(57)【要約】  地表下熱自己発生型反応器および方法は、下降流路と上昇流路が、Ё管を形成するように底部で接続され、かつ、互いに熱交換する状態である。下降流路および上昇流路は、それぞれ、上部熱交換部および下部反応部を有する。空気噴射システムは、熱交換部と反応部との間で下降流路内に空気を噴射する。上昇熱交換部の断面積は、下降流速と上昇流速を釣り合わせるために、下降熱交換部の断面積より大きい。下降熱交換部は、熱伝達面積を増加させるために、複数の管を有する。
2009512542.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体内で反応体の化学反応をもたらす地表下熱自己発生型反応器において、
下降流路を画定する下降手段であって、下降熱交換部、および前記下降熱交換部より下の下降反応部を有し、前記下降熱交換部は、前記流体の静水圧カラムを形成するのに十分な深さまで延び、前記静水圧カラムは、前記反応体に反応させるのに十分な圧力を有する、下降手段と、
前記下降手段と熱交換する状態にある下降流路を画定する上昇手段であって、上昇熱交換部、および前記上昇熱交換部より下の上昇反応部を有し、前記上昇手段は、前記下降手段と流体連通し、それにより、前記下降手段を下方に流れる前記流体が、前記上昇手段を支援するように流れ、前記上昇熱交換部は、前記下降熱交換部のサイズに対してサイズが拡大されて、前記上昇熱交換部内の前記流体の速度が減速され、それにより、前記上昇熱交換部内の前記流体の速度が、前記下降熱交換部内の前記流体の速度と実質的に同じになる、上昇手段とを備えており、
それにより、実質的に最大の熱量が、前記上昇熱交換部内の前記流体から前記下降熱交換部内の前記流体へ伝達されて、別の供給源から熱を加えることなく、前記化学反応が持続される、反応器。
【請求項２】
前記下降手段は、前記下降熱交換部と前記下降反応部との間に空気噴射部を含み、
空気を前記流体内に噴射するために、前記空気噴射部に接続された空気噴射システムを含む、請求項１に記載の反応器。
【請求項３】
前記下降熱交換部は、前記流体の静水圧カラムを形成するのに十分な深さまで延びており、前記静水圧カラムは、前記反応体を選択された程度に反応させるのに十分に高い密度で、酸素含有空気を噴射するのに十分な圧力を有し、かつ前記空気と前記流体との選択された容積比を提供するのに十分な圧力を有する、請求項１に記載の反応器。
【請求項４】
前記下降熱交換部と前記上昇熱交換部との相対的なサイズは、前記下降熱交換部内の前記流体の平均流速が、前記上昇熱交換部内の前記流体の平均流速にほぼ等しくなるように選択される、請求項１に記載の反応器。
【請求項５】
前記下降熱交換部と前記上昇熱交換部との相対的なサイズは、前記下降熱交換部内の前記流体の滞留時間が、前記上昇熱交換部内の前記流体の滞留時間にほぼ等しくなるように選択される、請求項１に記載の反応器。
【請求項６】
前記下降熱交換部と前記上昇熱交換部との相対的なサイズは、前記下降熱交換部内の前記流体の熱交換係数を掛けた平均流速が、前記上昇熱交換部内の前記流体の熱交換係数を掛けた平均流速にほぼ等しくなるように選択される、請求項１に記載の反応器。
【請求項７】
前記上昇手段は、細長い円柱上昇管を含み、前記下降手段は、前記上昇管内に少なくとも１つの細長い円柱下降管を含む、請求項１に記載の反応器。
【請求項８】
前記上昇手段は、細長い円柱上昇管を含み、前記下降熱交換部は、前記上昇管内に複数の離間した細長い円柱の下降熱交換管を含み、前記下降反応部は、前記上昇管内に少なくとも１つの細長い円柱の下降反応管を含む、請求項１に記載の反応器。
【請求項９】
前記下降熱交換部は、少なくとも３つの下降熱交換管を含む、請求項８に記載の反応器。
【請求項１０】
前記反応器は、前記下降熱交換管および前記下降反応管と離間して、前記上昇管内にある可逆流熱交換器を含み、また、前記可逆流熱交換器は、前記反応を始動し、前記反応の温度を制御し、前記反応から過剰の熱を回収するために、前記上昇反応部内に延びる、請求項８に記載の反応器。
【請求項１１】
前記反応器は、空気を前記流体内に噴射するために、前記下降熱交換部と前記下降反応部との間に、前記下降手段に接続された空気噴射システムを含む、請求項１に記載の反応器。
【請求項１２】
前記反応器は、前記下降および上昇手段における圧力および流量を制御するために、前記上昇手段に接続された圧力制御デバイスを含む、請求項１に記載の反応器。
【請求項１３】
前記下降手段および前記上昇手段は、約９１４．４〜１８２８．８メートル（３，０００〜６，０００フィート）の深さまで延びる、請求項１に記載の反応器。
【請求項１４】
前記下降熱交換部および前記上昇熱交換部は、約６０．９６〜９１４．４メートル（２００〜３，０００フィート）の深さまで延びる、請求項１に記載の反応器。
【請求項１５】
流体内で反応体の化学反応をもたらす地表下熱自己発生型反応器において、
下降流路を画定する下降手段であって、上端、前記上端から下で複数の離間した細長い円柱である下降熱交換管、前記下降熱交換管より下の複数の離間した細長い円柱の下降反応管、および底端を有しており、前記下降熱交換管は、前記流体の静水圧カラムを形成するのに十分な深さまで延びており、前記静水圧カラムは、前記反応体を選択された程度に反応させるのに十分に高い密度で酸素含有空気を噴射するのに十分な圧力を有し、かつ前記流体に前記空気の選択された容積比を提供するのに十分な圧力を有する、下降手段と、
前記流体を前記下降流路内の前記上端に圧送するポンプと、
前記下降手段と熱交換する状態にある上昇流路を画定する上昇手段であって、上端、前記上端の下にあって前記下降熱交換管および前記下降反応管の周りにある上昇管、ならびに前記下降手段の底端と流体連通する閉じた底端を有し、それにより、前記下降流路を下方に流れる前記流体が、前記上昇流路を支援し、かつ、前記上昇手段の前記上端を出て流れるようにし、前記上昇手段は、選択された第２断面積を有し、前記第１および第２の断面積は、前記下降熱交換管内の前記流体の平均流速が、前記上昇管内の前記流体の平均流速にほぼ等しくなるように選択される、上昇手段と、
空気を前記流体内に噴射するために、前記下降熱交換管と前記下降反応管との間に、前記下降手段に接続された空気噴射システムと、
前記下降熱交換管および前記下降反応管と離間し、前記上昇管内にある可逆流熱交換器であって、前記可逆流熱交換器は、前記反応を始動し、前記反応の温度を制御し、前記反応から過剰の熱を回収するために、前記上昇手段の前記上端から前記底端の近くまで延びる、可逆流熱交換器とを備えており、
それにより、前記下降熱交換部内の前記流体の速度が、前記上昇熱交換部内の前記流体の速度に釣り合うため、実質的に最大の熱量が、前記上昇熱交換部内の前記流体から前記下降熱交換部内の前記流体へ伝達される、反応器。
【請求項１６】
流体内で反応体の地表下熱自己発生型化学反応をもたらす方法において、
下降流路を設けるステップであって、下降熱交換部、および前記下降熱交換部より下の下降反応部を有し、前記下降熱交換部は、前記流体の静水圧カラムを形成するのに十分な深さまで延びており、前記静水圧カラムは、前記反応体に反応させるのに十分な圧力を有する、下降流路を設けるステップと、
前記下降流路と熱交換する状態にある上昇流路を設けるステップであって、上昇熱交換部、および前記上昇熱交換部より下の上昇反応部を有し、前記上昇流路は、前記下降流路と流体連通し、それにより、前記下降流路を下方に流れる前記流体が、前記上昇流路を支援するように流れ、前記上昇熱交換部は、前記下降熱交換部のサイズに対してサイズが拡大されて、前記上昇熱交換内の前記流体の速度が減速され、それにより、前記上昇熱交換内の前記流体の速度が、前記下降熱交換部内の前記流体の速度と実質的に同じになる、上昇流路を設けるステップと、
前記下降流路を下方にかつ前記上昇流路を上方に、前記流体を流すステップと、
前記下降反応部および前記上昇反応部で、前記流体を反応させるステップと、
前記上昇熱交換部内の前記流体から前記下降熱交換部内の前記流体へ、前記反応させるステップを持続するのに十分な熱を伝達するステップとを含み、
それにより、前記化学反応が熱自己発生型となる、方法。
【請求項１７】
前記下降熱交換部は、前記流体の静水圧カラムを形成するのに十分な深さまで延びており、前記静水圧カラムは、前記反応体を選択された程度に反応させるのに十分に高い密度で、酸素含有空気を噴射するのに十分な圧力を有し、かつ前記流体に前記空気の選択された容積比を提供するのに十分な圧力を有する、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記熱を伝達するステップは、前記上昇熱交換部内の前記流体から前記下降熱交換部内の前記流体へ実質的に最大の熱量を伝達する、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記下降流路は、前記下降熱交換部と前記下降反応部との間に空気噴射部を含み、さらに、
空気を前記空気噴射部内に噴射するステップを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記下降熱交換部と前記上昇熱交換部との相対的なサイズは、前記下降熱交換部内の前記流体の平均流速が、前記上昇熱交換部内の前記流体の平均流速にほぼ等しくなるように選択される、請求項１６に記載の方法。
【請求項２１】
前記下降熱交換部と前記上昇熱交換部との相対的なサイズは、前記下降熱交換部内の前記流体の滞留時間が、前記上昇熱交換部内の前記流体の滞留時間にほぼ等しくなるように選択される、請求項１６に記載の方法。
【請求項２２】
前記下降熱交換部と前記上昇熱交換部との相対的なサイズは、前記下降熱交換部内の前記流体の熱交換係数を掛けた平均流速が、前記上昇熱交換部内の前記流体の熱交換係数を掛けた平均流速にほぼ等しくなるように選択される、請求項１６に記載の方法。
【請求項２３】
前記上昇流路は、細長い円柱上昇管によって画定され、前記下降熱交換部は、前記上昇管内の複数の離間した細長い円柱の下降熱交換管によって画定され、前記下降反応部は、前記上昇管内の少なくとも１つの細長い円柱の下降反応管によって画定される、請求項１６に記載の方法。
【請求項２４】
前記上昇反応部内に延びる可逆流熱交換器を設けるステップと、
前記熱交換器によって、前記上昇反応部内の前記流体に対して熱を加えることによって、前記反応させるステップを始動するステップと、
前記熱交換器によって、前記反応させるステップの温度を制御するステップと、
前記熱交換器によって、前記反応させるステップから過剰の熱を回収するステップとを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２５】
前記下降および上昇流路における圧力および流量を制御するために、前記上昇流路に接続された圧力制御デバイスを設けるステップを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２６】
前記下降流路および前記上昇流路は、約９１４．４〜１８２８．８メートル（３，０００〜６，０００フィート）の深さまで延びる、請求項１６に記載の方法。
【請求項２７】
前記下降熱交換部および前記上昇熱交換部は、約６０．９６〜９１４．４メートル（２００〜３，０００フィート）の深さまで延びる、請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化学反応をもたらすことに関し、より詳細には、湿潤酸化をもたらすのに適した熱自己発生型地表下化学反応器および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの化学反応は、高圧、高温条件下で促進される可能性がある。一般に、高圧および高温を発生する装置は、高圧ポンプおよび容器を必要とする。こうした装置は、比較的複雑で、費用がかかり、ほとんどの液状廃棄物の磨耗的な性質のために危険である。
【０００３】
長いＵ管を形成するために、地表下の垂直下降流路および垂直上昇流路が底部で接続された装置は、静水圧カラムを使用して、化学反応を促進するための高圧を発生する。一般に、これらの反応器は、地下深くに延びる一対の同心管、円柱管、垂直管からなる。１つの管の上部内に圧送される反応体は、その管を下方に底部まで流れ、他の管を上方に他の管の上部まで流れる。これらの反応器では、下降管および上昇管は、一般に、互いに熱交換する状態にあるため、上方に流れる流体の反応による熱は、下方に流れる流体を加熱する。
【０００４】
参照により本明細書に組み込まれる、本出願人に対する米国特許第４，２７２，３８３号は、下水汚泥、家畜排泄物、および他の酸化流体などの廃棄物流に反応させるのに特に適した反応器および方法を開示する。開示される装置では、空気が、「テイラーバブル(Taylor bubble)」の形態で、ほぼ地表レベルで噴射され、反応器の下方部分内の反応ゾーン内の熱交換器が、温度を制御した。９．３０７×１０５Ｐａ（１３５ｐｓｉ）より高い圧力と１７６．７℃（３５０°Ｆ）より高い温度で、これらの廃棄物流は、加水分解され、有機成分が分子重量のより軽い分子に分解される。十分な温度、圧力、時間、および酸素によって、有機分子は、本質的に、二酸化炭素、水、および熱に変換されるであろう。
【０００５】
従来の知られている垂直地表下反応器では、上方に流れる流体から下方に流れる流体へ伝達される熱は、反応が、自己持続型であるか、または、熱自己発生型であるのに不十分であった。これらの反応器では、反応を持続させるために、熱交換器を通して熱が連続して加えられるか、または、熱回収を増加させるために、噴射された空気が液体酸素に置き換えられ、コストおよび安全の問題が大幅に増加した。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
地表下熱自己発生型反応器および方法は、下降流路を画定する下降手段、および、下降手段と熱交換する状態で上昇流路を画定する上昇手段を含む。下降手段と上昇手段は、底部で接続して、Ｕ管構造を形成する。下降手段は、上部下降熱交換部、中間空気噴出部、および下部下降反応部を有し、上昇手段は、それぞれ、下降熱交換部および下降反応部と実質的に同一の広がりを持つ上昇熱交換部および上昇反応部を有する。上昇熱交換部の断面積は、下降熱交換部の断面積より大きい。上昇熱交換部の断面積と下降熱交換部の断面積の比は、反応器が、それについて設計される流体の化学的酸素要求量（ＣＯＤ）に依存する。空気は、下降熱交換部と下降反応部との間で、選択された深さで、下降手段の空気噴射部内に噴射される。下降および上昇熱交換部は、単一同心管の熱交換表面積より大きな熱交換表面積を持つように構成される。上昇熱交換部のより大きな断面積は、上昇流体流速を減少させる。上昇流体流の速度の減少および熱交換面積の増加は、下降手段と上昇手段との間の熱伝達を改善し、反応器が、熱自己発生型であるか、または、自己持続型であることを可能にする。
【０００７】
方法は、下降熱交換部、空気噴射部、および下降反応部を有する下降流路を設けるステップと、上昇熱交換部および上昇反応部を有する上昇流路を設けるステップと、下降流路を下方に、また、上昇流路を上方に流体を流すステップと、下降反応部および上昇反応部で流体を反応させるステップと、反応させるステップを持続するのに十分な熱を、上昇熱交換部内の流体から下降熱交換部内の流体へ伝達するステップとを含む。上昇熱交換部は、下降熱交換部より大きい。反応器および方法は、液体酸素または追加の熱エネルギーについての必要性をなくすのに十分な熱を生成し、回収することが可能である。
【０００８】
本発明の詳細は、同じ参照数字を持つ添付図面に関連して述べられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
ここで、図１〜図４を参照すると、本発明の特徴を具現化する地表下熱自己発生型反応器１０は、下降流路１４を画定する下降手段１１、上昇流路１５を画定する上昇手段１２、ポンプ１６、空気噴射システム１７、および熱交換器１８を含む。上昇および下降流れ手段１１および１２は、大地の穴１９の下方で、地表レベル２０の下のかなりの深さに延びる。好ましくは、反応器１０は、外部ケーシング２１で囲まれる。反応器１０は、ケースに作られた井戸内に構築されてもよい。上昇および下降手段１１および１２は、互いに、対向流で熱交換する状態にあり、また、底部で接続されて、地表下水圧Ｕ管構造を形成する。反応器１０は、地表レベル２０から第１深さｄ１まで下方に延びる熱交換ゾーン２２、および、熱交換ゾーン２２から第２深さｄ２まで下方に延びる反応ゾーン２３を含む。
【００１０】
下降手段１１は、上端２５、上端２５から熱交換ゾーン２２を通って下方に延びる下降熱交換部２６、下降熱交換部２６から下方に延びる空気噴射部３１、空気噴射部３１から反応ゾーン２３を通って下方に延びる下方反応部２７、および底端２８を含む。図示する実施形態では、下降熱交換部２６は、複数の細長い円柱の離間した下降熱交換管２９を含む。好ましくは、下降熱交換部２６は、少なくとも３つの下降熱交換管２９を含む。下降反応部２７は、少なくとも１つの、また、好ましくは、複数の細長い円柱の離間した下降反応管３０を含む。下降反応管３０は、多岐管３２として示される空気噴射部３１によって下降熱交換管２９に接続される。
【００１１】
上昇手段１２は、上端３３、上端３３から熱交換ゾーン２２を通って下方に延びる上昇熱交換部３４、上昇熱交換部３４から反応ゾーン２３を通って下方に延びる上昇反応部３５、および底端３６を含む。図示する実施形態では、上昇手段１２は、底端３６が閉じられた、細長い円柱の上昇管３８を含み、上昇管３８は、反応器１０用の反応器ケースを形成する。熱交換器１８は、上昇管３８の中心を下方に延びる、細長い円柱の熱交換器本体３９を有する。下降熱交換管２９は、上昇管３８内で、熱交換器本体３９の周りに離間して配列される。下降熱交換管２９は、１つまたは複数の離間した同心円上に配列され、円の数は、下降熱交換管２９の数に依存する。下降反応管３０は、上昇管３８内で、かつ、熱交換器本体３９の周りで離間して配列される。下降および上昇手段１１および１２は、他の構成を持ってもよい。制限としてではなく、例を挙げると、下降手段１１は、外部管を含み、上昇手段１２は、１つまたは複数の内部管を含むことができるか、または、下降および上昇手段１１および１２は、単一管の部分に分割されることができる。
【００１２】
空気噴射システム１７は、地表レベル２０の空気圧縮機４３、および、空気圧縮機４３から多岐管３２まで延びる空気流ライン４４を含む。ポンプ１６は、下降手段１１の上端２５に接続して、下降流路１４内に流体を圧送する。流体は、下降熱交換管２９を下方に流れる。空気噴射システム１７は、多岐管３２に接続され、多岐管３２において、下方に流れる流体内に空気を噴射する。下降手段１１の底端２８を形成する、下降反応管３０の下部端は、上昇手段１２の底端３６の上で離間し、かつ、底端３６内に開く。空気と混合された流体は、下降反応管３０を下方に流れ、上昇手段１２の底端３６内に出て、下降反応管３０および下降熱交換管２９の外側の周りで上昇管３８を上方に流れる。上昇手段１２の上端３３に接続された、圧力調節器などの圧力制御デバイス４１は、反応器１０の圧力および流量を制御する。
【００１３】
下降熱交換部２６は、選択された第１断面積を有し、上昇熱交換部３４は、選択された第２断面積を有する。第２断面積は、第１断面積より著しく大きくなるように選択される。第２断面積と第１断面積の比は、反応器が処理する流体のＣＯＤに基づいて選択される。下降熱交換部２６を下方に流れる流体は、単相流体流である。下降熱交換部２６の底部における流体内への空気の噴射によって、下降反応部２７を通り、また、上昇反応部および上昇熱交換部３５および３４を通って流れる流体は、液体と気体の２相流になる。
【００１４】
２相流は、単相流に比べて低い密度と低い熱容量を有する。２層流は、低い密度と付加される空気の質量のために、単相流より大きな容積を有する。２層流は、流体が地表レベル２０に近づくにつれて、圧力の減少と対応する気体の膨張のために、特に上昇熱交換部３４内でより大きな容積を有する。
【００１５】
第１および第２の断面積は、下降熱交換部２６内の１相流の流速を、上昇熱交換部３４内の２相流の流速にほぼ等しくなるように選択され、それにより、２つの流動流の滞留時間がほぼ同じになるか、または、平均流体速度がほぼ同じになる。第１および第２の断面積は、さらに、それぞれの熱伝達係数を掛けた、下降熱交換部２６内の１相流の流速と上昇熱交換部３４内の２相流の流速が、ほぼ等しくなるように選択されてもよい。流速を等しくすることと、複数の下降熱交換管２９によって熱伝達面積を増加させることによって、下降流体流の最大加熱が確保され、２層流体によって流出する熱が最小になる。
【００１６】
反応器１０の全体の深さは、第１深さｄ１と第２深さｄ２の和であり、一般に、約９１４．４〜１８２８．８メートル（３，０００〜６，０００フィート）であるが、用途によってはそれ以上であってもよい。熱交換ゾーン２２の第１深さｄ１は、約６０．９６（２００フィート）（ＣＯＤが非常に低い流体の場合）〜９１４．４メートル（３，０００フィート）（ＣＯＤが高い流体の場合）である。空気は、第１深さｄ１において、下方に流れる流体内に噴射される。反応器１０の全体の深さｄ１＋ｄ２および第１深さｄ１は、反応器１０内で処理されることを意図される流体のＣＯＤに依存し、反応器１０は、特定の意図される用途に対して調節されるべきである。ＣＯＤは、一般に、流体を酸化するのに必要とされる酸素の１００万分の１の質量として表される。好ましくは、空気は、「テイラーバブル」の形態で噴射される。
【００１７】
反応器１０の任意の地点での圧力は、上記流体の質量およびポンプ１６の圧力に依存する。水だけが使用された場合、圧力勾配は、０．３０４８メートル（１フィート）の深さ当たり約２．９６４×１０３Ｐａ（０．４３ｐｓｉ）であることになる。ＣＯＤが低い流体の場合、流体を反応させるのに必要とされる大気圧における空気の容積は、流体の容積より小さくてもよく、一方、ＣＯＤが高い流体の場合、流体を反応させるのに必要とされる大気圧における空気の容積は、流体の容積より実質的に大きくなる可能性がある。大気圧またはほぼ大気圧における、地表レベル２０での、または、地表レベル２０の近くでの空気の噴射は、下方に流れる流体の密度を減少させ、それにより、たとえＣＯＤが低い流体の場合でも、静水頭を減少させるであろう。ＣＯＤが高い流体の場合、流体を高圧に与圧せずに、地表レベル２０で、または、地表レベル２０の近くで必要とされる空気を噴射することは可能でない。こうした与圧は、磨耗性流体を取り扱うことが可能な高圧液体ポンプを必要とする。
【００１８】
大気圧と室温における０．０２８立方メートル（１立方フィート）の空気は、約７．５３グラム（約０．０１６６ポンド）の酸素を含有する。５．４１９×１０６Ｐａ（７８６ｐｓｉ）において、０．０２８立方メートル（１立方フィート）の空気は、約４０２．６グラム（０．８８７６ポンド）の酸素、または、大気圧において約５３倍の質量を含有する。噴射地点において、空気圧は、流体の静水圧カラムの圧力より大きくなければならないため、５．４１９×１０６Ｐａ（７８６ｐｓｉ）における空気は、約５３３．４メートル（約１７５０フィート）で噴射され、静水圧カラムによる圧力は約５．１７１×１０６Ｐａ（７５０ｐｓｉ）である。熱交換ゾーン２２の底部において空気を噴射することにより、より多くの酸素を付加することができるため、反応器１０の生成レートは増加する。増加した酸素は、より多くの熱を生成し、生成熱／熱損失比が改善されるため、有効熱を回収することができる。熱交換ゾーン２２の底部において空気を噴射することは、任意の深さで高い静水圧を提供するため、反応器１０の必要とされる深さを減少させることができる。噴射することができる空気量に関する限界は、噴射地点の下の全ての高さにおける静水圧が、水の蒸気圧より大きくなければならないことである。
【００１９】
第１深さｄ１、噴射部３１の深さは、以下のように選択される。処理される流体のＣＯＤが決定され、最高１００％の反応体の反応の程度が選択される。ＣＯＤと反応の程度に基づいて、必要とされる酸素の量が決定される。空気容積と液体容積の比が選択される。この容積比に基づいて、酸素含有空気の必要とされる密度が計算され、そこから、噴射空気の必要とされる圧力が計算される。最小の第１深さｄ１は、下降熱交換部２６内の静水圧カラムによる圧力が、必要とされる圧力より少し小さい深さである。
【００２０】
熱交換ゾーン２２の底部において空気を噴射することの利益は、第２断面積が第１断面積より著しく大きくなければ、実現されないであろう。第２断面積と第１断面積の比は、反応器１０内で処理される意図される材料のＣＯＤに基づいて選択され、そこから、噴射される空気の相対質量が選択される。
【００２１】
以下の特定の寸法および数は、制限としてではなく、例として提供される。図３を参照すると、反応器１０の熱交換ゾーン２２は、０．４３１８メートル（１７インチ）直径と０．１４６８平方メートル（１．５８平方フィート）の断面積を有する上昇管３８を有する。熱交換器本体３９は、０．０８８９メートル（３．５インチ）直径と０．００６２０６平方メートル（０．０６６８平方フィート）の断面積を有する。３６個の離間した下降熱交換管２９は、熱交換器本体３９の周りに配列され、それぞれ、０．０３８１メートル（１．５インチ）直径と０．００１１４平方メートル（１．７６７１平方インチ）の断面積を有する。第１断面積は、０．００１１４平方メートル（１．７６７１平方インチ）×３６＝０．０４１０４平方メートル（０．４４１８平方フィート）である。第２断面積は、（０．１４６８−０．００６２０６−０．０４１０４）＝０．０９９２平方メートル（（１．５８−０．０６６８−０．４４１８）＝１．０６７７平方フィート）である。第２断面積と第１断面積の比は２．４２である。
【００２２】
複数の下降熱交換管２９は、上昇熱交換部３４と下降熱交換部２６との間の熱交換表面積を増加させる。０．０８８９メートル（３．５インチ）熱交換本体３９の周りに同心に、かつ、０．４３１８メートル（１７インチ）上昇管３８内部に配列され、３６個の０．０３８１メートル（１．５インチ）下降熱交換管２９に相当する断面積を有する単一下降熱交換管２９は、約０．２４５４メートル（９．６６インチ）の直径を有することになる。３６個の０．０３８１メートル（１．５インチ）下降熱交換管２９の表面積は、相当する単一下降熱交換管の表面積の約５．６倍である。総合の熱伝達は、表面積に正比例するため、上昇熱交換部３４と下降熱交換部２６との間の表面積の増加は、総合熱伝達を著しく増加させる。
【００２３】
図４を参照すると、反応器１０の反応ゾーン２３内では、上昇管３８は、依然として、０．４３１８メートル（１７インチ）直径と０．１４６８平方メートル（１．５８平方フィート）の断面積を有し、熱交換器本体３９は、０．０８８９メートル（３．５インチ）直径と０．００６２０６平方メートル（０．０６６８平方フィート）の断面積を有する。３つの離間した下降反応管３０は、熱交換本体３９の周りに配列され、それぞれ、０．１２７メートル（５インチ）直径と０．０１２６７平方メートル（１９．６３５平方インチ）の断面積を有する。下降反応部２７の断面積は、０．０１２６７平方メートル（１９．６３５平方インチ）×３＝０．０３８０１平方メートル（０．４０９１平方フィート）である。上昇反応部３５の断面積は、（０．１４６８−０．００６２０６−０．０３８０１）＝０．１０２２平方メートル（（１．５８−０．０６６８−０．４０９１）＝１．１００４平方フィート）である。反応ゾーン２３内での上昇流路１５の断面積と下降流路１４の断面積の比は、２．６９である。
【００２４】
図５は、熱交換ゾーン２２の代替の配置構成を示す。上昇管３８は、０．２５４メートル（１０インチ）直径と０．０５０６７平方メートル（０．５４５４平方フィート）の断面積を有する。熱交換器本体３９は、０．０５０８メートル（２インチ）直径と０．００２０２５平方メートル（０．０２１８平方フィート）の断面積を有する。１０の離間した下降熱交換管２９は、熱交換本体３９の周りに配列され、それぞれ、０．０３８１メートル（１．５インチ）直径と０．００１１４平方メートル（１．７６７１平方インチ）の断面積を有する。第１断面積は、０．００１１４平方メートル（１．７６７１平方インチ）×１０＝０．０１１４平方メートル（０．１２２７平方フィート）である。第２断面積は、（０．０５０６７−０．００２０２５−０．０１１４）＝０．０３７２４平方メートル（（０．５４５４−０．０２１８−０．１２２７）＝０．４００９平方フィート）である。第２断面積と第１断面積の比は３．２６６７である。
【００２５】
０．０５０８メートル（２インチ）熱交換本体３９の周りに同心に、かつ、０．２５４メートル（１０インチ）上昇管３８内部に配列され、１０個の０．０３８１メートル（１．５インチ）下降熱交換管２９に相当する断面積を有する単一下降熱交換管は、約０．１３０８メートル（約５．１５インチ）の直径を有することになる。１０個の０．０３８１メートル（１．５インチ）下降熱交換管２９の表面積は、相当する単一下降熱交換管の表面積の約２９倍である。
【００２６】
図６は、図５の熱交換ゾーン２２と共に使用するための、反応ゾーン２３についての代替の配置構成を示す。上昇管３８は、依然として、０．２５４メートル（１０インチ）直径と０．０５０６７平方メートル（０．５４５４平方フィート）の断面積を有し、熱交換器本体３９は、０．０５０８メートル（２インチ）直径と０．００２０２５平方メートル（０．０２１８平方フィート）の断面積を有する。３つの離間した下降反応管３０は、熱交換本体３８の周りに配列され、それぞれ、０．０６３５メートル（２．５インチ）直径と０．００３１６７平方メートル（４．９０８７平方インチ）の断面積を有する。下降反応部２７の断面積は、０．００３１６７平方メートル（４．９０８７平方インチ）×３＝０．００９５０４平方メートル（０．１０２３平方フィート）である。上昇反応部３５の断面積は、（０．０５０６７−０．００２０２５−０．００９５０４）＝０．０３９１４平方メートル（（０．５４５４−０．０２１８−０．１０２３）＝０．４２１３平方フィート）である。反応ゾーン２３内での上昇流路１５の断面積と下降流路１４の断面積比は、４．１２である。
【００２７】
上昇管３８の直径と反応器１０の深さは、特定の用途および対応するＣＯＤならびに必要とされる処理量（流量）および容量に基づいて選択される。静水圧は、処理される材料について所望の反応温度における流体の沸騰および噴出を防止するのに十分でなければならず、したがって、必要とされる深さが決定される。上昇管３８の直径は、必要とされる反応を確保するために、反応ゾーン２２内の深さ、必要とされる処理量、および所望の休止時間に基づいて決定される。下降熱交換管２９の数は、少なくとも３つであり、下降熱交換管２９についての最小実行可能直径によってだけ制限されるべきである。１つまたは複数の下降反応管３０を使用することができる。
【００２８】
図７を参照すると、熱交換器本体３９は、円柱内部管４６、内部管４６の周りに同心に配列され、かつ、内部管４６から外側に離間した円柱中間管４７、内部管４６と中間管４７との間の断熱材４８、および、中間管４７の周りに同心に配列され、かつ、中間管４７から外側に離間した外部管４９を含む。内部管４６の内側は、第１通路５０を画定し、中間管４７と外部管４９との間の空間は、第２通路５１を画定する。内部管４６は、底部で開き、外部管４９は、底部で閉じて、Ｕ管を形成する。図１に示すように、加熱器５３は、第１通路５０に接続する第１流れライン５４によって地表レベル２０の上で熱交換器本体３９に接続される。第２流れライン５５は、第２通路５１に接続する。
【００２９】
それぞれ、第１および第２流れライン５４および５５上の、第１および第２制御弁５６および５７は、熱交換器本体３９に出入りする流体の流れを制御する。反応器１０の始動中に、加熱器５３によって加熱された流体は、第１流れライン５４を通って中に入り、第１通路５０を下方へ、第２通路を上方へ流れて、熱を反応ゾーン２２に提供し、第２流れライン５５を通って外へ流れる。反応ゾーン２２内での反応が自己持続型になった後に、熱交換器１８内の流体の流れが、反転され、第２流れライン５５を通って中に入り、第２通路５１を下方に、第１通路５０を上方に、第１流れライン５４を通って外へ流れて、反応から熱が回収される。熱交換器１８は、過熱、沸騰、噴出を防止するために反応温度を制御する。好ましくは、本発明の反応器１０の場合、上述したように、熱交換器１８は、水冷設計である。酸素入力の増加および反応器１０の熱回収の改善によって、有用なレベルの過熱蒸気が、熱交換器１８によって回収可能であることになる。少なくとも１つの熱電対５８は、反応器１０の底部の流体の温度を監視するために設けられるべきであり、また、好ましくは、選択された深さにおいて離間した複数の熱電対５８が、反応器１０内の温度を監視するために設けられる。
【００３０】
本発明は、一定の程度の特殊性を持って述べられたが、本開示が例によって行われたこと、および、構造の細部における変更が、本発明の精神から逸脱することなく、行われてもよいことが理解される。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の特徴を具現化する反応器の略図である。
【図２】図１の反応器の部分拡大切り取り側面図である。
【図３】図２のライン３−３に沿って切り取った断面図である。
【図４】図２のライン４−４に沿って切り取った断面図である。
【図５】図２のライン３−３に沿って切り取った代替の断面図である。
【図６】図２のライン４−４に沿って切り取った代替の断面図である。
【図７】図２のライン３−３に沿って切り取った熱交換器の拡大断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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