<Desc/Clms Page number 1>
Procédé pour le traitement de purification de solutions sucrées par échange ionique.
La présente invention est relative au traitement de purifi- cation par échange ionique de solutions sucrées ou de jus sucrés, traitement grâce auquel des corps dissous étrangers au sucre ou des sels ionisés peuvent être extraits ou éliminés de la solution sucrée. Plus particulièrement, l'invention est relative à la ré- génération du lit de matière granuleuse d'échange de cations et du lit de matière granuleuse d'échange d'anions au travers des- quels le jus passe successivement.
L'un des objets de l'invention est de réaliser un procédé de régénération très efficace,à l'égard de l'élimination des impuretés adsorbées, hors d'une matière d'échange, en même temps que pratique et économique à l'égard des produits chimiques régé- nérateurs qu'il exige.
<Desc/Clms Page number 2>
Le lit d'échange de cations fonctionne suivant le cycle dit à ions H, suivant lequel ce lit est conditionné ou régénéré au moyen d'un acide fort, par exemple H2SO4 de concentration appro- priée, grâce à quoi il est saturé de ions, H, puis épuisé par le passage du jus sucré au travers de celui-ci, ce jus sortant du lit en condition acide, attendu que le lit abandonne au jus des ions H en échange des cations des sels dissous ou impuretés du jus, ainsi adsorbés par ce lit.
Certaines impuretés organiques dissoutes, non nécessaire- ment ionisées, comme par exemple les matières azotées, sont éga- lement adsorbées par le lit d'échange de cations, à partir du jus.
Le jus acidifié mais libéré des cations passe alors dans le lit d'échange d'anions, lequel travaille suivant le cycle dit OH, ou hydroxyle, attendu qu'il a été régénéré au moyen d'un alcali fort, par exemple Na2CO3 de concentration convenable, de sorte qu'il se trouve saturé en ions OH. Le jus qui passe dans ce lit est désacidifié, attendu que les aurons de l'acide sont échan- gés contre les ions OH, fournis par le lit, le résultat étant que l'acide est remplacé par l'équivalent moléculaire d'eau pure (HOH ou H2O). Conformément à une autre conception, la molécule d'acide dans son ensemble est adsorbée par le lit régénéré par l'alcali.
En tous cas, puisque le résultat net consiste dans une élimination d'acide, ou désacidification, ou neutralisation du jus, l'échange d'anions est également appelé phase d'élimination de l'acide.
La consommation en produit chimique régénérateur cons- titue un facteur économique important, dans une telle opération d'échange.
Un autre problème, dans la phase de régénération apparte- nant à de telles opérations, consiste dans le fait que les ma- tières organiques adsorbées par le lit d'échange de cations ne sont pas toujours complètement éloignées ou extraites par la so-
<Desc/Clms Page number 3>
lution d'acide régénérateur. Les matières organiques peuvent être plus efficacement éloignées du lit d'échange de cations par un traitement auxiliaire ou lavage au moyen d'une solution d'al- cali fort, antérieurement à la régénération finale par l'acide.
Une autre difficulté encore se manifeste, en ce qui concerne la phase de régénération, lorsque la solution ou le jus contient une quantité appréciable de ions Ca adsorbés par le lit d'échange de cations, attendu que le H2SO4 du régénérateur peut réagir avec le Ca pour précipiter du sulfate de calcium qui joue un rôle paralyseur pour la matière d'échange. Dans de tels cas, le lit d'échange de cations épuisé peut être traité ou lavé au moyen d'une solution contenant Na, solution auxiliaire de concentration appropriée, en vue de remplacer les ions Ca par des ions Na.
En conséquence, la présente invention peut être désignée comme se répartissant elle-même en deux propositions distinctes, savoir: a) l'extraction des matières organiques ou azotées retenues par le lit d'échange de cations, dans le traitement de jus su- crés, en passant par un traitement auxiliaire du lit. b) la substitution de ions Na aux ions Ca retenus par le lit d'échange de cations, dans le traitement de déionisation de solutions contenant Ca, où H2SO4 constitue l'acide régénérateur.
Attendu qu'un excès de produits chimiques, au delà de la quantité théorique, est nécessaire pour la régénération d'un lit d'échange, la liqueur régénératrice perdue, et plus particulière- ment sa portion de queue, contient du produit chimique régénéra- teur qui était habituellement perdu, quoique des procédés et des dispositifs aient été conçus pour réduire la teneur en produit chimique résiduel inemployé, dans la liqueur sortante.
Conformément à la présente invention, les objets ci-dessus spécifiés sont atteints en utilisant le régénérateur perdu, ou la liqueur sortant du lit d'échange d'anions, au traitement auxiliai-
<Desc/Clms Page number 4>
re ou de régénération préliminaire du lit d'échange de cations.
Par exemple, si le lit d'échange de cations a été épuisé par un jus de sucre de betterave ou de sucre de canne ayant traversé ce lit, en le laissant saturé de cations contenant une propor- tion substantielle de ions Ca, et après que le jus sucré résiduel a été lavé hors du lit,une liqueur régénératrice contenant des anions perdus est conduite au travers du lit de cations.
En d'autres termes, on utilise la teneur en sel de sodium de la portion perdue de la liqueur pour remplacer les ions Ca,dans le lit d'échange de cations, par des ions Na, utilisant ainsi l'alcali de la portion non perdue pour éliminer ou extraire les matières organiques ou azotées retenues par le lit. A cet effet, on intercepte des fractions correspondantes de la liqueur régéné- ratrice qui sort du lit d'échange d'anions, savoir une première fraction contenant de la liqueur pratiquement usée ou convertie, et une seconde fraction contenant, outre de la liqueur usée, une certaine quantité d'alcali non usé.
Le fait de faire passer la première fraction-de liqueur usée à travers le lit épuisé d'échange de cations assure le remplace- ment des ions Ca du lit par des ions Na. Ainsi, lorsque la secon- de fraction de liqueur est ensuite conduite à travers le lit, l'alcali fort non usé qu'elle contient extraira ou éliminera les matières organiques ou azotées, laissant ainsi le lit d'échange de cations conditionné en vue de la régénération finale par donc H2SO4. Le potentiel régénérateur de l'acide sera/employé exclu- sivement et effectivement à remplacer les cations du lit par des ions H, sans qu'un obstacle soit constitué par la présence de matières organiques, ou par la présence de ions Ca.
L'invention porte également sur d'autres objets et des ca- ractéristiques intéressantes, dont certaines desquelles, en même temps que celles déjà précisées, ressortiront de la description qui va suivre. Dans celle-ci, certains éléments seront désignés
<Desc/Clms Page number 5>
par des appellations spécifiques, pour plus de commodité, mais on doit comprendre que ces éléments doivent être considérés comme génériques, et peuvent être adaptés de façon correspon- dante dans des variantes, selon les cas particuliers d'utilisa- tion. Dans les dessins annexes, on a représenté une forme préfé- rée de réalisation, mais cette réalisation est à considérer simplement comme exemple de beaucoup de variantes possibles, et l'invention n'est donc pas limitée à cet exemple particulier.
L'invention, tant en ce qui concerne son organisation et le mode opératoire qu'elle prévoit, que ses objets additionnels et leurs avantages, sera au mieux exposée dans la description qui va suivre, relative à un exemple spécifique de réalisation, des- cription accompagnée des dessins annexés, dans lesquels:
Les schémas de circulation des figures 1 à 5 donnent un exemple du cycle perfectionné d'échange d'ions, effectué suivant l'invention, et appliqué au traitement de purification de jus sucré, certaines bases intermédiaires de rinçage et de lavage ayant été toutefois omises pour des raisons de simplification.
La figure 1 représente la phase de saturation ou d'épuise- ment du jus qui traverse successivement le lit d'échange de ca- tions et le lit d'échange d'anions.
Les figures 2 et '3 représentent la régénération auxiliaire du lit d'échange de cations, la figure 2 montrant la phase ini- tiale (déplacement de ions Ca par des ions Na), et la figure 3 représentant la phase finale (déplacement des matières organiques hors du lit).
Les figures 4 et 5 montrent la régénération acide du lit d'é- change de cations, ainsi que la régénération alcaline du lit d'échange d'anions, la figure 4 indiquant l'interception d'une première portion de la liqueur régénératrice qui sort du lit (pratiquement complètement usée), et la figure 5 montrant l'inter- ception d'une seconde portion de la liqueur régénératrice qui sort du lit d'échange d'anions (portion partiellement épuisée).
<Desc/Clms Page number 6>
La figure 6 représente une variante du mode de régénération.
L'idée consistent à purifier des liquides ou jus sucrés grâce à un traitement d'échange ionique n'est pas nouvelle, et a déjà été exposée dans la demande de brevet Etats-Unis n . 376.717 du 31 Janvier 1941 qui décrit le traitement de puri- fication de jus sucré clarifié contenant des corps étrangers au sucre, ces corps étrangers comprenant (1) des impuretés inorga- niques qui sont fortement ionisable (2) des impuretés organiques dissoutes, de structures moléculaires complexes, qui sont non ionisables ou seulement très faiblement, et (3) des impuretés colorantes, enfin (4) des colloïdes.
D'autres indications portant sur le fonctionnement des cy- cles d'échange d'ions, dans le traitement de purification de solutions contenant du sucre, ou de jus sucrés, spécialement en ce qui concerne l'adsorption sélective, par la matière d'échange, de différents types d'impuretés, sont contenues dans la demande de Brevet Etats-Unis n .479.093 du 13 ,fars 1943.
Conformément à ces données, il est possible d'obtenir un haut degré de purification du jus, en utilisant certaines ma- tières d'échange d'ions qui ne se désintègrent pas dans un milieu d'acide fort. Ces matières ont été décrites comme étant du genre des résines synthétiques, et sont connues sous le nom d'Organolites, en raison de leur nature organique. Elles se dis- tinguent fondamentalement des matières d'échange d'ions qui sont inorganiques, par exemple les matières appelées Zéolites, les- quelles se désintègrent en milieu acide.
En utilisant les Organolites, et en conduisant et contrôlant convenablement le processus de traitement d'échange, il est possible non seulement de débarrasser ou libérer de façon pratiquement totale le jus des matières ou sels dissous et fortement ionisés, ou des cen- dres, mais aussi d'éloigner une importante partie des impuretés organiques dissoutes qui sont faiblement ou pas du tout ionisa- bles, et même de séparer des impuretés colorantes ainsi que des
<Desc/Clms Page number 7>
colloïdes,le résultat final étant qu'on obtient un jus de très haute pureté, et fortement décoloré.
Le traitement par la matière d'échange de cations rend le jus acide, alors que le traitement subséquent au moyen de la ma- tière d'échange d'anions le ramené pratiquement à l'état neutre, attendu que l'équivalent moléculaire d'eau pure remplace les ma- tières inorganiques dissoutes, comme résultat net de l'opération d'échange.
Le haut degré de purification du jus est obtenu en permet- tant à un pH exceptionnellement faible de se développer temporai- rement dans le jus, et du fait de la fonction de libération des ions H assurée par la matière d'échange de cations, le degré jusqu'auquel le pH est abaissé dépendant de la quantité de ca- tions inorganiques échangeables présents dans le jus. Comme les cations inorganiques provenant du jus sont échangés pour des ions H provenant de la matière d'échange, en observant les meil- leures conditions de traitement du jus de betterave, la valeur du pH que l'on atteint peut être située sensiblement au-dessous de 3.0, et plus spécifiquement entre 2.0 et 1.9, ou moins encore.
En combinaison avec cet abaissement du pH il a été proposé de refroidir le jus clarifié chaud, antérieurement à son passage dans le lit d'échange de cations, jusqu'à une température voisine de 20 à 30 C., suffisamment bas se pour empêcher l'inversion du sucrose dans le jus. Par un tel refroidissement, et indépendam- ment de la réduction à un minimum de la période durant laquelle le jus se trouve dans sa phase acide, on peut éviter toute in- version appréciable.
Plus généralement parlant, le cycle opératoire de l'échange d'ions comprend (1) la phase de saturation, c'est-à-dire la. pé- riode durant laquelle le jus est conduit à travers un lit de ma- tière granulaire d'échange d'ions, jusqu'à ce que cette matière soit pratiquement saturée d'ions échangés provenant du jus, sa capacité d'échange se trouvant ainsi épuisée, et (2) la phase de
<Desc/Clms Page number 8>
régénération durant laquelle le courant de jus à travers le lit est interrompu, une solution régénératrice appropriée étant en- voyée à travers le lit, grâce à quoi le processus d'échange est inversé, la matière d'échange captant des ions frais du type con- tenu à l'origine dans celle-ci, en même temps qu'elle libère les ions des impuretés qu'elle a extraites du jus,
si bien qu'on ob- tient finalement une liqueur régénératrice usée, sortant du lit, et contenant les ions des impuretés contenues à l'origine dans le lit.
Dans un cas pratique de purification de jus sucré, le trai- tement est convenablement conduit en effectuant dans l'ordre in- diqué les opérations de traitement spécifiques suivantes: (a) circulation du jus, de haut en bas, à travers un lit d'échange d'ions, jusqu'à ce que ce lit soit épuisé; (b) extrac- tion du jus résiduel hors du lit, par déplacement de ce jus de haut en bas au moyen d'eau de lavage; (c) lavage du lit pour le rendre exempt d'impuretés en phase solide, en faisant passer à travers ce lit un courant ascendant d'eau de lavage, grâce à quoi la matière d'échange est rendue libre, le lit étant ainsi gonflé jusqu'à ce que ses particules ou granules se trouvent en condition de turbulence ;
(d)circulation d'une solution régéné- ratrice à travers le lit, jusqu'à ce que celui-ci soit suffisam- ment régénéré, en même temps que la solution régénératrice est convertie en liqueur usée et en liqueur partiellement usée; (e) déplacement hors du lit de la solution régénératrice résiduelle, au moyen d'eau de lavage. Toutes les phases de ce cycle opératoi- re, depuis (a) jusqu'à (e) sont effectuées avec le lit de ma- tière d'échange maintenu immergé.
Pour laver efficacement le lit afin d'en éloigner les ma- tières en phases solides, on prévoit une circulation ascendante d'eau de lavage à travers le lit, sous des conditions telles que les granules de la matière d'échange sont mises en suspension ou en quasi-suspension, c'est-à-dire en condition de turbulence,
<Desc/Clms Page number 9>
grâce à laquelle les particules de dimensions différentes se classent d'elles-mêmes en couches ou zones, les particules les plus grosses se trouvant à la base, et les particules les plus fines à la partie supérieure du lit. Ce résultat est obtenu en faisant passer un courant de liquide d'intensité ou de vitesse suffisante, ainsi que de régularité ou uniformité suffisante, à travers la totalité de la section transversale du lit.
Il a été observé, dans le traitement de jus sucrés, que la matière d'échange ionique non seulement arrête les ions inor- ganiques par voie d'échange, mais également adsorbe les impure- tés inorganiques dissoutes, même si elles sont non ionisées.
Ainsi, il a été observé que des matières azotées contenues dans le jus sont adsorbées par la matière d'échange de cations (ma- tière synthétique résineuse d'échange d'ions H). La matière d'é- change possède des caractéristiques que l'on peut qualifier de préférentielles à l'égard de certaines classes d'impuretés.
Ainsi, la matière d'échange de cations semble avoir une préféren- ce pour les ions inorganiques plutôt que pour les matières or- ganiques. En conséquence un lit de matière d'échange de cations épuisé présente succinctement une zone d'entrée contenant des cations, et une zone de sortie contenant des matières organiques et/ou azotées. Au sein de la zone d'entrée, des préférences peu- vent également être distinguées en ce qui concerne les différents genres de cations -(tels que Ca, Mg, Na, K) représentant des zones correspondantes dans le lit.
Inversement, lorsqu'on régénère un lit ainsi épuisé, il délivrera généralement les impuretés respectives dans l'ordre de leurs affinités respectives à l'égard de la matière d'échange du lit. En d'autres termes, celles possédant la moindre affinité sont libérées les premières, alors que celles possédant la plus grande affinité sont libérées les dernières.
Toutefois, les matières organiques, dans le lit d'échange de cations, sont difficilement déplacées de façon complète par la
<Desc/Clms Page number 10>
solution d'acide régénérateur, de sorte qu'on est conduit à un traitement auxiliaire au moyen d'un alcali.
Le jus qui traverse le lit d'échange dé cations et sort de celui-ci a sa teneur en impuretés de charge positive, ou cations, pratiquement annulée et remplacée par un équivalent moléculaire d'ions H, mais il contient toujours des sulfates, des chlorures et d'autres impuretés ioniques négatives. Ainsi, en traversant le lit de matière d'échange d'anions, les ions négativement chargés des sels dissous,ou les anions de l'acide formédans le jus, sont échangés contre les ions hydroxyle du lit jusqu'à ce que ce lit soit saturé en sulfates, chlorures, et autres anions analogues.
Le lit d'échange d'anions ainsi saturé doit être régénéré par contact avec une solution alcaline appropriée, comme l'hydro- xyde ou le carbonate d'un métal alcalin, ou des radicaux dont les composés possèdent des solubilités analogues à celles des métaux alcalins. Comme exemple de produits chimiques régénéra- teurs alcalins convenablement utilisés, on peut donner NaOH, Na2CO3 et NH4OH. Pendant la régénération, le processus d'équili- brage inverse se manifeste, c'est-à-dire que les anions rési- duels de chlorure et de sulfate contenus dans le lit sont échan- gés avec les ions d'hydroxyle des solutions régénératrices alca- lines, de sorte que les ions négatifs ou anions recueillis sor- tent du lit jusqu'à ce que ce dernier soit pratiquement recharge en ions hydroxyle.
L'épuisement ou saturation d'un lit de matière d'échange fraîche, c'est-à-dire régénérée, au moyen de la solution qui le traverse de haut en bas, s'effectue de manière continue, depuis le haut jusqu'au fond du lit. En conséquence, on peut concevoir approximativement une ligne de division ou zone de transition entre une portion supérieure épuisée ou saturée, et une portion inférieure non épuisée ou non saturée.
Cette zone de transition se déplace vers le bas à travers le lit, au fur et à mesure que la solution qui traverse continuellement le lit quitte la portion
<Desc/Clms Page number 11>
épuisée de celui-ci, dont l'importance augmente, et traverse la portion, diminuant progressivement de façon correspondante , et représentant la partie non épuisée ou toujours active de la ma- tière qui constitue le lit. Attendu que la ligne de division n'est pas nette, on constatera une chute dans l'intensité de l'échange ionique lorsqu'on approchera du point de renversement ou de permutation, dans le lit. Ceci constitue une indication montrant que ce lit est voisin de l'épuisement, et doit être régénéré, ou bien qu'il faut le remplacer par un nouveau lit fraîchement régéné.
La régénération d'un lit épuisé au moyen d'une solution ré- génératrice qui le traverse se développe de façon correspondante et similaire à travers le lit.
Une matière organique d'échange de cations, convenable pour l'application envisagée ici, est du type résineux et analogue à celle donnée à titre d'exemple dans le brevet américain n .21918 qui décrit une résine synthétique du type'phénol-formaldéhyde po- lyhydrique, sulfitée à un degré tel que sa teneur en soufre
EMI11.1
n'est pas inférieure à 2,4%.
Une matière organique d'échange d'anions, convenable pour l'application envisagée ici, est également du type résineux, et analogue à celle donnée à titre d'exemple dans le brevet américain n .2.151.883 qui décrit cette matière d'échange comme étant un produit insoluble analogue à la résine, obtenu par la réaction de formaldéhyde avec une aminé aromatique. Les matières d'échange d'ions envisagées pour l'utilisation suivant la présente inven- tion sont pratiquement stables en présence d'acides de même qu'en présence d'alcalis.
En ce qui concerne leur mécanisme chimique, les cycles d'é- change, c'est-à-dire le cycle d'échange d'ions H pour le lit d'échange de cations, et le cycle d'échange d'ions OH, pour le lit d'échange d'anions, peuvent être définis comme suit, en pre- nant l'élimination du chlorure de potassium comme exemple:
<Desc/Clms Page number 12>
La matière organique résineuse d'échange de cations, ou Organolite, est supposée avoir capté des ions H, au cours de sa régénération précédente.
Lorsqu'on met en contact le jus avec la matière d'échange, cette dernière échangera ses ions H contre les cations de potassium du sel, et forme de l'acide chlorhydri- que (HCl) conformément à l'équation suivante, où X représente la structure organique ou armature de la. matière d'échange de cations (A) XH + K+ + C1- # XK + H+ + Cl-
Le jus conforme à l'équation (A) est acidifié en raison de sa réaction avec l'échangeur de cations, attendu que, par suite de son traitement au moyen de cette matière, il aura. eu la tota- lité ou une partie de ses anions convertie en leur acide corres- pondant, si bien que les chlorures par exemple auront été con- vertis en HCl.
Après que tous ou pratiquement tous les ions H susceptibles d'être échangés auront été remplacés par du potassium ou d'autres cations, par exemple Na, Ca, Mg, Fe, A1, suivant les cas, pro- venant de jus, la matière d'échange épuisée est mise en contact avec une solution d'acide d'une force suffisante, comme HCl, ce qui fait que la condition d'équilibre est renversée de la manière suivante :
EMI12.1
(B) XK + H+ + Cl- ----j - T + K+ + Cl-
Ceci indique que la matière d'échange est à nouveau prête à être mise en contact avec le jus, alors que le composé de potas- sium peut être récupéré hors de la liqueur de régénération usée.
D'autres acides tels que H@SO4' HNO3 peuvent être utilisés au lieu de HCl, en vue de la génération de la matière d'échange de cations, avec des résultats correspondants.
Par contact du jus avec la matière organique résineuse d'échange d'anions, ou Organolite, contenant des groupes hydro- xyle substituables, l'anion de l'acide (HCl) présent dans le jus conformément à l'équation (A) est fixé par la matière d'échange,
<Desc/Clms Page number 13>
à la place du groupe OH, et on arrive à l'équilibre exprimé par l'équation suivante, où Y représente la structure organique ou armature de la matière d'échange d'anions:
(C) YOH + H+ + Cl- # YC1 + HOH
Conformément à l'équation (C) le jus est désacidifié attendu qu'il est libère de l'acide qui s'était préalablement formé dans la matière d'échange de cations, conformément à l'équation (A) .
De cette façon, le cation de même que l'anion du sel qui constitue l'impureté sont extraits du jus et remplacés par un équivalent moléculaire d'eau.
Lorsque tous les groupes hydroxyle (OH) susceptibles d'être échangés ont été remplacés par Cl ou d'autres anions provenant du jus, par exemple SO4' SO2, SO3, ou ion aconitique, la matière d'échange épuisée est mise en contact avec un hydroxyde alcalin ou une solution de carbonate d'alcalinité suffisante, comme NaOH, NaCO, KOH, KACO3, NH4OH, de façon à renverser l'équilibre comme indiqué par l'équation suivante: (D) YC1 + Na+ + OH- # YOH - Na + C1-
Au cours d'un cycle complet, chacun des lits d'échange, lorsqu'il est épuisé, doit être débarrassé du jus résiduel qu'il contient, et qu'il faut déplacer hors de ce lit d'échange, au moyen d'eau de lavage.
Si des dépôts se sont formés sur les granules de la matière d'échange, celles-ci doivent être lavées avant que la matière d'échange soit mise en contact avec la so- lution régénératrice. De même, si la régénération est achevée, le régénérateur résiduel doit être déplacé et extrait de la ma- tière d'échange, par lavage au moyen d'eau, avant Que la matière d'échange soit à nouveau mise en contact avec le jus.
Conformément à l'invention, le fonctionnement cyclique des lits d'échange traitant des solutions sucrées est perfectionné et complété par un traitement régénérateur auxiliaire du lit d'échange de cations, grâce auquel (a) les ions Ca recueillis dans le lit, et susceptibles de former un précipité avec la solu-
<Desc/Clms Page number 14>
tion régénératrice de H2SO4, sont remplacés par des ions qui formeront un produit de réaction soluble, et ou grâce auquel (b) les matières organiques ou azotées étrangères au sucre,recueillie. dans le lit, sont effectivement éloignées de celui-ci.
En se référant aux figures 1 à 5 des dessins, représentant des schémas de circulation, l'opération est la suivante:
Dans la figure 1, une solution sucrée, par exemple un jus clarifié et pratiquement neutre de sucre de betterave passe de haut en bas à travers un lit C de matière d'échange de cations, contenu dans un récipient 10; cette matière adsorbe hors du jus les ions d'impuretés tels que Ca, Na, Mg, et K des sels inorgani- ques dissous dans le jus, ainsi que les matières organiques ou azotées qui ne sont pas ionisées, de sorte que la matière d'échan- ge abandonne dans le jus une quantité correspondante de ions H qui abaissent le pH du jus, par formation d'une quantité corres- pondante d'acide.
Le jus qui est passé par le lit C et a été par conséquent libéré de ses cations, de même que des dites matières organiques, quoiqu'acidifié, passe alors par la canalisation 11, puis tra- verse de haut en bas un lit A de matière d'Échange d'anions contenu dans un récipient 12. Ce lit adsorbe l'acide du jus, en ramenant ce jus à la réaction neutre. Les impuretés organiques, comme par exemple l'acide aconitique, les substances colorantes et les colloïdes sont également séparées du jus, par l'action de ce lit. Une solution de sucre purifiée, c'est-à-dire pratiquement pure et décolorée, constitue le liquide qui sort du lit par la canalisation 13.
On a représenté des vannes de commande d'entrée et de sortie 14 et 15 respectivement, pour la commande du réci- pient d'échange de cations, ainsi que des vannes de contrôle d'entrée et de sortie 16 et 17 pour le récipient d'échange d'anions.
Les lits C et A de la figure 1 atteindront à un moment donné
<Desc/Clms Page number 15>
un degré de saturation ou d'épuisement. La solution sucrée rési- duelle encore contenue dans les lits peut alors être déplacée hors de ceux-ci par l'action d'un courant d'eau traversant ces lits de haut en bas. On a représenté des liaisons commandées par vannes entre les récipients, pour indiquer cette fonction, et montrer que l'eau de lavage ou de rinçage peut traverser les lits de matière d'échange soit de bas en haut, soit de haut en bas.
Des canalisations 18 et 19 sont prévues sur le récipient d'échan- ge de cations 10, comportant des vannes de commande 20 et 21 res- pectivement, et des canalisations 22 et 23 sont prévues sur le récipient d'échange d'anions 12, comportant des vannes de con- trôle 24 et 25 respectivement.
Après leur saturation ou épuisement, les lits sont habi- tuellement débarrassés des matières en phase solide par un cou- rant ascendant d'eau de lavage qui les traverse à une vitesse suffisamment grande pour faire gonfler le lit de fanon que ses particules ou granules deviennent suffisamment libres ou suspen- dues pour permettre aux matières en phase solide d'être expulsées de ce lit. Le lit nettoyé est alors abandonné au repos, après quoi il est prêt pour le traitement régénérateur auxiliaire in- diqué dans les figures 2 et 3.
La figure 2 représente des récipients SI et S2 pour la solu- tion usée, contenant la solution régénératrice alcaline usée ob- tenue dans une opération précédente de régénération de matière d'échange d'anions. Le récipient SI contient une première frac- tion de liqueur régénératrice usée contenant des ions Na, mais pratiquement exempte d'alcali non usé, alors que le récipient S2 contient une seconde fraction de liqueur usée, contenant une certaine quantité d'alcali non usé. Les contenus de ces deux ré- cipients traversent successivement le lit C épuisé.
Dans la figure 2, une pompe 26 aspire la liqueur usée hors du récipient SI, en la faisant passer par une vanne de commande de sortie 27
<Desc/Clms Page number 16>
prévue sur un conduit d'évacuation 28 qui aboutit à un collecteur de sortie 29, après quoi la pompe refoule la solution par l'in- termédiaire d'une canalisation 30 et d'une vanne de commande d'entrée 31, jusque la partie supérieure du lit C.
En traversant ce lit, les ions Na ou NH4+ contenus dans la liqueur se substi- tuent aux ions Ca recueillis dans le lit, les ions Ca étant ainsi abandonnés par le lit pour passer dans la solution et être éva- cués avec celle-ci, depuis le fond du lit, en passant par la vanne de commande 32 montée sur une canalisation de sortie 33. La figure 2 représente donc le récipient SI en partie vidé et le récipient S2 toujours plein.
La figure 3 représente une phase plus avancée de ce traite- ment régénérateur auxiliaire du lit d'échange de cations C. Le récipient SI est vide, et le contenu du récipient S2 s'écoule par une vanne de commande de sortie 34, montée sur une canalisa- tion de départ 35. Attendu que le contenu de ce dernier réci- pient contient une certaine quantité d'alcali non usé, tel que Na2CO3, celui-ci extraira- ou déplacera du lit les matières or- ganiques ou azotées qui, par suite apparaîtront dans le liquide qui sort du fond du lit.
De cette manière, le lit C est laissé éventuellement saturé de cations seulement, quoique pratiquement exempt d'ions Ca, et par suite prêt à être soumis à une régénéra- tion efficace et non contrariée, par le H2SO4 contenu dans un ré- cipient Tl, passant par une vanne de commande 35a et une canali- sation 35b qui le conduit au récipient d'échange de cations 10, la solution usée passant depuis le fond du lit jusque dans une canalisation de sortie 33.
Le lit A ayant été débarrassé par la- vage de la solution sucrée, puis lavé en sens inverse au moyen d'un courant d'eau ascendant, estdirectement prêt à la régéné- ration au moyen d'une solution de Na2CO3 provenant d'un récipient d'alimentation T2 en passant par une vanne de commande d'entrée 36 montée sur une canalisation 37 qui aboutit à la partie supé-
<Desc/Clms Page number 17>
rieure du lit A. En passant à travers le lit, les ions OH de la solution régénératrice déplacent les anions (chlorures, sulfates, etc.) provenant de la matière d'échange d'anions, formant ainsi du Na et d'autres sels ou composés qui seront évacués par le courant de solution usée sortant du fond du lit.
Ainsi, et comme le montre la figure 4, une solution pratique- ment épuisée complètement, mais qui contient une certaine quantité d'ions Na sous une concentration convenable, s'écoule par une vanne de commande de sortie 38 appartenant à une canalisation d'évacuation 39, puis passe par une vanne de commande d'entrée 40 montée sur une canalisation d'entrée 41, pour parvenir jusque dans le récipient SI qui est ainsi montré partiellement rempli.
Quand le récipient T2 contenant la réserve d'alcali est vide, le lit A est imprègne de solution résiduelle, laquelle est alors déplacée par de l'eau de rinçage qui arrive à la partie supérieure du lit par la canalisation d'eau 22.
Lorsque la permutation entre les fractions de liquide effluent doit être faite, on ferme la vanne d'entrée 40 du réci- pient SI, si bien que la solution qui sort du lit,, et qui se trouve sous une certaine pression, s'élève par la portion incli- née ou col de cygne G1 de la canalisation 39 qui est mise à l'air libre en 42, et continue d'avancer jusque dans le récipient S2, en passant par une vanne de commande d'entrée 43 montée sur une canalisation d'admission 44, jusqu'à ce que le récipient S2 soit également rempli d'une solution contenant de l'alcali non usé.
Si l'on continue à faire couler de l'eau de lavage à travers le lit A, pendant que l'admission au récipient S2 est fermée, le liquide en excès qui s'écoule sous une pression suffisante passe- ra par un col de cygne G2 pour être évacué plus loin; 45 désigne un évent sur la canalisation en question.
La régénération du lit C est due à une solution de H2SO4 provenant d'un récipient d'alimentation Tl en passant par une vanne de commande 35a et, conformément aux figures 4 et 5, on
<Desc/Clms Page number 18>
voit qu'il est possible de procéder simultanément à la régénéra- tion du lit A, comme on l'a indiqué par l'abaissement simultané du niveau dans les deux récipients d'alimentation Tl et T2, con- tenant respectivement le H2SO4 et le Na2CO3.
La façon de fractionner la liqueur régénératrice d'anions usée, par exemple au moyen des récipients SI et S2, est d'autre part déterminée par le fait que les anions adsorbés par le lit d'échange d'anions peuvent contenir une proportion appréciable d'ions SO4 qui, normalement, apparaît relativement tard dans la liqueur régénératrice usée qui sort du lit d'anions. En consé- quence, la première fraction qui sort devrait être pratiquement exempte de SO4, de façon à éviter une réaction avec le Ca, et la précipitation de CaSO. dans le lit d'échange de cations épuisé.
La permutation entre les fractions doit en conséquence être faite en permettant à la première fraction de s'écouler dans le réci- pient SI seulement aussi longtemps que celle-ci sort du lit de cations à l'état pratiquement exempt de SO4.
Par exemple dans du jus de canne, 15-30% des anions (voir le tableau ci-dessous) ont été trouvés être du SO4, représentant en eux-mêmes une concentration en SO4 susceptible de causer la prc cipitation de CaSO4 dans le lit d'échange de cations. Toutefois, le SO4 apparaît relativement tard dans la phase de régénération, et offre ainsi l'opportunité de séparer une quantité suffisante de liqueur libre de SO4, dans le premier récipient SI, avant que le SO4 y apparaisse en quantité appréciable. La fraction subsé- quente de la liqueur, contenant du SO4, c'est-à-dire un excès de produit chimique régénérateur en solution, doit être dirigée dans le second récipient S2.
En conséquence, le contenu du récipient m sera pompé tout d'abord, et passera à travers le lit épuisé d'é- change de cations, afin de séparer la plus grande quantité possi- ble de Ca, après quoi le contenu du récipient S2 sera lui-même pompé à travers le lit,pour donner 1' alcalinité (produit chimi- que régénérateur en excès) requise pour-éliminer les impuretés
<Desc/Clms Page number 19>
colorantes et les autres matières non ionisées et organiques.
Spécialement lorsqu'on fait usage de NH4OH ou de NaOH comme produit chimique régénérateur, les constituants critiques dans le liquide sortant sont extraits du lit d'échange d'anions dans l'ordre où ils sont nécessaires dans le lit épuisé d'échange passer de cations; ainsi, on propose de faire/directement le liquide de- puis le lit d'échange d'anions jusqu'à travers le lit épuisé d'échange de cations, c'est-à-dire sans l'intermédiaire des ré- cipients de fractionnement SI et S2. La figure 6 représente une telle variante.
Dans cette figure 6, une solution régénératrice d'alcali,par exemple NH4OH ou NaOH, passe de haut en bas à travers le lit A d'une matière d'échange d'anions, sort à la base du lit par la vanne 38, la canalisation 47, une vanne de commande 46, une cana- lisation 48, une pompe 26, une canalisation 30, et parvient di- rectement à la partie supérieure du récipient 10. Cette solution traverse alors le lit C de matière d'échange de cations et sort à la base de ce lit, en passant par la vanne de commande 32 et la canalisation d'évacuation 33.
On notera que la disposition des tuyauteries, dans la figure 6, diffère de celle des autres figures en ce que la canalisation 39 des récipients SI et S2 comporte une vanne 49 de commande ou d'arrêt, et part d'un point P1 de la canalisation 47, alors que la canalisation de sortie 29 est pourvue d'une vanne de commande ou d'arrêt 50, et conduit dans la canalisation 48, en un point P2 de celle-ci. Les vannes 49 et 50 sont fermées, et isolent donc les récipients de fraction- nement SI et S2, durant le fonctionnement du dispositif de la manière indiquée dans la figure 6.
Lorsque l'on traite du jus brut de sucre de betterave, on y trouvera seulement une quantité relativement très faible de Ca.
Dans ce cas, le butde l'emploi d'une solution régénératrice effluente- d'anions sera d'éliminer les matières organiques colo- rantes ou influençant le goût, hors du lit épuisé de matière
<Desc/Clms Page number 20>
d'échange de cations.
Certains liquides sucrés contiennent des matières organiques qui donnent une saveur indésirable au jus, lorsque celui-ci -est concentré à un degré Brix élevé après avoir été soumis à l'échan- ge de cations et d'anions. Certaines de ces substances organiques semblent également développer la coloration dans le jus concen- tré, soit durant sa concentration, soit durant le manasinage du sirop concentré.
ANALYSES DES CENDRES DE JUS DE CANNE
SUCRE D'HAWAI SUCRE d'ARGENTINE
EMI20.1
<tb> Consti- <SEP> % <SEP> Equiva- <SEP> % <SEP> % <SEP> Equiva- <SEP> %
<tb>
<tb>
<tb> tuant <SEP> en <SEP> lent <SEP> p. <SEP> Equiva- <SEP> en <SEP> lent <SEP> p. <SEP> Equiva-
<tb>
<tb>
<tb> poids <SEP> 100 <SEP> gr. <SEP> lent <SEP> poids <SEP> 100 <SEP> gr. <SEP> lent
<tb>
<tb>
<tb> de <SEP> total <SEP> de <SEP> total
<tb>
<tb> cendres <SEP> cendres
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Cations
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> K2O <SEP> 30.2 <SEP> .641 <SEP> 40.2 <SEP> 40.0 <SEP> .350 <SEP> 55.7
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Na2O <SEP> . <SEP> 9 <SEP> .029 <SEP> 1.8 <SEP> 2. <SEP> 0 <SEP> .065 <SEP> 4. <SEP> 3
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> CaO <SEP> 13.9 <SEP> .496 <SEP> 31.
<SEP> 1 <SEP> 8.5 <SEP> .304 <SEP> 20.0
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> MgO <SEP> 6 <SEP> .1 <SEP> .305 <SEP> 19.1 <SEP> 2.0 <SEP> .100 <SEP> 6.6
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> R2O3 <SEP> 2.6 <SEP> . <SEP> 124 <SEP> 7. <SEP> 8 <SEP> 4.3 <SEP> .205 <SEP> 13.4
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Total <SEP> 1. <SEP> 595 <SEP> 1.524
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Anions
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> SO3 <SEP> 17. <SEP> 1 <SEP> .427 <SEP> 26.8 <SEP> 10.7 <SEP> .267 <SEP> 16.3
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> C1 <SEP> 16.2 <SEP> .456 <SEP> 28.6 <SEP> 8.1 <SEP> .228 <SEP> 13.9
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> P2O5 <SEP> 2.2 <SEP> .093 <SEP> 5. <SEP> 8 <SEP> 1. <SEP> 0 <SEP> . <SEP> 042 <SEP> 2. <SEP> 6
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> C02 <SEP> 10. <SEP> 4 <SEP> .472 <SEP> 29. <SEP> 6 <SEP> 21.1+ <SEP> .960 <SEP> 58.
<SEP> 8
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Si <SEP> 0 <SEP> 2 <SEP> ' <SEP> 4.4 <SEP> .147 <SEP> 9.2 <SEP> 4.1 <SEP> .157 <SEP> 8.4
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Total <SEP> 104.0 <SEP> 1.595 <SEP> 101.8 <SEP> 1.634
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0 <SEP> - <SEP> Cl <SEP> 3.7 <SEP> 1.8
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 100.3 <SEP> 100. <SEP> 0
<tb>
+ par différence.