Brevet FR2626323A1 — publié le 19890728

PROCDE DE POIPAGE ET DE DOSAGE D'wU PRODUIf LIQUIDE DE POIN DE FUSION COMPRIS ENTR 200 et 3500C Er DISPOSITF CORRESPNDaT Le procédé et le dispositif de l'invention concernent le domaine du pompage et du dosage de produits liquides dont le point de fusion est compris entre 200 et 3500C. EXPOSE DU PROBLIEN Ces produits, de point de fusion élevé, qui doivent être véhiculés à des températures comprises entre 210 et 380"C, sont par exemple des sels fondus tels qu'un chloroaluminate ou un cbloroferrate alcalin, contenant des tétrachlorures de zirconium et de hafnium dissous, sels utilisés dans le procédé décrit par le brevet FP-C-2 250 707. Par exemple, le chloroaluminate de potassium contenant plus de 25% de tétrachlorures de Zr et de Hf dissous se solidifie à 300-305"C et à une température d'ébullition de 3450C environ à la pression atmosphérique, ce qui impose de le pomper dans un Intervalle de température étroit, par exemple 315 à 3301C. L'exploitation industrielle du procédé décrit par FRC-2 250 707 demande de réaliser un débit régulier et réglable, par exemple compris entre 1000 et 4000 1/h. Dans le cas général du pompage de produits liquides entre 210 et 380eC, on a ainsi besoin de: débits réguliers -et réglables, d'une température bien contrôlée, et en outre, 'd'une bonne étanchéité du circuit de pompage. ETAT DE LA TBCENIQUE CONNU Les pompes volumétriques à piston ou à membrane classiques ne sont pas appropriées au problème posé, car il est nécessaire que la totalité de la tète de pompage y compris le piston et le presse-étoupe soit à une température supérieure à la température de fusion du produit à véhiculer. L'expérience montre des difficultés importantes de fonctionnement dès que le point de fusion atteint ou dépasse 100 C. Il est alors préférable d'utiliser un dispositif de pompage comprenant un générateur de pulsations classique-à piston ou à membrane relié par un conduit à une tête de pompage séparée à membrane de préférence métallique. Un fluide thermique intermédiaire est mis en mouvement par le générateur de pulsations et actionne la membrane de la téte de pompage, de façon à véhiculer le liquide dont la température est par exemple comprise entre 100 et 2500C. L'éloignement de la tête de pompage permet d'obtenir une température inférieure à 100WC environ au niveau du générateur de pulsations et un fonctionnement correct de la pompe doseuse ("metering pump"). Lorsque le produit liquide doit être véhiculé à une température supérieure à 200 C, on a habituellement recours à des fluides thermi- ques organiques tels que les dérivés du diphényle. Les tensions de vapeur de ces fluides au niveau de 300 à 350"C sont souvent élevées, allant par exemple de 0,03 à 0,6 MPa, ce qui limite la possibilité d'aspiration des dispositifs de pompage les utilisant. Les fluides les plus résistants en température, donnés pour une température maximale d'emploi de 400"Cf ont l'inconvénient d'avoir des points de fusion supérieurs à l'ambiante et allant de 70 à 145"C environ (Techniques de l'Ingénieur - "Fluides Thermiques Organiques" - J. VILLENEUVE J. 2380-2 - Mai 1965), ce qui interdit en pratique leur emploi. En outre, la dilatation de ces fluides thermiques organiques est importante, elle est ainsi de 28% environ entre 20WC et 3200C pour du polyphényle hydrogéné. Plus la différence de température entre le générateur de pulsations et la tête de pompage est grande, plus le conduit de liaison doit Atre long et plus les problèmes provenant de la dilatation du fluide thermique deviennent importants. Une fréquence de pulsations élevée entraTne une homogénéisation des temperatures d'o des difficultés pour rester à température acceptable dans le générateur de pulsations. Dès que la température de pompage dépasse 150"C, il faut utiliser une tête de pompage entièrement métallique. Les faibles possibilités. de déformation des membranes rendent de telles têtes de pompage très lourdes et volumineuses dès que le débit dépasse 300 et 500 1/h. EXPOSE DE L'INVENTION En reprenant le type de dispositif qui vient d'être décrit et discuté, le procédé et le dispositif de l'invention ont pour particularité d'utiliser dans un siphon un métal ou alliage à bas point de fusion à l'état fondu à la place de la membrane métallique de la tête de pompage. Un tel piston en métal ou alliage métallique permet des pulsations d'amplitudes importantes, donc des pompages de produit liquide fondant entre 200 et 4000C avec un débit important. Lors du pompage, un générateur de pulsations classique pousse un fluide thermique et le fluide thermique pousse le bain de métal ou alliage fondu contenu dans le siphon, lequel pousse alors à son tour une partie du produit liquide à véhiculer contenu dans un raccord reliant le siphon à la tête de pompage sans membrane entre les clapets d'aspi- ration et de refoulement. Les pulsations de produit liquide entraînent alors le fonctionnement de la tête de pompage en aspiration et refoulement du même produit liquide. Le dispositif de pdmpage est constitué ici par l'ensemble du métal ou alliage fondu contenu dans le siphon, du raccord et de la tête de pompage dans la membrane. Le métal ou alliage fondu utilisé comme "liquide de pulsation" doit d'abord être compatible avec les produits fondus à véhiculer, par exemple des chloroaluminates ou chloroferrates de sodium et/ou de potassium et leurs mélanges, contenant éventuellement des tétrachlorures de Zr et de af dissous, comme dans Xe procédé décrit par FR-C-2 250 707. Il doit en outre ne pas réagir avec le fluide thermique, et ne pas corroder les parois du siphon. Enfin, le métal ou alliage fondu doit avoir un point de fusion nettement inférieur à la tempéra- ture du produit liquide à véhiculer, ainsi qu'une tension de vapeur faible à cette même température, et une densité nettement plus forte que celles du produit liquide et du fluide thermique, de façon à rester au fond du siphon et à ne pas se mélanger avec le produit liquide ou le fluide thermique à l'occasion des pulsations. Une revue de ces métaux ou alliages de point de fusion faible appelle les commentaires-suivants: - l'Indium fond à 155 C et bout à 14500C à la pression atmosphérique, il a l'inconvénient d'être rare et donc cher et d'être, à l'état fondu, plus corrosif que l'étain vis à vis d'un certain nombre de métaux. - l'étain (Sn) de pureté courante fond à 232"C et bout A 2260"C environ, certains alliages d'étain ont des points de fusion inférieurs à 20OGC, et en particulier l'eutectique étain-plomb à 38% en poids de plomb fond à 183aC. - le mercure (Hg), liquide à la temp4rature ambiante, bout vers lo 370"C et sa pression- de vapeur est élevée, 0,1 MPa vers 260"C et 0,25 MPa vers 300 C. L'étain et ses alliages Sn-Pb avec Pb % en poids de préférence inférieur ou égal à 70% en poids, ou bien ses alliages Sn-Cu avec Cu % en poids de préférence inférieur à 8% ou bien encore ses alliages Sn-Pb-Cu avec environ 70% de Pb et 8% de Cu sont les métaux et alliages qui conviennent le mieux au problème posé. A l'état fondu, ils ont une pression de vapeur très faible et ils sont inertes à l'égard des fluides thermiques organiques utilisés entre 210 et 4500C environ ainsi qu'a l'égard de beaucoup de produits liquides à ces températures, et particulièrement à l'égard des chloroaluminates et chloroferrates de sodium et/ou de potassium. L'étain fondu dissolvant l'acier et le nickel, il faut, pour avoir un siphon fonctionnant correctement pendant une longue période, prévoir un revêtement inerte tel qu'un chromage dans -le cas d'un pot an acier ou en alliage contenant du nickel, ou encore réaliser le siphon ou pot en métal nu ou traité résistant A la corrosion par l'étain fondu, par exemple en tantale. 3 EX0MPLES ET EPLICATIONS COMPLENUNRT S Les exemples et les dessins qui les illustrent permettront de décrire des dispositifs particuliers seloe l'invention ainsi que leur fonctionnement, et d'expliquer les modalités de mise en route d'un dispositif de pompage selon l'invention. 3S La figure 1 est un schéma en coupe d'un premier dispositif selon l'invention, comportant un siphon en U. La figure 2 est un schéma en coupe -d'un deuxième dispositif selon l'invention, comportant un siphon concentrique. Certains éléments de même fonction ont les mêmes repères dans les deux figures. La figure 1 schématise un premier dispositif de pompage selon l'invention dans son état d'utilisatZon. Le générateur de pulsations 1 est une pompe à piston classique, dont la membrane souple 2 en élastomère téflonné est actionnée par un piston 3. Cette membrane 2 transmet ses pulsations à une colonne de fluide thermique 4 contenue dans une conduite 5, se prolongeant par un siphon 6 lui- même relié par un raccord 7 à une tête de pompage 8 sans membrane, entre les clapets d'aspiration 9 et de refouilement 10. La partie inférieure du siphon 6 est remplie d'étain fondu il, la quantité d'étain est ajustée de façon que le siphon ne puisse pas se désamorcer. Le produit liquide 12 à véhiculer, dont la partie contenue dans le raccord 7 est soumise aux pulsations transmises par l'étain fondu 11, actionne la tête de pompage 8 avec aspiration du produit liquide 12 situé dans le conduit 13 et refoulement de -ce même produit dans le conduit 14, comme symbolisé par les deux flèches. Un dispositif de refroidissement 15 peut être nécessaire pour maintenir le générateur de pulsations en-dessous de 100 à 120 C. Un capotage isolant 16 du siphon 6 et de la tête de pompage 8 est nécessaire pour maintenir l'étain liquide 11 et le produit liquide 12 à température-correcte, et éviter ainsi que le produit liquide ou l'étain ne se solidifie par endroits. On peut grâce à ce dispositif, véhiculer à 260-280"C du chloroaluminate de potas- sium (KAlC14) avec une huile ou un fluide thermique de tension de vapeur de préférence inférieure à 0,03 MPa à cette température de travail, par exemple du Terphényle hydrogéné, et avec le siphon 6 contenant de l'étain liquide. Dans le dispositif et le procédé de l'invention, le bain d'étain liquide sert ainsi d'interface entre le produit liquide 12 à pomper et le fluide thermique 4, remplaçant a cet égard la membrane des etrmlçn dispositifs de pompage connus. Le siphon et la tête de pompage selon l'invention ont un encombrement réduit par rapport aux têtes de pompage à membranes métalliques, et on peut véhiculer avec une seule tête de pompage selon l'invention un débit de plusieurs m3/h. Le schéma de la figure 2 'eprésente un dispositif plus perfectionné utilisé pour véhiculer un -chloroaluminate de potassium contenant des tétrachlorures de zirconium et de hafnium dissous. Ce sel se solidifie à 300-305.C et il bout à 345.C environ. Le pompage est fait entre 315 et 330.C en employant comme fluide thermique du."SANTOTHERM 77" -(marque de commerce). Ce fluide thermique a une tension de vapeur faible, il bout audessus de 400WC à la pression atmopshérique, il est très stable à 3603700C et il est liquide à la température ordinaire. La géométrie du siphon 17 a été étudiée de façon à rendre son chauffage de maintien en température plus faciles la tubulure de 'sortie 18 prolongeant le raccord 7 est intérieure à làa chambre d'entrée annulaire 19 prolongeant la conduite 5 de fluide thermique 4, et on a veillé. à ce que le siphon soit peu allongé. De façon générale, le rapport de ia hauteur totale (HI du siphon 17 à son diamètre extérieur ou à sa largeur doit ainsi être de préférence compris entre 1,3 et 2. Dans l'exemple décrit, ce rapport est de 1,7 correspondant à une hauteur (H) de 410 mm et à un diamètre extérieur de 240 mm. On réalise comme précédemment des isolements thermiques (15,16). En fonctionnement, environ 50 kgd'é"tain fondu li de masse spécifique à cette température de 6,9 g/cm3 sont au fond du siphon, avec au-dessus de cet étain fondu 11, dans le haut de la chambre annulaire d'entrée 19 et dans le conduit 5 du fluide thermique 4, et au- dessus de l'étain fondu l1 dans le haut de la tubulure de sortie 18 puis dans le raccord 7 et dans la tête de pompage 8 ainsi que dans les conduits 13 et 14, le produit liquide 12 A pomper. Dans la représentation. de la figure 2, l'étain fondu il1 est poussé par le fluide thermique 4 lui-même poussé par la membrane 2 du générateur de pulsation il, et la surface supérieure du bain d'étain dans la tubulure de sortie 18 et au- dessus de sa position de repes, actionnnant dans le sens de la flèche la colonne de produit liquide 12 rejoignant la partie médiane de la tête de pompage 8 par l'inter- médiaire du raccord 7, ce produit liquide 12 entraînant alors le soulèvement des billes de clapets d'entrée et de sortie 9, de la tête de pompage 8. On a fonctionné ainsi à 90 pulsations de 0,57 1 par minute, soit environ 3078 1 de produit liquide pompé par heure, le produit liquide étant dans Cet exemple du chloroalumi- nate de potassium fondu contenant ZrC14 et HfC14 dissous. Un mode de mise en route du dispositif selon l'invention est décrit: - il est important d'assurer un bon séchage préalable du siphon 6,17, des conduits 5,7, du volume utile de la tête de pulsation 1 et de la tête de pompage 8, par exemple par balayage à l'azote chauffé à moins de 1000C pour ne pas détériorer la membrane 2; - l'étain est introduit à l'état solide (grains) ou à l'état liquide par un orifice 20 placé au-dessus de la branche du conduit 5 qui descend vers la tubulure ou chambre d'entrée 19 du siphon 6,17; - la fusion de l'étain est alors faite dans le siphon, on contr8le son niveau, par exemple, à l'aide d'un flotteur, et sa température; - on verse, par l'orifice 20 ou par un orifice voisin, le fluide thermique, et on le laisse chauffer à 3300C environ dans le siphon et à 80/100"C dans le conduit 5 vers la tête de pulsation 1; -la- colonne de fluide thermique 4-de masse spécifique 0,92 g/cm3 environ à 3300C située au-dessus du siphon 17 refoule l'étain contenu -dans la chambre annulaire 19 du siphon 17, créant une dénivellation entre les surfaces d'étain de cette chambre 19 et de la tubulure de sortie 18, dans le sens représenté sur la figure 2; - on peut alors rééquilibrer les niveaux d'étain en introduisant 3 une légère pression d'azote dans les boîtes à clapets de la tètede pompage 8. Le procédé et le dispositif de pompage de l'invention s'appliquent plus particulièrement au pompage de sels fondus de points de fusion compris entre 200 et 3508C, a des températures allant de 210 à 380.C, compte tenu des fluides thermiques actuellement disponibles. g9 *Rl8VDIcADfON 1. Procédé de pompage d'un produit liquide (12) de point de fusion compris entre 200 et 350 C, la température dudit produit liquide (12) étant comprise entre 210 et 3800C, dans -lequel un générateur de pulsations (1) à piston (3) et membrane (2) transmet des pulsations à un fluide thermique (4) qui entraîne lui-même un bain d'étain fondu (11) ou d'alliage d'étain fondu contenu dans un siphon (6, 18), ce bain d'étain ou alliage fondu (11) transmettant 'a son tour les pulsations A une partie du produit liquide (12) à véhiculer contenue dans un raccord (7) reliant le siphon (6, 18) a une tête de pompage sans membrane (8) entre les clapets d'aspiration (9) et de refoulement (10) de ladite tête (8), lesdites pulsations du produit liquide (12) entraînant le fonctionnement de ladite tête de pompage (12) entre ses conduits-d'aspiration (13) et de refoulement (14). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise un alliage Sn-Pb fondu avec Pb % en poids.70. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'ou utilise un alliage Sn-Cu fondu avec Cu % en poids 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise un alliage-Sn-Pb-Cu avec Pb % en poids 5. Dispositif de pompage d'un produit liquide (12) de point de fusion compris entre 200 et 350 C, A une température comprise entre 210 et 3800C comprenant une tête de pulsation (1) A piston (3) et membrane (2) reliée par un conduit (5) rempli de fluide thermique (43 a un dispositif de pompage du produit liquide (12), caractérisé en ce que le dispositif de pompage comprend: a) relié au conduit (5) rempli de fluide thermique (4), un siphon (6,17) partiellement rempli d'étain (11) ou alliage d'étain fondu. b) un raccord (7) reliant le siphon (6,17) A une tête de pompage (8), entre les clapets d'entrée (9) et de sortie (10) de ladite tête. a) ladite tête de pompage (8) ne comportant pas de membrane entre les conduits d'aspiration (13) et de refoulement (14) du produit liquide (12) à pomper. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la tubulure de sortie (18) du siphon (17) est intérieure a sa chambre annulaire d'entrée (19). ' 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le rapport de la hauteur totale (H) du siphon (17) à son diamètre ou à sa largeur est compris entre 1,3 et 2. 8. Application du procédé de l'invention au pompage de sels fondus de points de fusion compris entre 200 et 350"C, à des températures de 210 à 380"C.