[发明专利]改进的水相氧化方法

说明书

相关申请的交叉引用

本专利申请要求以下美国专利申请12/416,412、12/416,419、12/416,424、12/416,431和12/416,438的优先权，以上所有的申请都于2009年4月1日递交，并且名称为“改进的水相氧化反应”。这五个申请的全部内容通过引用纳入本文。公布于1998年9月29日的名称为“用于水相氧化的综合能源产生方法”的美国专利号5,814,292，它的全部内容通过引用纳入本文。在发生冲突时，本文明显的引用或示出的主题控制任何通过引用纳入的主题。包含在任何通过引用纳入本文的主题中所有术语(表达或含义)的定义因此被否认。权利要求之前的段落规定本文中明确列举的任何术语，在先的句子具有免责声明。

技术领域

多年来已经做出了很多尝试以建立能够有效的并具有成本效益的氧化各种物料的方法。许多这些方法起初的建立是用于从矿石中熔解或去除金属。这些方法消耗了大量能量，释放氮气并很少达到完全回收所有的金属。这些方法同样受限于与熔解有关的十分具体的用途，这使得其不合适用于其他物料。

已经建立了其他氧化各种物料的方法。一个特别的是水相氧化方法，其在硝酸和硫酸溶液中氧化物料。发生在加压反应器中的反应维持在不高于大约210℃的温度下。添加氧气以再氧化大部分的硝酸还原产物，该产物在物料氧化的过程中形成。

尽管那时候这些方法显著的优于传统技术，但仍有许多问题。一个问题是，这些方法使用大量氧气以氧化硝酸的还原产物。氧气起初通入水相中，但快速分离并收集在反应器的顶部空间里，在反应器中被最后去除。有必要提供大量的氧气以充分氧化水相。

与该过程相关另一个问题是控制水相中的氧气。很难直接测定水相中的氧气量。然而，测定顶部空间中的氧气量则相对简单。因此，基于该测量控制供应到反应器中的氧气量。不幸的是，顶部空间的氧气量与水相中的氧气量关系十分薄弱。难以证明控制供应到水相中的氧气量。

当这个方法试图持续运行时，与该过程相关的其他问题显现。反应器高度加压且压力随时间波动明显。其很难以恒定速度将物料引入反应器。物料倾向于以喷射和暂停进入，其产生控制反应的问题。每次物料喷射进入反应器，需调整许多参数以使其可留在反应器足够长的时间以完全氧化。

物料的物理特性的变化使该方法进一步复杂化，所述物理特性如颗粒大小、均匀度、水分含量等。在不同位点堵塞或阻塞且包括进入反应器、不可预测的停留时间和反应速率、过程控制困难等使这些问题显现。这些问题导致加大工艺设备及延长停留时间以考虑到物料之间的不一致。

以下描述了多个改进的水相氧化方法的实施方案。改进的方法减少或消除与常规水相氧化法有关的多个问题和缺点。

发明内容

本文中描述了用于氧化原料的改进方法的各种实施方案。该方法能用于氧化任何合适的有机或无机原料。在一个实施方案中，该方法用于氧化市政废物和/或农田废物，例如，脱水的污水、城市污泥饼或牲畜粪。

在水性反应混合物中由一种或多种氧化性酸氧化原料。在一个实施方案中，氧化性酸原位再生。向反应混合物中供应氧气以将氧化性酸的还原产物再次氧化。反应器可以维持在合适的压力和温度下，以利于在氧化性酸的再生。合适的氧化性酸可以用于包括硝酸和硫酸的方法中。

在一些实施方案中，在向反应器给料之前，原料可以被处理，以使所述原料具有均一的物理性质，并使原料更快的适应并且有效氧化。该处理可包括粉碎原料以使颗粒具有均一性，从而使得原料易于进入反应器，在原料进入反应器之前，将原料与来自反应器的循环的流出物结合，和/或将原料与一种或多种氧化性酸结合。

一旦在反应器中，原料快速并有效地被氧化。在一些实施方案中，将来自反应器的顶部空间的气体，特别是氧气分散到反应混合物中。这可以通过空心叶轮完成，使来自顶部空间的气体流过叶轮并随着叶轮旋转流到反应混合物中。这导致反应混合物中的气体组合物与顶部空间的气体组合物接近或相似。特别是，如果不相同，反应混合物中溶解和未溶解气体部分的氧气浓度是和顶部空间的氧气浓度相似的。可以剧烈的混合反应物以增加进入混合物中的氧气总量。

反应混合物中的气体可以作为液体流出物流的一部分被去除。换句话说，反应混合物中溶解的气体和不溶解的气体随着反应混合物流出物一起去除。反应器上不需要单独的气体分离端口，但可以出于其他目的提供该端口。

一旦流出物离开反应器，则被冷却，并且降低压力使得气体分离。可以剧烈搅拌流出物以加速分离，并使得分离更完全。流出物的一部分可以回到方法的初始，并与如上所述原料结合。