Die vorliegenden Erfindungen beziehen sich auf Systeme und Verfahren zur Behandlung von chemischen Abfällen. Insbesondere beziehen sich die vorliegenden Erfindungen auf verbesserte Techniken zur Behandlung flüssiger chemischer Abfälle und insbesondere chemischer Mittel, die bei chemischen Kampfstoffen verwendet werden, und auf Systeme, um diese Materialien auf sichere und effiziente Weise zu zerstören.

Bei verschiedenen industriellen Einsätzen treten chemische Verbindungen auf, die auf irgendeine Weise zerstört werden müssen. In manchen Fällen sind diese chemischen Verbindungen Flüssigkeiten. Zum Beispiel sind verschiedene Regierungen in der ganzen Welt Aufseher über Vorräte chemischer Mittel, die bei chemischen Kampfstoffen verwendet werden. Diese Mittel schließen Nerven-, Senf-, blasenziehende Gase etc. ein. Gegenwärtig besteht eine Tendenz, diese chemischen Mittel auf sichere und effiziente Weise zu zerstören. Aufgrund der hochtoxischen Eigenschaften dieser Verbindungen und des Erfordernisses für sehr gründliche Effizienzen der Zerstörung treten Probleme auf.

Es wurden verschiedene Arten der Zerstörung dieser chemischen Mittel auf ihren Nutzen hin untersucht. Beispiele vorgeschlagener Zerstörungssysteme schließen Verbrennung; die Reaktion mit alkalischen Chemikalien (Neutralisation); Niedertemperatur-, Flüssigphasen-Behandlung; biologische Verfahrensweisen; Nassluftoxidation; Oxidation mit superkritischem Wasser; Hochtemperatur-Niedrigdruckpyrolyse-Techniken; etc. ein, wie es in „Alternative Technologies for the Destruction of Chemical Agents and Munitions", National Research Council (1993), beschrieben ist. Jedoch besitzt jedes dieser Systeme typischerweise entweder technische Schwierigkeiten oder Schwierigkeiten bezüglich der Effizienz.

Flammenlose Oxidationssysteme sind zur Verwendung bei der Zerstörung gasförmiger flüchtiger organischer Verbindungen (VOC) bekannt. Solche Systeme sind gegenwärtig von Thermatrix, Inc. (San Jose, CA) erhältlich. Diese Systeme sind für ihre hohen Zerstörungseffizienzen, welche typischerweise gut über 99% liegen, bekannt. Beispiele dieser Systeme sind in den US-Patenten 4,688,495, 5,165,884 und 5,320,518 dargelegt. Jedoch wurden diese Technologie und ihre Verwendungen bei gasförmigen Einsatzmaterialströmen angewandt. Die Anwendung auf flüssige organische Einsatzströme würde direkt nach dem Einführen der flüssigen Zufuhr in das Matrixbett hitzebeständiger Materialien, das in der thermischen Oxidationsvorrichtung enthalten ist, zur Bildung von Koksrückständen führen. Dies könnte schließlich zu einer unannehmbaren Druckdifferenz in der Oxidationsvorrichtung und dazu führen, dass die Einheit nicht mehr richtig funktioniert.

Somit besteht ein Bedürfnis für eine effiziente und sichere Entsorgung bestimmter flüssiger chemischer Verbindungen und Mittel. Modifikationen bestehender Technologie könnten die Antworten zur Bildung eines Systems zur Handhabung solcher Abfallströme liefern.

Die vorliegende Erfindung stellt Verfahren zur Behandlung und Zerstörung flüssiger organischer chemischer Verbindungen und Systeme zur Durchführung dieser Verfahren bereit. Die vorliegende Erfindung ist insbesondere zur Handhabung der Zerstörung chemischer Mittel, die bei Kampfstoffen verwendet werden, gut geeignet. Die flüssigen chemischen Verbindungen werden innerhalb einer thermischen Oxidationsvorrichtung zerstört, welche ein Matrixbett aus einem hitzebeständigen Material enthält, welches bei Temperaturen von oberhalb ungefähr 760°C (1400°F) gehalten wird.

In einer Ausführungsform der Verfahren der vorliegenden Erfindung wird eine thermische Oxidationsvorrichtung bereitgestellt, die ein Matrixbett aus hitzebeständigem Material enthält. Die flüssigen organischen chemischen Verbindungen werden einer Sprühdüse zugeführt, um Sprühtröpfchen der chemischen Verbindung zu bilden. Die Sprühtröpfchen werden bis zu ihrem gasförmigen Zustand erhitzt und innerhalb eines Teils des Matrixbetts, der bei einer Temperatur von oberhalb 760°C (1400°F) gehalten wird, oxidiert. Die thermische Oxidationsvorrichtung weist eine speziell gestaltete Einlasskammer auf, welche eine im Wesentlichen hohle Kammer ist, die sich mit einer festen Strecke in das Matrixbett erstreckt. Die Sprühtröpfchen werden in die Einlasskammer geleitet, in welcher das Spray vor dem Inkontakttreten mit dem Matrixbett zu einem wesentlichen Ausmaß verdampft wird. Die Einlasskammer wird durch das Matrixbett erhitzt, welches die Einlasskammer vorzugsweise zumindest teilweise umgibt.

Die Verwendung von flüssigen chemischen Verbindungen kann zur Bildung von Koks innerhalb des Matrixbetts und/oder der Einlasskammer führen. Um die Koksabscheidungen zu entfernen, wird die Zufuhr an chemischer Verbindung zur Sprühdüse ausgesetzt, und die Einlasskammer und/oder das Matrixbett werden erhitzt, um die Koksabscheidungen zu entfernen. Bei dem Umgang mit chemischen Mitteln können innerhalb des Matrixbettes Phosphoroxid-Verbindungen gebildet werden, und diese können auch durch Erhitzen dieser Teile des Matrixbetts entfernt werden.

In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine thermische Oxidationsvorrichtung zur Behandlung und Zerstörung flüssiger chemischer Verbindungen bereitgestellt. Die Oxidationsvorrichtung weist eine Einlasskammer zur Aufnahme eines Sprays einer flüssigen chemischen Verbindung und zur Verdampfung der flüssigen chemischen Verbindung auf. Die thermische Oxidationsvorrichtung weist einen Auslass zur Entfernung gasförmiger Reaktionsprodukte von der thermischen Oxidationsvorrichtung auf. Innerhalb der Oxidationsvorrichtung ist eine gasförmige Oxidationszone, die sich zwischen dem Einlass und dem Auslass befindet, welche ein Matrixbett aus einem hitzebeständigen Material enthält. Die Einlasskammer ist im Wesentlichen hohl und erstreckt sich in das Matrixbett aus hitzebeständigem Material. Das thermische Oxidationssystem enthält auch eine Sprühdüse mit einem Einlass, um die flüssige chemische Verbindung aufzunehmen, und einen Auslass, der sich in die Einlasskammer erstreckt.

1 ist eine schematische Darstellung des Betriebssystems der vorliegenden Erfindung zusammen mit einer Querschnittsansicht einer Ausführungsform der thermischen Oxidationsvorrichtung der vorliegenden Erfindung.

2 ist eine schematische Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform der thermischen Oxidationsvorrichtung der vorliegenden Erfindung.

3 ist eine schematische Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform des Systems der vorliegenden Erfindung.

Die vorliegende Erfindung stellt Systeme für eine verbesserte Behandlung flüssiger chemischer Verbindungen bereit, und insbesondere solcher chemischer Verbindungen, die als chemische Mittel bezeichnet werden, welche chemische Kampfstoffe darstellen, von welchen gegenwärtig von verschiedenen Regierungen Vorräte zur militärischen Verwendung angelegt werden.

Die chemischen Mittel, die gemäß der vorliegenden Erfindung behandelt werden sollen, werden im Allgemeinen als die chemischen Verbindungen definiert, die in Waffen und Kriegsmaterial aus chemischen Mitteln verwendet werden. Diese Materialien schließen solche Mittel wie Nervenmittel oder -gase, blasenziehende Mittel, Senfgasmittel etc. ein, sind aber nicht darauf beschränkt. Diese Materialien können typischerweise, aber nicht in allen Fällen, solche Verbindungen wie beständiges VX (O-Ethyl-S-[2-diisopropylaminoethyl]methylphosphonothiolat), nicht beständiges Sarin (GB) (Isopropylmethylphosphonofluoridat) und Tabun (GA) (Ethyl-N,N-dimethylphoshoramidocyanidat) enthalten. Die Nervengase sind typischerweise Organosphosphat-Verbindungen, die Phosphor enthalten, welcher durch eine Doppelbindung an ein Sauerstoffatom und durch eine Einfachbindung an ein Kohlenstoffatom gebunden ist. Diese Materialien sind bei normalen Temperatur- und Druckbedingungen typischerweise Flüssigkeiten.

Diese chemischen Kampfmittel werden auf zwei allgemeine Arten aufbewahrt: (1) flüssige Schüttgutform in Stahltonnencontainern und (2) in Munitionsformat, wie in Form einer Bombe oder eines Geschosses mit einer dazugehörigen Treibladung. Die Form, in welcher das chemische Mittel bereitgestellt ist, ist nicht ein Teil dieser Erfindung, und der Tonnencontainer wird über die ganze Beschreibung dieser Erfindung hinweg zu Zwecken der Veranschaulichung verwendet.

Die vorliegenden hierin beschriebenen Systeme sind insbesondere zur Verwendung bei der Zerstörung der oben beschriebenen chemischen Mittel geeignet. Jedoch können diese Systeme auch zur Zerstörung jedweder organischer flüssiger chemischer Verbindungen verwendet werden, welche durch Anwendung hoher Temperaturen in oxidativen Bedingungen oxidiert werden können. Diese flüssigen chemischen Verbindungen können vorzugsweise gesprüht werden, um einen Nebel zu bilden, wie durch Sprühzerstäubung, oder können vorzugsweise verflüchtigt werden, um ein Gas oder eine andere luftbewegliche Flüssigkeit zu bilden.

Eine Ausführungsform eines Systems der vorliegenden Erfindung ist in 1 gezeigt. In dieser Ausführungsform enthält ein Tonnencontainer (10) eine flüssige chemische Verbindung, wobei diese in diesem Fall zu Zwecken der Veranschaulichung ein chemisches Mittel ist, das in einer thermischen Oxidationsvorrichtung (20) behandelt werden soll. Die Erfindung wird hierin in Bezug auf chemische Mittel beschrieben werden, die repräsentativ für alle flüssigen chemischen Verbindungen sind. Der Tonnencontainer (10) ist mit einem Belüftungssystem ausgerüstet, um Dämpfe, die versehentlich den Container (10) verlassen könnten, aufzufangen und um zu erlauben, dass Luft eintritt, wenn die Flüssigkeit den Behälter verläßt. Das Lüftungssystem umfasst eine Leitung (12), die zu einem Ventil (14) und durch einen Filter (16) führt, wie einen Kohlenstofffilter. Die gefilterten Gase werden dann in die Atmosphäre abgegeben. Die thermische Oxidationsvorrichtung (20) wird verwendet, um das chemische Mittel, das in dem Tonnencontainer (10) aufbewahrt wird, zu zerstören.

In den letzten Jahren wurde die Technologie, die mit der Verwendung von thermischen Oxidationsvorrichtungen im Zusammenhang steht, beträchtlich weiterentwickelt. Hinsichtlich des Phänomens der Oxidation innerhalb poröser inerter Medien (PIM) wurden bedeutende Forschungstätigkeiten unternommen. Da die PIM-Oxidation außerhalb der normalen vorgemischten Brennstoff/Luft-Entflammbarkeitsgrenzen auftreten kann, kann die Technologie als „flammenlos" bezeichnet werden. Diesbezüglich offenbaren die US-Patente Nr. 4,688,495 (Galloway) und 4,823,711 (Kroneberger et al.) eine frühe Arbeit auf dem Gebiet der Matrixoxidationstechnologie. Außerdem wird die Technologie, die bei der Gestaltung einer thermischen Oxidationsvorrichtung (20) involviert ist, in den US-Patenten Nr. 5,165,884 (Martin et al.), 5,320,518 (Stilger et al.) und 5,533,890 (Holst et al.) in beachtlichem Detail diskutiert. Die erteilten Patente von Martin et al., Stilger et al., Holst et al., Galloway und Kroneberger et al. sind hiermit in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme darauf eingeschlossen.

In der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in 1 gezeigt ist, wird das flüssige chemische Mittel von dem Tonnencontainer (10) entfernt. Die Entfernung des chemischen Mittels kann durch verschiedene Mittel erreicht werden, wie durch eine Pumpe 18 oder durch Unterdruck, der durch eine Zerstäubungssprühdüse induziert wird (was später diskutiert wird). Das chemische Mittel wird von dem Tonnencontainer (10) via Leitung (17) und durch ein optionales Kontrollventil (19) transportiert. Das chemische Mittel wird dann in die thermische Oxidationsvorrichtung (20) eingeführt.

Typischerweise wird die thermische Oxidationsvorrichtung (20) aus einem hochlegierten Matrixbett-Sicherheitsbehälter (40) bestehen, welcher mit einer solchen Menge an hitzebeständigem Material (42) gefüllt ist, dass ein Matrixbett (38) gebildet wird. Der Sicherheitsbehälter (40) wird vorzugsweise eine ausreichende mechanische Festigkeit aufweisen, damit selbst im Falle einer Detonation unter Erzeugung beträchtlicher Drücke ein Brechen verhindert wird. Heizelemente (44), die vorzugsweise elektrisch sind, umgeben diesen inneren Sicherheitsbehälter (40) im ersten Teil der thermischen Oxidationsvorrichtung und können das System während des Betriebs vorheizen und eine richtige Temperatureinhaltung bereitstellen.

Die gesamte Anordnung der thermischen Oxidationsvorrichtung wird in einen äußeren Sicherheitsbehälter (46), der vorzugsweise aus Kohlenstoffstahl besteht, montiert sein. Dieser äußere Sicherheitsbehälter (46) ist vorzugsweise in dem gesamten Bereich des Matrixbettsicherheitsbehälters (40) mit einer Hochtemperaturisolierung (48) ausgekleidet.

Wenn der flüssige Strom, welcher vorzugsweise in ein Spray oder in Nebel umgewandelt wird, in die thermische Oxidationsvorrichtung (20) eintritt, wird er erhitzt werden, um die Sprühtröpfchen durch die Hitze von dem Matrixbett (38) zu verdampfen, was zur Bildung von chemischem Mittel in gasförmigem Zustand führt. Die Temperatur des Matrixbetts (38) wird entlang des Flussweges des chemischen Mittels variieren, da dieses Material die Oxidationsvorrichtung (20) durchquert. Die Temperatur des Matrixbetts (38) wird am Eingang der Oxidationsvorrichtung (20) im Allgemeinen so niedrig sein wie 93°C–430°C (200°F–800°F) und wird zum Bereich des Matrixbetts (38) hin zunehmen, innerhalb welchem die Oxidation auftritt, wobei die Temperatur des Matrixbetts (38) im Allgemeinen mindestens 760°C (1400°F), typischerweise mindestens 870°C (1600°F) und vorzugsweise mindestens 980°C (1800°F) beträgt. Der jetzt gasförmige Strom des chemischen Mittels wird dann für eine ausreichende Verweildauer bei der Oxidationstemperatur gehalten, um eine im Wesentlichen vollständige Zerstörung des chemischen Mittels und eine im Wesentlichen vollständige Umwandlung dieser Mittel zu Verbindungen wie CO₂, H₂O, HCl, HF, P₂O₅, SO₂ etc. zu gewährleisten. Das Ergebnis dieses Erhitzens des chemischen Mittels ist die Bildung einer flammenlosen Oxidationswelle innerhalb des Matrixbetts (38), wobei das chemische Mittel entzündet und oxidiert wird. Die Oxidationswelle wird als steilen Anstieg der Betttemperatur von der Temperatur des eintretenden chemischen Mittels an der Einlassseite der Welle zu ungefähr der adiabatischen Verbrennungstemperatur der Mischung an der Auslassseite der Welle beobachtet. Diese schnelle Veränderung tritt in einer typischen Oxidationsvorrichtung (20) über eine Distanz von gewöhnlich mehreren Inches auf, wobei die tatsächliche Distanz abhängig ist von den Zufuhrkonzentrationen, den Zufuhrraten, der Gasgeschwindigkeitsverteilung, dem Bettmaterial und den physikalischen Eigenschaften des Betts, der Art der spezifischen Zufuhrmaterialien etc. Auch Hitzeverluste in Richtung des Flusses werden einen Effekt auf die Länge der Oxidationswelle haben. Die Temperatur der Oxidation ist abhängig von den Zufuhrkonzentrationen, Zufuhrraten, der Gasgeschwindigkeitsverteilung, den physikalischen Eigenschaften des Betts, der Art der spezifischen Zufuhrmaterialien, der Hitzeverluste, der Wärmezufuhr von den Heizern etc.

Die Zerstörungseffizienz der thermischen Oxidationsvorrichtung beträgt mindestens ungefähr 99,9%, vorugsweise mindestens 99,99%, mehr bevorzugt mindestens 99,999% und noch mehr bevorzugt mindestens 99,9999 Gew.-%. Das heisst, dass mindestens der gewichtsprozentuale Anteil aller organischen Verbindungen, der in die thermische Oxidationsvorrichtung eintritt, innerhalb der Oxidationsvorrichtung zerstört oder oxidiert wird. Die Raumgeschwindigkeit der Gase in der erhitzten Reaktionszone wird typischerweise im Bereich von 1800 h^–1 bis 7200 h^–1 betragen.

Nach dem Start der Oxidationsvorrichtung (20), wie in 1 dargestellt, werden die Heizelemente (44), die vorzugsweise elektrische Heizer sind, aktiviert, um die Temperatur innerhalb des Matrixbetts (38) bis zur Betriebstemperatur zu erhöhen. Dies wird durch strömende Luft via Leitung (22) durch den Oxidationsvorrichtungseinlass (24) und durch die Oxidationsvorrichtung (20) erreicht.

Die Heizelemente (44) erhöhen dabei die Temperatur innerhalb des Matrixbetts auf die bevorzugte Betriebstemperatur. Die Heizelemente (44) erstrecken sich vorzugsweise über die gesamte Länge der Oxidationsvorrichtung (20), wie es in 1 gezeigt ist. Das vollständige Erstrecken der Heizelemente (44) erlaubt den Betrieb der Oxidationsvorrichtung (20) in einem solchen Modus, dass die Temperatur des Matrixbetts (38) oberhalb einer Minimaltemperatur, zum Beispiel oberhalb 540°C (1000°F), gehalten werden kann, um die Möglichkeit der Bildung abgeschiedener fester Phosphoroxide auf die Matrixmaterialien (42) zu verringern. In bevorzugten Durchführungen wird die Temperatur des Matrixbetts (38) so eingestellt, dass die Betttemperatur in Nähe des Oxidationsvorrichtungseinlasses (24) unterhalb der Temperatur ist, die erforderlich ist, um die chemischen Mittel zu oxidieren, so dass die chemischen Mittel nicht oxidieren, bis sie in eine vorbestimmte Reaktionswellenzone eintreten, welche vorzugsweise nahe dem Ende (28) des Injektionseinlasssystems (26) gehalten wird.

Wenn das Matrixbetttemperaturprofil einmal erstellt wurde, kann der Fluss des chemischen Mittels in die Oxidationsvorrichtung (20) zum Beispiel durch Aktivierung des Ventils (19) und der Pumpe (18) initiiert werden. Das chemische Mittel wird dabei von dem Container (10) zu dem Oxidationsvorrichtungseinlass (24) transferiert. Das chemische Mittel wird dann aufgrund der erhöhten Temperaturen, die innerhalb der Oxidationsvorrichtung (20) gehalten werden, erhitzt werden, was zu einer Veränderung des Zustandes von einer Flüssigkeit zu einem Gas führt. Das gasförmige chemische Mittel wird das Matrixbett (38) kontaktieren, was zur Zerstörung des chemischen Mittels zu weniger gefährlichen Produkten der Oxidationsreaktion führt. Die Oxidationsprodukte werden die Oxidationsvorrichtung (20) durch den Auslass (51) via Leitung (53) verlassen.

Die Behandlung von flüssigen Materialien, wie die hierin beschriebenen chemischen Mittel, können Probleme beim Betrieb der Oxidationsvorrichtung (20) mit sich bringen. Das Erhitzen der chemischen Mittel von ihrem normalen flüssigen Zustand zu gasförmigem Zustand kann zur Bildung beträchtlicher Mengen an Kohlenstoffrückständen oder Koks führen, wenn die Verbindungen zu langsam erhitzt werden. Auch kann, wenn die Temperatur des Matrixbetts (38) zu niedrig ist, die Gegenwart von Organophosphor-Verbindungen in den chemischen Mitteln zur Abscheidung fester Phosphoroxide innerhalb des Matrixbetts (38) führen.

Wie es in der bevorzugten Ausführungsform, die in 1 dargestellt ist, gezeigt ist, ist die Oxidationsvorrichtung (20) mit einem Spezial-Injektionssystem (26) ausgerüstet, welches eine Zerstäubungssprühdüse (27) einschließt, welche innerhalb einer Einlasskammer (29) enthalten ist, welche sich in das Matrixbett (38) in Richtung des Flusses der Reaktanden durch die Oxidationsvorrichtung (20) erstreckt, was die bevorzugte Gestaltung darstellt, obwohl die Einlasskammer (29) so konfiguriert sein kann, dass sie mit verschiedenen Winkeln zu der Richtung des Flusses der Reaktanden durch die Oxidationsvorrichtung (20) in das Matrixbett (38) eintritt. Das flüssige chemische Mittel wird durch Leitung (17) in die Düse (27) transportiert, worin es zu einem Spray zerstäubt wird, welches in die Einlasskammer (29) gedrückt wird. Das chemische Mittel wird mit Zerstäubungsluft, die über die Leitung (31) bereitgestellt wird, gemischt. Die Einlasskammer (29) kann aus Kammerwänden (30) aufgebaut sein, welche aus ähnlichen Materialien wie die Wände (40) aufgebaut sind. Die Sprühzerstäubung des flüssigen chemischen Mittels erlaubt es, dass das Mittel die Hitze leichter annimmt und sich schnell in ein gasförmiges Material zur Oxidation innerhalb des Matrixbetts (38) umwandelt. Das Ergebnis wird sein, dass am Einlass der Oxidationsvorrichtung (20) keine beträchtliche Koksschicht gebildet wird, was der Fall wäre, wenn die flüssige Zufuhr so, ohne jegliche Vorbehandlung, in die Oxidationsvorrichtung (20) eingeführt werden würde, oder wenn die flüssige Chemikalie oder das flüssige Mittel direkt verdampft werden würden.

Die Einlasskammer (29) ist vorzugsweise so aufgebaut, dass sie sich in den ersten Teil (39) des Matrixbetts (38) erstreckt. Auf diese Weise wandert das Spray von der Düse (27) eine Strecke innerhalb der Einlasskammer (29) durch die Oxidationsvorrichtung (20), ohne das Matrixbett (38) zu kontaktieren. Somit wird das Spray erhitzt, und vorzugsweise wird ein beträchtlicher Teil innerhalb der Einlasskammer (29), bis zu seinem gasförmigen Zustand erhitzt, bevor das Matrixbett (38) kontaktiert wird, obwohl die Hitze von dem Matrixbett (38) verwendet wird, um die Sprühtröpfchen des chemischen Mittels zu verdampfen. Die Einlasskammer (29) ist vorzugsweise so aufgebaut, dass sie keine wesentliche Menge an Matrixmaterial enthält und somit als im Wesentlichen hohl bezeichnet werden kann. Diese Gestaltungsmerkmale sollten die Bildung von Koks in dem Matrixbett (38) stark verringern, obwohl erwartet wird, dass Koks an den Wänden (30) der Einlasskammer (29) und in dem Teil des Matrixbetts (38), welcher sich in Nähe des Auslasses der Einlasskammer (29) befindet, gebildet werden kann. Die Strecke, mit welcher sich der untere Teil (28) der Einlasskammer (29) in das Matrixbett (38) erstreckt, kann von verschiedenen Faktoren abhängen, wobei es jedoch bevorzugt ist, dass er sich über mindestens 10%, vorzugsweise mindestens 15% und mehr bevorzugt mindestens 20% der Länge des gesamten Matrixbetts (38) erstreckt. Der untere Teil (28) kann aus einem Gitter oder Maschenschirm aufgebaut sein, um zu verhindern, dass die Matrixbettmaterialien in die Einlasskammer (29) eintreten, oder der untere Teil (28) kann nur eine durch Wände (30) definierte Öffnung sein, wobei bei dem Aufbau des Matrixbetts aufgepasst werden muss, dass gewährleistet ist, dass sich die Matrixmaterialien (42) nicht wesentlich in den Bereich der Einlasskammer (29) erstrecken.

Die in 1 gezeigte Oxidationsvorrichtung (20) ist auch aus zwei Sets von Heizelementen (44) aufgebaut, die vorzugsweise das Matrixbett (38) umgeben. Die erste Gruppe (45) der Heizelemente (44) ist am Einlassende der Oxidationsvorrichtung (20) lokalisiert. Die zweite Gruppe (47) von Heizelementen (44) ist stromabwärts der ersten Gruppe (45) lokalisiert. Die Bereitstellung von zwei separaten Gruppen (45), (47) von Heizelementen (44) erlaubt das kontrollierte Erhitzen des ersten Teils (39) des Matrixbetts (38) bei ausgewählten Zeitintervallen, um jeglichen Koks oder jegliche Phosphoroxid-Feststoffe, die aufgrund des Betriebs der Einheit mit den chemischen Mitteln in dem System vorhanden sein können, zu entfernen.

Zum Beispiel kann sich bei einer typischen Durchführung das erste Set (45) an Heizelementen (44) ungefähr über ein Drittel der Länge des Matrixbetts (38) erstrecken, wodurch der erste Teil (39) des Matrixbetts (38) definiert wird. Dieser Teil des Matrixbetts (38) kann bei Temperaturen zwischen ungefähr 38°C (100°F) und 430°C (800°F) gehalten werden. Der zweite Teil (37) des Matrixbetts (38), welcher in Nähe und direkt stromabwärts von dem ersten Teil (39) ist, ist dort, wo die Reaktion oder Oxidationswelle vorzugsweise lokalisiert ist, und somit beträgt der Temperaturbereich zwischen ungefähr 870°C (1600°F) und ungefähr 1100°C (2000°F). Somit wird zum Beispiel nach einer Zeitdauer der Zerstörung der chemischen Mittel innerhalb der Oxidationsvorrichtung (20) der Fluss der chemischen Mittel zu der Oxidationsvorrichtung (20) ausgesetzt, während der Luftfluss, entweder via Leitung (31) oder (22), beibehalten wird. Zur gleichen Zeit wird das erste Set (45) an Heizelementen (44) zu einem solchen Ausmaß aktiviert, dass der erste Teil (39) des Matrixbetts (38) auf Temperaturen erhöht wird, die hoch genug sind, um die Koksabscheidungen abzubrennen und um jegliche Phosphoroxid-Verbindungen zu verdampfen oder zu sublimieren, vorzugsweise bei mindestens ungefähr 540°C (1000°F), mehr bevorzugt ungefähr 680°C (1250°F) und noch mehr bevorzugt bei mindestens ungefähr 820°C (1500°F).

Typische Materialien, die zum Aufbau des Matrixbetts (38) verwendet werden, sind aus keramischen Materialien hergestellt, die zufällig gepackt oder strukturiert gepackt sein können. Bevorzugte zufällige Packungen umfassen keramische Kugeln, die geschichtet sein können. Im Allgemeinen sind die keramischen Kugeln für eine Oxidation von Kohlenwasserstoffgasen nützlich, wenn sie einen Durchmesser von ungefähr 0,06(25) bis 3 Inch (0,159–7,62 cm), vorzugsweise ungefähr ¾ Inch (1,9 cm) besitzen. Eine weitere nützliche Anordnung ist die Verwendung von statistischen keramischen Satteln mit einer nominalen Größe von typischerweise 0,06(25) bis 3 Inch (0,159–7,62 cm), vorzugsweise ungefähr ½ bis 1,5 Inch (1,(27)–3,81 cm) nominaler Größe. Andere nützliche Packungsmaterialien sind Pallringe und Raschigringe mit Durchmessern von ungefähr 0,06(25) bis 3 Inch (0,159–7,62 cm) und vorzugsweise von ungefähr ½ bis 1,5 Inch (1,(27)–3,81 cm). Es können andere Arten keramischer Materialien verwendet werden, wie Keramiken mit Honigwabengestalt.

Es kann auch ein keramisches Schaummaterial verwendet werden, um das Matrixbett (38) aufzubauen. Ein typisches Schaummaterial, das verwendet werden kann, besitzt einen Hohlanteil von 10 bis 99%, vorzugsweise 75 bis 95% und am meisten bevorzugt ungefähr 90%. Die Porengrößen in jedem bevorzugten keramischen Schaummaterial werden ungefähr 0,1 bis 1000 Poren pro Inch (0,04 bis 400 Poren pro cm), vorzugsweise ungefähr 1 bis 100 Poren pro Inch (0,4 bis 40 Poren pro cm) und am meisten bevorzugt ungefähr 10 bis 30 Poren pro Inch (4 bis 12 Poren pro cm) betragen.

Anstelle einer Keramik kann das hitzebeständige Material, das zur Bildung des Matrixbetts (38) verwendet wird, auch ein Metall sein, welches zufällig gepackt sein oder eine strukturierte Packung besitzen kann. Es kann auch eine vorgestaltete einteilige Metallstruktur verwendet werden, um das Matrixbett (38) darzustellen, wobei die Struktur an den Sicherungsbehälter (40) befestigt sein kann und dabei zu Wartungszwecken leicht entfernt werden kann. Es ist bevorzugt, dass die Materialien, die das Matrixbett (38) darstellen, nicht katalytisch sind. Mit nicht katalytisch ist gemeint, dass das Material, welches das Matrixbett (38) darstellt, die Temperatur, bei welcher die chemischen Mittel oxidiert werden, nicht wesentlich erniedrigt. Das heißt, dass der Oxidationsmodus in der thermischen Oxidationsvorrichtung (20) in erster Linie den erhöhten Temperaturen innerhalb des Matrixbetts (38) und nicht der Oberflächenchemie des Matrixbettmaterials (42) zuzuschreiben ist.

Im Allgemeinen wird der Lückenanteil des Matrixbetts zwischen 0,3 und 0,9 betragen. Zusätzlich wird das Material in dem Matrixbett typischerweise einen spezifischen Oberflächenbereich im Bereich von 40 m²/m³ bis 1040 m²/m³ besitzen.

Somit wurden die Grundzüge der bevorzugten Ausführungsformen der thermischen Oxidationsvorrichtung der vorliegenden Erfindung offenbart. Es sind auch viele Variationen der und Zusätze zu diesen Grundausführungsformen möglich.

Typischerweise wird die thermische Oxidationsvorrichtung (20) verschiedene Temperatursensoren (54) enthalten, wie in 1 gezeigt, um unannehmbar hohe oder niedrige Temperaturen innerhalb des Matrixbetts (38) zu detektieren und dabei die Heizelemente (44) zu kontrollieren. Vorzugsweise wird, wenn am Ausgang (51) der thermischen Oxidationsvorrichtung (20) übermäßig hohe Temperaturen detektiert werden, ein thermisches Sicherungsventil ausfallen und schließen, um jeglichen Fluss abzustellen.

Auch wird das Gesamtsystem typischerweise durch eine lokal angebrachte Verfahrenskontrollvorrichtung (60) ablaufen und betrieben werden, welche die Abfolge, Kontrolle und Sicherheitsüberwachung bereitstellen wird. Die Verfahrenskontrollvorrichtung (60) wird von mehreren Instrumenten, die in das System eingebaut sind, einschließlich Thermoelementen und Hebelschaltern, analoge und digitale Eingaben erhalten. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Temperatursensoren (54), die die Temperatur bei verschiedenen Positionen innerhalb des Matrixbetts (38) entlang des Gasflussweges abfühlen, über die Leitungen (65) elektronisch mit der Verfahrenskontrollvorrichtung (60) verbunden. Die Kontrollvorrichtung (60) kann dabei die Oxidationsvorrichtungstemperaturen während der Vorheiz- und Betriebsschritte kontrollieren, indem der Strom zu den elektrischen Heizelementen (44) über die Leitung (62) reguliert wird, um ein kontrolliertes Aufheizen des Systems und ein Beibehalten der Oxidationstemperatur an den Zerstörungsfixpunkten bereitzustellen. Sie wird auch alle Systemsicherheitsblockierungen kontinuierlich überwachen und das System bei Detektion einer ausgelösten Sperre auf sichere Weise herunterfahren.

Die Kontrollvorrichtung (60) kann auch verwendet werden, um zu regulieren, dass der Luftfluss mit den chemischen Mitteln vermischt wird, oder dass er entweder mit oder ohne einhergehender Zugabe des chemischen Mittels zu der Einheit geschickt wird. Wie es in 1 gezeigt ist, ist die Kontrollvorrichtung (60) mit dem Luftkontrollventil (66) an Leitung (22) und mit Luftkontrollventil (67) an Leitung (31) über die Leitung (68) bzw. (69) elektrisch vernetzt. Die Kontrollvorrichtung (60) kann auch verwendet werden, um die Pumpe (18) über Leitung (70) zu regulieren, und auch um Ventil (19) über Leitung (71) zu regulieren.

Die vorliegende Erfindung wurde mit der Verwendung einer elektrisch erhitzten Oxidationsvorrichtung (20) in 1 veranschaulicht. Es können auch andere Oxidationsvorrichtungsanordnungen verwendet werden, die in 2 gezeigt sind. In dieser Ausführungsform wird die Oxidationsvorrichtung (20) durch die Verwendung eines Vorheizers (14), der zum Beispiel mit Erdgas angefeuert wird, vorgeheizt, um das Matrixbett (38) vor der Einführung der chemischen Mittel zu erhitzen. Solche Vorheizer (14) schließen Gasbrenner, elektrische Brenner, Induktionsheizer, Strahlrohrheizer etc. ein. Die Oxidationsvorrichtung (20), wie sie in 2 gezeigt ist, kann auch mittels Zusatzbrennstoff wie Erdgas, welches über die Leitung (80) zugeführt wird, erhitzt werden. Die Temperatur des Matrixbetts (38) kann durch die Zugaberate des Zusatzbrennstoffs über Leitung (80) erhöht oder erniedrigt werden. Diese Zugabe von zusätzlichem Brennstoff kann über das Ventil (83) reguliert und über die Kontrollvorrichtung (60) über die Leitung (82) kontrolliert werden. Bei dem Anfahren des Systems, das in 2 gezeigt ist, kann der Vorheizer (14) zusammen mit Zusatzbrennstoff über Leitung (80) und Luft über Leitung (22) verwendet werden. Wenn die geeigneten Temperaturen des Matrixbetts (38) eingestellt wurden, kann der Fluss des chemischen Mittels über Leitung (17) durch die Düse (27), wie es bei dem System, das in 1 gezeigt ist, beschrieben wurde, initiiert werden, und die Menge an zugegebenem Zusatzbrennstoff wird in einem solchen Ausmaß verringert, das erforderlich ist, um geeignete Betttemperaturen beizubehalten. Das System wird in einer solchen Zeitdauer betrieben, dass sich die Entwicklung von Koks und/oder Phosphoroxid-Verbindungen an einem Punkt befindet, an welchem eine Wartung geeignet ist, wobei zu dieser Zeit der Fluss des chemischen Mittels ausgesetzt wird und der Zusatzbrennstoff erhöht wird, zusammen mit einer Erniedrigung des Luftflusses von den Leitungen (31) und (22). Auf diese Weise wird die Betttemperatur in dem ersten Teil (39) des Matrixbetts (38) auf eine Temperatur erhöht, um einen beträchtlichen Teil des/der, vorzugsweise fast den/die gesamten Koks und abgeschiedenen Phosphoroxid-Verbindungen zu entfernen. In dieser Ausführungsform wird gezeigt, dass die Matrixmaterialien (42) durch eine Platte (185) gestützt werden.

Die Zerstörung von flüssigen chemischen Verbindungen, wie chemischen Mitteln, kann auch erreicht werden, indem die flüssigen chemischen Verbindungen vor ihrer Einführung in die thermische Oxidationsvorrichtung zuerst verdampft oder fluidisiert werden. Eine Ausführungsform dieser Gestaltung ist in 3 gezeigt. Diese Gestaltung zeigt, dass der Container 10, innerhalb welchem sich die flüssigen chemischen Verbindungen befinden, zuerst in eine Verdampfungskammer 85 eingebracht wird. Die Verdampfungskammer 85 ist jede Vorrichtung, die verwendet werden kann, um die Inhalte des Containers 10 mit Mitteln wie Strahlungswärme, Mikrowellenwärme etc. zu erhitzen. Der Container 10 ist mit Leitung 17 verbunden, die zu dem Einlass 86 der Oxidationsvorrichtung 20 über Leitung 15 führt. Das Ventil 19 kontrolliert den Fluss der gasförmigen oder fluidisierten chemischen Verbindungen.

Die Verdampfungskammer 85 kann, zur Verwendung mit chemischen Mitteln, ein UF₆-Verdampfungssystem einschließen. In einem solchen Verfahren ist der Container 10 mit einem Zufuhrrohr wie Leitung 15 verbunden, und an den Container 10 innerhalb der Verdampfungskammer 85 wird elektrische Hitze angewandt. Der Container 10 wird auf eine Temperatur oberhalb des atmosphärischen Siedepunktes der chemischen Verbindung erhitzt, typischerweise oberhalb ungefähr 320°C (600°F), und die chemische Verbindung wird über Leitung 17 zu dem Einlass 86 der Oxidationsvorrichtung 20 transferiert. Die verdampfte chemische Verbindung kann mit warmer Luft von Leitung 22, vorzugsweise bei Temperaturen von mindestens ungefähr 120°C (250°F), mehr bevorzugt mindestens ungefähr 150°C (300°F), vor dem Eintreten in die Oxidationsvorrichtung 20 gemischt werden. Wenn der Container im Wesentlichen keine chemische Verbindung mehr enthält, kann die Temperatur in der Kammer 85 auf ungefähr 540°C (1000°F) für mindestens ungefähr 15 Minuten erhöht werden, um den Rückstand an chemischer Verbindung von dem Container 10 vollständig zu entfernen.

Die verdampfte chemische Verbindung, die gegebenenfalls mit Luft über Leitung 22 gemischt ist, kann vor der Einführung in die Oxidationsvorrichtung 20 auch mit Zusatzbrennstoff, wie Naturgas oder Propan, über Leitung 80, gemischt werden. Diese gasförmige Mischung kann in eine Plenumkammer 88 eintreten, die eine gleichmäßige Verteilung der in die Oxidationsvorrichtung 20 eintretenden Gase bewirkt und diese Gase ferner vor dem Eintreten in das Matrixbett 38 mischt. Es wird angenommen, dass dies hilft, ein relativ flaches Querschnittsprofil der Oxidationswelle vertikal zur Richtung des Gasflusses durch das Matrixbett 38 zu erreichen. In manchen Fällen kann die Plenumkammer 88 erwünscht sein, um die Flachheit des Querschnitts der Welle abhängig von der Anordnung des Matrixbetts 38 zu erreichen. Wie es in 3 gezeigt ist, ist die Plenumkammer 88 durch die Plenumkammerplatte 90, welche gasdurchlässig ist, von dem Matrixbett 38 abgetrennt.

Die Plenumkammer 88 ist in 3 als ein Hohlraum gezeigt. Jedoch kann die Plenumkammer 88 auch mit Matrixmaterial 42 gefüllt sein, wie es in US 5,650,128 beschrieben ist. Zum Beispiel kann die Plenumkammer 88 eine andere Art Matrixmaterial 42 (z. B. keramische Kugeln), als das, das in dem Matrixbett 38 (z. B. keramischer Sattel) verwendet wird, enthalten. In einem solchen Aufbau würde die Plenumkammer 88 typischerweise ein interstitielles Volumen im Bereich von ungefähr 40% aufweisen, und das Matrixbett 38 würde ein interstitielles Volumen im Bereich von ungefähr 70% aufweisen.

Die Position und Stabilität der Oxidationswelle innerhalb der thermischen Oxidationsvorrichtung 20 kann mittels der Verfahrenskontrollvorrichtung 60 kontrolliert werden. Vor dem Eintreten in die thermische Oxidationsvorrichtung 20 kann Zusatzluft, die über Leitung 22 transportiert wird, in die Verfahrensgase, die entlang der Leitung 17 geleitet werden, injiziert werden, oder es kann Zusatzbrennstoff wie Naturgas oder Propan in die Verfahrensgase über Leitung 80 injiziert werden. Die Raten der Zugabe der Zusatzluft und/oder des Zusatzbrennstoffes können durch Verwendung einer Verfahrenskontrollvorrichtung 60, die mit einem Kontrollventil 66 an der Luftleitung 22 und mit einem Kontrollventil 83 an der Brennstoffleitung 80 über die Leitungen 68 bzw. 82 elektronisch vernetzt ist, reguliert werden. Der Zusatzbrennstoff und/oder die Zusatzluft werden verwendet, um eine Oxidationswelle innerhalb der thermischen Oxidationsvorrichtung 20 aufrechtzuerhalten.

Die Verfahrenskontrollvorrichtung 60 kann auch die Flussrate der Verfahrensgase über Ventil 19 kontrollieren, welches mit der Kontrollvorrichtung 60 elektronisch vernetzt sein kann (nicht gezeigt). Die Verfahrenskontrollvorrichtung 60 wird auch vorzugsweise verwendet, um die Temperatur innerhalb einer Vielzahl von Positionen innerhalb des Matrixbettes 38 zu überwachen. Wie es in 3 gezeigt ist, sind die Thermoelemente 54 so angeordnet, dass die Temperatur innerhalb des Matrixbettes 38 überwacht wird, und ihre Ausgabe wird über die Leitungen 64 zu der Verfahrenskontrollvorrichtung 60 weitergeleitet. Auf diese Weise können die Temperaturen innerhalb des Matrixbettes 38 verwendet werden, um den Fluss der Zusatzluft 22 und/oder des Zusatzbrennstoffes 80 und der Verfahrensgase durch Leitung 17 zu kontrollieren.

Die thermische Oxidationsvorrichtung 20 weist einen äußeren Sicherheitsbehälter 46 auf, welcher vorzugsweise aus Kohlenstoffstahl besteht. Dieser äußere Sicherheitsbehälter 46 ist vorzugsweise mit einer Hochtemperaturisolierung 48 ausgekleidet.

Nach einer sorgfältigen Zerstörung der chemischen Verbindungen innerhalb der thermischen Oxidationsvorrichtung 20 werden die resultierenden gasförmigen Produkte die Oxidationsvorrichtung 20 durch den Verfahrensflüssigkeitsauslass 51 über Leitung 53 verlassen.

Die thermische Oxidationsvorrichtung 20 fungiert zur Zerstörung der chemischen Verbindungen oder Mittel, indem solche Materialien auf eine Temperatur erhitzt werden, bei welcher sie leicht innerhalb des Matrixbettes 38 aus Matrixmaterialien 42 oxidieren. Somit wird vor der Einführung der chemischen Verbindung in die thermische Oxidationsvorrichtung 20 ein Teil des Matrixbetts 38 auf eine Temperatur oberhalb des Selbstentzündungspunktes der eintretenden Verfahrensflüssigkeit erhöht. Die Gestaltung, wie sie in 3 gezeigt ist, schließt eine neue Vorheizvorgehensweise wie sie in US 6,126,913 dargelegt ist, ein.

Die Vorheizvorgehensweisen können besser durch Einbeziehen der 3 verstanden werden, welche eine thermische Oxidationsvorrichtung veranschaulicht, die für einen „unten-oben"-Verfahrensfluidflussweg gestaltet ist. Das Matrixbett 38 in der thermischen Oxidationsvorrichtung 20 kann vorgeheizt werden, indem ein Vorheizfluid von dem Vorheizer 92 durch Leitung 94 und durch einen Vorheizereinlass 96, welcher in dieser Ausführungsform vertikal oberhalb des Matrixbettes lokalisiert ist, geleitet wird. Das Vorheizfluid tritt somit in die thermische Oxidationsvorrichtung 20 ein, wird durch das Matrixbett 38 nach unten geleitet und tritt in Leitung 99 durch den Vorheizerfluidauslass 98 aus.

Der Vorheizer 94 kann jede Vorrichtung sein, die ein erhitztes Fluid bildet, das verwendet werden kann, um die Temperatur des Matrixbetts 38 zu erhöhen. Typischerweise wird der Vorheizer 94 ein durch Naturgas befeuerter Gasbrenner sein, welcher typischerweise ein Vorheizgas mit einer Temperatur oberhalb 760°C (1400°F) und üblicher zwischen ungefähr 870°C (1600°F) und 1200°C (2200°F) erzeugen kann.

Der Vorheizschritt kann, wie es in 3 gezeigt ist, durchgeführt werden, indem anfänglich das Ventil 19 an der Einlassleitung für den Verfahrensfluidstrom und Ventil 95 an der Auslassleitung 53 für die die thermische Oxidationsvorrichtung verlassenden Gase geschlossen werden, so dass das Vorheizfluid durch das Matrixbett 38 fließt. Ventil 93 an der Vorheizfluideinlassleitung 94 und Ventil 97 an der Vorheizfluidauslassleitung 99 werden während des Vorheizschrittes geöffnet. Das Vorheizen wird für eine Zeitdauer anhalten, die ausreicht, um einen Teil des Matrixbettes 38 vorzuheizen, so dass nach dem Einführen des Verfahrensfluids in das Bett die VOC in solchen Gase oxidiert werden. Somit muss nicht und wird vorzugsweise nicht das gesamte Matrixbett 38 auf die Temperatur vorgeheizt, bei welcher die Oxidation der chemischen Verbindungen stattfinden wird. In bevorzugten Ausführungsformen wird das Matrixbett so vorgeheizt werden, dass der Teil des Matrixbetts 38, welcher entgegengesetzt oder entfernt von dem Punkt der Einführung der Verfahrensfluide ist, bei einer Temperatur oberhalb der Oxidationstemperatur der chemischen Verbindungen ist, während der Teil des Matrixbetts 38, der in Nähe des Punktes der Einführung der Verfahrensfluide bei einer Temperatur unterhalb dieser Oxidationstemperatur ist.

Der Temperaturunterschied zwischen dem oberen Teil 101 und dem unteren Teil 102 des Matrixbetts 38 (siehe 3), nachdem der Vorheizschritt durchgeführt worden ist, ist in erster Linie auf die Konvektionswärmeabsorptionscharakteristika der Matrixmaterialien 42 zurückzuführen. Diese Materialien absorbieren leicht die Hitze von dem Wärmefluid, und somit wird das Matrixbett 38 eher auf fortschreitende Wellenweise erhitzt, als dass das Material als Sammelmasse erhitzt wird.

Die Vorheizsequenz kann durch die Verfahrenskontrollvorrichtung 60 kontrolliert werden. Die Thermoelemente 54 können verwendet werden, um das Temperaturprofil des Matrixbettes 38 zu überwachen. Wenn der obere Teil 101 des Matrixbetts 38 eine ausreichend hohe Temperatur erreicht, kann die Kontrollvorrichtung 60 verwendet werden, um den Vorheizer 94 abzuschalten.

Die thermische Oxidationsvorrichtung 20 wird vom Vorheizmodus zum Betriebsmodus umgestellt, indem die Ventile 93 und 97 geschlossen werden, und indem die Ventile 19 und 95 geöffnet werden. Das Verfahrensfluid kann dann in die Oxidationsvorrichtung 20 eingeführt werden. Diese Schritte können alle über die Kontrollvorrichtung 60 reguliert werden.

Die Gase, die die thermische Oxidationsvorrichtung 20 verlassen, können in allen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Verwendung konventioneller Technologien vor der Abgabe an die Atmosphäre behandelt werden.