JPH0796098B2 - 化学反応の実施法 - Google Patents
化学反応の実施法Info
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Classifications
-
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- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
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-
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Description
本発明は化学反応の実施法の改良に関し、詳細には逆流
の管群装置において流入体が流出流体と熱伝導関係にあ
って促進された化学反応を行うのに好適な方法の改良に
関する。本発明の実施法は、詳細には下水スラッジおよ
び他の液状廃棄物流の湿時酸化を行うのに用いられるよ
うな深井戸式反応装置において化学反応を行うのにも特
に好適であるが、これに限定されるものではない。
の管群装置において流入体が流出流体と熱伝導関係にあ
って促進された化学反応を行うのに好適な方法の改良に
関する。本発明の実施法は、詳細には下水スラッジおよ
び他の液状廃棄物流の湿時酸化を行うのに用いられるよ
うな深井戸式反応装置において化学反応を行うのにも特
に好適であるが、これに限定されるものではない。
本発明の譲受人に譲渡されたマックグルー（McGrew）の
米国特許第4.272.383号明細書に記載されているよう
に、高温および高圧で促進され得る多くの化学反応があ
る。マックグルーの上記特許明細書に開示された概念に
基づいてログモント、コロラドの譲受人によって深井戸
式反応装置を設置する前に、下水のスラッジ湿時酸化を
行うのに用いられた方法は、例えば廃棄物を実質的に地
表のレベルにある高温、高圧の反応器に入れる操作を含
む。空気または酸素を反応器に送り込まれ、熱をチンマ
ーマン（Zimmermann）の米国特許第2.665.249号明細書
に開示されているように外部から加えられる。 つい最近では、上記のマックグルー（McGrew）の特許明
細書の開示の前には、地下の軸の中で地下に垂直に伸び
る同心導管を有する深井戸式反応装置において、液状廃
棄物流の湿時酸化を行う幾つかの方法が従来技術によっ
て提案された。バウアー（Bauer）の米国特許第3.449.2
47号明細書には、軸の中で流体物質のヘッドによって、
所望の圧力を供給するのに十分な距離で地中に伸びてい
る軸の下部において行われる加熱性ごみと流動性スラッ
ジの混合物の湿時酸化を行う方法が開示されている。こ
の開示された装置は、垂直に伸びる同心導管を含み、水
と流入流からなる反応体とを外側導管中を下方に流し、
水と反応生成物とを流入液体と熱伝達関係にある中心の
導管中を上向きに流す。空気または酸素に富む空気を流
入液体に注入し、開示された方法は更に導管の下部の反
応帯で空気を注入することを含む。ラウレス（Lawles
s）の米国特許第3.606.999号明細書は、スラッジの湿時
酸化を含む流動性流の処理法および深井戸式反応装置を
開示しており、その装置は反応のガス状反応体を集める
ために蒸気トラップまたは分離装置を有する。米国特許
第3.853.759号明細書には、液状スラッジ流を処理する
熱分解法であって、工程を物質中に存在する酸素に限定
することによって物質の燃焼を制限し、これによって流
入液の底部の圧によって加熱された物質が流出カラムへ
上昇されるようにする方法が開示されている。最後に、
マックグルー（McGrew）の特許に続くブルレソン（Burl
eson）の米国特許第4.564.458号明細書には、超臨界温
度および圧力での深井戸式反応装置における廃棄水流中
の有機廃棄物の湿時酸化の実施法であって、湿時酸化反
応を井戸の底部における水中に電流を流して抵抗熱を発
生させることによって開始させる方法が開示されてい
る。しかしながら従来技術の開示はマックグルー（McGr
ew）の場合を除き、純粋に理論的なものであり、一般的
には実際的でない。開示された深井戸式反応装置は、組
み立てられたり、試験されたりしていないのである。
米国特許第4.272.383号明細書に記載されているよう
に、高温および高圧で促進され得る多くの化学反応があ
る。マックグルーの上記特許明細書に開示された概念に
基づいてログモント、コロラドの譲受人によって深井戸
式反応装置を設置する前に、下水のスラッジ湿時酸化を
行うのに用いられた方法は、例えば廃棄物を実質的に地
表のレベルにある高温、高圧の反応器に入れる操作を含
む。空気または酸素を反応器に送り込まれ、熱をチンマ
ーマン（Zimmermann）の米国特許第2.665.249号明細書
に開示されているように外部から加えられる。 つい最近では、上記のマックグルー（McGrew）の特許明
細書の開示の前には、地下の軸の中で地下に垂直に伸び
る同心導管を有する深井戸式反応装置において、液状廃
棄物流の湿時酸化を行う幾つかの方法が従来技術によっ
て提案された。バウアー（Bauer）の米国特許第3.449.2
47号明細書には、軸の中で流体物質のヘッドによって、
所望の圧力を供給するのに十分な距離で地中に伸びてい
る軸の下部において行われる加熱性ごみと流動性スラッ
ジの混合物の湿時酸化を行う方法が開示されている。こ
の開示された装置は、垂直に伸びる同心導管を含み、水
と流入流からなる反応体とを外側導管中を下方に流し、
水と反応生成物とを流入液体と熱伝達関係にある中心の
導管中を上向きに流す。空気または酸素に富む空気を流
入液体に注入し、開示された方法は更に導管の下部の反
応帯で空気を注入することを含む。ラウレス（Lawles
s）の米国特許第3.606.999号明細書は、スラッジの湿時
酸化を含む流動性流の処理法および深井戸式反応装置を
開示しており、その装置は反応のガス状反応体を集める
ために蒸気トラップまたは分離装置を有する。米国特許
第3.853.759号明細書には、液状スラッジ流を処理する
熱分解法であって、工程を物質中に存在する酸素に限定
することによって物質の燃焼を制限し、これによって流
入液の底部の圧によって加熱された物質が流出カラムへ
上昇されるようにする方法が開示されている。最後に、
マックグルー（McGrew）の特許に続くブルレソン（Burl
eson）の米国特許第4.564.458号明細書には、超臨界温
度および圧力での深井戸式反応装置における廃棄水流中
の有機廃棄物の湿時酸化の実施法であって、湿時酸化反
応を井戸の底部における水中に電流を流して抵抗熱を発
生させることによって開始させる方法が開示されてい
る。しかしながら従来技術の開示はマックグルー（McGr
ew）の場合を除き、純粋に理論的なものであり、一般的
には実際的でない。開示された深井戸式反応装置は、組
み立てられたり、試験されたりしていないのである。
実験的な深井戸式反応装置は、ロングモント、コロラド
において本出願の譲受人によって設計され、設置され且
つ成功裡に運転された。しかしながら、この装置から、
マックグルー（McGrew）の特許明細書に開示されたある
種のパラメーターと原理は正確でなく又は実際的でもな
いことが明らかにされた。例えば、マックグルー（McGr
ew）の特許明細書では、深井戸式反応装置中で連続流を
支持するのにポンプ圧を必要とせず且つ同心管またはパ
イプを隔てる壁を介して圧差がないことを述べている。
実際には、ロングモント、コロラドでの実際的な設備か
ら明らかになったように、深井戸式反応装置の始動およ
び連続操作中に実質的なポンプ圧を必要とする。更に重
要なことには、下降流が閉塞されて、有機または無機ス
ケールまたは汚泥が構成され且つ蓄積されるので、運転
中に所要ポンプ圧が増加する。実際的な実施では、ポン
プ圧が所定の最大圧を超過したときには、定期的に深井
戸式反応装置の運転を停止して、閉塞物を除き、導管を
清掃する必要があり、頻繁に停止時間を設ける必要があ
った。導管を清掃した場合には摩擦圧損が低下するの
で、初期ポンプ圧は平均して400〜500psi（約28.1〜35.
2kg/cm2）である。しかしながら、降下流の閉塞物や汚
泥が蓄積することによってポンプ圧が約600psi（約42.2
kg/cm2）に増加すると、運転を停止して導管を清掃しな
ければならなかった。下降導管中へ所定の圧で流入液体
を圧送し且つ頻繁な運転停止によって実質的な経費が生
じたことが理解されるであろう。本発明の主要な目的は
これらの経費を軽減し、工程の効率を向上させることで
ある。 更に、導管中で液体が沸騰すると、その沸騰が実質的な
期間継続すると「間欠噴出」を生じることがあることが
当業者によって考えられていた。導管は地中に5000フイ
ート（約1520m）以上も伸びていた。したがって、上向
および下降導管を合わせると総延長は約２マイル（約3.
2km）にも達する。沸騰の結果間欠噴出が起こると、水
蒸気、反応生成物および下水の汚物などの生成する間欠
的噴出物が深井戸式反応装置を傷付けたり実質的に損傷
させたりすることがあり、それ故、マックグルー（McGr
ew）は、熱を加えたり除いたりすることによって、反応
帯における液体の温度を制御して、流入流体の沸騰を防
止するため局部圧より常に低く維持されている局部温度
での流入流体の蒸気圧で最大反応レートを達成すること
の重要性を強調している。 流出流体を沸騰させることによって、深井戸式反応装置
の操作効率が著しく向上し、ポンプ圧が低下し、質量の
流量を増加し、清掃のための停止時間を減少させ、始動
時間を減少させることを見出した。それ故、上向導管で
流出液体の沸騰を開始させて、ポンプ圧を低下させ、反
応装置の効率を向上させることが、本発明のもう一つの
目的である。
において本出願の譲受人によって設計され、設置され且
つ成功裡に運転された。しかしながら、この装置から、
マックグルー（McGrew）の特許明細書に開示されたある
種のパラメーターと原理は正確でなく又は実際的でもな
いことが明らかにされた。例えば、マックグルー（McGr
ew）の特許明細書では、深井戸式反応装置中で連続流を
支持するのにポンプ圧を必要とせず且つ同心管またはパ
イプを隔てる壁を介して圧差がないことを述べている。
実際には、ロングモント、コロラドでの実際的な設備か
ら明らかになったように、深井戸式反応装置の始動およ
び連続操作中に実質的なポンプ圧を必要とする。更に重
要なことには、下降流が閉塞されて、有機または無機ス
ケールまたは汚泥が構成され且つ蓄積されるので、運転
中に所要ポンプ圧が増加する。実際的な実施では、ポン
プ圧が所定の最大圧を超過したときには、定期的に深井
戸式反応装置の運転を停止して、閉塞物を除き、導管を
清掃する必要があり、頻繁に停止時間を設ける必要があ
った。導管を清掃した場合には摩擦圧損が低下するの
で、初期ポンプ圧は平均して400〜500psi（約28.1〜35.
2kg/cm2）である。しかしながら、降下流の閉塞物や汚
泥が蓄積することによってポンプ圧が約600psi（約42.2
kg/cm2）に増加すると、運転を停止して導管を清掃しな
ければならなかった。下降導管中へ所定の圧で流入液体
を圧送し且つ頻繁な運転停止によって実質的な経費が生
じたことが理解されるであろう。本発明の主要な目的は
これらの経費を軽減し、工程の効率を向上させることで
ある。 更に、導管中で液体が沸騰すると、その沸騰が実質的な
期間継続すると「間欠噴出」を生じることがあることが
当業者によって考えられていた。導管は地中に5000フイ
ート（約1520m）以上も伸びていた。したがって、上向
および下降導管を合わせると総延長は約２マイル（約3.
2km）にも達する。沸騰の結果間欠噴出が起こると、水
蒸気、反応生成物および下水の汚物などの生成する間欠
的噴出物が深井戸式反応装置を傷付けたり実質的に損傷
させたりすることがあり、それ故、マックグルー（McGr
ew）は、熱を加えたり除いたりすることによって、反応
帯における液体の温度を制御して、流入流体の沸騰を防
止するため局部圧より常に低く維持されている局部温度
での流入流体の蒸気圧で最大反応レートを達成すること
の重要性を強調している。 流出流体を沸騰させることによって、深井戸式反応装置
の操作効率が著しく向上し、ポンプ圧が低下し、質量の
流量を増加し、清掃のための停止時間を減少させ、始動
時間を減少させることを見出した。それ故、上向導管で
流出液体の沸騰を開始させて、ポンプ圧を低下させ、反
応装置の効率を向上させることが、本発明のもう一つの
目的である。
上記のように、本発明の化学反応の実施法は、詳細には
深井戸式反応システムを含む地下の装置に適合するが、
これに限定されるものではない。本発明の方法は、各種
の液体の処理または反応に用いることができ、水のよう
な液体中に取り込まれた各種の産業および都市の廃棄物
の湿時酸化反応を行うことを包含する。例えば、本発明
の方法は、都市下水のスラッジ、有機性の農業廃棄物お
よび産業廃棄物を包含する各種動物性廃棄物の湿時酸化
反応を行うのに特に好適である。本発明のプロセスまた
は方法から生じる化学反応は、炭素質材料の脱硫のよう
な廃棄物以外の処理を含み、液体中に取り込まれた固形
物質の各種処理をも含むことができることが理解される
であろう。本発明のプロセスまたは方法は、反応体の一
つが酸素、酸素に富む空気または空気のようなガス状物
質である場合の化学反応を行うのにも好適である。 本発明の化学反応の実施法は、反応体の少なくとも１つ
を含む流入体を、地下の開口または軸中を地下に伸びる
下降流導管または降下導管中を下方に流すことを含む。
それによって降下導管中の柱（カラム）に所定の圧が生
じ、熱を加えて所望の化学反応を開始させ、維持し、反
応生成物を生成するものである。反応が発熱性であると
きには、反応の熱は反応を維持するのに十分であること
がある。本発明の実施法は、次に、流出物を構成する流
体および反応生成物を上向導管または上昇管中を地表の
水準まで流すことを含む。上記のように、本発明の方法
は更に上向導管中の流体を沸騰させ、上向導管中の静水
圧を低下させ且つシステム中のマスの流量を増加させる
ことを含む。 参考のためここに組入れられているマックグルー（McGr
ew）の上記米国特許明細書記載されているように、流入
流体に好ましくは反応装置の下部付近で熱を加えること
によって、反応を開始することができる。反応体の一つ
が酸素のようなガス状である場合には、本発明の実施法
においてガスは反応帯の上部付近の下降管に導入して、
下降管中の流体カラムの密度の低下を制限し更に所要の
ポンプ圧を減少させるのが好ましい。本発明の理想的な
システムおよびプロセスでは、下降管中の流体カラムの
静水圧が流入流体を下方に流すのに十分であり、且つ上
向管中の沸騰流体が上向導管中の流体を上昇させるのに
十分であるところでは流入流体に対するポンピング圧力
を除くことができる。しかしながら、特にスケールが導
管壁に生成すると、本発明のプロセスは実質的に所要ポ
ンプ圧を低下させるが、流体の管壁に対する摩擦のため
に流入体を圧送し続ける必要があることが予期される。 流出流体の沸騰は、流出液上向管の背圧を減少させる
か、または流出流体の温度を上昇させることによって開
始させることができる。本発明の化学反応を行わせる最
も好ましいプロセスは、流出流体の沸騰は上向管中の背
圧を低下させることによって開始させられる。化学反応
を行うための開示された方法では、化学反応は、上向導
管中での背圧を保持する間に反応帯における流体と反応
体を加熱することにより開始される。温度感知装置を上
向導管の所定の深さに配設し、次いで上向導管の背圧を
低下させて、所定の深さでの温度で、流出液体の沸騰を
開始させ維持する。あるいは、温度は下降管中で感知す
ることも出来る。流出液の沸騰を所定の深さに制御しま
たは所定の時間間隔で流出流体を周期的に沸騰させるこ
とも可能である。 以下に更に詳細に記載されているように、上向導管の中
にいて流出液を沸騰させることは、種々の重要な利点を
生じる結果となる。第一に、流出流体を沸騰させること
により所要ポンプ圧を実質的に減少させ、エネルギーを
節約するのみならず、システムの停止および清掃の必要
性を限られたものとする。第二に、流出流体を沸騰させ
ることによって、システム中のマスの流量を実質的に増
加し、システムの効率を増加し、更に処理のコストを軽
減する。最後に、上向管の中で流体を沸騰させることに
よって、所要反応温度を低下させ、更にエネルギーが節
約される。流出流体の沸騰によって、反応帯が拡がり、
システムの効率が増加することも見出されている。 本発明のその他の利点および有利な特徴は、下記の好ま
しい実施例、特許請求の範囲および添付の図面の説明か
ら更に完全に理解されるであろう。
深井戸式反応システムを含む地下の装置に適合するが、
これに限定されるものではない。本発明の方法は、各種
の液体の処理または反応に用いることができ、水のよう
な液体中に取り込まれた各種の産業および都市の廃棄物
の湿時酸化反応を行うことを包含する。例えば、本発明
の方法は、都市下水のスラッジ、有機性の農業廃棄物お
よび産業廃棄物を包含する各種動物性廃棄物の湿時酸化
反応を行うのに特に好適である。本発明のプロセスまた
は方法から生じる化学反応は、炭素質材料の脱硫のよう
な廃棄物以外の処理を含み、液体中に取り込まれた固形
物質の各種処理をも含むことができることが理解される
であろう。本発明のプロセスまたは方法は、反応体の一
つが酸素、酸素に富む空気または空気のようなガス状物
質である場合の化学反応を行うのにも好適である。 本発明の化学反応の実施法は、反応体の少なくとも１つ
を含む流入体を、地下の開口または軸中を地下に伸びる
下降流導管または降下導管中を下方に流すことを含む。
それによって降下導管中の柱（カラム）に所定の圧が生
じ、熱を加えて所望の化学反応を開始させ、維持し、反
応生成物を生成するものである。反応が発熱性であると
きには、反応の熱は反応を維持するのに十分であること
がある。本発明の実施法は、次に、流出物を構成する流
体および反応生成物を上向導管または上昇管中を地表の
水準まで流すことを含む。上記のように、本発明の方法
は更に上向導管中の流体を沸騰させ、上向導管中の静水
圧を低下させ且つシステム中のマスの流量を増加させる
ことを含む。 参考のためここに組入れられているマックグルー（McGr
ew）の上記米国特許明細書記載されているように、流入
流体に好ましくは反応装置の下部付近で熱を加えること
によって、反応を開始することができる。反応体の一つ
が酸素のようなガス状である場合には、本発明の実施法
においてガスは反応帯の上部付近の下降管に導入して、
下降管中の流体カラムの密度の低下を制限し更に所要の
ポンプ圧を減少させるのが好ましい。本発明の理想的な
システムおよびプロセスでは、下降管中の流体カラムの
静水圧が流入流体を下方に流すのに十分であり、且つ上
向管中の沸騰流体が上向導管中の流体を上昇させるのに
十分であるところでは流入流体に対するポンピング圧力
を除くことができる。しかしながら、特にスケールが導
管壁に生成すると、本発明のプロセスは実質的に所要ポ
ンプ圧を低下させるが、流体の管壁に対する摩擦のため
に流入体を圧送し続ける必要があることが予期される。 流出流体の沸騰は、流出液上向管の背圧を減少させる
か、または流出流体の温度を上昇させることによって開
始させることができる。本発明の化学反応を行わせる最
も好ましいプロセスは、流出流体の沸騰は上向管中の背
圧を低下させることによって開始させられる。化学反応
を行うための開示された方法では、化学反応は、上向導
管中での背圧を保持する間に反応帯における流体と反応
体を加熱することにより開始される。温度感知装置を上
向導管の所定の深さに配設し、次いで上向導管の背圧を
低下させて、所定の深さでの温度で、流出液体の沸騰を
開始させ維持する。あるいは、温度は下降管中で感知す
ることも出来る。流出液の沸騰を所定の深さに制御しま
たは所定の時間間隔で流出流体を周期的に沸騰させるこ
とも可能である。 以下に更に詳細に記載されているように、上向導管の中
にいて流出液を沸騰させることは、種々の重要な利点を
生じる結果となる。第一に、流出流体を沸騰させること
により所要ポンプ圧を実質的に減少させ、エネルギーを
節約するのみならず、システムの停止および清掃の必要
性を限られたものとする。第二に、流出流体を沸騰させ
ることによって、システム中のマスの流量を実質的に増
加し、システムの効率を増加し、更に処理のコストを軽
減する。最後に、上向管の中で流体を沸騰させることに
よって、所要反応温度を低下させ、更にエネルギーが節
約される。流出流体の沸騰によって、反応帯が拡がり、
システムの効率が増加することも見出されている。 本発明のその他の利点および有利な特徴は、下記の好ま
しい実施例、特許請求の範囲および添付の図面の説明か
ら更に完全に理解されるであろう。
第１図はロングモント、コロラドにおける実験基地の本
出願の譲受人によって配設された一般的タイプの連続流
体処理装置20を示している。開示された処理装置20は、
流体または水性流状の各種可燃性物質であって、反応体
の一つが酸素、酸素に富む空気または空気であるものを
処理するのに好適な縦型孔または深井戸式反応装置であ
る。典型的な応用では、流入流は希釈された都市下水の
スラッジのような有機性の動物廃棄物を水流に懸濁また
は取り込んだものからなり、酸素を地表レベルまたは下
降導管中のいろいろなレベルで流出物に注入する。上記
に引用したマックグルー（McGrew）の米国特許明細書に
開示されているように、好ましい流体処理装置は複数の
パイプまたは導管群であって一般的には地下の軸または
開口に垂直に伸びているものから成る。例えば希釈され
た都市下水のスラッジのような希釈された動物の廃棄物
の湿時酸化用の処理装置では、導管は地中へ約１マイル
伸びて、環を形成し、流動性廃棄物流を満たすと極めて
実質的な流体圧の静水カラムを形成する。しかしなが
ら、導管の長さは処理される物質の型および所望される
反応または処理によって変化することが理解されるであ
ろう。例えば、固形粒状物質が循環流体に懸濁または溶
解している型の各種反応に本発明の反応装置および方法
を用いることも好適である。 典型的な応用では、導管またはパイプは一般的には一体
構造のものではなく、それぞれの垂直に伸びる導管また
はパイプは、典型的には油田のパイプと同様に紐状に直
列に接続されている複数の部分からなっている。典型的
な都市下水スラッジの湿時酸化への応用では、例えばそ
れぞれのパイプの長さは約40フイート（約12m）であ
り、その総延長は約5.200フイート（約1585m）である。
処理される流体の反応容器中の流量は、実質的に連続的
な操作では約80〜400ガロン／分（約21〜106l/min）で
ある。本発明の化学反応の実施法を、説明を簡単にする
ために都市下水にスラッジの湿時酸化を行うための処理
装置および方法に就いて記載することにする。しかしな
がら、本発明の方法は、各種の都市、産業および農業廃
棄物、流動性反応物等を含む物質の各種の他の反応およ
び処理にも同様に応用することができることが理解され
るであろう。 本明細書に開示されたタイプの深井戸式反応装置におけ
る好ましい反応は発熱反応であり、例えば反応の熱によ
って連続的流体流の反応を維持するような、記載された
都市の下水のスラッジの湿時酸化であることは明らかで
ある。都市の下水のスラッジの湿時酸化では、湿時酸化
反応は約350°Ｆ（177℃）に開始される。マックグルー
（McGrew）の特許明細書に開示された型の典型的な反応
系では、350°Ｆ（177℃）の反応開始温度は地表から約
2000フイート（約610m）において達せられる。しかしな
がら、各種の因子が実際的な反応容器の温度、圧力およ
び流量に影響を与える。実際の運転では、有機および無
機スケールが導管壁に生じて、３種の因子総てに影響を
与える。スケールが生成すると所要ポンプ圧が増加し、
流量が低下して、反応装置を停止して清掃しなければな
らなくなる。明らかなように、導管またはパイプを流れ
る流体の摩擦抵抗から生じる初期ポンプ圧があり、この
摩擦抵抗はパイプにスケールが形成されるにしたがって
増加する。これは、反応の開始温度以下で配置された反
応帯の上部で実際に起こる。 本明細書に記載されるように、上向パイプまたは導管に
おける流出液の沸騰によって反応効率は実質的に改善さ
れる。 反応装置20の開示された実施例では、外側または最外部
導管22は導管24を取り巻き、上向流路または環25を形成
する。開示された実施例では、導管24は熱交換器26を取
り巻いて、下降流路または環27を形成する。上記引用の
マックグルー（McGrew）の特許明細書に記載されている
ように、熱交換器26は熱を加えまたは除くことによって
反応容器の温度を制御するために用いられる。熱交換器
26の開示された実施例は下降パイプ28を有し、これは上
向環31を形成する上向パイプ30によって囲まれている。
油、水、水蒸気または他の熱交換媒体を熱交換器26を循
環させて、所望されるように反応容器を加熱したり冷却
すたりする。熱交換器の一つの目的は、本明細書では反
応帯として表わされる反応装置の下部で所望の反応を開
示することであることが理解されるであろう。加熱され
た油、水または水蒸気は下降パイプ28を通って下方に反
応装置の下部に送られ、ここで最も高温の熱交換媒体が
環27において下方に流れる流入流体と熱交換関係にな
る。熱交換器のもう一つの目的は、反応が自発的になっ
た場合には、必要に応じて熱を取り去ることである。熱
交換器のもう一つの機能は温度を安定化させることによ
って、システムの運転を安定化させることである。しか
しながら、特に水のシステムを用いる場合には、反応容
器中に伸びる単一の水蒸気パイプを含むその他の手段に
よって所望の反応を開始させることも可能である。電気
的加熱器も考えられるが、最も好ましいシステムは上記
のような熱を加えたりまたは除いたりするための熱交換
器を有するものである。 可燃性有機物質を含む都市の下水のスラッジを、環27中
に下方に流れる流入廃棄物流として下降環27に導入し、
熱交換器26と接触させる。上記引用されたマックグルー
（McGrew）の特許明細書に記載のような都市のスラッジ
の湿時酸化では、液体の沸騰は所定圧を保持することに
よって防止され、酸化反応は一般的には約350°Ｆ（約1
77℃）の流動性廃棄物流温度で地下約2000フイート（約
610m）で始まる。流動性廃棄物流が下方に流れ続け、流
動性廃棄物流の温度が地表から約3000〜5000フイート
（約915〜1524m）の深さで約500°Ｆ（260℃）まで上昇
するにしたがって、反応は徐々に進行する。次いで発熱
性湿時酸化反応が極めて激しくなり、特に下降環27中に
反応帯を形成し、かなりの熱が発生される。上記のよう
に、導管24の底部32は解放されており、反応生成物と液
体が下降環27から上向環25へ流れるようになっている。
反応生成物を含む加熱された流体は次に流出廃棄物流と
して上向環25中を上方へ流される。装置が熱伝達または
熱交換関係になっているため、上向流出液の熱はパイプ
24を介して下降流入液へ伝達される。同様に熱交換器26
の下降パイプ28は解放された末端を有し、上向パイプ30
は閉鎖された末端38を有する。油のような熱交換流体は
下降パイプ28を通して受け入れられ、環31を通して元に
戻すことによって、熱交換流体を再循環させ、主として
環27の下部で流入流へ熱を伝達して、上記のような反応
帯を形成する。 第１図は又、本発明の化学反応を行う方法において、酸
化または酸素に富むガスを注入する好ましい方法を図解
的に示している。明らかなように、環27中の流入液の静
水柱の圧は流体の密度によって変わる。したがって、ガ
ス状反応体は地表レベル40以下で、所望の反応開始温度
である反応帯の上部で注入されるのが好ましい。都市の
廃棄物スラッジの湿時酸化では、開始温度は約350°Ｆ
（約177℃）であり、一般に地表レベル40の下約2000フ
イート（約610m）で起きる。上向環25において流出液を
沸騰させることの一つの好ましい効果は、反応帯を拡げ
ることである。流出液が沸騰している場合には、反応帯
は約1000フイート（約305m）で始まり、したがって酸素
は約1000フイート（約305m）で注入すべきである。それ
故、特に上向環25中の液体が下記のような時間間隔で周
期的に沸騰する場合には複数の酸素注入位置を有するこ
とが望ましい。更に、本発明の譲受人に譲渡された同時
係属米国特許出願明細書に記載されているように、地表
でまたはその付近で流入液の環27へ酸素を周期的に吹き
込んで、下降環中のよごれを減少させることが望ましい
こともある。 第１に示した深井戸式反応装置の実施例では、上向環25
中での間欠的沸騰に対して２個の酸素注入位置が設けら
れている。このシステム圧縮空気タンクまたはその他の
酸素源であっても良い酸素源42を含む。最も好ましい実
施例では純粋なまたは実質的に純粋な酸素を下降環に注
入し、この場合には酸素源は液体酸素の常圧気化器（図
示せず）へポンプで送り、圧力をもった実質的に純粋な
酸素を供給する液体酸素であってもよい。酸素はライン
44および46を通して反応装置へ送られ、それぞれ弁48お
よび50で制御される。第一のライン44は地表レベル40の
下の所定の深さに伸びており、上向環25中の液体が沸騰
していないときには、反応帯の上部付近の開口52を介し
て空気を注入し、ライン46は、上向環25の沸騰が始まっ
ている。時には開口54を通して酸素を注入する浅い方の
部位まで伸びている。典型的な応用では、下部の注入点
52は、地表レベル40から約2000フイート（約610m）下で
あり、注入点54は地表から約1000フイート（約305m）下
である。 流入流体はライン56を通して反応装置に導入され、下降
環または流路27を通って下方へ流れる。始動の際には、
熱は熱交換器26から下降流入流へ伝達されて湿時酸化反
応を開始する。上記のように、流入液体の温度が約350
°Ｆ（約177℃）に達すると、湿時酸化反応が開始され
る。典型的な始動プロセスでは、流入水の温度が約350
°Ｆ（約177℃）に達するまで流入液として最初は水を
用い、次いで水は所定の化学的酸素要求量（COD）を有
する希釈された下水スラッジで置き換えられる。酸化反
応を完結するのに要する酸素の質量は下水のスラッジの
化学酸素要求量として表わされる。下水のスラッジが反
応装置に導入されると、酸素も好ましくは下部注入点52
を通して導入される。上記のように、流入液は次に導管
24の開放された末端32を通して受け取られ、上向環25を
通して上方に循環され、下降環27中の流体と熱伝達を行
う。流出液はライン58の上向環25から受け取られ、通常
の分離容器60に移され、ここで流出液は分離容器の最上
部のガス状相と分離容器の下部の液体／固体相とに分離
される。ガスと蒸気は分離容器から、弁64によってコン
トロールされるライン62を通して除去され、液体および
固体は弁68によってコントロールされるライン66を通し
て容器の底部から取り出される。 外側の上向環25における流出液にかかる圧であるシステ
ムの「背圧」は、弁70によってコントロールされる。弁
70は所定の量だけ開放され、流出流に対する所定の背圧
を維持する。例えば、始動の際には、流出液に対する背
圧を保持して沸騰を防止する。圧が所定温度における流
出液体の沸騰圧まで低下したとき、流出液は沸騰し始め
る。上記のように、流出流における維持された沸騰は、
システムの「間欠噴出」を生じると当業者によって考え
られていた。すなわち、沸騰は上向環25を下り、流入環
27の開口部32に達すると、水蒸気、未処理下水および反
応生成物を噴出する結果となる。それ故、弁70によって
背圧を制御することにより上向流路25中での沸騰を防止
するためあらゆる努力がなされた。沸騰を防止するよう
に常に背圧を保持し、または沸騰が自発的に開始された
時には圧力は直ちに増加された。 第１図に示した深井戸式反応装置は、上向流路または環
25中で流出液の沸騰を開始させ保持し或いは流出液を定
期的に沸騰させるのに特に好適である。この装置は、上
向流出液流路または環25中を下方に伸びる温度センシン
グライン74を有する通常の温度指示コントローラー（TI
C）72を含む。開示された実施例では、センサーライン7
4は、沸騰が上向流路25において開始されるとき、反応
帯の上部付近の点にまで流出液流路25中を伸びている。
温度指示コントローラー72はライン76によって通常の圧
力指示コントローラー（PIC）78に接続されている。圧
力指示コントローラー78は流出液排出導管58に接続され
た圧力センサーライン80と弁70に接続されたコントロー
ルライン82を含む。本発明の方法の一つの実施例では、
上向流路25中の液体は、ライン58の中の流出液の背圧が
所定の最大圧に達すると、周期的に沸騰されることがあ
る。流出液導管58中の圧力はライン80を介して圧力指示
コントローラー78によって感知され、弁70によって制御
される背圧は、コントロールライン82によって次に温度
指示コントローラー72の温度センサーライン74によって
示される所定の深さの温度の沸騰圧まで減少させられ
る。次いで、上向環中の沸騰は上記のように圧力指示コ
ントローラーの操作によって保持されることができる。
すなわち、弁70を調整することによって背圧を連続的に
調整して、沸騰を保持する。或いは、上向流路25の沸騰
は、下記のようにシステムの効率を向上させるために所
定の時間間隔で周期的に開始させることができる。 第２図〜第５図には、反応容器の力のプロアイルに対す
る上向環中の流出液体の沸騰の効果（第２図）、スラッ
ジ質量の流量（第３図）反応容器に対するプロセスの蒸
気圧または酸素供給量（第４図）および反応温度（第５
図）が示されている。 第２図〜第５図のグラフは、ロングモント、コロラド深
井戸式反応装置の実験的操作のコンピューターの読みか
ら取られている。第２図に示されるように、ポンピング
圧力（流入液）は平均550psig（38.7kgs/cm2）であり、
ポンプ圧は午前10時頃には600psig（42.4kgs/cm2）を超
過し、沸騰実験前の実際の圧の読みは616psig（43.3kgs
/cm2）であった。流出液の圧を約130psig（9.1kgs/c
m2）に保持して流出液の沸騰を回避し、反応容器中の圧
降下であるΔＰ（流入液圧−流出液圧）は約420psig（2
9.5kgs/cm2）であった。午前10時頃には流入スラッジの
流量（第３図）は、ポンプ圧が極めて大きかったので減
少させなければならなかった。通常の運転では、システ
ムはポンプ圧が600psig（42.2kgs/cm2）を超過したとき
は、流入物の閉塞物を取り除いて清掃するために停止さ
れた。 清掃の為に反応容器を停止する代わりに、背圧（流出
圧）を手動で約50psi（3.5kgs/cm2）低下させることに
よって、正午頃（12）に流入液の中の沸騰を開始させた
（第２図を参照されたい）、流入液の背圧を低下するこ
とは、第１図のコントロール弁70を開放することによっ
て達成された。背圧（流出液圧）を手動で減少させるこ
とによって、流出液の沸騰が開始され、流入圧またはポ
ンプ圧が350psig（約24.6kgs/cm2）まで不均一的に減少
する結果となった。背圧が減少することによって、更に
スラッジ流入量が約900ポンド／時（408kgs/hr）から18
00〜1900ポンド／時（816.5〜862kgs/hr）まで著しく増
加し（第３図）、それに対応して酸素流量が15ポンド／
分（6.8kgs/min）から26ポンド／分（11.8kgs/min）以
上まで増加した（第４図）。 反応容器中の温度変化の応答を第５図に示す。 図に示されているように、正午頃に最初に手動で背圧を
調整すると、上向環中の流出液の温度が上昇し、数時間
後に安定した。下降孔温度（5000フイート（1524m）に
おける熱油）はほとんど具体的に影響されなかった。反
応容器中の圧降下（ΔＰ）は摩擦による圧力降下および
下降環と上向環との間の静水ヘッドの差によって決定さ
れる。これらの圧力降下に加えて、導管壁にスケールの
形成によるつまりと、下降環部の制限によって起こる下
降環内の目詰りは、計算した圧降下よりも大きな圧降下
の原因であった。応答容器内の圧力降下によって、流入
液体を圧送し、流入酸素を圧縮して圧力降下に打克つこ
とを必要とする。下降環の目詰りと、余り大きくはない
が反応導管壁のスケール付着によって、運転時間の経過
と共に流入圧が増加する結果となる。通常は操作を停止
して、逆洗または部分的苛性アルカリ洗浄により目詰り
を除き、または順次に苛性アルカリおよび酸による洗浄
を行って目詰りとスケール両方を取り除く必要がある。 上記の第２図〜第５図のグラフに示されるように、反応
容器の背圧を手動で減少させることによって、上向環に
おける流出流の沸騰と、ポンピング圧力の不均一な低下
と、反応容器中の圧力降下の実際の減少とが起こる。上
向環における背圧および沸騰の減少は、上向環中の上記
分圧と温度を増加することによって上向環中の静水ヘッ
ドを減少させる。以前は、上向環中の温度上昇特に沸騰
は、反応容器全体の間欠的噴出の危険性が大きくなるの
で、有害なものと考えられ、回避された。しかしなが
ら、これらの実験によって示されるように、上向環の反
応容器温度は圧変化が安定した後、エネルギー平衡を満
足させる温度で安定する。上向環における温度を高温に
保ち、それによって反応容器内の圧降下が低い状態で運
転するために、第１図に示されるように、コントロール
ループを確立して、温度指示コントローラー72の温度セ
ンサーライン74によって感知される、所定の深さにおけ
る温度に基づいて、弁70によって開口部を調整すること
によって、背圧は連続的に調整される。温度は、第５図
に示されるように、背圧を増加または減少させることに
よって維持される。すなわち、背圧が低下すると、流出
液の温度が上昇し、上向環における沸騰が維持される。
更に、間欠的噴出を回避しながら安全に運転して、沸騰
を所定の深さに維持することができる。また、上向環に
おける流出液の沸騰を、最終的にはマスの流量を実質的
に増加させることによって急冷することができる。斯く
して、上向環中の流出液を時間間隔をおいて定期的に沸
騰させ、例えばポンピング圧力を減少させ、マスの流量
を増加させ且つシステムの効率を向上させることが可能
である。 第２図〜第５図に示された実施例では、反応容器中のマ
スの流量は、背圧を手動で減少させ且つ上向環中の流出
液の沸騰を開始させることによって２倍にされた。所定
の圧を保持しながら、流出液の温度を上昇させる事によ
って、上向環中の流出液の沸騰を開始させることも可能
であることが理解されるであろう。上向環中の流出液を
沸騰させることから得られる利点は幾つかある。反応容
器内の圧力降下を減少させることによって、入り口また
はポンピングが低くなり、したがって流入液体の圧送お
よびガス状流入物の圧縮に要する電力が節約される。装
置の圧力の格付けを減少させることができるので、投下
資本が節約される。第二に、流出液の沸騰によって、熱
交換部分を更に効率的に利用することができるので、現
存する反応容器の中における滞留時間が増す。第５図の
温度変化図によって示されるように、流出流体の沸騰に
よって反応帯が拡がりまたは増大する。したがって、所
定の生産レートに対する反応容器の容積を減少させて、
投下資本を節約することも可能である。滞留時間が増加
すると、例えば産業設計での有機物質の排出を低下させ
る結果となる。第三に、流入流体の沸騰によって、清掃
に要する停止回数を減らし、長期間に亘って生産レート
を大きくすることができる。これによってオンライン因
子が大きくなり、運転および投下資本のコストが著しく
減少する。最後に、洗浄サイクル間の生産レートが増加
するので始動時に要する燃料および洗浄時の薬品の消費
量が減少する。所要の洗浄サイクルが少なくなることに
よって、反応容器の寿命が更に増加する。流出液を沸騰
させることによるこれらのいくつかの改良点は、この様
な沸騰は間欠的噴出を生じて、これはシステムにとって
極めて不都合なものと思われていたので、予期されなか
ったことである。
出願の譲受人によって配設された一般的タイプの連続流
体処理装置20を示している。開示された処理装置20は、
流体または水性流状の各種可燃性物質であって、反応体
の一つが酸素、酸素に富む空気または空気であるものを
処理するのに好適な縦型孔または深井戸式反応装置であ
る。典型的な応用では、流入流は希釈された都市下水の
スラッジのような有機性の動物廃棄物を水流に懸濁また
は取り込んだものからなり、酸素を地表レベルまたは下
降導管中のいろいろなレベルで流出物に注入する。上記
に引用したマックグルー（McGrew）の米国特許明細書に
開示されているように、好ましい流体処理装置は複数の
パイプまたは導管群であって一般的には地下の軸または
開口に垂直に伸びているものから成る。例えば希釈され
た都市下水のスラッジのような希釈された動物の廃棄物
の湿時酸化用の処理装置では、導管は地中へ約１マイル
伸びて、環を形成し、流動性廃棄物流を満たすと極めて
実質的な流体圧の静水カラムを形成する。しかしなが
ら、導管の長さは処理される物質の型および所望される
反応または処理によって変化することが理解されるであ
ろう。例えば、固形粒状物質が循環流体に懸濁または溶
解している型の各種反応に本発明の反応装置および方法
を用いることも好適である。 典型的な応用では、導管またはパイプは一般的には一体
構造のものではなく、それぞれの垂直に伸びる導管また
はパイプは、典型的には油田のパイプと同様に紐状に直
列に接続されている複数の部分からなっている。典型的
な都市下水スラッジの湿時酸化への応用では、例えばそ
れぞれのパイプの長さは約40フイート（約12m）であ
り、その総延長は約5.200フイート（約1585m）である。
処理される流体の反応容器中の流量は、実質的に連続的
な操作では約80〜400ガロン／分（約21〜106l/min）で
ある。本発明の化学反応の実施法を、説明を簡単にする
ために都市下水にスラッジの湿時酸化を行うための処理
装置および方法に就いて記載することにする。しかしな
がら、本発明の方法は、各種の都市、産業および農業廃
棄物、流動性反応物等を含む物質の各種の他の反応およ
び処理にも同様に応用することができることが理解され
るであろう。 本明細書に開示されたタイプの深井戸式反応装置におけ
る好ましい反応は発熱反応であり、例えば反応の熱によ
って連続的流体流の反応を維持するような、記載された
都市の下水のスラッジの湿時酸化であることは明らかで
ある。都市の下水のスラッジの湿時酸化では、湿時酸化
反応は約350°Ｆ（177℃）に開始される。マックグルー
（McGrew）の特許明細書に開示された型の典型的な反応
系では、350°Ｆ（177℃）の反応開始温度は地表から約
2000フイート（約610m）において達せられる。しかしな
がら、各種の因子が実際的な反応容器の温度、圧力およ
び流量に影響を与える。実際の運転では、有機および無
機スケールが導管壁に生じて、３種の因子総てに影響を
与える。スケールが生成すると所要ポンプ圧が増加し、
流量が低下して、反応装置を停止して清掃しなければな
らなくなる。明らかなように、導管またはパイプを流れ
る流体の摩擦抵抗から生じる初期ポンプ圧があり、この
摩擦抵抗はパイプにスケールが形成されるにしたがって
増加する。これは、反応の開始温度以下で配置された反
応帯の上部で実際に起こる。 本明細書に記載されるように、上向パイプまたは導管に
おける流出液の沸騰によって反応効率は実質的に改善さ
れる。 反応装置20の開示された実施例では、外側または最外部
導管22は導管24を取り巻き、上向流路または環25を形成
する。開示された実施例では、導管24は熱交換器26を取
り巻いて、下降流路または環27を形成する。上記引用の
マックグルー（McGrew）の特許明細書に記載されている
ように、熱交換器26は熱を加えまたは除くことによって
反応容器の温度を制御するために用いられる。熱交換器
26の開示された実施例は下降パイプ28を有し、これは上
向環31を形成する上向パイプ30によって囲まれている。
油、水、水蒸気または他の熱交換媒体を熱交換器26を循
環させて、所望されるように反応容器を加熱したり冷却
すたりする。熱交換器の一つの目的は、本明細書では反
応帯として表わされる反応装置の下部で所望の反応を開
示することであることが理解されるであろう。加熱され
た油、水または水蒸気は下降パイプ28を通って下方に反
応装置の下部に送られ、ここで最も高温の熱交換媒体が
環27において下方に流れる流入流体と熱交換関係にな
る。熱交換器のもう一つの目的は、反応が自発的になっ
た場合には、必要に応じて熱を取り去ることである。熱
交換器のもう一つの機能は温度を安定化させることによ
って、システムの運転を安定化させることである。しか
しながら、特に水のシステムを用いる場合には、反応容
器中に伸びる単一の水蒸気パイプを含むその他の手段に
よって所望の反応を開始させることも可能である。電気
的加熱器も考えられるが、最も好ましいシステムは上記
のような熱を加えたりまたは除いたりするための熱交換
器を有するものである。 可燃性有機物質を含む都市の下水のスラッジを、環27中
に下方に流れる流入廃棄物流として下降環27に導入し、
熱交換器26と接触させる。上記引用されたマックグルー
（McGrew）の特許明細書に記載のような都市のスラッジ
の湿時酸化では、液体の沸騰は所定圧を保持することに
よって防止され、酸化反応は一般的には約350°Ｆ（約1
77℃）の流動性廃棄物流温度で地下約2000フイート（約
610m）で始まる。流動性廃棄物流が下方に流れ続け、流
動性廃棄物流の温度が地表から約3000〜5000フイート
（約915〜1524m）の深さで約500°Ｆ（260℃）まで上昇
するにしたがって、反応は徐々に進行する。次いで発熱
性湿時酸化反応が極めて激しくなり、特に下降環27中に
反応帯を形成し、かなりの熱が発生される。上記のよう
に、導管24の底部32は解放されており、反応生成物と液
体が下降環27から上向環25へ流れるようになっている。
反応生成物を含む加熱された流体は次に流出廃棄物流と
して上向環25中を上方へ流される。装置が熱伝達または
熱交換関係になっているため、上向流出液の熱はパイプ
24を介して下降流入液へ伝達される。同様に熱交換器26
の下降パイプ28は解放された末端を有し、上向パイプ30
は閉鎖された末端38を有する。油のような熱交換流体は
下降パイプ28を通して受け入れられ、環31を通して元に
戻すことによって、熱交換流体を再循環させ、主として
環27の下部で流入流へ熱を伝達して、上記のような反応
帯を形成する。 第１図は又、本発明の化学反応を行う方法において、酸
化または酸素に富むガスを注入する好ましい方法を図解
的に示している。明らかなように、環27中の流入液の静
水柱の圧は流体の密度によって変わる。したがって、ガ
ス状反応体は地表レベル40以下で、所望の反応開始温度
である反応帯の上部で注入されるのが好ましい。都市の
廃棄物スラッジの湿時酸化では、開始温度は約350°Ｆ
（約177℃）であり、一般に地表レベル40の下約2000フ
イート（約610m）で起きる。上向環25において流出液を
沸騰させることの一つの好ましい効果は、反応帯を拡げ
ることである。流出液が沸騰している場合には、反応帯
は約1000フイート（約305m）で始まり、したがって酸素
は約1000フイート（約305m）で注入すべきである。それ
故、特に上向環25中の液体が下記のような時間間隔で周
期的に沸騰する場合には複数の酸素注入位置を有するこ
とが望ましい。更に、本発明の譲受人に譲渡された同時
係属米国特許出願明細書に記載されているように、地表
でまたはその付近で流入液の環27へ酸素を周期的に吹き
込んで、下降環中のよごれを減少させることが望ましい
こともある。 第１に示した深井戸式反応装置の実施例では、上向環25
中での間欠的沸騰に対して２個の酸素注入位置が設けら
れている。このシステム圧縮空気タンクまたはその他の
酸素源であっても良い酸素源42を含む。最も好ましい実
施例では純粋なまたは実質的に純粋な酸素を下降環に注
入し、この場合には酸素源は液体酸素の常圧気化器（図
示せず）へポンプで送り、圧力をもった実質的に純粋な
酸素を供給する液体酸素であってもよい。酸素はライン
44および46を通して反応装置へ送られ、それぞれ弁48お
よび50で制御される。第一のライン44は地表レベル40の
下の所定の深さに伸びており、上向環25中の液体が沸騰
していないときには、反応帯の上部付近の開口52を介し
て空気を注入し、ライン46は、上向環25の沸騰が始まっ
ている。時には開口54を通して酸素を注入する浅い方の
部位まで伸びている。典型的な応用では、下部の注入点
52は、地表レベル40から約2000フイート（約610m）下で
あり、注入点54は地表から約1000フイート（約305m）下
である。 流入流体はライン56を通して反応装置に導入され、下降
環または流路27を通って下方へ流れる。始動の際には、
熱は熱交換器26から下降流入流へ伝達されて湿時酸化反
応を開始する。上記のように、流入液体の温度が約350
°Ｆ（約177℃）に達すると、湿時酸化反応が開始され
る。典型的な始動プロセスでは、流入水の温度が約350
°Ｆ（約177℃）に達するまで流入液として最初は水を
用い、次いで水は所定の化学的酸素要求量（COD）を有
する希釈された下水スラッジで置き換えられる。酸化反
応を完結するのに要する酸素の質量は下水のスラッジの
化学酸素要求量として表わされる。下水のスラッジが反
応装置に導入されると、酸素も好ましくは下部注入点52
を通して導入される。上記のように、流入液は次に導管
24の開放された末端32を通して受け取られ、上向環25を
通して上方に循環され、下降環27中の流体と熱伝達を行
う。流出液はライン58の上向環25から受け取られ、通常
の分離容器60に移され、ここで流出液は分離容器の最上
部のガス状相と分離容器の下部の液体／固体相とに分離
される。ガスと蒸気は分離容器から、弁64によってコン
トロールされるライン62を通して除去され、液体および
固体は弁68によってコントロールされるライン66を通し
て容器の底部から取り出される。 外側の上向環25における流出液にかかる圧であるシステ
ムの「背圧」は、弁70によってコントロールされる。弁
70は所定の量だけ開放され、流出流に対する所定の背圧
を維持する。例えば、始動の際には、流出液に対する背
圧を保持して沸騰を防止する。圧が所定温度における流
出液体の沸騰圧まで低下したとき、流出液は沸騰し始め
る。上記のように、流出流における維持された沸騰は、
システムの「間欠噴出」を生じると当業者によって考え
られていた。すなわち、沸騰は上向環25を下り、流入環
27の開口部32に達すると、水蒸気、未処理下水および反
応生成物を噴出する結果となる。それ故、弁70によって
背圧を制御することにより上向流路25中での沸騰を防止
するためあらゆる努力がなされた。沸騰を防止するよう
に常に背圧を保持し、または沸騰が自発的に開始された
時には圧力は直ちに増加された。 第１図に示した深井戸式反応装置は、上向流路または環
25中で流出液の沸騰を開始させ保持し或いは流出液を定
期的に沸騰させるのに特に好適である。この装置は、上
向流出液流路または環25中を下方に伸びる温度センシン
グライン74を有する通常の温度指示コントローラー（TI
C）72を含む。開示された実施例では、センサーライン7
4は、沸騰が上向流路25において開始されるとき、反応
帯の上部付近の点にまで流出液流路25中を伸びている。
温度指示コントローラー72はライン76によって通常の圧
力指示コントローラー（PIC）78に接続されている。圧
力指示コントローラー78は流出液排出導管58に接続され
た圧力センサーライン80と弁70に接続されたコントロー
ルライン82を含む。本発明の方法の一つの実施例では、
上向流路25中の液体は、ライン58の中の流出液の背圧が
所定の最大圧に達すると、周期的に沸騰されることがあ
る。流出液導管58中の圧力はライン80を介して圧力指示
コントローラー78によって感知され、弁70によって制御
される背圧は、コントロールライン82によって次に温度
指示コントローラー72の温度センサーライン74によって
示される所定の深さの温度の沸騰圧まで減少させられ
る。次いで、上向環中の沸騰は上記のように圧力指示コ
ントローラーの操作によって保持されることができる。
すなわち、弁70を調整することによって背圧を連続的に
調整して、沸騰を保持する。或いは、上向流路25の沸騰
は、下記のようにシステムの効率を向上させるために所
定の時間間隔で周期的に開始させることができる。 第２図〜第５図には、反応容器の力のプロアイルに対す
る上向環中の流出液体の沸騰の効果（第２図）、スラッ
ジ質量の流量（第３図）反応容器に対するプロセスの蒸
気圧または酸素供給量（第４図）および反応温度（第５
図）が示されている。 第２図〜第５図のグラフは、ロングモント、コロラド深
井戸式反応装置の実験的操作のコンピューターの読みか
ら取られている。第２図に示されるように、ポンピング
圧力（流入液）は平均550psig（38.7kgs/cm2）であり、
ポンプ圧は午前10時頃には600psig（42.4kgs/cm2）を超
過し、沸騰実験前の実際の圧の読みは616psig（43.3kgs
/cm2）であった。流出液の圧を約130psig（9.1kgs/c
m2）に保持して流出液の沸騰を回避し、反応容器中の圧
降下であるΔＰ（流入液圧−流出液圧）は約420psig（2
9.5kgs/cm2）であった。午前10時頃には流入スラッジの
流量（第３図）は、ポンプ圧が極めて大きかったので減
少させなければならなかった。通常の運転では、システ
ムはポンプ圧が600psig（42.2kgs/cm2）を超過したとき
は、流入物の閉塞物を取り除いて清掃するために停止さ
れた。 清掃の為に反応容器を停止する代わりに、背圧（流出
圧）を手動で約50psi（3.5kgs/cm2）低下させることに
よって、正午頃（12）に流入液の中の沸騰を開始させた
（第２図を参照されたい）、流入液の背圧を低下するこ
とは、第１図のコントロール弁70を開放することによっ
て達成された。背圧（流出液圧）を手動で減少させるこ
とによって、流出液の沸騰が開始され、流入圧またはポ
ンプ圧が350psig（約24.6kgs/cm2）まで不均一的に減少
する結果となった。背圧が減少することによって、更に
スラッジ流入量が約900ポンド／時（408kgs/hr）から18
00〜1900ポンド／時（816.5〜862kgs/hr）まで著しく増
加し（第３図）、それに対応して酸素流量が15ポンド／
分（6.8kgs/min）から26ポンド／分（11.8kgs/min）以
上まで増加した（第４図）。 反応容器中の温度変化の応答を第５図に示す。 図に示されているように、正午頃に最初に手動で背圧を
調整すると、上向環中の流出液の温度が上昇し、数時間
後に安定した。下降孔温度（5000フイート（1524m）に
おける熱油）はほとんど具体的に影響されなかった。反
応容器中の圧降下（ΔＰ）は摩擦による圧力降下および
下降環と上向環との間の静水ヘッドの差によって決定さ
れる。これらの圧力降下に加えて、導管壁にスケールの
形成によるつまりと、下降環部の制限によって起こる下
降環内の目詰りは、計算した圧降下よりも大きな圧降下
の原因であった。応答容器内の圧力降下によって、流入
液体を圧送し、流入酸素を圧縮して圧力降下に打克つこ
とを必要とする。下降環の目詰りと、余り大きくはない
が反応導管壁のスケール付着によって、運転時間の経過
と共に流入圧が増加する結果となる。通常は操作を停止
して、逆洗または部分的苛性アルカリ洗浄により目詰り
を除き、または順次に苛性アルカリおよび酸による洗浄
を行って目詰りとスケール両方を取り除く必要がある。 上記の第２図〜第５図のグラフに示されるように、反応
容器の背圧を手動で減少させることによって、上向環に
おける流出流の沸騰と、ポンピング圧力の不均一な低下
と、反応容器中の圧力降下の実際の減少とが起こる。上
向環における背圧および沸騰の減少は、上向環中の上記
分圧と温度を増加することによって上向環中の静水ヘッ
ドを減少させる。以前は、上向環中の温度上昇特に沸騰
は、反応容器全体の間欠的噴出の危険性が大きくなるの
で、有害なものと考えられ、回避された。しかしなが
ら、これらの実験によって示されるように、上向環の反
応容器温度は圧変化が安定した後、エネルギー平衡を満
足させる温度で安定する。上向環における温度を高温に
保ち、それによって反応容器内の圧降下が低い状態で運
転するために、第１図に示されるように、コントロール
ループを確立して、温度指示コントローラー72の温度セ
ンサーライン74によって感知される、所定の深さにおけ
る温度に基づいて、弁70によって開口部を調整すること
によって、背圧は連続的に調整される。温度は、第５図
に示されるように、背圧を増加または減少させることに
よって維持される。すなわち、背圧が低下すると、流出
液の温度が上昇し、上向環における沸騰が維持される。
更に、間欠的噴出を回避しながら安全に運転して、沸騰
を所定の深さに維持することができる。また、上向環に
おける流出液の沸騰を、最終的にはマスの流量を実質的
に増加させることによって急冷することができる。斯く
して、上向環中の流出液を時間間隔をおいて定期的に沸
騰させ、例えばポンピング圧力を減少させ、マスの流量
を増加させ且つシステムの効率を向上させることが可能
である。 第２図〜第５図に示された実施例では、反応容器中のマ
スの流量は、背圧を手動で減少させ且つ上向環中の流出
液の沸騰を開始させることによって２倍にされた。所定
の圧を保持しながら、流出液の温度を上昇させる事によ
って、上向環中の流出液の沸騰を開始させることも可能
であることが理解されるであろう。上向環中の流出液を
沸騰させることから得られる利点は幾つかある。反応容
器内の圧力降下を減少させることによって、入り口また
はポンピングが低くなり、したがって流入液体の圧送お
よびガス状流入物の圧縮に要する電力が節約される。装
置の圧力の格付けを減少させることができるので、投下
資本が節約される。第二に、流出液の沸騰によって、熱
交換部分を更に効率的に利用することができるので、現
存する反応容器の中における滞留時間が増す。第５図の
温度変化図によって示されるように、流出流体の沸騰に
よって反応帯が拡がりまたは増大する。したがって、所
定の生産レートに対する反応容器の容積を減少させて、
投下資本を節約することも可能である。滞留時間が増加
すると、例えば産業設計での有機物質の排出を低下させ
る結果となる。第三に、流入流体の沸騰によって、清掃
に要する停止回数を減らし、長期間に亘って生産レート
を大きくすることができる。これによってオンライン因
子が大きくなり、運転および投下資本のコストが著しく
減少する。最後に、洗浄サイクル間の生産レートが増加
するので始動時に要する燃料および洗浄時の薬品の消費
量が減少する。所要の洗浄サイクルが少なくなることに
よって、反応容器の寿命が更に増加する。流出液を沸騰
させることによるこれらのいくつかの改良点は、この様
な沸騰は間欠的噴出を生じて、これはシステムにとって
極めて不都合なものと思われていたので、予期されなか
ったことである。
第１図は、本発明の化学反応の実施法に好適な反応装置
の図解的な側面立面図であり、 第２図は、第１図に示された反応装置の上向管における
沸騰後の反応圧の変化を示すものであり、 第３図は、第１図に示された反応装置の上向管における
沸騰後のマスの流量のグラフであり、 第４図は、第１図に示された装置における流出流体の沸
騰後の蒸気流量を示すグラフであり、 第５図は、第１図に示された装置における流出流体の沸
騰後の反応温度を示すグラフである。 20…反応容器 22…外側導管 24…導管 25…上向流路 26…熱交換器 27…下降流路 28…下降パイプ 30…上向パイプ 31…上向環 36…開放された末端 38…閉鎖された末端 40…地表のレベル 42…酸素源 44、46、58、62、66、76、80…ライン 48、50、64、68、70…弁 52、54…開口部 60…分離容器 72…温度指示コントローラー 74…温度センサーライン 78…圧力指示コントローラー 82…コントロールライン
の図解的な側面立面図であり、 第２図は、第１図に示された反応装置の上向管における
沸騰後の反応圧の変化を示すものであり、 第３図は、第１図に示された反応装置の上向管における
沸騰後のマスの流量のグラフであり、 第４図は、第１図に示された装置における流出流体の沸
騰後の蒸気流量を示すグラフであり、 第５図は、第１図に示された装置における流出流体の沸
騰後の反応温度を示すグラフである。 20…反応容器 22…外側導管 24…導管 25…上向流路 26…熱交換器 27…下降流路 28…下降パイプ 30…上向パイプ 31…上向環 36…開放された末端 38…閉鎖された末端 40…地表のレベル 42…酸素源 44、46、58、62、66、76、80…ライン 48、50、64、68、70…弁 52、54…開口部 60…分離容器 72…温度指示コントローラー 74…温度センサーライン 78…圧力指示コントローラー 82…コントロールライン
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特公 昭59−21655（ＪＰ，Ｂ２)
Claims (17)
- 【請求項１】少なくとも２個の水のような液体中に取り
込まれた各種の産業、都市の廃棄物及びガス状物質の反
応体の化学反応の実施法において、 （イ）上記反応体を含む流入液体を地下用口部の中を地
下に伸びる下降流路（27）中に流し、それにより流入流
体の静水柱に静水圧が生じ、さらに熱を加えることによ
り、化学反応を開始させ、維持することにより、反応生
成物を生成する工程と、 （ロ）上記流体と反応生成物を上向流路（25）の中を地
表のレベルまで上向きに流す工程と、 （ハ）上記上向流路（25）の中の上記流体を沸騰させる
ことによって上記上向流路（25）における静水圧を低下
させかつ上記流路（25）中のマスの流量を増加させる工
程、 からなる化学反応の実施法。 - 【請求項２】上記反応はガス状反応体を含み、且つ上記
下降流路（27）はその下部に所定の高さの高い反応温度
を有する反応帯を有し、上記ガス状反応体は上記反応帯
の上部領域付近の上記下降流路（27）に導入されること
を特徴とする請求項１項記載の化学反応の実施法。 - 【請求項３】上記流入流体は上記下降流路（27）中で加
熱され化学反応を開始した後、熱を加えたり取り除いた
りすることによって上記下降流路（27）中の上記流入体
の温度を制御し、上記下降流路（27）における流体静水
柱を維持し且つ上記下降流路（27）における上記流入流
体の沸騰を防止することを特徴とする請求項１又は２項
の何れかに記載の化学反応の実施法。 - 【請求項４】所定の深さにおける上記上向流路（25）中
の上記流体の温度を感知し、上記流体（25）の出口圧を
制御し上記所定の深さの上記上向流路（25）における上
記流体の沸騰を維持することを特徴とする請求項１乃至
３項の何れかに記載の化学反応の実施法。 - 【請求項５】上記上向流路の上記流体の沸騰を制御し、
上記上向流路（25）中で所定の時間間隔で周期的に沸騰
させることを特徴とする請求項１乃至４項の何れかに記
載の化学反応の実施法。 - 【請求項６】上記上向流路（25）中の上記流体の沸騰を
制御して上記上向流路（25）の上部に限定することを特
徴とする請求項４又は５項の何れかに記載の化学反応の
実施法。 - 【請求項７】下降流路（27）中の流体と上向流路（25）
中の流体との間に互いに反対方向の流れの熱交換が行わ
れることを特徴とする請求項１乃至６項の何れかに記載
の化学反応の実施法。 - 【請求項８】上向流路（25）は第１のパイプ（22）と第
２のパイプ（24）の間の環によって規定され且つ下降流
路（27）は第２のパイプ（24）の孔によって規定され、
第２のパイプ（24）は第１のパイプ（22）の中に置かれ
第１のパイプ（22）は閉じた端（34）を有することを特
徴とする請求項１乃至７項の何れかに記載の化学反応の
実施法。 - 【請求項９】化学反応は下降流路（25）の底に近接した
反応帯において開始され且つ維持され、予め定められた
圧力は下降流路の中での流入流体の沸騰を防止するのに
足りることを特徴とする請求項１乃至８項の何れかに記
載の化学反応の実施法。 - 【請求項１０】化学反応は発熱反応であることを特徴と
する請求項１乃至９項の何れかに記載の化学反応の実施
法。 - 【請求項１１】沸騰の段階の前に上向流路（25）の中で
流体と化学反応の生成物に最初の圧力が維持されること
を特徴とする請求項１乃至10項の何れかに記載の化学反
応の実施法。 - 【請求項１２】反応体の１つは廃棄物であり化学反応は
廃棄物の湿時酸化であることを特徴とする請求項１乃至
11項の何れかに記載の化学反応の実施法。 - 【請求項１３】廃棄物のCODは予め決定されていること
を特徴とする請求項12に記載の化学反応の実施法。 - 【請求項１４】廃棄物は有機性の動物の廃棄物であるこ
とを特徴とする請求項12又は13項の何れかに記載の化学
反応の実施法。 - 【請求項１５】反応体の１つは酸素であることを特徴と
する請求項１乃至14項の何れかに記載の化学反応の実施
法。 - 【請求項１６】パイプを通る質量の流量は、湿時酸化反
応を維持しながら、上向パイプ中の沸騰を周期的に急冷
するに足りるよう増加されることを特徴とする請求項１
乃至15項の何れかに記載の化学反応の実施法。 - 【請求項１７】上向流路（25）と下降流路（27）は通常
垂直であることを特徴とする請求項１乃至16の何れかに
項記載の化学反応の実施法。
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|---|---|---|---|
| US17659 | 1987-02-24 | ||
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