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PROCEDE POUR REALISER, ENTRE UN LIQUIDE ET AU MOINS UNE SUBSTAN-
CE SOLIDE OU LIQUIDE, DES REACTIONS CONTINUES.
L'invention se rapporte à un de ces procédés dans lesquels on exécute, entre un liquide et au moins une substance solide ou liquide, des réactions continues, et elle perfectionne le groupe de ces procédés dans lequel, par la réaction ou par suite de la réaction, on engendre ou on maintient, outre un gaz, un liquide ou de la vapeur.
Le nouveau procédé repose sur la constatation que des
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substances solides ne peuvent jamais réagir l'une sur l'autre que par de petites fractions de surface et que, par contre, la vitesse de réaction augmente considérablenent lorsque des substances liquides et/ou gazeuses réagissent avec des substances solides ou liquides. De telles réactions avec libération de gaz, en particulier celles qui ont lieu à température élevée, ont généralement une très grande vitesse de réaction au début. Jusqu'à présent on ne pouvait pas, en général, réaliser techniquement et encore moins maintenir ces vitesses.
Hotamment, lorsqu'on versait le réactif liquide sur la, matière solide ou lorsqu'on introduisait par agitation cette matière à l'état de poudre à surface très développée dans le liquide, il se produisait très vite, en raison de la grande vitesse de réaction, des quantités extraordinairement grandes de gaz, car leur volume était souvent plusieurs milliers de fois supérieur à celui de la matière de départ solide ou liquide. De ce fait, ce gaz enveloppe immédiatement complètement la matière, par exemple par une formation intense de mousse, ou il éparpille, en le faisant bouillonner à la façon d'une explosion, le liquide environnant.
Abstraction faite de la difficulté de maîtriser quantitativement un tel genre de réaction, celle-ci entraine une chute verticale de la vitesse de réaction et, par suite, un renchérissement du point de vue économique. L'enveloppement général par le gaz ou pa,r le produit de la, réaction signifie notamment plus ou moins l'établissement d'un équilibre entre les corps participait à la réaction. Mais la, vitesse de réaction n'est grande que lorsque l'établissement d'états d'équilibre est constamment empêché dans la réaction et que les produits de la réaction sont éloignés immé- diatement de faon que la, condition originelle pour la réac-
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tion, à savoir l'existence de nouvelles substances et de nouvelles surfaces, soit toujours existante.
Par exemple, il se produit également une diminution non économique de la vitesse de réaction lorsqu'une substance solide réagit avec un liquide à l'intérieur d'une bulle de gaz et que celle-ci perd de son "activité" au point de contact, par séparation des matières participant à la réaction, sans pouvoir les remplacer constamment et rapidement et les maintenir par une combinaison convenable avec une massemère en fusion. Dans de tels cas, la réaction devient sensiblement plus lente et le plus souvent s'arrête bientôt complètement jusqu'à ce que, par exemple, la bulle se soit dissoute et que le grain soit venu en contact avec du liquide frais, nouveau.
Ces obstacles peuvent être écartés lorsque les grains de la matière solide réagissent tout en nageant librement à la surface du liquide. Dans ce cas on peut utiliser complètement la grande vitesse de réaction parce que : le gaz, qui se forme sous un grand volume, peut s'é- chapper sans obstacles, facilement et sans former de bulles, et que les autres produits de la réaction engendrés sont dissous immédiatement dans le liquide, s'ils sont solubles, descendent au fond du liquide s'ils sont insolubles et plus denses, ou sont entrainés sur la surface par le souffle des gaz s'ils sont insolubles et moins denses que ce liquide.
Par une grosseur de grains appropriée et par une amenée convenable de la matière, on obtient le résultat que tous les produits de réaction sont écartés immédiatement du
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siège de la. réaction, qu' au point de contact entre le corps solide et le liquide, ceux-ci restent toujours également loin de l'équilibre chimique, que la vitesse de réaction reste toujours égale et très Grande et que, par conséquent, cette vitesse peut être complètement utilisée.
Le nouveau procédé consiste par conséquent en ce que, sur un liquide qui participeà la réaction et qui est un produit de réaction, on forme une surface ou un "miroir" et qu'en n'amenant des grains et/ou des gouttelettes qu'à la, surface, on maintient ce "miroir". Les réactions proprement dites ont donc lieu, conformément à l'invention, exclusivement à la surface de ce "miroir" liquide. Bien qu'à cette réaction presque exclusivement superficielle ne participe jamais qu'une petite fraction des quantités usuelles par ailleurs pour ces procédés, la réaction s'accomplit avec une extrême rapidité da,ns l'unitéde temps, presque sous la. forme d'une explosion, et elle atteint le plus souvent des valeurs beaucoup plus élevées que celles connues jusqu'à présent.
En raison de la surface libre, il ne se produit notamment pas de perturbations ni d'engorgement dûs à la pression des gaz. Lorsque, suivant l'invention, un grain de minerai tombe par exemple sur la surface d'un bain de fusion renfermant du carbone à l'état liquide, il se produit immédiatement, par combinaison avec l'oxygène du minerai et par suite de la grande tendance à l'expansion, un vent d'oxyde de carbone. Celui-ci souffle sur la surface du grain et le chasse pour ainsi dire, tout en le faisant tournoyer, grâce à quoi non seulement une nouvelle partie de surface de grain vient en contact avec le bain, mais du
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bain frais coule aussi vers le siège de la réaction.
La rupture d'équilibre physico-chimique existant primitivement au moment du contact du grain, se maintient par conséquent automatiquement, suivant l'invention, par l'enlèvement continuel des produits de la réaction.
Le nouveau procédé est fondé du point de vue technologique d'abord sur ce qu'une surface du liquide est, suivant les lois élémentaires de l'hydro-dynamique, supportée par le liquide sous-jacent, écartée et renouvelée, ensuite sur le fait que le liquide fait toujours apport de sa chaleur à cette surface et en outre sur celui que les corps participant à la réaction, par exemple le carbone ou le fer, traversent rapidement cette surface par diffusion pour se rendre aux sièges de la réaction ou pour s'en écarter.
Tout ceci s'applique aussi bien au cas d'un "miroir" sur un liquide homogène qu'à celui d'un "miroir" liquide qui se produit, par exemple par réaction, sur un liquide d'une autre nature.
La figure 1 du dessin annexé représente schématiquement et à titre d'exemple un mode de mise en oeuvre de la présente invention. Un petit grain de minerai, qui pourrait également être une gouttelette, est tombée sur la surface d'un bain de fonte, par exemple à teneur élevée en carbone.
Le bain renferme donc, outre le fer à l'état d'élément, du carbone à l'état liquide. Le petit grain de minerai emprunte aussitôt à la surface du bain, au point de contact, la quantité de carbone nécessaire pour sa réduction. Ce carbone produit de l'oxyde de carbone qui s'échappe librement vers le haut sous un volume considérable. Le vent d'oxyde de carbone ainsi formé fait tournoyer d'un coté à l'autre
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le petit grain -le minerai à la, surface du liquide, tandis que le bain usagé tourbillonne da.ns tous les sens dans cette surface et que du bain nouveau monte, au milieu, audessous du grain.
Il reste à la surface du bain une quantité correspondante de fer réduit à partir du grain de mi- nerai qui tournoie et devient plus petit, cette petite quantité de fer descendait de la surface vers le fond et étant remplacée aussitôt par du fer frais, contenant du carbone, et la quantité de chaleur nécessaire pour la réaction.
La figure 2 du dessin annexé représente l'utilisation d'un four à induction 1, déjà connu, pour la, mise en oeuvre du présent procédé. Sous l'action de la bobine d'induction 2, la surface 3 du bain acquiert des mouvements dans la direction des flèches, de sorte que cette surface se déplace en coulant essentiellement à partir des bords, dans le sens de ces flèches, vers le trop plein 4 disposé au centre.
Lorsqu'on répand, au moyen du sas rotatif d'amenée 5, des grains de minerai sur la surface 3, par exemple à sa périphérie, l'opération qui vient d'être décrite s'accomplit.
Sous l'influence de la chaleur et de la. teneur du bain en carbone à l'état liquide, ce carbone réduit le minerai à la surface du bain. L'oxyde de carbone qui se forme s'écoule librement sans résistance, par la sortie6des gaz pour être utilisé ailleurs. Le fer devenu libre passe, à l'état liquide, dans le bain. Le grain de minerai tournoie, tout en diminuant de grosseur d'une manière correspondante, sous l'influence du vent produit par les gaz et de l'écoulement de la surface du bain vers le trop-plein 4. La réaction s'accomplit si vite que les constituants des scories du minerai ne doivent pas se fondre, mais qu'ils forment, à
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la condition d'une composition correcte (par exemple d'une teneur suffisamment élevée en chaux) des scories dites "sèches".
Au regard des procédés connus, cela constitue dans la réduction du fer une caractéristique du présent procédé, en ce que la surface du bain doit toujours être libre pour recevoir de nouveaux grains de minerai et ne peut donc pas être recouverte de scories liquides. D'autre part, ces scories "sèches" ne s'émulsionnent pas avec le bain, mais s'écoulent en même temps que celui-ci par le trop-plein 4. On peut par exemple les recueillir séparément, au moyen de l'embranchement 8 pour les scories, dans le réservoir à scories 13, tandis qu'on recueille le bain provenant du minerai, en le faisant passer éventuellement par un filtre 9, dans un réservoir intermédiaire 10, chaufféau besoin, pour le soutirer de là, sous la forme d'un jet 11, dans la poche de coulée 12.
Le carbone nécessaire par exemple pour la réduction est ajouté par le dispositif d'amenée 5 d'une façon analogue à celle de l'amenée du minerai. La grosseur du grain de minerai est déterminée par la vitesse de son déplacement sur la surface du bain qui peut être également mise en mouvement, par exemple mécaniquement, et par la nécessité de maintenir une surface redevenant toujours libre sur laquelle on puisse répandre des grains frais. Les scories sèches forment ainsi en quelque sorte une poudre fine à coté du grain de minerai, de sorte qu'on peut l'enlever également par des moyens convenables, par exemple par un effet de soufflage ou de succion.
La grosseur du grain ou des gouttelettes de la matière à traiter à la surface du bain peut évidemment varier entre des limites fort écartées ; la matière peut par exemple
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être en poudre, en grains de un à deux millimètres en moyen- ne, ou encore à l'état de petits fragments un peu plus gros.
En tous cas, la grosseur - qu' on doit déterminer en parti- culier par des essais préalables et qui doit également s'a- dapter à l'activité chimique du minerai - doit permettre une bonne évacuation des gaz et éviter une immersion dans le liquide. La grosseur du grain doit aussi correspondre à la nécessité d'une réduction continue, plus ou moins à la périphérie de la surface du bain qui s'écoule, de maniè- re que le grain de minerai soit complètement réduit à son arrivée au trop-plein, alors que le grain de minerai pré- cédent vient de faire place au nouveau, au point de son amenée.
On peut seconder la réaction ou l'évacuation des gaz en aspirant les gaz formés, c' est à dire en travaillant à pression réduite. Hais on peut aussi, lorsque le dégage- ment de gaz est fort, travailler avec une certaine surpres- sion et empêcher ainsi l'accès de gaz étrangers nuisibles à la surface du bain.
On peut activer la, réaction à la, surface du bain en introduisait, en même temps qu'un mélange à soumettre à la réaction, un catalyseur qui agit soit sur la, tension super- ficielle, soit sur la viscosité de la substance soumise à la réaction ou du liquide. De telles manières sont, par exemple, un oxyde alcalico-terreux ou de la, chaux pour les bains métallurgiques, ou bien l'alcool octylique dans le cas d'un liquide aqueux.
On peut travailler ainsi continuellement avec un ren- dement économique très élevé en maintenant les caractéris- tiques de l'invention, c' est à dire en maintenant la surface libre du bain couverte continuellement par des grains ou @
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des gouttelettes, qui réagissent constamment les uns à coté des autres et qui ne se gênent pas réciproquement, et par des scories "sèches" convenables, grains, gouttelettes et scories dont le déplacement engendre toujours des surfaces libres, pour qu'on puisse y répandre des nouveaux grains, tandis que le gaz engendré par la réaction s'échappe librement, par le haut, sans en être empêehé par le bain ou sans le faire bouillonner.
L'apport, à la surface du bain, de la chaleur nécessaire pour la réaction peut avoir lieu, suivant les besoins, au. moyen des dispositifs les plus divers, par exemple par chauffageà l'aide de foursà induction, par le chauffage à l'arc électrique, par le chauffage intérieur ou extérieur au gaz, etc.
Le procédé peut trouver des applications à de nombreuses opérations de production métallurgique et chimique.
L'avantage du maintien d'une grande vitesse de réaction est sa caractéristique générale. Des essais ont démontré par exemple qu'un grain de minerai de 2 mm. de diamètre n'exige par ce procédé que cing secondes, et qu'un grain de 1,2 mm. de diamètre n'exige qu'une seconde et demi pour être réduit complètement. L'importance économique du procédé objet de l'invention, découle du fait que les gaz produits par la réaction suivant ce procédé peuvent être recueillis directement et sans mélange avec des gaz étrangers et peuvent donc être utilisés, et que, d'autre part, compte tenu de la rapidité avec laquelle se produit la réaction, comparativement à d'autres procédés de chauffage connus, une dépense supplémentaire @ de chaleur n'est. pas nécessaire.
Cela permet de travailler, par ce procédé, d'une façon continue et avec la meilleure utilisation de la chaleur et de
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la matière, à des vitesses de réaction qui n'étaient guère connues jusqu'à présent dans ces domaines et d'approcher par conséquent, dans ces domaines, de très près de la con- sommation théorique d'énergie et de matière.
A coté de la production de fonte ou d'acier à partir de leurs minerais, par exemple suivant la. formule
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le procédé est capable (toujours pourvu qu'on évite autant que possible l'établissement d'un état d'équilibre) de diminuer la teneur en carbone, lorsqu'on projette graduellement des minerais à réduire à la surface du bain, et de produire, immédiatement ensuite, de l'acier. Le fait qu'on ne doit pas employer de scories liquides cet effet, mais que du minerai pur réagit toujours avec le carbone qu'il s'agitd'éliminer et qui se trouve dans le bain de fer, permet de réduire très considérablement et 'le régler la teneur du bain en carbone.
Liais on peut employer aussi, avec avantage, le présent procédé par exemple pour la. production d'alliages d'acier.
Lorsqu'on répand sur la surface d'un métal conne le fer, un minerai d'un autre métal, ce dernier, que le carbone du bain extrait du minerai par réduction, s'allie au métal originel du bain.
On peut donc produire directement de tels alliages à partir du minerai du métal d'alliage. Lorsqu'on répand par exemple sur un bain de fer, à la façon décrite, de l'oxyde de tungstène, le tungstène formé passe immédiatement dans le fer liquide tout en formant d'une façon correspondante de l'oxyde de carbone, d'après la formule
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En outre, ces procédés d'alliage peuvent être exécutés également à une très petite échelle, avec un résultat certain ainsi qu'avec une grande pureté.
Lorsqu'on fond, par exemple, 550 Gr. de fonte ne contenant pas de tungstène, pour en faire un bain qui présente une surface convenable, et lorsqu'on amène sur cette surface 225 gr; de tungstate de fer et de manganèse WO4(Fe,Mn) - mélangé, suivant la capacité d'absorption de la surface, avec 100 gr. environ de coke, on obtient, par exemple, 575 gr. d'acier contenant 12,73% de tungstène.
Ce procécé à réaction rapide permet aussi de produire d'une façon très économique des aciers combinés et cela aussi directement à partir de leurs minerais. Il importe toutefois à cet effet d'amener les minerais des métaux d'alliages dans l'ordre de leur affinité pour l'oxygène, de manière que cette affinité augmente toujours pour le métal d'alliage immédiatement suivant, afin que le métal déjà réduit n'absorbe pas l'oxygène du minerai suivant, ne s'oxyde de cette façon et ne se perde dans les scories.
On a fondu par exemple 700 gr. de fonte. Sur la surface de son bain, on a déposé', conformément à l'invention, 400 gr. de wolframite mélangés avec 137 gr. de coke. ,Après que les grains de ce mélange eurent réagi .complètement, on a répandu en outre sur la surface du bain 140 gr. de chromite. Le bloc final pesait 770 gr.; il contenait
18,90 % de tungstène
4,23 % de chrome et
0,25 % de carbone, et constituait par conséquent un alliage très susceptible d'emploi comme acier rapide qui, après la désoxydation
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ordinaire, se laisse aussi forger et tremper comme les aciers rapides.
On peut, suivant l'invention, exécuter des opérations métallurgiques, telles que la. décarburation précitée, la déphosphoration, la, désulfuration, etc., non seulement très rapidement et très économiquement, mais aussi avec un résultat certain, en observant la, caractéristique de l'invention :le maintien aussi parfait que possible d'une tension de réaction entre los corps qui doivent entrer en combinaison pour réaliser cette réaction.
Le procédé peut en outre être appliqué à la production du cuivre ou de l'étain, par exemple d'après les formules suivantes
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Les matières indiquées à gauche du signe de la réaction da.ns les formules précitées, sont répa.rties sous la grosseur de grain appropriée sur un bain de cuivre ou d'étain. L'opération se produità la, façon indiquée : outre l'oxyde de carbone et l'anhydride sulfureux qui s'échappent à l'état de gaz, il se forme soit du cuivre, soit de l'étain qui se dissolvent dans le bain.
On peut appliquer également le procédé objet de l'invention pour la production de métaux à 1'état de vapeur, en réduisant le minerai du métal en question à la surface d'un autre métal qui ne s'allie pas avec le premier. On peut répandre par exemple de l'oxyde de zinc à la, surface d'un bain de fer dans lequel du carbone est dissous ou au-
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quel on ajoute du carbone, et on obtient la réaction
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suivant laquelle le zinc est entraîné à l'état de vapeur avec l'oxyde de carbone et est condensé ensuite.
Mais l'invention peut tre appliquée aussi avec avantage à la décomposition de minerais complexes, du fait par exemple qu'un minerai, renfermant du cuivre et du zinc, répandu sur un bain de fer abandonne par en haut sous la forme de vapeur, en compagnie de l'oxyde de carbone, le zinc qu'il contient, tandis qu'il abandonne, à l'état liquide, au bain de fer le cuivre qu'il renferme, pour former un alliage de fer et cuivre dont on peut régler la composition d'une manière convenable.
Toutefois l'invention peut trouver des applications également dans l'industrie organique et chimique. C'est ainsi qu'en maintenant les caractéristiques de l'invention, on obtient des réactions plus rapides dans les procédés suivants :
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Dans ces procédés, le premier terme à gauche du signe de la, réaction est le liquide sur lequel le deuxième tenue à gauche de ce signe est amené sous la. forme d'une matière finement divisée. Le premier corps se trouvant à droite du signe de la réaction est la substance engendrée, qui se dissout dans le liquide et le deuxièrae ou les deuxième et troisième corps à droite de signe sont les gaz qui se dégagent librement au cours de l'opération.
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L'invention peut être rpiliquce édi lei>ient ppr exemple à la production de l'hydrogène suivant la formule suivante
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Ici Gaiement, on répand l'aluminium à l'état de pou- dre ou ,le copeaux fins sur le bain d'hydroxyde de sodium.
Revendications.
1.- Procédé pour réaliser, entre un liquide et au moins une substance solide ou liquide, des réactions continues da.ns lesquelles on engendre ou on maintient outre un gaz; essentiellement un liquide, caractérisé en ce qu'on amène à la surface ou au "miroir" du liquide des grains si fins et/ou des gouttelettes si petites, en quantité telle qu'ils sont supportés par la surface du liquide et qu'ils réagis- sent avec elle à leurs points de contnct, tout en mainte- na,nt la surface ou "miroir" du liquide.