Brevet FR2587325A1 — publié le 19870320

PROCEDE DE PREPARATION DE CHLORURE D'ALUMINIUM PAR CARBOCHLORATION DE MATIERES ALUMINEUSES La présente invention concerne un procédé de préparation de chlorure d'aluminium par carbochloration d'une matière alumineuse au moyen d'une matière carbonée et d'une composition gazeuse à base de chlore. Le procédé de préparation traditionnel de chlorure d'aluminium consiste à faire réagir du chlore gazeux sur de l'aluminium. Ce procédé est toutefois onéreux en raison du coût élevé de l'aluminium, métal dont la fabrication nécessite une forte consommation d'énergie électrique. D'autres procédés, dits de carbochloration, consistent à faire réagir du chlore et du carbone, ou un agent de carbochloration susceptible de libérer du chlore et de l'oxyde de carbone tel que, par exemple, le phosgène, sur une matière alumineuse. Les équations chimiques suivantes expriment les principales réactions susceptibles de se produire entre la matière alumineuse, le carbone, le chlore et le phosgène utilisé en tant qu'agent de chloration: 2 A1203 + 3 C + 6 C12 > 4 A1C13 + 3 C02 A]203 + 3 C + 3 C12 > 2 AlC13 + 3 CO A1203 + 3 COC12 2 AlC13 + 3 CO 2 Il est connu par le certificat d'utilité français n 74 32698, publié sous le numéro 2 272 038, de préparer du chlorure d'aluminium par carbochloration selon une technique qui consiste à fragmenter séparément ou ensemble une matière alumineuse et une matière carbonée, à former un mélange intime desdites matières, à amener le mélange sous forme de briquettes par compactage, à le calciner, puis à le soumettre à une opération de chloration au moyen d'un courant gazeux contenant du chlore. Cependant le compactage nécessite des pressions élevées pouvant -2 - atteindre 15 t/cm2. De plus la réactivité des briquettes est faible, ce qui se traduit par un faible rendement en chlore R de l'opération de chloration défini par: Quantité de chlore (libre ou combiné sous forme d'acide chlorhydrique ou de phosgène) présent dans les gaz après chloration R= ( 1 -) x 100 Quantité de chlore mis en oeuvre Il est également connu par le certificat d'utilité français n 74 32698, publié sous le numéro 2 272 038, de préparer du chlorure d'aluminium par carbochloration selon une technique qui consiste à fragmenter séparément ou ensemble une matière alumineuse et une matière carbonée, à réaliser un mélange intime avec un agent liant pour former un gâteau pâteux, à sécher, à granuler et à calciner le mélange, puis à le soumettre à une opération de chloration au moyen d'un courant gazeux contenant du chlore. Cependant la perméabilité du mélange au courant gazeux est faible, ce qui se traduit par un mauvais contact gaz/solide, --l'existence de passages gazeux préférentiels et l'entraînement de poussières. En outre l'une et l'autre des techniques mentionnées ci-dessus présentent un inconvénient rédhibitoire: Elles ne sont pas exploitables industriellement car la présence d'ions alcalins tels que sodium et potassium et d'ions alcalino- terreux tels que calcium et magnésium dans la matière alumineuse conduit à la formation de chloroaluminates à bas point de fusion, de l'ordre de 150 C, qui, lors de l'opération de chloration, provoquent immanquablement la prise en masse du mélange. Le procédé objet de l'invention ne présente pas les inconvénients énoncés ci-dessus. Il permet, industriellement et sans risque de prise en masse du mélange, d'obtenir un rendement en chlore R de l'opération de chloration supérieur à 80 % et pouvant dépasser 89 %, en l'absence de recyclage de la matière carbonée résiduelle. Il permet en outre de réaliser le recyclage de la matière carbonée résiduelle après l'avoir débarrassée, par lessivage à l'eau, des chloroaluminates alcalins et alcalino-terreux, qui se trouvent absorbés par ladite matière carbonée, et, ce faisant, d'augmenter de façon inattendue, toutes choses égales - 3 - par ailleurs, le rendement en chlore R de l'opération de chloration de plus de 3 % en valeur absolue. Selon le procédé de l'invention on réalise une opération de calcination d'un mélange de particules d'une matière alumineuse, de particules d'une matière carbonée et d'un agent liant, puis on réalise, sur le mélange calcine, une opération de chloration au moyen d'une composition gazeuse à base de chlore contenant de l'oxygène. Selon le procédé de l'invention on règle les proportions en poids de matière alumineuse, de matière carbonée et d'agent liant dans le mélange de manière que le rapport pondéral carbone/oxydes après calcination soit compris entre 1 et 1,3 et avant calcination on amène le mélange sous forme d'agglomérés de dimensions comprises entre 3 et cm. Selon une variante particulièrement avantageuse du procédé de l'invention on réalise une opération de recyclage de la matière carbonée résiduelle après lessivage à l'eau. La demanderesse a en effet trouvé qu'en combinant l'emploi d'un agent liant, en mélange avec la matière alumineuse et la matière carbonée, et la confection d'agglomérés, de dimensions comprises entre 3 et 10 cm, à partir du mélange ainsi obtenu, et en réglant les proportions en poids de chacun des constituants du mélange de manière que le rapport pondérai carbone/oxydes après calcination soit compris entre 1 et 1,3, il est possible, industriellement et sans risque de prise en masse du mélange, d'obtenir un rendement en chlore R de l'opération de chloration supérieur à 80 % et pouvant dépasser 89 %, en l'absence de recyclage de la matière carbonée résiduelle. Elle a trouvé également qu'il est possible de dEbarrasser, par lessivage à l'eau, la matière carbonée résiduelle des chloroaluminates alcalins et alcalino-terreux, qui se trouvent absorbés par ladite matière carbonée, et de recycler ladite matière carbonée après lessivage à l'eau. Elle a trouvé également que le recyclage, après lessivage à l'eau, de ladite matière carbonée permet d'augmenter de façon inattendue, toutes choses égales par ailleurs, le rendement en chlore R de l'opération de chloration de plus de 3 % en valeur absolue. Comme matières alumineuses pouvant être mises en oeuvre dans le procédé de l'invention on peut citer les argiles, les bauxites et les alumines. Le procédé de l'invention permet de mettre en oeuvre notamment -4- l'alumine connue industriellement sous l'appellation de "alumine du procédé BAYER", bien qu'elle contienne de 0,4 à 0,8 % en poids des oxydes de sodium et de potassium. Commes matières carbonées pouvant être mises en oeuvre dans le procédé de l'invention on peut citer la poudre de graphite, le coke de pétrole et le charbon de bois. Pour une bonne mise en oeuvre du procédé de l'invention les particules de la matière alumineuse et de la matière carbonée ont un diamètre généralement compris entre 0 et 100 pm et de préférence entre 0 et 50 pm. Comme agents liants pouvant être mis en oeuvre dans le procédé de l'invention on peut citer toute matière organique essentiellement hydrocarbonée de poids moléculaire élevé telle que, par exemple, brais, bitumes, goudrons de houilles, goudrons de pétroles, mélasses. Les proportions de matière alumineuse, de matière carbonée et d'agent liant dans le mélange avant calcination sont généralement respectivement de 37 à 42, 37 à 42 et 10 à 15 parties en poids. La composition gazeuse à base de chlore mise en oeuvre est telle que l'oxygène qu'elle contient représente généralement de 2 à 15 % et de préférence de 2 à 5 % en volume par rapport au chlore. L'oxygène a pour r8le de contribuer, par combustion de carbone, à maintenir la zone de réaction à la température de chloration choisie. - Le mélange de la matière alumineuse, de la matière carbonée et de l'agent liant est réalisé à température généralement comprise entre 100 et 150 C. La température de calcination est généralement comprise entre 700 et 10000C. L'opération de calcination est poursuivie jusqu'à élimination pratiquement totale des hydrocarbures volatils apportés par l'agent liant. La température de chloration est généralement comprise entre 700 et 900 C et de préférence entre 770 et 830 C. Le mélange de la matière alumineuse, de la matière carbonée et de l'agent liant peut être réalisé dans un mélangeur à vitesse lente. La confection des agglomérés à partir du mélange ainsi obtenu peut être effectuée au moyen d'un compacteur à deux roues mouleuses alvéolées tournant en sens inverse. L'opération de calcination du mélange peut être réalisée dans un four à moufle ou avantageusement dans au moins deux fours à moufle fonctionnant en parallèle et par séquence. En régime permanent de fonctionnement on réalise par intermittence et successivement l'extraction, à une extrémité du four, de la fournée du mélange calciné, et, à l'autre extrémité du four, son remplacement par une fournée correspondante du mélange à calciner. L'opération de chloration du mélange calciné est réalisée habituellement dans un réacteur comportant essentiellement une enceinte verticale garnie de céramique, munie d'un orifice supérieur de chargement du mélange calciné et d'un orifice inférieur d'extraction de la matière carbonée résiduelle. En régime permanent de fonctionnement l'extraction de la matière carbonée résiduelle hors du réacteur et le chargement subséquent du mélange calciné dans le réacteur sont effectués par intermittence, de préférence de manière périodique. L'extraction et le chargement portent à chaque intervention sur une quantité de matière représentant généralement respectivement de 10 à 15 % et de 15 à 20 % en poids de la charge totale permanente du réacteur. La composition gazeuse à base de chlore est introduite à la partie inférieure du réacteur et circule à contre-courant du mélange calciné. Le débit de chlore est généralement compris entre 130 et 230 m3/h TPN et de préférence entre et 200 m3/h TPN par m2 de section horizontale interne du réacteur. Par "TPN" on signifie que le volume du gaz considéré est rapporté aux conditions normales de température et de pression: 0 C et 101325 Pa. Les gaz issus du réacteur, qui contiennent de l'azote, de l'oxyde de carbone, du chlore, de l'acide chlorhydrique, du phosgène, du gaz carbonique, du chlorure d'aluminium et éventuellement du tétrachlorure de silicium et du tétrachlorure de titane, passent dans un condenseur dans lequel on recueille le chlorure d'aluminium à l'état solide. Le chlorure d'aluminium est utilisable, à l'état solide, comme catalyseur des réactions d'alkylation des composés aromatiques. On donne ci-après, à titre indicatif et non limitatif, plusieurs exemples de réalisation du procédé de l'invention. -6 - EXEMPLES 1 à 6 Dans un mélangeur à vitesse lente de 5 m3 de capacité muni d'une double enveloppe portée à 120 C par circulation de fluide de chauffage et d'un agitateur à bras horizontaux tournant à 20 tr/min on introduit: - 1500 kg de particules de matière alumineuse de 30 pm de diamètre moyen, - 1500 kg de particules de charbon de bois de 30 jipm de diamètre moyen, - 500 kg de brai. Le mélange obtenu après une durée de 2 heures sert à la confection d'agglomérés de forme ovoIde de 8 cm de longueur, 6 cm de largeur et 4 cm d'épaisseur au moyen d'un compacteur à deux roues mouleuses alvéolées tournant en sens inverse. Les agglomérés sont calcinés dans deux fours à moufle de 4 m3 de volume utile portés à 850 C, fonctionnant en parallèle et par séquence et alimentés chacun par fournée de 2000 kg. Dans un réacteur comportant essentiellement une enceinte verticale de révolution garnie de céramique, de section horizontale interne de 1,5 m de diamètre et de 3 m de hauteur utile, munie d'un orifice supérieur et d'un orifice inférieur à ouverture automatique, préalablement portée à température de 800 C par combustion, à l'intérieur, de charbon de bois en morceaux par un mélange d'air et d'oxygène, on introduit, par l'orifice supérieur, une première fournée de mélange calciné provenant d'un des fours à moufle. On commence l'introduction de chlore à débit réduit et progressivement croissant à travers quatre conduits indépendants dont les extrémités sont disposées radialement et diamétralement opposées deux à deux dans deux plans perpendiculaires et débouchent à 40 cm au-dessus du fond du réacteur. Après introduction de la première fournée de mélange calciné dans le réacteur on introduit, en 10 heures, cinq autres fournées de mélange calciné dans le réacteur, à raison d'une fournée toutes les 2 heures, et atteint ainsi la charge de régime du réacteur. On commence l'introduction d'oxygène en mélange avec le chlore. Après réglage du débit de chlore et du débit d'oxygène aux valeurs choisies de façon à maintenir la zone de réaction à la température de 800 C, le réacteur se trouve en régime permanent de fonctionnement. On effectue alors toutes les 2 heures l'extraction de la matière carbonée résiduelle par - 7 - l'orifice inférieur de l'enceinte suivie du chargement d'une fournée de mélange calciné par l'orifice supérieur de l'enceinte. Grâce à une légère dépression maintenue par aspiration à l'extrémité aval du circuit d'évacuation des gaz issus du réacteur, l'ouverture de l'orifice supérieur et celle de l'orifice inférieur du réacteur ne provoquent pas de fuite extérieure de gaz. On fait passer les gaz issus du réacteur dans un condenseur dans lequel on recueille le chlorure d'aluminium à l'état solide. Selon l'exemple considéré la matière alumineuse mise en oeuvre est de l'argile, de la bauxite ou de l'alumine du procédé BAYER. La composition en parties en poids de chaque matière alumineuse est la suivante: ARGILE Alumine 42,0 Oxyde de titane 2,7 Oxyde ferrique 1,6 Silice 52,9 Oxydes alcalins et alcalino-terreux 0,8 BAUXITE Alumine 84,9 Oxyde de titane 8,2 Oxyde ferrique 4,9 Silice 1,3 Oxydes alcalins et alcalino-terreux 0,7 ALUMINE DU PROCEDE BAYER Alumine 99,2 Oxydes de sodium et de potassium 0,8 Selon l'exemple considéré la matière carbonée résiduelle extraite toutes les 2 heures du réacteur n'est pas recyclée ou, après 40 heures de fonctionnement du réacteur, est recyclée dans le mélangeur, après lessivage à l'eau, en remplacement poids pour poids du charbon de bois. Le tableau 1 ci-après indique pour chaque exemple, une fois atteint le régime permanent de fonctionnement: - la nature de la matière alumineuse mise en oeuvre, - le rapport pondéral carbone/oxydes déterminé sur un échantillon de mélange calciné, ::::::: : 9'Z6: '668: ú'69 :'06: Z'L8:(%) U aiolIq ua auamapuae: :::::::: :: :::: lapÉa: : DaAV: sues: oaV: sues: DAV: sues: aeuoqlebD ailaem el ap: :a2elDfDai np a:Anao u: as:R :::::::; : 01'1: ZS'I: L6'0: 19'Z: 09 cZ: úL'ú: auassoqd À: : 06'9: Zi'6: 01'8: Z'L: 9': 9: anbTipqao qD appae ' : S6'0: Z8g'1: 680: aiolq* ::::::: : ua (Z) enbimnIoA inaual -: :018: 68 06ú: Sú SIY: Z17: (Mai q/sm) iTqaga - ::::::: anasuapuoD np snsst zg: :::::::: : 1i: 11: 11: Zl: ZI:(NMa q/úm) auq$Uxopiqqa -: : 0: :::(ú0ú:04/,m) al z ap iTqg- asnazez uolqTsodmoD: :::::::: : 9i'1: 81'1: 81'1: 91'I: Ll I: ç[lI: sapúxo/auoqaeD lioddeM -: :::::::: :: ::: : autDveD aMueIaH: :::::::: ::::: : au*mnIV va!xnL>q li!xV asnauTmnle: :::: aza-tpm el ap ainmiN ::::: ::::::: : 9: g: :: II: c: : :: 1 --n vs -Il-R v 1 uoi:eaolq ap uo!izvadol ap U aaolq ua zuamapuai al - allanpTsai eauoqiet aelpi:i el ap aelDfDa: np alianqueAa eaAnao ua asTm el - mnasuapuoz np snssT zvS sap aua2soqd iv enbTapXqaoITq apTDe eaaoIqD ua enbTmnIoA:naua: el - gesnazeS uor:itsodmo -el ap aua2Axop!qgPp el la aoliqD ap iTqgp aI - 8-- S -9- _ 9 _ REV E N D I C A T I 0 N S 1. Procédé de préparation de chlorure d'aluminium par carbochloration selon lequel on réalise une opération de calcination d'un mélange de particules d'une matière alumineuse, de particules d'une matière carbonée et d'un agent liant, puis réalise, sur le mélange calciné, une opération de chloration au moyen d'une composition gazeuse à base de chlore contenant de l'oxygène, caractérisé par le fait que l'on règle les proportions en poids de matière alumineuse, de matière carbonée et d'agent liant dans le mélange de manière que le rapport pondéral carbone/oxydes après calcination soit compris entre 1 et 1,3 et par le fait qu'avant calcination on amène le mélange sous forme d'agglomérés de dimensions comprises entre 3 et 10 cm. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on réalise une opération de recyclage de la matière carbonée résiduelle après lessivage à l'eau. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que la matière alumineuse est choisie dans le groupe formé par les argiles, les bauxites et les alumines. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que la matière carbonée est choisie dans le groupe formé par la poudre de graphite, le coke de pétrole et le charbon de bois. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que les particules de la matière alumineuse et de la matière carbonée ont un diamètre compris entre 0 et 100 pm et de préférence entre 0 et 50 pm. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que l'agent liant est une matière organique essentiellement hydrocarbonée de poids moléculaire élevé. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé par le fait que l'agent liant est choisi dans le groupe formé par les brais, les bitumes, les goudrons de houilles, les goudrons de pétroles, les mélasses. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que les proportions de matière alumineuse, de matière carbonée et d'agent liant dans le mélange avant calcination sont respectivement de 37 à 42, 37 à 42 et 10 à 15 parties en poids. - 10 - 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que la composition gazeuse à base de chlore est telle que l'oxygène qu'elle contient représente de 2 à 15 % et de préférence de 2 à 5 % en volume par rapport au chlore. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que le mélange de la matière alumineuse, de la matière carbonée et de l'agent liant est réalisé à température comprise entre 100 et 150 C. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé par le fait que la température de calcination est comprise entre 700 et 1000 C. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé par le fait que la température de chloration est comprise entre 700 et 900 C et de préférence entre 770 et 830 C. 13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé par le fait que le mélange de la matière alumineuse, de la matière carbonée et de l'agent liant est réalisé dans un mélangeur à vitesse lente. 14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé par le fait que la confection des agglomérés à partir du mélange obtenu est effectuée au moyen d'un compacteur à deux roues mouleuses alvéolées tournant en sens inverse. 15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé par le fait que l'opération de calcination du mélange est réalisée dans un four à moufle. 16. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé par le fait que l'opération de calcination du mélange est réalisé dans au moins deux fours à moufle fonctionnant en parallèle et par séquence. 17. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, caractérisé par le fait que l'opération de chloration du mélange calciné est réalisée dans un réacteur comportant essentiellement une enceinte verticale garnie de céramique, munie d'un orifice supérieur de chargement du mélange calciné et d'un orifice inférieur d'extraction de la matière carbonée résiduelle. - 11 - 18. Procédé selon la revendication 17, caractérisé par le fait qu'en régime permanent de fonctionnement l'extraction de la matière carbonée résiduelle hors du réacteur et le chargement subséquent du mélange calciné dans le réacteur sont effectués par intermittence, de préférence de manière périodique. 19. Procédé selon la revendication 18, caractérisé par le fait que l'extraction et le chargement portent à chaque intervention sur une quantité de matière représentant respectivement de 10 à 15 % et de 15 à % en poids de la charge totale permanente du réacteur. 20. Procédé selon l'une quelconque des revendications 17 à 19, caractérisé par le fait que la composition gazeuse à base de chlore est introduite à la - partie inférieure du réacteur et circule à contre-courant du mélange calciné. 21. Procédé selon l'une quelconque des revendications 17 à 20, caractérisé par le fait que le débit de chlore est compris entre 130 et 230 m3/h TPN et de préférence entre 150 et 200 m3/h TPN par m2 de section horizontale interne du réacteur.