NO309969B1 - Kjemisk behandlings- og reaksjonsapparat samt fremgangsmÕte for separering av fordampbare substanser fra et materiale - Google Patents

Description

TEKNISK OMRÅDE FOR OPPFINNELSEN

Den foreliggende oppfinnelse angår et apparat og en fremgangsmåte til bruk ved separasjonen av flyktige fra ikke-flyktige substanser, separasjon av flyktige substanser, en fra en annen og for å utføre forskjellige kjemiske reaksjoner og, spesielt, et apparat for å utføre disse funksjonene som benytter en kombinasjon av omgivelsestemperaturene ovenfor og hvor en tomme (25, 4 mm) av kvikk-sølwakuum innen et roterende kar tilpasset med eller uten et indre filter gjennom hvilket eksisterende gasser og damper må passere. På grunn av kompaktheten som oppfinnelsen sørger for, kan apparatet også være utformet for å operere i en selvholdt mobil tilstand.

BAKGRUNN OG HISTORIE

Forskjellige termiske behandlingssystemer har blitt og er fortsatt i bruk for å separere flyktige fra ikke-flyktige substanser. For eksempel er termiske utskillingsenheter vanligvis benyttet for å fjerne substanser, slik som kvikksølv og flyktige organiske materialer fra jord og andre faststoffer. Et slikt tidligere kjent system er omtalt i publikasjonen nr.: WO 95/06505 til FRS Patented Technologies LTD, méd tittelen: Material Cleansing Device. Dette tidligere kjente systemet benytter et oppvarmet ikke roterende kar operert under høye vakuum og 101592 Pa (762 mm med kvikksølv Hg). Det høye vakuumet i det ikke-roterende systemet tjener til å forkorte behandlingstider. Selv om teknologien er velkjent, er det mange ulemper og begrensninger som er overvunnet med den foreliggende oppfinnelse.

For det første er det mange tilfeller hvor en eller flere av komponentene til matriksen og/eller substansene som skal separeres er termisk følsomme. Det vil si en eller flere av substansene brytes ned til uønskede substanser og/eller struktu-ren av en eller flere matrikskomponenter er forandret på en måte som negativt påvirker etterfølgende behandling eller gjenbruk. Idet disse tidligere kjente systemer anvender varme, og vakuum kan benyttes for disse situasjonene, senker bruken av vakuum kokepunktet for substansene og, avhengig av de involverte substanser, kan tillate separasjon av kjemikaliene ved underkritiske temperaturer. Disse tidligere kjente anordninger roterer imidlertid ikke og er derfor et lite batch-system som krever lange behandlingstider.

Tidligere kjente systemer bruker ikke rotasjon i kombinasjon med høy temperatur og vesentlig vakuum på grunn av vanskeligheter med forsegling av et varmt roterende kar under disse forhold. Utilstrekkelige tetninger sørger for at ukontrollerte mengder av luft strømmer inn til kolben som resulterer i utføring av partikler og som øker avgassbehandlingskravene. For å overvinne de lave be-handlingsmengdene av denne og andre tidligere kjente systemer, anvender den foreliggende oppfinnelse et oppvarmet roterende kar som opererer under et signi-fikant vakuum.

Et annet tidligere kjent system som anvender rotasjon er beskrevet i publi-kasjon nr WO 93/08936 til Recycling Nederland B.V., med tittelen: «Method and Device for Removing one or more Contaminations from a Bulk Material». Disse tidligere kjente systemer benytter oppvarmede roterende kar operert under et vakuum på mindre enn 230 Pa (3 millibar). Det tidligere kjente systémet omtaler et behandlingskammer i hvilket et vakuum er formet ved vakuumrør gjennom en mel-lomliggende dampbehandlingsinnretning. Behandlingskammeret er roterbart og er lukket ved hovedflenser anordnet med mansjetter, som er anbrakt mellom trom-men og flensene. Behandlingskammertetningene er fortrinnsvis laget av utglødet kopper eller titanium for høye driftstemperaturer. For lavere driftstemperaturer, for eksempel opptil 500°C, er tetninger laget av et elastomer eller asbest benyttet.

Rotasjon øker behandlingshastigheten ved å forbedre varmeoverføring til behandlingsmaterialet, minimalisere banelengden som de flyktige substansene må bevege seg for å gå ut av kolben, og minimalisere interferensen forårsaket ved kollisjoner mellom de flyktige substansene og partikler før de går ut av kolben. Imidlertid når det opereres ved høyere temperaturer for å produsere renere substanser krever dette tidligere kjente systemet bruken av kostbare tetninger som kan motstå høye innvendige temperaturer, og som gjør systemet enda mer kostbart. Videre kan disse tetninger lekke. Den foreliggende oppfinnelse overvinner prob-lemet med tetting av et oppvarmet roterende kar under vesentlig vakuum gjennom bruken av en unikt konstruert roterende hylse og utvendig montert tetningsutfor-ming som tillater at tetningene lett avkjøles og opprettholdes under den maksimale driftstemperaturen for tetningen.

Tidligere fremgangsmåter og apparat for behandling av materiale er omtalt i US «Letters Patents» nr. 4.268.306; 5.183.499; 5.244.492; og 5.300.137.

SAMMENFATNING AV OPPFINNELSEN

Målene med den foreliggende oppfinnelse oppnås ved et kjemisk behandlings- og reaksjonsapparat for separering av fordampede gasser fra et materiale som inneholder en eller flere fordampbare substanser kjennetegnet ved trekkene ifølge krav 1. Foretrukne utførelsesformer av apparatet er utdypet i kravene 2-7. Videre oppnås målene med foreliggende oppfinnelse ved en fremgangsmåte for separering av en eller flere fordampbare substanser fra et materiale kjennetegnet ved trekkene ifølge krav 8. Foretrukne utførelsesformer av fremgangsmåten er videre utdypet i kravene 9-16.

Den foreliggende oppfinnelse tilveiebringer et apparat for separasjon av flyktige fra ikke-flyktige substanser, den ene fra den andre, og for å utføre forskjellige kjemiske reaksjoner ved å tilveiebringe et apparat, som er i stand til å utfor-mes for mobil drift, som benytter en anvendelse av ovenfor omgivende temperatur og større eller lik med omkring 25,4 mm av kvikksølwakuum i et roterende kar. Dette apparatet reduserer partikkel- og sveipergasser til neglisjerbare mengder og således, drastisk reduserer behovet for store og kostbare avgassbehandlingssystemer funnet i den tidligere kjente teknikk. Det foreliggende apparatet oppnår dette gjennom bruken av et vakuum større eller lik omkring 25,4 mm åv kvikksølv og en unikt konstruert roterbar tetning og tetningsarrangement i kombinasjon med et indre filter som effektivt eliminerer partikler fra å slippe fra kolben.

Den foreliggende oppfinnelse kombinerer et vakuum og større enn eller lik omkring 25,4 mm av kvikksølv med en utvendig eller innvendig oppvarmet roterende kolbe, som gjennom bruken av et indre filter og tetningsarrangement, forhindrer luftlekkasje inn i kolben og produserer et apparat som i virkeligheten eliminerer utføring av partikler og minimaliserer innføringen av uønskede gasser i kolben og, således inn i avgassbehandlingssystemet. I tillegg senker vakuumet i den foreliggende oppfinnelse kokepunktet til mange flyktige sammensetninger, slik at det effektivt behandler substanser som normalt vil være ubehandlbare med nåvæ-rende tidligere kjente indirekte fyrte termiske utskillingsenheter.

Det er viktig at partikkelutføringen i virkeligheten er eliminert ved en kombinasjon av et vakuum større enn eller lik med omkring 25,4 mm av kvikksølv, lave sveipegassvolumer og et indre filter med et konvensjonelt tilbakeblåsningssystem for å forhindre forstopping (klumping). Denne kombinasjonen maksimaliserer også behandlingsmengden. Vakuumet akselerer flyktighetsmengder av sammensetninger innen materialer slik som jordpartikler ved å skape en trykkgradient mellom senteret og overflaten av partiklene. Forurensningene diffunderer således fortere ut av det indre av de forurensede substansene.

KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGENE

For en mer fullstendig forståelse av den foreliggende oppfinnelse og forde-lene med denne, er referanse nå gjort til den følgende beskrivelse sett i forbindelse med de vedføyde tegningene i hvilke: Fig. 1 er et skjematisk diagram som illustrerer en foretrukket utførelse av apparatet til den foreliggende oppfinnelse; Fig. 2 er et langsgående tverrsnitt av en utførelse av tetningssammenstil-lingen til apparatet i den foreliggende oppfinnelse; og Fig. 3 er et langsgående tverrsnitt av en av den foretrukne utførelsen av kolben til den foreliggende oppfinnelsen.

DETALJERT BESKRIVELSE AV OPPFINNELSEN

Nå med å gå til fig. 1, er deri det totale apparatet 10 til den foreliggende

oppfinnelse omtalt. Materialet 20 som skal behandles kan benytte enhver passende matmekanisme for dets innføring i kolben 40. Hvis nødvendig kan materialet 20 prepareres ved å benytte enhver konvensjonell fremgangsmåte, slik som knusing, dimensjonering, sikting, tilsetningen av kjemikalier og/eller andre tilsetninger eller skjæring, slik at materialet 20 er preparert og redusert til en størrelse passende for å mates gjennom den første hylsen 30 til apparatet 10 og behandles. Etter som materialet 20 mates gjennom den første hylsen 30, mates det inn i det roterende vakuumtermiske behandlingskaret (kolben/retorten) 40. Materialet kan så innføres i kolben 40 gjennom hylsen 30 ved enhver passende mekanisme innbefattende en skrue, pumpe eller enhver annen transportmetode. For eksempel, for å laste større materialer 20, slik som et metallrør, kan den normale mateanordningen ers-tattes med en lastport som tillater plasseringen av større stykker av materialer 20 inn i kolben. Materialet 20 kan også være stablet i kolben 40.

Det skal bemerkes at en isolert brannboks 50 omgir kolben 40. Brannboksen 50 kan være konstruert av ethvert passende materiale som er i stand til å bæ-re isolasjonen. I en utførelse er det et teppeisolerende materiale 60 mellom brannboksen 50 og veggen av kolben 40. Kolben 40 kan være konstruert av ethvert hvert passende materiale som er i stand til å motstå høy temperatur og vakuum. Fortrinnsvis er kolben 40 konstruert av materialer som kan motstå temperaturer på 1100°C og vakuum på 98 205 Pa (736 mm kvikksølv). Kolben 40 har fortrinnsvis et indre filter 70 som er benyttet i forbindelse med kolben 40 for å forhindre partikler fra å gå inn i avgassbehandlingssystemet. Filteret 70 (i minst en utførelse) er i formen av en mer sintrert metallsylinder tilpasset med et konvensjonelt tilbakeblåsningssystem (ikke vist) lokalisert på innsiden av kolben 40. Apparatet 10 kan også være benyttet, avhengig av materialet som skal behandles og operasjonspa-rameterne til kolben 40, uten det indre filteret 70.

I drift går de flyktige materialene gjennom en ledning 80 og ut av kolben 40 gjennom en hylse 90. Hylsen 90 har en tetning 100 mellom det stasjonære av-gassrøret og den roterende ledningen 80 som muliggjør at vakuum opprettholdes. Når det flyktige materialet er gått ut fra kolben 40 er det styrt til enhver av et antall av passende avgassbehandlingssystemer 110 for videre behandling eller utslipp til atmosfæren. En vakuumpumpe 120 er benyttet for å opprettholde et passende vakuum innen kolben 40 når den er i bruk. Avgassbehandling kan utføres ved omgivende trykk eller vakuum, avhengig av vakuumpumpeplasseringen.

Under drift er varme fra en varmekilde 130 påført kolben 40 indirekte gjennom bruken av brannboksen 50 og isolasjonsmaterialet 60. Varmekilden 130 kan være av enhver konvensjonell type varmekilde og kan benytte ethvert konvensjonelt brensel som vil produsere de riktige temperaturene og nødvendig overføring av varme inn i kolben 40. For eksempel kan varmekilden 130 være fra brennende fossile brennstoffer, motstandsoppvarmere, infrarøde varmere og mikrobølgevar-mere eller enhver konvensjonell innretning. Alternativt kan motstand, infrarød eller mikrobølgevarmere være montert på innsiden av kolben 40 med kolben uforet eller foret på innsiden med ildfast materiale eller isolert på utsiden med materiale som er i stand til å motstå høy temperatur. Fortrinnsvis er vakuumpumpen 120 alltid under drift av apparatet 10, benyttet for å etablere og opprettholde et vakuum innen kolben 40 eller fra 3 386 til 98 205 Pa (25,4 til 736 mm kvikksølv).

Etter behandling i apparatet 10, kan de flyktige og gassaktige materialene gå gjennom mange typer av avgassbehandlingssystemer 110 innbefattende konvensjonelle separatorer, gass/gassfasereaktorer, kondensere, skrubbere, absorp-sjon/adsorpsjonssenger, katalytiske reaktorer og direkte frigjøring til atmosfæren.

Nå med å gå til fig. 2, er det deri videre beskrevet en foretrukket utførelse av hylsen 90 benyttet i forbindelse med den foreliggende oppfinnelse. Det skal bemerkes at de fordampede og gassaktige materialene går gjennom ledningen 80 etter som de går ut av kolben 40 til avgassbehandlingssystemet 110. De fordampede og gassaktige materialene strømmer gjennom filteret 70. Ledningen 80 er også festet til en roterende vakuumtetning 100 og utvendig ikke-roterende rør-kopling 140.

Som vist i fig. 2 er en rense- eller behandlingsgasstrømstyreanordning 150. Bruken av rensegassen 160, som kan være luft, utfører to funksjoner: for det førs-te hjelper det å opprettholde temperaturen til den ytre hylsen 90 nær omgivelses-temperatur. For det andre hjelper den til med å forhindre inngangen av behand-lingsavgasser som igjen forhindrer forurenset kondensat fra å bygges opp på innsiden av hylsen 90. I tillegg, hjelper den meget ubetydelige trykkgradienten forårsaket av rense- (spyle-) gassen til med å forhindre partikler fra å gå inn i hylsen 90.

Det er også viktig at konstruksjonen av tetningen også reduserer mengden av rensegass påkrevet for å hjelpe til med bevegelsen av flyktiggjorte og gassaktige substanser ut av kolben 40. I tillegg øker det høye vakuumet diffusjonsmeng-den av gassene og dampene fra et område med høyere konsentrasjon innen kolben 40 til et område med lavere konsentrasjon i avgassbehandlingssystemet 110.

Bruken av tetningen 100 sørger for at den roterende kolben 40 tettes skik-kelig ved høye temperaturer, selv om kolbens 40 størrelser forandrer seg på grunn av ekspansjon. Det er viktig at på grunn av evnen til rensegassen og roterende rør innen et rørsystem av den foreliggende oppfinnelse for å holde tetningen 100 til kolben 40 grensesnitt avkjølet, kan kommersielt tilgjengelige elastomerer benyttes. En av ulempene med den tidligere kjente teknikk er at de fleste konvensjonelle tetninger kun kan motstå temperaturer opptil omkring 149 til 204°C, som er godt under 871 til 1 038°C som er temperaturer generert innen kolben 40. Idet høytem-peraturtetninger i dag utvikles, er de langt mere kostbare enn de som er benyttet i den foreliggende oppfinnelse.

I tillegg skal det bemerkes at det er termiske plugger 170 som også hjelper til med å opprettholde temperaturdifferensialet mellom kolben 40 og hylsen 90 og mellom rørkoplingen 140 og avgassbehandlingssystemet 110.

Nå med å gå til fig. 3, er, i en utførelse av apparatet 10, kolben 40 et sylind-risk kar og har indre skovler, eller spiraler, og løftere 180. Bæreruller 190 er også benyttet i forbindelse med kolben 40, slik at den er lett roterbar innen brannboksen 50. Når et vakuum har blitt etablert ved vakuumpumpen 120, er kolben 40 satt i rotasjon ved en passende drivmotor og girsystem (ikke vist). Plasseringen av skovlene og løfterne 180 langs den indre veggen av kolben 40 virker til å forsterke varmeoverføringen fra kolben 40 til materialet 20 som skal behandles. Rotasjonen av kolben 40 og bruken av skovlene og løfterne 180 øker også overflatearealet til materialet 20 eksponert til vakuumet ved indusering av en kaskading og/eller rul-ling av materialet og derved minimalisere banelengden påkrevet for dampene og gassene for å gå ut av kolben 40 og også minimalisere interferensene bevirket ved interaksjonene mellom dampmolekylene og partiklene under bevegelse av dampen ut av kolben.

Bruken av skovlene og løfterne 180 sørger også for fylling av kolbe 40 til en større sengdybde enn tradisjonelle kolber, og derved øke gjennomgangen. Den hurtige fjerningen av de flyktiggjorte substansene fra kolben 40 minimaliserer gra-den av termisk dekomponering som oppstår innen kolben 40, og resulterer i en mer definert avgasstrøm og enklere utforming av avgassbehandlingssystemet 110.

Kjeder, stålkuler eller andre anordninger kan benyttes på innsiden av kolbe 40 for å ytterligere å redusere partikkelstørrelsen under behandling. Det indre av kolben 40 inneholder fortrinnsvis et sintret metallfilter 70 som kan kontinuerlig overhales under forholdene skapt innen kolben 50. Alle gassene som går ut av kolben 40 går gjennom filteret 70 som fungerer til å forhindre partikler fra å gå inn i avgassbehandlingssystemet 110. Filteret 70 er typisk montert koaksialt eller for-skjøvet i den øvre tredjedelen av kolben 40 og kan eller kan ikke rotere med kolben.

Det skal bemerkes at apparatet 10 kan plasseres på trailere eller jernbane-vogner eller lastes av og sammenstilles ved ethvert sted hvor materiale skal behandles. Selv om prosessen som beskrevet i dette patentet er en batchprosess, kan den også benyttes i en kontinuerlig matetilstand. I tillegg kan kjemiske reaksjoner utføres ved å benytte apparatet 10 for å skape de nødvendige termiske og atmosfæriske forholdene innen kolben 40.

Dessuten er apparatet 10 til den foreliggende oppfinnelse spesielt nyttig for volumredusering av radioaktive materialer gjennom bruken av kolben 40 for å fjerne fritt vann og hydratiseringsvann, separering av ikke-radioaktive flyktige substanser fra radioaktive ikke-flyktige substanser, slik som organiske ionutvekslings-harpikser fra radioaktive metallisotoper og dekomponering av ikke-radioaktive faststoffer til en eller flere gasser, slik som konvertering av ikke-radioaktiv kalsi-umkarbonat benyttet i kjernefysiskreaktor-spylevannsbehandling til kalsiumoksyd og karbondioksyd.

Claims (16)

1. Kjemisk behandlings- og reaksjonsapparat (10) for separering av fordampede (flyktiggjorte) gasser fra et materiale (20) som inneholder en eller flere for-fordampbare substanser .karakterisert ved at apparatet omfatter: en retorte/kolbe (40) tilpasset for å rotere omkring en senterakse idet materialet er anbrakt innen retorten, et avgass-behandlingssystem (110) tilpasset for å motta fordampede gasser fra retorten, en hylse (90) som strekker seg fra retorten (40) og som forbinder retorten til avgassbehandlingssystemet, en roterende tetning (100) anordnet i e|ler omkring hylsen (90) og som er i stand til å opprettholde et vakuum innen retorten når materialet er oppvarmet til en temperatur over 204,4 °C, en roterende innretning (190) i kommunikasjon med retorten og som er inn-rettet for å drive retorten i en roterende bevegelse, en vakuuminnretning (120) i kommunikasjon med retorten (40) tilpasset til å utvikle et vakuum mellom 3 386 til 98 205 Pa innen retorten, og en oppvarmingsinnretning (130) i kommunikasjon med retorten tilpasset for oppvarming av materialet (20) i retorten (40) til en temperatur tilstrekkelig til å for-dampe en eller flere fordampbare substanser i de fordampede gasser.

2. Apparat ifølge krav 1, karakterisert ved at det videre omfatter minst en termisk propp (170) anordnet i enden av hylsen (90).

3. Apparat ifølge krav 1, karakterisert ved at det omfatter kjøleinnretning (160) for avkjøling av den roterende tetning (100).

4. Apparat ifølge krav 3, karakterisert ved at kjøleinnretningen omfatter en strømningskontroll-innretning (150) for spylegass forbundet til hylsen og i kommunikasjon med denne for å la spylegass strømme inn i hylsen.

5. Apparat ifølge krav 3, karakterisert ved at kjøleinnretningen etablerer en gasstrøm som av-kjøler hylsen og hjelper til med å hindre at substanskondensat akkumuleres i hylsen.

6. Apparat ifølge krav 1, karakterisert ved at det omfatter minst en løfter (180) inne i retorten (40) for å bedre varmeoverføringen til materialet og øke overflatearealet av det material som utsettes for undertrykket ved at det induseres kaskadebehandling og/eller omvelting av materialet.

7. Apparat ifølge krav 1, karakterisert ved at det videre omfatter minst et indre filter (70) anbrakt innen apparatet.

8. Fremgangsmåte for separering av en eller flere fordampbare substanser fra et materiale, karakterisert ved at den omfatter trinnene med: tilføring av varme til materialet (20), slik at det etableres en indre temperatur innen det kjemiske behandlings- og reaksjonsapparatet ifølge krav 1 over 204,4°C; retorten (40) roteres; og et vakuum (undertrykk) på mellom 3 386 til 98 205 Pa påføres retorten, slik at en eller flere fordampbare substanser fordamper slik at de fordampende substansene separeres fra materialet.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 8, karakterisert ved at den innvendige temperaturen innen retorten (40), hvilken retorte (40) har en roterende tetning (100) for å opprettholde et vakuum, holdes høyere enn den maksimale arbeidstemperatur for den roterende tetning (100).

10. Fremgangsmåte ifølge krav 9, karakterisert ved at den roterende tetning (100) avkjøles slik at temperaturen i den roterende tetning er mindre enn den maksimale arbeidstemperatur for den roterende tetning.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 8, karakterisert ved at den fordampede substans forlater retorten (40) gjennom en hylse (90).

12. Fremgangsmåte ifølge krav 11, karakterisert ved at det opprettholdes en temperaturgradient mellom retorten (40) og hylsen (90) ved hjelp av minst en termisk propp (170).

13. Fremgangsmåte ifølge krav 10, karakterisert ved at trinnet med avkjøling av den roterende tetning (100) omfatter at varme fjernes fra en utvendig del av hylsen (90) ved at utsidedelen av hylsen utsettes for et kjølemedium.

14. Fremgangsmåte ifølge krav 10, karakterisert ved at kjøletrinnet omfatter at det sendes en spylegass (160) inn i hylsen (90), slik at spylegassen trekkes inn i det indre kammer forbi den eller de nevnte termiske propper (170) slik at den roterende vakuumtetning (100) avkjøles mens mengden av kondensat og partikler fra hylsen (90) reduseres.

15. Fremgangsmåte ifølge krav 8, karakterisert ved at gasser evakueres fra retorten (40) ved å anvende undertrykket til å skape en trykkgradient som bringer gasser fra et område med høyere konsentrasjon i retorten (40) til å bevege seg til et område med en lavere konsentrasjon utenfor retorten.

16. Fremgangsmåte ifølge krav 10, karakterisert ved at den roterende tetning (100) avkjøles ved hjelp av et vakuum.