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PROCEDE ET APPAREIL POUR LA CONDENSATION DE.
VAPEURS METALLIQUES
La présente invention concerne la condensation de vapeurs métalliques, et plus particulièrement de vapeur de zinc, et elle a pour objet un procédé et un appareil destinés à condenser des vapeurs métalliques et spécialement de la vapeur de zinc.
Le zinc métallique, lorsqu'on le produit par la réduction, à de hautes températures de minerais de zinc oxydés, est presque universellement fait, à l'heure actuelle, dans des
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fours de distillation ayant un certain nombre de cornues rela- tivement petites aux bouts externes desquelles sont assujettis des condenseursLes cornues sont habituellement montées sous une légère inclinaison allant généralement en descendant du gros bout, ou extrémité close, de la cornue vers l'extrémité ouverte, ou bout externe, de celle-ci. Le condenseur est, en fait, un prolongement ou allonge de la cornue ; est habituel- lement monté dans une position sensiblement horizontale et, par suite, n'est pas exactement dans le prolongement de l'axe de la cornue.
La vapeur de zinc et autres gaz passent, suivant une ligne sensiblement horizontale, de la cornue au condenseur et les gaz d'échappement s'en vent à travers l'extrémité ouver- te du condenseur. Le rendement de cet appareil condenseur usuel est loin d*être satisfaisant car environ 60 à 65% seulement de la vapeur de zinc métallique sortant de la cornue est condensé à l'état de zinc métallique, le restant étant condensé sous la forme de poudre bleue ", ou brûlant à l'orifice du condenseur en,se transformant en oxyde de zinc et étant perdue
Les auteurs de l'invention ont découvert que l'on peut améliorer très notablement la rendement de condensation de vapeur de zinc en faisant circuler d'une façon appropriée la.vapeur sur une pellicule de zinc fondu;
de superficie con- venable et maintenue à une température soigneusement contrô- lée. La pellicule nécessaire de zinc en fusion est de préféren- ce assurée et maintenue sur le plafond et la ou les parois latérales de la chambre de condensation et la vapeur de zinc pénétrant dans la chambre est obligée à circuler à plusieurs reprises en contact avec la pellicule de zinc, en- fusion* La circulation voulue de vapeur de zinc est avantageusement obtenue en faisant passer un courant de vapeur de zinc dans
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la, chambre de condensation et en,
obligeant ce courant de vapeur à frapper contre un plafond dispose de manière à dévier uniformément cette vapeur de Zinc 'contre la pellicule de zinc fondu qui se trouve sur le. -plafond, et la ou les parois verti- cales de la chambre de condensation*
Dans la pratique qu'il est préférable d'adopter, la chambre de condensation est disposée de façon que le cou- rant de vapeur de zinc s'élève à travers le fond de cette chambre et, en venant frapper contre le plafond de celle-ci, soit uni formément dévié de dedans en dehors et de haut en bas par dessus la pellicule de zinc fondu qui se trouve sur le plafond et la ou les parois latérales de préférence verti- cales,
de la chambre de condensation* La vapeur de zinc est ainsi obligée à circuler à plusieurs reprises sur et en con- tact avec la pellicule de zinc fondu, de superficie appropriée, et à la température convenable, et se condense sur cette pelli- cule. Le zinc ainsi condensé sert à maintenir sur le plafond et sur la ou les parois latérales 'de .la chambre de condensation la pellicule voulue de zinc fondu et le zinc en excès dégoutte, ou ruisselle le long de ces 'parois;
pour se rendre dans une cuve appropriée située au fond de la chambre de condensation, où on le recueille.. -
Les auteurs de l'invention ont trouvé que, en plus de la superficie de la surface de condensation,- un contrôle minutieux de la température du plafond et de la ou des pareis parois latérales de la chambre de condensation est nécessaire pour le rendement de condensation optimum de la vapeur de zinc.
Lorsque la température du plafond et de la ou des parois laté- rales est convenablement contrôlée, sensiblement toute la ,vapeur de zinc est condensée à l'état de zinc métallique et moins de 10 %, et sauvent 1 à 2 % seulement, du zinc total pénétrant dans la chambre se condense sous la forme de " poudre bleue" ou gouttelettes de zinc sans coalescence entre elle.s,
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le reste du zinc étant condensé à l'état de zinc métalli- que liquide.
Sur les dessins ci-joints, on a représenté ce que les auteurs, de l'invention considèrent actuellement comme les meilleures formée d'exécution de celle-ci. Dans ces dessins, on a représenté la condenseur perfectionné concur- rement avec une cornue verticale ou four à cuve ; maisil va sans dire que l'invention n'est pas limitée à ce type particulier de four à distiller le .zinc mais est, au con- traire. susceptible d'une application générale et qu'on peut avantageusement en faire usage pour condenser de la vapeur de zinc, ou autre vapeur métallique, sans avoir égard à la source de la vapeur..
Sur ces dessins :
Fig. 1/est une élévation de face, en coupe, d'une cornue verticale ou four à cuve, pour la réduction de mine- rais de zinc oxydés, pourvu du condenseur faisant l'objet de l'invention pour condenser les vapeurs de zinc métalli- que ;
Fig. 3/est une élévation latérale, en coupe;
Fig. 3 est une coupe suivant 3 - 3, Fig. 2 et
Figs. 4,5, 6, 7, 8 'et 9 sont des élévations, en couper de diverses formes d'exécution modifiées de conden- seurs établis sur les principes de l'invention.
Le four à distiller le zinc représenté aux figso 1, 2 et 3 comprend une cornue verticale, 10, en terre réfractaireé ou autre matière appropriée, qui est entourée sur lift majeure partie de sa. hauteur par un laboratoire ou chambre de chauffage 11. Cette chambre Il est établie à l'intérieur' d'une construction de four comprenant une chemise extérieure en acier, 12, une couche intermédiaire,
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13, de matière calorifuge telle que le " Sil-o-cel" et un garnissage fait de maçonnerie réfractaire, 14, recouverte de 'blocs ou plaques de graphite 15.
Des ouvertures appropriées
16 sont prévues, à, travers la paroi du four pour permettre l'introduction de pyromètres à l'intérieur du laboratoire ou chambre de chavffage 11, afin de déterminer et contrôler la température sur toute la hauteur de cette chambre.
Le four est monté sur une fondation appropriée
17.Le fond de la cornue 10 débauche dans une chambre clo- ' se,, ou fosse, 18 poésédanst une porte de nettoyage 19.
Tout moyen approprié peut, bien entendu. être em- ployé pour chauffer la cornue 10. C'est ainsi, par exemple que l'on peut conduire des gaz de foyer à travers le labo- ratoire il et autour de la cornue 10. Dans l'appareil re- présenté aux figs 1, 2 et 3, le chauffage de la cornue est .effectué électriquement. L'élément de résistance, ou de chauffage électrique comprend deux tiges de graphite, 20, s'étendant à travers le dessus du four et reposant sur des blocs de graphite, 21, situés légèrement au-dessous du mi- lieu de la hauteur de la chambre Ils A leur partie inférieu- re, les tiges 20 sont creuses et présentent une fente hélicei- dale de façon à effrir un chemin de résistance en hélice . pour le passage du courant élecrqiue.
Une. des bornes de la source d'énergie électrique- est connectée à l'une des tiges de graphite 20¯ et l'autre, à l'autre tige de graphite 20. le circuit électrique entre les 'extrémités inférieures des deux tiges 20 étant complété à travers les blocs de graphite 21 '.
.et le garnissage en graphite 15. On peut faire usage soit de courant continu soit de ceurant alternatif pour alimenter en énergie électrique les tiges de graphite 20
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Le bas de la chambre 11 est pourvu de'deux tiges ou éléments de résistance en graphite, 22, de la même construction générale que les tiges 20. Les tiges 22 repo- sent sur des blocs de graphite, 23, qui servent à connecter électriquement en parallèle les parties intermédiaires des deux tiges. L'élémenchauffant inférieur peut souvent être supprimé ; il est prévu comme une source auxiliaire ou additionnelle de chaleur lorsqu'on le désire, ou que c'est nécessaires
Le condenseur faisant l'objet de l'invention est monté verticalement sur le dessus du four et axialement en ligne avec la cornue 10.
Aux figs. 1 & 2, ce condenseur comprend une paroi cylindrique, verticalement disposée, 25*Un plafond circulaire, plat, 26, recouvre le haut du cylindre 25 et un plateau annulaire, 27 couvre partielle- ment le bas de ce cylindre. Le cylindre 25 et les pla- teaux 26 et 27 sont faits en matière réfractaire telle que la terre réfractaire,'le carborundum, des mélanges de ceux-ci, ou,leur équivalent. Ces trois éléments peuvent être d'une seule pièce ou être formés séparément et joints pour constituer le nouveau condenseur * en chapeau haut de forme" de l'invention.
Une allenge ou buse 28 est assujettie au plateau de fond 27.Le diamètre de l'ouverture centrale existant dans ce dernier et le diamètre interne de l'allonge 28 sont moindres que le diamètre de la cornue 10 et ces trois éléments sont axialement en ligne. L'allonge 28 s'élève à peu près à mi-hauteur de la chambre de condensation for- mée à l'intérieur du cylindre 25.
Le plafond 26 présente une ouverture centrale 30 couverte librement'par un tempon 31. L'extérieur du
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condenseur (cylindre 25' et plafond. 26) est recouvert d'une couche appropriée, 29, de matière calorifuge* Dans la pratique, le poussier de houillepenvient admirablement comme couverture calorifuge pour le condenseur. L'oxyde de carbone sortant par l'ouverture 30 de la chambre de conden- sation s'achappe à travers la matière calorifuge (houille) librement disposée autour du tampon 31 et brûle dans l'air;.
L'espace annulaire existant entre l'allonge 28 et le cylindre 25 constitue une cuve qui recueille le zinc fondu et d'ou l'on fait couler celui-ci, de temps à autre, à travers un trou de coulée 32.
Le mélange de vapeur de zinc et d'oxyde de carbone (résultant de la réduction du minerai de zinc oxydé dans la cornue 10) sort du haut de la cornue dans l'allonge 28.
Un courant ascendant de vapeur de zinc passe ainsi à tra- vers le fond du condenseur et dans la chambre de condensa- , tien . Ce courant de vapeur de zinc frappe contre et s'étale sur le plafond 26 et est uniformément dévié le long ' du côté de la paroi verticale 25, comme cela est indiqué par les flèches à la fig. 1 des dessins.
La surface interne de la paroi cylindrique 25 et le plafond 26 tout entier sont recouverts d'une pelli- cule de zinc fondu (indiquéepar la ligne'.!:). Les vapeurs de zinc pénétrant dans le condenseur sont entraînées en travers de cette pellicule.fraîche, constamment renouvelée, de zinc fondu et se condensent sur elle. De la sorte, la pellicule de zinc fondu forme un noyau sur lequel la condensation de la vapeur de zinc se produit facilement.
Les gaz d'échappement,pour la majeure partie de 1' oxydé de carbone, s'échappent à travers l'ouverture 30, en pas-
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sant sous le tampon libre 31, et à travers la matière dalorifuge libre qui le recouvre. En réglant convenable- ment la température des parois condensantes (25 et 26) sensiblement toute la vapeur de zinc se condensera sous la forme de zinc métallique.liquide.
Le zinc métallique se condensant sur la paroi du cylindre 25 coule le long de cette paroi dans la cuve à métal fondu qui existe au fond de la chambre de condensa- tion. Le zinc fondu s'accumule dans cette cuve d'où on l'enlève périodiquement à travers le trou de coulée 32.
La pellicule de zinc fondu existant sur lea parois condensantes n'a pas besoin d'être continue et, dans la pratique, peut consister en menues gouttelettes ou globu- les de zinc fendu qui tapissent sensiblement la surface interne de la'eu des parois. Par "pellicule de zinc fondu", il faut entendre une mince couche de zinc fondue, pas né- cessairement continue, mais d'une superficie suffisamment étendue pour recouvrir sensiblement la surface interne, ou condensante, du cylindre 25 et du plafond 26.
Il est important que la température des parois de la chambre de condensation (25 et 26) soit contrôlée minu- tieusement. Si la température de ces parois est trop élevée, les gaz s'échappant à travers l'ouverture 30 entraineront trop de vapeur de zinc et, si la température des dites parois est trop basse, il se formera une quantité excessi- ve de"poudre bleue". Les auteurs de l'invention ont trou- vé qu'une température de 500 à 8500 C est satisfaisante et, lorsque les parois condensantes sont maintenues entre ces limites de température, il en résulte une condensation très bonne de la vapeur de zinc en zinc métallique liquide.
Il est préférable de. régler et de contrôler la température de la eu des parois condensantes en réglant
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le degré d'isolation thermique externe de ces parois. Dans .la. pratique, on introduit,un pyromètre (thermo-couple) dans la chambre de condensation (de préférence à travers l'ouver- ture supérieure 30) et, lorsque la. température qui règne dans cette chambre est trop élevée, on diminue le degré d'isolation thermique externe tandis que, quand cette température est trop basse, on augmente ce degré d'isolation
Cette isolation thermique externe peut être avantageusement assurée par une couche de poussier de houille, ou tout au- tre matière calorifuge appropriée, librement disposée au- 'tour de l'extérieur du condenseur.
On fait alors varier le degré d'iselation thermiqueauteur du cendenseur en faisant varier l'épaisseur de cette couche dé matière calorifuge
On modifie dimensions et les proportions du condenseur selon la¯quantité de vapeur de zinc à condenser.
En travaillant avec'une cornue (10) de 20 centimètres de diamètre intérieur, et 3 mètres de hauteur, chargée de silicate de zinc (contenant à peu près 45 à 50 % de zinc) et de poussier de houille, en quantités à peu près égales, et en travaillant la charge en 8 heures, on a obtenu d'ex- cellents résultats.avec un condenseur fait d'un mélange de carborundum et de terre réfractaire, d'environ 30 cen- timètrea de diamètre intérieur et 28 centimètres de hauteur (intérieur), les parois.du condenseur ayant une épaisseur de 25 millimètres.
L'allonge 28 avait environ 76 millimè- tres de diamètres intérieur et ds'éendait sur environ 10 centimètres à l'antérieur de la chambre de condensation. , L'extérieur du condenseur était recouvert d'environ 50 millimètres de poussier de houille* en guise de matière calorifuge.
Le cendenseur de fig. 4 est du même type général et des mêmes dimensions que celui décrit précédemment à
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propos de fige 1. L'allonge 28*'du condenseur représenté à la fig. 4 a un diamètre intérieur plus grand que celui, de l'allonge 28 et est de section conique. Ce diamètre plus grand de l'allenge 28¯,permet de charger la cornue à travers le condenseur, la. charge étant introduite par l'ouverture
30 et pénétrant dans la partie supérieure de la cornue à travers l'allonge 28. Cependant, une trop grasse allonge n'est pas désirable, puisqu'une certaine quantité du zinc condensé dégoutte du plafond 26 et que si le diamètre de l'allonge 28'est trop grand, il retombera dans la cornue une quantité excessive de zinc fondu qu'il faudra redis- tiller.
Le cendenseur fig. 5 est relativement plus haut et plus étroit que ceux\des figs 1 et 4. On doit dépendant avoir soin de ne pas donner à ce condenseur une hauteur par trop grande car, alors la partie supérieure de la chambre de condensation- devient relativement froide et il peut se former une quantité excessive de "poudre bleue". Dans le cendenseur fig. 5, on a employé les mêmes chiffres de réfé- renoe,qu'à la fig. 1 pour désigner des parties correspondan- tes ou équivalentes.
Bien qu'il soit préférable de disposer l'allonge eu orifice d'entrée du condenseur, de façon qu'il soit coaxial avec la chambre de condensation, une telle disposi- tion n'est pas indispensable. Ainsi, à la fig. 6, l'allonge 28", qui amène la vapeur de zinc à la chambre de condensa- tion, est disposéesur l'un des cotés de cette chambre.
Le condenseur de fig. 7 est pourvu de parois espa- cées. Les gaz d'échappement venant de la chambre de conden- sation passent à travers l'espace existant entre les deux parois et augmentent ainsi l'isolation thermique de la cham- bre de condensation. A la fig. 7, les mêmes chiffres de ré- férence qu'à la fig. 1 désignent des parties correspondantes
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ou équivalentes Le condenseur proprement dit ( 25 - 26) est entoure par une chemise espacée, 33, en terre réfrac- taire ou son équivalent. Les gaz s'échappent de la chambre de condensation à travers des orifices 35 existant dans le cylindre 25.
Les gaz passent ensuite à travers l'espace qui existe entre la chemise 33 et le condenseur (25 - 26) et s'échappent à l'atmesphère à travers des ouvertures ou orifices 34 convenablement, situés, ménagés dans la. chemise*
Dans le condenseur représenté à la fig. 8, la paroi condensante latérale 25' est inclinée au lieu d'être verticale. Le condenseur représenté dans cette fig. est aussi de forme générale conique. A d'autres, égards, il est, en principe, Sensiblement le même que celui déj' décrit.
A la fig. 9, on a représenté un condenseur multi- ple destine à être utilisé avec une cornue verticale eu four à cuve de diamètre relativement grand. Comme on le voit à la fig 9, ce condenseur consiste en trois, ou plus de trals, unités et englobe les caractéristiques générales de construction des condenseurs de figs 1 et 7.
Les condenseurs représentés et décrits ici sont, en général, d'une section circulaire. Il va néanmoins sans dire que cette configuration n'est pas une partie essentiel- ' le de l'invention mais est adoptée, dans la pratique, prin- cipalement à cause de sa commodités mais le condenseur ,de l'invention peut être carré, rectangulaire, oval ou, à vrai dire, peut présenter une section de n'importe quelle forme voulue.
Le cendenseur de l'invention est principalement caractérisé par sa ou ses parois condensantes latérales'-,, droites et de préférence verticales et son plafond sen- siblement horizontal* La surface condensante de la ou des
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parois latérales et du plafond est soigneusement proportion- née par rapport à la quantité de vapeur de zinc à condenser dans l'unité de temps, et cette surface condensante est main- tenue à une température soigneusement contrôlée. Le courant entrant de vapeur de zinc est conduit dans la chambre de condensation à travers une ouverture, de préférence resserrée, existant dans le fond du condenseur et, en s'éle- vant verticalement, vient frapper le plafond et est dévié sur la surface condensante.
La vapeur de zinc circule à plusieurs reprises par dessus cette surface, recouverte d'une pellicule de zinc fondu, jusqu'à ce qu'elle soit cen- densée. Il est de préférence permis au gaz d'échappement de s'échapper à travers l'ouverture, librement recouverte, existant dans le dessus du condenseur. Toutefois, si en le désire, la paroi latérale du condenseur peut être pourvue d'ouvertures ou orifices convenables pour l'échappement du gaz d'échappement.
La vapeur de zinc pénétre dans la chambre de conden-, sation à peu près perpendiculairement à la surface du zinc fondu qui se trouve dans la cuve collectrice* Le zinc fondu qui se trouve dans celle-ci entoure de préférence le con- duit à travers lequel la vapeur de zinc passe pour pénétrer dans la chambre de condensation. La température du zinc fondu, dans cette cuve cellatrice est contrôlée pour éviter l'ébullition du zinc fondu* On peut y arriver commodément par un contrôle approprié du degré d'isolation thermique externe autour de cette partie du condenseur.
La ou les parois latérales du condenseur sont de préférence équidis- tantes du courant entrant de vapeur de zinc en un point quelconque pris sur unplan horizontal à travers ce cou- rant,
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En tant qu'appliqué au four à cornue verticale repré sente sur les dessins, le courant de vapeur de zinc s'élève (verticalement) de la cornue dans la chambre de condensation ce qui fait' ainsi que la vapeur suit un parcours en ligne droite continue. Ceci assure le fonctionnement avec un mini- mum de contre-pression et un tirage naturel.
En supposant qu'un mélange sensiblement pur d'oxy- de de carbone et de vapeur de zinc sorte de la partie supé- rieure de la cornue verticale 10, les deux facteurs qui jouent ungrand rôle dans le rendement de condensation sont la température et la pression régnant dans la chambre de con- densation. Ces-deux facteurs sont déterminés par les dimen- sions et les proportions du condenseur. Si la température des parois condensantes est trop grande, il s'échappera de la vapeur de zinc qui sera perdue. Si cette température est trop basse, le zinc se condensera sous la forme de " poudre bleue" plutôt qu'à l'état de métal fondu.
Si la pression dans la chambre de condensation devient trop grande, elle aura un effet d'amortissement sur la vitesse de la réaction à l'in- térieur de la cornue verticale et influencera,par conséquent, défavorablement les produits récupérés. Si la pression dans la chambre de condensation devient trop faible, le zinc se condensera sous la.forme de "poudre bleue* plutôt qu'à l'é- tat de métal fondue
En faisant marcher un.moufle ou cornue à distiller le zinc en chargeant par fournées plutôt qu'en chargeant d'u- ne façon continue, la question de la condensation de la va- peur de zinc devient plus difficile.
Avec un changement con- tinu, la proportion de vapeur de zinc et d'oxyde de carbone et la quantité de vapeur de zinc peuvent être tenues bien -constantes et uniformes et l'on peut établir un condenseur
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de dimensions et de proportions appropriées pour cet ensem- ble uniforme de conditions
Cependant, dans le cas d'un chargement par fournées, ou intermittent, en considérant qu'une période de huit heu- res représente une fournée ou opération, la majeure partie du zinc se dégage de la. charge dans les quatre premières heures de marche* De plus, dans ces quatre premières heures, le pourcentage de zinc, dans les gaz mélangés sortant du moufle ou cornue est moindre que dans les quatre heures qui suivent.
Durant les quatre premières heures de marche, le condenseur doit par conséquent avoir une surface de ra- yonnement relativement'grande et un volume relativement grand afin de maintenir la température et la pression dans les limites voulez par une bonne condensation* Durant les quatre heures qui suivent, la proportion de zinc dans les gaz augmente et la quantité diminue, de sorte qu'il est nécessaire d'assurer plus d'isolation thermique externe pour le condenseur afin de maintenir une température assez éle- vée pour une bonne condensation.
Il est impossible de chan- ger le volume de la chambre de condensation et, par consé- quent, durant cette dernière phase de l'opération, lapression dans la chambre de condensation est trop faible pour une bonne condensation, et un peu de zinc;, peut, par conséquent,
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se condenser sous la forme de " av.u. teLl"l.(,tI
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