Brevet FR2027608A1 — publié le 19701002

L'invention se rapporte à un procédé pour la réalisation de réactions chimiques, dans lequel les participants à la réaction sont mis à réagir sous l'effet thermique du plasma d'une décharge en arc stabilisée par un liquide tourbillonnant. 5 II est déjà connu d'utiliser, en tant que gaz de plasma, un gaz rare ou un gaz diatomique, par exemple de l'hydrogène, de stabiliser la décharge en arc par un tourbillon d'eau et d'exposer les participants à la réaction au jet de plasma servant de véhicule à la chaleur. 10 En raison des pertes de chaleur, seule une partie de l'éner gie thermique du plasma pénètre alors dans 1.'enceinte de réaction, et cette partie ne parvient qu'incomplètement à l'équilibre de chaleur avec les participants à la réaction. L'invention a pour but, notamment d'améliorer le rendement 15 énergétiqueo Pour ce faire, conformément à l'invention, au moins l'un des participants à la réaction, en phase liquide, est mis sous forme de tourbillon pour stabiliser la décharge en arc. Dès lors, une partie de ce participant à la réaction se 20 vaporise et forme au moi". 45016 2 2027608 quement en coupe longitudinale à la figure unique du dessin annexé. Le réacteur de plasma représenté comprend une enceinte de décharge munie d'une enveloppe cylindrique 1, d'une buse avant 2, 5 par laquelle le jet de plasma 3 sort, et d'une paroi arrière 4. Dans l'enceinte de décharge, trois diaphragmes 5, 6 et 7 sont disposés à une certaine distance l'un de l'autre, ainsi que de la buse 2 et de la paroi arrière 4. Un diaphragme 8 d'une part, et deux diaphragmes 9 et 10, d'autre part, sont disposés coaxia-10 lement à l'enveloppe cylindrique 1 respectivement entre la paroi arrière 4 et le diaphragme 5 pour le premier et entre les diaphragmes 6 et 7 pour les seconds . Le diamètre extérieur des diaphragmes 8, 9 et lO est plus petit que le diamètre intérieur de l'enveloppe 1. Le diamètre de l'ouverture du diaphragme 10 est approximativement égal à celui des diaphragmes 5, 6 et 7, tandis 15 que le diamètre de l'ouverture des diaphragmes 8 et 9 est un peu plus petit. Le diaphragme 8 est maintenu à distance de la paroi arrière 4 et du diaphragme 5, et les diaphragmes 9 et 10 sont maintenus à distance l'un de l'autre et des diaphragmes 6 et 7 par des bagues 11, dont le diamètre extérieur correspond à celui 20 des diaphragmes 8, 9 et 10. Le diamètre intérieur des bagues 11 est plus grand que le diamètre de l'ouverture des diaphragmes 5 & 10, ce grâce à quoi on constitue plusieurs espaces annulaires, pour le tourbillon de liquide servant à stabiliser la décharge en arc, ces espaces étant limités axialement par deux diaphra-25 gmes voisins et radialement par une bague. Les bagues 11 sont traversées par des perforations dirigées tangentiellement par rapport au bord de leur ouverture. Un conduit d'alimentation, respectivement 12 et 13, par lequel est introduit le liquide pour la production des tourbillons, débouche 30 dans chacun des espaces annulaires formés respectivement par les diaphragmes 8, 9 et 10, les bagues 11 et l'enveloppe cylindrique 1. Chacun des diaphragmes 5, 6 et 7 est pourvu d'une lèvre annulaire faisant saillie axialement. Des conduits d'évacua» tion 14 et 15 partent des espaces annulaires compris entre ces 35 lèvres annulaires et l'enveloppe 1 et servent à l'écoulement du reste de liquide non vaporisé, qui est refroidi et ramené, avec du liquide frais, aux admissions 12 et 13. Une cathode 16 en forme de barre, établie par exemple en graphite, est montée coaxialement dans la paroi arrière 4. Une anode creuse 17, refroi-40 die à l'eau, en forme de disque circulaire et constituée, par 69 45016 3 2027608 exemple, par du cuivre, carbone, titane ou aluminium, en fonction de la réaction à réaliser, tourne devant la buse 2» L'axe de l'anode 17 est orienté parallèlement à l'axe de l'enceinte de décharge, et le bord de l'anode se trouve à approximative-5 ment la même distance, de l'axe de l'enceinte de décharge, que le bord de l'ouverture de la buse 2. Le dispositif d'entraînement de l'anode 17 est désigné par 18 et son système de refroidissement par 19. L'anode 17 est logée dans un prolongement d'une chambre de réaction 20 qui se compose, pour des réactions 10 déterminées, par exemple d'une matière céramique du genre oxyde. Cette chambre de réaction 20 se raccorde à la buse 2 et est équipée d'un conduit d'sûimeataiioii 21 et de deux tubulures d'évacuation 22 et 23. Pour des réactions déterminées, la chambre de réaction 20 peut être isolée thermiquement et munie d'un 15 dispositif de chauffage ou de refroidissement, d'une douche annulaire 24 pour le refroidissement brusque des produits réactionnèls, d'une seconde anode de cuivre 25 fixe et refroidie à l'eau et d'une tubulure de décharge 26. Pour la réduction de TiCl4 en TiCl3, on utilise le susdit 20 réacteur au plasma décrit en liaison avec le dessin annexé et équipé d'une anode de cuivre 17, mais ne comportant pas les éléments 24, 25, 26. L'un des participants à la réaction, soit le TiCl^, est introduit par les orifices d'admission 12 et 13, afflue par 25 les perforations tangentielles des bagues 11 et forme des tourbillons de liquidje dans l'enceinte de décharge, ce corps étant vaporisé en partie avec formation de gaz de plasma. De l'hydrogène est amené, en tant que second participant à la réaction, dans la chambre de réaction 20, par le conduit d'alimentation 30 21. La décharge en arc s'effectue, par exemple, avec ûne intensité de courant de 500 ampères. Le jet de plasma 3 a un diamètre de 7 à 13 mm, par exemple, et est stabilisé par le tourbillon de liquide se composant de TiCl^. Deux réactions ont lieu successivement au cours de deux 35 étapes. Comme première réaction, du carbure de titane et du chlore sont formés à partir du carbone de la cathode et d'une partie du TiCl^, dans la chambre comprise entre les lèvres des diaphragmes 5 et 6. Ces produits réactionnèls sont soutirés par l'orifice d'évacuation 14, avec le TiCl4 ; ils sont ensuite 40 refroidis brusquement. La quantité de ces produits réactionnèls 1 I 69 45016 4 2027608 dépend, entre autres, d'une part, du volume de l'espace compris entre les lèvres des diaphragmes 5 et 6 et, d'autre part, de la vitesse d'évacuation. La seconde réaction s'effectue à l'anode 17 selon l'équation : 5 TiCl4 + îgH2 ^ TiC13 + HC1- Les produits réactionnèls sont évacués par les tubulures de sortie 22 et 23. Pour la réduction de TiCl4 en Ti, on utilise le réacteur au plasma équipé de l'anode d'aluminium 17, mais sans 10 les éléments 21, 24, 25, 26. On produit ainsi du Ti liquide et du chlorure d'aluminium gazeux en raison d'une consommation progressive de l'anode. Pour la réaction de dissociation de SiCl^, on utilise le susdit réacteur au plasma pourvu de l'anode dé cuivre 17 et 15 de la seconde anode de cuivre 25, ainsi que de la tubulure d'évacuation 26, mais sans néanmoins la douche 24. A la seconde anode 25, on applique une tension qui est plus positive que celle appliquée à l'anode 17, de sorte que le sens de la décharge aille de la ca-frtode 16 à l'anode 17 et se prolongé, à partir 20 de celle-ci, à la seconde anode 25. Le SiCl^, servant à former et à stabiliser le plasma, est introduit par orifices d'admission 12 et 13 et l'intensité de courant (environ 500 ampères), ainsi que le diamètre de l'ouverture des diaphragmes 5 à 10 sont déterminés de telle façon 25 que la température du gaz de plasma atteigne le niveau nécessaire pour réaliser la réaction SiCl^ ^ Si + 2C12* La réaction de dissociation s'effectue dans la chambre de réaction 20. Le silicium métallique se condense sur la seconde anode 25, tombe goutte à goutte à partir de celle-ci et est recueilli par 30 la tubulure d'évacuation 26. Le produit résiduaire, soit du chlore gazeux, est soutiré par les tubulures de sortie 22 et 23. Une recombinaison dans la chambre de réaction 20 est empêchée dans une large mesure par la partie de la décharge en arc qui se produit entre l'anode 17 et la seconde anode 25. 35 Le réacteur au plasma décrit ci-dessus, doté de l'a node de cuivre 17 et de la douche 24, mais sans les éléments 25 et 26, est utilisé pour la décomposition et la recombinaison de Si02. De l'eau, servant à la formation et la stabilisation 69 45016 5 2027608 du plasma, est introduite par les orifices d'admission 12 et 13. Du sable quartzeux pulvérulent est insufflé à l'aide d'air, par le conduit d'alimentation 21, dans le jet de plasma 3 émanant de la buse 2. Une réaction d'échange se développe entre le quartz 5 évaporé et le plasma d'eau, en ce sens qu'au moins une partie de l'oxygène du SiC>2 est remplacé par l'oxygène du 1^0. Les produits réactionnèls gazeux sont refroidis brusquement par de l'eau projetée par la douche annulaire 24, ce grâce à quoi on obtient dans l'eau du SiO2 très finement divisé et d'une gros-10 seur de particule d'un diamètre inférieur à 0,001 mm. Pour la fabrication du bioxyde de titane par oxydo-réduction du TiCl^, on utilise le réacteur de plasma décrit ci-dessus, sans les éléments 24, 25, 26, mais comportant l'anode de titane 17, une chambre de réaction 20 se composant d'une matière 15 céramique du genre oxyde, une buse supplémentaire (non représentée) , qui est disposée vis-à-vis de l'anode et dirigée vers le jet de plasma et un conduit d'alimentation supplémentaire (non représenté), qui aboutit à l'enceinte de décharge entre la cathode 16 et la buse 2. 20 Du tétrachlorure de titane est introduit par les conduits d'admission 12 et 13, en vue de former une partie du plasma et de le stabiliser. De lbxygène pur est amené au plasma par le conduit d'alimentation supplémentaire et une quantité supplémentaire de TiCl^ est apportée au jet de plasma par la 25 buse supplémentaire. Par la mise en oeuvre de ce procédé, on obtient, par exemple, 60 kg de bioxyde de titane pigmentaire, pour une consommation énergétique d'environ 120 kWh. Pour la fabrication de carbure de titane, on utilise le réacteur au plasma décrit ci-dessus avec l'anode de carbone 30 17, la chambre de réaction 20 refroidie, sans les éléments 21, 25, 26, mais avec la douche 24 et une buse supplémentaire (non représentée) qui est disposée en face de l'anode 17 et orientée en direction du jet de plasma 3. Un hydrocarbure liquide, par exemple un hydrocarbure 35 d'une teneur moyenne en carbone de 10 à 15 atomes de carbone par molécule, est introduit, comme liquide de stabilisation et pour la formation du plasma, par les conduits d'amenée 12 et 13. Du tétrachlorure de titane est apporté au jet de plasma 3 par la buse supplémentaire. Dès lors se déroule la réaction 40 TiCl^ + hydrocarbure TiC + acide chlorhydrique. Le 69 45016 6 2027608 mélange réactionnel résultant est refroidi brusquement à l'aide d'un mélange se composant à parties égales d'hydrogène et de méthane, au moyen de la douche 24. De cette façon, 10 kg de TiC d'une grosseur de particules inférieure à 0,001 mm sont obtenus 5 par heure pour une puissance de combustion d'environ 120 kW. Au lieu d'introduire du tétrachlorure de titane dans le jet de plasma d'hydrocarbure, il est possible inversement d'utiliser également du tétrachlorure de titane comme liquide de stabilisation et pour la formation du plasma, et d'amener 10 l'hydrocarbure, au jet de plasma. Pour la fabrication de nitrure de bore, on utilise le réacteur au plasma décrit ci-dessus avec l'anode de cuivre 17, sans les éléments 21, 25, 26, mais avec la douche 24 et une buse supplémentaire (non représentée) qui est disposée en face de 15 l'anode 17 et orientée en direction du jet de plasma 3. Du NH^ liquéfié est introduit par les orifices d'admission 12 et 13, à la fois comme liquide de stabilisation et comme une partie d'un des corps participant à la réaction. Du NH^ gazeux, en tant que partie restante de l'un des corps par-20 ticipants à la réaction, et de l'oxyde de bore, comme second corps participant à la réaction, sont amenés au jet de plasma 3 par la buse supplémentaire. Dès lors se produit la réaction B2O2 + ^ 2 BN + 3^0. Les gaz réactionnèls sont refroi dis brusquement à 400°C au moyen de la douche 24 et sont évacués 25 séparément par les tubulures de sortie 22 et 23. D'une manière correspondante, on peut fabriquer, par exemple, du nitrure de tantale, en ce sens qu'en lieu et place de l'oxyde de bore, on amène au jet de plasma, par le conduit d'alimentation 21, du chlorure de tantale ensemble avec de l'ammo-30 niac gazeux, la réaction s'effectuant selon l'équation TaCl5 + NH3 ^ TaN + 3HC1 + 2C1. Les corps participants à la réaction sont interchangeables étant entendu que,parmi les corps participant à la réaction, seuls ceux qui sont liquides à une température appro-35 priée sont utilisables comme liquide de stabilisation et simultanément pour la formation du plasma. Comme il va de soi et comme il résulte de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application non plus qu'à ceux des modes de réalisation de ses 40 diverses parties ayant été plus spécialement indiqués ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. 69 45016 7 2027608 REVENDICATIONS 1. Procédé pour la réalisation de réactions chimiques, dans lequel les participants à la réaction sont mis à réagir sous l'effet thermique du plasma d'une décharge en arc stabili- 5 sée par un liquide tourbillonnant, caractérisé en ce qu'au moins l'un des participants à la réaction, en phase liquide, est mis sous forme de tourbillon pour stabiliser la décharge en arc. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le plasma est formé sans apport de gaz, uniquement par le 10 liquide vaporisé à partir du tourbillon. 3. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les participants à la réaction sont mis à réagir entre les électrodes dans l'enceinte de décharge. 4. Procédé suivant 1'une quelconque des revendications 15 1 à 3, caractérisé en ce que le tourbillon de liquide se compose d'un mélange de plusieurs participants à la réaction. 5. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 a 3, caractérisé en ce que le tourbillon de liquide est produit sous la forme de plusieurs tourbillons partiels se succé- 20 dant le long de l'enceinte de décharge et se composant chacun d'au moins un participant à la réaction. 6. Procédé suivant la revendication 5, caractérisé en ce que les différents produits réactionnèls sont évacués de l'enceinte de décharge tout le long de la décharge en arc en des 25 endroits espacés les uns des autres. 7. Procédéj suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, pour la réalisation de réactions dont le produit réac-tionnel contient au moins un constituant métallique ou un constituant métalloïdique, caractérisé en- ce que la décharge en arc 30 est engendrée au moyen d'une anode constituée d'un métal ou d'un métalloïde. 8. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, pour la réalisation de réactions dont le produit réaction-nel contient au moins un constituant métallique ou un constituant 35 métalloïdique, caractérisé en ce que le tourbillon de liquide se compose au moins en partie d'un liquide contenant le métal ou le métalloïde.