur van de fluidumstroom binnen elk compartiment wordt 20 geregeld waardoor verschillende temperatuurgradienten op successievelijke secties van de buisvormige spiraal langs de lengte daarvan kunnen worden uitgeoefend.

3. Werkwijze volgens conclusie 2, waarin het omhullingsvat in hoge mate gevuld is met een warmteuitwisselingsfluidum en een stap wordt 25 uitgevoerd waarin het warmteuitwisselingsfluidum binnen elk compartiment selectief wordt verwarmd of gekoeld waardoor verschillende temperatuurgradienten worden verkregen welke op successievelijke secties van de buisvormige spiraal langs de lengte daarvan worden uitgeoefend.

4. Werkwijze volgens conclusie 3, waarbij een stap wordt uitgevoerd waarin het niveau van het warmteuitwisselingsfluidum binnen elk compartiment selectief zodanig wordt ingesteld, dat verschillende gradiënten van inwendige temperatuur worden verkregen die op de buisvormige spiraal in elk compartiment inwerkt.

5. Werkwijze volgens conclusie 1, waarin de buisvormige spiraal :-)2 37 5 -16- een inwendige buis en een uitwendige buis omvat die concentrisch zijn gerangschikt zodat de inwendige buis zich binnen de uitwendige buis bevindt en waarbij een stap wordt uitgevoerd waarin de stroom van influent fluïdum door de inwendige buis wordt geleid in een 5 eerste richting en de fluidumstroom wordt terugevoerd in een tweede tegengestelde richting binnen het ringvormige kanaal dat tussen de buitenomtrek, van de inwendige buis en de binnenomtrek van de buitenbuis is gevormd.

6. Werkwijze volgens conclusie 5, waarbij een stap wordt uit-gevoerd waarin de concentratie van de fluidumstroom zodanig wordt geregeld, dat een exotherme chemische reactie plaatsvindt wanneer de fluidumstroom in de genoemde eerste richting stroomt en daarna stijgt wanneer de fluidumstroom in de genoemde tweede richting stroomt, waarbij de warmte opgewekt door de chemische reactie in de fluidumstroom terwijl hij in de genoemde tweede richting stroomt, gebruikt 15 wordt om de in de eerste richting stromende fluidumstroom te verwarmen.

7. Werkwijze volgens conclusie 1, omvattende een stap van het doorleiden van een eerste reactant welke een vloeistof omvat binnen de stroom van influent fluidum en het toevoegen van een tweede reactant welke een gas omvat aan de'stroom en het leiden van de gecombineerde vloeistof en gasstroom door de dunwandige buis- 20 vormige spiraal onder hoge druk en temperatuur.

8. Werkwijze volgens conclusie 7, waarin de temperatuur van de gecombineerde vloeistof en gasstroom binnen de spiraal wordt gehouden op 175-320°C en de druk van de gecombineerde stroom wordt gehouden in het bereik van 1,4-14 MPa.

9. Werkwijze volgens conclusie 7, omvattende stap van het door-25 leiden van de vloeistof en gasstroom door de spiraal met een stroomsnelheid waardoor een secundaire stroom in de vloeistof wordt geïnduceerd zrodanig dat de vloeistof als een spiraal langs de inwendige oppervlakken van de spiraal vloeit waardoor een innig vermengen tussen de vloeistof en het gas wordt gerealiseerd. 30

10. Werkwijze volgens conclusie 1, waarin het omhullingsvat onder druk is gebracht en in hoge mate gevuld is met een warmte-uitwisselingsfluidum en omvattende de stappen waarin dit warmte-uitwisselingsfluidum wordt verwarmd tot een opstairttemperatuur 8802374 -17- waardoor een chemische reactie in de fluidumstroom binnen de buisvormige spiraal kan plaatsvinden en een onttrekken van warmte aan het warmteuitwisselingsfluidum nadat de chemische reactie autogeen is geworden.

11. Werkwijze volgens conclusie 9, waarin het warmteuitwisselingsflui dum daarboven binnen het omhullingsvat een dampruimte omvat, en omvattend de stappen waarin de reactiewarmte van de fluidumstroom binnen de spiraal wordt gebruikt om het warmteuitwisselingsfluidum te laten koken en de overmaat dampdruk in de genoemde dampruimte, 10 die een gevolg is van het koken wordt afgelaten naar een condensor en gecondenseerde damp naar het omhullingsvat wordt teruggevoerd.

12. Werkwijze volgens conclusie 1, omvattende de stap van het laten stromen van het verwarmde fluidum en de reactieprodukten in een warmteuitwisselende relatie naar de binnenstromende fluidumstroom.

13. Werkwijze volgens conclusie 1, waarin meerdere injectiepunten aanwezig zijn langs de lengte van de buisvormige spiraal en een stap wordt uitgevoerd waarin gasvormige, vloeibare of vaste reactanten in de fluidumstroom worden geïnjecteerd op een of meerdere van deze injectiepunten.

14. Werkwijze volgens conclusie 1, waarin meerdere afvoerpunten aanwezig zijn langs de lengte van de buisvormige spiraal en een stap wordt uitgevoerd waarin gas of vaste stoffen uit de fluidumstroom worfen afgevoerd op een of meer van deze afvoerpunten.

15. Werkwijze volgens- conclusie 1, waarbij een stap wordt uitgevoerd 25 waarin stoom wordt geïnjecteerd in de buisvormige spiraal om de spiraal te verwarmen tot op een opstarttemperatuur, voorafgaande aan de stap waarin de fluidumstroom door de spiraal wordt geleid, waardoor een chemische reactie kan plaatsvinden in de fluidumstroom binnen de spiraal.

16. Werkwijze volgens conclusie 1, waarin de buisvormige spiraal een over het algemeen horizontale as heeft en de werkwijze het inleiden omvat van een gasvormige reactant in de spiraal en het handhaven van de stroomsnelheid door de spiraal op een snelheidswaarde die voldoende is om over het algemeen aparte en onderscheiden proppen gas en 35 vloeistof te produceren.

17. Apparatuur voor het uitvoeren van chemische reacties, omvattende een omhullingsvat met daarin een lange dunwandige buisvormige spiraal ? » ' "J -l -18- waarin een instromende fluidumstroom door de lange buisvormige spiraal binnen het omhullingsvat kan stromen met een gekozen stroomsnelheid om prop- of blokstroming van de instromende fluidumstroom door de spiraal te veroorzaken; 5 middelen om de temperatuur van de fluidumstroom binnen de buis vormige spiraal te regelen* teneinde warmte toe te voeren wanneer de temperatuur van de fluidumstroom beneden een voorafbepaalde temperatuur is of om warmte te verwijderen wanneer de temperatuur van de fluidumstroom boven een vooraf bepaalde temperatuur is, teneinde een chemische 10 reactie binnen de fluidumstroom te veroorzaken die in een verwarmd fluidum en reactieprodukten resulteert; en middelen om het verwarmde fluidum en reactieprodukteffluent uit de buisvormige spiraal op te nemen.

18. Apparatuur volgens conclusie 17, waarin de middelen voor het 15 opnemen van het verwarmde fluidum en reactieprodukteffluent uit de buisvormige spiraal een scheidingsinrichting omvatten voor het . scheiden van dampvormig effluent van vloeibaar effluent.

19. Apparatuur volgens conclusie 18, waarin de instronende fluidumstroom en de uitstromende vloeistof uit de buisvormige spiraal door een 20 uitwisselaar stromen waarin de temperatuur van het effluent wordt overgedragen aan de instromende fluidumstroom.

20. Apparatuur volgens conclusie 17, waarin het omhullingsvat een reeks compartimenten omvat om de buisvormige spiraal in secties te verdelen, alsmede middelen om de temperatuur van de fluidumstroom in 25 elke sectie van de spiraal te regelen waardoor verschillende temperatuur-gradienten op successievelijke secties van de spiraal langs de lengte daarvan kunnen worden uitgeoefend.

21. Apparatuur volgens conclusie 20, waarin het omhullingsvat in hoge mate gevuld is met een warmteuitwisselingsfluidum, alsmede 30 middelen voor het selectief verwarmen of koelen van het warmteuitwisselingsfluidum binnen elk compartiment waardoor verschillende temperatuur-gradienten op successievelijke secties van de buisvormige spiraal langs de lengte daarvan kunnen worden uitgeoefend.

22. Apparatuur volgens conclusie 21 omvattende middelen voor het 35 selectief instellen van het niveau van warmteuitwisselingsfluidum p* * Λ Λ *7 ^ 9 ö o y 2 3 7 * -19- binnen elk compartiment waardoor verschillende gradiënten van inwendige temperatuur worden verkregen, die op de buisvormige spiraal in elk compartiment werken.

23. Apparatuur volgens conclusie 17, waarin de buisvormige 5 spiraal een inwendige buis en een ten opzichte van de inwendige buis concentrisch gerangschikte uitwendige buis omvat, waarbij de inwendige buis gelegen is binnen de buitenste buis en een instromende fluidum-stroom door de inwendige buis.in een eerste richting kan worden geleid en de fluidumstroom in een tweede tegengestelde richting 10 kan worden teruggevoerd binnen een ringvormig kanaal dat gevormd is tussen de buitenomtrek van de inwendige buis en de binnenomtrek van de buitenbuis, en de concentratie van de fluidumstroom zodanig wordt geregeld, dat een exotherme chemische reactie plaatsvindt,wanneer ch fküum-stroom in de eerste richting stroomt en daarna kan voortgaan wanneer 15 het fluidum in de tweede richting stroomt, waarbij tijdens het stromen van het fluidum in de tweede richting de door de chemische reactie in de fluidumstroom ontwikkelde warmte wordt gebruikt voor het verwarmen van de in de eerste richting stromende fluidumstroom.

24. Apparatuur volgens conclusie 17, waarin de instromende fluidum-20 stroom een eerste reactant omvat,omvattende een vloeistof, alsmede middelen voor het toevoegen van een tweede reactant, dat een gas omvat, aan de stroom voordat de stroom de buisvormige spiraal binnentreedt, en de gecombineerde vloeistof- en gasstroom door de dunwandige buisvormige spiraal wordt gevoerd onder hoge druk en temperatuur 25 en met een zodanige stroomsnelheid dat een secundaire stroming in de vloeistof wordt geïnduceerd waarbij de vloeistof in de vorm van een spiraal langs de inwendige oppervlakken van de spiraal stroomt zodat een innige vermenging tussen de vloeistof en het gas wordt verkregen.

25. Apparatuur volgens conclusie 24, waarin de temperatuur van de gecombineerde vloeistof en gasstroom binnen de spiraal wordt gehouden tussen 175 en 320°C en de druk van de gecombineerde stroom wordt gehouden in het bereik van 1,4-14 MPa.

26. Apparatuur volgens conclusie 17, waarin het omhullingsvat onder 35 druk is gebracht en in hoge mate gevuld is met een warmteuitwisselings- 880 '2 37 -20- fluidum, en middelen voor het verwarmen van het warmteuitwisselings-fluidum tot een opstarttemperatuur welke het mogelijk maakt dat een chemische reactie plaatsvindt in de fluidumstroom binnen de buisvormige spiraal en middelen voor het afvoeren van warmte uit het 5 warmteuitwisselingsfluidum nadat de chemische reactie autogeen is geworden.

27. Apparatuur volgens conclusie 26, waarin het warmteuitwisselingsfluidum een dampruimta daarboven omvat binnen het omhullingsvat, alsmede middelen voor het aflaten van overmaat dampdruk in de genoemde 10 dampruimta welke het gevolg is van het koken van het warmteuitwisselingsfluidum, naar een condensor, en middelen voor het terugvoeren van gecondenseerde damp naar het omhullingsvat.

28. Apparatuur volgeis conclusie 17, omvattende meerdere injectiepunten langs de lengte van de buisvormige spiraal waarbij gasvormige, 15 vloeibare of vaste reactanten in de fluidumstroom worden geïnjecteerd op een of meerdere van deze. injectiepunten.

29. Apparatuur volgens conclusie 17, omvattende meerdere afvoer-punten langs de lengte van de buisvormige spiraal, waarbij gas of vaste stoffen uit de fluidumstroom worden afgevoerd op een of meerdere 20 van deze afvoerpunten.

30. Apparatuur volgens conclusie 17, waarbij stoom wordt geïnjecteerd in de buisvormige spiraal om de spiraal op te warmen tot een opstarttemperatuur, voorafgaande aan het doorleiden van de fluidumstroom door de spiraal waardoor mogelijk wordt gemaakt dat een chemische reactie 25 plaatsvindt in de fluidumstroom binnen de spiraal. 8302374