Brevet FR2496632A1 — publié le 19820625

PROCEDE AMELIORE DE CARBOCHLORATION DE L' ALUMINE EN BAIN DE SELS FONDUS L'invention concerne un procédé amélioré de formation de chlorure d'aluminium anhydre par carbochloration de l'alumine en bains de sels fondus. Depuis longtemps déja, il est connu de produire du chlorure d'aluminium par carbochloration d'un minerai alumineux ou bien par carbochloration de l'alumine obtenue par l'attaque d'un minerai en contenant. L'importance économique que revêt l'obtention industrielle du chlorure d'aluminium pour les applications catalytiques ou pour la production électrolytique de l'aluminium, a conduit l'honiine de l'art a effectuer des recherches approfondies en ce domaine. C'est ainsi que de nombreux procédés ont été décrits dans la littérature spécialisée, qui concernent les procédés de production du chlorure d'aluminium anhydre par carbochloration de l'alumine en phase tourbillonnaire, ou en bains de sels fondus. Le premier type de procédé, illustré par le brevet français 1 481 390 décrit la carbochloration de l'alumine avec l'obtention du chlorure d'aluminium anhydre. Selon ce procédé, le chlorure d'aluminium anhydre est obtenu par réaction avec de l'alumine en couche tourbillonnaire de chlore et de charbon à faible teneur en cendres, à des températures comprises entre 4500C et 6000C en utilisant le caractère exothermique de la réaction les reactifs solides pouvant être introduits séparément ou en mélange. On peut ainsi produire, en régime continu, du chlorure d'aluminium anhydre qui est entraîné à l'état gazeux avec les gaz d'échappement pour être condensé dans une zone refroidie à cet effet. Bien qu'il soit ainsi possible d'obtenir, de manière simple, du chlorure d'aluminium anhydre en un seul stade par réaction du chlore et du charbon avec de l'alumine en couche tourbillonnaire, ce procédé exige que l'on utilise un charbon à faible teneur en cendres, celles-ci ne devant pas être supérieure à 1 t. De plus, pour assurer un cours correct de la réaction précitée, les granulométries de l'alumine et du charbon mis en oeuvre, doivent être similaires et, de préférence, identiques, de telle sorte qu'il ne se produise pas une démixtion du lit au cours de la carbo chloration. En outre, la pratique d'un tel procédé exige l'usage d'une alumine à haute surface spécifique, en particulier de l'alumine , pour disposer d'une réactivité suffisante. teins, cette alumine particulière à haute surface spécifique, est plus fortement hydratée qu'une alumine a, par exemple, et, de ce fait, est à l'origine d'une perte importante de chlore par formation d'acide chlorhydrique. Enfin, comme l'alumine utilisée est généralement d'origine Bayer, elle est accompagnée, en tant qu'impûi'etés de sodium sous une forme oxydée, qui se comble, lors de la réaction de carbochloration en lit fluidisé, en formant du chloroaluminate de sodium dont une fraction est entraînée par tension de vapeur avec les effluents gazeux, tandis que l'autre fraction restant dans le réacteur, provoque des agglutillations des matériaux formant le lit fluidisé et une démixtion dudit lit. Le deuxième type de procédé, qui concerne la carbochloration de 1 'alumi- ne en bains de sels fondus, illustré par le brevet français 2 334 625, coIlsiste à mettre en contact, dans un bain de sels fondus formé d'au moins un chlorure de métal alcalin et/ou alcaliî-terreux et de chlorure d'aluminium, de l'alumine avec une source de chlore en présence d'un agent reducteur non gazeux, tel que le carbone, le chlorure d'aluminium anhydre étant recueilli à la sortie du bain sous une forme gazeuse. Cependant, ce type de procédé, bien que produisant du chlorure d'aluminium anhydre d'une pureté suffisante pour la production électrolytique de l'aluminium, n'est pas assez efficace pour disposer d'un rendemeni en production horaire du chlorure d'aluminium qui puisse satisfaire pleinement l'honnne de l'art. En effet, l'alumine est introduite dans le bain de sels fondus sous sa forme la plus habituelle, c'est-à-dire sous la forme d'une fine poudre blanche, ainsi-que l'agent réducteur tel que le carbone, réduit à la même dimension. Le chlore destiné à la carbochloration de l'alumine est alors insufflé en continu dans le bain de sels fondus en proportion stoéchiométrique, dans lequel ont été immergés des diffuseurs gazeux, de types connus, tels que, par exemple, des anneaux de quartz, ces diffuseurs provoquant la forma tion d'un très grand nombre de bulles gazeuses de très petites dimensions qui entrent en contact avec les grains élémentaires d'alumine et de carbone en suspension dans le bain soumis a une agitation.Malgré la présence de ces diffuseurs pour la phase gazeuse, une fraction seulement du chlore introduit dans le bain pourrait réagir avec 1'alumineet'e carba ne, tndisqáutre fraction serait évacuée de l'enceinte de carbochloration avec le chlorure d'aluminium vaporisé, si l'on n'utilisait pas des solutions coûteuses, telles que, par exemple, celle qui consisterait à pratiquer une agitation forcée dans un milieu à haute température et particulièrement agressif, tout en respectant des conditions d'étanchéité difficilement compatibles avec les impératifs d'une production industrielle sécurité, fiabilité, maintenance. En dehors des difficultés précitées, ce manque de contact intime entre les matériaux solides, liquides et gazeux, serait à l'origine d'une production horaire de chlorure d'aluminium anhydre par mètre cube de bain relativement faible, malgré toutes les tentatives faites jusqu'à ce jour. Consciente de l'intérêt que peut offrir à l'thonine de l'art un procédé d'obtention de chlorure d'aluminium par carbochloration de l'alumine en bains de sels fondus, mais consciente également des inconvénients attachés aux procédés décrits antérieurement dans la littérature spécialisée, la demanderesse, poursuivant ses recherches, a trouvé et mis au point un procédé perfectionné de carbochloration de l'alumine, dont la production horaire est très améliorée, sans qu'il soit nécessaire d'avoir recours à des solutions complexes et coûteuses. Selon l'invention, le procédé de production par carbochloration de chlorure d'aluminium, qui consiste à mettre en contact une source d'alumine et un agent de chloration en présence d'un agent réducteur dans un bain de sels fondus contenant au moins un halogénure alcalin ou alcalinoterreux, se caractérise par le fait que la source d'alumine est introduite dans la masse de sels fondus sous une forme élaborée d'agglomérats, confectionnés par agglutination. Le bain de sels fondus, dont les compositions ont été très largement di vulguées par la littérature spécialisée, se compose en général d'un mélange d'au moins un halogénure alcalin et/ou alcalino-terreux avec du chlorure d'aluminium. Parmi les halogénures qui peuvent être introduits, il a été remarqué comme souhaitable d'utiliser les chlorures de métaux alcalins et/ou alcalino-terrewx, de préférence les chlorures de lithium, de sodium, de potassium, ainsi que les chlorures de calcium, de baryum et de magnésium. Le bain de sels fondus, comme cela a déji été dit, comprend également dans sa masse foildue de 2 à 60 , mais, de préférence, entre 10 t et 50 % en masse molaire de chlorure d'aluminium anhydre. La tempélature du bain de sels fondus destiné à la carbochloration selon l'invention, se situe entre son point de fusion et son point d'ébullition dans les conditions d'utilisation. La demanderesse a constaté que l'intervalle de températures pratiquées se situait entre 4500C et 9000C, mais que la zone de température préférentielle se situait entre 600 C et 800 C L'agent chloré utilisé dans le cadre de l'invention est généralement le chlore gazeux. Cependant, d'autres sources chlores peuvent être également utilisées telles que, par exemple, CCl4, C2C16, etc... ou leurs mé- langes.L'agent chloré est introduit dans le milieu réactionnel en une quantité au moins stoéchiométrique par rapport à l'alumine à carbochlorer. L'agent réducteur employé dans le cadre de la carbochloration est, dans la majorité des cas, sous forme solide. Cet agent est très préférentiellement du carbone, mais peut être éventuellement choisi parmi d'autres réducteurs bien connus. Quand le réducteur est le carbone, il provient des sources habituelles bien connues de l'homme de l'art, c'est-à-dire les charbons, le pétrole et leurs dérivés. Cet agent réducteur est mis en oeuvre après avoir éventuellement subi un traitement de purification ainsi qu'un traitement de broyage, de telle manière qu il se présente sous l'aspect de particules solides de faibles dimensions, comprises par exemple entre 0,2 et 200 mm, mais, de préférence, entre 0,5 et 8 mm. Comme cela a déjà été exprimé, la source d'alumine est introduite dans le bain de sels fondus, destiné à la carbochloration, sous une forme élaborée d'agglomérats confectionnés par agglutination. En effet, lors des nombreuses expériences l'ayant conduit à l'objet de l'invention, la de manderesse a constaté que l'introduction, dans le bain de sels fondus, de l'alumine sous sa forme la plus habituelle, c'est-à-dire sous la ford'une fine poudre blanche, nécessitait l'usage de diffuseurs gazeux de type connu immergés dans ledit bain, tels que, par exemple, des anneaux de quartz, pour le mélange gazeux de chloration insufflé en continu dans le milieu de carbochloration, ces diffuseurs provoquant la formation d'un très grand nombre de bulles gazeuses de très petites dimensions,qui entrent en contact avec les grains élémentaires d'alumine et de carbone en suspension dans le bain soumis à agitation. En l'absence de solutions techniques conpwlexes et/ou coûteuses, telles que, par exemple, une agitation forcée du bain ou une augmentation conséquente de la hauteur du bain, comme cela a été exprimé précédemment, la seule présence des diffuseurs gazeux est insuffisante pour assurer une production lioraire de chlorure d'aluminium acceptable. Le manque de contact intime entre la fraction gazeuse insufflée, formée par-exerple-de chlore la fraction liquide de sels fondus et la fraction solide constituée du mélange d'alumine et de carbone, a conduit la demanderesse à constater, avec une grande surprise, que le rendement réactionnel entre l'alumine, l'agent réducteur carbone et l'agent de chloration insufflé dans le bain de sels fondus, est très fortement amélioré, même en l'absence desdiffuseurs gazeux précités, quand la source d'alumine est introduite dans le bain de sels fondus, sous la forme élaborée d'agglomérats confectionnés par agglutination. La fraction d'alumine, destinée à être agglomérée en vue de la carbochloration selon l'invention, est généralement de l'hydrargillite ou de la boehmite, alumines hydratées découlant de l'attaque alcaline de la bauxite. Mais, elle peut provenir également de la décomposition du chlorure d'aluminium hexahydraté, des sulfates d'aluminium hydratés, des sulfites d'aluminium hydratés, ou de nitrates d'aluminium hydratés, résultant de l'attaque acide de minerais silico-alumineux. De même, les alumines diverses correspondant à des transformations de phases, telles que l'alumine amorphe ou cristalline, par exemple sous la forme alpha, gamma, delta, theta, iota, eta, ki et kappa, peuvent être agglomérées et subissent avec succès la carbochloration selon l'invention.Outre ces diverses origines, la demanderesse a également constaté que la surface spécifique, que pré sentent ces diverses formes d'alumine, n'a aucune influence néfaste sur la carbochloration de l'alumine agglomérée. En d'autres termes, la carbochloration d'agglomérats d'alumines offrant une surface spécifique de 2 m2/g s'effectue avec d'aussi bons résultats que ceux obtenus lors de la carbochloration d'agglomérats d'alumine à 160 m2/g. Ainsi, la carbochloration offre pratiquement la même efficacité, non seulement avec divers types d'alumines, mais également avec un mélange de ces divers types d'alumines. Les agglomérats d'alumine, destinés à être soumis à la carbochloration selon l'invention, sont généralement préparés par les procédés connus de lthoizz.e de l'art. Ainsi, quand est pratiquée l aggSlomtération d'une alumine amorphe, le procédé consiste, co.wne le décrit le brevet français n 1 190 094, a agglomérer avec de l'eau une poudre sèche d'un mélange intime de trihydrate d'aluminium et d'aluminate de soude, ou bien à utiliser le mélange obtenu par séchage d'un gâteau de trihydrate non lavé, à une température comprise entre SD C et 1500C et à broyer ledit gâteau après séchage.La poudre sèche du mélange alumine-aluminate de sodium est introduite dans un granulateur, même temps qu'une quantité adéquate d'eau. Les granu- lés obtenus ont un diamètre compris, par exemple, entre 4 et 6 mm et sont soumis à un traitement thermique. ttis, quand est pratiquée 1 'agglo- mération d'une alumine provenant de la décomposition de chlorure d'aluminium hexahydraté, de sulfates d'aluminium hydratés, de nitrates d'aluminium hydrates, de sulfites d'aluminium hydratés, cette agglomération peut être réalisée par exemple selon le procédé décrit dans le brevet français n 2 359 094, qui consiste à compacter un "produit intermédiaire" provenant de la décomposition incomplète d'un des sels d'aluminium hydraté, à granuler le produit compacté et à le traiter thermiquement. Toutefois, la demanderesse a constaté que les agglomérats se prêtant le mieux à la carbochloration en bain de sels fondus, en procurant un rendement horaire élevé de chlorure d'aluminium, sont ceux de formes compactes sensiblement sphériques ou cylindriques, obtenus selon le procéde décrit dans le brevet français n 1 077 163.Ce procédé consiste, d'abord, à déshydrater une alumine hydratée, à une température comprise entre 1500C et 6000C, dans des conditions telles que la vapeur d'eau est éliminée au fur et à mesure de son dégagement, puis à broyer le produit déshydraté, afin d'obtenir la granulométrie la plus favorable au mode d'agglomération envisagé, ensuite, à former les granulés par pressage, filage ou granulation au drageoir, en utilisant comme liant de l'eau dans laquelle un ou plusieurs sels métalliques peuvent être éventuellement en solution, à durcir les agglomérats en les maintenant en atmosphère humide à élever la température du milieu pour accélérer le durcissement sans pour autant -dépasser la température de 1 500C, enfin, à soumettre à un traitement thermique les agglomérats ainsi obtenus, suivant l'usage auquel on les destine. Mais, la demanderesse a constaté avec intérêt qu'il était possible d'alimenter le bain de sels fondus au moyen d'agglomérats mixtes formés d'un mélange d'alumine et de l'agent réducteur, tel que le carbone ou ses dérivés. Enfin, l'alumine peut être introduite dans le bain de sels fondus sous la forme, également élaborée, de barres d'alumine réalisées selon les techniques connues, à partir d'agglomérats d'alumine ou d'agglomérats mixtes de carbone et d'alumine, liés, par exemple, au moyen de sels entrant dans la composition du bain de carbochloration, lesdites barres ayant la propriété de se désagréger dans le bain de sels fondus en libérant les agglomérats d'alumine. La plus grande dimension des agglomérats d'alumine ou des agglomérats mix? tes d'alumine et d'agent réducteur, doit être comprise entre 0,2 et 200 mm, mais, de préférence, entre 0,5 et 8 mm. En pratique, il est souhaitable que les agglomérats d'alumine seule ou d'alumine et de carbone et de deses dérivés soient bien déshydratés selon les procédés de calcination connus, pour éviter, lors de la carbochloration, la formation d'acide chlorhydrique gazeux, au détriment de la carbochloration elle-même, en consommant une fraction de l'agent chloré introduite dans le milieu réactionnel. Enfin, la carbochloration de l'alumine peut être effectuée sous pression de gaz réactionnels, permettant ainsi une meilleure diffusion du mélange gazeux dans le bain de sels fondus. Un tel procédé de carbochloration sous pression permet d'augmenter le rendement de transformation de l'alumine en chlorure d'aluminium. Le bain de carbochloration s'enrichissant en AlCl3, celui-ci est vaporisé dès que la composition du bain le permet. Il est alors entraîné par les effluents gazeux. Le chlorure d'aluminium est séparé de cette fraction gazeuse par tout doyen approprié et connu de l'homme de l'art, tel que, par exemple, par condensation de la vapeur du chlorure d'aluminium dans une chambre de condensation. EXEMPLE 1 On a prépare un bain de sels constitué par un mélange dé chlorure de sodium et de chlorure d'aluminium ayant la composition suivante, exprimée en pour cent de masse molaire Chlorure de sodium ..... 50 % Chlorure d'aluminium ... 50 % Ce bain a été soumis à un chauffage externe afin de provoquer la fusion du mélange de sels, puis il a été introduit dans un réacteur de laboratoire approprié, préalablement garni d'agglomérats d'alumine, de forme sphérique et des agglomérats de carbone, dont les plus grandes dimensions étaient con prises entre 2 et 5 mm, de telle façon que ce garnissage contienne intégralement le bain liquide introduit. La hauteur totale du bain garni était de I,2menvirou. La température du bain était maintenue à 650 C. Puis, on a insufflé dans le bain de sels fondus du chlore gazeux à raison de 65 normaux litres par heure et par litre de bain réel de sels fondus, au moyen d'un diffuseur de gaz permettant le contact intime entre les agglomérats d'alumine et de carbone, le bain et le chlore dispersé au sein dudit bain. Le carbone et 1' alumine consommés étaient remplacés au fur et à mesure. Après que le bain de sels fondus ait été saturé en chlorure d'aluminium, le produit ainsi formé se vaporisait, était entraîné par les effluents gazeux et était recueilli dans une chambre de condensation à raison de 260 g/h et par litre de bain réel de sels fondus. En vue de comparer ce procédé avec l'art antérieur, on a réalisé la pré paration de chlorure d'aluminium anhydre par carbochloration en bains de sels fondus, l'alumine et le carbone (agent réducteur) étant introduits sous la forme d'une fine poudre de granulométrie comprise entre 10 et 200 microns, tandis que toutes les autres conditions étaient égales, par ailleurs, hormis le fait que le réacteur était garni d'anneaux de quartz de diamètre externe de 6 mm. La production de chlorure d'aluminium n'était que de 163 g par heure et par litre de bains réel. EXEMPLE 2 On a préparé, comme dans l'exemple 1, un bain de sels constitué par un mélange de chlorure de sodium et de chlorure d'aluminium selon les proportions précédemment indiquées, qui a été soumis à la fusion de ses composants. Puis, l'on a introduit dans le réacteur de l'exemple 1, des agglomérats mixtes d'alumine et de carbone, de forme sensiblement cylindrique, obtenus par cokéfaction d'lme psate réalisée par malaxage de brai de houille et d'alumine, à la température de 1600C.Cette pâte a ensuite été thermiquement traitée à la température de 9000C pour lui conférer une bonne réactivité. Ces agglomérats comportent en poids 46 % d'M 203 et 54 t de C, dont la plus grande dimension était comprise entre 3 mm et 7 mm. Ces agglomérats constituaient le garnissage du réacteur et contenaient intégralement le bain de sels fondus introduit. La hauteur totale du bain garni était de 1,2m environ. Puis, l'on a ajouté 1450 g d'agglomérats mixtes d'alumine et de carbone par litre de bain réel de sels fondus. La température du bain était alors maintenue à 6500C. Enfin, on a insufflé dans le bain de sels fondus le chlore à raison de 62 normaux litre par heure et par litre de bain réel de sels fondus. L'alumine consommée était remplacée au fur et à mesure. Après que le bain de sels fondus ait été saturé en chlorure d'aluminium, le produit formé se vaporisait, était entraîné par les effluents gazeux et était recueilli dans une chambre de condensation à raison de 245 g par heure, et par litre de bain réel. REVENDIGATIONS 1 / - Procédé de production, par carbochloration, de chlorure d'aluminium anhydre consistant à mettre en contact une source d'alumine et un agent de chloration en présence d'un agent réducteur dans un bain de sels fondus contenant au moins un halogénure alcalin ou alcalino-terreux, caractérisé en ce que la source d'alumine est introduite dans la masse de sels fondus sous la forme d'agglomérats anhydres confectionnés par agglutination. 20/ - Procédé de production, par carbochloration, de chlorure d'aluminium anhydre, selon la revendication 1, caractérisé en ce que les agglo mérats d'alumine anhydres ont leur plus grande dimension comprise entre 0,2 et 700 ?00 mm, mais, de préférence, entre 0,5 et 8 mm. 30/ - Procédé de production, par carbochloration, de chlorure d'aluminium anhydre, selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les agglomérats d'alumine anhydre sont de forme sensiblement sphérique ou cylindrique. 40/ - Procédé de production, par carbochloration, de chlorure d'aluminium anhydre, selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source d'alumine introduite dans le bain de sels fondus, se présente sous la forme de barres, réalisées a partir d'agglomérats d'alumine liés entre eux au moyen de sels entrant dans la composition du bain de carbochloration. 50/ - Procédé de production, par carbochloration, de chlorure d'aluminium anhydre, selon les revendications 1 à 4 prises dans leur ensemble, caractérisé en ce que les agglomérats d'alumine sont obtenus par agglo ration mixte de poudres d'alumine et d'agent réducteur. 60/ - Procédé de production, par carbochloration, de chlorure d'aluminium anhydre, selon la revendicatvion 1, caractérisé en ce que le bain de sels fondus comprend dans sa masse, en dehors de l'halogénure alcalin, de 2 à 60 t, mais, de préférence, de 10 à 50 t en masse molaire de chlorure d'aluminium anhydre. 70/ - Procédé de production, par carbochloration, de chlorure d'aluminium anhydre, selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'agent 'de chloration est introduit dans le bain de sels fondus en proportion stoéchiométrique par rapport à l'aluminium à carbochlorer. 80/ - Procédé de production, par carbochloration, de chlorure d'aluminium anhydre, selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'agent de chloration est le chlore gazeux, le CCl4, le C2C16, ou un mélange de ces agents. 90/ - Procédé de production, par carbochloration, de chlorure d'aluminium anhydre, selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'agent réducteur est le carbone. 100/ - Procédé de production, par carbochloration, de chlorure d'aluminium anhydre, selon la revendication 1, caractérisé en ce que la carbochloration est effectuée sous pression des gaz réactionnels. 110/ - Procédé de production, par carbochloration, de chlorure d'aluminium anhydre, selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'halogénure alcalin ou alcalino-terreux appartient au groupe constitué par les chlorures de lithium, sodium, potassium, calcium, baryum et magnésium. 120/ - Procédé de production, par carbochloration, de chlorure d'aluminium anhydre, selon la revendication 1, caractérisé en ce que la tempéra- ture de carbochloration se situe dans l'intervalle 4500C à 903 C, mais, de préférence, entre 6000C et 800 C.