Brevet FR2533205A1 — publié le 19840323

Procédé pour la production de silice par vaporisation L'invention concerne un procédé pour la formation de silice par vaporisation et en particulier pour la formati on de silice par vaporisation en utilisant un réacteur à plasma. SiC14 est une matière relativement peu coûteuse et est un sous-produit, par exemple, de la production du zirconium à partir de sable zirconié(ZrSiO4) En raison de la présence de silicium dans ce minerai, la phase initiale de la'métallurgie d'extraction du zirconium, après les opérations normales de préparation mécanique duminerai, est la séparation du silicium et du zirconium. Cette séparation est habituellement réalisée par chlorure ration du minerai préparé. L'opéraation de chloruration produit deux courants de produits dont l'un content principalement du chlorure de zirconium, et l'autre principalement du tétrachlorure de silicium (SiC14) Dans la pratique courante, le tétrachlorure de silicium co-produit est généralement considéré comme indésirable du fait qu'il consomme du chlore qui est une matière première onéreuse. La spécification du brevet U.S NO 4 239 750 (Harvey et al.) décrit un procédé pour convertir le tétrachlorure de silicium en silicium métal au moyen d'un appareil de chauffage à l'arc, utilisant un réducteur métallique tel que le sodium, pour former des produits préliminaires de réaction, comprenant de petites particules solides de silicium et des gouttelettes de sel des réducteurs métalliques, à des températures inférieures au point d'ébullition du metal réducteur. L'appareil de chauffage à l'arc (torche a' plasma) est ensuite utilisé pour séparer le silicium du sel. Dans les spécifications des brevets U.S N0 4 080 194 et 4 107 445, on utilise des torches à plasma pour faire réagir les tétrachlorure de titane ou de zirconium avec un métal réducteur, tel que le sodium.Le principal métal produit (par exemple le titane) est séparé du sel (par exemple le chlorure de sodium) pendant que le sel est encore sous la forme de gaz. La silice obtenue par vaporisation est généralement préparée par hydrolyse du tétrachlorure de silicium dans la flamme d'hydrogène et d'oxygène à environ 18000C, produisant de la silice et comme sous-produit de l'acide chlorhydrique. Une certaine proportion résiduelle de chlorure d'hydrogène est absorbée sur la surface de la silice déposée et doit être éliminée en utilisant une étape supplémentaire de calcination. Bien que ce procédé soit utilisé avec succès dans l'industrie et se soit largement répandu, il s'agit d'un procédé travaillant par lots, à phases multiples. De plus, le chlorure d'hydrogène sous-produit pose des problèmes d'évacuation. En conséquence, l'invention a pour objet un procédé pour la production de silice séparée sous forme de vapeur, caractérisé en ce que l'on introduit du tétrachlorure de silicium et de l'oxygène dans un jet de plasma essentiellement exempt d'hydrogène, ce jet de plasma étant chauffé électriquement à au moins 16000C, et l'oxygène étant introduit dans une proportion au moins stoechiométrique pour la formation de Si02, de façon à produire des produits de réaction comprenant de la silice sous forme de vapeur et du chlore gazeux, à refroidir ces produits de la réaction, et à séparer la silice déposée du chlore gazeux et de tout excès d'oxygène. La silice qui se dépose est facilement séparée du chlore sous-produit et de tout excès d'oxygène. I1 est important quetle plasma soit essentiellement exempt d'hydrogène afin de produire du chlore gazeux qui puisse être recyclé. Le procédé est tout spécialement utilisable quand le tétrachlorure de silicium est le sous-produit de l'extraction du zirconium du sable zirconié et quand le chlore gazeux peut être recyclé dans l'opération d'extraction du zirconium. La production de silice obtenue par vaporisation, par hydrolyse courante à la flamme, est remplacée par l'utilisation d'un réacteur à plasma dans lequel l'oxy- gène et le tétrachlorure de silicium sont injectés dans le jet de plasma. Le réacteur à plasma permet un chauffage rapide du tétrachlorure de silicium pour permettre la formation de silice en phase vapeur. Le refroidissement rapide de cette vapeur permet une condensation homogène de silice en poudre ultrafine ayant les propriétés caractéristiques du produit obtenu par vaporisation. Du fait que l'arc électrique du réacteur à plasma fournit l'énergie nécessaire pour la réaction à haute température, il n est pas nécessaire qu'il se trouve une quantité appréciable d'hydrogène dans le système.Il peut cependant être nécessaire d'introduire une petite fraction d-'hydrogène dans le jet afin de former des groupes hydroxyles sur la surface de la silice produite. Ces groupes assurent des propriétés spéciales d'activité de surface dans les silices obtenues par vaporisation pour le commerce. La quantité d'hydrogène ne dilue pas d'une façon importante le C12 pur co-produit. IL en résulte que ce co-produit pèut être recueilli sous forme due gaz pour être recyclé, car il est sensiblement pur. La figure 1 donne une vue schématique d'un réacteur à plasma pour cette opération. La forme de la torche à plasma n'a pas une importance déterminante, mais peut être conforme au dessin que montrent les spécifications des brevet U.S 4 080 149, 4 107 445 ou 4 239 740 mentionnées ci-dessus. En général, ces modèles utilisent des électrodes en cuivre refroidies à l'eau. Le tétrachlorure de silicium peut se trouver sous la forme liquide ou gazeuse, et peut être injecté dans le jet de plasma soit par injection en passant par la torche, soit par injection dans la queue du plasma d'oxygène comme le montre la figure 1. L'oxygène peut aussi être injecté dans la queue du plasma ou par passage dans la torche, mais au moins un gaz doit être injecté en passant dans la torche. Après une réaction rapide, la silice est refroidie et se rassemble dans la base de la chambre sous forme solide. Le mélange d'oxygène et de chlore gazeux est alors enlevé pour être de préférence séparé et réutilisé. Dtaprès la figure 1, l'oxygène est fourni, par une entrée d'oxygène 10, à la torche de plasma 12 où un arc électrique chauffe l'oxygène à environ 2200OC. Le jet de plasma d'oxygène 14, sortant de la torche à plasma 12 entre dans la chambre de réaction 16 où le SiC14 est in jecté par des orifices d'entrée 18 dans la queue du jet de plasma 14. La silice produite par vaporisation est collectée dans la chambre de refroidissement 20. Le chlore gazeux et l'excès d'oxygène passent par le filtre 22 et vont à l'appareil de séparation de gaz (qui n'est pas illustré). En variante, on peut utiliser un appareil électroniqu-e de précipitation pour éviter l'utilisation d'un filtre. La réaction s' opère en général dans un ordre de grandeur de la température de 2000 à 30000C. Bien que l'on puisse utiliser des températures plus élevées, cette élévation supplémentaire n'est pas nécessaire Bien que l'on puisse introduire des gaz inertes dans le jet de plasma, il est préférable d'utiliser de l'oxygène et du tétrachlorure de silicium relativement purs. La figure 2 est un graphique des écoulements, illustrant l'utilisation de ce procédé en conjonction avec l'extraction du zirconium métal à partir du sable zi-rconié. L'extraction du zirconium a pour résultat de donner d'importantes quantités de tétrachlorure de silicium comme sous-produit. Cette invention permet d'utiliser ce tétrachlorure de silicium qui est normalement vendu à bas prix, comme matière première pour la production de silice par vaporisation, et permet de recycler le chlore pour le traitement initial du sable zirconié. La forme particulière de chauffage électrique permettant de produire un jet de plasma n'a pas à être constituéepar l'appareil de chauffage à l'arc décrit, mais exige seulement la production d'un jet de plasma ne contenant sensiblement pas d'hydrogène. On peut aussi faire, par exemple, appel au chauffage haute fréquence pour produire le jet de plasma. REVENDICATIONS 10) Procédé de production de silice par vaporisation caractérisé en ce que l'on introduit du tétrachlorure de silicium (en 18) et de l'oxygène (en 10) dans un jet de plasma (14) essentiellement exempt d'hydrogène, ce jet de plasma étant chauffé électriquement à au moins 16000C, et l'oxygène étant introduit dans une proportion au moins stoechiométrique pour la formation de SiO2, de façon à produire des produits de réaction comprenant de la silice sous forme de vapeur et du chlore gazeux, à refroidir ces produits de la réaction, et à séparer la silice déposée (en 20) du chlore gazeux et de tout excès d'oxygène. 20) Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on utilise un excès d'oxygène, et qu'après que la silice déposée par vaporisation a été séparée, on sépare essentiellement le chlore gazeux de cet excès d'oxygène. 30) Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le tétrachlorure de silicium est un sous-produit de l'extraction du zirconium à partir du sable zirconié et que le chlore gazeux est recyclé dans l'opération d'extraction du zirconium. 40) Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le jet de plasma est à une température qui se situe entre 2000 et 30000C.