Installation pour l'obtention d'un métal volatil
La présente invention a pour objet une installation pour la mise en oeuvre du procédé d'obtention d'un métal défini dans la revendication du brevet No. 513 981, dont la teneur est la suivante: Procédé de fabrication d'un métal par réduction d'au moins un de ses halogénures par le carbure de calcium, caractérisé par le fait que l'on effectue la réduction dans une solution de carbure de calcium dans au moins un halogénure fondu choisi parmi les halogénures des métaux alcalins et alcalino-terreux , dans le cas où le métal que l'on désire obtenir est un métal volatil.
Les métaux volatils qui peuvent être fabriqués en utilisant cette installation sont les métaux alcalins et alcalino-terreux et le magnésium.
L'installation selon l'invention est caractérisée par le fait qu'elle comprend:
- des moyens pour préparer un mélange réactionnel consistant en une solution de carbure de calcium et d'au moins un halogénure du métal volatil que l'on désire obtenir, dans au moins un halogénure de métal alcalin ou alcalino-terreux à l'état fondu,
- des moyens permettant de maintenir le mélange réactionnel sous pression inférieure à la pression atmosphérique et à température suffisante, au moins égale à 800oC, pour provoquer la réduction de l'halogénure de métal volatil,
- des moyens pour récupérer le métal volatil produit par cette réduction,
- des moyens pour recycler dans le bain d'halogénure, en maintenant constante la pression du mélange réactionnel,
I'halogénure de calcium provenant du mélange réactionnel,
après élimination des autres produits de la réaction,
- et des moyens pour séparer, de manière continue, du mélange réactionnel, le carbone obtenu.
Selon une forme de réalisation préférée de l'installation, lesdits moyens pour préparer le mélange réactionnel comprennent au moins une enceinte fermée, dont l'intérieur est maintenu en permanence à la pression atmosphérique, sous atmosphère inerte, cette enceinte étant munie de moyens permettant d'y introduire, à l'abri de l'air ambiant, au moins un halogénure de métal alcalin ou alcalino-terreux, le carbure de calcium et au moins un halogénure du métal volatil que l'on désire obtenir, des moyens de chauffage permettant de fondre ledit halogénure de métal alcalin ou alcalino-terreux et de maintenir la température du bain fondu à une valeur assez élevée pour permettre la dissolution des autres constituants du mélange réactionnel,
à savoir le carbure de calcium et l'halogénure du métal volatil et des moyens d'agitation permettant d'accélérer cette dissolution et lesdits moyens pour maintenir le mélange réactionnel dans les conditions provoquant la réduction de l'halogénure du métal volatil comprennent au moins une enceinte de réaction fermée, distincte de la précédente, dont l'intérieur est maintenu en permanence à la pression réduite sous laquelle on effectue la réaction, cette enceinte étant munie de moyens de chauffage permettant de maintenir le mélange réactionnel à la température de réaction, cette enceinte étant en communication avec celle qui permet la préparation du mélange réactionnel, par l'intermédiaire de moyens permettant d'y injecter ce dernier, avec un débit réglé.
Cette forme de réalisation selon laquelle la préparation du mélange réactionnel peut être effectuée sous la pression atmosphérique dans une enceinte distincte de celle où a lieu sous pression réduite la réaction de réduction, présente plusieurs avantages. Elle facilite, en particulier, la mise en oeuvre du procédé de manière continue, grâce au fait que la préparation du mélange réactionnel peut être effectuée indépendamment de sa mise en réaction. En outre, pour une capacité horaire de production donnée, cette installation présente un encombrement minimum.
Cependant, I'installation peut également exister sous forme d'une variante selon laquelle lesdits moyens pour préparer le mélange réactionnel et ceux qui permettent de maintenir ce mélange dans les conditions de température et de pression provoquant la réduction de l'halogénure du métal volatil comprennent une enceinte unique, dont l'intérieur est maintenu, au moins pendant que l'on effectue la réduction de l'halogénure de métal volatil, dans les conditions de température et de pression provoquant cette réduction, cette enceinte étant munie de moyens permettant d'y introduire, en maintenant constante la pression à l'intérieur de l'enceinte, au moins un halogénure de métal alcalin ou alcalino-terreux, le carbure de calcium et au moins un halogénure du métal volatil que l'on désire obtenir, de moyens de chauffage permettant,
dans un premier temps, de fondre ledit halogénure de métal alcalin ou alcalino-terreux et de maintenir la température du bain fondu à une valeur assez élevée pour permettre la dissolution des autres constituants du mélange réactionnel et, dans un second temps, de maintenir le mélange réactionnel à la température de réaction, et de moyens d'agitation.
En ce qui concerne les moyens pour récupérer le métal volatil, ils comprennent, de préférence, au moins un condenseur intercalé entre l'enceinte de réaction et un dispositif de pompage permettant de faire le vide de l'atmosphère de l'enceinte de réaction, ce condenseur comprenant au moins un orifice d'entrée de vapeurs en communication avec l'enceinte de réaction et au moins un orifice en communication avec le dispositif de pompage et étant muni de déflecteurs disposés en chicane, permettant de condenser à l'état solide les traces d'halogénure du métal volatil entraînées éventuellement avec la vapeur de ce métal, et de tubes de refroidissement parcourus par un fluide de refroidissement approprié, à température telle que le métal volatil soit condensé à l'état liquide.
Cependant d'autres moyens de récupération du métal volatil peuvent être utilisés, par exemple un condenseur, construit, en ce qui concerne sa chambre de condensation, de la même manière qu'une colonne de distillation à plateaux et utilisant, comme fluide de refroidissement, pour condenser à l'état liquide les vapeurs de sodium, une partie du sodium liquide déjà condensé.
Comme moyens pour recycler l'halogénure de calcium, on utilise, de préférence une colonne barométrique remplie de cet halogénure à l'état fondu, et dont la partie supérieure, constituée par le mélange réactionnel, est dans l'enceinte de réaction, sa partie inférieure débouchant dans un four de décantation du carbone maintenu à température suffisante pour maintenir l'halogénure de calcium à l'état liquide.
Comme moyens pour séparer de manière continue le carbone on utilise, de préférence, un four de décantation placé à la partie inférieure de la colonne barométrique.
La description détaillée qui va suivre, concerne le cas dans lequel le métal volatil est le sodium, afin de permettre de donner des indications concrètes concernant les dimensions de l'installation ainsi que les pressions et les températures de fonctionnement. n est toutefois bien entendu que la même installation parait être utilisée, au prix de légères modifications de ses dimensions ainsi que de ses conditions de fonctionnement, pour la fabrication des autres métaux volatils suivants:
le potassium, le rubidium, le césium, le calcium, le strontium, le baryum et le magnésium.
Le dessin annexé représente, schématiquement et à titre d'exemple, une forme de réalisation particulière de l'installation selon l'invention ainsi qu'une variante de cette installation et deux variantes d'un condenseur de sodium dont une forme de réalisation particulière fait partie de l'installation représentée au dessin.
La fig. 1 est une coupe verticale de l'installation selon une forme de réalisation préférée.
La fig. 2 est une coupe verticale du condenseur selon une première variante.
La fig. 3 est une coupe verticale du condensateur selon une seconde variante.
La fig. 4 est une coupe verticale de la variante de l'installa
tion.
L'installation représentée à la fig. 1 comprend un réacteur 1 composé d'une cuve de mélange 2 et d'une chambre de réaction 3. La chambre de réaction 3 est garnie de déflecteurs 4. La
cuve de mélange 2 et la chambre de réaction communiquant par une buse d'injection 5 qui peut être, à volonté, fermée ou plus ou moins ouverte au moyen d'un obturateur 6 commandé par une tige de manoeuvre 7 reliée à un bouton de commande 8. En position de repos, la buse d'injection 5 est fermée grâce à la force exercée par un ressort 9 travaillant en compression, qui tend à appliquer l'obturateur 6 à l'entrée de la buse 5. La cuve de mélange 2 est munie d'un certain nombre
d'agitateurs, par exemple trois, dont un seul est représenté à la figure, comprenant une hélice 10 entraînée en rotation par un moteur, non représenté à la figure, par l'intermédiaire d'un arbre d'entraînement 11.
Une trémie-sas 12, dont l'intérieur est maintenu en permanence à l'état anhydre, par exemple au moyen d'un dispositif de renouvellement d'atmosphère, non représenté, permettant d'évacuer l'air de l'intérieur de la trémie-sas 12 et de le remplacer par un gaz sec, par exemple de l'azote, permet de charger la cuve de mélange 2 de la quantité convenable de carbure de calcium et de chlorure de sodium sans y introduire d'humidité. Une trémie ordinaire 13 permet d'alimenter la trémie-sas 12 de carbure de calcium et de chlorure de sodium anhydres.
Des vannes 14a et 14b permettent d'effectuer les manoeuvres de chargement de la cuve de mélange 2 et de la trémie-sas 12 respectivement;
La cuve de mélange 2 est, en outre, munie d'une grille tamis
15 dont la position et les caractéristiques sont telles qu'elle empêche toute particule solide, en l'occurence les grains de carbure de calcium non dissous dans la bain de mélange de chlorure de sodium et de chlorure de calcium et ayant une grosseur supérieure à une certaine valeur limite, par exemple 1 mm, de parvenir jusqu'à la buse d'injection 5.
La chambre de réaction 3 est munie d'un orifice de sortie de vapeurs 16, auquel est raccordé un conduit d'évacuation de vapeurs 17. Le conduit 17 débouche dans un condenseur 18.
Le fond de la chambre de réaction 3 est, en outre, raccordée à une colonne barométrique 28 permettant d'évacuer la suspension tombant au fond de la chambre 3, suspension constituée au moins en majeure partie de chlorure de calcium en fusion et de carbone à l'état de graphite.
Un four de décantation 29, à température suffisante pour maintenir à l'état liquide le liquide en fusion, permet de séparer, par décantation, le graphite de la suspension. Un orifice de prélèvement 30, placé au niveau de la surface du bain de dispersion en cours de décantation permet d'évacuer le graphite au fur et à mesure de son arrivée à la surface du bain.
Une gaine de chauffage 31, entourant complètement la cuve de mélange 2, la chambre de réaction 3, la colonne barométrique 28 et le four de décantation 29 permet de maintenir, dans ces différentes parties de l'appareillage, respectivement, la température convenable pour permettre la dissolution du carbure de calcium dans le mélange de chlorure de calcium et de chlorure de sodium, par exemple 9300 C, la température de réaction, par exemple 8300C, et une température supérieure à la température de solidification du liquide de la suspension, c'est-à-dire environ 750 à 8000C.
Une pompe de recyclage 32, alimentée par un conduit 35 permet de recycler, dans la cuve de mélange 2, par le conduit 36 une partie du liquide prélevée dans le four 29 par le conduit 33 et dont une autre partie est évacuée de l'installation, dans un conduit de prélèvement 34, branché sur le conduit 33 par une vanne à trois voies 37. La pompe 32, les conduits 35, 36 et 33 et la vanne 37 sont également munis de moyens de chauf fage permettant de maintenir une température suffisante pour éviter la solidification du liquide.
Le condenseur 18 comprend une série de déflecteurs 19, une chambre de condensation de sodium 20 munie de tubes 21 refroidis par circulation de fluide, par exemple d'huile de silicone. Ces tubes 21 forment un faisceau de tubes en U horizontaux dont l'ensemble occupe la partie centrale de la chambre 20. Les tubes 21 sont alimentés en fluide au moyen d'un conduit d'amenée 22 et d'une chambre de distribution 24.
Le fluide est évacué, après son passage dans les tubes 21, au moyen d'une chambre collectrice 25 et d'un conduit d'évacuation 23. Le condenseur 18 est raccordé par un conduit 26 à un système de pompage non représenté permettant d'établir et de maintenir dans le condenseur 18 et la chambre de réaction 4 la pression réduite, en l'occurence 104 à 10-2 atmosphères, permettant la réduction du chlorure de sodium à la température de réaction. Un conduit 27 permet d'évacuer le sodium condensé à l'état liquide, au fond du condenseur 18.
Le fonctionnement de l'installation qui vient d'être décrite est le suivant:
un mélange de chlorure de sodium et de chlorure de calcium, en proportions correspondant, de préférence, à la composition eutectique de ces deux sels, à savoir 40% en moles de
NaCI et 60% en moles de Cal2, est introduit dans la cuve de mélange 2 au moyen de la trémie 13 et de la trémie-sas 12. La pression, à l'intérieur de la cuve 2 est maintenue égale à, ou voisine de, la pression atmosphérique. L'obturateur 5 étant en position fermée, on fait fondre le mélange de chlorure de sodium et de chlorure de calcium tout en l'agitant énergiquement, au moyen de l'hélice 10, afin d'obtenir une bonne homogénéité.
On introduit ensuite dans la cuve 2, toujours au moyen des trémies 13 et 12, du carbure de calcium en quantité juste inférieure à sa limite de dissolution, le bain de chlorure de sodium et de chlorure de calcium fondu étant maintenu, par exemple, à 10000C. A cette température, la limite de dissolution du carbure de calcium dans le mélange eutectique de chlorure de sodium et de chlorure de calcium est de 7,5% en poids, environ.
L'obturateur 5 étant, maintenant, en position ouverte, la solution homogène, préparée comme il vient d'être dit, est injectée dans la chambre de réaction 3, par l'injecteur 5, avec un débit réglé selon le degré d'ouverture de l'obturateur 5. La pression dans la chambre 3 est, comme il a été dit plus haut, maintenue entre 104 à 10-2 atmosphères et la température à 9300C, par exemple.
La réduction du chlorure de sodium par le chlorure de calcium se produit au fur et à mesure de la descente du mélange réactionnel, dans la chambre 3, cette descente étant ralentie par les déflecteurs 4.
Le liquide qui arrive au fond de la chambre 3 consiste en une suspension de très fines particules de carbone, à l'état de graphite, dans du chlorure de calcium fondue ne renfermant plus que de très faibles quantités de chlorure de sodium et de carbure de calcium.
Le sodium produit par la réaction est à l'état de vapeur dans la chambre 3. Cette vapeur, qui contient également une faible quantité de chlorure de sodium vaporisée, est évacuée par l'intermédiaire du conduit 17 et introduite dans lé condenseur 18. Le chlorure de sodium se condense intégralement, à l'état solide, sur les déflecteurs 19 et le sodium est condensé à l'état liquide par contact de sa vapeur avec les parois des tubes 21, maintenues entre 110 et 1200C par circulation du fluide de refroidissement, et est évacué du condenseur 18, à l'état liquide, à une température légèrement supérieure à 1300 C, par le conduit 27.
La suspension du carbone dans le chlorure de calcium est évacuée de la chambre 3 par la colonne barométrique 28 et le carbone est séparé, par décantation, dans le four 29. Après refroidissement et lavage à l'eau, on peut obtenir ainsi du carbone très finement divisé et très pur, à l'état de graphite.
Le chlorure de calcium est en partie recyclé dans la cuve de mélange 2 et en partie évacué de l'installation. Cette dernière fraction peut être mise sous forme de granulés, après refroidissement, ce qui constitue une forme facilitant son emploi dans l'industrie.
L'installation peut fonctionner de manière discontinue, en introduisant des charges successives de chlorure de sodium, de chlorure de calcium et de carbure de calcium et en injectant, en une fois, la totalité du mélange réactionnel dans la chambre 3.
L'installation est toutefois, de préférence, utilisée en fonctionnement continu, selon lequel on alimente la cuve de mélange 2 par de petites charges de chlorure de sodium et de carbure de calcium au fur et à mesure de la consommation de ces produits de départ, de manière à maintenir constante la concentration du mélange réactionnel dans la cuve 2 et on injecte ce mélange soit par petites fractions, soit par débit continu réglé de façon qu'il reste constamment une certaine quantité de mélange réactionnel dans la cuve 2.
Une installation permettant d'obtenir, en régime continu, une tonne de sodium par heure, a, par exemple, les caractéristiques suivantes:
Volume de la cuve de mélange: 2 m3
Volume de mélange réactionnel maintenu en permanence dans cette cuve: 1 m3
Débit de la buse d'injection 5, obturateur 6 en position d'ouverture complète: 6,24 m3/h
Pression absolue dans la cuve 2: environ 1 atmosphère
Pression absolue dans la chambre 3: 5,10-3 atmosphère
Température dans la cuve 2: 100( > C
Température dans la chambre 3: 9300C
Hauteur de la colonne barométrique 28: 4,7 m
Surface d'échange thermique des tubes 21 du condenseur 18: 100 m2
Cadences de chargement:
Carbure de calcium: 1,39 t/h
Chlorure de sodium: 2,54 t/h
Chlorure de sodium:
9,8 t/h (provenant uniquement de recyclage en régime continu)
Outre la tonne de sodium, une telle installation permet d'obtenir par heure, 0,52 t de graphite très pur finement divisé- et 2,48 t/h de chlorure de calcium.
Le condenseur représenté à la fig. 2 comprend des éléments analogues à ceux du condenseur de la fig. 1 mais il est disposé verticalement au lieu d'être horizontal et les tubes de circulation de fluide de refroidissement sont droits au lieu d'avoir la forme en U de ceux du condensateur de la fig. 1. De plus, un système de déflecteurs est disposé en chicane dans la chambre de condensation de vapeurs de sodium.
Ainsi le condenseur 118 représenté à la fig. 2, comprend des déflecteurs 119, une chambre de condensation de vapeurs de sodium 120 munie de tubes 121 dans lesquels circule un fluide de refroidissement par exemple de l'huile de silicone. La chambre 120 est également munie de déflecteurs 128. Les tubes 121 sont alimentés en fluide de refroidissement au moyen d'un conduit d'amenée 122 et d'une chambre de distribution 124. Le fluide de refroidissement est évacué, après son passage dans les tubes 121, au moyen d'une chambre collectrice 125 et d'un conduit d'évacuation 123. Le condenseur 118 est raccordé à un système de pompage, non représenté à la figure, par un conduit 126 et au réacteur 1 par un conduit 117.
Le fonctionnement du condenseur 118 est identique à celui du condenseur 18. Le sodium qui se condense à l'état liquide dans la chambre 120 et vient ruisseler au fond du condenseur 118, est évacué de ce dernier par un conduit 127.
Le condenseur représenté à la fig. 3 fonctionne en utilisant, comme fluide de refroidissement pour condenser les vapeurs de sodium à l'état de liquide, une partie du sodium déjà condensé. n est construit, en ce qui concerne la chambre de condensation, de la même manière qu'une colonne de distillation à plateaux.
Ainsi, le condenseur 218 comprend des déflecteurs 219 et un certain nombre de plateaux identiques 229, en l'occurence au nombre de trois, garnis de cloches de barbotage identiques 230. Un conduit 227 sert à évacuer le sodium liquide qui ruisselle au fond du condenseur.Une partie du sodium est recyclé par un conduit 231 au moyen d'une pompe 232 et injecté dans le condenseur par un certain nombre de buses 233. Un conduit 217 sert à relier le condenseur 218 au réacteur 1 représenté à la fig. 1 et un conduit 226 sert à relier ce condenseur à un dispositif de pompage, non représenté à la figure. Le chlorure de sodium entraîné, en très petite quantité, à l'état de vapeur
avec le sodium dans le condenseur 218 est presque intégralement condensé à l'état solide sur les déflecteurs 229 et peut être facilement récupéré par grattage.
L'installation représentée à la fig. 4 comprend une chambre de réaction 401 destinée à servir d'enceinte commune pour la fusion du mélange de chlorure de sodium et de chlorure de calcium, la mise en solution du carbure de calcium dans le bain fondu et la réaction de réduction. La chambre de réaction 40 est munie d'un dispositif permettant d'agiter énergiquement le mélange réactionnel pendant toutes les opérations du procédé mis en oeuvre au moyen de l'appareil. Dans l'installation représentée à la fig. 4, ce dispositif est identique à celui qui permet d'agiter le bain de la cuve de mélange 2 dans l'installation représentée à la fig. 1.
Une trémie-sas 412 dont l'intérieur peut être maintenu sous pression réduite et atmosphère de gaz inerte, au moyen de dispositifs appropriés non représentés, branchés sur la trémie 412 par l'intermédiaire d'une vanne 414b, permet d'alimenter la chambre 401, en matières premières à savoir, carbure de calcium, chlorure de sodium et, le cas échéant, chlorure de calcium. La trémie-sas 412 est, elle-même, alimentée au moyen d'une trémie ordinaire 13 identique à celle de l'installation représentée à la fig. 1.
L'installation représentée à la fig. 4 est, par ailleurs, identique à celle qui est représentée à la fig. 1 et son fonctionnement est analogue, mis à part le fait que la chambre de réaction 401 est maintenue à la pression atmosphérique, sous atmosphère inerte, constituée par exemple par
de l'argon, pendant la fusion du mélange de chlorure de sodium et de chlorure de calcium et pendant la mise en solution du carbure de calcium dans ce bain fondu, et qu'elle est mise sous pression réduite, par exemple 5.10-3 atmosphères, pour effectuer la réduction.
En ce qui concerne les caractéristiques d'une installation
conforme à la variante qui vient d'être décrite et ayant une
capacité de production d'une tonne de sodium par heure, elles sont les suivantes:
Volume de la chambre de réaction 401: 12 m3
Volume du mélange réactionnel: 6,24 m9
Hauteur de la colonne barométrique 28: 4,7 m
Surface d'échange du condenseur 18: 100 m2
Nature des tubes de refroidissement du condenseur 18 et du fluide de refroidissement: cuivre-huile de silicol
Puissance de chauffage totale: 2000 KV.
On opère par des charges, dont le traitement complet dure environ une heure, et se composant de:
2,54 t NaC1
1,39 t CaC,
9,8 t CaCk (provenant de la charge précédente).
On obtient, après traitement de chaque charge, 1 tonne de sodium, 2,41 t CaCI2 et 0,52 t de graphite.