<Desc/Clms Page number 1>
ELECTRIC FURNACE PRODUCTS COMPANY LIMITED, résidant à TORONTO (Canada).
FABRICATION DU CARBURE DE CALCIUM.
La présente invention est relative à un procédé et un appareil de fabrication du carbure de calcium et, plus particulièrement, à un procédé et un appareil grâce auxquels le carbure de calcium est formé à partir d'un mé- lange de charbon et de pierre à chaux, sans liquéfaction des matièreso
Jusqu'à présent., on fabriquait le carbure de calcium par le procé- dé ci-dessous en trois stades : le charbon est cokéfiés la pierre à chaux est convertie en chaux par chauffage et expulsion de l'anhydride carbonique, après quoi on fait réagir le coke et la chaux dans un four électrique pour obtenir le carbure de calcium en phase liquide.
Ce procédé en trois stades n'a pas un bon rendement car des quan- tités considérables de chaleur sont perdues lorsque les produits des stades intermédiaires sont transférés au four électrique pour la réaction finale de formation du carbure.En outre, il faut une quantité considérable de chaleur de fusion pour maintenir les réactifs en phase liquide pendant le stade de formation du carbure.
En conséquence, 1 un des buts de la présente invention est de réa- liser un procédé et un appareil de fabrication du carbure de calcium à partir de pierre à chaux et de charbon ou autres matières carbonées,dans lesquels les pertes de chaleur sont réduites au minimum.
Dans ce procédé, il n'est pas nécessaire que les différents stades soient effectués en plusieurs endroits,on peut utiliser des températures plus basses, et le carbure de calcium obtenu n'a pas besoin d'être broyé et calibré
Essentiellement, le procédé de l'invention consiste à faire réa- gir de 1 J'oxyde de calcium à température élevée avec un agent réducteur carboné.
<Desc/Clms Page number 2>
Selon l'invention, on prépare un mélange d'oxyde de calcium et d'un agent ré- ducteur carboné en fines particules, contenant une quantité d'agent réducteur carboné au moins suffisante pour réagir avec tout l'oxyde de calcium de ma- nière à donner du carbure de calcium; on chauffe le mélange dans une zone de réaction;, hors de contact avec l'air, à une température de 10800 à 1.900 . jusqu'à. ce que l'oxyde de calcium et l'agent réducteur carboné réagissent sans liquéfaction pour produire du carbure de calcium, après quoi on abaisse la température du mélange jusqu'à la température ambiante, tout en le main- tenant hors de contact avec l'air.
Lorsque la matière carbonée est sous forme de charbon, on chauffe d'abord le mélange finement divisé d'oxyde de calcium et de charbon dans une zone de réaction hors de contact avec l'air, à une température de 350 à 400 jusqu'à ce que sensiblement tout le charbon contenu dans le mélange soit transformé en coke, puis on porte la température du mélange à la gamme de températures plus élevées de 1.800 à 1.9000, pour compléter la réaction.
D'autre part, lorsqu'on utilise de la pierre à chaux comme matière première à la place d'oxyde de calcium, on chauffe le mélange finement divi- sé de pierre à chaux et de matière carbonée dans une zone de réaction, hors de contact avec l'air, à une température d'environ 800 , jusqu'à ce que sen- siblement tout le carbonate de calcium contenu dans le mélange soit converti en oxyde de calcium, après quoi on porte la température du mélange à 10800 à 1.900 pour achever la réactiono
En général, il est avantageux que les matières premières soient du charbon et de la pierre à chaux, auquel cas, selon l'invention, les réac- tions ci-dessus mentionnées s'effectuent successivement.
Pour fabriquer de façon continue du carbure de calcium à partir d'un mélange finement divisé de pierre à chaux et de charbon, il est prévu, selon l'invention,un appareil qui comporte un four tournant à axe incliné, présentant une section tournante et une section de bout fixe dont l'axe est dans l'alignement de la précédente et qui est relié à elle par un joint her- métique. Cet appareil est caractérisé, selon l'invention,
par le fait qu'on assure au gradient de température depuis une région d'entrée à basse tempé- rature jusqu'à une région d'échappement à température élevée en utilisant au moins un arc électrique dans la région à température élevée et au moins un tuyau à air dans la région à basse température de manière à fournir de l'air nécessaire à la combustion du produit gazeux qui s'est formé dans la région à température élevée et qui est revenu à la région à basse températu- re.
Sur les dessins annexés
La figure 1 est une vue en plan de l'ensemble de l'appareil à re- fouler, de l'alimenteur, du four tournant et du refroidisseur tournant consti- tuant l'appareil suivant l'invention.
Les figures 2a et 2b sont des coupes verticales faites suivant la ligne 2-2 de la figure 1 et qui, réunies, représentent en détail le four tour- nant et l'alimenteur.
La figure 3 est une coupe verticale du refroidisseur tournant, suivant la ligne 3-3 de la figure 1.
La figure 4 est une coupe verticale suivant la ligne 4-4 de la fi- gure 2b montrant le système d'électrodes dans le four tournant, et
La figure 5 est une coupe verticale suivant la ligne 5=5 de la fi- gure 2a, représentant la construction interne du four tournant.
Le mélange pulvérulent de charbon et de pierre à chaux est de pré- -férence mis sous forme de boulettes et il est placé dans le four hors de con- tact avec l'air. Lorsque la température dépasse 100 , l'humidité contenue dans le mélange est expulsée. Lorsque la température dépasse environ 350 , le charbon contenu dans le mélange est cokéfié et les matières volatiles sont expulsées.Lorsque la température dépasse environ 800 , la réaction de cal-
<Desc/Clms Page number 3>
cination, convertissant la pierre à chaux contenue dans le mélange en chaux, commencée Finalement lorsque la température atteint 1800 à 1900 environ, la réaction entre la chaux et le coke se produit en donnant du carbure de calcium.
Cette réaction se produit en totalité en phase solide sans liqué- faction des matières quoiqu'il puisse se produire une certaine plasticité.
L'ensemble du procédé en trois stades de la présente invention peut être ef- fectué en une à deux heures environ et être conduit à la pression atmosphé- rique
Il n'est pas essentiel pour le présent procédé d'utiliser du char- bon comme source d'agent réducteur carbonée Si l'on utilise un agent réduc- teur carboné ne contenant pas de constituants volatils, l'opération de coké- faction peut être supprimée et on peut augmenter plus rapidement la tempéra- ture au delà de la gamme de cokéfactiono
On a constaté que lorsque la dimension des particules de réactifs est suffisamment faible, la vitesse de décarbonation (calcination)
de la pierre à chaux pendant le stade de calcination est suffisamment élevé pour permettre à la plus grande partie de l'anhydride carbonique de s'échapper sans réagir avec l'agent réducteur carboné contenu dans le mélange ni l'épui- sero Par suitetant que la vitesse de décarbonation est suffisamment élevée, la réaction désirée COCa + 3C# CaO + 3C + CO2 se produit, et la ré-. action indésirable :CO3Ca +3C #CaO + 2C + 2CO est empêchée de se produire
De préférence, le produit est refroidi en toute atmosphère inerte dans la mesure où elle ne réagit pas avec du carbure de calcium pour donner la réaction inverse.
Le carbure de calcium fabriqué actuellement par les procédés in- dustriels connus est acceptable s'il contient au moins 75 % de carbure de cal- cium. La matière contenue en outre dans ce produit est surtout de la chaux.
Le carbure de calcium obtenu selon le procédé de l'invention peut être produit de manière que sa teneur en carbure de calcium varie beaucoup suivant les conditions de la réactiono Avec le présent procédé, on a obtenu des produits contenant plus de 95% de carbure de calcium, mais il est évident que toute personne du métier peut obtenir des produits à plus faible teneur en carbure de calcium en modifiant les conditions opératoireso Ces conditions opératoires comprennent la durée de la réaction et le rapport de la quantité de chaux à l'agent réducteur carbonée
Une caractéristique extrêmement importante du procédé de l'inven- tion est qu'il peut se prêter à un fonctionnement continuo Si l'on fait arri- ver de fagon continue un mélange de pierre à chaux et de charbon, ou autre forme de carbone,
dans une zone de réaction ayant un gradient de température allant d'environ 350-400 à l'extrémité d'entrée jusque environ 1800=1900 , pour redescendre à environ 400 à l'extrémité de sortie, on peut obtenir du carbure de calcium de fagon continuée En adaptant le procédé de 1-'invention à ce fonctionnement continu, on a constaté qu'il était bon de mettre en bou- lettes le mélange pulvérulent de pierre à chaux et de charbon afin d'assurer une plus grande surface de réaction.
On a également découvert qu'en fonctionnement continu avec des boulettes arrivant dans la zone de réaction,il est bon d'avoir un excès en carbone d'environ 10 à 15 % par rapport aux proportions stoechiométriques, car cela retarde l'agglomération des boulettes dans la matière du mélange et empêche la formation d'une enveloppe dure et imperméable sur la surface des boulette so
La formation de cette enveloppe imperméable sur la surface du mé- lange mis en boulettes enferme les réactifs et retarde ainsi la réaction de formation du carbure.
Bien qu'il soit possible théoriquement de mettre en oeuvre de fa- gon continue le procédé de l'invention sans un excès d'un agent réducteur carboné dans le mélange mis en boulettes, on a constaté en pratique qu'il
<Desc/Clms Page number 4>
est extrêmement difficile d'obtenir des rendements raisonnablement élevés en carbure de calcium en l'absence de cet excès.
On a également constaté, dans la mise en oeuvre de façon continue de l'invention, que l'on évite une perte considérable de chaleur et que l'on augmente le rendement global de l'opération si l'on utilise l'oxyde de car- bone chaud produit dans la phase de réaction formant le carbure ou la matiè- re volatile chaude venant de la phase de cokéfaction, ou les deux, comme combustible servant à expulser l'humidité contenue dans le mélange mis sous forme de boulettes, pour cokéfier le charbon du mélange ou pour calciner la pierre à chaux qu'il contient.
En opérant de façon continue selon l'invention, l'oxyde de carbo- ne chaud (produit dans la phase de la réaction formant le carbure) et les constituants volatils (produits dans la phase de cokéfaction) peuvent être recyclés dans les zones de cokéfaction et de calcination et y être brûlés pour donner la chaleur nécessaire pour ces réactions.
Voici un exemple du procédé de l'invention dans lequel on a uti- lisé du carbone comme source d'agent réducteur carboné :
On a calciné un mélange de pierre à chaux et de carbone, compor- tant 10 % de carbone en plus de la quantité stoechiométrique, on l'a ensui- te porté à 1800 dans une atmosphère d'argon et on l'a maintenu à cette tem- pérature pendant une heure. On a laissé refroidir le produit résultant dans une atmosphère d'argon et, à l'analyse, on a constaté qu'il contenait 94,6% de carbure de calcium.
On a trouvé que la perte en poids du mélange calciné était de 30,60
Voici .un autre exemple du procédé de l'invention dans lequel on a utilisé.. du charbon comme source d'agent réducteur carboné :
On a chauffé à 800 pendant deux heures une boulette de pierre à chaux,de charbon, en excès de 10 % sur les proportions stoechiométriques, et d'huile formant liant, puis on l'a porté à 1900 pendant 5 minutes de manière à obtenir un produit qui, après refroidissement dans une atmosphère d'argon, a été analysé et qui a été trouvé contenir 90 % de carbure de calcium.
Dans un four continu expérimental, en deux heures de fonctionne- ment on a produit 29,5 kgs d'une matière contenant 81,7 % de carbure de cal- cium.
L'appareil selon l'invention assure la mise en boulettes du mé- lange de la réaction, l'introduction continue et la mise en réaction du mé- lange ainsi mis en boulettes dans un four tournant, de manière à produire du carbure de calcium, et le refroidissement du produit résultant, avant de l'évacuer dans l'atmosphère Le mouvement tournant du four, combiné avec une chute de hauteur de'puis l'extrémité d'entrée du four jusqu'à son extrémité de sortie, assurent le passage des boulettes du mélange dans le four à une vitesse déterminée.Le four tournant a un gradient de température allant d'en- viron 200 à l'entrée jusqu'à environ 1900 à la sortie.
La partie du four à basse température comporte des tuyaux d'entrée d'air qui assure la combus- tion des produits gazeux qui se dégagent dans la partie à haute température du four et qui vont dans la partie à basse température pour y brûler.La par- tie à haute température du four est chauffée par au moins un arc électrique passant entre deux électrodes placées dans un stator qui constitue une par- tie de la portion du four à haute température.L'intérieur du four est garni de blocs de carbone dans la partie à haute température et de corps réfrac- taires ordinaires aux endroits où les températures des parois sont inférieu- res à 1400 o Après que le mélange a traversé le four et a complètement réagi, il tombe directement par gravité dans un refroidisseur tournant ne contenant pas d'air, avant d'être évacué dans l'atmosphère.
Le refroidissement s'effec- tue dans une certaine mesure dans une atmosphère d'oxyde de carbone résultant de celui produit dans le four. Toutefois, le refroidissement est suffisamment rapide pour empêcher la réaction réversible de se produire et, par conséquent,
<Desc/Clms Page number 5>
une destruction du carbure de calcium.
Le refroidisseur tournant,comme le four;,présente une pente de l'entrée à la sortie,de sorte que le mélange le traverse à une vitesse déterminéeo Les parois intérieures du redroidis-
Heur, conductrices de la chaleurservent à transférer la chaleur du mélange à l'air de refroidissement qui passe continuellement le.long du côté opposé des parois internes Après avoir traversé toute la longueur de ce refroidis-
EMI5.1
seur, le mélange de la réaction est suffisamment refroidi pour sortir dans l'atmosphère sans réagir avec elle.
Plus particulièrement, et en se référant à la forme de réalisa- tion représentée sur la figure 1, un long élément tubulaire 1 comporte un dispositif interne servant à refouler un mélange pulvérulent dans cet élé- ment et dans une filière 2 placée à son extrémité, en mettant ainsi le mélan- ge pulvérulent sous forme de petites boulettes de dimension appropriéeo Des
EMI5.2
goulottes 3 et 4 amènent ces boulettes à l'extrémîté dentrée d9t four tour- nant 5.Ce dernier comprend une enveloppe métallique extérieure 6,un revê- tement intérieur qui est, de fagon appropriée,en carbone 7 dans la partie à haute température et en matières réfractaires ordinaires 7a dans la partie
EMI5.3
à basse température, ces deux revêtements étant disposés coaxialement à 1*'în- térieur du four 5,
un passage annulaire 8 d'entrée deair dans la partie à basse température du four, entre l*enveloppe extérieure 6 et le garnissage intérieur 7, plusieurs tuyaux 9 d'entrée d9air placés autour de l'enveloppe extérieure 6 de manière à permettre à 1a3,r d9entrer dans le passage 8 d'en- trée d'air ? plusieurs tuyaux formant brûleurs 10 placés de manière à traver-
EMI5.4
ser le garnissage interne 7 et à amener lpair du passage 8 à l'intérieur de la partie du four à basse température, des robinets 11 placés à 1-9extérîeur de l'enveloppe 6 en vue de régler la quantité dair passant dans ces brûleurs 10,
une section fixe 12 de bout du four placée à la partie à haute tempéra tiare du four et munie d'au moins deux électrodes 13 montées dans des porte-
EMI5.5
électrodes 13 traversant le garnissage intérieur 7 pour venir dans 193xitém rieur du four, et une sortie 14 placée à la base de la section non tournante 12 du four et faisant communiquer lintérieur du four, à travers le garnis-
EMI5.6
sage intérieur 7 et ls enveloppe extérieure 69 avec 1gextérieur du four. Il est prévu un système de supports 15 et un dispositif de commande 15a servant à supporter et faire tourner le fouro Un refroidisseur tournant 16, ne con-
EMI5.7
tenant pas d9air;, se trouve en dessous de la sortie 14 du four tournant 5 à laquelle il est relié.
Ce refroidisseur 16 est porté et tourne comme le
EMI5.8
four 5 à l'aide d2un système de supports 17a et d'un dispositif de commande 17b. Le refroidisseur comprend une enveloppe métallique extérieure 18 et une enveloppe intérieure 19 concentrique, dans laquelle passe le produit du four.
Un passage annulaire 20 est délimité sur toute la longueur du refroidisseur entre l'enveloppe extérieure 18 et l'enveloppe intérieure 19.Un passage 21 d'entrée dair de refroidissement fait arriver de lair venant du ventilateur
EMI5.9
2H par le tuyau dentrée 23,, dans le passage annulaire 200 Après avoir re- froidi 1"' enveloppe intérieure 19 19 a3,r devenu chaud s échappe par un pas- sage I+Q vers une cheminée d9évacuation 25o Après avoir traversé le refroi- disseur, le produit du four sort dans l'atmosphère, sensiblement à tempéra- ture ambiante, par la sortie 26.