CH627715A5

CH627715A5 - Process for the production of aluminium chloride of high purity

Info

Publication number: CH627715A5
Application number: CH123478A
Authority: CH
Inventors: Stanley Carlton Jacobs; Larry Keith King; Bernard John Racunas
Original assignee: Aluminum Co Of America
Priority date: 1977-02-03
Filing date: 1978-02-03
Publication date: 1982-01-29
Also published as: DE2804744A1; JPS53124196A; NL7801206A; IT1155806B; DE2804744C2; NO780274L; AU513164B2; NZ186196A; RO76369A; GB1595613A; DD134759A5; FR2379481B1; IT7847864A0; AU3277778A; SE7800248L; SE424439B; NO146390B; YU11478A; JPS5635611B2; IN147509B

Description

Cette invention concerne la production de chlorure d'aluminium. Plus particulièrement, cette invention concerne un procédé permettant de maîtriser la granulométrie et la pureté du chlorure d'aluminium.

Dans la production de chlorure d'aluminium convenant pour une réduction électrolytique ultérieure en aluminium métallique, par chloration de matériaux contenant des composés d'aluminium ainsi que d'autres matériaux comme le silicium, le titane et le fer, les chlorures résultants doivent être séparés pour fournir un chlorure d'aluminium de pureté suffisamment élevée pour la mise en œuvre satisfaisante du procédé électrolytique ultérieur. Dans le brevet des EUA N° 3786135, il est décrit et revendiqué un procédé de récupération de chlorure d'aluminium de pureté élevée à partir de l'effluent gazeux de la chloration de composés d'aluminium, procédé qui comprend une première étape de refroidissement initial de l'effluent gazeux chaud suffisamment pour condenser sélectivement le chlorure de sodium et d'aluminium et les autres chlorures de point de fusion élevé, et de séparation de ces produits condensés initialement et des particules entraînées, d'une part, et de l'effluent gazeux, d'autre part, suivie d'un refroidissement plus poussé de l'effluent gazeux jusqu'à un second intervalle inférieur prédéterminé de températures pour condenser une proportion élevée des constituants volatils restants qui sont condensables au-dessus de la température de condensation du chlorure d'aluminium. L'étape finale revendiquée dans ce procédé concerne la désublimation directe du chlorure d'aluminium de pureté élevée dans un lit fluidisé de chlorure d'aluminium à un intervalle de températures d'environ 30 à 100°C. C'est le domaine de cette troisième étape que concernent les améliorations constituant le procédé de la présente invention.

Dans le brevet susmentionné, il est décrit un lit fluidisé contenant des particules fluidisées de chlorure d'aluminium dans lequel les vapeurs passent à une vitesse non décrite. Il est dit que les vapeurs traversent le lit fluidisé à une température d'environ 30-100°C pour permettre la condensation des vapeurs sur les particules de chlorure d'aluminium solides. Des filtres au-dessus du lit fluidisé empêchent la perte de particules, en particulier des particules très fines, à partir du condenseur. Il est prévu un moyen pour enlever le chlorure d'aluminium solide à partir d'un endroit proche de la partie inférieure du condenseur. Comme mentionné précédemment, il est indiqué que la température de fonctionnement dans le condenseur est de 30 à 100°C, de préférence d'environ 60 à 90°C, et de préférence encore dans l'intervalle plus étroit de 50 à 70°C. Le brevet décrit l'effet de la température de condensation sur la granulométrie, en notant qu'à des températures inférieures dans l'intervalle spécifié de 30 à 100°C, la granulométrie moyenne du produit condensé est en général plus faible. Le brevet indique en outre que, même dans l'intervalle de 30 à 100°C, une certaine quantité du chlorure d'aluminium gazeux ne se désublime pas. Il indique donc le côté désirable de l'utilisation de températures de condensation à l'extrémité inférieure de l'intervalle indiqué de 30 à 100°C.

Bien que le fonctionnement du procédé de condensation à l'extrémité inférieure de l'intervalle comme décrit dans le brevet susmentionné donne une granulométrie satisfaisante ainsi qu'un rendement intéressant, au point de vue économique, en chlorure d'aluminium, on a trouvé que cette opération peut conduire à une condensation indésirable des sous-produits comme le tétrachlorure de titane. En outre, depuis le dépôt du brevet susmentionné en 1971, on a beaucoup appris quant aux conditions d'opération dans le lit fluidisé pendant la condensation.

Bien qu'il semble qu'une simple élévation de la température de condensation éliminerait le problème de la contamination, on a découvert qu'il faut également maîtriser d'autres paramètres du fonctionnement, en particulier la vitesse d'entrée.

C'est donc un but de cette invention de fournir des améliorations des paramètres de fonctionnement du procédé en lit fluidisé pour la condensation de chlorure d'aluminium, pour obtenir par exemple du chlorure d'aluminium (A1C13) ayant une pureté et une granulométrie convenant à une réduction électrolytique ultérieure en aluminium métallique.

Selon l'invention, on a fait passer le chlorure d'aluminium gazeux dans un lit fluidisé de particules de chlorure d'aluminium à une vitesse d'entrée de 18 m/s à 90 m/s.

La fig. 1 est une coupe verticale d'un appareil de condensation pour un mode de réalisation du procédé selon l'invention.

La fig. 2 est une coupe verticale représentant un autre mode de réalisation de l'invention dans lequel on utilise deux lits fluidisés.

Considérons d'abord la fig. 1 ; les vapeurs de chlorure d'aluminium que l'on a préalablement traitées par un moyen de purification initial, comme les deux premières étapes de purification décrites dans le brevet susmentionné des EUA N° 3786135, pénètrent dans la chambre de condensation 18 par la conduite 6 et l'entrée 30.

L'entrée 30 du gaz contenant le chlorure d'aluminium gazeux est de préférence munie d'un moyen permettant de maintenir la température du gaz entrant à une valeur élevée, comme par exemple un moyen de chauffage auxiliaire et/ou un moyen d'isolation comme du quartz, de l'alumine, du graphite, de l'amiante, etc., à son entrée pour minimiser, sinon empêcher un refroidissement prématuré et une liquéfaction et une solidification du chlorure d'aluminium gazeux la traversant, qui tendrait à la colmater en empêchant ou en nuisant de toute autre façon à l'opération désirée de condensation ou de désublimation.

En raison du besoin d'éviter une condensation prématurée du chlorure d'aluminium gazeux en des lieux autres que dans le lit fluidisé lui-même en considérant les conditions ambiantes,

l'entrée 30, de préférence, se prolonge de façon appréciable dans le lit et s'arrête loin de toutes les surfaces structurelles, comprenant les

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parois de la chambre et le moyen de refroidissement 26 placé dans la chambre.

Les gaz sont introduits dans la chambre de condensation 18 pour se condenser ou se désublimer sur les particules fluidisées constituant le lit fluidisé 16. Le lit fluidisé 16 comprend des particules de chlorure d'aluminium ayant une granulométrie comprise entre 1 et 500 u. qui sont fluidisés par un gaz fluidisant qui pénètre dans la chambre 18 par la conduite 8. Les termes désublimation et désublimer tels qu'utilisés ici désignent la formation directe de chlorure d'aluminium solide à partir de la phase gazeuse sans aucune formation notable d'une phase liquide intermédiaire, alors que les termes condensation et condenser sont utilisés pour désigner le changement allant de la phase gazeuse à la phase liquide ou à la phase solide.

Les vapeurs de chlorure d'aluminium, de préférence à une température d'environ 250° C, pénètrent dans le lit à une vitesse minimale recommandée de 18 m/s, mais pouvant aller jusqu'à 90 m/s. Bien que l'on ne désire pas se lier à une quelconque théorie de fonctionnement, cette vitesse d'entrée permet un mélange approprié des vapeurs chaudes avec les particules fluidisées froides qui, pense-t-on, fournit une zone de condensation dans le lit près de la buse.

On pense que cette zone de condensation apparente compte dans la découverte que la granulométrie peut être au moins partiellement maîtrisée par des changements de la vitesse d'entrée. On pense qu'une augmentation de la vitesse peut provoquer l'injection des vapeurs de chlorure d'aluminium à 250° C plus profondément dans le lit, ce qui crée peut-être un abaissement apparent de la température de la zone de condensation. Ces hypothèses sont fondées sur le fait observé que des augmentations de vitesse (sans aucun changement de la température du lit) entraînent une diminution de la granulométrie.

On arrive à la température préférée de 250° C comme température d'injection du chlorure d'aluminium par un équilibre de plusieurs facteurs. Des températures inférieures conduisent au danger que l'entrée 30 soit colmatée par le chlorure d'aluminium solide. Des températures supérieures ont l'inconvénient que davantage de chaleur doit être enlevée du lit fluidisé. Des températures supérieures ont également un effet contraire sur l'élimination, par exemple, du chlorure de sodium et d'aluminium par des étapes de prérefroidissement comme décrit dans le brevet des EUA N° 3786135 susmentionné. Néanmoins, dans ses aspects les plus larges, la présente invention réside dans l'intervalle de vitesse d'injection de 18 à 90 m/s, sans limitation quant à la température d'injection. S'il fallait fixer un large intervalle pour la température d'injection, il irait d'une température juste supérieure à la température de condensation du chlorure d'aluminium jusqu'à 350° C, et serait de préférence de 150 à 300°C et mieux encore de 220 à 300°C.

Cette maîtrise de la granulométrie par l'intermédiaire de la maîtrise de la vitesse entraîne la maîtrise et l'abaissement de la granulométrie sans abaisser par ailleurs la température globale du lit, ce qui causerait la condensation simultanée d'une plus grande quantité de TiCl4 qui nuirait à la pureté de 1'A1C13 produit.

Ainsi, les vapeurs de chlorure d'aluminium pénétrant dans le lit se condensent sur les particules et les vapeurs restant d'autres impuretés comme, par exemple, le chlorure de titane, etc., traversent le lit jusqu'à son sommet et sortent par la conduite 38. Certains de ces gaz sont recyclés à la conduite 8 pour être réutilisés comme gaz fluidisants alors que le gaz restant traverse un épurateur. Le passage des particules de chlorure d'aluminium solide dans la conduite 38 est empêché par les filtres 36 qui enlèvent ou emprisonnent toutes les particules solides.

On maintient la pureté du chlorure d'aluminium obtenu à 99,5% en poids ou plus, avec une teneur en TiCl4 de moins de 0,008% en poids, en faisant fonctionner le lit à une température de 60-80°C. On maintient la température dans le lit fluidisé 16 à 60-80°C à l'aide des serpentins de refroidissement 26 dans lesquels on fait passer de l'eau à une température suffisamment faible pour maintenir le lit à cette température. Bien que cette température élevée entraîne une plus grande granulométrie, comme indiqué dans le brevet des EUA

N° 3786135, l'utilisation de la vitesse d'entrée particulière de l'invention donne un intervalle de granulométrie utilisable dans les cellules de réduction électrolytique ultérieure. Des températures de lit supérieures (même au-dessus de 80°C) donnent encore une granulométrie utilisable. On notera en outre donc que la limite supérieure de l'intervalle de température du lit a pour but non pas de maintenir une granulométrie correcte, mais plutôt de minimiser les pertes en chlorure d'aluminium qui se produiraient à des températures supérieures.

De préférence, on maintient également la maîtrise de la granulométrie dans l'intervalle préféré de pas plus de 500 u., en enlevant périodiquement les particules de chlorure d'aluminium par l'orifice de sortie 40 placé près de la partie inférieure du lit fluidisé 16. Par périodiquement, on désigne l'enlèvement de 5 à 20% du lit toutes les heures. Il est important, pour la mise en œuvre préférée de l'invention, que l'enlèvement des particules soit effectué près de la partie inférieure du lit pour que les plus grosses particules (qui sont également difficiles à fluidiser) soient enlevées. Par l'expression «près de la partie inférieure», on désigne un emplacement situé à la partie inférieure du lit fluidisé des particules ou dans les 10% inférieurs de la partie du lit pour assurer l'enlèvement des grosses particules, comme indiqué précédemment.

On peut également utiliser d'autres moyens à la place ou en plus de la vidange à la partie inférieure, pour maîtriser la dimension des particules.

Par exemple, on peut insuffler périodiquement un gaz comme un gaz inerte, c'est-à-dire C02 ou N2, dans le lit fluidisé 16 à une vitesse de 90 m/s, par exemple par l'intermédiaire de buses placées soit dans la partie inférieure du lit fluidisé 16, soit près de la partie inférieure du lit 16, comme la position de l'orifice de sortie 40 sur le dessin. Ces jets de gaz ont le rôle d'un agent d'attrition et provoquent l'abrasion entre les grosses particules, ce qui les fait se briser en particules plus petites, en obtenant ainsi le même effet désiré que lorsque l'on vidange à la partie inférieure.

Ou bien les particules peuvent être enlevées par le haut ou une portion intermédiaire du lit et tamisées pour séparer les grosses particules et les petites particules. Les petites particules, c'est-à-dire inférieures à 10 jx et de préférence inférieures à 40 [*, seront renvoyées au lit. Les plus grosses particules peuvent ensuite être utilisées directement pour l'alimentation dans une cellule de fusion ou dans d'autres buts, par exemple comme catalyseur, etc., ou bien elles peuvent être broyées ou concassées jusqu'aux dimensions acceptables indiquées précédemment, puis renvoyées au lit fluidisé. Evidemment, ce procédé peut encore entraîner une vidange périodique à la partie inférieure du lit pour enlever les grandes particules si la vidange à la partie supérieure ou à la partie intermédiaire n'est pas effectuée suffisamment souvent.

Une autre solution pour maîtriser la dimension des particules est de prévoir un moyen mécanique directement dans le lit. Celui-ci comprendrait une lame dans le lit, le mécanisme de commande étant de préférence monté à l'extérieur des parois latérales du condenseur à lit fluidisé, l'arbre de commande traversant la paroi latérale (ou la paroi inférieure) du condenseur.

Pour mieux illustrer le mode de réalisation de la fig. 1, on fait passer des vapeurs d'AlCl3 dans un lit fluidisé contenant initialement 50 g de particules de chlorure d'aluminium à une vitesse d'entrée d'environ 90 m/s tout en maintenant la température du lit entre 60 et 80°C. On prélève chaque heure trois échantillons de 10 g. On détermine la granulométrie et la pureté. La granulométrie moyenne est d'environ 300 jj.. La pureté est supérieure à 99,5% en poids et la teneur en tétrachlorure de titane est inférieure à 0,008% en poids.

Le mode de réalisation de la fig. 1, dans sa forme préférée, constitue donc une série de conditions d'opération qui, dans un seul condenseur ou appareil de désublimation, cherche à maîtriser la pureté du produit ainsi que la granulométrie tout en essayant de limiter les pertes en chlorure en faisant fonctionner l'appareil de condensation ou de désublimation à une température d'environ 60-80° C et en maîtrisant à la fois la vitesse d'entrée du chlorure

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d'aluminium gazeux et le volume de production global ainsi qu'en prenant des dispositions pour enlever les particules trop grosses de chlorure d'aluminium, de préférence à la partie inférieure ou près de la partie inférieure de l'appareil de condensation.

Le mode de réalisation de la fig. 2 fournit un autre moyen permettant de maîtriser la pureté du chlorure d'aluminium tout en maintenant l'intervalle des dimensions des particules et en même temps en minimisant les pertes en chlorure.

Selon le mode de réalisation de la fig. 2, on fait passer les vapeurs de chlorure d'aluminium dans un premier appareil de condensation maintenu à une température de 80-110°C avec une vitesse d'entrée de 18 à 90 m/s. Dans un mode de réalisation préféré, on enlève les particules de chlorure d'aluminium près de la partie inférieure de l'appareil de condensation. On fait passer les vapeurs restantes avec une vitesse d'entrée de 18 à 90 m/s dans un second appareil de condensation maintenu à une température d'environ 20 à environ 50e C. La température basse résultante du second appareil de condensation assure la prise de pratiquement tout le chlorure qui pénètre du second appareil en venant du premier appareil de condensation.

Considérons maintenant la fig. 2 en détail; sur cette figure, les structures similaires à celles de la fig. 1 ont reçu les mêmes numéros de référence; un premier lit fluidisé est représenté en 2, comprenant un récipient ayant une paroi latérale 4 à travers laquelle les vapeurs de chlorure d'aluminium pénètrent par une conduite 6 qui se termine par une buse 30 qui fait saillie dans un lit fluidisé 2.

Les vapeurs de chlorure se condensent dans le lit fluidisé 2 sur les particules fluidisées de chlorure d'aluminium ayant une granulométrie comprise entre 1 et 500 ja, qui sont fluidisées par un gaz fluidisant qui pénètre dans le lit 2 par une entrée 8. Au fur et à mesure que les vapeurs de chlorure d'aluminium se condensent ou se désubliment sur les particules de chlorure d'aluminium, la dimension des particules augmente, les plus grosses particules restant près de la partie inférieure du lit. Les grosses particules sont de préférence enlevées périodiquement par l'orifice de sortie 40 qui est placé près de la partie inférieure du lit fluidisé 2. Par «près de la partie inférieure du lit fluidisé 2», on désigne une position qui se trouve à la partie inférieure ou dans les 10% de la partie inférieure du lit fluidisé. Par périodiquement, on désigne un enlèvement de 5 à 20% du lit toutes les heures. Ou bien les particules plus grosses peuvent être enlevées par les autres techniques déjà décrites précédemment pour le mode de réalisation de la fig. 1.

Selon le mode de réalisation de la fig. 2, les particules fluidisées du lit 2 sont maintenues à une température de 80-110° C par des serpentins de refroidissement 26 qui refroidissent le lit fluidisé jusqu'à l'intervalle de température désiré. En maintenant le lit à cette température, les impuretés comme le chlorure de titane et le chlorure

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de silicium restent à l'état de vapeur, ce qui donne une pureté de chlorure d'aluminium supérieure à 99,5%. On notera que les vapeurs de chlorure d'aluminium pénétrant dans le lit fluidisé 2 ont une température d'entrée qui peut être aussi élevée que 150-250°C. Au s fur et à mesure que les vapeurs de chlorure d'aluminium se condensent sur les particules du lit fluidisé 2, les gaz restants, y compris le gaz de fluidisation, s'élèvent jusqu'au sommet du lit fluidisé 2 où les particules solides sont retenues par des poches filtrantes 36, alors que les gaz restants et les chlorures volatils io quittent le lit fluidisé 2 par la conduite 38.

Toujours selon ce mode de réalisation de la fig. 2, les gaz chauds quittant le lit fluidisé 2 par la conduite 38 sont introduits dans un second lit fluidisé 52 de particules de chlorure d'aluminium, par l'intermédiaire d'une buse 80 qui est similaire à la buse 30 du lit 15 fluidisé 2. En fait, les deux lits fluidisés peuvent être identiques l'un à l'autre en ce qui concerne le mécanisme de fluidisation, l'orifice de sortie, les poches filtrantes et les serpentins de refroidissement. Cependant, selon ce mode de réalisation de l'invention, les serpentins de refroidissement 76 du lit fluidisé 52 maintiennent la température 20 des particules fluidisées à environ 20-50°C pour assurer un piégeage total de tous les chlorures contenus. Ces chlorures peuvent ensuite être enlevés par l'orifice de sortie 90 qui, comme indiqué précédemment, est placé dans une position similaire à celle de l'orifice de sortie 40 du lit fluidisé 2. On peut utiliser la même vitesse d'enlève-25 ment des particules que dans le premier lit fluidisé, c'est-à-dire 5 à 20%/h. Les gaz restants, y compris le gaz de fluidisation, traversent ensuite les filtres 86 pour rejoindre la conduite 88 d'où ils se dirigent, par la conduite 94, jusqu'à une autre purification, ou bien ils sont recyclés par la conduite 92 vers les conduites 8 et/ou 58 pour être 30 réutilisés comme gaz fluidisants dans les lits fluidisés 2 et 52.

L'exemple suivant sert à mieux illustrer les avantages du mode de réalisation de la fig. 2.

On fait passer des vapeurs de chlorure d'aluminium dans un lit fluidisé contenant initialement 50 kg de particules de chlorure 35 d'aluminium, à une vitesse d'entrée d'environ 90 m/s tout en maintenant la température du lit à 80-110°C. Les vapeurs non condensées traversent le lit fluidisé puis traversent un filtre et un orifice de sortie en se dirigeant vers un second lit fluidisé de particules de chlorure d'aluminium maintenues à une température de 20-50°C 40 pour provoquer la condensation ou la désublimation des vapeurs restantes de chlorure d'aluminium. L'enlèvement périodique de 5 à 20% en poids des particules de chlorure d'aluminium du premier lit fournit des particules dont l'analyse montre qu'elles contiennent 0,004% en poids ou moins de tétrachlorure de titane. L'analyse des 45 gaz sortant du second lit fluidisé montre une quantité minimale de chlorure d'aluminium restant encore sous forme de vapeur, ce qui indique que les pertes en chlorure ont été réduites à une valeur minimale.

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1 feuille dessins

Claims

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1. Procédé de production de chlorure d'aluminium par condensation de chlorure d'aluminium gazeux dans un lit fluidisé de particules de chlorure d'aluminium, caractérisé en ce qu'on fait passer le chlorure d'aluminium dans le lit avec une vitesse d'entrée de 18 m/s à 90 m/s.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température du lit est 60 à 80° C.

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REVENDICATIONS

3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'en plus de prévoir la vitesse d'entrée entre 18 et 90 m/s, on prend des mesures pour maîtriser la dimension des particules solides de chlorure d'aluminium dans le lit fluidisé pour qu'elle ne soit pas supérieure à 500 ;j..

4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'on enlève les particules de chlorure d'aluminium condensé en un point proche de la partie inférieure du lit fluidisé.

5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'on enlève toutes les heures 5 à 20% en poids du lit.

6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que:

a) on introduit les vapeurs de chlorure d'aluminium à une vitesse d'entrée de 18 à 90 m/s dans un premier lit fluidisé de particules de chlorure d'aluminium dont la granulométrie n'est pas supérieure à 500 ii, maintenu à une température de 80-110°C;

b) on maîtrise, à l'aide de mesures autres que la vitesse d'entrée, la dimension des particules solides de chlorure d'aluminium dans le lit fluidisé pendant la condensation pour empêcher le développement de particules supérieures à 500 a:

c) on fait passer les gaz et vapeurs non condensés restants du premier lit fluidisé dans un second lit fluidisé de particules de chlorure d'aluminium, avec une vitesse d'entrée de 18 à 90 m/s, les particules de chlorure d'aluminium dans le second lit fluidisé ayant une dimension comprise entre 1 et 500 u. et étant maintenu à une température de 20 à 50° C, pour récupérer le reste du chlorure à partir desdits gaz et vapeurs.