Brevet FR2502507A1 — publié le 19821001

La présente invention concerne un procédé, et une installation pour mettre en oeuvre ce procédé, pour réaliser l'échange de masse à contre-courant entre deux phases de densités différentes, en particu- lier entre une phase liquide et une phase solide telle qu'une résine échangeuse d'ions, ou entre deux phases liquides non miscibles. Ce procédé est applicable à toute technique d'échange liquide-solide ou liquide-liquide et plus particulièrement en hydrométallurgie pour la récupération d'ions métalliques sous forme concentrée, à partir de solutions d'attaque de minerais tels que minerais d'uranium par exemple. De nombreux procédés ont déjà été décrits, concernant l'échan- ge ionique entre une phase liquide que l'on désire épurer et des parti- cules solides telles que des résines échangeuses d'ions, le liquide et les résines échangeuses d'ions circulant à contre-courant dans au moins un récipient. Ces procédés d'échange d'ions fonctionnent en conti- nu ou en discontinu, en lit fluidisé ou compact. Les difficultés rencon- trées dans l'application de ces divers procédés concernent la circulation des résines et proviennent principalement de la nécessité d'évacuer les résines plus ou moins saturées au cours de l'échange par les composants éliminés de la phase liquide circulant à contre-courant, ce qui réduit progressivement l'efficacité du procédé. Généralement la circulation de la phase liquide est interrompue pour permettre le transfert des résines saturées par pompage. D'autres procédés, comportant un transfert de résines en continu, présentent l'inconvénient de ne pouvoir transférer qu'une partie des résines suivant leur granulométrie, les résines de même granulométrie demeurant dans la même zone de contact; or même en cas d'homogénéité initiale de la granulométrie des résines, cette granulométrie se trouve rapidement modifiée par usure ou attrition. Pour remédier à ces inconvénients, il a été proposé de transfé- rer la phase solide, en l'occurance les résines échangeuses d'ions, par insufflation d'air comprimé, ce qui nécessite une source d'énergie supplémentaire, présente des risques de bouchage de la tuyauterie de transfert et de formation de mousses dans le cas o le liquide à traiter contient des produits tensio-actifs. Un autre procédé connu utilise une colonne d'échange compor- tant une série de zones de contact séparées par des chicanes délimitant une ouverture centrale entre ces zones de contact pour le passage à contre-courant du liquide à traiter et des résines échangeuses d'ions, celles-ci étant recyclées d'une zone à l'autre par pompage d'un débit circulant en circuit fermé dans ces deux zones. Ce procédé présente plusieurs inconvénients: l'importance du débit recyclé entrai-e un déséquilibre hydraulique local au niveau de l'ouverture centrale entre les chicanes; cette zone très perturbée nuit fortement à l'échange ionique; ce recyclage d'une zone à l'autre- implique l'utilisation d'éléments filtrants d'entretien difficile; en outre il nécessite plusieurs pompes. La présente invention pallie ces divers inconvénients. Le procédé selon l'invention concernant l'échange de masse à contrecourant entre deux phases A et B non miscibles de densités différentes consiste: - à faire circuler à contre-courant, en continu la première phase A liquide, et en discontinu la deuxième phase B liquide ou solide, d'une extrémité à l'autre d'une colonne verticale, comportant une pluralité de chambres superposées - l'une des chambres de la colonne étant vide, en vue d'y trans- férer la'phase B solide ou liquide, se trouvant dans la chambre immédia- tement supérieure, à isoler les deux chambres de toute alimentation tant en phase B solide, qu'en phase A liquide - à dériver une faible quantité du débit de phase liquide A con- tinuant à alimenter les autres chambres de la colonne - à introduire la partie ainsi dérivée du débit de phase A liquide dans la chambre superposée à la chambre vide pour l'entraî-îement de la phase B solide ou liquide s'y trouvant dans la chambre inférieure vide - et à réintroduire cette partie prélevée du débit A dans le circuit suivi par cette phase; et ainsi de suite au fur et à mesure que la phase B est transférée d'une chambre à l'autre; la circulation continue de la phase A et le transfert de la phase B d'une chambre à l'autre étant assurés par une pompe 3 3unique. La partie dérivée du débit principal de la phase A liquide permet- tant d'entrafrer la phase B d'une chambre à l'autre est avantageusement comprise entre 5 et 20 % de ce débit principal. La première phase liquide A circule en continu de bas en haut de la colonne quand la deuxième, phase B liquide ou solide, a une den- sité supérieure à celle de la phase A. La phase A circule en continu de haut en bas de la colonne quand la phase B circulant en discontinu a une densité inférieure à celle de la phase A. L'échange de masse à contrecourant suivant l'invention est réalisé en lit fluidisé ou en lit compact. L'invention concerne également une installation pour la mise en oeuvre du procédé, constituée par: - une colonne verticale comportant une pluralité de chambres superposées, chaque chambre étant munie d'une entrée et d'une sortie pour la circulation des deux phases d'une extrémité à l'autre de la colonne, et en sens inverse l'une de l'autre, 20. une pluralité de vannes pour alimenter en continu et suc- cessivement, en phase A les différentes chambres de la colonne, suivant un débit déterminé, une pluralité de vannes pour isoler, à un instant donné, deux chambres superposées de la colonne, dont l'une, la chambre inférieure, est vide de phase B, du débit de phase A et pour y dériver une partie du débit, avantageusement comprise entre 5 et ZO % du débit de phase A; cette partie dérivée du débit étant utilisée pour transférer la phase B contenue dans la chambre supérieure, dans la chambre inférieure, vide de cette phase> - une colonne d'équilibrage pour recevoir cette partie dérivée du débit de phase A et la recycler dans un bac tampon d'alimentation en continu de l'installation en phase A, - une pompe unique pour l'alimentation de l'installation en phase -4- A et le transfert de la phase B d'une chambre à l'autre. La description qui va suivre permettra de mieux comprendre l'invention. Elle est faite en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 montre schématiquement une installation pour la mise en oeuvre du présent procédé, - les figures 2 et 3 montrent schématiquement les dispositifs de distribution et d'évacuation des phases liquide et solide dans cette chambre. Il est bien précisé qu'il s'agit d'un exemple, non limitatif, dans lequel la phase A est une phase liquide, la phase B est une phase solide constituée par des résines échangeuses d'ions; l'échange de masse est réalisé en lit fluidisé. L'installation suivant l'invention consiste en une colonne verti- cale 10 comportant 7 chambres superposées 1 à 7. Cette colonne est alimentée en continu en une phase liquide à partir d'un bac tampon 20 au moyen d'une pompe 30 par une tuyauterie 40 sur laquelle sont pré- vues des vannes 13, 23, 33 etc... dont on verra le rôle plus loin, et reliée à chaque chambre par des tuyauteries d'entrée munies de vannes 11, 21, 31 etc... e. des tuyauteries de sortie munies de vannes 12, 22, 32 etc... La phase solide, constituée par des résines échangeuses d'ions, est introduite de façon discontinue à l'extrémité supérieure de la colonne par une tuyauterie munie d'une vanne 85 et passe de chambre en chambre par des tuyauteries munies de vannes 75, 65, 55 etc... pour sortir à la partie inférieure de la colonne par une tuyauterie munie d'une vanne 15. Un débit Q de phase liquide est introduit dans la chambre 1 par ouverture de la vanne 11, la vanne 13 étant fermée, sort de cette chambre par ouverture de la vanne 12, entre dans la chambre 2 par ouverture de la vanne 21, la vanne 23 étant fermée, en sort par ouver- ture de la vanne 22 et ainsi de suite... tandis que la résine circule de la chambre 7 à la chambre 1 par ouverture successive des vannes 75, 65... 25. Suivant l'invention, grâce à l'alimentation discontinue en phase -5solide de la colonne, l'une des chambres, par exemple la chambre 3, est, à un instant donné, vide de phase solide. Conformément à l'invention, on isole de l'alimentation, tant en phase solide qu'en phase liquide, à la fois la chambre 3 et la cham- bre 4 qui lui est immédiatement superposée par fermeture des vannes 31, 32 et 41, 42. En même temps, on ouvre les vannes 33, 43 de façon à continuer à alimenter les autres chambres de la colonne en phase liquide. Toujours conformément à l'invention, on dérive une partie t Q du débit Q en phase liquide alimentant les autres chambres de la colonne, vers la chambre 4, par ouverture des vannes 41 ou 42. Le débit dérivé a Q représentant de 5 à 20 % du débit Q est utilisé pour entraîner la résine de la chambre 4 dans la chambre vide 3 ce transfert est réalisé par ouverture des vannes 41 ou 42, de la vanne 45 disposée sur la tuyauterie de circulation de la résine et de la vanne 34 disposée sur la canalisation reliant la chambre 3 à la colonne d'équi- librage 50. Le débit Q étant faible, la résine se dépose dans la chambre 3; le liquide évacué vers la colonne d'équilibrage est recyclé dans le bac tampon 20 par ouverture de la vanne 19. La chambre 4 se trouve alors vide à son tour et, au cycle suivant, on transfère de la même façon-la résine de la chambre 5 vers la chambre vide 4 par ouverture des vannes 43 et 53, et fermeture des vannes 41, 42; 51 ou 52 avec passage du débit Zl Q par la vanne 51, après ouverture de la vanne 55 pour le passage de la résine entraînée par le débit tC Q de la chambre 5 dans la chambre 4 et ouverture de la vanne 44 pour le recyclage de ce débit vers le bac tampon par l'intermé- diaire de la colonne d'équilibrage et ainsi de suite. Un seul débitmètre 16 disposé à la base de la colonne d'équili- brage contrôle le débit. Q recyclé vers le bac tampon, une seule des vannes 14, 24, 34... étant ouverte. La régulation de ce débit est effectuée par vanne asservie, vanne auxiliaire de détente ou tout autre 6- moyen connu. Le débit Q est contrôlé par un débitmètre non représenté. L'installation se prête à une automatisation de son fonctionnement. Les figures 2 et 3 montrent les organes de distribution et d'évacuation du liquide et de la résine, utilisés dans les chambres 1 à 7. Ces chambres ont des fonds plats, comme le montre la figure 2, ou tronconiques 90 comme le montre la figure 3. L'entrée du liquide est effectuée de préférence par une grille 91 munie d'orifices 9la; sa sortie par une grille 92 constituée de préférence par une ou plusieurs boîtes perforées reliée(s) àune tuyauterie 92a disposée au-dessus du lit de résines échangeuses d'ions atteignant le niveau N, que ce lit soit ou non fluidisé par le courant liquide. Les orifices percés dans les grilles 91 et 92 ont des diamètres de 1 0 à 20 fois supérieur à celui des plus grosses particules de résine. De cette façon l'évacuation des particules de résines qui ont pu s'y déposer est très rapide. Cette évacuation est faite par les canalisations telles que 45a sur lesquelles sont prévues les vannes telles que 45. Un lavage de la résine est avantageusement réalisé dans la chambre 1 par injection dans cette chambre d'un fluide de lavage par une tuyauterie munie d'une vanne 17 avec récupération des effluents concentrés dans le bac tampon par l'intermédiaire de la colonne d'équilibrage, la vanne 14 étant ouverte; et évacuation à l'égoût des effluents pauvres de fin de lavage par ouverture de la vanne 18, et ouverture de la vanne 19. L'installation est particulièrement bien adaptée au traitement de liquides fortement chargés en matières en suspension tels qu'on en rencontre en hydrométallurgie par exemple. En effet, elle ne comporte aucun élément filtrant généralement nécessaire pour arrêter les résines au niveau des grilles de distribution et d'évacuation, et présentant l'in- convénient de se colmater d'autant plus rapidement que le liquide traité est fortement chargé en matières en suspension. Ces éléments filtrants ne sont pas nécessaires dans l'installation suivant l'invention, le liquide circulant toujours dans le même sens à travers les grilles de distribution, -7 - et les grilles d'évacuation, boîtes perforées ou autres étant disposées au-dessus du lit de résines échangeuses d'ions, y compris dans le cas o ce lit est fluidisé. Un autre avantage présenté par l'invention réside dans la limi- tation des risques d'attrition des résines: en effet la totalité des résines étant transférée d'une chambre à l'autre, aucune vanne n'est fermée sur la résine elle-même et il n'y a donc pas possibilité d'attrition. Exemple On a utilisé le procédé suivant l'invention pour faire circuler à contrecourant dans une colonne de 1 m de section comportant 7 chambres superposées, chaque chambre ayant une hauteur de 1, 6 m 1 - de bas en haut en continu une phase liquide de densité 1, 03 contenant 50 g/l de matières en suspension de granulométrie de densité de 1, 15 et de granulométrie comprise entre 0, 4 et 1 mm. La résine est introduite dans la colonne par ouverture des vannes , 65, 55, 45, 35, la vanne 25 étant fermée de façon à ce que la chambre 1 reste vide; chacune des autres chambres contient 500 1 de résines échangeuses d'ions. Le liquide est pompé du bac tampon avec un débit de 18 m3/h; les vannes 11, 12, 21, 22 étant fermées, 13 et 23 ouvertes, une partie A Q 1, 8 m /h du débit Q est dérivée vers la chambre 2. Le liquide passe successivement avec un débit Q - L\ Q de 16, 2 m3/h dans les chambres 3, 4, 5, 6, 7 dans lesquelles s'effectue l'échange ionique. Le débit A Q de 1, 8 m /h introduit dans la chambre 2 par ouverture des vannes 25, 14 et 21 ou 22 entraîne les 500 1 de résine qui s'y trouvent de la chambre 2 dans la chambre 1; ce débit est recyclé dans le bac tampon par la colonne d'équilibrage. Au cycle suivant c'est la chambre 2 qui se trouve vide de résine. On isole alors les chambres 3 et 2 de la même façon puis 3 et 4, 4 et 5, etc... Le transfert de résine d'une chambre à l'autre est réalisé en 18 minutes. Le fait d'utiliser une partie A Q du débit pour effectuer le trans- fert des résines ne gêne pas la réaction d'échange: quand l'expansion des résines est de 95 % dans les chambres o passe le débit Q, par exemple -8 - les chambres I et 2 au moment du transfert des résines de la chambre 4 dans la chambre 3, le lit de résine atteignant dans ces chambres 1 et 2 une hauteur de 98 m, l'expansion des résines est de 85 % dans les chambres supérieures 5, 6, 7 o passe le débit Q - a Q. le lit de rési- ne s ayant une hauteur de 92 cm. Les grilles d'entrée et de sortie du liquide étant respectivement munies d'orifices de 10 et 15 mm, on n'a observé aucun entraîhement de résines dans les grilles, ni aucun colmatage des différents organes de la colonne. -9- REVENDICATIONS 1 - Procédé pour l'échange de masse à contre-courant entre deux phases A et B, non miscibles de densités différentes, par exemple l'une A, liquide; l'autre B, liquide ou solide; les deux phases circu- lant en sens inverse l'une de l'autre, d'une extrémité à l'autre d'une colonne verticale comportant une pluralité de chambres superposées, caractérisé en ce qu'il consiste: - à faire circuler en continu la première phase A liquide, et en discontinu la deuxième phase B liquide ou solide, - l'une des chambres de la colonne étant vide, en vue d'y trans- férer la phase B solide ou liquide, se trouvant dans la chambre immé- diatement supérieure, à isoler les deux chambres de toute alimentation tant en phase B solide, qu'en phase A liquide, - à dériver une faible quantité du débit de phase A liquide conti- nuant à alimenter les autres chambres de la colonne, - à introduire la partie ainsi dérivée du débit de phase A liquide dans la chambre superposée à la chambre vide pour l'entrafhement de la phase B solide ou liquide s'y trouvant dans la chambre inférieure vide, - et à réintroduire cette partie prélevée du débit de phase A dans le circuit suivi par cette phase. 2 - Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce que la quantité a Q dérivée du débit Q de la phase A utilisée pour trans - férer la phase B d'une chambre à l'autre, est de 5 à 20 % du débit con- tinu Q de ladite phase A. 3 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que la phase B ayant une densité supérieure à celle de la phase A, ladite phase A circule en continu de bas en haut de la colonne, la phase B circulant en discontinu dans le sens inverse de celui de la phase A. 4 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications précé-. dentes, caractérisé en ce que la phase B ayant une densité inférieure à celle de la première phase A, ladite phase A circule en continu de haut - 10 - en bas de la colonne, la phase B circulant en discontinu dans le sens inverse de la phase A. - Procédé suivant l'une quelconque des revendications précé- dentes caractérisé en ce que la phase B est une résine échangeuse d'ions. 6 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications précé- dentes caractérisé en ce que l'échange de masse est réalisé en lit fluidisé. 7 - Installation pour mettre en oeuvre le procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle est constituée par: - une colonne verticale comportant une pluralité de chambres superposées, chaque chambre. étant munie d'une entrée et d'une sortie pour la circulation sous l'effet d'une pompe unique des deux phases A et B d'une extrémité à l'autre de la colonne, et en sens inverse l'une de l'autre une pluralité de vannes pour alimenter en continu et suc- cessivement, en phase A les différentes chambres de la colonne, suivant un débit déterminé 20. une pluralité de vannes pour isoler, à un instant donné, deux chambres superposées de la colonne, dont l'une, la chambre inférieure, est vide de phase B, du débit de phase A et pour y dériver une partie du débit, avantageusement comprise entre 5 et 20 % du débit de phase A; cette partie dérivée du débit étant utilisée pour transférer la phase B contenue dans la chambre supérieure, dans la chambre infé- rieure, vide de cette phase. 8 - Installation suivant la revendication 7, caractérisée en ce que les organes assurant l'alimentation des chambres superposées de la colonne en phase liquide et son évacuation de ces chambres, présen- tent des orifices d'un diamètre très supérieur - avantageusement de 10 à 20 fois - à celui des plus grosses particules de la phase solide. 9 - Installation suivant l'une quelconque des revendications 7 ou 8, caractérisée en ce que les chambres de la colonne ont un fond plat, bombé ou tronconique.