Brevet FR2724123A1 — publié le 19960308

Le domaine de l'invention est la fabrication de corps chimiques composés que l'ont obtient par réaction directe des éléments composants à haute température et en continu. Le plasma est un milieu complexe obtenu à une tempé- rature supérieure à 3000 C à la pression atmosphérique C'est un milieu très réactif Les réactions chimiques sont rapides Un plasma est créé par l'ionisation d'un gaz par décharge électrique d'un courant continu , décharge haute fréquence ,décharge microondes .On peut donner comme exemple d'utilisation actuelle ; la réduction du minerai de fer par injection dans une torche plasma de minerai de fer ( oxyde ) et de charbon ; de nombreux oxydes métalliques Cr203 , SiO2 ,CaO , MgO Les plasmas d'arc sont surtout utilisés en métallur- gie haute température au dessus de 1500 C . Ils sont effi- caces et ont un rendement électrique élevé .Par contruction ils sont à électrodes ,donc polluants ,Ils sont très rapides Les plasmas inductifs sans électrodes n'ont pas de limitation d'utilisation . Par contre, leur rendement est plus faible ,Ils sont lents . ( Référence : ' Les Plasmas Industriels " par , le Ministère de l'éducation nationale, le Ministère de la Recherche , de l'Enseignement Supérieur - La Documentation Française , n 10 , 1986 - ) La figure 1. montre le principe de la réduction d'un minerai par plasma d'arc. La torche 1), l'électrode 2) sont alimentées en courant continu par le générateur 3). Le gai plasmagène 4)est injecté dans la torche , tandis qu'un su extérieur 7)est injecté ou aspiré .L'oxyde 5) ou les com- posants sont amenés par une trémie 5)dans le plasma ,et le composé résultant est recuelli dans l'enceinte (6) La figure 2. montre l'injection de poudre la plus courante .On voit que le résultat en est peu homogène La figure 3. montre le principe du plasma inductif. Un tube de quartz 1) recoit le gaz 2) qui est ionisé par un inducteur Haute Fréquence 3) et réalise ainsi le plasma 4). Le dispositif selon l'invention ameliore le plsema d'are utilisé pour l'obtention de réactions Chimiques selon le principe suivant @@ @lectrode est constituée par le métal liquide lui-même, e qui fait qu'il n'y a ni usure, ni contamination comme dans un plasma inductif tout en gardant les avantages du plasma d'arc. La figure 4.montre ce principe par un exemple. Le métal liquide (1) est contenu dans un creuset (2). Il coule par une busette calibrée en céramique f3) qui délivre un jet (4). Le jet passe au voisinage de l'électrode de sens contraire (6).Le métal liquide est relié au générateur (7) par l'intermédiaire d'un cermet (5). tandis que l'autre électrode est reliée au pôle opposé du générateur. Evidem cette (ett.e conception permet l'emploi de dispositifs con- nus: comme le courant A haute fréquence pour le démarrage, l'alimentation par un solide. au lieu d'un liquide. La deuxiéme particularité qui caractérise l'invention réside dans la puissance du plasma utilisé. L'exemple suivant de la fabrication directe de l'oxyde de plomb PbO montre clairement le principe La figure 5. montre l'enthalpie libre de formation de l'oxyde par la réaction . 2 Pb + O2 . > 2 PbO. Cela veut dire qu'il faut ajouter a la tempèrature ambiante 96 kcal pour chaque molécule gramme ou mole d'oxyde, soit pour ( 207,19 + 16 ) = 220 gr environ.Par contre, à partir de 23000C la réaction peut se faire, et elle fournit au concontraire de la chaleur car elle est exothermique.La puissance du plasma sera suffisante pour porter le produit à la température å laquelle l'enthalpie devient positive augment d'une valeur correspondant aux pertes de chaleur La figure 5. montre qu à la température (l)le produit est en fusion mais a encore une enthalpie négative de 50 kcal/mole .A la température (2) l'enthalpie devient nulle. La température (3',est celle d'utilisation qui trient compte des pertes. Le calcul des dites pertes est classique et aisé pour un homme de l'art. La troisiéme @ropriété qui caractérise l'invention est le fait que le plasma est confiné à une place qui est fixe et stable d'aprés sa conception @Nous avons vu que dans le cas classique illustré par la figure 2. le produit à traiter, solide ,en granulés ,en poudre ... est distribué sur le jet de gaz ionisé ou plasma qui sort de la torche à grande vitesse . Son introduction dans le plasma et son temps de passage sont brefs et al@atoires Dans le dispositif selon l'invention le jet de liquide est amené dans une chambre annulaire selon la figure 4. Cette chambre a une forme telle que pour une tension et un gaz plasmagène donnés ,la distance jet-chambre varie d'abord lentement puis de plus en plus rapidement quand le et s'approche de la chambre La forme la plus favorable illustrée par la figure 6. a ètè trouvée par le calcul et confirmée par l'expérience. C'est une parabole coaxiale au jet . Sur la figure 6. considérons le jet (1) relié au pôle négatif par exemple du générateur (2)qui coule selon l'axe des Y d'une busette céramique non conductrice t3). La parabole caractérisée par son foyer F et sa directrice D, a pour équation par rapport aux axes x et y (P) y = a x ou a est une constante. Selon l'invention la parabole est strictement définie et donc la chambre est usinable soit en commande numérique i CN ) ,soit avec un outil de forme Si le jet reste continu et newtonien sur une longueur Yl à cause de sa vitesse et de sa viscosité ,et si la distance d'ionisation en fonction du gaz et de la tension est Li on prendra une distance L au moins égale Li Li L 2 Li Cela suffit pour caractèriser la parabole qui est une courbe du 2ême degré et qui est définie par le point A" et le point double B@ dans la formule t (P) y = ax . On considère alors que a est une cons tante connue car son calcul est évident pour l'homme de l'art La figure 6. permet de montrer que la forme est la plus stable. En effet,soit un point M (x y ) de P et sa tangente T ,d'équation la dérivée de P P : y = ax T : y = 2ax + b avec y = axm2 La distance d'ionisation est égale â HM longueur de la normale à la parabole en M moins le rayon du jet soit par exemple une valeur constante 1, 2, 3, 4 mm L'équation de la normale N est tirée de celle de T N : y = -(1/2a)x + c . avec y = axm@ . y = ax2 = - (1/2a) xm + c . c = axm@ + (1/2a) xm . mais xm = (ym /a)1/2 . c = a(ym /a) - 1/2a , (ym /a) c = ym - (1/2a3/2) ym N : y = - (1/2a)x + y@ - Calculons la distance d'ionisation sur la figure 7/ au rayon du jet près qui sera ajouté après , HM . HM = (y - ym)2 + (x-xm )2. = [(yw /a)1/2 - 03 + ty - (-2a b 3) = ym/a + ym@ + (2a3/2)ym2 + 2ym2 2a3/2 ym@@ = ym@ + 4a7@2 + y@/2 + (2a3 + 1/a ) ym de la forme L + ay3/2+ bym m m Ce calcul confirme ce que montre la figure 6. c'est à dire que en A la chambre est pratiquement parallèle au jet, puis la paroi se rapproche très rapidement pour être en contact en B La figure 8. montre que le plasma s'établit en un point C, qu'on fera avantageusement coïncider avec le foyer F de la parabole, y reste stable et est à la distance d'ionisation Li.Ce point de fonctionnement est stable car au dessus Li croit lentement et au dessous Li croît vite La figure 8. représente le dispositif complet La chambre a un rayon haut égal à 2 Li . Le plasma s'établit en C , correspondant à une distance égale à Li. La chambre est percée en bas sur un rayon égal à 1/2 Li. Le gaz plasmagène est injecté en 1) .Un gaz complémentaire peut être injecté en 3) où une dépression peut avantageusement être créée par exemple par une tuyère supersonique suivant le venturi qui peut, soit participer à la réaction, soit l'arrêter par trempe ou refroidissement très rapide La quatrième propriété qui caractérise l'invention est que : le passage Q est prolongé par un divergent (2).Ainsi le passage Q est une zone apparentée à un venturi soit de grande vitesse et faible pression Le divergent a en général un angle faible de 1' ordre de 7 à 14 . Par modulation du débit de gaz on peut régler la stoechiométrie des produits à volonté Le dispositif selon l'invention peut être alialimenté en solide ou poudre ou granulés en recourant à un artifice pour créer le plasma, le produit étant introtroduit dans celui-ci Un exemple d'application industrielle de l'invention est la fabrication en continu d'oxyde de plomb PbO. Pour 1000 kg d'oxyde, il faut mettre en action 928 kg de plomb et 72 kg d'oxygène soit 101 nm3. Il faut apporter en outre 96 Kc/mole (224gr) soit environ 430 000 Kcal . On verse dans un creuset dont le fond comporte une busette céramique le Pb liquide, il s'écoule par le trou de la busette de diamètre 4mm avec un débit de 1000 kg/h. On injecte dans la chambre graphite parabolique le débit d'02 nécessaire. Le haut de la chambre a un diamètre de 60 par exemple et le passage bas un diamètre de 12mm La tension entre le métal et la chambre entraine l'établissement du plasma en un point axial stable. La bulle de plasma est aspirée par le passage venturi et le produit, c'est à dire la poudre d'oxyde, est éjecté vers le bas REVENDICATIONS 1 - Dispositif permettant 1a fabrication en continu de corps composés par réaction dans un plasma d'arc caractérisé par le fait que l'èlectrode nègative (4) fig.8 est constituée par un des produits , qui peut étire liquide et relié au pôle convenable d'un générateur (5). 2 - Dispositif selon la revendication prècèdante caracté- risée par le fait que le plasma est d'une puissance correspondant exactement a l'enthalpie libre de formation d produit augmente des pertes de chaleur 3 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications prècèdantes caractèrisè par le fait que le plasma est confiné dans une chambre parabolique (6) dont la royon supérieur est plus grand que la distance d'ionisation et le passage inférieur plus petit que cette derniére . 4 - Dispositif selon une quelconque des revendications précédantes caractérisé par le fait que le passage de sortie de la dite chambre est suivi d'un divergent de faible angle (7) 5 - Dispositif selon l une quelconque des revendications précédentes caractérisé par le fait. que la sortie de du divergent est. mise en dépression 6 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par le fait que le divergent est prolongé par une tuyère supersonique con juguée pour mettre le divergent en dépression 7 - Dispositif selon l'une quelconque es revendications précédantes caractérisé par le fait que l'alimentation est constituée par un corps solide (4) qui progresse en restant. connecté au pdle convenable du g6- @érateur 8 - Dispositif selon 1 @une quelconque des revendications précèdantes caractérisé ri sé par le fait que l'alimenta- est faite sous forme de poudre ou granulé , le courant électrique étant amene par un procédé tel que I @ ionisation du gaz porteur