Brevet FR2805178A1 — publié le 20010824

Réacteur à lit fluidisé La présente invention concerne de manière genérale les réac teurs à lit fluidisé et plus particulièrement les réacteurs à lit fluidisé qui peuvent fonctionner en continu, même avec production de résidus élevée. Dans la production de métaux tels que le zirconium, le haf nium et le titane par le procédé de réduction Kroll, sables de sili cate de zirconium (zircon) et de rutile sont d'abord chlorés en présence de carbone pour produire des tétrachlorures de zirconium, de hafnium, de titane et de silicium gazeux, lesquels métaux sont ensuite réduits, par exemple avec du magnésium. Les sables sont typiquement chlorés en presence de carbone à des températures supérieures à environ 800 dans des réacteurs à lit fluidisé. Les composés non volatils, et en particulier les sels de calcium, d'yttrium et de sodium provenant des sables de silicate de zirconium et de rutile, finissent par s'accu muler dans les appareils de chloration et créent des conditions de lit "collant" qui inhibent la fluidisation. Les résidus présents dans les appareils de chloration doivent donc être retirés périodiquement. Les appareils de chloration existant dans l'industrie fonctionnent dans un mode '-continu où la température, la pression et la vitesse d'ali mentation en matériau sont maintenues constantes, tout en laissant les impuretés résiduelles qui proviennent des matériaux d'alimentation s'accumuler dans les réacteurs à lit fluidisé. Les résidus contiennent des impuretés, telles que CaCl2 et YC13, qui sont à l'état fondu dans les conditions de fonctionnement du réacteur et qui, si on les laisse s'accumuler dans le lit, vont geler le lit et finalement nécessiter un arrêt du réacteur. Pendant la production, ceci arrive toutes les deux à quatre semaines. A chaque fois, on retire du lit environ 1500 kilo grammes de résidus, contenant typiquement plus de 95 % de coke. matériau doit être éliminé en tant que déchet radioactif en raison l'uranium et du thorium également présents dans le minerai. Ce mode opératoire non seulement entrave la productivité mais il accroît aussi la perte matière première et la quantité de résidus devant être élimi nés comme matières radioactives. Afin de permettre à ces appareils chloration de fonctionner dans un vrai mode continu et d'éviter les problèmes de fonctionnement de lit, il est nécessaire de supprimer en continu résidus du lit. Ceci est particulièrement difficile dans les conceptions de lits fluidisés actuelles qui utilisent un réseau de roches, sous le lit pour diffuser et répartir uniformément le gaz met en suspension et entraîne les réactifs. Dans les appareils de chlo ration, roches siliceuses servent de diffuseur en raison de la nature corrosive chlore gazeux. D'autre part, le lit de roches forme un piège recueille les résidus collants qui bouchent aisément les canaux d'écoulement qui sont destinés à répartir et diffuser le chlore gazeux. conséquence, une nouvelle conception de réacteur à lit fluidisé est nécessaire, avec un système de distribution de gaz amé lioré qui puisse mettre en suspension, entraîner et mélanger les réac tifs sans former d'obstacle à la collecte et au retrait des résidus traitement. En outre, on souhaite que cette conception facilite le retrait continu des résidus de traitement. Ces objets, ainsi que d'autres, sont atteints par cette inven tion, utilise un lit fluidisé ouvert et non restreint à l'intérieur de l'enceinte du réacteur sans aucun obstacle à la collecte et au retrait résidus de traitement. Un orifice central d'entrée de gaz est positionné à proximité de la partie inférieure de la zone de réac tion l'enceinte de réacteur à lit fluidisé, pour diriger le gaz vers le haut dans l'enceinte pour maintenir les matières premières en suspension. Une pluralité d'injecteurs de gaz périphériques sont placés en au moins deux niveaux le long de l'enceinte du réacteur, autour de la circonférence de l'enceinte en chacun de ces niveaux, qui introduisent du selon un angle défini pour faciliter le mélange des matières entraînées en suspension. De cette manière, les réactifs sont mélanges en suspension sans placer un diffuseur sous la zone de réaction. La partie inférieure de l'enceinte est en entonnoir jusqu'à un orifice de collecte pour guider par gravité les résidus jusqu'à une sortie où les résidus peuvent être extraits en continu. Dans un mode réalisation préféré, un tube de dispersion de gaz entoure une partie supérieure de la zone de collecte et introduit le gaz de fluidisation pour diriger les agglomérats ayant un poids inférieur à poids prédéterminé jusque dans la zone de réaction afin d'accroître rendement du procédé et de minimiser le taux de résidu. Dans mode de réalisation préféré, environ 30 % du gaz de fluidisation projeté dans le courant gazeux central, 5 % dans le tube de dispersion et 65 % dans les injecteurs de gaz péri phériques. Une commande individuelle des injecteurs de gaz péri phériques apporte une flexibilité de fonctionnement. La présente invention propose un réacteur à lit fluidisé servant à mélanger une pluralité de matériaux et à transformer une propriété chimique de matériaux pour établir un produit souhaité. Ce réacteur comprend une enceinte de réacteur creuse, de forme allon gée et orientée verticalement servant à confiner la réaction des maté riaux pendant leur transformation, un orifice d'entrée central de gaz et/ou de solides situé à proximité de la partie inférieure d'une zone de réaction se trouvant dans l'enceinte pour injecter un gaz parallèlement à l'axe vertical de l'enceinte pour maintenir les matières premières en suspension, et une pluralité d'injecteurs de gaz périphériques placés en au moins deux niveaux le long de la dimension allongée de l'enceinte et servant à introduire gaz selon un certain angle par rapport à la dimension allongée de l'enceinte pour favoriser le mélange des matiè res entraînées en suspension. De préférence l'enceinte du réacteur présente une section conique dans sa zone réaction avec le petit diamètre du cône en son extrémité inférieure faisant interface avec l'orifice d'entrée central de gaz. De préférence, le réacteur comporte un conduit de décharge des résidus adapté en une extrémité à la section à diamètre réduit de l'enceinte de réacteur et comportant une paroi inférieure inclinée ser vant à diriger les résidus provenant du processus de réaction jusqu'à un orifice de collecte des résidus. De préférence encore, le réacteur comporte un dispositif de transport placé au niveau de l'orifice de collecte des residus pour reti rer les résidus du conduit de décharge. dispositif de transport peut être une vis ou un dispositif de transport rotatif. préférence, le dispositif de transport retire en continu les résidus du réacteur pendant le fonctionnement de ce dernier. réacteur peut comporter un tube de dispersion qui entoure au moins une partie du conduit de décharge pour introduire un gaz dans le conduit de décharge afin de maintenir en suspension les rési dus sous une taille donnée et de les rediriger dans la zone de réaction tout en permettant aux agglomérats de résidu se trouvant au-dessus de la taille donnée de tomber vers l'orifice de collecte. De préférence, le gaz provenant du tube dispersion est introduit selon un angle dirigé vers le bas par rapport à l'axe central du conduit de décharge. De préférence, la pente de la paroi inférieure du conduit de décharge est conçue de façon que les forces gravitationnelles exercées sur les résidus se trouvant au-dessus de la taille donnée surmontent la friction de la paroi et se déplacent jusqu'à l'orifice collecte. Les injecteurs de gaz périphériques peuvent être dirigés selon un angle orienté vers le bas par rapport à une ligne perpendiculaire à l'axe central de l'enceinte de réacteur. Le gaz provenant de l'orifice d'entrée central gaz peut être introduit dans la zone de réaction sans passer par une section de diffu seur solide ou perforée. De préférence, environ 30 % du gaz de fluidisation est intro duit par l'orifice d'entrée central, environ 65 % du gaz fluidisation est introduit par les injecteurs périphériques, et 5 % du gaz de fluidi- sation est introduit par le tube de dispersion. Le réacteur peut comporter des soupapes de commande pour commander individuellement la quantité de gaz passant dans les injec teurs périphériques respectifs. De préférence, les injecteurs de gaz périphériques comportent une pluralité d'injecteurs de gaz en chacun des niveaux placés respec tivement autour de la circonférence de l'enceinte de réacteur. De préférence, les injecteurs de gaz périphériques en chaque niveau sont placés de manière équidistante autour de la circonférence de l'enceinte de réacteur. injecteurs de gaz périphériques en chaque niveau peuvent ne pas être alignés avec les injecteurs des autres niveaux. dispositif de transport peut retirer les résidus du réacteur de manière discontinue pendant le fonctionnement de ce dernier. préférence, les injecteurs de gaz périphériques sont placés sur au moins trois niveaux. préférence, la chute de pression dans les injecteurs de gaz périphériques vaut au moins trente pour cent de la chute de pression dans la zone de réaction. La chute de pression dans le tube de dispersion peut valoir au moins trente pour cent de la chute de pression dans la zone de reac- tion. La présente invention sera mieux comprise à la lecture la description détaillée suivante de modes de réalisation préférés, faite en référence au dessin d'accompagnement unique qui est une vue sché matique du réacteur à lit fluidisé de l'invention. La présente invention propose un réacteur chimique à lit - disé amélioré qui permet la sortie en continu du produit de réaction final souhaité et la décharge en ligne, continue ou discontinue, sous-produit résiduel du procédé, d'une manière qui permet au réacteur de fonctionner en continu sans obstruer le lit fluidisé. Bien que mode de réalisation préféré soit illustré pour une application à un appareil de chloration, on peut apprécier le fait que le réacteur à lit fluidisé de l'invention peut être utilisé pour faciliter d'autres réactions chimiques, telles que des procédés de gazéification ou de combustion du charbon. Comme précédemment mentionné, la carbochloration du sable de zircon (ZrSi04) est la première étape d'une série longue et com plexe d'étapes de traitement chimiques pour produire du zirconium métallique de pureté élevée. La carbochloration, ou chloration brute, est exécutée dans un lit fluidisé chauffé à 1000 C en utilisant du coke et du chlore. La mise en oeuvre des appareils de chloration de l'art antérieur, dans cette application, a essentiellement été semi-continue. Périodiquement, les impuretés provenant du minerai s'accumulent dans le lit fluidisé et sont éliminées sous forme de déchet radioactif. L'accumulation d'impuretés dans le lit obstrue le lit et entrave le fonc tionnement et réduit le rendement du réacteur, et accroît les coûts d'élimination des résidus radioactifs. De plus, pour retirer ces résidus, le réacteur doit être pris hors-ligne. Un objet de la présente invention consiste à convertir ce procédé semi-continu en un procédé continu qui permet le retrait en ligne des impuretés sous forme d'agglomérats. Les résidus du processus de chloration du minerai de zirco nium contiennent des impuretés, telles que CaCl2 et YC13, qui sont à l'état fondu dans les conditions de fonctionnement du réacteur et qui, si on laisse s'accumuler dans le lit, vont geler le et finalement nécessiter un arrêt du réacteur. Le lit est typiquement supporté par un réseau roches qui sont utilisées pour diffuser le chlore gazeux uti lisé pour mettre en suspension, entraîner et mélanger la combinaison de coke et de minerai de zirconium, pendant qu'il réagit avec les matières en suspension. Un mode de réalisation préféré de cette invention est montré sur le dessin qui montre une vue schématique du réacteur à lit fluidisé amélioré de la présente invention. La majeure partie du réacteur 10 est contenue à l'intérieur d'une enceinte cylindrique 12 diamètre inté rieur d qui comporte une ouverture supérieure 11 par laquelle sont introduits les ingrédients bruts et par où est décharge le produit final. En variante, les ingrédients bruts peuvent être introduits par le tube central 22. Le lit du réacteur est défini par une plaque de diffuseur conique 16 qui contient le sable et le coke réactifs 14. Le lit se ter mine en son extrémité inférieure dans un tube de décharge cylindrique 18 qui comprend une paroi inférieure inclinée 20 qui dirige les résidus jusqu'à un orifice de sortie 32 au niveau de l'extrémité inférieure du tube de décharge 18. La décharge des résidus est facilitée par une vis ou un dispositif de transport rotatif 34. De préférence, la décharge est effectuée en continu, mais elle peut aussi être effectuée en ligne, sous forme de processus discontinu. Comme mentionné précédemment, le lit fonctionne à environ 1000 C et est chauffé par un système de chauffage par induction représenté schématiquement par la référence 17. Le diffuseur conique 16 est de préférence construit en graphite, qui facilite le processus de chauffage par induction et peut supporter la nature caustique du chlore gazeux. Les parties restantes du système réalisant l'interface avec le chlore peuvent être en acier inoxydable. Le chlore est introduit dans le réacteur à lit fluidisé de cette invention de trois manières différentes. Premièrement, on introduit environ 30 % du chlore par un tube d'entrée primaire 22 placé en posi tion centrale suivant l'axe du réacteur, s'étendant depuis le dessous du conduit de décharge jusqu'à la partie inférieure du lit du réacteur. Deuxièmement, on introduit environ alo du chlore par un tube de dis persion 30 qui entoure la plus grande partie de la circonférence d'une partie supérieure du conduit de décharge des résidus ou tube de col lecte 18 sous l'enceinte 12. Le tube de dispersion 30 introduit le chlore suivant un angle horizontal ou de 'férence incliné vers le bas, par exemple de 45 , par rapport à l'horizontale pour empêcher les particu les de s'introduire dans le tube de dispersion. Le gaz sortant du tube de dispersion et dirigé vers le bas tourne dans le tube de décharge sui vant une direction verticale, vers le lit. La chute de pression dans le tube de dispersion doit être égale à au moins trente pour cent de la chute de pression au niveau du lit entier, c'est-à-dire la différence de pression mesurée entre la partie inférieure et le sommet du lit. Le débit dans le tube de dispersion est prévu pour constituer une condi tion fluidisante favorable pour permettre la séparation et le passage des gros agglomérats tout en forçant les particules du lit et les agglo mérats fins à retourner dans la région de réaction afin de minimiser le taux de résidus global. La présence du tube de dispersion 30 crée un lit fluidisé distinct dans le tube de décharge 18. Le fonctionnement du tube de décharge 18 à une vitesse de fluidisation égale à 1,2 à 1,5 fois la vitesse de fluidisation minimale des gros agglomérats à séparer va permettre la séparation et le passage des gros agglomérats en vue de leur retrait. Ceci est un principe bien connu du fonctionnement sur lit fluidisé. La partie inférieure de l'enceinte 12 forme une chambre 28 reliée, via une plaque à orifices 29, à des conduites de gaz 26 qui com muniquent avec des orifices 24 à l'intérieur d'une plaque de distribu tion 16 en au moins deux niveaux espacés, de 'férence trois niveaux espacés comme montré dans ce mode de réalisation. Bien que montrés sur un seul côté, par souci de clarté, les orifices a chaque niveau sont espacés circonférentiellement autour de la plaque distribution 16, et de préférence les injecteurs à chaque niveau ne sont pas alignés. Envi ron 65 7o du chlore est distribué par les orifices Dans ce mode de réalisation, quatre orifices sont positionnés de manière équidistante autour du niveau inférieur de la plaque de distribution et huit orifices sont répartis de manière équidistante autour de la plaque de distribu tion en chacun des deux autres niveaux. De préférence, l'orifice *24 injecte le chlore gazeux selon un léger angle par rapport à l'horizon tale par exemple 10 , pour empêcher la poudre de s'introduire dans les orifices. Les orifices sont dimensionnés et le débit sortant des orifices est conçu de façon à permettre aux jets produits par les orifices de pénétrer jusqu'au milieu du réacteur 12. La chute de pression dans les orifices vaut au moins 30 % de celle du lit entier. Ces jets d'orifice entraînent la poudre et le gaz en continu et finissent par dégénérer en bulles et favorisent un mélange et une mise en contact intensifs du gaz et particules solides. Cette conception est particulièrement effi cace pour les poudres cohérentes qui ne peuvent pas être fluidisées de maniere conventionnelle. La commande individuelle de chacun des ori fices 24, comme représentée schématiquement par le dispositif de commande 27, pour régler le débit, offre une exceptionnelle flexibilité de fonctionnement. De préférence, toutes les surfaces du réacteur qui sont au contact du gaz sont construites en matériaux tes que du gra phite comme mentionné précédemment ou en acier inoxydable, qui peuvent supporter les caractéristiques corrosives du chlore. Bien que le mode de réalisation montré sur le dessin identifie nombre d'orifi ces et le nombre de niveaux des injecteurs, le dessin peut varier en fonction de la taille de l'appareil de chloration. Dans tous les cas, cependant, le dessin suivra les principes de fluidisation et de mise en contact gaz/solides décrits plus haut et comportera au moins deux niveaux d'injecteurs projetant un gaz de fluidisation directement dans le lit. Un réacteur pilote a été conçu pour une simulation à écoule ment froid la présente invention. On a constaté que gros injecteur central 22 accroît la circulation et le mélange des particules solides à l'intérieur lit, et favorise un motif d'écoulement solides favora ble à l'agglomération des impuretés. Le mélange intensif de solides produit l'injecteur central 22 et par les orifices périphériques 24 donne une température plus uniforme dans le lit et améliore la produc tion. Dans cet essai, le diamètre supérieur d du lit était d'environ 25,4 centimètres (10 pouces) et se rétrécissait au niveau de sa partie infé rieure conique jusqu'à un diamètre g de 10,2 centimètres (4 pouces). Un tuyau en graphite de 1,27 centimètres (0,5 pouce) de diamètre était utilisé pour l'injecteur central 22, et les orifices de plaque de distri bution étaient situés à des distances a, b et c valant respectivement 5,08, 10,16 et 15,24 centimètres (2, 4 et 6 pouces) au-dessus de la conduite décharge de résidus ou tube de collecte 18 et faisaient 2 millimètres de diamètre. La pente f de la plaque distribution 16 était d'environ 70 par rapport à l'horizontale. dimensions relati ves peuvent être employées pour agrandir le dessin d'une maquette pilote à taille d'un réacteur de production. conséquence, cette invention permet de maintenir une réaction continue a l'intérieur du lit fluidisé sans obstruction du lit et permet un retrait soit continu soit discontinu des résidus produits par le procédé. REVENDICATIONS 1. Réacteur (10) à lit fluidisé servant à mélanger une pluralité de matériaux et à transformer une propriété chimique de ces matériaux pour établir un produit souhaité, caractérisé en ce qu'il comprend une enceinte (12) de réacteur creuse, de forme allongée et orientée verticalement servant à confiner la réaction des matériaux pendant leur transformation; un orifice d'entrée central (22) de gaz et/ou de solides situé proximité de la partie inférieure d'une zone de réaction se trouvant dans l'enceinte (12) pour injecter un gaz parallèlement à l'axe vertical de l'enceinte pour maintenir les matières premières en suspension; et une pluralité d'injecteurs de gaz périphériques (24) placés au moins deux niveaux le long de la dimension allongée de l'enceinte (12) et servant à introduire du gaz selon un certain angle par rapport à la dimension allongée de l'enceinte pour favoriser le mélange des matières entraînées en suspension. 2. Réacteur (10) à lit fluidisé selon la revendication 1, carâ.c- térisé en ce que l'enceinte (12) de réacteur présente une section coni que ( dans sa zone de réaction avec le petit diamètre du cône en son extrémité inférieure faisant interface avec l'orifice d'entrée central (22) gaz. 3. Réacteur (10) à lit fluidisé selon la revendication 2, carac térise en ce qu'il comporte un conduit (18) de décharge des résidus adapté en une extrémité à la section à diamètre réduit (16) l'enceinte de réacteur et comportant une paroi inférieure inclinée (20) servant à diriger les résidus provenant du processus de réaction jusqu un orifice de collecte (32) des résidus. 4. Réacteur (10) à lit fluidisé selon la revendication 3, carac térise en ce qu'il comporte un dispositif de transport (34) placé au niveau l'orifice de collecte (32) des résidus pour retirer les résidus du conduit (18) de décharge. Réacteur (10) à lit fluidisé selon la revendication 4, carac térise en ce que le dispositif de transport (34) est une vis ou un dispo sitif de transport rotatif. 6. Réacteur (10) à lit fluidisé selon la revendication 4, carac térisé en ce que le dispositif transport (34) retire en continu les résidus du réacteur pendant le fonctionnement de ce dernier. 7. Réacteur (10) à lit fluidisé selon la revendication 3, carac térisé en ce qu'il comporte un tube de dispersion (30) qui entoure au moins une partie du conduit ( de décharge pour introduire un gaz dans le conduit (18) de décharge afin de maintenir en suspension les résidus sous une taille donnée et les rediriger dans la zone de réac tion tout en permettant aux agglomérats de résidu se trouvant au-des sus de la taille donnée de tomber vers l'orifice de collecte (32). 8. Réacteur (10) à lit fluidisé selon la revendication 7, carac térisé en ce que le gaz provenant tube de dispersion (30) est intro duit selon un angle dirigé vers bas par rapport à l'axe central du conduit (18) de décharge. 9. Réacteur (10) à lit fluidisé selon la revendication 3, carac térisé en ce que la pente de la paroi inférieure (20) du conduit (18) de décharge est conçue de façon les forces gravitationnelles exercées sur les résidus se trouvant au-dessus de la taille donnée surmontent la friction de la paroi et se déplacent jusqu'à l'orifice de collecte (32). 10. Réacteur (10) à fluidisé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les injecteurs de gaz périphériques (24) sont diri gés selon un angle orienté vers bas par rapport à une ligne perpendi culaire à l'axe central de l'enceinte (12) de réacteur. 11. Réacteur (10) à fluidisé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz provenant de l'orifice d'entrée central (22) de gaz est introduit dans la zone réaction sans passer par une section de diffuseur solide ou perforée. 12. Réacteur (10) à fluidisé selon la revendication 7, caractérisé en ce que environ 30 % du gaz de fluidisation est introduit par l'orifice d'entrée central (22), environ 65 % du gaz de fluidisation est introduit par les injecteurs périphériques (24), et 5 % du gaz de fluidisation est introduit par le tube de dispersion (30). 13. Réacteur (10) à lit fluidisé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des soupapes de commande (27) pour commander individuellement la quantité de gaz passant dans les injec- teurs périphériques respectifs (24). 14. Réacteur (10) à lit fluidisé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les injecteurs de gaz périphériques (24) compor tent une pluralité d'injecteurs de gaz en chacun desdits niveaux placés respectivement autour de la circonférence de l'enceinte (12) de réac teur. 15. Réacteur (10) à lit fluidisé selon revendication 14, caracterisé en ce que les injecteurs de gaz périphériques (24) en cha que niveau sont placés de manière équidistante autour de la circonfé rence l'enceinte (12) de réacteur. 16. Réacteur (10) à lit fluidisé selon revendication 14, caracterisé en ce que les injecteurs de gaz périphériques (24) en cha que niveau ne sont pas alignés avec les injecteurs (24) des autres niveaux. 17. Réacteur (10) à lit fluidisé selon revendication 4, caracterisé en ce que le dispositif de transport (34) retire les résidus du réacteur de manière discontinue pendant le fonctionnement de ce dernier. 18. Réacteur (10) à lit fluidisé selon revendication 1, caracterisé en ce que les injecteurs de gaz périphériques (24) sont pla cés sur au moins trois niveaux. 19. Réacteur (10) à lit fluidisé selon la revendication 1, caracterisé en ce que la chute de pression dans les injecteurs de gaz périphériques (24) vaut au moins trente pour cent la chute de pres sion dans la zone de réaction. 20. Réacteur (10) à lit fluidisé selon revendication 7, caracterisé en ce que la chute de pression dans le tube de dispersion (30) vaut au moins trente pour cent de la chute de pression dans la zone réaction.