Brevet FR2763867A1 — publié le 19981204

DISPOSITIF POUR MELANGER ET DISSOUDRE DANS UN LIQUIDE DES GRANULES SOLIDES, EN PARTICULIER POUR LA PRODUCTION D'ENGRAIS PHOSPHO-AZOTES. L'invention est relative à un dispositif pour mélanger et dissoudre dans un liquide des granulés ou des particules solides d'une matière soluble dans ce liquide mais dont la densité est inférieure à celle du liquide. Le dispositif concerné est du genre deux qui comprennent une cuve comportant des moyens d'agitation et munie au moins d'une entrée pour le liquide, une entrée pour les granulés solides, et une sortie pour la solution. L'invention concerne plus particulièrement, mais non exclusivement, un tel dispositif pour la production d'engrais phospho-azotés, notamment suivant le procédé de EP-A-0 560 882 (WO 92 10 443). Ce procédé exploite l'attaque d'un phosphate naturel, tel que du phosphate tricalcique, par un réactif sulfo-uréique obtenu par mélange et dissolution de granulés solides , ou "prills", d'urée dans une solution d'acide sulfurique. Ce réactif d'attaque sulfo-uréique est une composition eutectique bien précise dont il importe de préparer, en continu, la solution dans des proportions déterminées. Le problème est rendu difficile du fait que l'urée solide en granulés a une densité de 0.6 alors que la solution sulfurique, dans laquelle il convient de dissoudre les granulés d'urée, a une densité de 1.4. Les granulés solides ont ainsi fortement tendance à flotter ce qui n'est pas favorable à la dissolution, ni à 1 'homogénéisation. I1 convient en outre que cette dissolution des granulés solides s'effectue aussi rapidement que possible, notamment pour que le volume de la cuve ne soit pas trop important pour un débit de solution donné. Le dispositif de l'invention vise à satisfaire à ces exigences contradictoires créées par une densité du solide à dissoudre nettement inférieure à, en particulier inférieure à la moitié de, la densité du liquide. Selon l'invention, un dispositif pour mélanger et dissoudre dans un liquide des granulés ou particules solides d'une matière soluble dans ce liquide mais ayant une densité inférieure à celle du liquide, du genre défini précédemment, est caractérisé par le fait que l'entrée des granulés dans la cuve est située en partie haute, au-dessus du niveau du mélange réactionnel dans cette cuve, et que les moyens d'agitation comprennent un premier moyen d'agitation propre à créer un entraînement des granulés solides vers la partie inférieure de la cuve dans le mélange réactionnel, et un second moyen d'agitation situé dans la cuve à un niveau inférieur à celui du premier moyen d'agitation et propre à créer dans le mélange réactionnel un mouvement favorable à la dissolution des granulés, en particulier un mouvement de cisaillement. De préférence, les premier et second moyens d'agitation sont des moyens d'agitation mécanique. Le premier moyen d'agitation est avantageusement constitué par une turbine à pales droites inclinées, également connue sous le nom de "turbine sabre", en particulier à quatre pales. Le second moyen d'agitation est avantageusement constitué par une turbine radiale à pales droites, également connue sous le nom de "turbine de Rushton", en particulier à six pales. La turbine de Rushton est située au-dessous de la turbine sabre, à une distance appropriée. La cuve a généralement une forme cylindrique d'axe vertical et les premier et second moyens d'agitation sont avantageusement montés sur un même arbre vertical, de préférence coaxial à la cuve. Un tel dispositif convient particulièrement pour préparer un réactif sulfo-uréique d'attaque d'un phosphate naturel, dans une installation de production d'engrais phospho-azotés, selon le procédé de EP-A-0 560 882, auquel cas les granulés sont des granulés ou "prills" d'urée solides et le liquide est une solution sulfurique. L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci-dessus, en un certain nombre d'autres dispositions dont il sera plus explicitement question ci-après à propos d'un exemple préféré de réalisation décrit avec référence aux dessins annexés, mais qui n'est nullement limitatif. La Figure 1, de ces dessins, est un schéma d'un dispositif conforme à l'invention. La Figure 2 est une coupe axiale verticale, avec partie en extérieur, à plus grande échelle, de la cuve du dispositif de la Figure 1. La Figure 3 est une vue en plan à plus grande échelle, de la turbine sabre. La Figure 4 est une vue en élévation à plus grande échelle de la turbine de Rushton, à six pales. La Figure 5, enfin, est une vue de dessus par rapport à la Figure 4. En se reportant à la Figure 1 des dessins, on peut voir un dispositif 1 pour mélanger et dissoudre dans un liquide L des granulés solides G d'une matière soluble dans le liquide mais ayant une densité inférieure à celle du liquide. Dans l'exemple considéré, les granulés solides G sont des granulés d'urée de densité 0.6, tandis que le liquide L est formé par une solution sulfurique de densité 1.4. Le dispositif 1 comprend une cuve 2, de forme générale cylindrique, d'axe vertical et dont le fond est bombé, convexe vers l'extérieur. La cuve 2 est fermée par un couvercle démontable 3, en partie supérieure, sur lequel sont prévues une entrée 4 pour la solution sulfurique L, une entrée 5 pour les granulés G d'urée, avec de l'eau, et une entrée 6 pour le recyclage d'une fraction du mélange réactionnel M réalisé dans la cuve 2. La dissolution de l'urée dans l'acide sulfurique étant exothermique, on prévoit dans la cuve 2 ( qui constitue un réacteur exploité en continu ) deux serpentins de refroidissement 7a, 7b concentriques . Les serpentins, comme visible sur Fig.2, comportent des spires s'étendant sensiblement sur la moitie de la hauteur de la cuve 2 et entourent des moyens d'agitation A. Les spires des serpentins sont situées radialement à l'intérieur de contre-pales ou déflecteurs 8 constitués par quatre lames verticales, espacées de 90 , situées dans des plans passant par l'axe vertical de la cuve 2. L'arête verticale extérieure des contre-pales 8 est voisine de la surface interne de la cuve 2. Le refroidissement assuré à l'aide des serpentins 7a, 7b est suffisant pour éviter de dépasser la température de 900C dans la cuve, seuil au-dessus duquel l'urée incorporée dans le mélange M a tendance à se décomposer, comme indiqué dans EP-A- 0 560 882. Les moyens d'agitation A comprennent un premier moyen d'agitation Al propre à créer un entraînement des granulés G vers la partie inférieure de la cuve 2 dans le mélange réactionnel M, et un second moyen d'agitation A2 situé à un niveau inférieur à celui du premier moyen d'agitation Al. Ce second moyen A2 est propre à créer dans le mélange M un mouvement favorable à la dissolution des granulés G, en particulier un mouvement de cisaillement. Les premier et second moyens d'agitation Al, A2 sont mécaniques et constitués par deux turbines de type différent fixées sur un même arbre d'entraînement 9 coaxial à la cuve 2. L'entraînement en rotation de l'arbre 9 est assuré par des moyens moteurs 10 prévus audessus du couvercle 3 à l'extérieur de la cuve. Le moyen d'agitation Al est constitué par une turbine 11 à pales droites 12, dont le plan moyen est incliné par rapport à l'axe géométrique vertical de l'arbre 9. Comme visible sur Fig.3, la largeur des pales 12 peut diminuer progressivement suivant le sens radial qui éloigne de l'axe. La turbine 11 est située sensiblement à mi-hauteur de la cuve 2. Le niveau normal N du mélange réactionnel dans la cuve 2 est situé à une distance hl au-dessus du plan moyen de la turbine 11. Cette distance hl est inférieure à la distance H1 de ce même plan moyen au fond de la cuve 2. L'inclinaison des pales 12 et le sens de rotation de l'arbre 9 sont tels qu'un flux essentiellement axial et accessoirement radial est créé dans le mélange réactionnel M comme schématisé par les flèches F sur Fig.2 . Le mélange réactionnel est mis en mouvement de bas en haut dans les zones radiales extérieures et de haut en bas dans les zones situées radialement vers l'intérieur. Ce mouvement permet essentiellement d'aspirer les granulés d'urée solide arrivant par l'entrée 5 en haut de la cuve et de les entraîner dans le mélange réactionnel. Ce mouvement permet aussi de mélanger les liquides d'appoint et leur réactif déjà présent dans la cuve. Dans l'exemple considéré, la turbine 11, ou turbine sabre, comporte quatre pales 12 angulairement espacées de 900. La racine de ces pales est voisine de la surface extérieure de l'arbre 9 et est fixée sur un moyeu 13 calé sur cet arbre. Le flux créé par la turbine 11 peut s'écouler, suivant une direction parallèle à l'arbre 9, au voisinage de cet arbre. Le second moyen d'agitation A2 comprend une turbine radiale 14 à pales droites, fixées à l'extrémité inférieure de l'arbre 9, coaxialement à la turbine 11. La turbine radiale 14, également appelée turbine de Rushton, comporte six pales 15 régulièrement espacées, formées par des plaquettes situées dans des plans passant par l'axe géométrique de l'arbre 9. Ces plaquettes sont fixées à mi-hauteur sur un disque 16 dont elles débordent radialement vers l'extérieur sensiblement sur la moitié de leur longueur. Un manchon 17 est fixé au-dessus du disque 16 en son centre pour le montage de la turbine 14 en bout de l'arbre 9. Le plan moyen de la turbine 14, qui correspond au plan moyen du disque 16, est plus proche du fond de la cuve 2 que du niveau N. De préférence le plan moyen de la turbine 14 est situé à une distance H2 du fond de la cuve comprise entre le tiers et la moitié de la hauteur totale H du niveau N au-dessus du fond de la cuve ( 1/3 H La distance E à laquelle la turbine radiale 14 se trouve au-dessous de la turbine 11 est choisie pour obtenir le meilleur rendement de dissolution et d'homogénéisation. Par sa rotation la turbine 14 crée un mouvement de cisaillement qui vient couper les filets du flux créé par la turbine supérieure 11, filets qui entraînent les granulés solides d'urée. Ce mouvement de cisaillement permet de dissoudre efficacement les granulés d'urée dans le réactif. Le mouvement créé par la turbine 14 permet également le maintien du réactif à sa composition en homogénéisant intimement les produits liquides et solides ajoutés dans la cuve 2. En désignant par D le diamètre du disque 16 (Fig.4) on choisit avantageusement pour les pales 15 une longueur 1 de l'ordre de D/4 et une hauteur b de l'ordre de D/5. Le fond de la cuve 2 comporte un orifice de sortie 18 muni d'une crépine 19 (Fig.2). Des moyens de pompage 20 sont raccordés à l'orifice 18 pour extraire de la cuve 2 le réactif d'attaque sulfo-uréique constitué par une solution d'urée dans une solution d'acide sulfurique. Une conduite 21 (Fig.1) dirige ce réactif vers une autre unité du type malaxeur (non représentée) dans laquelle un phosphate naturel est attaqué par le réactif, conformément au procédé de EP-A-0 560 882. Une fraction du réactif pompé par les moyens 20, fraction dont le débit est contrôlé par une vanne 22, est recyclée dans la cuve 2 en étant renvoyée, par une canalisation 23, à l'entrée 6. Comme illustré sur la Fig.2, l'entrée 6 du recyclage comprend une tubulure 24 équipée d'un plongeur sans ajutage. L'entrée 4 de la solution sulfurique L est également munie d'un plongeur La cuve 2 est équipée de jauges ou moyens équivalents (non représentés) destinés à contrôler les paramètres du processus tels que température, composition du mélange réactionnel, etc... Les moyens moteurs 10 comprennent un réducteur dont l'encombrement extérieur apparaît sur la Fig.2, tandis que l'entraînement par moteur et courroies est symbolisé en 10a. Sur cette même Fig.2, on peut voir un évent V en partie haute de cuve. Pour sa fixation, la cuve 2 comporte des supports 25 situés en partie haute de sa paroi cylindrique externe, légèrement au-dessous du couvercle 3, et régulièrement espacés Le diamètre extérieur des pales de la turbine radiale 14 est inférieur au diamètre extérieur des pales 12 de la turbine sabre 11, et en particulier est environ égal à 2/3 de ce diamètre. A titre d'exemple de réalisation non limitatif, le diamètre extérieur des pales de la turbine 14 est d'environ 1 m, tandis que celui des pales de la turbine 12 est d'environ 1,5 m. Le diamètre intérieur de la cuve 2 est d'environ 3 m. Les contre-pales 8 font saillie vers l'intérieur sur une distance radiale d'environ 0,3 m et les deux serpentins 7b, 7a ont un diamètre de spires d'environ 1,8 m et 2m. La hauteur de la cuve du fond jusqu'à la base du couvercle est d'environ 3,7 m, le niveau normal N se situant à environ 3,25 m au-dessus du fond. Le fonctionnement du dispositif résulte des explications qui précèdent. En marche normale, l'acide sulfurique arrive par l'entrée 4 et les granulés solides d'urée, avec de l'eau, arrivent par l'entrée 5 dans la cuve 2, par le dessus, dans des proportions spécifiques. Une fraction du réactif pompé à la sortie 18 est réinjectée par l'entrée 6 en partie haute de la cuve. La turbine sabre 11, entraînée en rotation par l'arbre 9, crée le mouvement axial déjà évoqué du réactif, ce qui permet d'aspirer les granulés solides dans le mélange réactionnel et d'éviter que ces granulés ne restent en surface du fait de leur densité nettement inférieure. Ce mouvement permet aussi de mélanger les liquides d'appoint et le mélange réactionnel déjà présent. En cas d'incident sur cette turbine 11, les granulés d'urée solide flottent à la surface du réactif beaucoup plus dense, et il n'y a plus production du réactif avec la composition souhaitée. Une première conséquence d'un tel incident est une montée du niveau N de la cuve avec un arrêt de la production. La turbine inférieure 14 à pales radiales crée un mouvement de cisaillement qui permet de dissoudre efficacement dans le mélange réactionnel les granulés solides, entraînés vers le bas par le mouvement dû à la turbine 11 . Cette turbine 14 permet aussi le maintien du réactif à sa composition en homogénéisant intimement les produits liquides et solides ajoutés dans la cuve 2. En cas d'incident sur cette turbine 14, les granulés solides d'urée ne sont plus dissous complètement et forment alors des blocs épais et visqueux qui peuvent boucher la crépine 19 d'aspiration de la pompe 22 et/ou faire monter le niveau N de la cuve, entraînant là aussi un arrêt de la production. Dans les deux cas d'incident sur la turbine 11 et/ou sur la turbine 14, un déséquilibre des bilans thermiques se produit et une modification de l'activité du réactif se produit également avec de très graves conséquences sur le produit fini (arrêt de la production, produit qui ne correspond pas au titre souhaité...). L'exemple et les contre-exemples qui suivent contribuent à préciser les commentaires ci-dessus. EXEMPLE Dans un réacteur conforme à la description cidessus, de capacité 10000 litres, on introduit 1100 litres d'acide sulfurique à 92 %. L'agitation est alors mise en route à 50 tr/mn. On introduit alors 4,0685 tonnes d'urée en maintenant, par refroidissement, la température du mélange en dessous de 80"C (afin de ne pas transformer l'urée en biurée). L'opération terminée, on met en route la régulation de température à 650C (à plus ou moins 2"C). On introduit alors 178,3 litres d'eau afin d'obtenir un npied de cuve" constitué du réactif tel que défini précédemment : 3,6 moles d'urée mole d'acide sulfurique-l mole d'eau. Dans ce même réacteur on introduit alors conjointement 6,7315 t/h de granulés d'urée, 1820 l/h d'acide sulfurique et 295,38373 l/h d'eau. Dès atteinte d'un niveau de remplissage de la cuve de 7500 litres, il est possible d'exporter 7,312 m3/h de réactif vers la cuve d'attaque du phosphate. Sur un phosphate israélien ("ZIN à 31,1 % de P2O5"), il est alors possible de produire 15,35 tonnes/heure d'engrais phospho-azoté ( produit fini également désigné par le sigle USP ) en mélangeant 5 t/h de phosphate avec 7,312 m3/h de réactif (soit 10,35 t/h de réactif à 650C) conformément à l'enseignement de la demande de brevet EP- A - 0 560 882 , ou WO 92 10443. CONTRE-EXEMPLES 1 / Le réacteur ci-dessus est équipé d'une pale sabre seule, placée à une distance H1 du fond de la cuve égale au 1/3 (tiers) de la hauteur de la cuve. Cette pale assure un mouvement de bas en haut du liquide. Ce mouvement permet aux granulés ( prills ) d'urée de circuler de la surface du mélange vers l'intérieur de la cuve. Cependant, compte tenu de la cinétique de dissolution de ces mêmes granulés dans un réactif sulfouréique tel que défini ci-dessus, il devient nécessaire d'augmenter le temps de séjour de ces granulés dans la cuve et donc de baisser les débits de production (et donc d'introduction des matières premières) de produit fini (USP). Des essais pilotes ont montré que si cette opération de réduction des cadences n'est pas effectuée, des granulés non dissous passent dans le liquide d'alimentation du mélangeur réactif/phosphate et/ou vont boucher l'aspiration de la pompe. Dans tous les cas le réactif n'étant plus dans les conditions d'équilibre chimique tel que décrit dans EP-A-0 560 882 (W092 10443), il y a altération du niveau d'attaque du phosphate et donc un produit fini non conforme à l'objet de la demande de brevet. I1 est à noter qu'il n'est pas possible industriellement d'agrandir la taille de la cuve (bilan thermique, taille de la pompe, taille de l'agitateur,...). 2/ Le réacteur ci-dessus est équipé d'une turbine de Rushton seule, implantée à une hauteur H2 égale à la moitié de la hauteur du réacteur . Elle ne crée pas assez de mouvement vertical pour faire couler les granulés d'urée dans le mélange; l'opération s'arrête donc à l'étape du "pied de cuve" sans permettre de constituer le réactif. L'urée se mouille puis s'agglomère en boule qui ne se dissout qu'au bout d'un temps très long (quand l'aspiration de pompe n'est pas bouchée avant). Les explications qui précèdent font apparaître que la combinaison des deux turbines 11 et 14 montées coaxialement sur un même arbre, selon la disposition particulière de l'invention, permet d'obtenir des résultats particulièrement intéressants pour la dissolution d'un produit solide dans un liquide de densité nettement supérieure à celle du produit solide. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour mélanger et dissoudre dans un liquide (L) des granulés ou des particules solides (G) d'une matière soluble dans ce liquide mais dont la densité est inférieure à celle du liquide, comprenant une cuve (2) comportant des moyens d'agitation (A) et munie au moins d'une entrée (4) pour le liquide (L), une entrée (5) pour les granulés solides, et une sortie (18) pour la solution, caractérisé par le fait que l'entrée (5) des granulés dans la cuve (2) est située en partie haute, au-dessus du niveau (N) du mélange réactionnel (M) dans cette cuve, et que les moyens d'agitation (A) comprennent un premier moyen d'agitation (A1) propre à créer un entraînement des granulés solides (G) vers la partie inférieure de la cuve (2) dans le mélange réactionnel, et un second moyen d'agitation (A2) situé dans la cuve à un niveau inférieur à celui du premier moyen d'agitation (A1) et propre à créer dans le mélange réactionnel un mouvement favorable à la dissolution des granulés, en particulier un mouvement de cisaillement. 2. Dispositif selon la revendication 1 pour préparer un réactif sulfo-uréique d'attaque d'un phosphate naturel, dans une installation de production d'engrais phosphoazotés, caractérisé par le fait que les granulés sont des granulés d'urée solides et le liquide est une solution sulfurique. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que les premier et second moyens d'agitation (A1,A2) sont des moyens d'agitation mécanique. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le premier moyen d'agitation (A1) est constitué par une turbine (11) à pales droites inclinées (12), également connue sous le nom de "turbine sabre", en particulier à quatre pales. 5. Dispositif selon la revendication 3 ou 4, caractérisé par le fait que le second moyen d'agitation (A2) est constitué par une turbine radiale (14) à pales droites (15), également connue sous le nom de "turbine de Rushton", en particulier à six pales. 6. Dispositif selon les revendications 4 et 5, dans lequel la cuve a une forme cylindrique d'axe vertical caractérisé par le fait les deux turbines (11,14) sont montées sur un même arbre vertical (9), en particulier coaxial à la cuve (2), la turbine radiale (14) étant située au-dessous de la turbine sabre (11), à une distance ( E) appropriée. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que le diamètre extérieur des pales de la turbine radiale (14) est inférieur au diamètre extérieur des pales (12) de la turbine sabre (11), en particulier égal environ aux 2/3 de ce diamètre. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par le fait que le plan moyen de la turbine radiale (14) est situé à une distance (H2) du fond de la cuve comprise entre le tiers et la moitié de la hauteur totale (H) du niveau (N) au-dessus du fond de la cuve( 1/3 H H/2). 9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'une entrée (6) est prévue dans le couvercle (3) de la cuve pour le recyclage d'une fraction du mélange réactionnel (M) réalisé dans la cuve.