Brevet FR2713751A1 — publié le 19950616

PROCEDE ET DISPOSITIF DE CONDENSATION A L'ETAT LIQUIDE DE VAPEURS METALLIQUES DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne un procédé et un dispositif de condensation à l'état liquide de vapeurs métalliques, en particulier de métaux dont le point de fusion se situe entre10 500 et 850 C. ART ANTERIEUR Les métaux sont en général peu fusibles et encore moins volatils. Toutefois, si l'on dispose d'un procédé thermique d'élaboration produisant un métal sous forme de vapeur, on15 devra, pour récupérer le métal produit, condenser une vapeur le plus souvent à basse pression. C'est le cas, par exemple, de la production de magnésium par réduction au four électrique par du ferrosilicium de la dolomie, procédé dit MAGNETHERM décrit par le brevet français n 1194556 (- US 2971833).20 La condensation est facile à réaliser sur une paroi froide, mais on obtient, en général, un métal solide poreux, parfois même pyrophorique, qu'il faut refondre pour obtenir un matériau utilisable. On a donc cherché à obtenir directement le métal à l'état liquide.25 On sait le faire pour des métaux relativement fusibles, dont le point de fusion est inférieur à 500"C, comme par exemple le mercure, le sodium ou le zinc, à condition que la tension de vapeur du liquide au point de fusion soit faible et que l'on puisse trouver, pour la paroi de condensation, un30 matériau chimiquement inerte vis à vis du métal à récupérer. Pour les métaux à plus haut point de fusion, il est plus difficile d'assurer une bonne maitrise des échanges thermiques indispensable au maintien d'une température suffisante. La condensation suppose en effet un transfert de masse entre35 la vapeur et la paroi de condensation, qui est proportionnel à la différence P-P0 entre la pression de la vapeur à condenser et la tension de vapeur du condensat déposé sur la paroi, et un transfert de chaleur entre la paroi et le milieu extérieur. La condensation à l'état liquide ne peut être obtenue que si l'équilibre thermique de la paroi est assuré dans une zone de température comprise entre le point de fusion5 et le point de rosée du métal à condenser. Pour maintenir cet équilibre thermique de la paroi de condensation, le brevet français n 1052513 (SOBERMA) et son certificat d'addition n 63774 proposent un condenseur cylindrique à double enveloppe dans l'axe duquel on place une10 résistance électrique de puissance variable, reliée à un pyromètre incorporé à la paroi, qui permet le maintien de cette paroi à la température désirée. L'intervalle entre les deux enveloppes peut être rempli par un matériau semi- conducteur, comme la limaille de fer, soit par de l'air sans15 communication avec l'extérieur. Une telle solution ne peut se concevoir que sur une installation de laboratoire, mais elle n'est pas applicable à l'échelle industrielle, o les flux thermiques à évacuer sont considérables. D'ailleurs, à la connaissance du déposant, il20 n'existe aucune solution appliquée industriellement pour la condensation à l'état liquide des métaux dont le point de fusion est compris entre 500 et 8500C. BUT DE L'INVENTION Le but de l'invention est de permettre, à l'échelle industrielle, la condensation de ces vapeurs métalliques à l'état uniquement liquide, grâce à un procédé et un dispositif d'échange thermique assurant un transfert adéquat des calories sans entraîner de détérioration de l'installation. OBJET DE L'INVENTION30 L'invention a pour objet un procédé de condensation à l'état liquide de vapeurs de métaux dont le point de fusion est compris entre 500 et 850 C dans une enceinte à double enveloppe, caractérisé en ce qu'on équilibre les pressions entre les deux faces de l'enveloppe intérieure et qu'on35 refroidit la face externe de cette enveloppe intérieure de manière à maintenir sa température sensiblement constante au voisinage de la température de solidification du métal. Le refroidissement de la face externe de l'enveloppe intérieure se fait de préférence par pulvérisation d'eau. L'invention a également pour objet un dispositif de condensation à l'état liquide de vapeurs métalliques comprenant: - une alimentation en vapeur métallique, - un condenseur à double enveloppe, - un moyen d'aspiration et/ou de modification de la pression de l'espace délimité par les deux enveloppes, - un moyen de refroidissement de la face externe de l'enveloppe intérieure du condenseur, - un réceptacle destiné à recueillir le métal liquide, - un moyen d'évacuation du métal liquide. DESCRIPTION DE L'INVENTION L'enveloppe intérieure du condenseur sert de surface de condensation et supporte un fort gradient thermique. Par contre, on peut réduire fortement les efforts mécaniques sur cette enveloppe, dont la résistance est faible à cause de sa température élevée, par un équilibrage approximatif des20 pressions entre les deux faces de l'enveloppe. La face externe de l'enveloppe intérieure est refroidie, de préférence, par pulvérisation d'eau au moyen de gicleurs, dont le débit est régulé de manière à maintenir constante la température de la face interne qui sert de paroi de25 condensation. L'évacuation des calories se fait par changement de phase de l'eau qui passe de l'état liquide à l'état gazeux. Ceci permet de contrôler aisément le flux thermique évacué, qui peut atteindre des valeurs de l'ordre de 100 kW/m2. Ces flux thermiques sont très supérieurs à ceux qu'il serait30 possible d'évacuer par rayonnement et convection forcée de gaz, mais nettement inférieurs à ceux qui résulteraient d'un refroidissement direct par circulation d'eau ou d'un autre liquide caloporteur, ce qui conduirait à un abaissement de la température de paroi entrainant la solidification du métal sur35 celle-ci. L'espace libre entre les deux enveloppes se remplit alors de vapeur d'eau et on évacue les condensats, soit par mise à l'air, soit par pompage, au moyen par exemple d'une pompe à anneau liquide. Si nécessaire, on maintient dans cette zone une pression inférieure à la pression atmosphérique, ce qui permet, lorsque la vapeur métallique est produite sous5 pression réduite, d'équilibrer les pressions sur les deux faces de l'enveloppe intérieure. A l'intérieur du condenseur, il se forme sur la paroi de condensation un film ruisselant que l'on récupère au fond de l'appareil. Pour diminuer les risques de corrosion de la paroi10 par le métal liquide, on peut abaisser légèrement, par exemple de moins de 50 C, la température de la paroi de condensation, qui, se trouvant voisine de la température de solidification du métal, permet la formation d'une mince pellicule de condensat solide qui protège la paroi du contact avec le métal15 liquide. Pour protéger encore mieux la paroi de condensation et pour obtenir des températures moins élevées pour le métal de l'enveloppe intérieure, on peut recouvrir la face interne de cette enveloppe d'un garnissage protecteur non métallique,20 relativement peu isolant thermiquement, par exemple un chemisage ou un briquetage de graphite, dont l'épaisseur aura été calculée de manière à obtenir une chute de température significative d'au plus 400 C entre la surface de condensation et la partie métallique de l'enveloppe, ce qui permet de25 supprimer le fluage de cette partie métallique. Pour assurer un bon écoulement du métal liquide le long de la paroi, on peut en augmenter le débit par un recyclage partiel, au moyen par exemple d'une pompe électromagnétique ou d'une colonne de métal liquide mise en mouvement par injection de gaz inerte vis-à-vis du métal comme l'argon. On peut profiter de cette boucle de recyclage de métal liquide pour assurer un refroidissement complémentaire, à l'aide, par exemple, d'épingles refroidies par un liquide caloporteur. L'enveloppe intérieure doit être réalisée dans un matériau aussi inerte que possible par rapport au métal à condenser. On peut envisager également des traitements de surface de protection ou des placages d'un métal différent. Il en est de même pour la face externe de l'enveloppe intérieure en contact avec la vapeur d'eau, pour laquelle il peut être avantageux d'utiliser de la tôle d'acier plaquée d'acier inoxydable. L'un des avantages du procédé selon l'invention est de pouvoir opérer la condensation à l'abri de l'air, dans un large domaine de pressions, allant d'un vide inférieur à 0,1 torr jusqu'à des pressions légèrement supérieures à la pression atmosphérique. En effet, l'ajustement de la pression entre les deux enveloppes permet de neutraliser les efforts mécaniques sur la paroi de condensation qui, sans celA, ne pourrait, du fait de sa température, supporter ces contraintes sans fluer. EXEMPLE On a représenté sur la figure 1 un dispositif expérimental de condensation à l'état liquide du magnésium comportant: a) un évaporateur (1) à film ruisselant alimenté en magnésium liquide à partir d'un fondoir (2) relié à l'évaporateur par un circuit (3) de magnésium liquide mis en pression par une pompe électromagnétique (4). b) un condenseur (5) selon l'invention comportant une enveloppe intérieure (6) cylindrique en acier doux de diamètre intérieur 258 mm, de hauteur 260 mm et d'épaisseur 40 mm, et une enveloppe extérieure (7). La face externe de l'enveloppe intérieure (6) est refroidie par 3 rampes de 6 gicleurs assurant un débit d'eau pulvérisée de 27 1/h. Une pompe (8) permet d'aspirer la vapeur d'eau dans l'espace compris entre les enveloppes (6) et (7) et d'equilibrer les30 pressions de part et d'autre de l'enveloppe (6). c) un réceptacle (9) permettant de recueillir, conserver et couler le magnésium liquide ainsi condensé. L'exploitation de ce dispositif a montré le bon fonctionnement du condenseur avec une production de 12,7 kg/h, soit 60 kg/m2/h. L'évaporateur était à une température de 820 C avec une pression de vapeur de 40 torr et la paroi de condensation était maintenue à 660 C pour une tension de vapeur de 3 torr. Un ajout volontaire de 100 ppm de nickel dans le magnésium de la boucle d'évaporation a permis de s'assurer qu'aucun débordement ne venait se surajouter au condensat liquide. Le démontage de l'appareil en fin5 d'opération a permis de vérifier que l'épaisseur du dépôt de magnésium solide sur la paroi de condensation était inférieur à 0,5 mm. REVENDICATIONS 1) Procédé de condensation à l'état liquide de vapeurs de métaux dont le point de fusion est compris entre 500 et 850 C dans une enceinte à double enveloppe, caractérisé en ce qu'on équilibre les pressions entre les deux faces de l'enveloppe intérieure et qu'on refroidit la face externe de cette enveloppe intérieure de manière à maintenir sa température sensiblement constante au voisinage de la température de solidification du métal. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le refroidissement de la face externe de l'enveloppe intérieure se fait par pulvérisation d'eau. 3) Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la paroi interne de l'enveloppe intérieure est maintenue à une température inférieure d'au plus 50 C à la température de solidification du métal. 4) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'enveloppe intérieure comporte sur sa face interne un garnissage non métallique peu isolant thermiquement. ) Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le garnissage est en graphite. 6) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une partie du métal liquide est recyclée. 7) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pression dans l'enceinte de condensation est inférieure à la pression atmosphérique. 8) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le métal est du magnésium. 9) Dispositif de condensation à l'état liquide de vapeurs de métaux à point de fusion compris entre 500 et 850 C, caractérisé en ce qu'il est constitué: - d'une alimentation en vapeur métallique, - d'un condenseur à double enveloppe, - d'un moyen d'aspiration et/ou de modification de la pression de l'espace délimité par les deux enveloppes, - d'un moyen de refroidissement de la face externe de l'enveloppe intérieure du condenseur, - d'un réceptacle destiné à recueillir le métal liquide, - d'un moyen d'évacuation du métal liquide. ) Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le moyen d'aspiration et/ou de modification de la pression de l'espace délimité par les deux enveloppes est une pompe. 11) Dispositif selon l'une des revendications 9 et 10, caractérisé en ce que le moyen de refroidissement de la face externe de l'enveloppe intérieure est un ensemble de gicleurs d'eau pulvérisée.