CA1162717A

CA1162717A - Procede perfectionne de maintien en temperature de reacteurs

Info

Publication number: CA1162717A
Application number: CA000350396A
Authority: CA
Inventors: Jean-Francois Gielly; Bernard Sohier; Dominique Lizee
Original assignee: Rhone Poulenc Industries SA
Current assignee: Rhone Poulenc Industries SA
Priority date: 1979-09-26
Filing date: 1980-04-22
Publication date: 1984-02-28
Also published as: AU5754480A; OA06518A; IL61113A; US4317807A; BE882840A; JO1080B1; YU108080A; ZA802228B; FR2465971B1; BR8002450A; FR2465971A1; YU42336B; AU541145B2

Abstract

L'invention décrite a pour objet un procédé permettant de refroidir en continu un réacteur par circulation d'air à la surface du milieu réactionnel provoquant l'entraînement de la vapeur. Selon l'invention, on crée une boucle de circulation d'air comportant le passage sur le réacteur, on traite l'air chargé de vapeur dans un système permettant l'élimination de ladite vapeur et on réintroduit au moins une partie de l'air traité. De préférence on élimine la vapeur grâce à un condenseur. Ce procédé peut être avantageusement appliqué au refroidissement des réacteurs d'attaque phosphorique.

Description

~L16~

La présente invention a pour objet un procédé
perfectionné de maintien en température de réacteurs où une réaction exothermique se produit. Plus particulièrement, l'in-vention s'applique aux réacteurs de grande dimension, dont un exemple est le réacteur servant à l'attaque du phosphate naturel dans la fabrication d'acide phosphorique de voie humide.
On sait en effet que dans cette technique un maintien rigoureux de la température est nëcessaire. On l'obtient dans les tech-niques existantes, soit par une circulation d'une partie de la bouillie réactionnelle, dans un refroidisseur sous vide: c'est ce qui est décrit dans les brevets ~rancais 1.543.753, ou 1.323.087 et 1.534.672; ou encore par mise sous vide du réac-teur, c'est ce qui est décrit dans les brevets Erancais 1.506.968 et 1.506.969, ou encore 1.550.127 et 2.059.670.
En raison des problèmes tec:hniques, de souci d'économie d'énergie, on a choisi une troisième solution qui réalise le refroidissement de tels réactears par une circulation d'air atmosphérique à la surface du milieu réactionnel.
On trouve une définition de cette solution dans l'ou~
vrage de A.V. SLACI~ "Phosphoric Acid" ed. 1968 p. 227 à 231 vol. 1 part. I.
On évite ainsi les inconvénients c~onnus de la pLemière solution ci-dessus, tels queo entartrages, nécessité de lavage périodique, création d'un gradient de température défavorable à une bonne cristallisation, ceux de la deuxième solution ci-dessus, tels que: nécessité d~'une très bonne étanchéité qui cause des problèmes de construction, ou encore importance de plus en plus grande des ins~allations due à la teneur en composés gazeux incondensables. ~
Mais par contre, l'air de refroidissement, qui s'est chargé de vapeur d'eau, de gaz carbonique, de fluor etc ainsi que décrit p 745 de l'ouvrage de A.V. SLACK cité plus ,r~

haut, est traité avant son rejet à l'atmosphère. Le traitement demande des investissements dûs aux débits importants et aussi à la nécessité d'une épuration poussée, ce qui peut imposer plusieurs appareils, cause d'une dépense d'énergie et, par le rejet de gaz encore chauds, d'une perte de calories.
La présente invention permet de perfectionner le traitement de l'air de refroidissement.
On s'est aper~u qu'une partie importante de l'air ayant servi à l'entraînement de la vapeur, pourrait etre réuti-lisé. On diminue ainsi d'une manière importante, le volume degaz traité avant d'être rejeté à l'atmosphère, et partant les investissements et les dépenses d'énergie.
Le procédé de l'invention permet de refroidir en continu, un réacteur par circulation d'air à la surface du milieu réactionnel permettant l'entraînement: et l'élimination de vapeur.
Selon l'invention, on crée une boucle de recirculatlon d'air comportant le pas~sage sur le reacteur, grace à quoi l'air atteint une température voisine de la temperature de la réaction et se sature de vapeur. Ensuite, on traite l'air chargé de vapeur dans un système permettant l'élimination de la vapeur hors de la circulation et on réintroduit au moins une partie de l'air traité à la surface du réacteur, où il se charge de nouveau de vapeur. On rejette enfin la partie d'air restante à l'atmosphère. ~-Pour réintroduire l'air traité à la surface du réacteur on peu adjoindre le circuit d'air traité à une arrivée d'air frais, généralement prélevée à llatmosphère, de manière à
compléter le débit nécessaire.
- 30 On peut également traiter la partie d'air restante au moyen d'une épuration et d'un reEroidissement avant son rejet à l'atmosphère.

2~
... .

On peut enfin réaliser l'éllmination de la vapeur hors de la circulation par tout procédé en soi connu.
Dans un mode préféré de réalisation de l'invention, on réalise l'élimination de la vapeur au moyen d'un appareil condenseur. Le condenseur a pour deuxième fonction de refroidir l'air sortant. L'air sortant du condenseur est saturé mais à
une température nettement inférieure à la température des gaz sor-tant du réacteur; il contient donc beaucoup moins de vapeur et est capable de se charger de vapeur au pas-sage sur le réacteur.

La quantité de vapeur dont il peut se charger est fixée par la saturation à la température du réacteur, on en verra plus loin un exemple.
On divise l'air sortant du condenseur. La quantité
prélevée pour le recyclage est d'autant plus élevée que le condenseur est plus efficace. On règle les débits respectifs par tout moyen en soi connu.
On préfère généralement mettre en oeuvre, notamment dans la fabrication phosphorique, un condenseur à mélange arrosé à l'eau, de tout type connu, à co-courant ou à contre courant. On met en oeuvre de préférence un appareil à contre courant.
On choisit avec avantage une colonne cyclonique vide sans recirculation de liquide.
On élimine ensemble les eaux dlarrosage et la vapeur condensée.

.
Or. alimente le condenseur choisi grace à de l'eau. Le débit de l'eau d'arrosage et sa température sont des facteurs qui agissent sur l'efficacité du condenseur, étant bien entendu que la température basse et les débits élevés sont ~avorables à la condensation.

L'air sortant du réacteur contient des composés incon-densables; c'est ainsi que les gaz émis par la décomposition ~ æ7$7 :
des minerais de phosphate contiennent souvent de l'anhydride carbonique provenant de gangue carbonatée, en quantité variable selon l'origine du phosphate. On évite l'accumulation de ces composés par le rejet à l'atmosphère d'une partie de l'air de refroidissement.
La plus grande partie des impuretés gazeuses provenant des minerais de phosphate est constituée par les composés fluo-rés. Dans un condenseur ces composés sont mis au contact d'eau, et de ce fait, sont en grande partie solubilisés et écartés dans la solution de lavage. Le condenseur a donc une troisième fonction qui est une fonction d'épuration.
Le taux de recyclage de l'air dépend donc aussi de la ?
teneur en composés incodensables et en composés Eluorés présents clans le mélange gazeux émis par le réacteur d'attaque phospho- `
rique. Il dépend aussi de l'efficacité du condenseur comme on l'a dit, et aussi de la possibilité de disposer de su~Eisamment d'eau Eroide~

Selon les cas l'eau disponible est fournie~par:
.
~ l'eau`d'épandage (dont l'ouvrage A.V. SLACK, déjà cite, donne ~
: . .
une description p 727`à 731), l'eau de rivière, ou en général, toute eau pouvant etre reEroidie à part et réintroduite dans 'installatlon.
Dans tous~les cas, l'élimination de la vapeur par condensation et/ou par arrosage, s'accompagne d'une épuration .
des gaz, les;composés solublès étant partiellement éliminés ~ ~ `
: . ~ , .
avec l'eau condensée.
- ` Les ga~ quittant le condenseur et non rec;lrculés sont ~
rejetés à l'atmosphère après un lavage qui perme-t par une ` ~ `-épuration supplémentaire, de respecter les normes courantes.
On réalise le lavage dans tout appareil en soi connu, comme une colonne garnie, ou encore une colonne cyclonique vide alimentée à l'eau avec ou sans recyclage. Les gaz qui . . . . . - , " .

~L~6Z7~t7 sor-tent de ce lavage final profitent d'un refroidissement supplémentaire.
Les eaux sortant du condenseur et du laveur final sont utilisées dans une autre partie de~l'installation avec des avantages décrits plus loin. Les impuretés solubilisées ou entraînées ne produisent pas d'inconvénients.
Une installation de fabrication d'acide phosphorique comportel d'une manière classique, un réacteur ou un système de réaction d'attaque et un système de filtration et de lavage, généralement sous vide.
Dans une telle installation l'eau nécessaire est cons-tituée par:
- l'eau dite "de procédé"l ùkilisée au lavage métho-dique d~! gâteau de sulfate de calcium; on sait qu'll Eaut de préférencel utiliser de l'eau chaude - par l'eau de repulpa~e du gypse - par l'eau du condenseur de la pompe à vide clu Eiltre - par l'eau de refroidissernent des appareils (ventila-teur~, pompe à vide du filtre).
~ On peut classer cette eau nécessaire en trois parties:
a) eau recirculée chaude pour l'eau "de procédé".
b) eau recirculée pour le repulpage et le condenseur - de la pompe à vide du iltre.
, c) eau propre pour le refroidissement des appareils.
Le procédé de l'invention peut avantageusement être utilisé dans une telle installation pour fournir notamment de l'eau provenant du condenseur qui est chauffée par échange thermi-que avec les gaz chauds de la cuve d'~attaque. Il est avantageux de l'utiliser en tant qu'eau "de procédé" au lavage du gâteau.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit avec référence aux dessins annexés sur les-quels:

.

- la figure 1 est un diagramme illustrant le procédé
selon l'invention lorsqu'on veut obtenir de l'eau très chaude;
et - la figure 3 illustre une installation de fabrication d'acide phosphorique mettant en oeuvre le procédé selon l'inven-tion.
On a représenté schématiquement sur la flgure l,~le procédé de l'invention.
On refroidit un système de réaction l, par une circu-lation d'air 2, qui à la sortie du réacteur, est chargée devapeur. Le flux 2, mis en mouvement par un appareil non représenté, tel que par exemple un ventilateur, passe par un appareil 3 permettant la separation d'une partie de la vapeur, qui sort en ~ et peut éventuellement être atilisée dans une ~ ;
autre partie non représentée de l'installation. Une partie du ~lux 2 sortan-t de l'appareil 3, contenant une faible quantité de vapeur, est renvoyée~ao réactear 1. La partie restante 5 passe par un système d'épuration 6 avant le rejet à l'atmosphère 7.
Le complément d'air de refroidissement se fait en 8 ou 8', les réglages des débits respectifs se font par tout moyen connu, et schématisés ici en 9, 9', 10 et 11. ~
On réalise I'élimination de la vapeur hors de la cir- -culation par tout moyen en soi connu, comme par exemple la .
mise en contact de l'air chargé de vapeur avec l'acide sul-furique concentré.
En particulier, quand on applique le procédé de l'in-vention à un système d'attaque phosphorique, on utilise l'acide sulfurique destiné à la réaction d'attaque dans un appareil 3 tel qu'une colonne sécheuse suivie d'un réfrigérant. Le réfrigérant évacue les calories de dilution et peut servir de source de chaleur. On introduit de toute manière connue en soi, l'acide sulfurique sortant dllué, vers le milieu réactionnel i ~

1gL627~

d'attaque.
Dans lemode de réalisation préféré où l'on élimine la vapeur par condensation, l'appareil 3 est un condenseur à
contre courant. Un avantage est que les calories autrefois perdues sont récupérées sous forme d'eau de procédé chaude, sans dépense supplémentaire de calories.
. Le procédé de l'invention permet encore un avantage supplémentaire: lorsqu'on a besoin d'eau très chaude, on réalise l'installation représentée en variante à la figure 2. On ajoute ~10 à l'installation schématisée figure l, à la sortie du réacteur 1, et avant le condenseur 3, un appareil de traitement prélimi-naire 12, avec une sortie 13.
On augmente ainsi les échanges thermiques et/ou de matières par une amélioration de la surface et du t~mps de contact gaz-liquide. L'appareil de traitement 12 est alimenté
en eau par 14. L'eau recueillie en :L3 est très chaude, elle est utilisable avantageusement comme eau de proaédé. De plus, on a l'avantage, dans cette variante~, d'éviter les entralnements de P2O5 sous forme de vésicules; celles-ci sont ramenées au réacteur par l'intermédiaire du lava~e méthodique à contre -courant sur le filtre.
Il est avantageux de choisir en tant qu'appareil de traitement préliminaire le dispositif décrit dans la demande de brevet canàdienne N~ 3so~397~déposée le 22 avrll 1980 comme on le verra dans les exemples ci-après. On a l'avantage :~
pour un faible investissement dlaugmenter l'efficacité de l'ensemble.
~ Dans le mode gé~néral de réalisation de l'inve.ntion, on a mesuré l'efficacité de différents.types de condenseurs a contre courant et à co-courant. ~ .
On traite un méLange de gaz à ~8C surmontant~un réac~
teur, grace à un débit de 1 000 m3/h d'eau à 32: -~

'i r ~7~

':' ~: .:

~62'~7 Température Air sortan't Volume de gaz de sortie à 68C rejeté
a) contre courant ~4C 363 000 m3/h 27 700 b) contre courant ~7C , 390 000 m3/h 30 500 -~
c) co-courant 56C 557 m3/h 48 000 On choisit avantageusement un appareil à contre cou rant arrosé du type décrit dans le brevet français no 2.330.435 dans lequel on ne recycle pas les liquides d'arrosage. On a ainsi les avantages de contact à contre courant, perte de - 10 charge faible, encrassements limités, grâce à la colonne vide, aux pulvérisateurs de gros diamètre, à la zone de dévésiculage.
On choisit pour réaliser le deuxième lavage ou absorp-tion, tout appareil en soi connu, avec ou sans recirculation de liquide et permettant un nombre d'unités de transfert adéquat. -On peut utiliser une colonne garnie, ou une colonne cyclonique vide associée à un venturi, telle que celle du brevet fran~ais no 2.395.771.
L'investissement de ce deuxième lavage est notablement diminué~par rapport aux techniques connues; c'est ainsi, par exemple que pour répondre aux mêmes normes de rejet, on savait utiliser un ensemble d'appareiIs ayant un nombre d'unités de transfert de 5,22, tandis que selon l'invention, on obtient le . . , même résultat sur un débit~nettement plus faible~, (dont on verra -un exemple plus loin~ et avec un seul appareil ayant un nombre d'unités de transfert de 3,14. Ce deuxième appareil, de plus, n'utilise que de l'eau industrielle et pas de réactif.

On refroidit un système d'attaque phosphorique du type représenté schématiquement flgur 3, en faisant circuler 30 un déblt 31 de 363 ~00 m3/h à la surface d'une cuve ùe réactlon~
32 munie de moyens d'agitation. L'aLr entrant en 3-3 est à 32C, à la sortie de la cuve de réaction 32 il est à 68C. On le 7~

lave par de l'eau à 32C provenant de surface d'épandage introduite en 34 dans un condenseur 35. L'air sortant du con-denseur en 36 est à 44C. On prélève en 37 un débit correspon-dan-t à 90% en masse et en air sec, du total, et on le réunit au débit d'air 33 entrant dans l'installation. Le débit restant 38, soit 10% environ est lavé en 39 par de l'eau qui provient dans ce cas de la surface d'épandage, il en sort en 40 à 32C
avec un débit de 30 000 m3/h environ. Le réglage des débits respectifs 33, 37, et 38 se fait à l'aide de registres 41, 42 et 43.
L'énergie nécessaire aux deus lavages de 363 000 m3/h à 150 mm C E et 30 000 m3~h à 400 mm C E est de environ 250 kw, on ré~nit les eaux des 2 lavages 44 et 45, on les renvoie par ~6 au filtre non représenté, elles sont environ à 60C.
~XEMPLE 1 BIS
.
Afin d'évaluer l'énergie depensée on compare l'exem-ple l avec une installation-connue comportant en série deux ;~ ~ laveurs-venturi qui traitent le débit total du gaz refroidisseur, d'abord à l'eau puis par la soude.
Le gaz sortant à l'atmosphère est à 40-50C. Il faut les investissements nécessaires au traitement de 300 000 m3/h , à 560 mm C ~, et une énergie de 630 kw.
Par ailleurs, le volume d'air rejeté est 10 fois supérieur a celui de l'exemple l; sa température est plus élevée pour les mêmes normes de rejèt à 10 g de fluor par tonne de P2O5 fabriqué.
Afin de comparer l'absorption entre les deux instal-lations précédentes, on considère que dans les deux cas, le premier lavage est réalisé dans une colonne cyclonique sans -recyclage ayant un nombre d'unité de transfert de 1,5 il faut pour le deuxième lavage un N U T de 5,22, dans le cas de l'exemple 1 bis; par contre, dans le procédé de l'invention il suffit, dans le deuxième lavage d'un N U T de 3,14, les investissements sont moindre~, et il n'y a pas de consommation de soude.

On mesure la quantité de vapeur entralnée dans l'exem-ple 1 selon l'invention; on recircule un flux d'air à 44C
saturé de 249 000 m3 portant encore 15 400 kg d'eau non condensée, on le complète par un flux d'air atmosphérique à 32C et à 90%
d'humidité d'un débit de 25 000 m3/h portant 760 kg d'eau: à
10 la sortie de la cuve, l'air porte 58 950 kg d'eau il est à 68C, à 90% d'humidité et d'un débit de 363 000 m3/h, et à servi à
évaporer 42 790 kg d'eau de la cuve.

~ , .
On met en oeuvre la variante du procédé de l'invention comportant un pré-traitement. On traite des gaz surmontant une cuve d'attaque phosphorique, d'un débit de 170 000 m3/h environ. Ces gaz sont à 65C saturé. Ils sont envoyés par un ventilateur dans un dispositif d'assainissement constitué
d'une colonne de lavage à deux étages de pulvérisation.
Ain d'avoir une eau "de procédé" tres chaude et un meilleur rendemen~ de lavage on complète le dispositif d'assainis-sement par un dispositif de lavage selon la demande de brevet canadienne N~350,397,avec un debit d'arrosage de 150 m3/h à 30C.
On recueille de l'eau de lavage à 60C environ, les gaz sortant de la colonne sont à 40-45C, ils contiennent moins~
de 40 kg/j de fluor pour une production de 650 t/j de P2O
Le procédé de l'invention est appliqué avantageusement dans la fabrica~ion phosphorique. On réalise une fabrication particulièrement économique par le procédé au dihydrate de sul-fate de calcium ou gypsè, avec repulpage du gypse résiduaire, celui-ci étant envoyé dans une zone d'épandage où il se décante .~ - .

~L62~ ~

et où l'eau refroidie est réutilisée.
L'invention trouve d'autres applications industrielles dans tout système en réaction à refroidissement par air.

.

-

Claims

Les réalisations de l'invention, au sujet desquelles un droit exclusif de propriété ou de privilège est revendiqué, sont définies comme il suit:

1. Procédé permettant de refroidir en continu, un réacteur par circulation d'air à la surface du milieu réaction-nel, provoquant l'entraînement de la vapeur, caractérisé en ce que l'on crée une boucle de recirculation d'air comportant le passage sur le réacteur grâce à quoi l'air atteint une tem-pérature voisine de la température du réacteur et se charge de vapeur, puis on traite l'air chargé de vapeur dans un système permettant l'élimination de la vapeur hors de la circulation, on réintroduit au moins une partie de l'air traité à la surface du réacteur, où il se charge de nouveau de vapeur et on rejette la partïe d'air restante à l'atmosphère.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé
en ce que l'on réintroduit l'air traité à la surface du réac-teur, en l'adjoignant à une arrivée d'air frais.

3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé
en ce que l'on traite la partie d'air restante au moyen d'une épuration et d'un refroidissement avant son rejet à l'atmosphère.

4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on réalise le traitement de l'air chargé de vapeur, au moyen d'un appareil condenseur, on élimine hors de la circulation les liquides provenant de la condensation de la vapeur, on divise l'air sortant du condenseur en deux parties, on en recircule une partie d'autant plus élevée que le condenseur est plus efficace.

5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on réalise le traitement de l'air chargé de vapeur au moyen d'un condenseur à mélange arrosé par de l'eau et on élimine ensemble les eaux d'arrosage et la vapeur condensée.

6. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on réalise ledit traitement à contre-courant.

7. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on réalise ledit traitement à co-courant.

8. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on choisit comme appareil condenseur, une colonne cy-clonique vide sans recirculation de liquide.

9. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le condenseur est d'autant plus efficace que le débit de l'eau d'arrosage est élevée et sa température basse.

10. Procédé selon la revendication 4, 5 ou 8, carac-térisé en ce que l'on réalise un traitement préliminaire de contact gaz-liquide avant le condenseur.

11. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on règle le débit d'air en recirculation selon la teneur en composés incondensables du mélange gazeux surmontant le réacteur.

12. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'on réalise l'épuration et le refroidissement de la partie d'air restante au moyen d'un lavage dans une colonne vide arrosée par de l'eau.

13. Procédé pour maintenir la température d'un sys-tème d'attaque de phosphate par l'acide sulfurique, caracté-risée en ce que l'on élimine la vapeur de la réaction d'attaque au moyen d'un contact avec l'acide sulfurique concentré destiné
à la réaction d'attaque à l'eau du procédé décrit dans la revendication 1, 2 ou 5.

14. Procédé pour maintenir la température d'un système de réaction d'attaque par un acide de minerai de phos-phate de calcium dans la fabrication d'acide phosphorique, procédé qui comporte des étapes de réaction, condensation, fil-tration et lavage, caractérisée en ce que l'on met en oeuvre le procédé décrit dans la revendication 4 pour chauffer les eaux de condensation par échange thermique avec les gaz de la réaction et l'on utilise les eaux de condensation ainsi chauffées dans l'étape dé filtration.

15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé
en ce que l'on arrose le condenseur utilisé pour l'étape de condensation grâce à de l'eau provenant d'une surface d'épan-dage et qui a été refroidie.