Brevet FR2156739A1 — publié le 19730601

La présente invention concerne la purification du sodium par distillation et condensation. Lors de la production et de la récupération du sodium, dans les différents systèmes connus de génération de celui-ci, bien souvent la vapeur de sodium est trempée en vue de sa conversion à ltétat liquide. Ces opérations de trempe utilisent fréquemment des procédés directs, tels que ceux qui sont décrits dans les brevets U.S. nO 2 810 636 et 2 685 505, pour lesquels on utilise comme agent de trempe un métal fondu, comme plomb, étain, ou sodium liquide lui-mAme. Ces techniques de trempe donnent gérvéralement un excellent transfert de chaleur, mais présentent certains inconvénients suivants ; ils nécessitent des grands volumes de réfrigérant, et conduisent à un degré relativement fort de ractior)inverse de celle qui a servi à l'obtention du sodium ; en outre, la séparation de celui-ci est difficile. Les procédés indirects de transfert de chaleur présentent souvent le défaut d'un transfert de chaleur moins bon que dans la technique de trempe directe, mais ils sont appréciés, car ils ne comportent pas les inconvénients mentionnés plus haut des procédés directs. La présente invention concerne ltobtention de métal alcalin liquide, en particulier de sodium, à partir des vapeurs de ce métal, par un procédé indirect d'échange de chaleur, aboutissant à un excellent transfert et un minimum de pertes de celle-ci. Le procédé selon l'invention se révèle particulierement intéressant dans les cas où la génération et la récupération du sodium se fait con jointoient avec celles de CO, nar réaction du carbonate de sodium avec du coke, et il est illustré, non limitativement, dans la description détaillée suivante, par un mode opératoire, dans lequel le mélange sodium-C0 est séparé, et le sodium récupéré. Conformément à l'invention, la vapeur de sodium, mélangée avec CO et/ou d'autres gaz, est condensée dans l'une des parties de lté- changeur de chaleur,(côté dégagement de chaleur), laissant passer les gaz non-condensables, puis le sodium liquide, ainsi obtenu, est conduit, après passage par une vanne de décompression, dans la seconde partie de cet échangeur (côté absorption de chaleur), où règnent une temperature et une pression inférieures à celles qui existent dans la première partie, mais toutefois suffisantes pour vaporiser rapidement le sodium ; ensuite une partie de ce sodium à de l1e'tat/vapeur est recueilli en tant que production, tandis qutune autre portion est dirige vers une chaudière-condenseur, où les vapeurs de sodium sont condensées, et la chaleur formée est utilisée pour produire de la vapeur d'eau ; après quoi, le sodium liquide est recyclé de cette chaudière vers la dite seconde partie de ltéchangeur pour absorber une quantité de chaleur supplmentai- re par sa vaporisation. L'invention est illustrée non limitativement par la description qui suit, avec référence au dessin annexé. La figure unique représente un schéma de condensation et de distillation de métal alcalin, suivant l'invention. On introduit dans ltéchangeur de chaleur 12, par la canalisation 11, des vapeurs de sodium et d'oxyde de carbone provenant d'un réacteur alimenté avec du coke et du Na2C03. Ces vapeurs, généralement à une température de l'ordre de 10000 à 14000C et sous une pression de 1 à 5 atmosphères, pénètrent dans la partie 12a de ltéchangeur, où la vapeur de sodium est condensée sous forme liquide vers 5000 à 7500C ; le CO et les autres gaz non-condensables sortent du système par la canalisation 13, à partir de laquelle ils peuvent être prélevés et récupérés.Le condensat de sodium liquide, qui renferme de faibles quantités de Na2C03 et de carbone provenant de la réaction inverse, est conduit par la canalisation 14 à la vanne de détente 15, et pénètre cette fois dans la partie 12b de l'échangeur, par la canalisation 16, où il est vaporisé brusquement à une température de tordre de 5000 à 7500C et sous une pression comprise entre 0,007 et 0,35 bars. La vapeur de sodium sort de l'échangeur par la canalisation 17, et une partie en est recueillie par la canalisation 18. Une autre partie rejoint, par la canalisation 19, une chaudière-condenseur 20, où les vapeurs sont condensées à l'étant liquide, la chaleur ainsi abandonnée étant utilisée pour produire de la vapeur d'eau.Le condensat de sodium sort de la chaudière-condenseur par la canalisation 21 qui le ramène dans la partie 12b de l'échangeur de chaleur. Ce sodium liquide, recyclé, sert à maintenir au niveau choisi la température de cette partie de l'échangeur, et rend également possible l'utilisation complète de la chaleur produite par le système. Etant données les conditions thermiques élevées du sys tème, dans la première partie de ltéchangeur il se produit, jusqu' à un certain point, la réaction inverse, c'est-à-dire formation de Na2C03 et de carbone à partir de la vapeur de sodium et du CO ; ces produits sont entraînés vers la seconde partie de l'échangeur par le courant de sodium condensé. La réaction inverse, fortement exo thermique, fournit une grande quantité de chaleur au système, en plus de celle qui est fournie par la condensation ; le courant de recyclage sert à éliminer et à utiliser cette chaleur. Bien que la quantité de sodium à l'état de vapeur, prélevé en 20, ne soit pas critique, elle est calculée de manière à permettre l'élimination de l'excès de chaleur produit par la réaction inverse.Les produits de cette réaction inverse se présentent sous forme de solides finement dispersés, et ils sont évacués de ltéchangeur 12b par le sodium liquide, qui les entraîne par la canalisation 22 ; après élimination du sodium, ils sont recyclés dans le générateur de sodium. il est bien entendu que l'on peut utiliser, dans ce système, tout échangeur de chaleur indirect classique, adapté à la température, à la pression et aux conditions requises du fait de la corrosion. Cependant, on emploie de préférence un condenseur à enveloppe à haute conductivité, et à tubes à paroi fine. Le choix des matériaux de construction obéit à des considérations économiques, car une grande variété d'entre eux conviennent parfaitement. Les tubes en tungstène et en molybdène se révèlent très satisfaisants. L'acier inoxydable peut être utilisé, mais sa conductivité est inférieure. L'acier au carbone plaqué, ainsi que des alliages de cuivre plaqués sont intéressants, et le tantale constitue une bonne substance de placage. Les vitesses de transfert de la chaleur sont très élevées et voisines de celles des procédés de séparation directe, car le sodium est en cours de condensation dans une partie de l'échangeur, alors qu'il est en cours d'ébullition dans l'autre. De plus, comme indiqué plus haut, ce système constitue une amélioration importante par rapport aux systèmes de séparation directe, car le contact entre le sodium et CO est réduit au minimum. Dans un mode opératoire particulier, le mélange,à l'état de vapeur provenant du réacteur à Na2C03-coke, comprend 5 parties en poids de sodium et 9,1 parties de CO à 12500C sous 4 atmosphères; il est conduit à l'échangeur de chaleur- où 3,9 parties de sodium sont condensées à l'état liquide à 650C sous la même pression. Les vapeurs passant à la partie supérieure du système comprennent 6,3 parties de CO et 0,1 partie de sodium. Environ 20/ ó du sodium fourni se transforme par réaction inverse en carbone et Na2C03, et ces produits sont conduits avec le sodium liquide, avec passage par la vanne de décompression, à l'autre partie de l'échangeur de chaleur où la pression est de 0,035 bars. Le sodium rapidement vaporisé sort à 600 C sous 0,035 bars; 3,9 parties en poids sont prélevées en tant que produit cherché, tandis que 5,5 parties sont dirigées vers le circuit de la chaudière-condenseur, la chaudière à eau fonctionnant avec 10 parties en poids de vapeur sous une pression de 7 bars. Le sodium liquéfié est renvoyé au travers de la vanne de décompression 15 dans la partie de ltéchangeur de chaleur où se produit la vaporisation brusque. L'effluent, renfermant les produits de réaction inverse, en provenance de cette partie de l'échangeur, est débarrassé du sodium par dépôt et décantation, et il est ensuite recyclé vers le générateur de sodium : il renferme alors 2,3 parties de carbonate de sodium et 1,8 parties de carbone. REVENDICATIONS 1. Procédé de purification d'un métal alcalin par condensation et distillation, caractérisé en ce que : la vapeur métallique est introduite dans la partie à dégagement de chaleur dtun échan geur de chaleur, où elle se condense, laissant passer les gaz non-condensables ; le métal liquide, ainsi obtenu, est conduit, à travers une vanne de décompression, dans la seconde partie de ltéchangeur (à absorption de chaleur), maintenue à une tempéra ture et une pression inférieures à celles de la première partie de ltéchangeur, mais suffisantes pour provoquer la vaporisation brusque du métal ; une partie de cette vapeur est recueillie, tandis qu'une autre est conduite vers une chaudière-condenseur où le métal est condensé à l'état liquide, et ce liquide est recyclé dans ladite seconde partie de l'échangeur de chaleur. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la vapeur métallique est celle de sodium, mélangée avec CO et d'autres gaz non-condensables, provenant de la réaction du coke avec du carbonate de sodium à température élevée. 3. Procédé selon ltune des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la température du sodium, comprise entre 10009G et 14009C à son entrée dans la première partie de l'échangeur, est de I' ordre de 5000 à 7509C, à la sortie de celui-ci. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la pression de sodium qui est de l'ordre de 1 à 5 bars à son entrée dans la première partie de l'échangeur, est de 0,007 à 0,35 bars à sa sortie de la seconde partie de cet échan geur. 5. Procédé suivant une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la chaleur fournie par la vapeur métallique à laditechau dière-condenseur, est utilisée à la production de la vapeur d' eau. 6. Installation pour la réalisation du procédé selon une des reven dications 1 à 5, comprenant un échangeur de chaleur, caractéri sée en ce qu'une vanne de décompression est placée dans une cana lisation reliant la partie à dégagement de chaleur avec la par tie à absorption de chaleur de 11 échangeur. 7. Installation suivant la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle comporte une chaudière-condenseur, reliée par une cana lisation avec la partie d'absorption de chaleur de 11 échangeur.