JP7180086B2

JP7180086B2 - 加圧反応装置、及びそれを用いた有価金属の浸出処理方法

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Publication number: JP7180086B2
Application number: JP2018048243A
Authority: JP
Inventors: 剛秀本間; 大志内藤
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Priority date: 2017-03-22
Filing date: 2018-03-15
Publication date: 2022-11-30
Anticipated expiration: 2038-03-15
Also published as: JP7183501B2; JP2018158338A; JP2018158335A; JP2018158334A; JP7180087B2; JP2018158337A; JP7180088B2; JP2018158336A; JP7180085B2

Description

特許法第３０条第２項適用平成２９年３月６日～８日開催の化学工学会第８２年会における下記ホームページアドレスに講演要旨を公開（平成２９年２月２０日に公開）。また、同学会にて発表。ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ３．ｓｃｅｊ．ｏｒｇ／ｍｅｅｔｉｎｇ／８２ａ／

本発明は、加圧反応装置、及びそれを用いた有価金属の浸出処理方法に関する。

化学プラント等の反応装置として、撹拌しながら反応容器内の液体やスラリー等の液相に気体を導入して反応させ、化学処理を行うものが多く用いられている。

例えば特許文献１には、容器の長手方向軸のまわりに回転可能なシャフトと、そのシャフトに取り付けられ、軸方向に離間して配置された径方向に延びる第１及び第２のインペラとを備えた混合容器が開示されている。具体的に、この混合容器においては、第１のインペラは軸方向に第２のインペラに向けて流体を移動させるように動作可能な複数の湾曲したブレードを含み、第２のインペラは軸方向に第１のインペラに向けて流体を移動させるように動作可能な複数の湾曲したブレードを含み、また、容器底面にガス導入口が設けられている。このような構成とすることにより、混合容器の中央部において強い乱流領域を生成させて、容器内の液体の混合を容易に制御できるようにしている。

しかしながら、特許文献１に記載の混合容器では、中央に大きく設けられた気体導入口から大きな気泡が導入されると、混合容器内で気泡径が小さくならないうちに混合容器の上部の液面まで達してしまうという問題がある。そのため、このような混合容器を化学反応に用いる反応容器として適用したとしても、反応に寄与しない気体が多くなり、反応効率が低下してしまう。

このことは、反応容器内で化学反応に用いられる気体としては容器内の液相中でその気泡径を小さくすることが重要であり、小気泡にするほど、気液界面の面積が大きくなり、また気泡が液体内を循環滞留する時間が長くなること等から、気体成分が液相に溶け込む量が多くなり、その結果として液相中の気体濃度が高まって反応効率を向上させる効果が期待できるからである。つまり、反応容器においては、導入する気体を液相中で小気泡にして気泡量を最大化させることが重要となる。

液相中での気泡径を小さくする技術として、スパージャー（散気管）を用いる方法や、撹拌翼下に気体を吹き込んで翼で気泡を分断させる方法等が知られている。例えば、気体の吹き込み量が多い場合には、フラッディング現象により撹拌翼が空回りして、気体が液中に溶け込む量が小さくなることが知られており、その対策として、特許文献２には、翼より大きな径のリングスパージャーを用いて、吹き出た気泡を装置内で循環する液体の流れに乗せる技術が開示されている。

しかしながら、スパージャーを、気体を導入する加圧反応装置に適用しようとしたとき、スパージャーから装置内に吹き込む気体の圧力を、反応容器の内圧とスパージャーの圧力損出とを加えた値を超えて加圧する必要がある。また、スパージャーは、気泡出口径が小さいために圧力損出が大きいため、加圧設備のコストが高くなる問題がある。さらに、反応によっては、中間物を含む反応生成物や反応後の残渣が付着物となってスパージャーの小さな気泡出口を塞ぐことがあり、付着物を取り除くために装置を停止させることで稼働率が低下するという問題もある。このような種々の問題点により、加圧反応装置にスパージャーを用いることは困難であった。

気体を導入する加圧反応装置においては、圧力損出を最小化するために気体吹き込み管の管径や出口径を可能な限り大きくすることが好ましい。ところが、気体吹き込み管から放出される気泡の気泡径は、気体吹き込み管の出口径に依存することがよく知られており、圧力損出を最小化させようとすると気泡径は大きくなってしまう。そして、気泡径が大きくなることは、フラッディング現象を起こしやすくなることや気液界面の面積が小さくなることを意味し、好ましくない。このことから、圧力損出が小さい大きな出口径から放出された大きな径の気泡を、小さな気泡径にするための技術が望まれてきた。

さらに、化学反応装置内で化学反応を促進させるために、気体の導入量を増やせば、上記説明した通りフラッディング現象が起きやすくなる。したがって、圧力損出が小さい大きな出口径から放出された大きな径の気泡を小さな気泡径にするとともに、気体の導入量が増えてもフラッディング現象を起きにくくする技術が望まれてきた。

特表２００９－５３６０９５号公報特開２０１４－１１３５６４号公報

本発明は、このような実情を鑑みてなされたものであり、装置内に導入された気体の気泡を効率的に分断して小さな気泡径とすることができるとともに、気体の導入量が増えてもフラッディング現象の発生を抑制することができる加圧反応装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、上述した課題を解決するために鋭意検討を重ねた。その結果、撹拌機と、気体吹き込み管とを備えた加圧反応装置において、その気体吹き込み管の出口位置を撹拌機に対して特定の位置と方向で配置することにより、気体の気泡を効率的に分断させ、気体の導入量が増えてもフラッディング現象の発生を抑制することができることを見出し、本発明を完成させた。すなわち、本発明は、以下のものを提供する。

（１）本発明の第１の発明は、撹拌機と、気体吹き込み管とを備えた加圧反応装置であって、前記撹拌機は、当該加圧反応装置の上部より垂下した撹拌軸と、該撹拌軸に対して垂直に設けられた撹拌羽根とを有し、当該加圧反応装置を前記撹拌軸の軸方向に沿った断面で正面視して、前記撹拌軸から延長した線が当該加圧反応装置の内壁と交わる位置から前記撹拌羽根の高さ位置までをＨとし、該撹拌軸の中心からの該撹拌羽根の最大長さをＲとしたとき、前記気体吹き込み管の出口中心は、前記撹拌軸から延長した線が当該加圧反応装置の内壁と交わる位置からの高さをｈ、該撹拌軸の中心からの距離をｒとした場合に、以下の式を満足する位置に設けられ、前記気体吹き込み管の出口は、該出口における気体吹き込み方向が、前記撹拌軸から延長した線に向かう方向で、かつ下向き方向になるように配置される、加圧反応装置である。
０．４５Ｈ≦ｈ≦０．６Ｈ
１．１Ｒ≦ｒ≦１．５Ｒ

（２）本発明の第２の発明は、撹拌機と、気体吹き込み管とを備えた加圧反応装置であって、前記撹拌機は、当該加圧反応装置の上部より垂下した撹拌軸と、該撹拌軸に対して垂直に設けられた撹拌羽根とを有し、当該加圧反応装置を前記撹拌軸の軸方向に沿った断面で正面視して、前記撹拌軸から延長した線が当該加圧反応装置の内壁と交わる位置から前記撹拌羽根の高さ位置までをＨとし、該撹拌軸の中心からの該撹拌羽根の最大長さをＲとしたとき、前記気体吹き込み管の出口中心は、前記撹拌軸から延長した線が当該加圧反応装置の内壁と交わる位置からの高さをｈ、該撹拌軸の中心からの距離をｒとした場合に、以下の式を満足する位置に設けられ、前記気体吹き込み管の出口は、該出口における気体吹き込み方向が、前記撹拌軸から延長した線と平行に下向き方向、又は上向き方向になるように配置される、加圧反応装置である。
０．３Ｈ≦ｈ≦０．６Ｈ
１．１Ｒ≦ｒ≦１．５Ｒ

（３）本発明の第３の発明は、第２の発明において、前記気体吹き込み管の出口中心は、以下の式を満足する位置に設けられる、加圧反応装置である。
０．４Ｈ≦ｈ≦０．５Ｈ
１．１Ｒ≦ｒ≦１．４Ｒ

（４）本発明の第４の発明は、第１乃至第３のいずれかの発明において、前記気体吹き込み管の出口径は、１０ｍｍ～１５０ｍｍである、加圧反応装置である。

（５）本発明の第５の発明は、第１乃至第４のいずれかの発明において、オートクレーブ装置である、加圧反応装置である。

（６）本発明の第６の発明は、第１乃至第５のいずれかの発明において、ニッケル及びコバルトの混合硫化物を含むスラリーに対して高温高圧下で酸を添加して浸出処理を施すために用いられる、加圧反応装置である。

（７）本発明の第７の発明は、第１乃至第６のいずれかの発明に記載の加圧反応装置を用いて、スラリーに含まれる固形物から有価金属を浸出させる、有価金属の浸出処理方法である。

本発明によれば、装置内に導入された気体の気泡を効率的に分断して小さな気泡径とすることができるとともに、気体の導入量を増やしたとしても、フラッディング現象の発生を抑制できる加圧反応装置を提供することができる。

また、このような加圧反応装置を用いてスラリー中の固形物に含まれ有価金属を浸出される浸出処理等を行うことで、液相内の気泡量の増大により反応効率が高まり、効果的に有価金属を液中に浸出させることができる。

オートクレーブ装置の構成を示す図であり、（ａ）はオートクレーブ装置を水平に切断して内部構造を模式的に示した横断平面図であり、（ｂ）はオートクレーブ装置を垂直に切断して内部構造を模式的に示した縦断側面図である。図１（ａ）におけるＡ－Ａ断面を表す模式図であり、撹拌機による撹拌流について説明するための図である。図２におけるＢ－Ｂ断面を表す模式図であり、撹拌機による撹拌流について説明するための図である。本実施の形態に係るオートクレーブ装置の撹拌軸に沿った断面を表す模式図であり、気体吹き込み管の出口位置の配置について説明するための図である。（ａ）は、本実施形態に係るオートクレーブ装置を撹拌軸の軸方向に沿った断面を正面視した模式図であり、（ｂ）は、同装置を撹拌軸に垂直な断面を上面視した模式図である。

以下、本発明の具体的な実施形態（以下、「本実施の形態」という）について詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更が可能である。また、本明細書において、「Ｘ～Ｙ」（Ｘ、Ｙは任意の数値）との表記は、「Ｘ以上Ｙ以下」の意味である。

本実施の形態に係る加圧反応装置は、撹拌機と、気体吹き込み管とを備えたものであり、高圧下での反応を可能とするものである。この加圧反応装置は、例えば、内部を飽和蒸気によって高温高圧にする耐熱耐圧反応容器であるオートクレーブ装置として適用することができる。以下では、具体的にオートクレーブ装置とその装置内で行われる化学反応について説明するがこれに限られるものではなく、撹拌機と、気体吹き込み管とを備えた加圧反応装置内で液相を化学反応させる装置であれば、同様の効果を奏する。

図１は、オートクレーブ装置の構成を示す図である。図１の（ａ）は、オートクレーブ装置１を水平に切断して内部構造を模式的に示した横断平面図であり、（ｂ）は、オートクレーブ装置１を垂直に切断して内部構造を模式的に示した縦断側面図である。オートクレーブ装置１は、図１のように、例えば円筒形状の容器が横型に設置されたものである。

オートクレーブ装置１は、例えば、液相として少なくともニッケル及びコバルトを含む混合硫化物（固形物）を含有する原料スラリー（原料となる固形物と浸出液との懸濁液、以下では単に「スラリー」ともいう）を、硫酸物等の溶解液とする浸出処理に用いられる。より具体的に、オートクレーブ装置１では、加熱、加圧されたスラリーを収容し、硫酸等の酸を添加して撹拌することによって、高温高圧下でスラリー中の固形物に含まれる有価金属を高温加圧浸出する。

浸出される有価金属としては、特に限定されず、原料固形物としてニッケル及びコバルトの混合硫化物を用いた場合には、ニッケル、コバルトが有価金属として浸出される。

また、オートクレーブ装置１内における処理条件については、例えば、装置内圧力としては３気圧以上に加圧し、また温度は１００℃以上とする。

図１に示すように、オートクレーブ装置１は、複数の区画室１０を備えている。各区画室１０は、オートクレーブ装置１においてスラリーに対する浸出処理等の処理を施す反応場となる空間である。具体的に、区画室１０は、オートクレーブ装置１内に設けられた隔壁４０によって複数に区画されている。図１に示すオートクレーブ装置１の例では、４つの隔壁４０（４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ，４０Ｄ）によって５区画に区画された５つの区画室１０（１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ）が設けられている。なお、オートクレーブ装置における区画室の数は、原料や浸出条件等に応じて適宜設定することができるものである。

各区画室１０は、少なくとも、スラリーを撹拌するための撹拌機２０と、スラリーに空気等の気体を供給するための気体吹き込み管３０と、が設けられている。具体的に、各区画室１０Ａ～１０Ｅ内には、それぞれ、撹拌機２０（２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ，２０Ｅ）と、気体吹き込み管３０（３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３０Ｄ，３０Ｅ）とが設けられている。

［区画室での浸出処理］
区画室１０は、上流側（図１の左側）から順に、第１の区画室１０Ａ、第２の区画室１０Ｂ・・・と続き、最下流側（図１の右側）が最終の第５の区画室１０Ｅで構成されている。オートクレーブ装置１においては、最上流の第１の区画室１０Ａに原料となるスラリーが装入され、また、第１の区画室１０Ａの上部から垂下された配管を介して硫酸等の溶液がスラリーに供給される。そして、第１の区画室１０Ａでは、後述する撹拌機２０Ａによる撹拌と気体吹き込み管３０Ａにより供給された酸素によって、スラリー中の固形物に含まれる有価金属が溶液中に浸出される。

第１の区画室１０Ａにてスラリーの撹拌が施されると同時に、そのスラリーの一部は、第１の区画室１０Ａと第２の区画室１０Ｂとを区画する隔壁４０Ａの上部をオーバーフローして、第２の区画室１０Ｂへと移送される。第２の区画室１０Ｂでは、第１の区画室１０Ａにおける処理と同様に、撹拌機２０Ｂによる撹拌によって順次浸出処理が進行する。なお、このとき、第２の区画室１０Ｂにおいても、その上部から配管を垂下させて、浸出に用いる硫酸等の溶液やスラリー等を供給することもできる。

以降順次、第３の区画室１０Ｃ、第４の区画室１０Ｄへとスラリーが主としてオーバーフローにより移送され、各区画室１０において浸出処理が進行していく。そして、最下流の第５の区画室１０Ｅにおいても同様にして、スラリーに対する浸出処理が施されると、その第５の区画室１０Ｅに設けられた浸出液排出管（図示しない）を介して、有価金属が浸出されて得られた浸出液を含むスラリーが排出される。

［区画室の構成］
区画室１０においては、上述したように、内部のスラリーを撹拌するための撹拌機２０と、反応に必要な酸素等の気体を供給するための気体吹き込み管３０と、が設けられている。また、区画室１０のうち、少なくとも第１の区画室１０Ａには、原料となるスラリーを装入するための原料スラリー装入管（図示しない）が付設されており、その原料スラリー装入管を介して固形物を含むスラリーが装入される。

また、区画室１０には、例えばその上部から垂下されるようにして、硫酸等の酸溶液やスラリー、蒸気等を供給するための種々の供給配管も付設されている。

（撹拌機）
撹拌機２０は、第１の区画室１０Ａ～第５の区画室１０Ｅのそれぞれに設置されており、各区画室１０の内部に装入、移送されたスラリーを撹拌する。

撹拌機２０としては、例えば図１（ａ）における区画室１０ＢのＡ－Ａ断面を表す図２の模式図に示すように、上部より垂下した撹拌軸２１と、撹拌軸２１の下端位置にその撹拌軸２１に対して垂直に設けられた複数の撹拌羽根２２と、を有するプロペラ形状のものを用いることができる。このように撹拌機２０は、各区画室１０の上部天井から垂下され、オートクレーブ装置１を上部から視たとき（図１（ａ）参照）、各区画室１０の中央部分に撹拌軸２１が位置するように設けることができる。なお、撹拌軸に対して複数の撹拌羽根を備えたプロペラ形状のものを上下に複数組備えた撹拌機としてもよい。

撹拌機２０は、例えば時計回りに所定の速度で撹拌軸２１を回転させ、撹拌羽根２２によってスラリーを撹拌する。この撹拌機２０による撹拌によって、区画室１０内のスラリーには所定の方向への液流が発生する。なお、区画室１０内の全体にわたってスラリーが流動されるように、通常は、撹拌羽根２２から下向きの方向（撹拌軸２１の軸方向において液面とは反対の方向）に向かって液流が発生するように撹拌される。

（気体吹き込み管）
気体吹き込み管３０は、第１の区画室１０Ａ～第５の区画室１０Ｅのそれぞれに設置されており、各区画室１０の内部にあるスラリーの反応に必要な気体成分を供給する。

ここで、少なくともニッケルとコバルトとの混合硫化物を含むスラリーに対する浸出処理に当該オートクレーブ装置１を用いる場合、各区画室１０内における、ニッケル硫化物やコバルト硫化物の浸出処理時の反応は、下記式（１）及び式（２）となる。
ＮｉＳ＋２Ｏ_２→ＮｉＳＯ_４・・・（１）
ＣｏＳ＋２Ｏ_２→ＣｏＳＯ_４・・・（２）

上記反応式に示すように、高温高圧下での浸出処理においては、反応に必要な酸素（Ｏ_２）をスラリー中に供給する必要がある。スラリーに酸素を供給するにあたっては、空気を供給することが通例であり、気体吹き込み管３０を介して空気が供給される。

気体吹き込み管３０としては、後述するように、種々の形態を採用することができる。なお、気体吹き込み管３０としては、図１及び図２に示すようにそれぞれの区画室１０内に１本のみ設けられている態様に限られず、例えば２本等の複数設けられていてもよい。

なお、オートクレーブ装置１では、気体吹き込み管３０以外に、高温高圧状態を維持するための蒸気や、硫酸等の酸を供給して硫酸酸性の浸出液とするための硫酸、濃度調節等の目的で水やスラリー等を供給するための配管等も必要に応じて付設されることもあるが、本実施の形態においては、反応に必要な気体を供給する管を気体吹き込み管３０とし、他の供給物の供給を目的とした配管とは区別している。

［区画室内の液流］
ここで、図２は、図１（ａ）のＡ－Ａ断面における模式図であり、撹拌機２０により区画室１０内で発生する撹拌流について、撹拌軸２１の軸方向、つまり液面までの高さ方向での流れを示したものである。図３は、図２のＢ－Ｂ断面における模式図であり、撹拌機２０により区画室１０内で発生する主要な撹拌領域Ｓを示したものである。なお、撹拌流を見やすくするため、図２、３中、気体吹き込み管３０は図示していない。

上述したように、通常、区画室１０内では、撹拌羽根２２から液面とは逆の下向きの方向に向かって撹拌流が発生するように撹拌されるため、撹拌軸２１からオートクレーブ装置１の内壁面１ｗに向かって斜め下方向への撹拌流となる。そして、図２の矢印で示すように、主要な撹拌流は、オートクレーブ装置１の内壁面１ｗにぶつかった後、その内壁面１ｗに沿って上方に向かう流れとなり、一部の撹拌流は、内壁面１ｗに沿って下方に向かう流れとなる。

したがって、撹拌機２０によって図２上の斜め右方向に推進された撹拌流は、撹拌機２０から液面、オートクレーブ装置１の内壁面１ｗにわたって広がり、流速も速い大きな反時計回りの流れ（図２中の太線矢印Ｘ）と、撹拌機２０の右下に発生する流速が遅く小さな時計回りの流れ（図２中の細線矢印Ｙ）となる。撹拌機２０により発生した主要な撹拌流である大きな反時計回りの流れは、液面と平行な水平方向の流れと合わせて、渦を巻きながら上方へと向かう流れとなる。

このような撹拌流を、図２中Ｂ―Ｂ線に沿って、内壁面１ｗから撹拌軸２１に向かう方向でみていくと、太線矢印Ｘで示すように速い流速で撹拌流が流動する領域があって、この領域を超えると、細線矢印Ｙで示すように遅い流速で撹拌流が流動する領域が存在していることになる。このような撹拌流を撹拌軸２１に垂直な断面からみると、図３に示すように、撹拌流が速い流速で流動する領域（以下、「主要な撹拌領域Ｓ」という）は、ドーナツ状に形成されていることになる。そして、この主要な撹拌領域Ｓでの撹拌流の方向は、図中矢印Ｚで示すように、反時計回りに外側に向かう渦巻状になっている。

［気体吹き込み管の配置］
気体吹き込み管３０においては、撹拌機２０による撹拌流によって、気体吹き込み管３０から供給される気体の気泡が分断されて小径化し、また、その撹拌流に気泡をのせて液相内の気泡量を増大させることができるようにすることが好ましい。

撹拌流に気泡をのせて液相内を流動させることにより液相内の気泡量が増大する理由としては、上述したように、主要な撹拌領域Ｓでは、撹拌流が渦を巻きながら下方へ向かった後上方へと向かう流れになるため、気泡がその撹拌流とともに移動して、相対的に液面に到達する時間が長くなるためと考えられる。一方で、撹拌流が弱い箇所に位置する気泡は、浮力により液面に向かって上昇する速度が勝り、相対的に液面に到達する時間が短くなる。また、撹拌流が弱い位置では、気泡の合体により気泡が大径化し、気泡径に依存して浮力による上昇速度は増すことから、大径化した気泡は一段と液面に到達するまでの時間が短くなってしまう。

一方、気体吹き込み管３０から供給される気体は、その供給量に応じて流速（以下、「初期の運動エネルギー」という）を持っている。よって、気体吹き込み管３０から供給された気泡は、気体吹き込み管出口３０ａが向いている方向に進もうとし、実際に撹拌流にのって液相内を流動するのは、初期の運動エネルギーが撹拌流による抵抗を相殺してから後となる。気泡の初期の運動エネルギーも考慮すると、気泡は気体吹き込み管出口３０ａから撹拌機２０に向かってある程度の距離を進んでから撹拌流にのって液相内を流動することになる。このある程度の距離は、気体の供給量が増えるにしたがって長くなる。そのため、気体吹き込み管出口３０ａが撹拌軸２１に向かう方向に設置されている場合には、気体吹き込み管３０からの気体の供給量が増えるほど、気泡は主要な撹拌領域Ｓを通り過ぎ矢印Ｙ方向に示す撹拌流が遅い流速で流動する領域に達する量が増える。その結果、気泡が撹拌軸２１の下部（撹拌羽根２２の下部）に溜まりやすくなり、フラッディング現象を起こしやすくなる。

そこで、本実施の形態に係るオートクレーブ装置１においては、図４、図５に示すように、気体吹き込み管出口３０ａを特定の位置に配置し、かつ、気体吹き込み管出口３０ａにおける気体吹き込み方向Ｄが、種々の方向に向けられている。

これにより、気体吹き込み管出口３０ａから供給された気体の気泡は、撹拌軸２１に沿った断面で正面視して、気体吹き込み管出口３０ａにおける気体吹き込み方向Ｄが撹拌軸２１に向けられて直交する場合に比べ、主要な撹拌領域Ｓを通過する距離が長くなり、主要な撹拌領域Ｓにのった気泡は、渦を巻きながら上方に向かう流れに乗って流動する。したがって、気体の供給量が増えても、気泡の多くが主要な撹拌領域Ｓにのることになり、フラッディング現象を有効に抑制することができる。

以下、本実施の形態に係るオートクレーブ装置１について、気体吹き込み管出口３０ａの位置とその方向について具体的に説明する。

図５（ａ）は、本実施形態に係るオートクレーブ装置を撹拌軸の軸方向に沿った断面を正面視した模式図であり、（ｂ）は、同装置を撹拌軸に垂直な断面を上面視した模式図である。

本実施形態に係るオートクレーブ装置１の気体吹き込み管３２は、当該オートクレーブ装置１を撹拌軸２１の軸方向に沿った断面で正面視して、撹拌軸２１から延長した線が当該オートクレーブ装置１の内壁面１ｗと交わる位置から撹拌羽根２２の高さ位置までをＨとし、その撹拌軸２１の中心からの撹拌羽根２２の最大長さをＲとしたとき、気体吹き込み管出口３２ａの中心は、撹拌軸２１から延長した線が当該オートクレーブ装置１の内壁面１ｗと交わる位置からの高さをｈ、撹拌軸２１の中心からの距離をｒとした場合に、例えば、以下の式（ｉ）及び（ｉｉ）を満足する位置に設けられている。
０．４５Ｈ≦ｈ≦０．６Ｈ・・・（ｉ）
１．１Ｒ≦ｒ≦１．５Ｒ・・・（ｉｉ）

また、気体吹き込み管出口３２ａの中心の位置（ｈ，ｒ）は、以下の（ｉｉｉ）及び（ｉｖ）を満足する位置に設けることもできる。
０．３Ｈ≦ｈ≦０．６Ｈ・・・（ｉｉｉ）
１．１Ｒ≦ｒ≦１．５Ｒ・・・（ｉｖ）

この中心の位置（ｈ，ｒ）は、以下の（ｖ）及び（ｖｉ）を満足する位置に設けることがより好ましい。
０．４Ｈ≦ｈ≦０．５Ｈ・・・（ｖ）
１．１Ｒ≦ｒ≦１．４Ｒ・・・（ｖｉ）

ここで、撹拌羽根２２の高さ位置のＨとは、撹拌軸２１の軸方向に対して垂直に設けられた撹拌羽根２２の中心軸の高さをいい、その撹拌羽根２２の中心軸とは、図４中の線Ｃ１で表される軸をいう。また、撹拌軸２１の中心から撹拌羽根２２の最大長さＲに関して、撹拌軸２１の中心とは、図４中の線Ｃ２で表される軸の中心をいい、最大長さＲとは、その撹拌軸２１の中心から撹拌羽根２２の軸線（線Ｃ１）上における撹拌羽根２２の先端位置までの長さをいう。なお、当該オートクレーブ装置１を撹拌軸２１の軸方向に沿った断面で正面視して、撹拌軸２１から延長した線がオートクレーブ装置１の内壁面１ｗと交わる位置を基準とした高さに関するｈ及びＨ、撹拌軸２１の中心を基準とした距離に関するｒとＲの定義については、以降の説明においても図示しないが同一である。

気体吹き込み管出口３２ａの位置に関しては、その高さｈが０．３Ｈ未満（０．３Ｈ＞ｈ）、又は、０．６Ｈを超える（０．６Ｈ＜ｈ）と、気体吹き込み管出口３２ａから供給された気体の気泡は、主要な撹拌領域Ｓを外れてしまうか、流動する距離が短くなる。その結果、気泡を分断する効果が低下し、小径の気泡が得られにくくなる。上述したように、気泡の大きさは浮力による上昇速度に影響するため、気泡を分断する効果が低下すると、その気泡が液面に達するまでの時間を短くなることを意味し、液相内の気泡量は減少する。

また、気体吹き込み管出口３２ａの位置に関して、その出口の中心と撹拌軸２１の中心との距離ｒが１．５Ｒを超える（１．５Ｒ＜ｒ）と、気泡が主要な撹拌領域Ｓの撹拌流にのって液相内を流動して液面まで達する距離が短くなるため、相対的に液相内の気泡量が減少する。一方で、その距離ｒが１．１Ｒ未満（１．１Ｒ＞ｒ）になると、撹拌機２０の下に発生する弱い時計回りの流れ（図２中の細線矢印Ｙ）にのる気泡が増加することになる。この弱い流れにのった気泡は、撹拌機２０の下部（撹拌羽根２２の下部）に溜まりやすく、かつ流速も遅いため合体して大径化しやすいため、大きな気泡となって液面に向かって上昇しフラッディング現象が発生しやすく、相対的に液相内の気泡量は減少してしまう。

上述のように、気体吹き込み管出口３２ａの位置に関しては、気体吹き込み管の出口中心の高さｈを０．４Ｈ以上０．５Ｈ以下の範囲内にすることが好ましく、これにより、液相内の気泡量をより増加させることができる。このとき、撹拌軸の中心から気体吹き込み管の出口中心までの距離ｒを１．１Ｒ以上とすることで、気泡が撹拌機の下部に溜まり難くなるため、フラッディング現象をより起き難い状態にすることもできる。

さらに、気体吹き込み管出口３２ａの方向に関しては、以下の条件を満足するように設けられている。すなわち、気体吹き込み管出口３２ａは、図５（ａ）に示すように、撹拌軸２１に沿った断面において、気体吹き込み管出口３２ａにおける気体吹き込み方向Ｄが、撹拌軸２１から延長した線Ｃ２に向かう方向であって、下向きになるように配置されている。ここで、下向きとは、撹拌軸２１の軸方向に対して０°を超えて９０°未満の角度を持ち、かつスラリーの液面とは反対の方向に向かうことを意味する。また、図５（ｂ）に示すように、撹拌軸２１に垂直な断面において、気体吹き込み管出口３２ａにおける気体吹き込み方向Ｄが、撹拌軸２１に向かう方向に配置されている。

図５（ａ）に示すように速い流速で流動する撹拌流の方向Ｘは、撹拌機２０から離れる方向で液面とは反対に下方に向いている（図５（ａ）中での右斜め下方向）。よって、気体吹き込み管出口３２ａにおける吹き込み方向Ｄが、この撹拌流の方向Ｘと垂直に交わる方向（図５（ａ）中での左斜め下方向）を境として、より撹拌軸２１の軸方向に平行（図５（ａ）中での垂直方向）に近くなるほど、撹拌流に気泡をのせて液相内の気泡量を増大させやすくなる。一方、気体吹き込み管出口３２ａにおける吹き込み方向Ｄが、撹拌流の方向Ｘと垂直に交わる方向（図５（ａ）中での左斜め下方向）より撹拌軸２１の軸方向に垂直（図５（ａ）中での水平方向）に近くなるほど、撹拌流の方向Ｘと気体吹き込み管出口３２ａから供給直後の気体の流動方向と逆になるので、効果的に気泡が分断されて小径化しやすくなる。これらの効果は補完する関係となるので、気体吹き込み管出口３２ａの位置及び方向が上記範囲に設定されていれば、液相内に十分な気泡量が確保されることになる。また、気体の供給量が増えたとしても、供給された気体の気泡が図２の細線矢印Ｙで示す流速が遅く小さな時計回りの流れにのって撹拌軸２１に向かうことはない。さらに気体吹き込み管出口３２ａにおける吹き込み方向Ｄは下向きとなっているため、速い流速で流動する撹拌流が直接気体吹き込み管３２の内部に流れ込むことがない。よって、早い流速で流動する撹拌流に対抗して、気体吹き込み管３２に気体を吹き込む圧力を高める必要もない。

このように、本実施形態において、気体吹き込み管出口３２ａの位置を特定の位置に配置したオートクレーブ装置１によれば、装置内に供給された気体の気泡を効率的に分断して小さな気泡径とすることができ、液相内に存在する気泡量を増大させることができる。また、気体吹き込み管出口３２ａを特定の方向に向けたオートクレーブ装置１によれば、気体の供給量が増えても気泡が主要な撹拌領域Ｓを流動する時間が長くなり、撹拌機２０の下部に溜まりにくいため、フラッディング現象が発生しにくく、気体の供給量を増やしやすい。また、このようなオートクレーブ装置１を用いてスラリー中の固形物に含まれる有価金属を浸出させる浸出処理等を行うことで、液相内の気泡量の増大又は気体の供給量の増大により反応効率が高まり、効果的に有価金属を液中に浸出させることができる。

本実施の形態においては、上述したように気体吹き込み管出口３２ａを特定の位置と方向で配置するようにしているため、撹拌機２０により発生した撹拌流により気泡を効率的に分断させて小径化することができ、気体の供給量が増えてもフラッディング現象が発生しにくい。よって、その気体吹き込み管３２の管径や出口径を所定の割合で絞る必要はなく、圧力損出を抑えることができる。したがって、気体吹き込み管３２の出口径としては、特に限定されず、反応で必要とされる加圧下での気体の流量を出口面積で除した値（出口流速）に応じて適宜調整すればよい。

ただし、その中でも、工業規模の例えば５ｍ^３程度の反応装置では、気体吹き込み管３２の出口径を１０ｍｍ～１５０ｍｍとすることが好ましい。気体吹き込み管３２の出口径が１０ｍｍ未満であると、必要な空気流量（例えば３００Ｎｍ^３／ｈ）以上での圧力損失が高くなることがあり、送風する気体の加圧設備にコストがかかるだけでなく、反応生成物や反応後の残渣が付着して出口が閉塞することがある。また、気体吹き込み管３２の出口径が１５０ｍｍを超えると、その配管自体によって撹拌流の流れを変えてしまう可能性がある。

以下、本発明の実施例を示してより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。

（実験例１）
オートクレーブ装置の１区画室内で、液相となるニッケル及びコバルトを含む混合硫化物（固形物）を硫酸に添加したスラリーに、撹拌しながら空気を吹き込むことで酸素を供給し、それによりスラリー中の固形物に含まれる有価金属を高温加圧浸出させる処理を行った。具体的には、図４及び図５に示す模式図のように、撹拌機と、気体吹き込み管とを備えたオートクレーブ装置を用い、気体吹き込み管の出口位置を所定の位置に配置させたものを用いた。ここで、気体吹き込み管は、出口径が６２．３ｍｍのものを用いた。また、高温加圧浸出における温度は１６０℃、オートクレーブ装置の圧力は１６気圧とした。

この処理において、オイラー・オイラー座標系で、分散相における合体及び分裂を考慮したポピュレーションバランス方程式を用いて、連続相－分散相の混相流でモデル化を行い、液相中の気泡の体積分率を解析して、その区画室内の積分値から液相中の空気総量を計算した。このモデルにおいては、連続相は液相のスラリーであり、分散相は気泡（空気）となる。

境界条件は、以下の通りにした。
連続相であるスラリーの密度：１２７５ｋｇ／ｍ^３
分散相である空気の密度：１１ｋｇ／ｍ^３
気体吹き込み管内の空気吹き込み面から放出された直後の気泡径：５ｍｍ
撹拌回転数：１５９ｒｐｍ

また、相対空気吹き込み量を０．１５７ｍｉｎ^－１とした。ここで、相対空気吹き込み量とは、区画室内に収容されるスラリー（連続相）の量（ｍ^３）に対する、空気（分散相）の吹き込み量（ｍ^３／ｍｉｎ）の比率である。

実験例１では、図５に記載されるように、撹拌軸２１の延長線上に向かう下向きの方向に気体を供給する気体吹き込み管３２を用いて、気体を供給した。ここで、気体の供給には、気体吹き込み管出口３２ａの中心位置が、撹拌軸の延長線が区画室の内壁と交わる位置からの高さをｈ、撹拌軸の中心からの距離をｒとしたときに、（ｈ，ｒ）＝（０．４８Ｈ，１．３２Ｒ）である装置を用いた。

（実験例２～４）
気体吹き込み管出口３２ａの中心位置（ｈ，ｒ）が、実験例２では（ｈ，ｒ）＝（０．５５Ｈ，１．３５Ｒ）、実験例３では（ｈ，ｒ）＝（０．６２Ｈ，１．３５Ｒ）、実験例４では（ｈ，ｒ）＝（０．４４Ｈ，０．９１Ｒ）である装置を用いて、実験例１と同様に処理した。

実験例１～４について、液中空気量と撹拌機の撹拌動力の相対値を、表１にまとめて示す。ここで、撹拌動力の相対値は、空気を吹き込まないときの撹拌機の撹拌動力をＰ_０、空気吹き込み時の撹拌機の撹拌動力をＰ_ｇとしたときの、Ｐ_ｇ／Ｐ_０の値である。

表１の結果から分かるように、実験例１～３の加圧反応装置では、撹拌軸の中心から気体吹き込み管の出口中心までの距離ｒを、撹拌軸の中心からの撹拌羽根の最大長さＲの１．１倍以上としたときに、撹拌相対動力値が０．４０以上であり、フラッディング現象は起き難い状態になった。これに対し、実験例４の加圧反応装置では、撹拌軸の中心から気体吹き込み管の出口中心までの距離ｒを、撹拌軸の中心からの撹拌羽根の最大長さＲの０．９１倍としたときに、撹拌相対動力値が０．４０未満であり、気泡が撹拌機の下部に溜まりやすく、フラッディング現象が起きやすい状態になった。つまり、加圧反応装置において、撹拌羽根の最大長さＲに対する、気体吹き込み管の出口中心までの距離ｒの倍率を、特定の範囲内にすることで、フラッディング現象の発生を抑制することができた。

また、実験例１、実験例２及び実験例４の加圧反応装置では、気体吹き込み管の出口中心の高さｈを、撹拌羽根の高さ位置までの高さＨの０．３倍以上０．６倍以下としたときに、液中空気量が０．０４ｍ^３以上であり、気体が液中に溶け込む量が多くなった。特に、実験例１、４の加圧反応装置では、気体吹き込み管の出口中心の高さｈを、撹拌羽根の高さ位置までを高さＨの０．４倍以上０．５倍以下としたときに、液中空気量が０．４５ｍ^３以上であり、気体が液中に溶け込む量がより多くなった。これに対し、実験例３の加圧反応装置では、気体吹き込み管の出口中心の高さｈを、撹拌羽根の高さ位置までの高さＨの０．６２倍としたときに、液中空気量が０．０４ｍ^３未満と少なくなった。このように液中空気量が少ない理由としては、気体吹き込み管から供給された気泡が、主要な撹拌領域Ｓを外れていることや、主要な撹拌領域Ｓを流動する距離が短いことが考えられる。

上記加圧反応装置のうち、特に実験例１の加圧反応装置では、液中空気量が０．０５ｍ^３以上であり、かつ撹拌相対動力値が０．５０以上であるため、特に良好な位置に、気体吹き込み管出口中心が配置されていると考えられる。

１オートクレーブ装置
１ｗオートクレーブ装置の内壁面
１０，１０Ａ～１０Ｅ区画室
２０，２０Ａ～２０Ｅ撹拌機
２１撹拌軸
２２撹拌羽根
３２気体吹き込み管
３２ａ気体吹き込み管出口

Claims

撹拌機と、気体吹き込み管とを備え、円筒形状を有する容器が横型に設置され、スラリーが液相として前記容器に収容された加圧反応装置であって、
前記撹拌機は、当該加圧反応装置の上部より垂下した撹拌軸と、該撹拌軸に対して垂直に設けられて下向きの液相の流れを発生する撹拌羽根とを有し、
当該加圧反応装置を前記撹拌軸の軸方向に沿った断面で正面視して、
前記撹拌軸から延長した線が当該加圧反応装置の内壁と交わる位置から前記撹拌羽根の高さ位置までの高さをＨとし、該撹拌軸の中心からの該撹拌羽根の最大長さをＲとしたとき、
前記気体吹き込み管の出口中心は、
前記撹拌軸から延長した線が当該加圧反応装置の内壁と交わる位置からの高さをｈ、該撹拌軸の中心からの距離をｒとした場合に、以下の式を満足する位置に設けられ、
前記気体吹き込み管の出口は、
該出口における気体吹き込み方向が、前記撹拌軸から延長した線に向かう方向で、かつ下向き方向になるように配置される、
加圧反応装置。
０．４５Ｈ≦ｈ≦０．６Ｈ
１．１Ｒ≦ｒ≦１．５Ｒ
撹拌機と、気体吹き込み管とを備え、円筒形状を有する容器が横型に設置され、スラリーが液相として前記容器に収容された加圧反応装置であって、
前記撹拌機は、当該加圧反応装置の上部より垂下した撹拌軸と、該撹拌軸に対して垂直に設けられて下向きの液相の流れを発生する撹拌羽根とを有し、
当該加圧反応装置を前記撹拌軸の軸方向に沿った断面で正面視して、
前記撹拌軸から延長した線が当該加圧反応装置の内壁と交わる位置から前記撹拌羽根の高さ位置までの高さをＨとし、該撹拌軸の中心からの該撹拌羽根の最大長さをＲとしたとき、
前記気体吹き込み管の出口中心は、
前記撹拌軸から延長した線が当該加圧反応装置の内壁と交わる位置からの高さをｈ、該撹拌軸の中心からの距離をｒとした場合に、以下の式を満足する位置に設けられ、
前記気体吹き込み管の出口は、
該出口における気体吹き込み方向が、前記撹拌軸から延長した線と平行に下向き方向、又は上向き方向になるように配置される、
加圧反応装置。
０．３Ｈ≦ｈ≦０．６Ｈ
１．１Ｒ≦ｒ≦１．５Ｒ
前記気体吹き込み管の出口中心は、以下の式を満足する位置に設けられる、
請求項２に記載の加圧反応装置。
０．４Ｈ≦ｈ≦０．５Ｈ
１．１Ｒ≦ｒ≦１．４Ｒ
前記気体吹き込み管の出口径は、１０ｍｍ～１５０ｍｍである
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の加圧反応装置。
オートクレーブ装置である
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の加圧反応装置。
ニッケル及びコバルトの混合硫化物を含むスラリーに対して高温高圧下で酸を添加して浸出処理を施すために用いられる
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の加圧反応装置。
請求項１乃至６のいずれかに１項に記載の加圧反応装置を用いて、スラリーに含まれる固形物から有価金属を浸出させる
有価金属の浸出処理方法。