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"PROCEDE DE PURIFICATION DE VAPEUR DE ZINC"
La présente invention est relative à la purification de vapeur de zinc et vise certains perfectionnements au traitement des vapeurs de zinc en vue d'en éliminer les métaux qui les souillent et qui ont un point d'ébullition plus élevé que celui du zinc, par exemple, le plomb, le fer, etc. Plus particulièrement, l'invention est relative à un procédé permettant d'obtenir du zinc métallique, de la poussière de zinc ou de l'oxyde de zinc de très grande pureté, à partir de zinc métallique relativement impur.
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Jusqu'ici, on avait l'habitude de redistiller le zinc métallique pour en enlever le fer et le plomb.
Dans ces opérations de redistillation courantes jusqu'ici, l'enlèvement du plomb, en particulier, ne s'effectuait pas au degré auquel on pouvait s'attendre d'après la tension de vapeur du plomb au point d'ébullition du zinc. Au point d'ébullition du zinc (environ 905 ), la tension de vapeur du zinc est par définition, 1 atm. tandis que celle du plomb n'est qu'une faible fraction d'une atmosphère (au voisinage de 0,10 mm de mercure). Théoriquement, le nombre de molécu- les de vapeur de plomb contenues dans la vapeur de zinc qui se dégage lorsque l'on fait bouillir du zinc impur est dans la même proportion par rapport au nombre de molécules (atomes) de vapeur de zinc que la tension de vapeur du plomb à 905 , par rapport à une atmosphère.
Le zinc produit en condensant cette vapeur devrait contenir le même pourcentage de plomb que celui qui est nécessairement présent dans la vapeur de zinc. En pratique toutefois, cette petite quantité (théorique) de plomb est largement dépassée. Ainsi, par exemple, du zinc brut ordinaire, redistillé d'après les méthodes courantes jusqu'ici , contient habituellement de 0,03 à 0,12% de plomb, alors que la teneur théorique est de 0,013 %.
La diminution de la tension de vapeur du plomb produite du fait de sa solution dans le zinc fondu, ne réduit pas de façon correspondante, conformément à l'expérience, la quantité de plomb qui passe réellement à la distillation dans la pratique industrielle ordinaire de la redistillation.
Dans une opération de ce genre, lorsqu'elle est effectuée à une vitesse de distillation convenable, pour rendre l'opé- ration profitable, le zinc fondu contenant du plomb en solu- tion s'éclabousse contre les côtés surchauffés de la cornue
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de distillation au-dessus du bain de métal fondu. ;le zinc bout rapidement laissant une pellicule constituée sensible- ment par du plomb qui tend à établir la vapeur de tension réelle du plomb dans la vapeur de la cornue.
La différence entre la teneur du plomb présent en fait dans le zinc redistillé et la teneur à laquelle il y aurait lieu de s'attendre théoriquement est, croit-on, due, dans une grande mesure, aux facteurs suivants :
1 - Surchauffe,, de la vapeur de zinc. Dans la redistillation du zinc telle qu'elle est pratiquée d'habitude, la vapeur est en contact avec les parois chauffées extérieu- rement de la cornue et est soumise à la radiation de ces parois ou bien, dans le cas de cornue chauffée intérieurement, la vapeur est au contact de la résistance électrique ou de l'arc ou autre moyen utilisé pour produire la chaleur, et est soumise à la radiation de ces moyens.
La vapeur de zinc est par suite chauffée à une température supérieure au point d'ébullition du zinc. A cette température, la vapeur de zinc absorbe, à l'état de vapeur, un plus grand pourcentage de plomb en volume que celui qui correspond à la tension de vapeur (ou pression partielle) du plomb, au point d'ébullli- tion du zinc. Cet excédentde vapeur de plomb est entraîné dans le condenseur du fait de l'un des phénomènes suivants ou des deux, même lorsque la vapeur de zinc n'est plus sur- chauffée avant d'entrer dans le condenseur ou le conduit de vapeur y conduisant.
2 - Sursaturation - Le plomb qui a été volatilisé par surchauffe comme indiqué ci-dessus, ne se condense pas immédiatement hors de la vapeur de zinc, lorsque le mélange de vapeur de zinc et de vapeur de plomb a été refroidi au point d'ébullition du zinc. L'excès de plomb (c'est-à-dire l'excès par rapport à la teneur qui existerait théoriquement
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à la pression partielle existante) a tendance à rester à l'état de vapeur pendant un certain temps sans se condenser sous forme de plomb fondu et ce retard donne suffisamment de temps pour que le plomb soit entraîné dans le condenseur par la vapeur de zinc.
3 - Entraînement- Il se forme dans le courant de vapeur de zinc des gouttelettes de plomb fondu ou de zinc fondu mélangé avec du plomb fondu, soit par condensation de la vapeur de plomb sursaturée, soit par pulvérisation mécani- que de gouttelettes de zinc fondu souillé de plomb dans le courant de vapeur, par l'éclatement de bulles de vapeur de zinc dans le bain de zinc bouillant. Ces gouttelettes de métal fondu souillé de plomb peuvent être entraînées mécani- quement par la vapeur de zinc dans le condenseur de zinc sous forme d'un brouillard métallique.
Le plomb est utilisé ici comme exemple spécifique de la manière suivant laquelle ces trois facteurs influent sur la purification du zinc par redistillation. Il doit être bien entendu que d'autres métaux , à point d'ébullition plus élevé que celui du zinc, se comportent de la même façon et, par suite, ne sont pas éliminés du zinc par redistillation dans la proportion à laquelle il y aurait lieu de s'attendre, étant donné leur faible tension de vapeur par rapport au point d'ébullition du zinc.
La présente invention est basée sur une étude atten- tive de ces facteurs et est relative à un procédé perfection- né de purification de la vapeur de zinc, dans lequel les influences pernicieuses de ces trois facteurs sont effective- ment évitées, d'où il résulte que l'on peut obtenir du zinc métallique très pur.
Bien que l'invention convienne particulièrement pour la purification de vapeur de zinc par redistillation, elle est
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également applicable en principe à la purification de vapeur de zinc d'autres origines telles que, par exemple, d'une opération de fusion ou de réduction du zinc, dans laquelle la vapeur de zinc estmélangée avec de l'oxyde de carbone.
Considérée de façon large, l'invention applique la conden- sation à reflux comme moyen d'élimination ou de purification, grâce auquel ou au contact duquel passe la vapeur de zinc relativement impure. Ainsi, une partie de la vapeur de zinc soumise à la purification est condensée à l'état de zinc fondu, comme par exemple dans une colonne à fractionnement ou à reflux et ce zinc fondu condensé revient à la source de volatilisation de la vapeur de zinc, en contre-courant par rapport au courant de vapeur de zinc. En fait, le zinc fondu condensé exerce une action de nettoyage sur la vapeur de zinc relativement impure et recueille une grande proportion de plomb, fer et autres métaux à point d'ébullition plus élevé que le zinc et enlève ces impuretés métalliques du courant de vapeur de zinc.
La caractéristique essentielle de l'invention est l'effet de condensation à reflux d'où il résulte que les impuretés métalliques sont enlevées dans une grande mesure de la vapeur de zinc. Lorsque l'on met en pratique l'inven- tion pour purifier la vapeur du zinc venant d'une cornue de redistillation, une partie de la vapeur de zinc venant de la cornue est condensée dans la colonne de fractionnement du condenseur à reflux et est renvoyée à la cornue de façon telle que toute la vapeur de zinc sortant de la cornue est mise en contact intime avec le courant qui revient (ou peut être la pluie ou le brouillard) de zinc fondu.
Cette conden- sation et ce retour du zinc fondu à la cornue de distillation (ou autre source donnant de la vapeur de zinc par volatilisa- tion) sont effectués en faisant passer la vapeur de zinc
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venant de la cornue dans un conduit montant ( de préférence sensiblement vertical) construit et disposé de façon à avoir une perte ou une dissipation de chaleur réglable par sa sur- face extérieure ( par radiation, conduction et convexion) .
La quantité de chaleur dissipée par ce conduit montant peut être réglée en faisant varier les superficies de sa surface extérieure (c'est-à-dire la surface par laquelle la chaleur qu'il contient doit passer pour se dissiper) en l'entourant d'un calorifuge d'épaisseur réglable et en la protégeant, si nécessaire, de la chaleur venant du foyer qui chauffe la cornue de distillation. Ce conduit montant constitue le con- denseur à reflux ou colonne de fractionnement. Il s'en dissipe suffisamment de chaleur pour recondenser une partie de la vapeur de zinc dégagée par la source de volatilisation.
En pratique, on a constaté que l'enlèvement effectif du plomb ( et autres impuretés avec point d'ébullition élevé) de la vapeur de zinc s'effectue de façon très satisfaisante si le condenseur à reflux fonctionne de façon à condenser et à ramener à la cornue de distillation du zinc de 15 à 20% de la vapeur de zinc qui en sort. La vapeur de zinc qui n'a pas été recondensée par le condenseur à reflux, pénètre dans un conduit approprié,descendant dans un dispositif de traitement de vapeur de zinc d'un type quelconque convenable tel qu'un condenseur susceptible de condenser efficacement de grandes quantités de vapeur de zinc.
Il est avantageux de remplir le condenseur à reflux ou tour de fractionnement avec une matière de garnissage en vue de faire circuler en zigzag la vapeur de zinc et le zina fondu recondensé lorsqu'il revient à la cornue de distilla- tion, ce qui entraîne un contact intime et relativement pro- longé entre le zinc fondu et la vapeur de zinc lorsqu'ils se déplacent en contre-courant. La matière de remplissage ou de
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garnissage permet d'avoir une colonne plus courte et lorsque l'on n'en utilise pas, le condenseur à reflux ou colonne de fractionnement doit être d'une longueur ou d'une hauteur voulue pour assurer un contact suffisant entre la vapeur de zinc montante et le zinc fondu descendant, en vue d'obtenir le résultat désiré.
La matière de remplissage ou de garnis- sage peut consister en Une substance quelconque qui ne soit, pas attaquée par la vapeur de zinc et le zinc fondu. Des morceaux de coke, de graphite, de matières réfractaires tels que le carbure de silicium, l'argile et produits analo- gues, des briques concassées et produits analogues peuvent être utilisés. La matière de garnissage doit être concassée à une dimension telle qu'elle laisse des vides suffisants pour le passager la vapeur de zinc et du zinc métallique fondu sans produire de bouchage et sans créer une contre- pression excessive. En pratique, du coke broyé à environ 2 cm et un mélange de briques réfractaires broyées et d'ar- gile broyé à environ 2 cm sont des matières qui ont donné des résultats satisfaisants , en pratique.
Il est avantageux d'utiliser une substance qui se casse avec une surface de rupture conchoïdale (tel que le coke ou l'argile siliceuse) étant donné que ces morceaux s'entassent avec des points et des lignes de contact, au lieu qu'il y ait des contacts de surface contre surface, de sorte que l'on a une porosité appropriée.
On peut évidemment utiliser des matières de remplis- sage de n'importe quelle forme telles que des sphères, des grilles ou des anneaux de Raschig. En outre, le condenseur à reflux ou colonne de fractionnement peut lui-même compor- ter des passages en spirale ou en zigzag ou peut être muni de chicanes de façon à obtenir l'effet voulu.
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Le courant de zinc fondu descendant dans le conden- seur à reflux diminue la quantité de plomb entraîné par la vapeur de zinc pour les raisons suivantes
1 - La surchauffe de la vapeur de zinc est sup- primée par contact avec le zinc fondu dont la température ne dépasse pas le point d'ébullition du zinc.
2 - La vapeur de plomb sursaturée se condense quand elle est mise en contact intime avec le zinc fondu.
3 - Les gouttelettes de plomb fondu entraînées mécaniquement sont retirées de la vapeur de zinc,par le zinc fondu,
4 - Le zinc fondu tend à dissoudre la vapeur de plomb de façon à donner la tension réduite de vapeur de plomb produite par sa solution dans le zinc.
La figure unique du dessin annexé représente sché- matiquement une forme d'appareil convenant pour la mise en pratique de l'invention.
L'appareil représenté sur le dessin comprend une cornue 1 de redistillation ( ou à zinc) d'une forme habituelle, disposée dans un four de chauffage approprié 2 du type cou- rant . La cornue est montée avec une légère perte vers l'a- vant. L'avant de la cornue est en communication avec un bac de chargement 3 au moyen duquel le zinc métallique fondu peut être introduit ou envoyé commodément dans la cornue.
Le bac de chargement comporte un trou de coulée 4 au niveau du point le plus bas de la cornue grâce à quoi le métal fondu, enrichi en plomb, peut- être retiré périodiquement de la cornue. Ce bac de chargement et le trou de coulée permettent de faire fonctionner la cornue de façon continue pendant toute sa durée. Un conduit de vapeur 5, placé au-dessus du bac de chargement, sert à conduire la'vapeur de zinc volati- lisée dans la cornue, dans un conduit ou colonne verticale 6
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comportant une surface de rayonnement de la chaleur ayant une superficie suffisante, colonne qui est remplie de mor- ceaux de matière réfractaire 7 tels que du coke broyé à la dimension convenable. La colonne 6 constitue le condenseur à reflux ou colonne de fractionnement mentionné ci-dessus.
Une enveloppe métallique 8 est placée à une certaine dis- tance du conduit 6 et l'entoure. Une matière calorifuge 9 telle que du charbon pulvérulent, est placée dans l'espace compris entre l'enveloppe et le conduit et l'on peut régler la quantité de cette matière de façon à régler l'évacuation de chaleur de la colonne et régler ainsi la température de fonctionnement. Un couvercle 10 s'adapte sur la colonne et est, de préférence, garni d'une matière obturatrice 11 telle que de la boue, de façon à empêcher que la vapeur de zinc s'échappe de l'appareil. Un conduit à vapeur de zinc 12 descend du haut de la colonne à un condenseur approprié 13 ou autre dispositif de traitement de la vapeur de zinc.
Le condenseur est muni d'un orifice d'échappement 14 et d'un trou de coulée 15 . Un groupe de cornues de ce genre avec condenseur à reflux peut être relié en parallèle avec un conduit de zinc de vapeur en pente et un condenseur con- duisant à un grand pot collecteur pour le zinc fondu. Le conduit et le condenseur sont tous deux, de préférence, calo- rifugés de façon à condenser les vapeurs de zinc de la meilleure façon.
Dans la redistillation du zinc dans un appareil de ce genre, la température du condenseur à reflux est mainte- nue automatiquement au point d'ébullition du zinc pourvu que la surface radiante du condenseur à reflux ait des propor- tions convenables. De cette façon, la vapeur de zinc, en allant au condenseur, traverse une zone dans laquelle la surchauffe qui peut .s'être produite, est entièrement supprimée
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et dans laquelle la vapeur de zinc est nettoyée par le zinc fondu, à la température d'ébullition du zinc.
On a constaté dans la mise en pratique de la pré- sente invention que, contrairement à la théorie ordinaire de la distillation, on peut produire, par redistillation, du zinc qui contient moins que la quantité théorique de plomb déterminée par la tension de vapeur du plomb à 905 .
Conformément à la théorie , cette quantité minima de plomb est approximativement 0,013% de plomb. Comme on l'a indiqué ci-dessus, les méthodes antérieures de redistillation n'ont pas été susceptibles d'atteindre même ce chiffre ;on a considéré que du zinc redistillé contenant jusqu'à 0,03% de plomb était excessivement pur. Avec le procédé actuel, toutefois, on a obtenu le résultat surprenant que du zinc contenant 0,05% de plomb ou même plus, peut être raffiné en donnant une teneur en plomb de 0,005% ou même moins. Il n'a pas été possible d'expliquer pourquoi ce procédé de redistil- lation donne de meilleurs résultats, en éliminant le plomb, qu'il ne semblerait possible, d'après la théorie.
Cela peut être dû à ce que les mesures faites dans la technique anté- rieure de la pression de vapeur de plomb donnent des résultats trop élevés ou que quelque facteur physique inconnu est entré en jeu ici.
La description qui précède se rapporte plus parti- culièrement à la purification de zinc impur , de zinc brut impur, de crasse et produits analogues par redistillation.
Il est possible, toutefois, de munir d'un condenseur à reflux de ce genre, une cornue telle qu'une cornue à zinc horizon- tale ordinaire produisant de la vapeur de zinc à partir du minerai par réduction. En ce cas, la vapeur de zinc est mé- langée avec de l'oxyde de carbone en quantité au moins égale au volume de la vapeur de zinc, ainsi qu'avec de l'hydrogène
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et d'autres gaz. En conséquence, la tension partielle maxima de la vapeur de zinc dans le mélange est d'une demie at- mesphère. Pour cette raison, la condensation du zinc dans le condenseur à reflux ne donne pas, en ce cas, un réglage automatique de la température, comme dans le cas de/redis- tillatipn du zinc.
La température dans le condenseur à reflux doit être suffisamment en dessous du point d'ébullition du zinc pour condenser celui-ci en partant de mélanges gazeux contenant 50 % de vapeur de zinc en volume et moins. La température dans le condenseur à reflux est, dans ce cas, par suite, fonction de la quantité de zinc qui y pénètre, de sorte que le réglage de la température n'est pas si simple que dans celui de la redistillation du zinc. Il est néces- saire , en ce cas, de régler le rayonnement de la chaleur du condenseur à reflux par rapport à la quantité de vapeur de zinc qui y pénètre, par exemple, en changeant le calori- fuge.
Bien que l'on ait décrit ci-dessus l'invention comme s'appliquant particulièrement à la purification de vapeur de zinc avant sa condensation à l'état métallique, la vapeur de zinc purifiée peut être utilisée pour d'autres emplois, tels que, par exemple, la fabrication d'oxyde de zine, de poussière de zinc et autres produits à base de zinc, de grande pureté. Par exemple, dans la production d'oxyde de zinc, le dispositif de traitement de la vapeur de zin peut comprendre des moyens permettant d'amener la vapeur de zinc purifiée en contact avec un gaz oxydant, tel que l'air, grâce à quoi la vapeur de zinc est brûlée en don- nant de l'oxyde de zinc qui peut être recueilli de façon appropriée d'une manière bien connue dans le métier.
De même dans la, production de poussière de zinc, le dispositif de
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traitement de la vapeur de zinc peut comprendre des moyens tels qu'une boite pour condenser la vapeur de zinc à l'état de poussière de zinc, également d'une manière bien connue dans le métier.