Brevet FR2442794A1 — publié le 19800627

L'invention concerne un procédé de fabrication,en continu et en cuve unique, de solutionsd'orthophosphates alcalins. La fabrication d'orthophosphates alcalins à partir d'acide phosphorique et des bases ou des carbonates correspondants, suscite un intérêt accru principalement dans le but d'obtenir les divers polyphosphates, et en particulier le tripolyphosphate de soude, matière première de base pour l'élaboration des poudres ou liquides de nettoyages domestiques ou industriels. La réaction chimique de neutralisation acide-base est connue depuis fort longtemps. Toutefois, il est à noter que le rapport stoechiométrique à respecter entre l'acide et la base ou le carbonate, doit être rigoureusement règlé et contrôlé pour obtenir un pourcentage correct du polyphosphate désiré après calcination des orthophosphates. Dans la majorité des cas, cette difficulté n'a pas été mattrisée en continu, et les procédés de fabrication sont restés au stade de la production en discontinu par charges successives. Dans le cas où la marche en continu de la neutralisation a été obtenue, cette opération s'effectue par passage en cascade dans des cuves multiples (6 à 3 cuves suivant les procédés)séparées. Le court d'une telle batterie de cuves est élevé, l'encombre- ment au sol important, d'où des frais de génie civil proportionnels, surchargeant considérablement l'investissement. De plus, la circulation des produits dans ces cuves n'est pas méthodiquement assurée et se traduit souvent, et en particulier lors de la neutralisation avec les carbonates alcalins, par des passages en surface, au détriment de lthomogénéité du produit et du temps de séjour. La présente invention vise à pallier ces inconvénients c'est ainsi qu'elle a pour objet un procédé de fabrication de solutions d'orthophosphates alcalins par neutralisation d'acide phosphorique, dont la caractéristique est que cette étape de neutralisation est effectuée en continu et en cuve unique. On sait que l'acide phosphorique, matière première de départ peut être obtenu de différentes façons. C'est ainsi que l'on différencie, dans la pratique, les différentes qualités d'acide phosphorique selon qu'il a été obtenu par voie thermique ou par voie humide, ce dernier présentant de nombreuses impuretés qu'il est indispensable d'éliminer. Selon une caractéristique particulière de l'invention, quand on part d'acide phosphorique de voie humide, l'étape de purification préliminaire de la solution de cet acide est également effectuée en continu et en cuve unique. Un mélange homogène des matières réactionnelles à l'intérieur de la cuve unique, que ce soit dans l'étape de neutralisation ou dans celle de purification est avantageusement assuré par un système de circulation par chicane entre les différents compartiments de ladite cuve unique, ces différents compartiments communiquant entre eux alternativement par une ouverture ménagée dans la partie inférieure de la cloison les séparant et par débordement, ou vice-versa. On évite ainsi le risque de passage en direct d'un compartiment à l'autre. Selon l'invention le procédé de fabrication de solutions d'orthophosphates alcalins par neutralisation d'acide phosphorique obtenu par voie humide comporte les étapes suivantes : traitement, en continu et en care unique à trois compartiments,e gaz l'acide phospho- rique avec du charbon actif, du calcaire et du fer en poudre afin d'éliminer les matières organiques et l'acide sulfurique résiduel et de réduire le fer et le vanadium présents dans la solution, sous forme de phosphates, filtration de cette solution acide, neutralisation de la solution acide obtenue, en continu et en cuve unique à six compartiments, à l'aide de bases en solutions concentrées ou de carbonates alcalins en poudre ou granulés, filtration pour éliminer les phosphates ou hydroxydes métalliques précipités au cours de la neutralisation, cette filtration étant également effectuée encontinu et les collectes des différents filtrats étant effectuée en cuve unique, cloisonnée en compartiments communiquant par débordement, concentration de la solution d'orthophosphates pour l'amener au titre voulu et filtration pour éliminer les phosphates métalliques résiduels insolubilisés par l'augmentation du niveau de concentration. Les étapes de purification et de neutralisation, ainsi que les étapes suivantes de filtration, concentration, peuvent être effectuées en continu ou en discontinu. t' Suivant un autre mode de réalisation selon l'invention, les différentes étapes de réalisation du procédé ci-dessus sont auto matisees. Le procédé de fabrication de solutions d'orthophosphates alcalins par neutralisation d'acide phosphorique obtenu par voie thermique est évidemment simplifié par rapport au procédé qui part d'acide phosphorique obtenu par voie humide, puisqu'il n'est plus nécessaire de procéder à la purification de l'acide. Dans ce cas, le procédé se limite à l'étape de neutralisation,en continu et en cuve unique à six compartiments, de l'acide phosphorique, additionné de la quantité d'eau nécessaire, à l'aide de bases en solutions concentrées ou de carbonates alcalins, en poudre ou granulés. La présente invention sera d'ailleurs mieux comprise, et ses avantages ressortiront bien de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé, dans lequel Figure 1 est une vue développée très schématique de la cuve unique utilisée pour la mise en oeuvre du traitement de purification de l'acide phosphorique de voie humide selon l'invention, Figure 2 est une vue de dessus de la cuve de figure 1, Figure 3 est une vue développée très schématique de la cuve unique utilisée pour la mise en oeuvre du procédé de neutralisation de l'acide phosphorique selon l'invention. Figure 4 est une vue de dessus de la cuve de figure 3. Selon l'invention, la cuve unique 10 destinée au traitement de purification de l'acide phosphorique représentée à la figure 1 est divisée en trois compartiments 1, 2 et 3 et associée à des dispositifs d'alimentation en eau 11, en acide phosphorique 12, en calcaire 13, en charbon actif 14 et en fer 15. Les compartiments 1 et 2 de la cuve 10 communiquent par une ouverture ménagée dans la partie basse de la cloison les séparant, les compartiments 2 et 3 communiquent par débordement du 2 vers le 3. Chaque compartiment est muni d'un agitateur 16. Le calcaire et le charbon actif provenant des dispositifs d'alimentation 13 et 14 sont introduits dans le compartiment 1 par l'intermédiaire du cône de mouillage 17 qui facilite, de façon connue en soi, l'introduction des poudres dans le mélange réactionnel ; ce cône de mouillage est alimenté par le débit d'une pompe de recirculation 18 dont l'aspiration est placée dans la partie inférieure du compartiment 2. L'acide phosphorique et l'eau de dilution provenant des dispositifs d'alimentation Il et 12 sont également introduits dans le premier compartiment ; cette introduction étant commandée par les vannes de régulation et d'enregistrement de débit 19 et 20. Le fer en poudre, provenant du dispositif d'alimentation 15 est ajouté au compartiment 2 ou éventuellensnt au compartiment 3, selon la qualité de l'acide phosphorique utilisé. La température est règlée dans les deux compartiments 1 et 2 à 850C, et dans le compartiment 2 à 75-C par injection de vapeur, par l'intermédiaire des vannes 21 et 22. Les compartimentst et 2 travaillent à niveau constant. Seul le compartiment 3 est équipé d'une régulation de niveau 23 ; il constitue une réserve de filtration, ainsi qu'un tampon de volume nécessaire pour garantir un temps de séjour suffisant aux différents produits et assurer la cinétique de précipitation de l'acide sulfurique en sulfate de calcium hémi-hydrate ou gypse, CaS04 1/2 H2 0. Les gaz extraits des différents compartiments de la cuve unique 10 par le ventilateur d'assainissement 24 sont lavés par passage dans le dispositif de lavage des gaz 25 alimenté par l'acide phosphorique et l'eau venant des dispositifs il et 12. Le temps de séjour minimum est de 12 heures ; le volume global de la cuve est donc calculé en fonction de cet impératif. Des échantillons réguliers, aux fins d'analyse,sont prélevés dans le compartiment 2 afin de permettre une bonne conduite des opérations et d'effectuer les éventuelles corrections nécessaires pour obtenir les valeurs finales suivantes P205 : 46 à 48 X Acide sulfurique : 10 à 15 g/l Matières organiques : 0 Réduction de Fe+++ en Fe : 50 % Le produit obtenu est alors transféré, par la pompe 26 à un dispositif de filtration (non représenté). Cette filtration s'effectue sur une batterie de deux filtres presse ou de deux filtres à tambour avec précouche, l'un des filtres étant en service et l'autre en débatissage, nettoyage ou reconstitution de la précouche, afin d'assurer la continuité de la filtration. Les filtrats et les jus de lavage obtenus sont collectés dans la même cuve de réserve d'acide traité (non représentée). La figure 3 représente le schéma de la ligne de neutralisation. Une cuve unique 30 cloisonnée en six compartiments 4, 5, 6, 7, 8 et 9 est prévuepour cette opération. Des dispositifs d'alimentation 31 : lessive de soude ou carbonate, 32 : eau de lavage recyclée en fin d'opération, et22 : a cide phosphorique provenant de la ligne de traitement précédente sont également prévus. Les compartiments 4 et 5 puis 6 et 7 et enfin 8 et 9 communiquent entre eux par débordement de 4 vers 5, de 6 vers 7 et de 8 vers 9 respectivement. Les compartiments 5 et 6, de même que les compartiments 7 et 8 communiquent par une ouverture ménagée dans la partie basse de la cloison les séparant. Chaque compartiment est muni d'un agitateur li et d'un dispositif de mesure de la température (non représenté). Des serpentins alimentés en vapeur d'eau ou en eau froide (non représeEtés) permettent de maintenir la température désirée. Un ventilateur d'assainissement 36 assure l'évacuation des gaz ou des buées se dégageant des compartiments de la cuve unique. Quand on part d'acide phosphorique de voie humide, qui a subi le traitement de purification décrit précédemment, la suite des opérations est la suivante Le premier compartiment 4 reçoit par le dispositif d'alimentation li l'acide phosphorique purifié provenant de la cuve de réserve d'acide traité, ainsi que,par le dispositif 32, le filtrat de recvclage des orthophosphates obtenus en fin d'opération. La densité du mélange de ces deux composants est règlée de telle sorte que l'équilibre du procédé soit assuré en fonction de la filtrabilité finale de la bouillie de neutralisation obtenue. L'analyseur de densité disposé sur la ligne 37 agissant sur la vanne 38 assure cette fonction. Le bain passe ensuite, par débordement, au compartiment 5 où il reçoit, venant du dispositif d'alimentation 31, un premier apport de solution de base ou de carbonate de neutralisation ; le règlage du débit de cet apport se fait en fonction de la température (85*C max.) ou, dans le cas d'adjonction de carbonate, en fonction du niveau de mousse (dégagement de C02 consécutif à l'attaque du carbonate). La neutralisation se poursuit dans les compartiments 6, 7 suivants toujours avec apport de solutions de base ou de carbonate dont le débit est règlé en fonction des mêmes critères que ci-dessus. Le compartiment 8 reçoit enfin l'apport final de solutions de base ou de carbonate correspondant exactement au rapport stoechiomètrique désiré. Le contrôle de la qualité de la bouillie de neutralisation se fait dans ce compartiment 8 par mesure du pH ou analvse en con tinu, cette fonction étant assurée par l'analyseur de ratio ou le pH mètre disposé sur la ligne 39 agissant sur la vanne 40. La bouillie passe ensuite, par débordement, au compartiment 9. Ce compartiment 9 seul équipé, en 41, d'une régulation de niveau constitue une réserve de filtration, les compartiments 4, 5, 6, 7 et 8 travaillant à niveau constant. Le temps de séjour total dans la cuve est de 6 heures au minimum. La pompe 42 branchée sur le compartiment 9 assure le passage de la bouillie de neutralisation à l'étape suivante dafiltration. Cette filtration s'effectue,de préférence, sur un filtre à bande continue (non représenté). On effectue trois lavages méthodiques à contre courant et par piston liquide, le premier de tes lavages étant assuré à l'aide d'eau distillée chaude (eau de procédé). Le résultat final de ces lavages, qui constitue le filtrat de recyclage des orthophosphates est ramené au poste li de la ligne de neutralisation. La collecte des filtrats s'effectue dans une cuve unique (non représentée) cloisonnée en quatre compartiments pouvant communiquer par débordement dans le sens du filtrat faible vers le filtrat fort. Chaque compartiment de la cuve de collecte des filtrats est équipé d'un agitateur, d'un pompe et d'un système de réchauffage à la vapeur. L'utilisation d'un filtre à bande continue assure une excellente désimprégnation du gâteau en orthophosphates alcalins ; il est inutile de repulper le gâteau à la décharge pour le refiltrer ce qui permet un gain d'investissement. La surface de filtration nécessaire est évaluée en fonction de la qualité d'acide phosphorique utilisée ; elle varie de 0,3 à 0,6 m2 utile par Tonne/jour de P205. La solution obtenue après filtration contient de 200 à 220g/l de Put2 05 ; il est nécessaire de la concentrer à 400-440 g/l pour la suite du process. Cette opération est réalisée dans un concentrateur à double ou triple effet (non représenté). Seul le premier effet pouvant fonctionner par circulation naturelle (siphon thermique), les autres sont équipés de circulations forcées pour éviter l'entartrage rapide des échangeurs. La filtration finale s'effectue sur un filtre presse ou un filtre sous pression à empilement de plateaux (non représenté). Les eaux de lavage (eau distillée) sont dirigées vers un bac, d'où elles sont réinjectées avec un débit régulier vers la neutralisation. La solution concentrée d'orthophosphates est enfin dirigée sur un bac d'ajustage, où s'effectue le contrôle final de qualité les corrections éventuelles nécessaires sont effectuées à ce niveau ; une bonne conduite des opérations précédentes élimine toute intervention. Quand la matière première de départ est constituée par de l'acide phosphorique de voie thermique, c'est-à-dire présentant un degré élevé de pureté, la suite des opérations est grandement simplifiée. C'est ainsi qutil n'est plus nécessaire de prévoir l'étape de purification de l'acide décrite ci-avant et que le procédé se limite à l'étape de neutralisation. La forme de la cuve et le rôle des différents compartiments décrits ci-dessus en référence à la figure 3 restent identiques, à deux exceptions près - le compartiment 4 ne reçoit que l'acide phosphorique et l'eau du procédé (à l'exclusion du filtrat d'orthophosphates de recyclage) - le compartiment 8 est équipé d'une pompe de recirculation qui renvoie le produit sur le compartiment 5. Le débit horaire de cette pompe de recirculation doit être au moins égal au volume total de l'ensemble de la cuve de neutralisation. De même, dans la suite des opérations, il n'est plus nécessaire d'effectuer la concentration de la solution d'orthophospha- tes ce qui élimine, par voie de conséquence, l'étape de filtration finale. Toutes les opérations ci-dessus, qu'elles soient exécutées à partir d'acide phosphorique obtenu par voie humide ou d'acide phosphorique obtenu par voie thermique,peuvent, bien entendu être automatisées par introduction de débitmètres pour le contrôle des fluides, de doseurs pondéraux pour le contrôle des solides et de dispositifs de règlage automatique de proportion et de ratio entre l'acide phosphorique et l'agent de neutralisation. Les avantages du procédé de fabrication en cuve unique de solutions d'orthophosphates alcalins sont très nombreux et ressortent clairement de la description qui précède. C'est ainsi que l'investissement en cuves de réaction est réduit au minimum, ainsi que l'investissement en occupation du sol et en génie civil. L'installation de mise en oeuvre du procédé est très compacte, donc facile à surveiller et à conduire par les opérateurs de fabrication. La circulation méthodique des produits dans les différents compartiments de la -ou des- cuve unique garantit l'homogénéité des mélanges réactionnels et le respect des cinétiques de réac- tion. Enfin, on peut assurer une marche en continu, le cas échéant automatisé avec une garantie absolue de la qualité des produits finals obtenus. Comme il va de soi, et comme il ressort de ce qui précède, la présente invention ne se limite pas aux seuls modes de réalisation décrits à titre d'exemple, des lignes de purification et de neutralisation permettant la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Elle en embrasse au contraire toutes les variantes de réalisation, quels que soient notamment les dispositifs adoptés pour les différentes opérations d'amenée des matières pre mières et de filtration des produits finals, la forme de la ou des cuves uniques etc... - REVENDICATIONS 1 - Procédé de fabrication de solutions d'orthophosphates alcalins par neutralisation d'acide phosphorique de voie humide ou de voie thermique, caractérisé en ce que l'étape de neutralisation est effectuée en continu et en cuve unique. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape préliminaire de purification de l'acide phosphorique de voie humide est effectuéeen continu et en cuve unique. 3 - Procédé selon la revendication 1 et la revendication 2, caractérisé en ce que le mélange homogène des matières réactionnelles à l'intérieur de la cuve unique est assuré par un système de circulation par chicane entre les différents compartiments de ladite cuve unique, ces différents compartiments communiquant entre eux alternativement par une ouverture ménagée dans la partie inférieure de la cloison les séparant et par débordement, ou vice-versa. 4 - Procédé selon la revendication 1 et la revendication 3, caractérisé en ce que la cuve unique est divisée en six compartiments et les deux premiers compartiments communiquent entre eux par débordement. 5 - Procédé selon les revendications 2 et 3, caractérisé ce que la cuve unique est divisée en trois compartiments et les deux premiers compartiments communiquent entre eux par une ouverture ménagée dans la partie inférieure de la cloison les séparant. 6 - Procédé selon l'une quelconque des revendications i à 5, caractérisé en ce que les étapes successives de purification et de neutralisation sont effectuées en discontinu. 7 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les étapes de purification et de neutralisation sont effectuées en continu. 8 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 2, 3, 5, 6 et 7, caractérisé en ce que les différents stades de l'é- tape de purification sont automatisés. 9 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1, 3, 4, 6 et 7, caractérisé en ce que les différents stades de l'étape de neutralisation sont automatisés. 10 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : traitement, en continu et en cuve unique à trois compartiments, de l'acide phosphorique de voie humide avec du charbon actif, du calcaire et du fer en poudre afin d'éliminer les matières organiques et l'acide sulfurique résiduel et de réduire le fer et le vanadium présents dans la solution, sous forme de phosphates, filtration de cette solution acide, neutralisation de la solution acide obtenue, en continu et en cuve unique à six compartiments, à l'aide de bases en solutions concentrées ou de carbonates alcalins en poudre ou granulés, filtration pour éliminer les phosphates ou hydroxydes métalliques précipités au cours de la neutralisation, cette filtration étant également effectuée en continu et les collectes des différents filtrats étant effectuées en cuve unique cloisonnée en compartiments communiquant par débordement, concentration de la solution d'orthophosphates pour l'amener au titre voulu et filtration pour éliminer les phosphates métalliques résiduels insolubilisés par l'augmentation du niveau de concentration. 11 - Procédé selon revendication 10, caractérisé en ce que la filtration de la bouillie de neutralisation est effectuée sur un filtre à bande continu et la filtration finale est effectuée sur filtre-presse. 12 - Procédé selon les revendications 10 et 11, caractérisé en ce que dans le traitement en continu et en cuve unique à trois compartiments de purification de l'acide phosphorique de voie humide, le calcaire et le charbon actif sont introduits sous agitation par l'intermédiaire d'un cône de mouillage dans le premier compartiment en même temps que l'acide phosphorique et l'eau de dilution, la température de ce premier compartiment étant maintenu à 850C, que le mélange passe dans le deuxième compartiment par une ouverture ménagée à la base de la cloison séparant les deux premiers compartiments, que le fer en poudre est introduit sous agitation dans le deuxième compartiment dont la température est maintenue à 85-C et éventuellement dans le troisième compartiment muni d'un système d'agitation et dont la température est maintenue à 750C, la circulation entre le deuxième et le troisième compartiment étant assurée par débordement et que le troisième compartiment, seul muni d'une régulation de niveau, constitue une réserve de filtration en même temps qu'un tampon de volume et que dans le traitement en continu et en cuve unique à six compartiments de l'acide phosphorique obtenu ci-dessus, le premier compartiment reçoit sous agitation l'acide phosphorique traité, additionné des filtrats et jus de lavage de purification et le filtrat de recyclage des orthophosphates, le deuxième compartiment, qui communique avec le premier par débordement, reçoit, sous agitation, une partie de la solution de base ou du carbonate, cette addition se poursuit toujours sous agitation dans les trois compartiments suivants, le deuxième compartiment communiquant avec le troisième par une ouverture ménagée dans la partie basse de la cloison les séparant, le troisième communiquant avec le quatrième par débordement et ainsi de suite, le règlage du débit de soude ou de carbonate se fait en fonction de la température (850C max.) ou de niveau de mousse obtenu, l'avant dernier compartiment reçoit l'apport final de base ou de carbonate correspondant exactement au rapport stoechiométrique désiré sous contrôle d'un analyseur en continu et le dernier compartiment, seul muni d'une régulation de niveau constitue une réserve de filtration.. 13 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1, 3, 4 et 9, caractérisé en ce qu'il comporte une étape unique de neutralisation, en continu et en cuve unique à six compartiments, d'acide phosphorique de voie thermique, ledit acide additionné de la quantité d'eau nécessaire étant introduit dans le premier compartiment, les bases ou les carbonates alcalins étant introduit dans les quatre compartiments suivants, une recirculation du bain étant prévue entre le cinquième et le deuxième compartiment, le premier compartiment communiquant avec le deuxième par débordement, le règlage du débit de soude ou de carbonate étant effectué en fonction de la température (85-C max) ou du niveau de mousse obtenu,l'avant dernier compartiment recevant l'apport final de base ou de carbonate correspondant exactement au rapport stoechiométrique désiré, sous contrôle d'un analyseur en continu, les orthophosphates, à la concentration désirée, étant réunis dans le dernier compartiment seul équipé d'une régulation de niveau et constituant un tampon de volume.