Brevet FR2645456A1 — publié le 19901012

La présente invention concerne un procédé de traitmeent d'un liquide avec un gaz de traitement que l'on insuffle à l'aide d'un injecteur de gaz irrmergé dans un bain dudit liquide. Ce mode de transfert qui s'effectue par formation d'une multitude de bulles de gaz dans le liquide penrmet sinultanérèent d'accrottre au maxirun 1 'interface gaz/liquide, d'assurer un temps de séjour le plus long possible du gaz dans le bain et de créer un régime d'écoulerent turbulent propice aux transferts thermique et massique. Il arrive cependant que les bulles ainsi formées ont du mal à pénétrer dans le bain et ont tendance à revenir se grouper contre le débouché de l'injecteur formant ainsi de grosses bulles qui remontent alors rapidenmrt à la surface du bain sans rerplir les fonctions rappelées plus haut. Cn explique ce phéncuène indésirable par le fait que le flux gazeux issu de l'injecteur n'a pas une quantité de 1 mrouvement (produit "masse. vitesse") qui soit suffisante pour induire la turbulence indispensable. C'est le cas de traitemenrr.t des fluides non newtoniens, coame de métaux liquides cu des pâtes visqueuses, et, à titre d'exerple, on peut citer l'affinage du plomb par l'oxygène. Cutre l'inccnvénient mentionné plus haut de la faible utilisation du gaz de traitement, on note qu'en traitemnt à haute température avec de l'oxygène réagissant de façon exothermique avec le liquide, il y a formation de points chauds au niveau du débouché de l'injecteur, avec risque de destruction de l'extrémité de l'injecteur. La présente invention vise un procédé de traitement d'un liquide avec mun gaz, qui utilise le gaz efficacement et qui élimine le risque de destruction de l'injecteur en évitant toute formation de points chauds à tenpérature excessive au niveau du débouché de l'injecteur et cet objectif est atteint selon l'invention en ce qu'on adjoint un courant protecteur d'un liquide de comrposition chimiquement neutre à l'égard du liquide en cours de traitement et chimiquement inactif à l'égard des conduits d'injection, qu'on libère au voisinage immédiat du débouché dudit injecteur de gaz, et substantiellement dans la mnme direction que celle du gaz éjecté de l'injecteur. L'expérience montre alors que les bulles gazeuses sont éloignées de force du débouché de l'injecteur et que tout regroupement de bulles est écarté. C'est grace à l'adjonction de la quantité de mouvement significative offerte par le déplacement additionnel du liquide que ce résultat est obtenu. En outre, on induit dans le bain du liquide en cours de traitement des ------------------------------ turbulences qui favorisent une homogénéisation rapide de la phase liquide et donc une meilleure interaction gaz-liquide à traiter. Selon une forme préférentielle de mise en oeuvre de l'invention, le liquide libéré sous fonrme d'un courant protecteur au voisinage inmédiat du débouché dudit injecteur de gaz est le liquide en cours de traitement lui-rnme, que l'on prélève du bain et que l'on fait recirculer vers le débouché de l'injecteur de gaz. Selon une autre caractéristique, le courant protecteur de liquide enveloppe l'injecteur de gaz et est libéré au niveau du débouché de l'injecteur. Dans une forme de mise en oeuvre, l'injecteur est une lance. L'invention concerne également une installation de traitement d'un liquide comprenant une cuve de réception d'un bain liquide, un injecteur de gaz destiné à être immergé et se caractérise par un conduit de circulation d'un liquide protecteur débouchant au voisinage immédiat du débouché dudit injecteur de gaz en position opérationelle dans la cuve et de préférence le conduit de liquide protecteur présente une partie terminale codirectionnelle extérieurement à l'extrémité destinée à être inmergée de l'injecteur et se termine au niveau du débouché de l'injecteur. Selon une forme de réalisation, l'installation de traitement comprenant une cuve de réception d'un bain de liquide et une lance destinée à être imoergée est caractérisée par un conduit de circulation d'un liquide protecteur débouchant au voisinage immédiat du débouché de ladite lance à gaz en position opérationelle dans la cuve. Le conduit de liquide protecteur présente une partie terminale substantiellement codirectionnelle extérieurement à l'extrémité destinée à être inmmergée de l'injecteur et se termnnine au niveau du débouché de l'injecteur, et avantageusement le conduit de liquide protecteur présente une partie terminale coaxiale extérieurement à l'extrémité destinée à être immergée de l'injecteur et se termine au niveau du débouché de l'injecteur. Selon une forme de réalisation, le conduit de liquide protecteur présente une partie termnninale codirectionnelle extérieurement à l'extrémité destinée à être immergée de l'injecteur dont le débouché est situé vers la partie inférieure de la section dudit conduit de liquide protecteur et dans la mûme verticale. Dans l'un et l'autre des cas, l'injecteur peut être une lance et le conduit de liquide protecteur présente une partie terminale coaxiale extérieurement à l'extrémité destinée à être immergée de la lance et se termine au niveau du débouché de la lance. De préférence, le conduit de liquide protecteur s'étend dans la cuve au voisinage d'un fond de cuve en incorporant une pompe de circulation à arbre menant s'étendant au dessus du bord supérieur de cuve et selon une forme de réalisation, l'extrnémité de la lance à gaz est inclinée d'un angle de l'ordre de 40 par rapport à la verticale. L'invention vise un certain nombre d'applications du procédé et de l'installation rappelés ci-dessus. Selon l'une de ces applications le liquide en cours de traitement est un liquide métallique avec un point de fusion égal ou inférieur à 750 C. Ce liquide peut être formé par un ou plusieurs métaux tels que plomb, aluminium, zinc, cadmium, magnésium, etain, lithium, sodium, arsénic, antimoine, tandis que le gaz introduit est formé par un ou plusieurs gaz tels que 0D2, 2 D, H2, 02, N2, Ar, H20 vapeur, SO2, SF6, CH4, hydrocarbures, Cl2. Le liquide en cours de traitement peut être un liquide non ferreux notmme.nt du plomb, en cours de raffinage par oxydation préférentielle des impuretés et le gaz est alors de l'oxygène industriel, tandis que le liquide protecteur est une fraction dudit liquide métallique en cours de traitement et selon une application particulière l'hydrogène dissous dans l'aluninium liquide est partiellement éliminé par l'injection d'un gaz neutre formé par un ou plusieurs gaz tels que N2, Ar, 032' SF6. Selon un autre type d'application, le liquide en cours de traitement est un hydrocarbure liquide, que l'on oxyde partiellement à l'aide d'oxygène industriel, tandis que le liquide protecteur est de l'acide acétique et/ou du butane, et/ou de l'eau et/ou de l'anhydride carbonique liquide. Selon encore un autre type d'application, le liquide en cours de traitement est un liquide à pulpe alimentaire en cours de refroidissement, et le gaz est un gaz cryogénique tandis que le liquide protecteur est une fraction recirculée dudit liquide alimentaire. Selon encore un autre type d!application, le liquide an cours de traitement est un liquide à pâte à papier en cours de délignification à l'aide d'un gaz oxydant, oxygène industriel ou peroxyde d'hydrogène, et le liquide protecteur est le liquide à pâte à papier lui-même. Selon encore une autre application, le produit principal du procédé ainsi que le milieu liquide est le soufre, produit par la réaction entre le gaz H2S et 02' introduits à force dans le bain-par un courant de soufre liquide. Dans toutes ces mises en oeuvre, la poupe de recirculation est construite en acier, acier inoxydable ou un alliage métallique ou bien est réalisée en céramique ou en graphite, ou encore la pompe de recirculation et les conduits sont réalisés en un nmétal ou alliage métallique, avec un revêtement interne de céramique ou de graphite, ou en matériel dit composite, pour éviter l'attaque chimique ou thermique de la pompe et des conduits accessoires. Les caractéristiques et avantages de L'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui suit, à titre d.exemple, en référence au dessin annexé qui est une vue schématique en coupe d'une installation appliquée à titre d'exemple à l'affinage du plomb dans lequel l'injecteur est une lance à gaz. En se référant au dessin, une cuve hémisphérique 1 contient du plomb impur, la température du bain fluctuant entre 550 C et 6000C. IUne lance à oxygène 3 plonge largemnt dans le bain et cette lance à oxygène 3 est enveloppée à faible distance d'un fourreau coaxial 4 qui, à distance d'un débouché 5 de la lance 3, mais encore dans le bain de plomb 2, est raccordé par une conduite 6 à la sortie d'une poupe de recirculation immnergée 8 à arbre menant surnageant en 9 entraîné par un moteur 10, la poupe 10 prélevant du plomb liquide par une conduite 7 s'étendant au voisinage du fond de la cuve 1. La lance à oxygène 3 comprend une partie linéaire terminale dans le bain de plomb qui est inclinée par rapport à la verticale d'un angle de 40 environ. n AEn fonctionnement, pendant l'affinage, de l'oxygène industriel, c'està-dire de l'oxygène presque pur, est envoyé dans le bain de plomb liquide. Simultanément, la porpe de recirculation 8 envoie dans le conduit annulaire 11 entre la lance à oxygène 3 et le fourreau 4 un débit de plomb liquide prélevé du bain de plomrb, qui débouche autour du courant d'oxygène issu de la lance 3. L'effet de courant de plorb est protecteur pour l'extrémité de la lance, grâce à l'action d'éloignement de bulles d'oxygène qu'il provoque et cet effet est encore favorisé par l'inclinaison de la lance. En outre, la circulation du plamb favorise le brassage du bain. Bien que dans la plupart des applications les débouchés des conduits de gaz et du liquide protecteur seront coaxiaux, dus à la plus basse densité du gaz relative à celle du liquide, il est quelquefois souhaitable de positionner le débouché de l'injecteur de gaz codirectionnellement vers la partie inférieure de la section du conduit de liquide protecteur, pour mieux profiter de l!entrainement des bulles et le plus long temps de séjour du gaz dans le courant liquide. Pour la' mrme raison, il est toujours préférable de garder les axes de sortie dans le même plan vertical. On détaille maintenant quelques exemples d'application de l'invention: EXEMPLE I: L'affinage du plomb. IkUn cas particulier d'application de cette invention correspond à l'élimination d'antimoine, arsenic et étain du plab liquide par l'oxygène gazeux. L'affinité préférentielle de l'oxygène pour ces inpuretés permet leur séparation sous forme d'oxydes accumlés dans le laitier. La technique actuelle met en oeuvre une introduction d'air suroxygéné (60 % 02) par une lance immergée verticalement dans le bain. Une opération typique d'affinage a lieu dans une cuve hémisphérique de 2 m de profondeur, contenant 200 tonnes de ploab. La température du bain fluctue entre 5509C et 600 C. Le cycle d'affinage est' de 20 h si on souffle de l'air non enrichi en oxygène. Avec un m"lange 50 %: air, 50 %: oxygène, la durée est réduite à 12 h. Si on injecte de l'oxygène pur sans précaution supplémentaire, la lance est rapidement détruite. on note également que la haute concentration d'oxygène provoque une augmentation considérable de pertes de plaob sous fonnrme de PbO au laitier. D Pour surmonter ces difficultés, selon la présente invention, on 31] utilise un débit forcé de plaob liquide pour assister l'injection d'oxygène pur, comne représenté au dessin décrit plus haut. La technique décrite ci-dessus, qui nécessite l'utilisation d'une poupe en acier, est facilement adaptable à un procédé en continu de traitement de plomb ou d'autres bains métalliques avec un point de fusion en-dessous de 750 C. EXEMPLE II: L'industrie pétro-chimique. Dans l'oxydation partielle d!hydrocarbures par l'oxygène, le principe conçu par l'invention permet un meilleur contrôle de la température de la zone d'injection, évitant ainsi la formation de produits indésirables et des réactions exothermiques violentes. Par exemple, l'oxydation en phase liquide du butane pour produire l'acide acétique est réalisé en injectant un mélange gazeux O2-N2 dans un autoclave à 50 bars et 1700C. La teneur limite d'oxygène dans le gaz est de 40 % 02. Si on dépasse cette limite, le point chaud favorise la formation d'acétone et on risque aussi d'enflamumer de manière j(n catastrophique les vapeurs engendrées à cause de la faible dissipation de chaleur induite par le flux gazeux. On propose l'injection d'oxygène assistée par un "vecteur" liquide contenant un ou plusieurs composants parmi I'acide acétique, le butane, l'eau, l'. anhydride carbonique liquide. EXEMPLE III: L'industrie alimentaire. Le refroidissement de liquides à pulpes alimentaires par des fluides cryogéniques est difficile à cause de la congélation rapide mais localisée du bain, ce qui bloque la décharge de l'injecteur de fluide froid. La recirculation forcée d'une partie de cette pulpe autour du fluide cryogénique permet une meilleure dissipation du froid, F0 et en mme- temps favorise des turbulences. Très souvent, le réservoir dans lequel cette opération a lieu, est équipé d'un agitateur mécanique. Bien que les deux techniques soient compatibles et puissent être corplémentaires, il a été démontré que dans le cas de pulpes denses, le randement énergétique de l'agitation par convection forcée du liquide "vecteur" est meilleur que celui de l'agitation mécanique. EXMPLE IV: La délignification de la cellulose. L'injection d'oxygène ou du peroxyde d'hydrogène peut être améliorée considérablement par la recirculation de la pâte en un courant sécoulant autour du débouché du fluide oxydant. 311 EXEMPLE V: Dégazage d'aluminium. Pour réduire la teneur en hydrogène de L'aluminiun liquide, on réalise un barbotage avec un gaz neutre, soit azote', argon, hexa fluorure de soufre, quelquefois avec un dopage au chlore. Ce gaz est injecté à travers des bouchons poreux réfractaires, dont les bulles de gaz sortent avec une très basse vitesse. L'intéraction des bulles et l'aluminium est faible, et le rendement du traitement l'est aussi. On propose d'induire une turbulence avec une pompe d'aluninium liquide dont le gaz d'affinage est introduit-avec et par le courant d'aluminium forcé par la paope. EXIPFLE VI: Production en phase liquide de soufre à partir de hydrogène sulfureux. La réaction H2S(g) + 1/2 O2(g)- S(1) + H20 est réalisée en continu en injectant les gaz dans le soufre liquide en présence d'un catalyseur. Le rendement de la réaction augmente avec une pression partielle d'oxygène plus élevée. On peut injecteur de l'oxygène pur si on l'introduit avec un débit de soufre liquide pour éloigner le point chaud de l'extrémité de l'injecteur. La recirculation du soufre liquide est effectuée par une parpe métallique. REVENDICATICNS 1. Procédé de traitement d'un liquide avec un gaz de traitement que l'on insuffle à l'aide d'un injecteur de gaz immergé dans un bain dudit liquide, caractérisé en ce qu'on élabore un courant protecteur d'un liquide chimiquement neutre à l'égard du liquide en cours de traitement et chimiquement inactif à l'égard des conduits d'injection, qu'on libère au voisinage inmédiat du débouché dudit injecteur de gaz, et substantiellement dans la même direction que celle du gaz éjecté de l'injecteur. 2. Procédé de traitement selon la revendication 1, caractérisé en ce que le liquide libéré sous forme d'un courant au voisinage imrédiat du débouché dudit injecteur de gaz est le liquide en cours de traitement lui-mrme, que l'on prélève du bain et que L'on fait recirculer vers le débouché de l'injecteur de gaz. 3. Procédé de traitement selon la revendication 1 ou 2, 1 caractérisé en ce que le courant protecteur de liquide enveloppe l'injecteur de gaz et est libéré au niveau du débouché de l'injecteur. 4. Procédé de traitement selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'injecteur est une lance. 5. Installation de traitement d'un liquide comprenant une cuve de réception d'un bain liquide, un injecteur de gaz destiné à être immergé, caractérisée par un conduit de circulation d'un liquide protecteur débouchant au voisinage immnnédiat du débouché dudit injecteur à gaz en position opérationnelle dans la cuve. 6. Installation de traitement d'un liquide comprenant une cuve de réception dL'un bain de liquide et une lance à gaz destinée à être immergée, caractérisée par un conduit de circulation d'un liquide protecteur débouchant au voisinage immédiat du débouché de ladite lance à gaz en position opérationelle dans la cuve. 7. Installation de traitement selon la revendication 5, caractérisée en ce que le conduit de liquide protecteur présente une partie terminale substantiellement codirectionnelle extérieurement à l'extrémité destinée à être immergée de l'injecteur et se termine au niveau du débouché de l'injecteur. 8. Installation de traitement selon la revendication 5, caractérisée en ce que le conduit de liquide protecteur présente une 3') partie terminale coaxiale extérieurement à l'extrémité destinée à être immlergée de l'injecteur et se termine au niveau du débouché de 1' injecteur. 9. Installation de traitement selon la revendication 9, caractérisée en ce que le conduit de liquide protecteur présente une partie termnninale codirectionnelle extérieurement à l'extrnémité destinée à être immergée de linjecteur et que ledit débouché est situé vers la partie inférieure de la section dudit conduit de liquide protecteur et dans la mûme verticale. 10. Installation de traitement selon l'une quelconque des lu revendications 7 à 9, caractérisée en ce que l'injecteur de gaz est une lance. 11. Installation de traitement d'un liquide selon la revendication 6, caractérisée en ce que le conduit de liquide protecteur présente une partie terminale coaxiale extérieurement à l'extrnémité destinée à être immergée de la lance et se termine au niveau du débouché de la lance. 12. Installation de traitement d'un liquide selon l'une quelconque des revendications 5 à 11, caractérisée en ce que le conduit de liquide protecteur s'étend dans la cuve au voisinage d'un fond de cuve en incorporant une porpe de circulation à arbre menant s'étendant au dessus du bord supérieur de cuve. 13. Installation de traitement d'un liquide selon les revendications 6, 10 et 11, caractérisée en ce que L'extrémité de la lance à gaz est inclinée d'une angle de l'ordre de 40 par rapport à la verticale. 14. Application du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 et de l'installation selon l'une quelconque des revendications 5 à 13, caractérisée en ce que le liquide en cours de traitement est un liquide métallique avec un point de fusion égal ou inférieur à 750 C. 3{] 15. Application du procédé selon la revendication 14, caractérisée en ce que le liquide métallique est formé par un ou plusieurs métaux tels que plomb, aluminiumn, zinc, cadnium, rmgnésiumn, étain, lithium, sodium, arsénic, antimoine. 16. Application du procédé selon la revendication 14 ou 15, caractérisée en ce que le gaz introduit est formé par un ou plusieurs gaz tels que C02, CC, H2, 02, N2, Ar, H20 vapeur, SO2, SF6, (C4, hydrocarbures, Cl2. 17. Application du procédé selon l'une quelconque des revendications 14, 15, 16, caractérisée en ce que le liquide en cours de traitement est un liquide métallique non ferreux, notmment du plotmb, en cours de raffinage par oxydation préférentielle des impuretés et en ce que le gaz est de l'oxygène industriel, tandis que le liquide protecteur est une fraction dudit liquide métallique en cours de traitement. 18. Application du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, et de l'installation selon les revendications 5 à 13, caractérisée en ce que le liquide an cours de traitement est un hydrocarbure liquide, que l'on oxyde partiellement à l'aide d'oxygène industriel, tandis que le liquide protecteur est de l'acide acétique ic et/ou du butane, et/ou de l'eau et/ou de l'anhydride carbonique liquide. 19. Application du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 et de l'installation selon l'une quelconque des revendications 5 à 13, caractérisée en ce que le liquide en cours de traitement est un liquide à pulpe alimentaire en cours de refroidissement, en ce que le gaz est un gaz cryogénique et en ce que le liquide protecteur est une fraction recirculée dudit liquide alimentaire. -. Application du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 et de l'installation selon l'une quelconque des revendications 5 à 13, caractérisée an ce que le liquide en cours de traitement est un liquide à pâte à papier en cours de délignification à l'aide d'un gaz oxydant, oxygène industriel ou peroxyde d'hydrogène, et le liquide protecteur est le liquide à pâte à papier Iui-màne. 21. Application du procédé selon la revendication 15, dans lequel l'hydrogène dissous dans l'aluminium liquide est partiellement éliminé par l'injection d'un gaz neutre fonmé par un ou plusieurs gaz tels que N2, Ar, C)2, SF6. 22. Application du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le produit principal du procédé et aussi le milieu liquide est le soufre, produit par la réaction entre le gaz H2S et 02, forcés dans le bain par un courant de soufre liquide. 23. Installation selon les revendications 8 à 16, dans laquelle la poipe de recirculation est construite en acier, acier inoxydable, ou un alliage métallique. 24. Installation selon les revendication 8 à 16, caractérisée en ce que la pompe est réalisée en céranmique ou en graphite. 25. Installation de traitement selon les revendications 8 à 16, dans laquelle la pompe de recirculation et les conduits sont réalisés in en un métal ou alliage métallique, avec un revêtement interne de céranique ou de graphite, ou en matériel dit composite, pour éviter l'attaque chimique ou thermique de la pompe et des conduits accessoires.