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Procédé servant à effectuer des réductions ou d'autres réactions et appareils pour sa réalisation.
Il est connu que les principaux dispositifs thermiques actuels utilisant le carbone pour effectuer des réductions ou des autres réactions présentent de multiples inconvénients.
Les fours électriques à effet purement thermique montrent le désavantage de nécessiter une énergie qui, dans le cas d'origine thermique, est obtenue en dégradant, en général, les trois quarts de la chaleur mise en oeuvre en nécessitant des transformateurs coûteux, tandis que le quart utile ne peut être mis en oeuvre qu'en subissant une nouvelle dégradation de 20 à 40%. De toute façon même quand l'énergie électrique est d'originehydraulique, elle est toujours coûteuse comparativement aux 7 à 8000 calories disponibles dans un kilogramme de charbon, soit 8 à 9 kilowatt. Pour ce qui est relatif à l'énergie hydraulique, elle se trouve rarement dans des régions bien situées par rapport aux diverses nécessités industrielles.
Il est également à remarquer que les réactions nécessitant la présence de gaz réactionnel sont difficiles à cause des difficultés de répartition. Il en est de même lors de l'emploi de matières réactionnelles susceptibles de se volatiliser, la source de chaleur étant généralement concentrée en un point.
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En ce qui concerne les fours métallurgiques genre Hauts-Fourneaux, les matières volatilisables avant ou après réaction refluent vers des zones où les principes de Boudouard admettent la présence simultanée de CO et C02, ce qui amène la rétrogradation des réactions obtenues antérieurement. Pour ce qui est relatif à l'obtention de produits dont les oxydes sont difficiles à réduire ces produits sont, par conséquent, facilement réoxydables dans la zone des tuyères, ce qui amène la formation de laitiers contenant des valeurs métalliques produisant une forte attaque du garnissage qui doit être water-jacketté, donc fortement conducteur.
Les pertes de chaleur en résultant doivent être compensées par une combustion en CO du carbone qui est très coûteuse, d'autre part, des nombreux oxydes ne se réduisent qu'à des températures rendant impossible l'emploi de parois autres que celles en carbone.
Il en est de même pour des réactions rendant. nécessaire certains gaz par exemple azote, chlore.
Pour obvier à ces inconvénients des dispositifs thermiques actuels utilisant le carbone pour effectuer des réductions ou des autres réactions, l'utilisation du carbone pour ces buts est, suivant l'invention, réalisée de façon que la combustion du carbone dans le four à réaction se fait de telle sorte que le courant gazeux en résultant est partagé entre deux directions opposées l'une à l'autre, un courant étant dirigé à l'encontre de la gravité et en contre-courant avec les matières à traiter dans le four, et l'autre courant travaillant dans le sens de la gravité et en équicourant avec les matières à traiter passant par le four.
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De cette façon le courant dirigé à l'encontre de la gravité sert à préchauffer les matières à traiter dans le four et permet ainsi de leur faire subir toutes les opérations préalables à la réduction, telles que par exemple décarbonatation, deshydratation, grillage, et de les charger au maximum d'énergie calorifique. Cette phase offre aussi le double avantage de pouvoir travailler pour une forte proportion en C02 non réducteur et de permettre un apport très important de chaleur sans correspondant gazeux et cet apport calorifiques'additionne aux ressources calorifiques de l'autre courant gazeux travaillant dans le sens de la gravité.
Pour obtenir l'optimum de ces effets thermiques, il est préférable d'employer de l'oxygène pur pour la combustion du carbone dans le four, ce qui permet l'obtention très économique de produits que seul le four électrique rend possible jusqu'à présent.
Pour améliorer davantage le rendement thermique favorable dû à la répartition du courant gazeux total en deux courants partiels opposés, l'invention prévoit un garnissage du four à réaction qui se renouvelle d'une façon continue et permanente.
Le garnissage peut être constitué, surtout pour des traitements effectués à très haute température sur des matières corrosives, par du charbon dont la combustion est réduite au minimum par une disposition appropriée de la tuyère ou des tuyères introduisant l'air ou l'oxygène pur dans le four. Dans ce but, ces tuyères sont arrangées dans le four à une distance telle de la paroi formée par le charbon de garnissage que cette dernière est en contact avec le CO seulement, ce qui la protège à peu près totalement. Les matières non volatiles à traiter s'écartent peu de la verticale et les matières volatiles suivent de très près la réduction du CO2 et CO.
D'autre part le renouvellement
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de la matière à traiter dans le four se fait surtout au voisinage de la tuyère ou des tuyères admettant l'air ou l'oxygène pur et, de ce fait seul, l'action de température est importante sur la paroi de garnissage en charbon, laquelle est, d'autre part, à l'abri de réactions chimiques notables.
La répartition du courant gazeux en deux courants partiels opposés, peut être effectuée, suivant l'invention par ce que l'air ou 1oxygène pur nécessaire à la combustion du carbone dans le four y est introduit sous pression par exemple par un compresseur, tandis qu' une dépression, par exemple par un extracteur, est produite dans le four dans l'espace, situé au dessus de l'endroit d'entrée d'air ou d'oxygène.
En variant cette surpression et cette dépression, on peut régler à volonté la répartition du courant gazeux total et ainsi le fonctionnement du four. La tuyère ou les tuyères d'admission d'oxygène ou d'air, peuvent être refroidies par des moyens appropriés, par exemple par la circulation d'ùn fluide réfrigérant, pour les protéger contre l'action de la chaleur. Ces tuyères peuvent être dirigées verticalement vers le bas du four ou être inclinées sous un certain angle par rapport à l'axe du four.
Le four à réaction peut être combiné, suivant l'inven- tion, avec un condenseur dans lequel les gaz et les vapeurs sortant du four sont introduits en mouvement cyclonique: et refroidis systématiquement et progressivement au contact de sa paroi. Etant donné que le refroidissement est graduel- lement conduit et réglable en présence d'une matière très dispersée, le mouvement cyclonique imparti à cette matière a la tendance de séparer, quand la tension partielle de la
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vapeur, par exemple d'un métal, introduite dans le condenseur est telle que le métal se déposera en poussière, le métal de sa suspension gazeuse et de le rétrograder vers une zône plus chaude où il y a la possibilité de l'augmentation en volume et la fusion des fines particules.
Le condenseur est conçu de telle façon que si la matière à traiter, par exemple du métal, passe par une zône à température telle qu'une inversion (par exemple inversion de Neumann) permettrait l'oxydation superficielle des particules métalliques, ces dernières retombent vers une z8ne plus chaude et réductrice, perdraient ainsi leur oxyde superficiel et seraient condensables.
Pour produire ces effets non seulement de la condensation et de la purification, mais aussi de la production par exemple du métal, le condenseur peut être constitué suivant l'invention dans sa partie inférieure d'une paroi calorifugée ou même chauffée d'une manière quelconque, à travers laquelle les gaz et les vapeurs venant du four à réaction sont introduits dans une direction tangentielle à la section transversale cylindrique du condenseur, tandis que la partie supérieure du condenseur est refroidie par un faisceau tubulaire traversé par un fluide réfrigérant et dont la moitié inférieure est munie d'une garniture intérieure constituée par une paroi relativement isolante qui limite la condensation des vapeurs par exemple d'un métal.Entre cette paroi relativement isolante et la partie calorifuge inférieure du condenseur on peut prévoir,
en cas de besoin, des canaux circulaires servant à collecter des produits condensés ruisselant sur la paroi du condenseur et pouvant être évacués par des trous pratiqués dans la paroi du condenseur.
Le four à réaction suivant l'invention peut être utilisé pour de multiples et différentes applications, par exemple pour
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le traitement des minerais, par exemple de zinc, oxydes, sulfures ou des matières analogues, pour la réduction des sulfates en sulfures, pour la fixation d'azote de l'air sous forme de cyanure et azoture, pour la réduction des phosphates en phosphore, pour la réduction et le traitement simultané par les halogènes, pour la fabrication du ferrochrome, du manganèse, du silicium, des carbures alcalinoterreux ou métalliques des métaux alcalins, du plomb, de l'antimoine et des autres métaux.
Le condenseur à refroidissement graduel et réglable peut être employé aussi indépendamment du four à réaction pour traiter des gaz et des vapeurs provenant d'une autre source de production et, en outre, il peut être opéré aussi sans mouvement cyclonique.
Le dessin montre à titre d'exemple schématiquement une forme d'exécution d'un four à réaction et d'un condenseur suivant l'invention.
Le dispositif montré dans le dessin consiste essentiellement en une sorte de four à cuve 2 construit généralement en produits réfractaires, mais pouvant être constitué selon les exigences réactionnelles par un pisé de charbon.
Ce four à cuve de préférence de forme cylindrique est muni d'un garnissage intérieur 3, formé par du charbon aggloméré avec du brai ou un autre agglutinant ou par d'autres matériaux appropriés.
Ce revêtement cylindrique 3 est de fabrication continue au moyen d'une ornière circulaire 4 et d'un dispositif mécanique de tassement 5 dont l'action sur la matière se complète en forçant vers le bas le tube 3 continu dès que celui-ci est rendu libre en coupant sa partie terminale 6 au moyen des racloirs ou des autres organes appropriés
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introduits par les regards. 7 normalement fermés et permettant l'évacuation de la partie terminale du tube de garnissage susdit.
La paroi réfractaire 2 du four joue un rôle complexe variable selon le cas particulier d'application du four. En général, outre son rôle calorifuge, il permet de disposer des canaux verticaux 8 dans lesquels les gaz de la réaction remontent en cédant à l'ensemble une partie de leur chaleur sensible, ce qui amène une diminution considérable de la perte par conductibilité au travers du garnissage intérieur 3. En outre, dans la masse 2 peuvent également être disposés des canaux 9 permettant une mise en température indépendante du foyer central en envoyant des gaz de chauffage par ces canaux.
Cette mise en température peut être rendue.permanente, de sorte que le rendement du foyer reste voisin du quantitatif, les pertes par conductibilité étant supprimées ou diminuées dans une grande proportion.
La partie inférieure 10 du four est constituée par un caisson revêtu de carbone ou d'un mélange mixte et qui est muni d'une cuvette pour recueillir les matières fluides ainsi . que d'un ou plusieurs orifices de vidange 12 pour des matières fluides et d'un autre orifice 13 permettant l'extraction à intermittence convenable d'une fraction du carbone solide de la colonne de réaction dont la compacité pourrait devenir gênante pour la libre circulation des gaz de la réaction. Le caisson 10 contient des canaux 14 permettant la mise en tempé- ,rature du revêtement du caisson au moyen de gaz de chauffage introduits dans ces canaux. Le joint 15 du caisson 10 avec la partie supérieure 2 du four est formé de sorte que le dit caisson est rendu amovible.
Comme le revêtement du dit caisson
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n'est pas renouvelable en cours de marche, comme le garnissage 3 de la partie supérieure 2 , la pièce 10 entière peut être remplacée immédiatement par une de réserve.
Au-dessus de l'espace cylindrique entouré du revête-ment 3 du four se trouve le dispositif obturateur 16 avec la trémie de chargement 17. La partie inférieure de ce dispositif obturateur 16 est munie d'un. tore circulaire 18 destiné à collecter les gaz sans qu'il soit nécessaire qu'ils traversent toute la charge de la trémie-17, de sorte que la colonne supérieure de combustible et de matière à, traiter soit moins résistante que l'inférieure afin d'y maintenir un régime de pression positif par rapport à l'atmosphère, ceci pour éviter les rentrées d'air extérieur.
Du tore 18 part le conduit 19 raccordé à un récipient conique 20 pour retenir de manière quelconque les poussières. Le rôle de ce dispositif 20 est aussi d'assurer un refroidissement suffisant des gaz pour que l'extracteur 22 extraie du four une quantité sensiblement connue de gaz. Le rôle de réfrigérant n'est à envisager qu'exceptionnellement, les gaz sortant, en général, refroidis par la colonne d'alimentation. L'extracteur 22 peut être d'un type quelconque et ne laisse sortir du four en quantité déterminée., les gaz réactionnels. Un surpresseur 23 refoule à l'intérieur. du four par l'intermédiaire de la conduite 24 et de la tuyère plongeante 25 l'air ou l'oxygène destiné à la combustion. La tuyère 25 est généralement verticale ou un peu inclinée et son orifice est dirigé vers le bas.
On-peut prévoir aussi deux ou plusieurs tuyères
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de ce genre.
Dans le cas de corps volatils, par exemple zinc, sodium ou potassium, le four est combiné avec un refroidisseur 26 dans lequel les gaz de réaction passant par les canaux 8 sont introduits à travers le tuyau 28 tangentiellement de iaanière à produire un mouvement cyclonique. Ce mouvement cyclonique-peut d'ailleurs être amplifié par différents dispositifs appropriés.
Le tuyau 28 part d'un canal circulaire 29 avec lequel les extrémités supérieures des canaux verticaux 8 communiquent, La partie inférieure du condenseur cylindriques 26 est protégea: sur une certaine hauteur a aussi parfaitement que possible contre la déperdition de chaleur ou même réchauffée. A une certaine hauteur de cette paroi calorifugée est aménagé l'orifice d'entrée tangentiel 30 du tuyau collecteur 28 et la partie située en dessous de cet orifice constitue normalement le récipient ou s'amasse le produit condensé qui peut être évacué par un orifice 31 prévu à l'extrémité la plus basse du condenseur 26.
La partie supérieure du dit condenseur est constituée par un réfrigérant à action progressive c'est-à-dire par un faisceau de tubes 32 traversés en série par de l'eau se transformant tout de suite en vapeur sous l'action de la chaleur dans le condenseur; le faisceau tubulaire 32 est protégé à sa moitié inférieure et à l'intérieur du condenseur 26 par une paroi 33 relativement isolante.qui limite la condensation des vapeurs introduites dans le dit condenseur. L'extrémité la plus haute du condenseur est munie d'un orifice 34 qui peut être mis en communication avec un deuxième condenseur servant à compléter et à finir la réfrigération des vapeurs sortant de l'orifice précité du condenseur.
Entre le faisceau tubulaire 32
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et la paroi calorifugée a on peut prévoir dans la paroi du condenseur 26 une ou plusieurs rainures circulaires 35 servant à recueillir des produits se condensant dans cette zone du condenseur et pouvant être évacués par les trous 36 partant des rainures 35.
Le four à cuve montré dans le dessin peut être utilisé pour effectuer des réductions ou des autres réactions les plus diverses. Par exemple, pour l'appliquer à l'extraction du zinc de son oxyde en employant l'oxygène comme comburant, on procède de la façon suivante. Avant d'être chargé de la matière à traiter, le four est porté à une température. voisine de- son régime au moyen des canaux de préchauffage 9 et 14 en alimentant par des gaz de chauffage ces canaux.
Alors, le cylindre de charbon 3 est rempli de charbon à travers la trémie 17 jusqu'au dessus du nez de la tuyère 25 et cette masse de charbon 37 est en quantité suffisante pour assurer la mise en température de marche de l'ensemble du four.Le reste de l'espace disponible à l'intérieur du cylindre de charbon jusque y compris la trémie 17 est rempli d'un mélange 38 en quantité prédéterminée d'oxyde de zinc et de charbon. Maintenant, le surpresseur 23 et l'extracteur sont progressivement amenés à leur vitesse de régime-. Le compresseur 23 introduit de l'oxygène pur sous pression par la tuyère; 25 dans la masse charbon 37 et l'extracteur produit une dépression dans l'espace supérieur du four.
Le rôle de l'extracteur susdit est de dériver une partie du courant gazeux engendré par la combustion du. carbone dans l'enceinte du four à hauteur de la tuyère 25.
La proportion de gaz dérivée vers le haut doit être telle
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que le charbon et la charge d'oxyde de zinc soient portés à la température maximum compatible avec une volatilisation relativement faible de l'oxyde de zinc. Cet oxyde volatilisé est entièrement retenu par le charbon et l'oxyde granuleux froid sous forme d'un enduit superficiel qui est favorable au processus par le fait qu'il protège, au moins dans la zône à température moyenne, le charbon de l'action du C02 dont il empêche la réduction.
Cette zone chaude située immédiatement au-dessus de la tuyère 25, est de faible épaisseur par le fait que la température très élevée de la petite quantité de gaz est rapidement absorbée par le carbone, parce que la chute de tempéra bure est telle que les gaz se trouvent très vite en dehors des conditions d'équilibre définies par Boudouard. Cette zône fonctionne comme accumulatrice de chaleur sous forme de chaleurs spécifiques, avec le genre de combustion le plus favorable, c'est-àdire avec combustion CO2 pour la plus grande partie,
Ce système de chauffage fait que, quand l'oxyde de zinc n'est pas pur, les stériles ainsi que les cendres du charbon sont pourvues de la chaleur nécessaire à leur liquéfaction et par conséquent à leur élimination sans dépendre de la zone inférieure située en dessous de la tuyère 25.
Par ce fait aussi, la présence de stériles ne provoque pas la dilution de la vapeur de zinc par les gaz de la combustion. L'élimination de l'eau d'humidification et de l'eau de constitution souvent très tenance ainsi que des hydrocarbures volatils et des substances analogues est entièrement assurée:.
Le rêvetemnt 3 est peu attaqué par le fait qu'un écartement suffisant par rapport à la tuyère 25 est prévu pour que le C02 de la combustion soit réduit en CO avant de l'atteindre. En
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prévoyant une épaisseur suffisante de ce garnissage 3, les conditions ci-dessus prévues se produisent automatiquement parce que le dit garnissage se creuse jusqu'à la limite CO.
La marche normale le corrode en lui donnant une forme conique, la grande base tournée vers le bas, ce qui fait que les matières fluides qui ont tendance à suivre la verticale s'éloignent de plus en plus. Le degré d'usure de la partie inférieure règle la vitesse de descente du tube continu.
La matière préparée dans la zône supérieure à la tuyère passe automatiquement par la continuité du processus dans le courant de gaz descendant qui, du fait de la combustion propre à cette zône, est très rapidement portée à une température telle que l'oxyde de zinc est en majeure partie volatilisé. Pour modifier à volonté l'allure des deux zones, on peut employer une variation relative des vitesses du surpresseur 23 et de l'extracteur 22.
Sur quelques centimètres de profondeur de la zône inférieure le C02 est réduit intégralement en CO. Dans ces conditions de température le ZnO peut subir la réduction directe dans un temps infinitésimal, l'existence de la phase intermédiaire CO + ZnO = C02 + Zn et C02 + C = 2CO, ne pouvant être prise en considération qu'à la limite. La réaction est quantitative à cause de l'excès de charbon constitué par la masse 37. L'épaisseur de la couche de charbon au-dessous de la tuyère 25 est choisie telle qu'une certaine partie de la hauteur est réservée pour le contrôle de la réaction lorsque celle-ci est déjà terminée.
Dans ces conditions le gaz CO et la vapeur de zinc sont seuls présents, à la partie inférieure du tube;de char-
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bon 3 et la température de ce gaz est prédéterminée par la somme ZnO + stériles + charbon de la charge et donc variable avec ce rapport. La composition des gaz comprend en moyenne un volume de vapeur de zinc et quatre volumes de CO. La température et par conséquent la marche du four est surveillée par un pyromètre placé à l'entrée du condenseur 26 une élévation de température indiquant une déficience de ZnO.
Le mélange des vapeurs de zinc et du gaz CO remonte par les canaux 8 en cédant une partie de sa chaleur sensible et de surchauffe aux parois, de sorte que. la perte par la conductibilité du cylindre de charbon 3 en est diminuée. Ensuite les gaz et les vapeurs sont colLectés par le canal circulaire 29 et dirigés par le tuyau 28 vers le condenseur 26 où ils entrent par l'orifice tangentiel 30 qui leur impose un mouvement cyclonique dans le condenseur.
Par suite de ce mouvement. cyclonique, les gaz et les vapeurs sont refroidis systématiquement et progressivement au contact de la paroi du condenseur 26 et, quand la tension partielle, par exemple de la vapeur du métal est telle que ce dernier se déposerai en poussière, l'effet cyclonique tend à la séparer de sa suspension gazeuse et le rétrograde vers une zône plus chaude où. le point de rosée normalement existant permet l'accroissement en volume et la fusion des fines particules.
Le même rôle de condensation est joué par le condenseur 26 quand par exemple le métal traverse une zône ou un point d'inversion.c'est-à-dire un point à une température environ de 350 à 5000 C peut se manifester et oxyder superficiellement, les particules métalliques qui, alors, par leur rétrogradation vers une zône plus chaude et éminemment réductrice perdent leur oxyde superficiel et rentrent dans le processus normal.
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Dans la zône inférieure du condenseur 26 entourée de la paroi calorifuge a il existe une température environ de 1100 C et le mélange des gaz et vapeurs arrivant dans cette zône par l'orifice tangentiel 30 subit dans cet espace un premier refroidissement. Dans la partie en-dessous du dit orifice s'amasse normalement le zinc condensé. Dans certains cas le zinc peut devoir être recueilli en continu lors de sa condensation.
Dans la zone entourée de la paroi isolante 33 il y a une température environ de 700 C et dans la zône entourée de la partie du faisceau tubulaire en-dessus de la paroi isolante précitée, la température tombe à 500 ou à 350 et les gaz sortent à cette température par l'orifice 34 du condenseur 26. Le rôle de la partie isolante 33 du réfrigérant constitué par les tubes 32 est le suivant: le zinc ruisselant sur la paroi 33 atteint la zône où les gaz et les vapeurs sont à l'état de surchauffe. Il est partiellement revaporisé jus qu'à atteindre le point de rosée.. Ceci se fait en augmentant la teneur relative en vapeur de zinc.
Dans ces conditions la faible quantité de zinc en poussières se formant dans la partie supérieure de la zône formée par le faisceau tubulaire 32 retombe dans une atmosphère saturée, ce qui provoque; par condensation superficielle à la surface des particules poussiéreuses leur augmentation, en volume et permet par conséquent la réunion en gouttes séparables. Cet effet peut être amplifié de façon à permettre une certaine réduction d'oxydes ce qui peut être atteint au mieux en éliminant une partie: du zinc condensé qui ruissele sur la paroi isolante 33 et s'amasse dans les rainures 35, par les trous 36 de la paroi du
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condenseur.
Le processus de condensation réalisé par le condenseur admet une faible teneur en C02 sans réoxydation et cette teneur en CO2 présente la possibilité de réduction dans la zône de surchauffe. En outre, par le refroidissement graduellement conduit et réglable en présence d'une matière très dispersée, la pression partielle des constituants du minerai à traiter se manifeste et se maintient avec une importance accrue par la présence rendue possible d'une atmosphère- gazeuse relativement considérable dans le condenseur d'où résulte une importante rectification du condensat liquide. La fin de réfrigération peut s'effectuer pour les gaz et vapeurs quittant le condenseur, dans un condenseur séparé dans les mêmes conditions que dans le condenseur 26.
REVENDICATIONS.
1. Procédé servant à effectuer des réductions ou d'autres réactions par combustion du carbone caractérisé é par.le fait que le courant gazeux résultant de cette combustion est dirigé en tout ou en partie en équicourant avec les matières à traiter.