JPS6061095A - 湿式酸化反応器のための液体―気体注入システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、純酸素または酸素富化カスと不活性パージ液
との混什物を、内部がチタンで被覆または内張すされ、
高められた温度および圧力で操作きれる湿式酸化反応器
内へ導入するための液体−気体注入システムに関する。

湿式酸化は水性の溶液または懸濁液を処理するための周
知の方法であり、高められた圧力および温度で酸素含何
ガスを用いる液相酸化よりなる。

たとえば米国特許第２，６６５，２４９号明細書を参照
されたい。

純酸素または酸素富化ガスを湿式酸化系に商業的に用い
ることは近年開発された。濃縮酸素を用いる場合の火災
および／または爆発の可能性は先行技術においで十分に
論議されており、安全な操作を保証するためには特殊な
装置および方法を必要とする。この棟の湿式酸化システ
ムの安全な操作を取扱った先行技術の数は限られている
。

ある種の材料を湿式酸化すると、＋ｙｔ用される構造材
料たとえば鋼またはステンレス鋼に対し高度に腐食性の
混合物が反応器内に生成する。このような場合、反応器
は高められた温度および圧力で反応器内容物の腐食性に
耐えるためにチタンで被覆することができる。純酸素ま
たは酸素富化空気は一般に腐食の問題を悪化させる。こ
のようなシステムの酸素導入ノズルの設計には、以下の
２つの主な理由から特殊な考慮が必要である。

１２　反応器内容物の腐食性が高いため、酸素導入ノズ
ルはチタンで作成されている必要がある。慣用される他
の耐食性材料、たとえば／・ステロイ（Ｈａｓｔａｔｌ
ｏｙ　）Ｇ−２７６、カーペンタ−（Ｃａｒｐｅｎｔ、
ｅｒ　）　２０−　Ｃｂ３およびステンレス鋼は腐食性
の反応器内容物に暴露するのには不満足である。

２、　チタンは、湿式酸化温度および圧力で醒累に富む
ガスに暴露すると金属の自然燃焼お工び突発故障を起こ
す可能性があるので、酸素導入ノズルとしでは不満足で
ある。チタンはきわめて耐食性であるが、Ｆ、Ｅ、リッ
トマフ　（Ｌｉｔｔｍａｎ　）およびＦ、Ｍ、チャーチ
（Ｃｈｕｒｃｈ　）が下記のファイナル・レポートに報
告しているように、酸素および水の存在下に高められた
圧力で特定の条件下において自然燃焼するｂ１能性のあ
ることが示されている：゛′水および水溶液とチタンの
反応”、スタンフォード研究所プロジェクト、４６ＳＤ
−２１１６，１９５８年６月１５日。

このジレンマは下記４種の刊行物および特許出願のいず
れによっても取組まれていない（これらはいずれも空気
および／または酸素を湿式酸化系に導入することについ
て述べているものであるにもかかわらず）。

ブラット（Ｐγαｄｔ）らの米国特許第４，１７４゜２
８０号明細書では、水に不溶性、非′ａ和性であり、懸
濁または乳化するのが困難な酸化されうる物質の湿式酸
化が、酸化可能な物質を密閉反応器に別個の濃縮でれた
流れとして別個に注入することにより行われる。空気ま
たは酸素は反応器に別個の流れとして、あるいは水との
混会物寸たは水性の溶液もしくは懸濁液として導入され
る。酸化されうる物質、水および酸素の接触は反応器内
で起こるので、酸化されうる物質のスラップの早期酸化
が防止される。

バウ、′Ｌル（Ｂａｕｅｒ　）の米国特許第４．３６９
，１１５号明細書には、純酸素または酸素富化カスを湿
式反応器内の液体中へ導入する方法が記載されている。

チャウダリ−（Ｃｈｏ１ｏｄｈｕ’ｒｙ　）らの米国”
Ｓ−＋Ｗｒ第４．３９５，３３９号明細書には純酸素に
よる湿式酸化の操作法が示されているが、装置の個々の
機械的詳述を意図してはいない。

パラエルらの米国特許第４，３８４，９５９号明細書に
は、湿式酸化系内において可燃性物質の存在下で安全な
比較的低い酸素濃度を得る方法が示されている。

チャウダリーらの米国特許出願第３４６，６４６号明細
書（１９８２年２月８日出願）には、酸素とバージ水と
の混合物を早期に加熱式れることなく湿式酸化反応器に
注入しうるノズルが示されている。

しかしこれらの記述のいずれも、純粋な酸素または酸素
富化ガスを、湿式酸化温度および圧力において液累の存
在下で燃焼する可能性のあるチタンその他の金属により
内部を被覆または内張すされた湿式酸化反応器に安全に
導入することｆｏついては教示していない。このような
安全の導入のための装置も、これらの特許明細書のいず
れにも示さλｔていない。

本発明は、高い酸素濃度ＶＣ起因するチタン燃焼の問題
および非チタン材料たとえはノ・ステロイ台金Ｃ−２７
６、カーペンタ−２０−Ｃｂ３お工びステンレス鋼の著
しい腐食の問題を共に克服する、チタン被覆まＩこけチ
タン内張りされた湿式酸化反応器への液体−気体注入シ
ステムである。

本発明において純酸素もしくは酵素富化空気およびパー
ジ液は非チタン製パイプ中を輸送され、このパイプ自体
は湿式酸化反応器中の腐食性環境から隔離されている。

非チタン製パイプは環状の空間を形成する外側のチタン
製パイプにより囲まれており、この空間内に液体の水、
または内側のパイプに対し非腐食性の水性スラリー、ま
たは他の非腐食性液体の連続的な流れが保持され、（α
）腐食性の反応器内容物と腐食されうる非チタン製、Ｎ
６イブの接触、（ｂ）純酸素または酸素富化空気と、可
燃性チタン製パイプおよび反応器内壁とが反応器内で二
酸化炭素その他の不活性ガスで希釈される以前ｅこ接触
することが、同時に実質」二阻止される。

本発明では、純酸素ガスもしくは酸素富化空気と不活性
すなわち非腐食性の、Ｎ６−ジ液との混合物を、内側ｊ
がチタンで内張りまたは被覆された壁を有する湿式酸化
反応器内で腐食性の湿式酸化混合物中へ注入するための
導入パイプアセンブリーを使用スる。この導入パイプア
センブリーは下記のものからなる。

α１反、応器壁を貫通し、反応器内に排出端を有するチ
タン製外管； ｂ、外管に対し同心でありかつその内部にあり、内管と
外管の間に同心の空間を形成し、反応器内ｅこＪＪｌ出
Δ１１１を有する内管。この内管は酸素に富む雰囲気中
でチタンよりも反応性が低い材料で作成される： Ｃ０内管を経て湿式酸化反応器内への不活性パージ液、
または純酸素ガスもしくは酸素富化空気と不活性パージ
液との混合物の連続的流入液流を維持するための手段；
および ｄ１分子状酸素含量が低くかつ湿式酸化混合物よりも腐
食性の低い第２液の連続的流入液流を環状柴間内に維持
するための手段。

第１ｍは導入管アセンブリーが反応器の側壁を貫通して
いる本発明の実施態様の側断面図である。

第２図は導入管アセンブリーが反応器にその底部を経て
進入している他の実施態様の側断面図である。

第１国は、導入管アセンブリーが垂直の湿式酸化反応器
にその側壁を経て進入している本発明の実施態様を示す
。このアセンブリーはいかなる角度で側壁を貫通してい
てもよいが、導入管と反応器側壁の角度αが反応器壁の
外側のそれらの交叉点から下方へ測定して４５〜９０°
であることが好ましい。またアセンブリーが反応２：÷
壁に反応器の高さの最下部”／ａの位置で進入すること
が好ましい。反応器は好ましくは垂直に配置されかつ高
さ：半径（ＩＩ　：　Ｉｔ　）比少なくとも５．０を打
する円筒状１１１１１圧容器である。

第１図において、チタン製の外管Ｊは反応器壁２および
内張りもしくは被覆３を角度αで貫通し、反応器内に排
出端４を有する。内管５は外管１の内部に位置し、これ
と同心であり、内管と外管の間に環状空間６を形成する
。内管５は酸素Ｖこ冨む雰囲気中でチタンよりも反応性
の低い材料で作成され、後記のように外管の排出端４（
心近接した、またはほぼ近接した排出端７を有する。

不活性なパージ液、または純酸素ガスもしくは酸素富化
空気と不活性なパージ液との混合物の連続流入液流８は
内管５ｔこ導入され、排出端７で反応器内へ排出され、
腐食性の湿式酸化反応混合物９と混和する。管５を経て
導入された酸素によシ反応器内の液相中の可燃物が酸化
される。一定の操作期間中、たとえば酸化系の開始時お
よび終了時に、内管５に酸素または酸素富化空気を含捷
ない不活性なパージ液のみを導入する必要があろう。

このパージ液は、湿式酸化温度で酸素と化学的に反応し
てはならず、好塘しくは蒸気圧の温度依存性を有するた
め湿式酸化温度においてかなりの蒸発が起こって反応器
内の酸素カスを希釈するものでなければならない。水が
一般に不活性パージ液を構成する。内側のカス管を経て
液流８に導入されるオキシダントカスの酸素濃度は２５
〜１００％であり、このように高い濃度では可能性のあ
る湿式酸化反応条件下でチタンと反応性である。

連続的な水性液流１０が内管５と外管１の（用の環状空
間６に導入きれる。この液流は排出端４から排出され、
両方の液流が湿式酸化反応混合物９を含む反応帯域に入
るのに伴って流入液流８と混和する。相対的に冷たい液
流１０がオキシダントの液流８を取り囲み、純酸素また
は濃縮酸素が反応器内容物と十分に混和するまで、およ
び／または反応が起こるまで、チタン製の管１と接触す
るのが阻止される。いずれの場合も浅りの酸素は水蒸気
およびＣＯ２で希釈され、チタン燃焼の可能性は除かれ
る。

同様に腐食性の反応混合物９が腐食され易い内管５と接
触することは液流８および１０によって阻止される。

従って内管５は腐食から保護され、外管１は燃焼から保
護される。

排出端４および７はオキシダントの液流がチタン製の容
器内壁３７Ｊ）ら遠ざかる方向に向かうように配置され
る。液流は上方、下方または横方向であってもよい。

もちろん液流がいったＸ７反応器内へ排出をれ、反応器
内容物９によ！】加熱されると、酸素は反応將器円で速
かに可燃物と反応する。

この装置の内管５を取り囲む環状の水性液流１０は黄通
のプロセス水、下水、重油加工操作から生じる゛生成水
”、廃水、湿式酸化されるべき燃料の水性スラリー、あ
るいは湿式酸化過程の一部である他の水性液流のいずれ
であってもよい。

この液体に溶解または懸濁した酸素は好ましくは２００
０　ｐｐｍ以下である。

外管１はチタン製であるが、内管５は濃縮酸素によって
より燃焼しにくい材料、一般にステンレス鋼、カーペン
タ−２０−Ｃｂ３、ハステロイＣ−２７６−または炭素
鋼からなる。この種の金属は高温、高圧の湿式酸化反応
関与体により作られろ腐食性の高い条件下で急速に腐食
する。

本発明の好外しい実施態様においては、内管の排出端と
外管の排出端の間隔は好ま１．７〈は両′ｔｒの中心線
に沿って測定して外管の直径Ｘ　２．０　（より好まし
くはＸｏ、６）以下である。内管および外管の排出端が
反応器の中心線から０〜Ｒ／２．５の距離に位置するこ
とが好ましい。

反応混行物９と内管５、および酸素と外管１の意図しな
い接触を防止するためＵこ、液流１０の液体速度は好′
ましくは０．２５〜２０フィート／秒、（約０．０８　
・”　６．１　ｍ　／秒）１．１好ましくは１〜１０フ
ィート／秒（約０．３〜３゜Ｏｍ／９）Ｖ？−保持され
る。この液流のレイノルズ数が３００　ｏ以上であるこ
とが好ましい。

同様に、不活性パージ液の液流（共存する気流を含まな
い）は好捷しくは内管５を経て帆２５〜１５フィート／
秒（約０．０８〜４．６）ｎ／抄）に保持される。より
好ましくは、その速度は０．５〜５フイート／抄（０，
２〜Ｌ５ｍ、／秒）に保持され、液体のみのレイノルズ
数は３０００以−にである。

第２図に示された実施態様においては、液流８および１
０は側壁ではなく反応器底部を経て導入される。この装
置は排出端１２をもつチタン製外管Ｉｆおよび酸素に対
し比較的非反応性の材料からなる内管１３よりなる。管
１３仁Ｊ、排出端１４をもつ。内管と外管の間に環状空
間１５が形成される。流入液流８および液流Ｉ　Ｉ）の
導入は前記のとおりである。

排１」）端１２および１４には、液流８および１゜が反
応器内容物９中へ流入してこれと混和するのに伴って希
望する速度を達成するために、所望により内ｌｌ１ｌｌ
または外側へフレアを形成してもよい。

上に［シのように用いられるこの装置によれば、反応性
のチター／壁を有し、反応性の高い燃料を含有する反応
混合物が慣用される非チタン系の構造材料に対して著し
く腐食性でもある高温高圧の湿式酸化反応器中へ濃縮酸
素を安全Ｖこ導入することができる。

実施例 チタン製の反応器と共に純酸素を用いる湿式酸化システ
ムを下記の条件で操作した。

反応器温度　６００Ｔ（約３１６℃） ０２流速　８，８００ボンド／！４間 （約３９９２＃！／時間） 環状水導入温度　６０下（約３２℃） 浸液した酸素ノズルは下肥のように反応器の底部から進
入するように設計された。

Ｌ　０２−パージ水流人のための内管 直径１・％インチ（約３８．１２１ｍ　）　、スヶジュ
−ル８０：ハステロイ合金Ｃ−２７６、カーペンタ−２
０−Ｃｂ、またはパージ０２中で容易には燃焼しない他
の材料： 長さ３０インチ（約７６．２ｃｍ） チタン；長さ３０インチ（約７６．２ｃｍ）反応器内容
物と環内の水との総合熱交換係数を３００　ＢＴＵ／時
間・ｆｔ２・下と推定すると、反応器内への水の排出温
度は約６９下（約２１℃）であろう。環内の水の速度は
約７フイート／秒（約２．１ｍ／秒）である。対応する
レイノルズ数は５４，８３０であり、これによって環内
の高い乱流が保証され、０２−パージ水の内管は完全に
環状水に浸液され、湿式酸化反応媒体から隔離された。

内管中のパージ水流のみの速度は約０．８フィート／秒
（約０．２ｍ／秒）であり、対応するレイノルズ数８，
０７０であり、これにより０２導入管路内の高い乱流が
保証され、０２流がゼロであっても湿式酸化反応器内容
物が逆流するのが阻止された。

【図面の簡単な説明】

第１国は導入管アセンフリーが反応器のＯ１！ｌｌ壁を
貫通している本発明の実施態様の１ｉｌｌ断面図である
。 第２図は導入管アセンフリーが反応器にその底部を経て
進入している他の実施態様の側断面図である。 図面中の各記号は下記のものを表わす。 １：外管　２：反応器壁 ３：内張！ｌｌ（被覆）　４゛外管の排出端５：内管　
６：環状空間 ７：内管のノＪｒ　ＩＪｊ端 ８コパージ液（または酸素とＬ：；ＤＩ胎物〕の液流９
二酸化反応混合物　１ｏ：水性液流 １１：外管　１２：外管の排出端 １３：内管　１４：内管の排出端 １５：項状空間

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）純酸素ガスまたは酸素富化空気と非腐食性パージ
   液との混合物を、内部がチタンで被覆または内張シされ
   た壁１か所または多数か所を有する湿式酸化反応器内の
   腐食性湿式酸化反応混合物中へ注入するための液体−気
   体注入システムであって、反応器壁（２〕を貫通しかつ
   反応器内に排出端（１４）を有するチタン裂外管（１）
   、該外管（１）と同心でありその内部にある内管（５）
   であって該内管（５）と外管（１）の間に環状空間（６
   ）を形成するものからなり、内管（５）は酸素に富む雰
   囲気中でチタンよシも反応性の低い材料から作成されか
   つ該反応器内に排出端（７）を有し、該内管がこの内管
   を通る非腐食性のパージ液または純酸素カスもしくは酸
   素富化空気と非腐食性パージ液との混合物の連続流入液
   流用として接続され、前記環状空間（６）は分子状酸素
   装置が低くかつ該湿式酸化反応混合物よりも腐食性の少
   ない第２液流の連続流入液流用として接続されているこ
   とを特徴とするシステム。 （２）内管（５）の排出端（７）と外管（１）の排出端
   （４）との間隔がこれらの管（１、５）の中心線に沿っ
   て測定して外管（１〕の直径×２．０よシも小さいこと
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載のシステム。 （３）内管（５）の排出端（７）と外管（１）の排出端
   （４）との間隔がこれらの管（１、５）の中心線に沿っ
   て１ｆｔｌｌ定して英資（１〕の直径×０．６よりも小
   さいことを特徴とする特許請求の範囲第１項または第２
   項記載のシステム。 （４）環状空間６）中の第２液（ｌＯ）の速度が０．２
   ５〜２０フィート／秒（０，０８〜６．１ｍ／抄）であ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第３項
   のいずれかに記載のシステム。 （５）環状空間（６ン中の第２液（１０）の速度が１〜
   １０フィート／秒（０，３〜３．０７４／秒）であるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第４項記載のシステム。 （６〕環状空間（６）中の第２液（１０）のレイノルズ
   数が３０００以キであることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項ないし第５項のいずれかに記載のシステム。 （７〕　共存する気流を含まない非腐食性の、Ｎ６−ジ
   液（８）が内管（５）を０．２５〜１５フィート／秒（
   ｏ、ｏｓ〜４．６ｍ／秒）で通過することを特徴とする
   特許請求の範囲第１項ないし第６項のいずれかに記載の
   システム。 （８）共存する気流を含まない非腐食性のノｆ−ジ液（
   ８）が内管（５）を０．５〜５フイート／抄（０，１５
   〜１．５９７Ｌ／秒）で通過することを特徴とする特許
   請求の範囲第１項ないし第７項のいずれかに記載のシス
   テム。 （９）内管（５）を通過する共存する気流がない場合に
   内管（５）を濃過する非腐食性のパージ液（８）の流入
   液流のレイノルズ数が３０００以上であることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項ないし第８項のいずれかに記
   載のシステム。 （Ｘ））内管（５）および外管（１）が反応器の側壁を
   経て該反応器内に進入することを特徴とする特許請求の
   範囲第１項ないし第９項のいずれかに記載のシステム。 （９）内管６）と外管（１）が垂直に対して４５〜９０
   ゜の角度で液体および気体の流入液流を上方へ向けるよ
   うに反応器に進入することを特徴とする特許請求の範囲
   第１０項記載のシステム。 （資）内管および外管の排出端が下方へ彎曲して液体お
   よび気体の流入液流を反応器内で下方へ向けることを特
   徴とする特許請求の範囲第１０項記載のシステム。 ■）内管（５）と外管（１）が反応器の底部を経て該反
   応器内に進入することを特徴とする特許請求の範囲第１
   項ないし第９項のいずれかに記載のシステム。 （２）湿式酸化反応器が平直に配置され、かつ高さ二半
   径（Ｈ：　Ｒ）比少なくとも５．０を有する円筒状耐圧
   容器であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   のシステム。 （１５）内管Ｉ！５）および外管（１）の排出端が反応
   器の中心線から０〜７ゞ／２．５の距離に位置すること
   を特徴とする特許請求の範囲第１４項記載のシステム。 （ト）アセンブリーが反応器壁に反応器の高さの最下部
   列の位置で進入することを特徴とする特許請求の範囲第
   １４項記載のシステム。 （１７）内管（５）がノ・ステロイＣ−２７６、カーペ
   ンタ−２０−Ｃｂ３またはステンレス鋼により作成され
   ていることを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第
   １６項のいずれかに記載のシステム。 （１８）第２液（１０）が水、下水、工業廃水、重油加
   工から生じる゛生成水”、および燃料スラリーのうち１
   種または２種以上からなることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項ないし第１７項のいずれかに記載のシステム
   。 （搬第２ｉ（１０）が溶液または懸濁液中に２０００ｐ
   ｐｍ以下−の分子状酸素を含有することを特徴とする特
   許請求の範囲第１項ないし第１８項のいずれかに記載の
   システム。 （２０）酸素ガス（８）または酸素富化空気（８）の酸
   素濃度が２５〜１００％であることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項ないし第１９項のいずれかに記載のシス
   テム。