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"Perfectionnements aux procédés et dispositifs pour la production d'acides phosphoriques. "
L'invention concerne la production d'acides phosphoriques, en particulier d'acides phosphoriques à haute teneur en P2O5. Au cours de la description suivante, l'expres- sion "acides phosphoriques à haute teneur en P2O5" doit s'entendre comme désignant des acides phosphoriques contenant au minimum 68 % de P2O5 p/p sur une base exempte d'impuretés, en abrégé "BEI", (le pourcentage "p/p" étant calculé en poids de P2O5 par rapport au poids total de P2O5 plus l'eau aussi bien libre que combinée dans l'acide en question), parmi les- quels figurent les acides couramment dénommés "acides superphosphoriques" possédant des teneurs en P2O5 comprises ,entre 68 % et 7.9 % p/p (BEI),
des acides possédant des teneurs en P2O5 comprises entre 79 et 89 % p/p (BEI) qui peuvent convenablement être dénommés "acides astrophosphoriques, et des acides contenant plus de 89 % p/p de P2O5 (BEI), dénom- més "acides ultraphosphoriques" au cours de cette descrip- tion.
La production industrielle d'acides phospho-
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rique généralement effectues par mise en oeuvre de l'un de deux modes opératoires généraux, à savoir le "procédé par voie humide", dans lequel de la cendre d'es ou, plus habituel- lement, du phosphate en roche broyée contenant de 1'apatite
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fjCs.3(Pt).Cs,,) etl'oii 1u 9ho1Jhate trlcaloique (Ca3 (PC\.2)
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est -11,,: Jr:1 -'v'c ',.!!î '1.eV. zànùrul dllu (par exemple de -:'1..i'le ..i?tu:>1,j=.=l ocur produire une solution d'acide ortho- ..' ,w.-.r'. cae +"1.1 b'l et ure 8'el due r..v' ciuru qui est ensuite sépa- . .<> -'-t :;C1¯L:â.Ur T.i; '<..,1.' tec1>ni';'", l11nT'onrlt';; et le "rucj.- ni'.!' voie .'èche" (ou l1c.u "uur").
L'acide du "procédé par voie h'liaide" 0::'1. normale.'icnt produit 1.1 de faibles ooncen- trations (par exemple de 27 à 33 p/p de P 0 5' (Bb:I), et bien qu'il puisse être déJirable de 1'" concentrer jusqu'à de plus fortes teneurs tn P2 ;, avant. du 1.';itl '.j.x;r en vue, par ex';-1nl.e, rb 1>, nr< :1.,c+,1-;; de CO'11po; Ltje\TIs du tJ'1)e engrais, il . i ..' . ! ,'",1.' ,.l""'J une v;;.tièr') première très convenable, éco- pÜ'îiqu'" ''t :'''>.c1 lp]"'nt ("soni1;le pour la production en masse d'engrais et autres compositions à base de phosphates.
Jl1 but e'entiel de l'invention est donc de ",.,;.'),li ';.,1' '¯ ',( T'C'';: '!'1.L':'(lJ <3."ici<.i<ov phouphoriques du procédé par voie humide en (Le la production d'acides à hautes te-
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neun c-n P<0 destina à i!tre ulttil'1eu.rement convertis en compositions concentrées, telles que.des engrais, contenant des phosphates.
Généralement, l'acide phosphorique du procédé par voie humide possède, ainsi qu'on ]la Indiqué ci-dessus, une teneur en P2O5 comnrise entre 27 et 33 % p/p (BEI), le P2O5 étant pratiquement entièrement présent sous la forme d'acide orthophosphorique (H3PO4). Il contient aussi des im-- puretés telles que calcium, fer, aluminium, magnésium et d'autres métaux accompagnas de composés du fluor et d'autres impuretés
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con t::.",in:1ntes, 1a nrc,rurtion et la nature des impuretés dépen- durit des matières 'DrernH>res utilisées dans sa préparation.
La
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concentration de cet acide faible jusqu'à des teneurs plus élevées implique une évaporation de l'eau de dissolution et, pour réaliser une concentration jusqu'à des teneurs en P2O5 atteignant jusqu'à environ 68 % p/p (BEI), il existe de nombreuses techniques d'évaporation.
Lors du choix d'une technique d'évaporation à une telle fin, on doit tenir compte de la nature corrosive de l'acide qui fait surgir des problè- mes en ce qui concerne le choix des matériaux de construction, et aussi un problème de formation d'incrustations sur des surfaces de transfert de chaleur étant donné que les impuretés contenues dans l'acide sont de nature à provoquer une rapide accumulation d'une croûte dure de sels de calcium (sulfate et phosphate) sur toutes les surfaces portées à de hautes températures et qui se trouvent au contact de l'acide. Pour ces raisons, des techniques impliquant un chauffage indirect de l'acide sont difficiles à appliquer et ont tendance à possé- der un faible rendement thermique.
Une évaporation par combustion submergée et mise en oeuvre de techniques analogues, dans lesquelles un chauffage est réalisé par exposition directe du liquide à des produits de combustion chauds et pour lesquelles le rendement thermique est très élevé semblerait, par ailleurs, éviter de faire surgir le problème de la formation d'incrustations sur les surfaces de transfert de chaleur, faciliter le problème du choix des matériaux de construction et aussi s'accompagner d'un haut rendement thermique et d'autres avantages économiques pour concentrer un acide phosphorique obtenu par le procédé par voie humide.
Toutefois, cette application de telle techni- ques a jusqu'à il y a peu de temps été empêchée par le problè- me du traitement,et de l'élimination, dans des conditions satisfaisantes et économiques, de l'effluent nuisible qui serait produit par l'évaporateur.
1 Les problèmes qui surgissent lors de la con-
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centration d'un acide phosphorique, provenant de la mise en oeuvre d'un procédé par voie humide, jusqu'à des teneurs en P2O5 supérieures à environ 68 le. p/p (BEI) sont considéra- blement plus ardus que ceux apparaissant lorsqu'il s'agit de concentrer un tel acide jusqu'au voisinage de cette teneur.
Non seulement, il apparatt des problèmes plus difficiles à résoudre en ce qui concerne le choix de matériaux de construc- tion capables de supporter les températures plus élevées et les conditions plus corrosives rencontrées, mais, en outre, les problèmes de la formation d'incrustations sur des surfaces de transfert de chaleur sont considérablement aggravés par la tendance de l'acide phosphorique concentré chaud à former des polyphosphates et métaphosphates insolubles aveo certaines des impuretés qui se trouvent normalement dans l'acide préparé par mise en oeuvre du procédé par voie humide.
Il convient de rappeler que l'acida phosphori- que existe seus de nombreuses formes parmi lesquelles on peut citer, par exemple l'acide orthophosphorique (H3PO 4); l'acide pyrophosphorique (H4P2O7); les acides polyphospho- riques (au moins trois unités acide orthophosphorique con- densées avec élimination de molécules d'eau); et l'acide métaphosphorique (HP03) qui se trouve dans des polymères cycliques (voir le livre "Phosphorus and its Compounds", Vol. I, par John R. Van Wazer, publié par Interscience (New York 1958).
Des solutions aqueuses pures de P2O5 à des concentrations atteignant jusqu'à environ 68 % p/p ne contiennent pratiquement que de l'acide orthophosphorique ; au-dessus de cette teneur en P2O5, il apparatt des propor- tions croissantes d'acide pyrophosphorique,et d'autres acides polyphosphoriques. Par exemple, à une teneur en P2O5 de 79 % p/p, on peut trouver que la solution contient 20 % d'aci- d'acide de orthophosphorique, 46 %/pyrophosphorique, 20 % d'acide tripolyphosphorique, 8 % d'acide tétrapolyphosphorique, 3 % d'acide pentapolyphosphorique et 1 le) d'acide hexapolyphospho- rique.
A une teneur en P2O 5 de 8 4 % p/p, la proportion
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d'acide orthophospborique tombe à envirop 3 % et la proportion d'acide pyrophosphorique à 10 %, la majeure partie du P2O5 étant présente sous la forme d'acides polyphosphoriques, ceux de ces acides polyphosphoriques comportant au moins dix unités acide orthophosphorique entrant en ligne de compte pour au moins 25 % de la teneur en P2O5. A une teneur en P2O5 supérieure à 87 % p/p la constitution change; des con- centrés possédant des teneurs en P2O5 s'élevant au-dessus de cette valeur contiennent des proportions de plus en plus fortes de polymères d'unités acide métaphosphoriques, et d'acides polyphosphoriques comportant des réticulations trans- versales.
Au cours d'une opération de concentration de solutions d'acide phosphorique par évaporation, de hautes températures et des gradiens de concentration apparaissant localement affectent la distribution des proportions des diver- ses formes de l'acide ; de la concentration d'un acide obtenu par le procédé par voie humide, les impuretés qui s'y trouvent normalement et telles que des cations calcium, fer et aluminium réagissent avec les acides polyphosphoriques superieurs et avec les acides métaphosphoriques polymères pour former des composés insolubles dont l'apparition conduit à la production de telles formes de l'acide par suite de la perturbation de la répartition à l'équilibre des diverses for- mes de l'acide.
Ainsi, la concentration de l'acide obtenu par voie humide jusqu'àdes teneurs en P2O5 supérieure à environ
68 % p/p (BEI) conduit à la formation de quantités étonnam- ment importantes de polyphosphates et métaphosphates insolu- bles sous forme de croûtes ou incrustations dures sur les sur- faces de transfert de chaleur de l'évaporateur.
Pour cette raison, les techniques d'évapora- tion impliquant un transfert de chaleur indirect avec l'acide sont, en pratique, entièrement éliminées pour la concentration économique et sur une vaste échelle de l'acide phosphorique
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'obtenu par mise en oeuvre du procédé par voie humide jusqu'à des teneurs en P2O5 supérieures à environ 73 %pp(BEI).
A de telles fins, une technique de combustion submergée ou analogue est essentielle.
Aux Etats-Unis d'Amérique, le travail du pionnier accompli par la "T.V.A." (la "Tennessee Valley Authority",ou Administration de la Vallée du Tennessee) a démontre la possibilité de l'utilisation d'une combustion submergée ou de techniques d'évaporation analogues pour concen- trer un acide phosphorique obtenu par le procédé par voie humi- de jusque des teneurs en P205 considérablement supérieures à 68 % p/p; il a aussi mis en lumière certains problèmes susceptibles de surgir lors d'un essai d'industrialisation d'un tel procédé.
En effet, ce travail, accompli avec une instal- lation-pilote sur une échelle relativement petite, a indiqué que l'effluent s'échappant de l'évaporateur contiendrait des proportions de plus en plus grandes de produits de valeur (phosphore et autres impuretés contaminantes) au fur et à mesure que l'on élève la température d'évaporation pour produi- re des acides à teneurs en P205 plus élevées; il surgit donc un problème délicat, à savoir celui du traitement d'un tel effluent pour recueillir tout au moins un des produits de valeur qui s'y trouvent ; le phosphore. Ce travail met aussi en lumière la nécessité de minimiser la rétention du produit à température élevée dans l'évaporateur afin de mini- miser la formation de polyphosphates et métaphosphates inso- lubles qui, ainsi qu'on l'a indique ci-dessus, est favorisée par les températures élevées.
Toutefois, en raison de l'échel- le relativement petite de l'installation pilote utilisée, la T. V.A. ne s'est pas heurtée à un autre problème : la for- mation excessive de polyphosphates et métaphosphates insolu- bles dans le produit, formation qui ne manquera pas de devenir gênante si l'on cherche à accroître l'échelle de production
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par concentration d'acide phosphorique jusqu'à de hautes teneurs en P2O5.
Ainsi qu'on l'a souligne, le travail de la
T.V.A. a indiqué que l'application d'une combustion submer- gée et de techniques analogues pour concentrer un tel acide jusqu'à des teneurs en P2O5 supérieures à 68 % p/p (Bei) soulèveraient de sérieux problèmes à propos de l'effluent de l'évaporateur. Les principales substances à la présence desquelles on doit s'attendre comme contaminants de l'effluent sont des composés du phosphore, du fluor, et du soufre.
L'expérience a confirmé cette attente et a aussi montré que de telles impuretés contaminantes apparaissent en différentes proportions relatives dans l'effluent d'un évaporateur alimen- té avec un acide dont la teneur en P2O5 est d'environ 54 % p/p et que l'on concentre jusqu'à une teneur en P205 d'environ 80 % p/p (Bei) par comparaison avec leur propor- tion dans l'effluent d'un évaporateur alimenté avec un acide à 30 % p/p de P2O5 que l'on concentre jusqu'à une teneur en P2O5 d'environ 54 % p/p.
Ainsi, l'expérience montre que pendant la concentration d'un acide à 30 % p/p de P2O5 (obtenu par un procédé par voie humide) jusqu'à une teneur en P2O5 atteignant environ 54 % p/p la majeure partie (environ
80 %) de la teneur en fluor se dégage dans l'effluent de . l'évaporateur, de sorte que la teneur en composés de fluor de l'effluent d'un évaporateur alimenté en acide à 54 % p/p de P2O5 est relativement faible.
D'autre part, l'expérience a montré que la proportion de composés du phosphore dans l'effluent s'élève considérablement au fur et à mesure que croissent les teneurs en P2O5 de l'acide produit dans l'évaporateur, l'acide phosphorique ayant tendance à distiller en quantité dans l'effluent lorsque la teneur en P2O5 du produit de l'éva-
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porateur s'élève au-dessus d'environ 79 % p/p (BEI).
On a toutefois découvert que ces problèmes d'effluent, bien que différents de ceux qui se présentent lors de la concentration d'un acide obtenu par le procédé par voie humide jusqu'à des teneurs en P2O5 atteignant environ 54 % p/p, peuvent néanmoins être résolus.
Selon un premier aspect, l'invention a pour objet un procédé, pour la production d'acides phosphoriques à
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haute teneur en P205, qui consiste essentiellement : à amener continuellement une solution d'acide phosphorique, ob- tenue par mise en oeuvre d'un procédé par voie humide, jusque dans une zone de chauffage et à prélever continuellement un produit plus concentré contenant au moins 68 % de P2O5 p/p (BEI) à partir de cette zone tout en maintenant ledit produit à son point d'ébullition dans ladite zone par dégagement de produits en combustion chauds dans la masse du produit dans ladite zone; à faire passer l'effluent gazeux provenant de ladite zone de chauffage dans une zone d'épuration pour qu'il s'y 'écoule à une vitesse comprise entre 4,50 et 31 mètres à la seconde;
à obliger ledit effluent à s'écouler à une vitesse comprise entre 30 et 122 mètres à la seconde pen- dant son passage au travers d'ouvertures prévues dans une barriè- re obturant ladite zone d'épuration, afin de provoquer une perte de charge d'au moins 38 centimètres d'eau dans cette barrière; à projeter de l'acide phosphorique dilué chaud et grossièrement pulvérisé sur la face amont de ladite barrière' afin que de grosses gouttelettes d'un tel acide se brisent, sur ladite face amont de la barrière, en gouttelettes plus fines se déplaçant dans une direction généralement parallèle à ladite face amont de la barrière et qui interceptent l'ef- fluent s'écoulant au travers desdites ouvertures; à séparer ledit acide phosphorique pulvérisé de l'effluent en aval de ladite barrière;
et à traiter ensuite l'effluent gazeux,
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ainsi séparé, par de l'eau froide.
Le traitement initial de l'effluent par de l'acide phosphorique dilué chaud dans ladite zone d'épuration sert à recueillir, à partir de l'effluent, les composés du phosphore sous une forme permettant de les recycler directe- ment dans l'évaporateur, étant donné que l'acide receuilli par séparation à partir du courant ayant franchi la barrière éta- blie dans la zone d'épuration peut être ajouté à la charge amenée à l'évaporateur.
L'acide pulvérisé contre ladite barrière pos- sède, de préférence, une teneur en P2O5 d'environ 30 % p/p, mais cette teneur peut s'élever jusqu'à environ 50 % avec cependant un notable sacrifice en ce qui concerne l'efficacité d'élimination des composés du phosphore à partir de l'effluent de l'évaporateur. Il convient que la zone d'épuration et le séparateur puissent fonctionner avec de l'acide circulant en circuit fermé, l'acide receuilli à partir du séparateur étant amené à un réservoir dans lequel il est repris pour être pul- vérisé contre la barrière.
La concentration de l'acide étant maintenue entre des valeurs limites appropriées grâce à un soutirage d'acide à partir du réservoir, par exemple en vue de l'addition à la charge amenée à l'évaporateur, et une addition d'eau au contenu du réservoir pour remplacer l'acide soutiré.
Il convient que l'acide pulvérisé contre la barrière dans la zone d'épuration soit à une température com- prise entre 70 et 120 C.
Les ouvertures prévues dans la barrière de la zone d'épuration sont de préférence sensiblement circulaires avec des diamètres compris entre environ 3 et 25 mm, un diamè- tre d'environ 12 à 13 mm étant convenable. En outre, la di- mension et le nombre des ouvertures percées dans la barrière sont de préférence choisis de façon telle que la vitesse de l'effluent au travers de ces ouvertures s'établisse à une
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valeur comprise entre environ 91 et 107 mètres à la seconde avec une perte de charge ou chute de pression comprise entre environ 89 et 102 centimètres d'eau.
La zone d'épuration est de préférence agencée verticalement ou inclinée par rapport 4 l'horizontale, l'ef- fluent passant dans la zone de haut en bas afin d'empêcher l'acide pulvérisé contre la barrière de s'écouler jusqu'à l'é- vaporateur.
Après une séparation d'acide phosphorique à partir de l'effluent gazeux en aval de la barrière établie dans la zone d'épuration, cet effluent gazeux doit être traité par de l'eau froide pour le refroidir et en abaisser la teneur en composes du fluor et du soufre qui ne sont pas sensiblement absorbés par l'acide phosphorique dilué chaud pulvérisé contre la barrière dans la zone d'épuration, avant qu'un tel effluent puisse être déchargé en toute sécurité dans l'atmosphère.
Un tel traitement peut être effectué à l'aide de toute installa- tion adéquate, mais on effectue de préférence le traitement en question dans une zone de refroidissement comportant une ou, de préférence, plusieurs barrières obturatrices percées d'ou- vertures et sur la face amont desquelles on pulvérise grossière- ment de l'eau froide (par exemple de l'eau de mer, si l'on en a à sa disposition) de façon telle que de petites gouttelettes d'eau se déplacent dans une direction généralement parallèle à la barrière afin que l'effluent passant par les ouvertures de la barrière soit intercepté par de telles gouttelettes et se trouve intimement mélangé avec l'eau pulvérisée sur la barriè- re.
Si l'on adopte un tel agencement avec trois barrières, les ouvertures dans chaque barrière sont de préférence sensiblement circulaires avec des diamètres compris entre environ 3 et 25 mm, la dimension et le nombre des ouvertures étant choisis de façon telle que la vitesse du gaz au travers des ouvertures s'établisse entre environ 24 et 31 mètres à la seconde avec-une
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perte de charge ne dépassant pas environ 10 cm d'eau à chaque barrière. Il est convenable que les ouvertures de chaque bar- rière aient un diamètre d'environ 12 à 13 mm et soient en nombre tel qu'il s'établisse au travers des ouvertures une vitesse de gaz d'environ 26 m/seconde avec une perte de charge d'environ 7,5 cm d'eau.
Il est désirable que l'effluent gazeux sor- tant d'un tel agencement de traitement par l'eau froide soit admis à passer dans des dispositifs tels qu'un fîltre à corps filtrant fibreux et un séparateur du type cyclone, servant respectivement à agglomérer de fines particules liquides en suspension dans le courant gazeux et à séparer les gouttelet- tes résultantes dudit courant, afin que ce courant gazeux soit finalement à peu près entièrement exempt d'impuretés contami- nantes nuisibles et toxiques et puisse être déchargé en toute sécurité dans l'atmosphère.
Avant son entrée dans la zone d'épuration, l'effluent de la zone de chauffage est de préférence admis à passer dans un conduit d'écoulement s'étendant de bas en haut et pourvu de cloisons en chicane et/ou de persiennes servant à renvoyer l'effluent d'un côté à l'autre du conduit pour qu'il y abandonne une partie du liquide entraîné par l'effluent; ainsi se trouve considérablement diminuée .La qu@@@tité de ce liquide (principalement de l'acide phosphorique) qui doit, être éliminée de l'effluent dans la zone d'épuration.
Il est désirable, pour minimiser la formation de composés du type polyphosphate et métaphosphate dans le produit, de maintenir le volume de la zone chauffante à une faible valeur par rapport aux allures volumétriques d'amenée de charge à concentrer et de prélèvement de produit, afin de minimiser le temps de séjour du produit à la température de la zone de chauffage. Avec un évaporateur à combustion sub- mergée de conception classique mais possédant une capacité
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évaporatoire relativement faible et une zone de chauffage de volume restreint, on peut obtenir des produits à teneur écono- miquement faible en polyphosphates et métaphosphates insolubles avec un taux global d'extraction très élevé de P2O5.
Toutefois, lorsqu'on essaie de mettre en oeuvre le procédé faisant l'objet de l'invention sur une vaste échelle en utilisant un évaporateur à combustion submergée de type classique possédant une haute capacité évaporatoire, comportant par exemple un agencement de brûleurs dont la puissance de dégagement de chaleur est supérieure à 250 à 500 thermies à l'heure, l'expédient qui consiste à minimiser le temps de maintien du produit aux températures,'de la zone de chauffage ne suffit plus à restreindre la formation de poly- phosphates et métaphosphates insolubles.
Si donc, utilisant un puissant évaporateur à combustion submergée de conception classique, on procède à une série d'expériences avec une solution à concentrer donnée d'acide phosphorique provenant d'un procédé par voie humide et en faisant fonctionner l'agencement de brûleurs à différen- tes allures de dégagement de chaleur au cours d'expériences successives, les conditions de marche étant réglées de façon telle que chaque expérience conduise à l'obtention d'un produit de haute teneur choisie en P2O5,
une courbe représentant la variation de la teneur du produit en polyphosphates et méta- phosphates insolubles en fonction de l'allure de production de chaleur des brûleurs met en évidence l'existence d'une teneur minimum en composés insolubles à une valeur "critique" de dégagement de chaleur de plus de 250 thermies/heure qui est cependant considérablement inférieure à celle devant être con- sidérée comme une allure de production de chaleur typique pour l'agencement en question, Au-dessous d'une telle allure "critique" de production de chaleur, la diminution de la teneur en composés insolubles avec l'augmentation de l'allure
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de dgagement de chaleur (et de la capacité de traitement)
est clairement due à la diminution du temps de maintien du produit aux températures de la zone de chauffage au fur et à mesure qu'augmente la capacité de traitement, avec l'allure de dégagement de chaleur, pour maintenir la teneur globale en P2O5 du produit à la valeur choisie. Toutefois, dans la région de la valeur "critique" de l'allure de dégagement de chaleur et au-dessus, quelque autre facteur affectant la te- neur en composés insolubles du produit, et qui se trouve ap- paremment en relation avec l'allure de dégagement de chaleur, prend manifestement une importance croissante et plus grande que celle du temps de maintien du produit aux températures de la zone de chauffage.
En fait, on constate habituellement qu'aux valeurs de la quantité de chaleur dégagée notablement supérieures à la valeur "critique" la teneur du produit en composés insolubles est égale à de nombreuses fois la teneur minimum.
Par conséquent, tandis qu'un petit évapora- teur conçu et exploité de façon à maintenir pendant peu de temps le produit aux températures de la zone de chauffage et comportant, par exemple, un agencement de brûleur de type clas- sique fonctionnant à une allure de production de chaleur atteignant jusqu'à environ 250 thermies/heure peut concentrer un acide phosphorique provenant d'un procédé par voie humide jusqu'à une haute teneur en P2O5 avec la répartition atten- due d'acides et de composés polymères, on constate que de plus grosses installations de même conception produisent des acides contenant des proportions étonnamment importantes de composés insolubles hautement polymérisés qui, en vue de nombreuses utilisations finales du produit,
sont des consti- tuants indésirables et qui représentent une perte du précieux phosphore contenu dans l'acida constituant la charge initiale- ment traitée.
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Les recherches que l'on a entreprises pour mettre en évidence les causes possibles des anomalies sus-men- tionnées remarquées dans la constitution des produits à haute teneur en P2O5 obtenus en utilisant des évaporateur indus- triels à grosse capacité, des types à combustion submergée et analogues, ont montré qu'un facteur important est apparemment l'instabilité de l'interface entre le liquide et les gaz à l'orifice d'échappement du tube plongeur habituel qui conduit les produits de combustion au-dessous du niveau de la surface de l'acide à concentrer, instabilité due à des irrégularités d'écoulement des gaz à partir de l'orifice et dans la masse du liquide.
Ainsi, lorsque des critères de conception normaux sont appliqués à la construction d'un agencement de brûleur à grosse capacité de production de chaleur pour un évaporateur industriel à grosse capacité, l'orifice du tube plongeur est large et l'écoulement des gaz à partir de ce tube plongeur dans le liquide estirrégulier, le courant gazeux formant des bulles qui se détachent de l'orifice du tube plongeur en sui- vant divers parcours fluctuants sur et autour de l'extrémité du tube, avec pour résultat des déplaoements Irréguliers de l'interface gaz/liquide sur différentes régions de la surface de cette extrémité et sur des zones superficielles des parois intérieures et extérieures dudit tube plongeur.
Il apparatt que de tels déplacements de l'interface permettent à des portions de la masse liquide d'entrer momentanément en con- tact avec des régions du tube plongeur qui ont antérieurement été chauffées jusqu'à une haute température par le courant gazeux passant dans le tube, de sorte que de telles portions de la masse liquide subissent une sur-concentration conduisant à la formation d'acides hautement polymérisés et de composés de tels acides sous forme d'incrustations solidas sur les régions en question du tube plongeur. Cette irrégularité d'écoulement des gaz a aussi pour effet que de petites frac
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tions de la masse liquide se trouvent encapsulées dans des bulles ; de gaz chauds et sont donc soumises à une sur-concentration.
Les incrustations peuvent être exposées successivement à des surchauffes et à des mouillages par le liquide au cours de cycles répétés qui conduisent par conséquent à l'accumulation de telles incrustations sous des épaisseurs considérables.
La prise en considération des causes possi- bles de la susdite instabilité du courant de gaz à partir de l'orifice immergé d'un tube plongeur d'un ag&ncement de brû- leur à grosse capacité du type à combustion immergée ou analo- gue suggère qu'un facteur critique peut être la relation entre le débit volumétrique du gaz à partir de l'orifice et le périmètre de l'orifice (ou une dimension d'une certaine par- tie du tube plongeur à proximité de l'orifice) et que, parce que des critères de conception normaux conduisent au choix d'une dimension d'orifice telle'que l'on atteigne,
dans tous les agencements de brûleurs destinés à fonctionner avec le tube plongeur immergé jusqu'à environ la même profondeur (gé- néralement comprise entre environ 15 cm et environ 46 cm mais pouvant quelquefois atteindre jusqu'à environ trois mères) dans le liquide, une vitesse du courant gazeux restant compri- se dans un intervalle assez étroit (typiquement à une valeur comprise entre environ 60 et 107 mètres à la seconde pour une température de gaz de 1400 C), le rapport du débit volumé- trique au périmètre de l'orifice augmente au fur et à mesure qu'augmente la dimension de l'orifice étant donné que le débit croît proportionnellement au carré du rayon de l'orifice tandis que le périmètre de l'orifice est une fonction linéai- re de ce rayon.
On a donc été conduit à considérer l'impor- tance possible de l'étendue radiale de la surface extrême du tu- be plongeur, entourant l'orifice, comme un facteur déterminant la stabilité d'écoulement. On a été amené à conclure que des
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conditions d'écoulement stable s'établiraient probablement lorsque le gaz s'écoulant à partir de l'orifice du tube plon- geur forme une bulle dont la limite se trouve sur une surface sensiblement horizontale à l'extrémité du tube plongeur. Des expériences ont prouvé que cette conclusion est correcte.
Par conséquent, lorsqu'on met en oeuvre sur une vaste échelle le procédé faisant l'objet de l'invention, il est désirable d'utiliser un évaporateur comportant un agen- cement de brûleur établi de la manière décrite dans la demande de brevet de brevet français déposée ce jour au même nom sous le titre : "Perfeotionnements aux agencements dans lesquels se trouve réalisée une combustion submergée".
Par conséquent, selon ses modes de réalisa- tion préférés, le procédé faisant l'objet de l'invention con- siste essentiellement : à amener continuellement une solu- tion d'acide phosphorique, obtenue par mise en oeuvre d'un procédé par voie humide, jusque dans une zone de chauffage et à prélever continuellement un produit plus concentré contenant au moins 68 % de P2O5 p/p (BEI) à partir de cette zone;
à faire passer des produits de combustion chauds dans un tube plongeur s'enfonçant verticalement dans le liquide contenu dans ladite zone de chauffage pour que ces produits de com- bustion chauds se dégagent à partir d'un orifice d'échappement à l'extrémité inférieure dudit tube plongeur dans la masse de liquide contenue dans ladite zone tout en formant une bulle stable à ladite extrémité inférieure dudit tube plon- geur, la périphérie de ladite bulle se stabilisant sur une surface annulaire entourant ledit orifice d'échappement, afin de maintenir le liquide dans ladite zone de chauffage au point d'ébullition dudit produit; à faire passer l'effluent gazeux de ladite zone de chauffage dans une zone d'épuration pour qu'il s'y écoule à une vitesse comprise entre environ 4,50 et 31 mètres à la seconde;
à obliger ledit effluent à s'écouler
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à une vitesse comprise entre 30 et 122 mètres à la seconde pendant son passage au travers d'ouvertures prévues dans une barrière obturant ladite zone d'épuration, afin de provoquer une perte de charge d'au moins 38 centimères d'eau dans cette barrière; à projeter de l'acide phosphorique dilué chaud ot grossièrement pulvérisé sur la face amont de ladite barrière afin que de grosses gouttelettes d'un tel acide se brisent, sur ladite face amont de la barrière, en gouttelettes plus petites se déplaçant dans une direction généralement parallèle à ladi- te face amont de la barrière et qui interceptent l'effluent s'écoulant au travers desdites ouvertures;
à séparer ledit acide phosphorique pulvérisé de l'effluent en aval de ladite barrière; et à traiter ensuite l'effluent gazeux, ainsi séparé, par de l'eau froide.
La portée de l'invention s'étend également à un dispositif propre à permettre la mise en oeuvre des modes de réalisation préférés du procédé en question.
L'invention a donc également pour objet un dispositif pour concentrer une solution d'acide phosphorique, obtenue par mise en oeuvre d'un procédé par voie humide, jus- qu'à des teneurs en P2O5 supérieures à 68 % p/p (Bei), lequel dispositif est caractérisé en ce qu'il comprend essen- tiellement : un évaporateur comportant un réservoir d'ali- mentation ci-après simplement dénommé "puits chaud"; des moyens pour amener une solution d'acide phosphorique, obtenue par mise en oeuvre d'un procédé par voie humide, dans ledit puits chaud - ; des moyens pour prélever un produit plus con- centré à partir dudit puits chaud;
un tube plongeur s'enfonçant verticalement jusque dans ledit puits chaud, l'extrémité infé- rieure dudit tube plongeur étant placée de façon telle qu'elle se trouve au-dessous du niveau du liquide dans ledit puits chaud et se termine en un orifice d'échappement; une surface annulaire entourant ledit orifice d'échappement; des moyens
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pour amener des produits de combustion chauds jusqu'audit tube @ plongeant afin qu'ils se dégagent à partir dudit orifice d'échappement dans la masse de liquide contenue dans ledit puits , chaud, et ce à une allure telle qu'elle permette de maintenir une bulle stable dans ledit liquide, la périphérie de ladite bulle se stabilisant sur ladite surface annulaire;
un conduit d'écoulement communiquant avec ledit puits chaud pour rece- voir l'effluent d'échappement provenant dudit puits chaud ; un épurateur, raccorda audit conduit d'écoulement, comportant un conduit épurateur, une barrière obturant ledit conduit obturateur, ladite barrière étant percée d'ouvertures telles qu'il s'y établisse une vitesse d'écoulement de l'effluent comprise entre 30 et 122 mètres à la seconde avec une perte de charge d'au moins 38 centimètres d'eau dans ladite barrière;
des moyens de pulvérisation de liquide propres à projeter de l'acide phosphorique dilué chaud et grossièrement pulvérisé sur la face amont de ladite barrière afin qu'un tel acide pulvérisé se brise en gouttelettes se déplaçant dans une direc- tion généralement parallèle à ladite face amont de la barriè- re afin d'intercepter l'effluent et de se mêler à cet effluent s'écoulant au travers desdites ouvertures; un séparateur gaz/liquide raccordé audit conduit épurateur en aval de ladite barrière pour séparer ledit acide pulvérisé dudit effluent; et des moyens pour traiter l'effluent, ainsi séparé, par de l'eau froide.
Ainsi qu'on l'a décrit dans la demande de brevet Français sus-mentionnée déposée ce jour au même nom sous le titre t "Perfectionnements aux agencements dans les- quels se trouve réalisée une combustion submergée", on a découvert que pour obtenir ladite bulle avec sa périphérie sur ladite surface annulaire, il convient que l'étendue radiale (L) de ladite surface annulaire à l'extrémité inférieure du tube plongeur (telle qu'elle se trouve projetée sur un plan
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perpendiculaire à l'axe idéal du tube plongeur) possède une valeur donnée par la formule suivante
EMI19.1
L = }Qi (Q a - 1) dans laquelle :
R est le rayon dudit orifice d'échappement @ est l'allure de production de chaleur de l'agencement de brûleur, exprimée en unités équivalant à 252 thermies à l'heure;
K est au moins égal à 0,6 et est de préfé- rence au moins égal à 0,9; à possède une valeur comprise entre 0,29 et 0,32 et est de préférence égal à 0,3.
Ladite surface annulaire peut être plane, mais elle est de préférence tronconique ou courbée de façon que sa périphérie intérieure se trouve sensiblement au-dessous de sa périphérie extérieure, afin de favoriser l'éta'lissement d'un écoulement stable de produits de combustion vers l'extérieur sur une telle surface annulaire,
Il est avantageux que l'extrémité inférieure du tube plongeur soit entour d'un manchon pour favoriser une circulation stable et symétrique du liquide à l'intérieur de la zone de chauffage dans la région où se trouve la portion immergée du tube plongeur;
un tel manchon tendant ainsi à stabiliser l'écoulement des produits de combustion sur la périphérie extérieure de ladite surface annulaire à l'extrémité inférieure du tube en empêchant l'établissement de courants liquides instables et asymétriques, dans la région de l'extré- mité inférieure du tube plongeur, qui perturberaient l'écoulement régulier et laminaire des produits de combustion que l'on désire établir sur ladite surface annulaire.
ledit manchon est avantageusement de forme tronconique, coaxial avec l'orifice du tube plongeur, et son extrémité inférieure est de préfé-
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rence placée à une distanoe telle au-dessous de l'extrémité inférieure du tube plongeur qu'il capte tous les produits de combustion s'échappant de l'orifice du tube plongeur, le man- chon s'étendant de bas en haut et vers l'extérieur jusqu'à une hauteur telle que son extrémité supérieure atteigne le voisinage du niveau de l'acide dans l'évaporateur, ou émerge au-dessus de ce niveau.
La circulation d'acide favorisée par ledit manchon assure un lavage énergique et uniforme de la paroi extérieure du tube plongeur par l'acide, ce qui a pour effet de provoquer un transfert de chaleur efficace et uniforme à partir de cette région du tube plongeur jusqu'à l'acide et par conséquent d'améliorer le rendement thermique tout en évitant l'établissement de zones locales chaudes sur des parties du tube plongeur, et de minimiser la formation et l'accumulation d'incrustations de phosphates polymères.
Avec un tel manchon, les produits de combus- tion et l'acide entraîné sont intimement mélangés de façon à produire un excellent transfert de chaleur des produits de combustion à l'acide, l'acide qui se sépare des gaz au-dessus du manchon retombant à l'extérieur de ce manchon pour faire retour d'une manière sensiblement uniforme et symétrique jus- qu'à la région de l'orifice du tube plongeur.
Il est avantageux que la chambre de combustion (dans laquelle un combustible et un oxydant réagissent pour engendrer les produits de combustion désirés) et le tube plon- geur constituent conjointement un passage dont la section transversale diminue progressivement en direction de l'orifice inférieur du tube plongeur, afin que le courant de produits de combustion soit animé d'une grande vitesse dans la région dudit orifice pour minimiser le risque d'une remontée d'acide jusque dans le tube plongeur lors d'une modification momenta- née quelconque des conditions de combustion.
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@ En outre, il est avantageux de prévoir des moyens pour injecter un fluide gazeux, tel que de l'air, dans le passage intérieur du tube plongeur, ce qui a pour résultat, entre autres effets, d'ajuster la température moyenne des gaz à une valeur convenable et d'accroître la vitesse des gaz au travers de l'orifice du tube plongeur.
Dans un mode de réalisa- tion typique de l'invention, le fluide gazeux est injecté de façon à constituer une nappe revêtant les parois intérieures de l'orifice du tube et s'écoulant sur la région intérieure de la surface annulaire extrême dudit tube, afin d'entraver le trans- fert de chaleur à partir des produits de combustion au tube plongeur et, par conséquent, d'éviter l'établissement de tempé- ratures indésirablement élevées sur celles des surfaces qui risquent d'être mouillées d'une façon intermittente par l'acide.
Il est avantageux que l'évaporateur comporte un puits chaud de petit volume et dans lequel le tube plongeur descend afin que le volume d'acide exposé au chauffage soit restreint et que ce chauffage soit réalisé rapidement, de façon que l'acide soit exposé pendant le minimum de temps à la tem- pérature nécessaire pour réaliser une évaporation.
Il est avantageux que ledit puits chaud possè- de une forme et des dimensions telles qu'il subsiste un petit espace annulaire libre à l'extérieur du manchon décrit ci-dessus, ce dernier s'étendant jusqu'à une faible distance de la base du puits chaud de façon à définir, avec les parois latérales et la sole ou base du puits chaud, un passage dans lequel puisse s'établir une circulation de retour symétrique d'acide à partir de la zone supérieure du puits chaud jusqu'à. la région où se trouve l'orifice d'échappement du tube plongeur,
afin que l'acide contenu dans le puits chaud suive un parcours d'écoulement torofdal autour du manchon et que toutes les portions de la masse liquide d'acide séjournent réellement dans le puits chaud pendant un laps de temps de durée tris
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proche du temps de séjour moyen théorique tel qu'on peut le calculer d'après le volume du puits chaud et les débits d'amenée et de prélèvement de liquide.
Il est avantageux que l'épurateur et le sépa- rateur de gaz et de liquide (par exemple un cyclone) puissent fonctionner en circuit fermé d'acide, la solution d'acide pré- levée dans le séparateur étant amenée à un réservoir où elle est reprise pour être pulvérisée à proximité de la barrière de l'épurateur, la concentration de la solution acide étant maintenue entre des limites convenables par prélèvement d'acide à partir du réservoir, par exemple pour l'ajouter à la charge amenée à l'évaporateur, et addition d'eau au contenu du ré- servoir pour remplacer l'acide prélevé.
Un dispositif typique construit conformément l'invention pour mettre en oeuvre le procédé faisant égale- ment l'objet de l'invention afin de concentrer un acide phos- phorique dont la teneur initiale en P2O5 est d'environ 54 % p/p pour obtenir finalement un acide "astrophosphorique" d'une teneur en P2O5 d'environ 80 % p/p à un rythme de pro- duction d'au moins 50,8 tonnes métriques de P205 par jour est illustré, à titre d'exemple bien entendu non limitatif, dans les dessins ci-annexés.
- La figure 1, de ces dessins, est une coupe verticale selon 1 - 1 figure 2 d'un évaporateur faisant partie du susdit dispositif réalisé conformément à l'invention.
- La figure 2 représente, en plan vu de des- sus, l'évaporateur de la figure 1 dont on a enlevé le couver- cle et le montage du brûleur.
- La figure 3 représente, en coupe verticale et à une échelle légèrement agrandie, l'agencement constituant le brûleur faisant partie de l'évaporateur représenté figure 1.
- La figure 4 représente, en plan de dessus et à une échelle réduite, le brûleur de la figure 3.
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- La. figure 5 représente schématiquement l'ensemble de l'appareillage associé à l'évaporateur des figu- res 1 et 2 pour mettre en oeuvre le praaédé faisant l'objet de l'invention.
- La figure 6, enfin, représente, en coupe longitudinale et portions arrachées, un refroidisseur de gaz à trois étages faisant partie de l'installation représentée figure 5.
L'évaporateur représenté figures 1 et 2 comprend une enveloppe 10, réalisée par exemple en acier doux revêtu de plomb ou en acier inoxydable afin de résister à la corrosion par l'acide pouvant parvenir au contact de cette enveloppe par suite de fuites apparues au travers des re- vêtements intérieurs ou garnissage décrits ci-après. Une telle enveloppe 10 est en effet revêtue intérieurement d'un gar- nissage extérieur 12 en maçonnerie résistant aux acides et, excepté pour la sole du puits chaud dont la description est donnée ci-après, d'un garnissage intérieur oomportant deux assises de briques en carbone.
En plan (figure 2), l'enveloppe 10 est approximativement rectangulaire avec une extrémité semi-circulaire; sa longueur totale est d'environ 3,20 mètres, sa largeur est d'environ 2,45 mètres, et sa hauteur totale est d'environ 1,53 mètre.
; La forme de l'enveloppe 10 et de ses rev@- tements de garnissage 12, 14 est telle que se trouve établi un puits chaud 16 de forme généralement tronconique dont l'axe idéal est vertical et coïncide avec le centre de @@@@. bure de l'extrémité semi-circulaire de l'enveloppe, le puits chaud 16 possédant une base ou sole 17 d'un diamètre d'en- viron 0,91 mètre avec une paroi latérale 18 qui s'évase de bas en haut jusqu'à un diamètre d'environ 1,12 mètre à une hauteur d'environ 0,305 mètre au-dessus de la sole 17, la paroi 18 se poursuivant ensuite en 19 avec une pente se
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rapprochant davantage de l'horizontale jusqu'à un diamètre d'environ 1,
73 mètre à une hauteur d'environ 0,56 mètre au- dessus de la sole 17 du puits. L'assise intérieure (expo sée) du garnissage Il+ à la sole du puits chaud 17 est constituée par des briques réfractaires en alumine fondue.
Au-dessus de cette hauteur de 0,56 m, le puits 16 est limité par des parois verticales 20 dont le contour en plan s'adapte à la forme en plan de l'enveloppe 10. Sur le côté du puits 16 éloigné de l'extrémité semi-circulaire de l'enveloppe, la paroi 20 de l'enveloppe comporte une plage sensiblement horizontale 21 s'étendant jusqu'à la surface extrême verti- cale 22 du garnissage intérieur de l'enveloppe, une telle plage 21 s'élevant jusqu'à une hauteur d'environ 0,585 mètre au-dessus de la sole 17 du puits à la jonction de la plage 21 et de ladite surface extrême verticale 22,
L'enveloppe comporte un couvercle supérieur 24 avec une ouverture 26 au-dessus du puits chaud et une ouverture rectangulaire 28 de sortie d'effluent, mesurant environ 1,
73 mètre sur 0,48 mètre, dont un côté plus long se trouve placé dans l'alignement de la surface verticale 22 du garnissage intérieur 14 de l'enveloppe à l'extrémité de ladite plage 21.
Dans la sole 17 du puits chaud est diamétra.. lement oreusé un canal 30 mesurant environ 0,10 m de largeur et 0,10 m de profondeur, disposé dans l'alignement des canali- sations coaxiales d'entrée et de sortie d'acide s'étendant au travers de la paroi de l'enveloppe 10 et'de ses revêtements intérieurs de garnissage 12 et 14, la canalisation de sortie 32 mesurant environ 76 millimètres de diamètre et s'étendant à l'intérieur dudit canal 30 jusqu'au côté éloigné du puits chaud et étant recouverte d'une plaque 34 en alumine fondue mesurant environ 13 millimètres d'épaisseur et environ 0,76 mètre de longueur, cette plaque 34 fermant ainsi la portion centrale
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dudit canal 30.
La canalisation d'entrée 36 est constituée par l'espace annulaire subsistant entre la canalisation de sortie et un passage d'environ 102 millimètres de diamètre per- cé dans la paroi de l'enveloppe et dans ses revétements de garnissage. L'enveloppe et ses garnissages sont également per- cés de façon à recevoir une canalisation 38 comportant un passage intérieur de ?6 millimètres de diamètre s'étendant jusqu'au puits chaud 16 juste au-dessus de la sole de ce puits et servant d'autre sortie d'acide.
L'ouverture 28 de sortie d'effluent ménagée dans ledit couvercle communique avec un conduit d'écoulement 40 vertical, à section transversale rectangulaire, à l'in- térieur duquel sont agencées des chicanes 41 servant à dé- tourner le courant d'effluent d'un côté à l'autre de ce con- duit 40 pour provoquer le dépôt du liquide entratné dans l'effluent. Selon les exigences imposées pour le produit, la région supérieure du conduit d'écoulement 40 peut être équi- pée de moyens tels que représentés schématiquement en 42 (figure 5) pour introduire une solution d'acide phosphorique et la faire ruisseler sur les chicanes 41 agencées dans'le conduit 40 pour condenser de la vapeur d'acide phosphorique contenue dans l'effluent et la ramener dans l'évaporateur à la manière d'un reflux et d'un constituant de la charge traitée.
A titre de variante, le conduit d'écoulement 40 peut être équipé 3'au moins un plateau de contact 43 (figure 5) arrosé d'une solution d'acide phosphorique pour condenser (et absorber de la vapeur d'acide phosphorique et produire un courant secondaire de produit possédant une basse teneur en impuretés et une teneur en P2O5 d'environ 50 % p/p (Bei) constituant un produit intermédiaire de valeur en vue de la production, par exemple, d'acide phosphorique et de phosphates de qualité industrielle,
Le conduit d'écoulement 40 fait parvenir
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l'effluent à un équipement convenable pour le traitement de l'effluent, qui est décrit ci-âpres en se référant aux figures 5 et 6.
L'ouverture 26 ménagée dans le couvercle ci-dessus du puits chaud 16 de l'évaporateur permet de mon- ter un agencement de brûleur, représenté séparément aux figu- res 3 et 4, qui dans ce mode de réalisation de l'invention est calculé pour une allure de production de chaleur (Q) d'environ 2015 thermies à l'heure et comprend un tube plon- geur 50 en forme de tronc de cône inversé suspendu vertica- lement avec précision dans le puits chaud 16 et comportant une enveloppe extérieure 51 en un matériau métallique con- venable résistant à l'acide avec un revêtement intérieur ré- fractaire; ce tube est fermé à son extrémité supérieure par un tampon 52 en réfractaire percé d'une ouverture centrale 53.
L'intérieur du tube plongeur 50 définit un passage tronconique allant en se rétrécissant à partir d'un diamètre supérieur d'environ 0,585 mètre jusqu'à un diamètre d'orifice d'échappement d'environ 0,380 mètre (R = 0,190 m) à son extrémité inférieure.
Au-dessus du tampon réfractaire 52, l'agen- cement de brûleur comporte une chambre 54 de mélange de combustible propre à être alimentée avec un mélange de gaz (naturel) combustible et d'air au moyen d'une canalisation d'arrivée 55 appropriée. Une telle chambre 54 communique avec l'intérieur du tube plongeur 50 par l'intermédiaire de la susdite ouverture centrale 53 ménagée dans le tampon réfractaire 52, laquelle ouverture reçoit coaxialement un entoure tube-pilote 56/ d'une série de tubes 57 enroulés en hélice afin de communiquer au mélange de gaz combustible et d'air, passant de la chambre de mélange 54 dans le tube plongeur
50 par lesdits tubes 57, un mouvement giratoire.
Le tube-pilote 56, servant donc en fait de
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veilleuse, est raccordé à un tube 56 pour y amener du gaz, à un tube 59 pour purger le tube-pilote 56, et comporte une bougie d'allumage 60 pour enflammer le gaz amené par le tube 58 pour produire une flamme-pilote (ou de veilleuse) s'étendant jusque dans la tête du passage du tube plongeur.
L'extrémité supérieure du tube-pilote 56 est fermée par un disque transparent 61 surmonté d'un miroir 62 afin de permettre l'observation de la flamme dans le tube plongeur.
Sur la tête du tube plongeur est encore mon- tée une chambre annulaire 63 à air secondaire propre à être alimentée en air à partir d'une canalisation d'amenée d'air convenable 64. Une telle chambre 63 communique avec les extrémités supérieures de plusieurs (par exemple quatre) conduits 65 s'étendant au travers du tampon réfractaire 52 et jusque dans la paroi latérale du tube plongeur à des inter- valles répartis sur sa périphérie, lesdits conduits 65 abou- tissant à une chambre annulaire 66 aménagée dans la paroi dudit tube plongeur, le plan médian de cette chambre annulaire 66 étant situé à environ 152 millimètres au-dessus de l'ex- trémité inférieure du tube plongeur.
Cette chambre 66 com- porte un orifice de sortie affectant la forme d'une fente 67 ménagée dans la paroi intérieure du tube plongeur 50 à une hauteur située à environ 127 millimètres au-dessus de l'extrémité inférieure de ce tube plongeur.
Un tube 68 s'étend au travers du tampon et se termine, à l'extérieur de la tête du tube plongeur, par un dispositif de perception (non représenté) de la flamme, dispositif du type à cellule photo-électrique faisant partie d'un système d'alarme de type classique fonctionnant automa- tiquement en cas de défaillance de la flamme.
L'extrémité inférieure du tube plongeur 50 est définie par une plaque annulaire 70, conductrice de la chaleur et résistant à l'acide, possédant un profil en forme
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de bord d'assiette de manière que les rayons en soient inclinés de bas en haut et vers l'extérieur selon un angle d'environ 5 par rapport à l'horizontale. Son diamètre intérieur s'adapte à celui du tube plongeur à son extrémité inférieure, c'est-à- dire qu'il est d'environ 0,38 mètre, et son diamètre exté- rieur est d'environ 0,686 mètre, c'est-à-dire que son étendue radiale (L) est d'environ 0,12 mètre.
L'extrémité inférieure du tube plongeur 50 est entourée extérieurement par un manchon tronconique 72 en matière résistant à l'acide; ce manchon 72 possède une longueur axiale d'environ 0,483 mètre, un diamètre supérieur de 1,067 mètre et un diamètre inférieur de 0,838 mètre. Son extrémité inférieure est placée à environ 51 millimètres au- dessous du plan de l'orifice d'échappement du tube plongeur.
L'agencement de brûleur est supporté par le couvercle de l'évaporateur de façon à se trouver suspendu verticalement avec précision dans le puits chaud de l'évapora- teur et coaxialement par rapport à ce puits, l'orifice d'échapw pement du tube plongeur se trouvant placé à environ 76 milli- métres au-dessus de la surface de la sole 17 du puits chaud 16. L'extrémité inférieure du manchon 72 se trouve donc à environ 25 millimètres au-dessus de la surface de la sole du puits chaud.
Se référant aux figures 5 et 6, on décrit ci-après en détail l'équipement de traitement de l'effluent et divers autres agencements associés à l'évaporateur, décrit ci-dessus en se référant aux figures 1 et 2, pour mettre en oeuvre le procédé faisant l'objet de l'invention.
Comme le montre la figure 5, et ainsi qu'on l'a mentionné déjà ci-dessus, la partie supérieure du conduit d'écoulement 40 de l'évaporateur est équipée d'une canali- sation d'amenée 42 par laquelle de l'acide phosphorique peut être introduit dans le conduit 40 pour ruisseler sur les
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chicanes 41 qui y sont agencées pour condenser de la vapeur d'acide phosphorique contenue dans l'effluent et la ramener à l'évaporateur sous forme d'un constituant de charge et de reflux.
La partie supérieure du conduit 40 est aussi équi- pée d'un plateau de contact 43, d'une canalisation 44 pour entretenir une nappe liquide d'acide phosphorique sur le sus dit plateau 43, et d'une canalisation de départ 45 pour recueillir un courant secondaire d'acide phosphorique enrichi, relativement pur, à partir du plateau 43; il est bien enten- du nécessaire que de l'acide phosphorique doit être amené sélec- tivement par les canalisations d'arrivée 42 et 44 confor- mément aux exigences concernant la composition du produit.
Le conduit d'écoulement 40 de l'évaporateur aboutit à un équipement de traitement de l'effluent comprenant un séparateur du type cyclone 80 servant à l'élimination pri- maire d'impuretés contaminantes se présentant dans l'effluent sous forme de particules ou de gouttelettes grossières, les impuretés séparées étant renvoyées vers la canalisation d'entrée 36 de l'évaporateur par une canalisation 81 tandis que l'ef- fluent est transféré à un conduit épurateur 82 dans lequel il s'écoule de haut en bas, ce conduit 82 étant obturé par une barrière 83 percée d'ouvertures circulaires mesurant chacune environ de 3 à 2 mm de diamètre, et convenablement environ de 12 à 13 mm de diamètre,
la dimension et le nombre de ces ouvertures étant tels que l'effluent s'écoule dans chaque ouverture à une vitesse comprise entre environ 91 et 107 mètres à la seconde avec une perte de charge au travers de la barrière, de 88 à 1o2 centimères d'eau. En amont de la barriè- re 83, un ajutage de pulvérisation 84 est agencé pour pro- jeter un cône compact de solution d'acide phosphorique gros- sièrement pulvérisée contre la barrière de façon à obliger des gouttelettes de cette solution à se déplacer dans une direction généralement parallèle à la barrière de manière à intercepter
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et à se mêler intimement avec l'effluent s'écoulant au travers des ouvertures de la barrière.
Cette solution possède une teneur en P2O5 et une température telles qu'elle réalise une absorp- tion maximum des composés de phosphore contenus dans l'effluent.
Si de l'acide phosphorique n'est introduit par aucune des cana- lisations d'amenée 42, 44 dans le conduit d'écoulement 40 de l'évaporateur pour condenser de la vapeur d'acide phosphori- que dans l'effluent, il convient que la solution pulvérisée à partir de l'ajutage 8+ contre la barrière 83 possède une teneur en P205 comprise entre 40 et ;; ( % p/p et une tempé- rature comprise entre 70 et 120 C. Mais si la teneur en va- peur d'acide phosphorique de l'effluent a été abaissée'par introduction d'acide phosphorique par au moins une des deux canalisations d'amenée 42, 44, la solution pulvérisée à par- tir de l'ajutage 84 peut être plus froide et à plus basse teneur en P2O5.
En aval de la barrière 83, le conduit épura.. teur 82 aboutit à un séparateur tel qu'un cyclone 85 dans lequel la solution d'acide phosphorique est séparée de l'ef- fluent et est renvoyée dans un réservoir 86 à partir duquel une pompe 87 la remet en circulation en la refoulant vers l'ajutage de pulvérisation 84. Pour maintenir la teneur en P2O5 requise dans la solution, de l'acide est continuellement soutiré du réservoir 86 et y est remplacé par de l'eau, l'acide soutiré pouvant être ajouté à la charge de l'évaporateur.
L'effluent sortant du séparateur 85 est admis dans un refroidisseur de gaz 88 à trois étages représen- té en détail figure 6 et qui est essentiellement constitué par un conduit horizontal 89 à l'intérieur duquel sont agen- cées trois barrières 90 percées chacune d'ouvertures sensi- blement circulaires d'un diamètre compris entre environ 3 et
25 mm et avantageusement égal à environ 12 à 13 millimètres, le nombre et la dimension des ouvertures dans chaque barrière 90 .
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étant tels que 1'affluent s'écoule dans ces ouvertures à une vitesse comprise entre environ 24 et 31 mètres à la seconde (de préférence environ 25,9 m/sec), la perte de charge au travers d'une barrière 90 ne dépassant pas environ 10 centimètres d'eau (de préférence environ 7,5 cm d'eau).
En amont de chaque barrière 90 est agencé %un ajutage pulvérisateur 91 servant à projeter un jet conique d'eau froids pulvérisée contre la barrière, les parti- cules d'eau sous l'effet du choc contre la barrière, se divi- sent en gouttelettes plus petites qui se déplacent ensuite dans une direction généralement parallèle à la barrière pour intercepter l'effluent s'écoulant dans les ouvertures et s'y mêler intimement afin de refroidir cet effluent et d'en ex- traire la majeure partie des composés résiduels du phosphore, du soufre et du fluor qu'il contient encore. Le conduit 89 est équipé de canalisations de vidange appropriées .Sa et de plaques 93 obturant la portion inférieure de la section transversale du conduit 89 pour empêcher un reflux de l'eau jusqu'au cyclone 85.
En aval du conduit 89, l'effluent est admis à passer dans un séparateur 94 puis dans un filtre 95 à masse filtrante fibreuse pour agglomérer les fines particules présentes sous forme d'un brouillard dans l'effluent, lequel passe ensuite dans un cyclone 96 ou séparateur analogue pour en éliminer les gouttelettes formées à la suite d'une telle agglomération; l'effluent s'élève ensuite dans une cheminée 97 qui le décharge dans l'atmosphère.
En marche normale, c'est-à-dire lorsque les conditions d'un régime stable ont été atteintes, un acide phos- phorique résultant de la mise en oeuvre d'un procédé par voie
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humide et titrant environ 54 % p/p de P2O5 est continuellement amené dans le puits chaud de l'évaporateur par la canali- sation 36 d'amenée d'acide, et de l'acide concentré à une teneur en P2O5 d'environ 80 % p/p est prélevé continuellement par l'une ou l'autre des canalisations 32, 38 de sortie d'acide, les allures d'amenée et de prélèvement étant respecti- vement réglées et commandées par des dispositifs (non repré- sentés) de perception de la température et du niveau du liquide, le premier de ces dispositifs étant placé dans le puits chaud.
Un mélange de gaz combustible et d'air, d'une part, et de l'air secondaire, d'autre part, sont respectivement amenés aux chambre distributrices appropriées 54, 63 de l'agence- ment de brûleur, le mélange étant admis à passer dans la partie supérieure, constituant une chambre de combustion, du passage du tube plongeur pour y brûler et former des produits de combustion chauds qui s'écoulent ensuite vers l'orifice inférieur du tube plongeur, lesdits produits de combustion chauds étant maintenus à une vitesse élevée par la convergence du passage et par l'entrée d'air secondaire à partir de la fente 67 ménagée dans la paroi latérale du tube plongeur juste au-dessus de l'orifice inférieur de ce tube.
Un tel air secondaire refroidit le courant gazeux, et une portion s'en écoule sur la région interne de la plaque d'extrémité 70 de façon à mini- miser l'apparition de points chauds sur des zones exposées à être mouillées de façon intermittente par l'acide,
Les débits d'éooulement du mélange gaz combus- tible/air et de l'air secondaire sont ajustés de façon à éta- blir un régime d'écoulement stable des produits de combustion et de l'air à partir de l'orifice inférieur du tube plongeur, et ce de manière à entretenir.une bulle gazeuse plate sur l'ex- trémité inférieure du tube plongeur, les limites de cette bulle se trouvant constamment stabilisées sur ladite plaque d'extrémité 70 du tube plongeur,
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Se référant à la formule donnée ci-dessus, on constate que l'étendue radiale (L)
de la plaque 70 est juste supérieure à la valeur minimum préférée 9L = 5,85, en unités de longueur équivalant à 25,4 mm) obtenue en rempla- çant dans la susdite formule les différents paramètres pa@ leur valeur, c'est-à-dire R = 7,5, k = 0,9 et a = 0,3 lorsque Q = 8 ; si l'on admet une stabilité complète de la combustion, du niveau (nominal) du liquide, et de la pression dans l'évaporateur, on peut s'attendre à une marche pratiquement stable à Q = 8 avec une étendue radiale L = 3,75 (soit environ 95,3 millimètres) obtenus en remplaçant dans la for- mule les constantes par leurs valeurs minima (IL = 0,6, a = 0,29), lesquelles valeurs impliquent une localisation de la périphérie de la bulle sur la marge périphérique de la plaque 70.
Le choix de la valeur préférée (0,3) pour l'ex- posant a implique une tolérance adéquate à l'égard d'irrégu- larités de combustion (variations dans le pouvoir calorifique du combustible, et fluctuations transitoires auxquelles on peut s'attendre lorsqu'on utilise un système convenable, sen- sible et stable, de commande et de réglage de la combustion) tandis que des valeurs plus élevées de a atteignant jusqu'à 0,32 assurent une tolérance encore plus grande à l'égard d'ir- régularités de combustion et, plus particulièrement, à l'égard d'irrégularités d'écoulement du liquide dans le voisinage de l'extrémité inférieure du tube plongeur, par exemple en l'ab- sence du manchon 72 qui doit favoriser la circulation.
Le coefficient k est significatif en ce qui concerne la locali- sation de la périphérie de la bulle sur la plaque 70; la valeur de 0,9 pour ce coefficient implique une localisation de la périphérie de la bulle au rayon moyen de la plaque 70.
Par conséquent, bien que l'agencement de brûleur tel que décrit soit calculé pour fonctionner dans des conditions optimales pour Q = 8, un fonctionnement satis-
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faisant, avec un réglage et une commande soigneux, serait en- core possible à des valeurs plus élevées de Q, la valeur la plus élevée que l'on puisse tirer de la formule étant Q = 18,6, c'est-à-dire une allure de production de chaleur de plus de 4,500 thermies à l'heure, Comme le montrent les ré- sultats décrits ci-après, l'évaporateur en question s'est révé- lé comme fonctionnant d'une manière absolument stable pour réaliser la concentration d'un acide phosphorique, provenant de la mise en oeuvre d'un procédé par voie humide,
jusqu'à des teneurs en P2O5 atteignant jusqu'à 79 % p/p avec des allures de production de chaleur, par le brûleur tel que décrit et représenté, atteignant jusqu'à environ 3. 300 thermies à l'heure,
Le tableau ci-après illustre les conditions et résultats de mise en oeuvre du procédé faisant l'objet de l'invention, ainsi que les caractéristiques de fonctionnement du dispositif en question.
Dans ce tableau, les essais 1 à 5 ont été effectués avec le dispositif tel que décrit en se référant aux dessins ci-annexés, comportant un évaporateur dont les caractéristiques et dimensions sont telles que spéci- fiées ci-dessus; pour les essais 6 et 7, on a utilisé un dispositif généralement similaire mais à plus petite échelle, tandis que l'easai 8 a été effectué en utilisant une instal- lation pilote destinée à des applications générales et compor- tant un évaporateur de conception classique et un système, pour le traitement de l'effluent, dépourvu du premier séparateur cyclone, agencé en amont de l'épurateur, que comporte l'instal- lation représentée figure 5.
Dans aucun des essais dont les résultats figurent dans le tableau suivant on n'a amené de l'acide phosphorique par les canalisations 42, 44 aboutis- sant au conduit d'écoulement 40 de l'évaporateur,
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EMI35.1
<tb> Essai <SEP> n <SEP> 1 <SEP> 2 <SEP> 3 <SEP> 4 <SEP> 5 <SEP> 6 <SEP> 7 <SEP> 8
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<tb> Acide <SEP> constituant
<tb> la <SEP> charge <SEP> traitée
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EMI35.2
P2"5 % p/p 5714 56,4 57,7 57,8 58,8 t,l 72,8 51 S03 % p/p ,,8 5,8 5,6 6,2 6,1 4,7 - Fluor %p/p 0,$ 0,8 out?8 0,78 0,8 0,35 - 0,9 Pe203 A12 % p/p 1,8 1,9 1,8 1,6 - - 0,8
EMI35.3
<tb> Solides <SEP> insolubles
<tb> dans <SEP> l'eau <SEP> 0,3 <SEP> 0,67 <SEP> 0,28 <SEP> 0,29 <SEP> 0,39 <SEP> -
<tb>
<tb> Capacité <SEP> de <SEP>
<tb> traitement
<tb>
EMI35.4
P20, tonnes/jour 89,4 88,4 lily,8 107,1 89,4 6,5 17,
0 5
EMI35.5
<tb> Production <SEP> de <SEP> chaleur <SEP> par <SEP> le <SEP> 'brûleur
<tb>
<tb> thermies/heure <SEP> 2350 <SEP> 2350 <SEP> 2780 <SEP> 3290 <SEP> 2780 <SEP> 275 <SEP> 298' <SEP> 134
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<tb> Evaporation
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EMI35.6
température en C 338 34Os5 360 3T.l. 399 373. 416 282 Acide produit P05 % p/p ?,5 -,5 76,2 79tO 79,6 76,6 'i9,? 71 Solides insolubles dans 1) eau &, p/p z 1,1 1,6 z6 s2 2s2 2,0 - Insolubles dans le citrate P20 5 % p/p a,26 0,37 0,5'6 1,25 1,8 zig 0,7 -
EMI35.7
<tb> P2O5 <SEP> % <SEP> converti <SEP> en
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<tb> polyacides <SEP> 73 <SEP> 79 <SEP> 80 <SEP> 86 <SEP> 86 <SEP> env.
<SEP> 30
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<tb> Températures <SEP> de
<tb> sortie <SEP> en <SEP> C
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EMI35.8
ler cyclone 310 327 343 3 - 288 34-9 - cyclone épurateur ¯ $2 82 82 82 83 88 S2 -
EMI35.9
<tb> refroidisseur <SEP> 1 <SEP> 43 <SEP> 43 <SEP> 46 <SEP> 49 <SEP> 49 <SEP> 72 <SEP> - <SEP> 60
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<tb> refroidisseur <SEP> 2 <SEP> 32 <SEP> 34 <SEP> 37 <SEP> 38 <SEP> 35 <SEP> 56 <SEP> 60 <SEP> 34
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<tb> refroidisseur <SEP> 3 <SEP> 29 <SEP> 32 <SEP> 29 <SEP> 32 <SEP> 32 <SEP> 0 <SEP> 42 <SEP> 24
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<tb> gaz <SEP> de <SEP> cheminée <SEP> 29 <SEP> 31 <SEP> 29 <SEP> 21 <SEP> 32 <SEP> 39 <SEP> 41 <SEP> -
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<tb> entrée <SEP> d'eau <SEP> 24 <SEP> 25 <SEP> 20 <SEP> 23 <SEP> 26 <SEP> 16 <SEP> 16-
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<tb> sortie <SEP> d'eau <SEP> 35 <SEP> 35 <SEP> 34 <SEP> 38 <SEP> 38 <SEP> 43 <SEP> 37 <SEP> -
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réservoir <SEP> 86 <SEP> 77 <SEP> 77 <SEP> 82 <SEP> 79 <SEP> 79 <SEP> 89 <SEP> 98 <SEP> -
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<tb> refroidisseur <SEP> 2 <SEP> 13 <SEP> 7,5 <SEP> 7,5 <SEP> 13 <SEP> 18 <SEP> 5 <SEP> 5 <SEP> 7,5
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5 <SEP> 7,5
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<tb> traitée <SEP> 4,4 <SEP> 5,0 <SEP> 3,2 <SEP> 5,4 <SEP> 9,3 <SEP> 8,2 <SEP> 13,2 <SEP> 0,9
<tb>
EMI36.3
en kg/heure 14615 164,2 138,8 215,5 309,4 20,0 83,0 1,8
EMI36.4
<tb> perte <SEP> de <SEP> P205 <SEP> dans
<tb>
EMI36.5
l'eau en kg/heure 1,0 1,63 1,63 z09 0,68 0,50 0,
23 0250
EMI36.6
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<tb> le <SEP> filtre, <SEP> en <SEP> % <SEP> 99,3 <SEP> 99 <SEP> 98,8 <SEP> 99 <SEP> 99,8 <SEP> 96,5 <SEP> 99,5 <SEP> 73
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<tb>
EMI36.7
perte dans 1'atmosphère.
en kz/heure 0,04 0,027 09045 z04 0,032 0,009 - 0,018
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Il convient de remarquer que les essais suc- cessifs nos la? ont été effectués avec des températures d'évaporation progressivement de plus en plus élevées (il s'agit du point d'ébullition de l'acide, constituant le produit, à l'intérieur de l'évaporateur) pour atteindre des teneurs en P2O5 progressivement de plus,en plus élevées dans le pro- duit.
Un fait est significatif : bien que les essais nos 1 à 5 aient tous été effectués aveo des allures de production de chaleur, par le brûleur, considérablement supérieures à la valeur calculée pour le régime nominal de marche (mais inférieures à la valeur maximum d'environ 4700 thermies/heure calculée d'après la formule), la valeur que tend à prendre la teneur en substances insolubles (P2O5 insoluble dans le citrate) dans le produit est en étroite relation avec la température d'évaporation; cela prouve qu'il s'établit, dans tous ces essais, un fonctionnement stable du brûleur car une instabilité de la bulle à l'orifice inférieur du tube plongeur aurait eu pour conséquence une teneur anormalement élevée du produit en substances insolubles.
Au régime de pro- duction de chaleur de 3290 thermies/heure au cours de l'essai n 4, la périphérie de la bulle s'était très nettement sta- bilisée sur la plaque 70.
Il convient aussi de souligner que les valeurs indiquées dans le Tableau pour la proportion du P2O5 entraîné jusque dans le système de traitement de l'effluent au cours des essais nos 1 à 5 sont remarquablement faibles pour un évaporateur à combustion submergée concentrant de l'acide phosphorique aux allures de traitement soutenues lors de ces essais; cela constitue une nouvelle Indication de la stabili- té et de la perfection du processus de contact entre les gaz et le liquide dans l'évaporateur. Le haut rendement de récu- pération de P2O5 dans le système de traitement de l'effluent mérite lui aussi d'être remarqué.