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La présente invention a pour objet la. décompo- sition ou séparation des composés d'un amalgame dilué de métal alcalin.
On sait que les cellules à cathode de mercure permettent la réalisation d'un procédé extrêmement effi- cace pour former des amalgames de métaux alcalins par dépôt des cations métalliques de sel ionisé à partir des solutions aqueuses. Dans ces opérations, le produit cathodique est un amalgame très dilué de sodium, à une concentration sensiblement inférieure à 1% en poids et habituellement de l'ordre de 0,2 % environ à, 0,3 % envi- ron en poids dans le cas du sodium. En raison de cette concentration extrêmement faible, le produit cathodique formé dans ces cellules a été utilisé jusqu'à présent seulement dans les réactions ultérieures avec des liqui- des aqueux pour former une solution caustique aqueuse de qualité supérieure.
Malheureusement les avantages économiques inhérents à l'électrolyse ne sont pas réali- sables lorsqu'on désire avoir, comme produit final, du sodium ou une fraction riche en sodium. En conséquence, on a besoin d'une méthode économique et pratique pour décomposer ou séparer ces amalgames dilués en deux cou- rants dont l'un a une haute teneur en métal alcalin et dont l'autre a une haute concentration en mercure et est susceptible d'être recyclé vers l'opération d'élec- trolyse pour le dépôt de quantités supplémentaires de métaux alcalins.
La présente invention a donc pour objet de fournir un procédé nouveau et particulièrement efficace pour réaliser la séparation précédente en un courant riche en sodium et un amalgame sensiblement dépourvu de
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sodiu-
Le présent procédé comprend la vaporisation d'une fraction riche en mercure à partir d'un amalgame f dilué d'alimentation, la chaleur nécessaire à cette va- porisation étant fournie par la liquéfaction du même courant de vapeur riche en mercure après compression à une pression plus élevée. Ce courant comprimé est re- condensé en échangeant de la chaleur indirecte avec le liquide bouillant à partir duquel la fraction riche en mercure est vaporisée.
Ce liquide bouillant donne une fraction riche en sodium qui est retirée de la chambre de vaporisation pour être utilisée ultérieurement et pour être traitée de diverses façons. On peut obtenir le degré d'économie le plus élevé dans les cas prêté- rentiels les plus efficaces en complétant l'opération principale décrite précédemment par d'autres échanges thermiques indirects liquide-liquide, et en outre on fournir fréquemment au système une faible quantité de chaleur directe, comme il sera décrit plus loin, et en particulier au moment du démarrage de l'opération. Le courant riche en sodium peut contenir théoriquement jus- qu'à environ 25 % en poids de sodium.
Toutefois, cette limite n'est pas facilement atteinte pour des raisons pratiques, et en fait, un niveau supérieur pratique de concentration correspond à un enrichissement jusqu'à-en- viron 15 % en poids de sodium. En outre, en pratique, la gamme préférée de concentration du courant de produit riche en sodium est d'environ 3 à 5 % en poids de sodium ce qui correspond, pour un amalgame dalimentation ayant 0,25 % en poids de sodium, à une séparation de 91 % et 95 % respectivement du mercure initialement présent.
En général, on conduit de préférence l'opéra- tion de vaporisation en une seule étape. De plus dans
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un mode de réalisation préféré, on utilise un système entièrement sous pression qui est particulièrement effi- cace, ce qui paraît surprenant. Un autre mode de réali- sation est particulièrement efficace pour des opérations à basse pression et utilise une technique particulière de contact pour obtenir des avantages dé l'opération à haute pression. ,
On peut apprécier plus facilement les détails de l'invention en se référant à la description suivante et au dessin ci-joint sur lequel :
- la figure 1 est un schéma d'une installation typique pour la conduite d'un mode de réalisation préfé- ré du procédé de l'invention; - la figure 2 est une vue schématique partiel- le d'une portion montrant les détails de construction de la chambre de vaporisation qui peut convenir parti- culièrement pour certains modes de réalisation du pro- cédé de l'invention.
Si l'on se réfère à la figure 1, les éléments principaux sont la chambre de vaporisation 11, le com- presseur 21 et le serpentin de transfert thermique 14 disposé à l'intérieur de la chambre de vaporisation 11.
Le vaporiseur 11 peut présenter diverses for- mes comme il sera indiqué en détail plus loin. Dans tous les exemples, un conduit de vapeur 12 est prévu pour évacuer la vapeur de cette chambre vers un compres- seur 21. Un dispositif chauffant supplémentaire 19 est également prévu pour chauffer la charge de liquide du vaporiseur avec de l'énergie électrique si besoin est.
Le compresseur 21 à déplacement positif, ou à for- ce centrifuge augmente la pression de la vapeur, et cet- te vapeur comprimée est déchargée à travers un conduit de vapeur à haute pression 13 qui alimente un serpentin
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de transfert de chaleur ou échangeur 14 positionné à l'intérieur de la chambre de vaporisation 11 de façon à rester en contact avec le liquide à l'intérieur de cette chambre auquel il fournit de'la chaleur. Après avoir transmis de la chaleur au liquide du vaporiseur 11, la vapeur comprimée est condensée dans le serpen- tin et déchargée à travers le conduit de condensat chaud 15.
Dans un mode de réalisation plus efficace du procédé, la chaleur sensible du condensat chaud est utilisée dans un échangeur thermique 31 pour préchauf- fer l'amalgame frais qui alimente l'opération, cet amal- geme frais d'alimentation étant introduit par un con- duit 32 dans l'échangeur thermique 31. Le condensât ainsi refroidi est déchargé par le conduit 33 et peut être recyclé vers l'opération d'électrolyse.
L'amal- game d'alimentation préchauffé, après avoir quitté l'é- changeur thermique 31, passe par le conduit 32 dans un échangeur thermique supplémentaire 17. Un conduit de liquide 16 partant du corps du vaporiseur 11 est prévu pour amener une phase riche en sodium, à la température d'ébullition, depuis le vaporiseur 11 vers l'échangeur thermique dans lequel on fournit un préchauffage supplé- mentaire de l'amalgame d'alimentation. La phase concen- trée riche en sodium ainsi refroidie est retirée de cet échangeur thermique supplémentaire 17 par le con- duit 18 pour être soumise à des opérations ultérieures.
L'exempte suivant qui décrit une opération typique continue permet d'illustrer le procédé de l'in- vention. Cet exemple illustre une opération à basse pression conduite approximativement à une pression de 1 atmosphère environ.
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EXEMPLE
Un amalgame de 2.520.000 parties en poids est introduit à un débit uniforme à travers le conduit d'alimentation 32 dans l'échangeur thermique 31. Cet amalgame contient 0,25 % en poids de sodium. La tempé- rature initiale est la température ambiante d'environ 21 C. Après préchauffage dans l'échangeur thermique 31, l'amalgame est à une température d'environ 360 C.
L'amalgame chauffé passe dans le corps du vaporiseur dans lequel on maintient un amalgame concentré bouillant ayant une concentration de ),5 % en poids de sodium. Le age iseur 11 opère à une température d'ébullition d'en- . viron 401,50 C et à une pression d'environ 1 atmosphère plus une faible pression différentielle nécessaire pour vaincre les frictions de courant de fluide. Le vapori- seur transforme en phase vapeur 2.346.000 parties en poids du mercure, sans aucune vaporisation de sodium.
Le mercure vaporisé passe ensuite par le conduit 12 dans le compresseur 21 où il est amené, par un rapport de compression d'environ 2,5, à une pression absolue de décharge d'environ 2,45 Kg/cm2. Ce mercure comprimé passe ensuite à travers le conduit de l'échangeur ther- mique 14 et se condense à une pression supérieure, et à une température d'environ 705 C. Le mercure liquéfié déchargé à partir du serpentin 14 est en outre sous-re- froidi à environ 4100 C soit environ 8,5 C au-dessus de la température d'ébullition de l'amalgame dans le vapo- riseur 11. De plus, la chaleur est fournie par le dis- positif chauffant électrique 19.
Après le passage à travers le serpentin échangeur thermique 14 vers le va- poriseur, le condensat est à une température d'environ 4100 C. Ce courant de mercure chaud passe ensuite par
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le conduit 15 dans l'échangeur thermique 31 où sa tem- pérature est réduite à environ 25,6 C.
D'après l'exemple précédent, on voit que l'on a séparé approximativement 93 % du mercure initial de l'amalgame d'alimentation et que la concentration en sodium dans le courant riche en sodium s'est accrue de 16 fois sa valeur, donnant ainsi une matière chimique ayant une concentration convenable en sodium pour être utilisée telle quelle pour fournir du sodium dans les réactions chimiques. Les opérations à des pressions supérieures donnent certains avantages et ne réduisent pas seulement la quantité d'énergie requise pour com- primer la vapeur de mercure, mais également la quantité de chaleur directe qui doit être ajoutée pour compléter l'opération.
Les avantages obtenus en augmentant la pression dans l'opération de vaporisation sont surpre- nants, car il est bien connu que dans tous les systè- mes liquide-vapeur, l'enthalpie de vaporisation décroît lorsque la pression croit. Ainsi, lorsque la pression de décharge du compresseur est supérieure d'environ 4,2 g/cm2 à la pression de vaporisation on doit s'at- tendre à ce que l'enthalpie de vaporisation à la pres- sion supérieure soit sensiblement inférieure à l'enthal- pie de vaporisation du mercure dans le vaporiseur et que l'on doit avoir des surfaces de serpentin de chaùf- fage extrêmement grandes. Ceci doit être considéré comme nécessaire pour permettre la récupération d'une certaine quantité de chaleur sensible du mercure conden- sé.
Effectivement, on a trouvé que les opérations de vaporisation et de condensation à des niveaux de pres- sion supérieurs sont beaucoup plus efficaces et exigent des échanges thermiques relativement plus faibles que
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dans la gamme de basse pression.
D'autres modes de réalisation du procédé de l'invention sont également efficaces et dans certains cas doivent être préférés dans les installations par- ticulières.
Une technique que l'on peut utiliser pour simplifier le problème de compression à des températu- res de sortie supérieures à 6490 C consiste à envoyer le mercure liquide à l'entrée du compresseur en quanti- té non supérieure à celle nécessaire pour enlever la chaleur sensible de la vapeur de mercure de tête se rendnet au compresseur.. Une autre technique que l'on peut utiliser est le refroidissement externe des va- peurs de mercure de tête pour compenser cette chaleur sensible.
On rencontre une restriction du procédé, en particulier dans les opérations en plusieurs étapes, en raison de la densité élevée de l'amalgame d'alimenta- tion et du courant de produit riche en mercure. On a trouvé que dans l'opération de vaporisation, l'ébul- lition se produit effectivement à l'interface du liqui- de et de la surface de l'échangeur thermique.
Si la surface de l'échangeur thermique est submergée à une profondeur appréciable au-dessous du niveau du liquide bouillant, la densité du liquide aboutit en effet à ce que l'étape d'ébullition elle-même ait lieu à une tem- pérature sensiblement supérieure à la température cor- respondant à la pression du mercure vaporisé déchargé du vaporisaur. Ce résultat à son tour réduit la tempé- rature différentielle effective disponible.pour la tranf- mission thermique dans le vaporiseur, On peut remédier à cet inconvénientcomme il est indiqué dans l'exemple,
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en conduisant la vaporisation à une pression élevée de préférence de l'ordre de 6 à 7 kg/cm2.
Dans cet exemple, une profondeur de liquide allant jusqu'à 30 cm au-dessus de la surface d'échange thermique peut être tolérée. On a trouvé que cette profondeur de li- quide à une pression absolue de vaporisation de 7 kg/cm2 réduit la température différentielle moyenne d'environ seulement 2,8 C. Au contraire, lorsque la vaporisa- tion est conduite à peu près à la pression atmosphéri- que, une profondeur de liquide de 30 cm au-dessus de la surface de transmission thermique entraîne une per- te de la température différentielle moyenne de 17 C, soit plus de six fois la perte de température différen- tielle à une pression élevée.
On peut remédier au désavantage ou à la res- triction qui accompagne les opérations à basse pression, au moins en partie, par une technique spéciale qui sup- prime la nécessité d'une accumulation de liquide bouil- lant. A cet effet, on.fait passer un film mobile de liquide bouillent sur la surface de transfert thermique, l'épaisseur du film étant de l'ordre de 2,4 mm ou 1,6 mm ou moins. Un appareillage approprié pour ce mode de réalisation est indiqué à la figure 2.
La figure 2 est une vue en coupe partielle d'une portion d'un vaporiseur type pour réaliser la va- porisation d'un film mince de liquide. Dans cet exemple, un tube de transfert thermique 41 est monté dans une plaque tubulaire 42. L'extrémité supérieure 43 du tube de transfert thermique 41 fait saillie au-dessus de la plaque tubulaire 42 et présente de préférence un bord aigu 44 formant un déversoir pour retenir l'amalgame. liquide 45 dans la plaque tubulaire. L'espace 46 défini par la paroi inférieure de la plaque tubulaire 42 et la
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paroi extérieure du tube de transfert thermique 41 con- stitue la chambre de condensation pour la vapeur de mercure comprimée.
En fonctionnement, on fait passer l'amalgame frais d'alimentation dans la masse 45 sur la-plaque tu- bulaire 42 et on le chauffe généralement au voisinage de son point d'ébullition pendant qu'il, est supporté sur ce support. Le liquide déborde ensuite du déver- soir 44 vers l'intérieur du tube de transfert thermique 41 sous forme d'un film mince 47. En s'écoulant vers le bas de la paroi du tube, la quantité désirée de mer- e@re se vpporise de l'amalgame et est déchargée en tête sous forme de vapeur mobile. La fraction liquide riche en sodium s'amasse dans un collecteur approprié en amont du fond du vaporiseur. La chaleur peut être récupérée de façon décrite dans les exemples précédents.
Il apparaît que le processus et les techniques décrits précédemment permettent d'éviter des restric- tions qui s'imposent en raison du désavantage dû à une profondeur substantielle de liquide au-d.essus de la sur- face de transfert thermique. Ainsi, ce mode d'opération est particulièrement avantageux dans les opérations à basse pression et également dans les opérations en plu- sieurs étapes.
Au démarrage des installations du procédé de l'invention, on charge le ou les corps de vaporiseur avec une quantité appropriée d'amalgame qu'on amène jusqu'à la température d'ébullition par chauffage au moyen du dispositif chauffant immergé tel que celui in- diqué à la figure 1. Pendant l'opération continue, on utilise le dispositif chauffant immergé si c'est néces- saire pour établir l'équilibre thermique approprié.