JP2009530077A - 底流仕切部材を備えたオートクレーブ - Google Patents

Abstract

本発明は、隔室間にフィードストリームを流すための１つ以上の底流開口部を有する隔室間仕切部材を用いる多隔室オートクレーブに関する。

Description

本発明は反応器に関する。より詳細には、本発明は超大気圧反応器、特にオートクレーブに関する。

オートクレーブ反応器は、化学的なプロセスにおいて広い範囲の用途を有する。代表的なオートクレーブは１つ以上の隔室を有し、昇温昇圧下で用いられる。大部分のオートクレーブは、蒸気注入、オートクレーブ内の反応により生じる自己発熱、または双方の組み合わせによって加熱される。

大部分の用途では、オートクレーブは撹拌される多隔室の反応器である。多隔室で円筒状のオートクレーブの一例を、図１および２に示す。反応器１００は複数の隔室１０４ａ−ｆを有し、各隔室１０４は１つ以上の撹拌器１０８ａ−ｇを有する。大部分の用途では、撹拌器１０８ａ−ｇは同じ方向に回転する。隣接した隔室１０４ａ−ｆは、溢流（ｏｖｅｒｆｌｏｗ）堰として構成された仕切部材１１２ａ−３によって分離されている。投入されたスラリー１１６は、図１に矢印によって示すように、堰を溢流することによって、隔室から隔室へと移動する。隔室から隔室へスラリーのカスケード流を可能とするように、様々な隔室の液レベルは、第１の隔室１０４ａが第２の隔室１０４ｂより高い液レベルを有し、第２の隔室１０４ｂは第３の隔室１０４ｃより高い液レベルを有するなど、段階的に変化しており、第６の隔室１０４ｆは最も低い液レベルを有する。

溢流堰型の仕切部材１１２の一例を図２に示す。仕切部材１１２は、オートクレーブの円筒状の輪郭に一致するように円筒状に形成されており、仕切部材の上部に位置するノッチ２００を有する。液体は、このノッチを通じて流れ、次の（下流の）隔室へ移動する。連続する溢流堰のノッチ間には充分な高さの差が存在するので、液体の逆流混合が発生することはなく、容器を通じた正方向の流れが維持される。隔室から隔室へと液レベルに所望の段階的な勾配を与えるために、隔室のノッチ２００の高さは、第１、第２の隔室の間の第１の仕切部材１１２ａのノッチ２００は第２の仕切部材１１２ｂのノッチ２００より高く、第２の仕切部材１１２ｂのノッチ２００は仕切部材１１２ｃのノッチ２００より高くなど、液レベルと同じように変化する。

オートクレーブ反応器における代表的な化学反応の一例は、硫化物硫黄化合物における融解、卑金属および貴金属の遊離またはその両方を生じる、硫化物硫黄の圧力酸化である。圧力酸化は、通常、密封したオートクレーブ（超大気圧で稼動される）を通じて、卑金属、貴金属またはその両方を含有する材料（卑金属、貴金属またはその両方の鉱石および濃縮液）を含む投入スラリー１１６および硫酸を流すことによって実行される。スラリー中の硫化物硫黄の酸化を行うために、通常、分子酸素を含有するガス１２０が、各撹拌器の下に配置された散布チューブ（図示せず）によって、オートクレーブに連続的に供給される。分子酸素および昇温によって、硫化物硫黄は比較的急速に酸化され、硫酸および金属硫化物を形成し、金属硫酸塩を形成する。金属硫酸塩は酸性スラリーに可溶であるため、含金属浸出溶液（ｐｒｅｇｎａｎｔ ｌｅａｃｈ ｓｏｌｕｔｉｏｎ）を生成する。含金属浸出溶液は、一般に、約１０〜約１００グラム／リットルの硫酸、約５〜約１００グラム／リットルの溶存金属、および重量で約４〜約５０％の固体を含有しており、排出スラリー１２４としてオートクレーブの最後の隔室から除かれる。このプロセスについての追加の詳細は、キング（Ｋｉｎｇ）による特許文献１に記載されている。これを引用によって本明細書に援用する。オートクレーブにおいて所望の圧力および大気ガス組成を維持するために、オートクレーブ中のガスは排ガス１２８として連続的または定期的に放出さ
れる。オートクレーブの一構成は、特許文献２および３に記載されている。
米国特許第５，６９８，１７０号明細書 米国特許第６，３６８，３８１号明細書 米国特許第６，１８３，７０６号明細書

オートクレーブ反応器を設計する際には、数々の検討事項が存在する。例えば、スラリーは各隔室において適切な滞留時間を有することが所望される。ショートサーキット、すなわち、隔室において許容不能なほど短い滞留時間で次の隔室へ移動することによって、金属抽出レベルが非常に減少することがある。最良の結果では、各隔室における滞留時間分布、すなわちＲＤＴは、理想的なプラグフロー条件に可能な限り近い必要がある。各隔室において、分子酸素と硫化物硫黄との高い反応率を与えるように、充分な動力投入および混合効率を有することが所望される。高い混合効率を与えるために、撹拌器に大きな動力を与えることが一般的に行われているが、それによって各隔室においては界面が非常に乱される。

これらの必要および他の必要は、本発明の様々な実施形態および構成によって対処される。本発明は、一般に、隔室間仕切部材において底流開口部を有するオートクレーブに関する。本明細書において、「底流（ｕｎｄｅｒｆｌｏｗ）」は、オートクレーブ隔室間の液面下の流れを表して用いられる。

一実施形態では、オートクレーブは、（ａ）複数の隔室と、（ｂ）同複数の隔室に配置された複数の撹拌器と、（ｃ）同複数の隔室を分離している複数の仕切部材と、を備える。各仕切部材は１つ以上の底流開口部を備える。フィードストリームは隣接した隔室を分離している仕切部材における１つ以上の底流開口部を通過することによって、隣接した隔室間を流れる。

仕切部材の溢流を抑制するために、各仕切部材の高さは、隣接した上流の隔室における非常に乱れた界面により与えられる波の運動よりも充分に大きいようなレベルに設定される。仕切部材の高さは、オートクレーブの長さに沿って気相の自由な移動が維持されるような高さである。隔室の液レベルは隔室から隔室へと変化するが、底流型堰仕切部材を備えた隣接した隔室間の液レベルの差は、一般に、溢流堰型仕切部材を備えた隣接した隔室間の液レベルの差より小さい。このオートクレーブでは、標準的な溢流堰型仕切部材（以下では「溢流堰」）を備えたオートクレーブと比較して、底流仕切部材の隔室間の落差が小さいほど、大きな作用体積（通常、約２％以上）が得られる。

オートクレーブを通じた体積的な流量をほぼ最大としつつショートサーキットおよび逆流混合をほぼ最小とするために、各底流仕切部材において、１つ以上の底流開口部の総断面積の寸法は、隔室間の落差が約２５〜１００ｍｍの範囲に維持されるように、標準的な流体力学技術を用いて決定される。開口部が最適より小さく作られる場合、隔室間の落差の差は大きくなり、溢流構成と比較して隔室間の落差が小さいことの利点は失われる。開口部が最適より大きく作られる場合、隔室間の落差の差はさらに小さくなるが、この利点は、底流開口部が大きくなることによって生じる逆流混合／ショートサーキットの増加によって相殺される以上のものであり得る。各仕切部材における１つ以上の底流開口部の総断面積は、ほぼ同じである。

仕切部材における底流開口部の位置は重要であることがある。好適には、各仕切部材において、１つ以上の底流開口部は、オートクレーブの下部より上に、隣接した上流の隔室
における液レベルの約２０％以下の高さに配置されている。より好適には、各仕切部材において、１つ以上の底流開口部は、隣接した上流の隔室の撹拌器の最も上のインペラ翼のまたはそれより下の位置に配置されている。

１つのオートクレーブ構成では、複数の撹拌器は反対に回転し、連続した仕切部材における底流開口部は、オートクレーブの長手方向軸について空間的に離されている。１つの好適なオートクレーブ設計では、第１の隔室の第１の撹拌器は右回り（ｃｌｏｃｋｗｉｓｅ）に回転し、第１の隔室を隣接した第２の隔室から分離している第１の仕切部材における１つ以上の底流開口部は、オートクレーブの長手方向軸の下流の右側に配置されており、第２の隔室の第２の撹拌器は左回り（ｃｏｕｎｔｅｒｃｌｏｃｋｗｉｓｅ）に回転し、第２の隔室を隣接した第３の隔室から分離している第２の仕切部材における１つ以上の底流開口部は、オートクレーブの長手方向軸の左側に配置されている。

オートクレーブは数々の利点を有することが可能である。例えば、底流仕切部材では、溢流堰と比較して、隔室間のショートサーキットのレベルが著しく低くなる。底流仕切部材によって分離されている隔室のＲＴＤは、一般に、溢流堰によって分離されている隔室におけるよりも、理想的なプラグフロー条件に近い。同一の撹拌および通気条件下において、底流仕切部材によって分離されている隔室では、溢流堰によって分離された隔室に比較して、より高い物質移動係数が得られる。底流仕切部材は、隔室における固体の蓄積を抑制することが可能である。溢流堰仕切部材は、オートクレーブを通じるより粗い粒子の流れを抑制することが可能である。粗粒子は、オートクレーブのフィードに自然に存在する、不定期なオーバサイズ、払出されたスケール蓄積物、またはオートクレーブにおいて形成されるフィード粒子の集合体を含む。底流堰構成によって、そのような粗粒子のオートクレーブの軸に沿って下流への移動が促進され、オートクレーブ排出の際に除去される。粗粒子が除去されないと、有効な作用体積が減少し、オートクレーブの撹拌器翼およびオートクレーブの裏材の摩耗が促進される場合がある。したがって、標準的な溢流堰型仕切部材と比較して、底流仕切部材はより容易に設計および構成される。通常、溢流堰仕切部材は、上流の隔室の液体スラリーの全落差を支持するように設計される必要がある。底流堰仕切部材では、隣接した隔室間におけるこの落差の差は生じない。したがって、底流堰仕切部材はより小さい壁厚と、より少ない構造部材しか必要としない。底流堰仕切部材では、オートクレーブが保守点検のために使用停止となるとき、個々の隔室について時間の掛かる労働集約的な液体および固体の除去処置を行うことなく、より容易にスラリーを除去することが可能である。

本発明の一実施形態について、図３〜５に関連して説明する。本発明の第１の実施形態のオートクレーブ３００は、仕切部材３０８ａ−ｅによって分離された複数の隔室３０４ａ−ｆを備える。オートクレーブを５つの隔室しか有しないように示すが、用途に応じて、オートクレーブが５つより多いまたは少ない隔室を有してよいことが理解される。図３の矢印によって分かるように、仕切部材３０８ａ−ｄは底流仕切部材であるが、最後の仕切部材３０８ｆは溢流堰（図２の堰など）であってもよい。最後の隔室と最後の隔室の隣りの隔室との間に溢流仕切部材を使用することによって、最後の隔室の液レベルにおいて、より大きい変動およびより高い感度が提供され、フィードストリームの流れが変動する期間を操作する動的なレベル制御が可能となる。オートクレーブ隔室の数が減少するにつれて、最後の隔室に溢流仕切部材を提供することはそれほど必要でなくなると考えられる。最後の隔室において溢流仕切部材を使用することによってオートクレーブの作用体積の損失が生じることがあるので、最後の隔室と最後の隔室の隣りの隔室との間の（最後の）仕切部材は底流仕切部材であってもよい。底流仕切部材はオートクレーブにおいてより大きい作用体積を提供することができるが、オートクレーブ全体がレベル制御に用いられることが必要となることがある。したがって、最後の仕切部材において底流設計を用いるレ
ベル制御は、溢流設計の場合ほど正確でない場合や高感度でない場合がある。複数の撹拌器３１２ａ−ｇが様々な隔室３０４ａ−ｆに配置されている。分子酸素含有ガス１２０は、各撹拌器に空間的に隣接して配置された散布チューブ（図示せず）を介して、各隔室へ導入される。フィードストリーム３２０は第１の隔室３０４ａへ導入され、オートクレーブ３００を通じて最終隔室３０４ｆへ段階的に移動する。生成物３２４は最終隔室から３０４ｆから除去され、上述のように、排ガス３２８はオートクレーブから放出される。

フィードストリーム３２０は液体の形態であり、固形微粒子を含有するスラリーであってもよい。フィードストリーム３２０は、生成物３２４において所望の組の化合物に変換される化学種を含んでいる。通常の用途では、フィードストリーム３２０は、卑金属、白金族、鉱石中の貴金属硫化物もしくはそれらのうちの１つ以上、濃縮粒子またはその両方を含む。オートクレーブの昇温および昇圧下では、硫化物硫黄は分子酸素によって硫酸へと酸化され、金属硫化物は金属硫酸塩へと酸化され、これはフィードストリーム３２０の液体成分に可溶である。したがって、金属は溶存種として液体成分へ導入される。生成物３２４は、通常、含金属浸出溶液と呼ばれる。溶存金属は、次いで、イオン交換、溶媒抽出、電解採取、セメンテーション、沈降およびそれらの組み合わせを含む、既知の技術によって回収可能である。本発明のオートクレーブを金属含有粒子からの金属の浸出に関して説明するが、このオートクレーブが、触媒的な化学反応（例えば、鉄（ＩＩ）イオンから鉄（ＩＩＩ）イオンへの変換、分子酸素によるＮＯの再酸化、および銅（Ｉ）アミンから銅（ＩＩ）アミンへの変換）など、オートクレーブにより一般に行なわれる数々の他の反応において用いられてよいことが理解される。

撹拌器３１２ａ−ｇは、ＲＵＳＨＴＯＮ（商標）またはＥＫＡＴＯ（商標）によって製造されたインペラなど、ガス／液体の移送および液体またはスラリーフィードの適切な混合を効率的に促進する任意の適切なインペラ設計であってよい。インペラは、いずれもキングらによる特許文献２および３に記載のインペラなど、ガスインペラであってもよい。

ベント３２８はオートクレーブに沿った任意の点に配置されてよく、二酸化炭素、窒素およびアルゴンなどの不活性なガスを放出する。それらの不活性なガスは、放出されない場合、オートクレーブ内に許容不能な分圧を生じる。金属硫化物の浸出では、オートクレーブの大気は、通常、蒸気、分子酸素および不活性なガスを含む。二酸化炭素は、オートクレーブの酸化されたスラリー中に存在する酸による、オートクレーブフィード中の鉱物炭酸塩の分解によって生じる。窒素およびアルゴンは、供給酸素中に不純物として存在することがある。大部分の二酸化炭素は最初の隔室において生じるので、ベントは、好適には、オートクレーブの投入端部の近くに配置されている。このベントの位置によって、ベントガス中において一般により高い二酸化炭素−分子酸素比が可能となり、硫黄酸化反応において全分子酸素消費がほぼ最小化される。

オートクレーブガス大気は酸素添加によって制御され、酸素−不活性ガスの分子比は、通常、少なくとも分子酸素１対不活性ガス１に維持される。蒸気の分圧対不活性ガスおよび分子酸素の全圧の比は、オートクレーブの運転温度に応じて広範に変化するが、通常、この比は、蒸気３対（Ｏ_２＋不活性ガス）１から蒸気１０対（Ｏ_２＋不活性ガス）１まで変化する。

底流仕切部材３０８ａ−ｄを図７に示す。仕切部材は円形であり、オートクレーブ３００の壁に係合するとともに、仕切部材の上部に溢流ノッチが配置されていない形状である。むしろ、隔室から隔室へのフィードストリーム３２０の移動は、仕切部材の下部の方に配置されている底流開口部７００によってもたらされる。好適には、隣接した隔室間を流れるフィードストリームのうち、少なくとも大部分、より好適には少なくとも約７５％、さらに好適には全部が、隔室を分離する仕切部材の底流開口部を通じて流れる。換言する
と、オートクレーブの下部より上の仕切部材の高さ「Ｈ」は、上流のオートクレーブ隔室における液レベル（好適には、撹拌による最大波高さを含む）より高いので、フィードストリーム３２０が仕切部材の上部７０４を溢流することはない。液体が仕切部材を溢流することを回避するために、仕切部材は、好適には、約０．８０以上、より好適には約０．８０〜約０．９８の範囲の高さ−直径比を有する。ガス大気の隔室間連通を可能とするために、開口部７０８は仕切部材７０４の上部の上に配置されている。

理論によって拘束されるものではないが、底流仕切部材構成では、撹拌器による著しい界面の運動すなわち乱れのため、溢流堰構成と比較して、より好ましいＲＴＤが提供されると考えられる。溢流堰では、界面の乱れは、フィードストリームをノッチに打ち寄せさせて、ショートサーキットを生じると考えられる。仕切部材の底流開口部を適切に寸法決定し配置することによって、溢流堰を備えたオートクレーブにより経験されるレベルを越えて、ショートサーキットの発生を著しく減少することが可能である。

底流開口部の寸法または仕切部材の総断面積によって、所与の隔室のフィードストリームのＲＴＤおよびオートクレーブの性能には著しい影響が与えられる。開口部寸法がフィードストリームの落差に対して大き過ぎる（すなわち、落差が開口部の上のフィードストリームのレベルに比例する）場合、上流の隔室から下流の隔室へのフィードストリームのショートサーキットと、下流の隔室から上流の隔室へのフィードストリームの逆流混合との両方の発生が増加する。開口部寸法がフィードストリームの落差に対して小さ過ぎる場合、フィードストリームの処理量（すなわち、オートクレーブの性能）は、最適からは相当小さくなる。好適には、開口部寸法は、オートクレーブにおいて選択される隔室間流量を提供しつつ、各隔室において落差を可能な限り小さく保持するように選択される。より好適には、流れは、約７０〜約１００％、より好適には約９０〜約１００％の範囲である。落差は、流れに対し大きな抵抗を生じ過ぎず、それによって、好適には、理想的なプラグフロー条件に近付くように選択される。通常、落差は、約５０ｍｍ〜約１５０ｍｍ、より好適には通常、約５ｍｍ〜約５０ｍｍの範囲である。よく知られている流体力学方程式を用いると、所与の仕切部材による隔室間の、好適な総底流開口部断面積（ｍ^２単位）対スラリー流速（ｍ^３／秒単位）の比は、好適には、約１．０〜約７．０、より好適には、約２．０〜約７．０の範囲である。様々な隔室において一様な流動性を提供するために、様々な仕切部材の底流開口部は、通常、ほぼ同じ断面積を有し、さらに好適には、各仕切部材の開口部は互いの大きさで約２５％以内、より好適には約１０％以内でしか変化しない断面積を有する。

底流の開口の面積は、隣接した隔室間の流速の関数であることが理解される。これは、各隔室へのクエンチ水添加のため、オートクレーブの長さを変化させる。隔室間の流速は想定される温度プロファイルから算出されてもよく、クエンチ水の添加によってオートクレーブが停止される。これらの因子の正味の結果は、最初の（上流の）仕切部材から最後の（下流の）仕切部材への底流開口部面積の段階的な増大である。すなわち、第１の仕切部材における総底流開口部面積は、通常、第２の仕切部材未満であり、第２の仕切部材における総底流開口部面積は、通常、第３の仕切部材未満であり、などである。

インペラ翼の位置に対する好適な底流開口部の位置は、最も上のインペラ翼のまたはそれより下の位置である。認められるように、一部の撹拌器は、上側および下側の翼の組を有する、インタープロップ（ｉｎｔｅｒｐｒｏｐ）設計を有する。他の撹拌器は、１つの翼の組のみを有する。前者の場合、開口部は上側の翼の組またはそれより下の位置にあることが好適である。後者の場合、開口部は１つの翼の組またはそれより下の位置にあることが好適である。これらの位置に底流開口部があることによって、隔室間の排液が可能となり、各隔室における固体の蓄積が抑制される。より好適には、開口部は、上流の隔室の液レベルの約６６％以下、より好適には約３３％以下の高さ（オートクレーブの下部より
上）に位置することが好適である。

隔室の液レベルは、最初のオートクレーブ隔室から最後のオートクレーブ隔室まで流れが発生するために必要な落差を提供するように変化する。すなわち、第１の隔室の液レベルは第２の隔室の液レベルより高く、第２の隔室の液レベルは第３の隔室の液レベルより高く、などである。隣接した隔室間の液レベルの典型的な差は、約５ｍｍ〜約１５０ｍｍ、さらに典型的には、約５〜約５０ｍｍの範囲である。

図５および６には、他の底流開口部設計を示す。図５では、仕切部材５００の開口部５０４はアーチ形または円形の形状であり、オートクレーブの下部５０８より上に配置されている。開口部５０４は、ほぼ仕切部材５００の垂直中心線に沿って配置されている。図６では、底流開口部は等しい寸法の一連の開口部６０４ａ−ｃとして設計されている。開口部６０４ａ−ｃは、仕切部材６００を通じて集合的に所望の断面積を提供する。３つの開口部しか示していないが、各開口部の断面積がフィードストリーム中の少なくとも大部分の粒子を通過させるのに充分に大きい限り、任意の数および形状（例えば、円形、長方形、正方形、楕円など）の開口部を用いてよいことが理解される。

図４および８Ａ，８Ｂに示す一構成では、底流開口部の位置は撹拌器の回転方向に応じて異なる。図８Ａには、仕切部材８０８の垂直中心線およびオートクレーブの長手方向軸の左側に配置された底流開口部８１２を有する、仕切部材８０８を示し、図８Ｂには、仕切部材の垂直中心線およびオートクレーブの長手方向軸の右側に配置された底流開口部８０４を有する、仕切部材８００を示す。図４に見られるように、撹拌器の回転方向は隔室毎に変化する。すなわち、第１の隔室３０４ａでは、撹拌器３１２ａ，ｂは第１の方向（右回りとして示す）に回転し、第２の隔室３０４ｂでは、撹拌器３１２ｃは第２の（反対の）方向（左回りとして示す）に回転し、などである。最終の仕切部材３０８は、図２に示すように、溢流堰として構成されるので、示すように、最後の２つの隔室３０４ｅ，ｆにおける回転方向が同じであってもよい。

理論によって拘束されるものではないが、撹拌器の運動に応じて液体の圧力が最大である点に底流開口部を配置することによって、隔室から隔室へとフィードストリームが有効に「送り込まれる（ｐｕｍｐ）」と考えられる。このように、落差は、隔室間のフィードストリームの流れを生じさせる唯一の原動力ではない。隣接した隔室の撹拌器が反対に回転することによって、逆流混合の発生が減少する。隣接した仕切部材の底流開口部は、軸方向に整合した底流開口部を通じてフィードストリームが１つの隔室から別の隔室へ迅速に「押され（ｐｕｓｈｅｄ）」過ぎること（すなわち、ショートサーキット）を防止するように、互いから空間的にずらして配置されている。

運転中、フィードストリーム３２０は第１の隔室３０４ａへ、連続的または不連続的に導入される一方、撹拌器３１２ａ−ｇは回転しており、分子酸素含有ガス１２０が隔室３０４ａ−ｆの各々に導入される。フィードストリーム３２０のうちの選択された部分は、介在する仕切部材３０８ａ−ｄの各々の底流開口部を通じて、隔室から隔室へと連続して流れる。第５の隔室３０４ｅでは、選択されたフィードストリーム部分は第５の仕切部材３０８ｅを溢流し、第６の最後のオートクレーブ隔室３０４ｆへ入る。完全に反応した（例えば、還元または酸化された）フィードストリーム部分は、生成物３２４として第６の隔室から除去される。上述のように、生成物３２４は、生成物から溶存金属を回収するためなど、通常、さらに処理される。

典型的な硫化物酸化オートクレーブでは、オートクレーブのガス内圧は超大気圧であり、より典型的には、絶対圧で約０．３４５ＭＰａ〜約０．６８９ＭＰａ（約５０〜約１００ｐｓｉａ）の範囲である。オートクレーブにおける分子酸素分圧は、典型的には、ゲー
ジ圧で約０．３４５ＭＰａ〜約２．０６８ＭＰａ（約５０〜約３００ｐｓｉｇ）に保持される。典型的なオートクレーブの作業温度は、約１５０℃〜約３００℃の範囲である。

実験
個々の隔室間の分割壁または仕切部材における典型的な溢流堰および特別に設計された底流開口部によって、液体および固体のＲＴＤと、酸素の物質移動の比較測定を行った。

試験オートクレーブの形状は円筒状とした。この試験オートクレーブは外径４８０ｍｍであり、５つの隔室を備えていた。第１の隔室は２つの撹拌器を備え、残りの下流の隔室は１つの撹拌器を備えていた。第１の隔室の容積は、下流の隔室の各々（寸法が等しい）の約２倍であった。

３つの仕切部材設計を様々な試験において用いた。１つの仕切部材の組は図２の溢流堰設計を有しており、ノッチ２００の幅は２００ｍｍであった。オートクレーブの下部より上のノッチの高さは、３８０ｍｍであった。第２の仕切部材の組は図５の設計を有しており、単一の底流開口部の直径は３９ｍｍであった。第３の仕切部材の組は図６の設計を有しており、３つの底流開口部を備えていた。図６の底流開口部は各々、直径が２２ｍｍであり、互いから径方向に３０度だけ離されていた。

試験オートクレーブの吸込力および動力数は、トルクおよび速度の測定値によって決定した。非ガス条件下では、動力数は定数であり、７．３の値であった。
化学量論的な量のチオ硫酸塩の添加によるヨウ素デンプン錯体の濃青色の消失の目視観察によって、混合時間特性測定を行った。第１のチャンバでは、２つのミキサが２つの別個の循環ループを生じ、これは比較的高い混合時間特性を生じる。中和ミキサを使用したとき、または２つのミキサの相対的な距離が減少したときには、第１の隔室の混合時間に対する影響はほとんど見られなかった。２つの別個の循環ループがＲＴＤに有用であることは確かである。１より多くのセルに対応する滞留時間をは予想することが可能である。無次元の混合時間の結果を以下のテーブル１に示す。

テーブル１：無次元の混合時間

溢流堰について、界面の運動（波数）を決定した。堰を越えて液が打ち寄せ、チャンバからチャンバへのショートサーキットおよび液量の減少（主として、動力投入が最大の第１のチャンバにおいて）を生じる、著しい界面運動が観察された。各試験における無次元の波数は、既知の技術によって決定した。

波数は次のように定義した。

ここで、ｇは重力定数であり、ｈ_ｗは波の高さであり、ｎはミキサ速度であり、ｄ_２はインペラの直径である。

試験の結果をテーブル２に示す。
テーブル２：隔室１，２における無次元の波数

テーブル２に見られるように、得られた波高は、溢流堰における圧力低下によるチャンバからチャンバへのレベル差より充分に高い。

様々な溢流構成および底流構成における抗力係数の測定を行った。溢流堰におけるレベル差を算出するために、レボック（Ｒｅｈｂｏｃｋ）の関係式を用いた。

ここで、ｈ_ＯＶは溢流堰の液レベルの高さであり、ｑはオートクレーブに対するフィード速度であり、ｌ_ＯＶは溢流堰の長さである。

レベル差は次のように算出可能である：

上式において、３．６は、図５および６の底流開口部の抗力係数を表す。この式において、ｈ_ｕｎは底流仕切部材の液レベルの高さであり、ｄ_ｕｎｄは底流開口部の直径である。

固形分を含まない水を用いて、様々な仕切部材構成についてＲＴＤを測定した。伝導率プローブを試験オートクレーブの全てのチャンバに配置した。パルス応答信号およびステップ応答信号を得るために、２つの手順を用いた。ここで、ｎは隔室の数であり、τはオートクレーブにおける総滞留時間であり、ｔ／τは正規化した時間である。各隔室の容積は同一であると仮定する。

ｎ個の隔室についてのパルス応答関数は、次式によって与えられる（ｎ＞１）。

ここで、ｃは濃度である。

ｎ個の隔室についてのステップ応答関数は、次式によって与えられる（ｎ＞１）。

パルス応答を得るために、第１のオートクレーブチャンバに供給された純水へ、食塩水を瞬間的に添加した。濃度の減衰を初期の最大濃度を用いて正規化し、正規化した滞留時間の関数として、全チャンバについて記録した。

ステップ応答を得るために、第１のオートクレーブチャンバに食塩水を連続的に添加した。濃度の上昇を初期の最大濃度を用いて正規化し、正規化した時間の関数として、全チャンバについて記録した。図では、最後の第５のチャンバについての結果のみを比較している。

第１の試験は、一定の比動力投入のスケールダウン基準にて行った。モデルスケールでのスプラッシング（ｓｐｌａｓｈｉｎｇ）のため、動力投入は減少した（第１のチャンバにおいて、３．３ｋＷ／ｍ^３）。液が仕切部材の側面を越えて打ち寄せることによるショートサーキットを抑制するために、より低い１．０ｋＷ／ｍ^３の比動力投入を生じるのと同じ波数を達成するスケールダウン基準にて、追加の試験を行った。数回の予備試験後、同じ条件で様々な底流仕切部材設計および溢流堰を比較した。

予備試験のうちの１つは、撹拌器の回転方向の影響を調査することであった。前駆物質として、着色した水を用いて何らかの目視観察を行った。チャンバからチャンバへとインペラが反対に回転していたとき、底流仕切部材により最良の結果が得られた。この観察を定量化するために、１つの試験では、チャンバ２，４の撹拌器の回転方向を変化させた。撹拌器の回転方向が同一である標準的な条件を用いる別の試験と比較すると、回転方向が変更されている方が良好な性能を示している。パルス応答の最大値は、０．６７３から０．７１９へとシフトし、体積効率は８７．７％から９３．８％へと向上した。図８Ａおよび８Ｂに示すように、底流開口部を交互に中心からずらして配置を試験したが、さらなる利点を提供するようには見えなかった。

一定の比動力投入の試験を行った。様々な試験条件および結果を、以下のテーブル３に示す。
テーブル３

図９では、パルス入力応答について、溢流仕切部材設計および４つの様々な底流仕切部材設計の結果を比較している。図１０では、ステップ投入応答について、複数の構成を比較
している。１つの３９ｍｍのホールと、３つの２２ｍｍのホールを備えた底流部形状によって、最良の結果が得られた。これらの曲線は計算された理論的なＣＳＴＲパルスおよびステップ投入応答に極めて近い。

溢流堰を用いた場合に理論値からの乖離がより大きいことは、波の形成によるショートサーキット効果および有効体積の減少によって説明可能である。底流仕切部材については、底流仕切部材は溢流を回避するように設計されているので、液面の波の状況は重要でない。

図１１および１２については、波数一定の試験を行った。比動力投入一定での測定と比較して、溢流堰についての曲線は、底流仕切部材およびステップ投入応答のものに近い。これは、波の形成すなわち界面の運動がＲＴＤに影響を与えることを示している。

パルス応答は依然として底流仕切部材と比較して良好でない結果を示しいているが、曲線の最大値は０．５６から０．６４へと変化した（正規化した時間）。２つの底流仕切部材設計については、最大値は同じ正規化時間であった。

ステップ投入応答については、データはさらに近付いている。３つの２２ｍｍのホールを備えた底流仕切部材設計は、より広い応答関数を示している。
伝導率によるＲＴＤ測定の試験から、溢流構成から記載の底流構成へと変更することによって、オートクレーブにおいてより良好なＲＴＤが与えられると結論付けられる。

次に、固体を含む液体またはスラリーを用いて、様々な仕切部材構成についてＲＴＤを決定した。純水の供給量を調整した後、直径３ｍｍのプラスチックビーズを、密度１０５０ｋｇ／ｍ^３、濃度〜１％で、チャンバ１へ添加した。これらのプラスチックビーズは、処理された鉱物と同様の沈降速度を有する。パルス投入応答を得るために、ビーズを瞬間的に添加し、ステップ投入応答を得るために、ビーズを連続的に添加した。各試験では、チャンバ５を出る正規化した重量部分を、正規化した滞留時間の関数として記録した。

様々な試験条件を、以下のテーブル４に示す。
テーブル４

試験結果について、図１３〜１５を参照して説明する。

図１３では、２つの底流仕切部材設計および溢流堰のＲＴＤは、生産スケールにおけるのと同じ比動力投入で与えられる。直径２２ｍｍの３つのホールを備えた底流仕切部材設計における分布はより狭く、ＲＴＤの最大値は理論的なＣＳＴＲに幾らか近い。

図１４および１５には、波数一定（試験Ｇ１２−Ｇ１５）で行った試験の試験結果を示す。図１４では、１つの底流仕切部材設計および溢流堰のＲＴＤは、生産スケールにおけ
るのと同じ波数で与えられる。これらの条件では、結果は他のスケールダウン条件とは全く異なる。底流構成のＲＴＤは、より高い動力投入におけるよりも狭く、その最大値は理論的なＣＳＴＲに充分近い。溢流堰については、上述のようにＲＴＤはより広く、固体濃度の絶対値は減少している。この結果は、懸濁粒子の均一性が不充分であることを示している可能性がある。この結果は、底流仕切部材設計の１つの利点を示している。オートクレーブにおいてより大きな粒子が蓄積する可能性は、より小さい。図１５では、同じ結論が得られる。この図では、ステップ投入応答について示す。溢流堰については、出口における固体濃度は入口におけるよりも充分に低く、固体の蓄積が発生することを意味している。

底流仕切部材の有効性を適切に評価するために、物質移動測定を行った。気／液物質移動ｋ_ｌ・ａはミキサの比出力投入によって影響を与えられることがあり、泡寸法に影響を与える。ガス供給によって、泡の数が決まる。体積５００ｍ^３に及ぶ発酵槽や、体積５０００ｍ^３に及ぶ燃料ガス脱硫溜めなどの大きな装置では、比出力投入およびガス供給が影響を与えるパラメータであることが分かった。得られた関係式は以下の通りである：

ここで、ｂ，ｃ，ｄは系に依存する。純粋なガスについては、Ｖ_ＳＧ項は意味を有しない。

これらの試験は、Ｐ／Ｖおよび酸素供給を変動させて、影響を与えるパラメータの傾向を得ることを意図したものであった。この傾向によって、生産オートクレーブの性能の予測が可能となる。

ｋ_ｌ・ａの値は、周囲条件下のガスとして分子酸素を用い、触媒としての３ｐｐｍのＣｏ^２＋の存在下、鉱物を含有している水（０．４ｍｏ／ｌ以下）を用いて測定した。すなわち、原子半径の小さいイオンの存在による純粋な非合着（ｎｏｎ−ｃｏａｌｅｓｃｉｎｇ）条件下で物質移動測定を行った。これらの条件によって、小さい泡と、合着条件下より５桁も大きい物質移動係数が与えられる。１５０℃を越える温度では、鉱物濃度はもはや合着挙動に影響を与えず、液体が合着挙動を得る。この欠損は、２３０℃の水中では酸素の拡散係数がほぼ５桁大きいことによって、部分的に補償される。

２．５ｍｍより大きい泡では、次式が成り立つ。

したがって、２３０℃のＯ_２／水系および周囲条件下のＯ_２／水系でのｋ_ｌ値は、２．３桁だけ増大する。生成したイオン（例えば、Ｆｅ^２＋）によって、化学的な強化が得られる場合、さらに正の方向の影響を生じることがある。

試験を次のように行った：
（ａ）モデルのオートクレーブに３ｐｐｍのＣｏ^２＋を含有している０．４Ｍ硫酸ナトリウム溶液を調製。
（ｂ）ポンプを始動。
（ｃ）狙いの物質移動係数に相当する単位時間毎に、規定量の亜硫酸ナトリウム固体を添加。
（ｄ）個々のチャンバの溶在分子酸素濃度を連続的に測定。
（ｅ）正規化した滞留時間のうち１より大きい期間を通じて条件を維持。

図１６には、代表的な試験結果を示す。底流構成の第１の隔室におけるｋ_ｌ・ａ値は、溢流構成におけるよりも約２０％大きい。これは、この場合にも、おそらく試験条件における波の形成のためである。作業条件におけるオートクレーブの物質移動性能は、分離壁の任意の設計において充分である。

底流開口部を用いる上述の試験結果では、体積効率における利点、ＲＴＤの向上、およびより大きい物質移動係数が示されている。溢流堰による負の効果は、主として、ミキサによって生じる著しい界面の運動による、溢流堰に対する打ち寄せの影響である。この打ち寄せ効果のため、ショートサーキットおよび有効体積の減少が生じる。底流開口部を備えた分割壁を適切に設計することによって、この不利益な打ち寄せの影響は回避される。

本発明の数々の変形形態および修正形態を用いることが可能である。本発明の一部の特徴を提供し、他の特徴を提供しないことが可能である。
例えば、１つの代替実施形態では、オートクレーブの隔室は、水平に対向するように垂直に配向される。

別の代替実施形態では、本発明は、オートクレーブ以外の多隔室撹拌タンク反応器において用いられることが可能である。そのような反応器は昇圧下で動作してもよく、動作しなくてもよい。

従来技術によるオートクレーブの断面図。 従来技術による溢流堰の正面図。 本発明の一実施形態による図４の３−３線に沿ったオートクレーブの断面図。 本発明の実施形態による図３の４−４線に沿ったオートクレーブの平面図。 本発明の一実施形態による仕切部材の正面図。 本発明の一実施形態による仕切部材の正面図。 本発明の一実施形態による仕切部材の正面図。 本発明の一実施形態による仕切部材の正面図。 本発明の一実施形態による仕切部材の正面図。 同じ条件（動力投入）での溢流構成および様々な底流構成におけるパルス入力応答を比較するための、正規化した時間（横軸）に対する正規化した伝導率（縦軸）のプロット。 同じ条件（動力投入）での溢流構成および様々な底流構成におけるステップ入力応答を比較するための、正規化した時間（横軸）に対する正規化した伝導率（縦軸）のプロット。 同じ条件（波数）での溢流構成および様々な底流構成におけるパルス入力応答を比較するための、正規化した時間（横軸）に対する正規化した伝導率（縦軸）のプロット。 同じ条件（波数）での溢流構成および様々な底流構成におけるステップ入力応答を比較するための、正規化した時間（横軸）に対する正規化した伝導率（縦軸）のプロット。 同じ条件（比動力投入）での溢流構成および様々な底流構成におけるパルス入力応答を比較するための、正規化した時間（横軸）に対する正規化した伝導率（縦軸）のプロット。 同じ条件（比動力投入）での溢流構成および様々な底流構成におけるステップ入力応答を比較するための、正規化した時間（横軸）に対する正規化した伝導率（縦軸）のプロット。 同じ条件（波数）での溢流構成および様々な底流構成における固体によるパルス入力応答を比較するための、正規化した時間（横軸）に対する正規化した伝導率（縦軸）のプロット。 試験ＭＴ３における溶存分子酸素濃度に対する分子酸素（Ｏ_２）濃度（ｍｇ／ｌ）のプロット。

Claims (21)

1. （ａ）複数の隔室と、
   （ｂ）同複数の隔室に配置された複数の撹拌器と、
   （ｃ）同複数の隔室を分離しており、各々１つ以上の底流開口部を有する複数の仕切部材と、を備え、
   フィードストリームは隣接した隔室を分離している仕切部材における前記１つ以上の底流開口部を通過することによって、同隣接した隔室間を流れる撹拌タンク反応器。
2. 前記複数の仕切部材の各々の高さは隣接した上流の隔室のフィードストリームレベルより大きく、前記複数の仕切部材の各々の高さ−直径比は約０．８０以上である請求項１に記載のオートクレーブ。
3. 前記複数の仕切部材の各々において、前記１つ以上の底流開口部の総断面積は約０．０６ｍ^２〜約１．５０ｍ^２の範囲であり、隣接した隔室間の流量は約２００ｍ^３／ｈ〜約８００ｍ^３／ｈの範囲である請求項１に記載のオートクレーブ。
4. 前記複数の仕切部材の各々における前記１つ以上の底流開口部の総断面積は異なっており、前記反応器の投入端部にある第１の仕切部材の１つ以上の底流開口部の総断面積は、前記反応器の排出端部に第１の仕切部材より近い第２の仕切部材の１つ以上の底流開口部の総断面積より小さい請求項３に記載のオートクレーブ。
5. 前記複数の仕切部材の各々において、前記１つ以上の底流開口部は、隣接した上流の隔室の撹拌器の最も上のインペラ翼のまたはそれより下の位置に配置されている請求項１に記載のオートクレーブ。
6. 前記複数の仕切部材の各々において、前記１つ以上の底流開口部は、オートクレーブの下部より上に、隣接した上流の隔室における液レベルの約３３％以下の高さに配置されている請求項１に記載のオートクレーブ。
7. 複数の組の隣接した隔室において撹拌器は反対に回転する請求項１に記載のオートクレーブ。
8. 第１の隔室では、第１の撹拌器は右回りに回転し、第１の隔室を隣接した第２の隔室から分離している第１の仕切部材における１つ以上の底流開口部は、オートクレーブの長手方向軸の右側に配置されており、第２の隔室では、第２の撹拌器は左回りに回転し、第２の隔室を隣接した第３の隔室から分離している第２の仕切部材における１つ以上の底流開口部は、オートクレーブの長手方向軸の左側に配置されている請求項７に記載のオートクレーブ。
9. フィードストリームを処理する方法であって、
   （ａ）複数の隔室と、同複数の隔室に配置された複数の撹拌器と、同複数の隔室を分離しており、各々１つ以上の底流開口部を有する複数の仕切部材とを備えたオートクレーブへフィードストリームを導入することと、
   （ｂ）前記オートクレーブへ分子酸素含有ガスを導入することと、
   （ｃ）隣接した隔室を分離している仕切部材における前記１つ以上の底流開口部を通じて、同隣接した隔室間に少なくともフィードストリームの大半を流すことと、を含む方法。
10. 前記複数の仕切部材の各々の高さは隣接した上流の隔室のフィードストリームレベルよ
    り大きく、前記複数の仕切部材の各々の高さ−直径比は約０．８０以上である請求項９に記載の方法。
11. 前記複数の仕切部材の各々において、前記１つ以上の底流開口部の総断面積は約０．０６〜約１．５０ｍ^２の範囲であり、隣接した隔室間の流量は約２００〜約８００ｍ^３／ｈの範囲である請求項９に記載の方法。
12. 前記複数の仕切部材の各々における前記１つ以上の底流開口部の総断面積は異なっており、前記反応器の投入端部にある第１の仕切部材の１つ以上の底流開口部の総断面積は、前記反応器の排出端部に第１の仕切部材より近い第２の仕切部材の１つ以上の底流開口部の総断面積より小さい請求項１１に記載の方法。
13. 前記複数の仕切部材の各々において、前記１つ以上の底流開口部は、隣接した上流の隔室の撹拌器の最も上のインペラ翼のまたはそれより下の位置に配置されている請求項９に記載の方法。
14. 前記複数の仕切部材の各々において、前記１つ以上の底流開口部は、オートクレーブの下部より上に、隣接した上流の隔室における液レベルの約３３％以下の高さに配置されている請求項９に記載の方法。
15. 複数の組の隣接した隔室において撹拌器は反対に回転する請求項９に記載の方法。
16. 第１の隔室では、第１の撹拌器は右回りに回転し、第１の隔室を隣接した第２の隔室から分離している第１の仕切部材における１つ以上の底流開口部は、オートクレーブの長手方向中心線の右側に配置されており、第２の隔室では、第２の撹拌器は左回りに回転し、第２の隔室を隣接した第３の隔室から分離している第２の仕切部材における１つ以上の底流開口部は、オートクレーブの長手方向中心線の左側に配置されている請求項１５に記載の方法。
17. 金属硫化物含有材料を処理する方法であって、
    （ａ）投入スラリーを受け入れるための複数の隔室と、同複数の隔室に配置された、投入スラリーを混合するための複数の撹拌器と、同複数の隔室を分離しており、各々１つ以上の底流開口部を含む、隔室から隔室へ投入スラリーを流すための複数の仕切部材とを備えたオートクレーブへ、粉砕された金属硫化物含有材料を含む投入スラリーを導入することと、
    （ｂ）前記オートクレーブへ分子酸素含有ガスを導入することと、
    （ｃ）酸化金属含有材料を含む生成スラリーを提供するために、投入スラリー中の金属硫化物含有材料を酸化させることと、酸化させることは、隣接した隔室を分離している仕切部材における前記１つ以上の底流開口部を通じて、同隣接した隔室間に少なくともスラリー化した材料の大半を流すことを含むことと、
    （ｄ）その後、生成スラリーから金属を回収することと、
    を含む方法。
18. 前記金属は、卑金属、白金族金属および貴金属のうちの１つ以上であり、前記複数の仕切部材の各々の高さは隣接した上流の隔室のフィードストリームレベルより大きく、前記複数の仕切部材の各々の高さ−直径比は約０．８０以上である請求項１７に記載の方法。
19. 前記複数の仕切部材の各々において、前記１つ以上の底流開口部の総断面積は約０．０６〜約１．５０ｍ^２の範囲であり、隣接した隔室間の流量は約２００〜約８００ｍ^３／ｈの範囲であり、前記複数の仕切部材の各々における前記１つ以上の底流開口部の総断面積
    はほぼ同じである請求項１７に記載の方法。
20. 前記複数の仕切部材の各々において、前記１つ以上の底流開口部は、オートクレーブの下部より上に、隣接した上流の隔室における液レベルの約３３％以下の高さに配置されている請求項１７に記載の方法。
21. 第１の隔室では、第１の撹拌器は右回りに回転し、第１の隔室を隣接した第２の隔室から分離している第１の仕切部材における１つ以上の底流開口部は、オートクレーブの長手方向軸の右側に配置されており、第２の隔室では、第２の撹拌器は左回りに回転し、第２の隔室を隣接した第３の隔室から分離している第２の仕切部材における１つ以上の底流開口部は、オートクレーブの長手方向軸の左側に配置されている請求項１７に記載の方法。

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