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Nouveau Dispositifde distillation.
(Inventeur: Monsieur Jean , Louis POIZAT)
L'invention concerne un nouveau dispositif perfection- né pour la distillation ou la rectification de corps liquides, et plus particulièrement une colonne à distiller du type à remplissage.
Les colonnes à remplissage sont garnies de matériaux destinés à provoquer un contact de la vapeur ascendante avec le liquide refluant. Les remplissages les plus courants sont constitués par des billes ou des anneaux de verre, de grès, de porcelaine, métalliques, etc. qui sont le plus simplement empilés les uns sur les autres.
L'efficacité des colonnes à remplissage est fonction, toutes choses égales par ailleurs, de la surface du matériau
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de remplissage. Pour augmenter celle-ci, on a utilisé divers artifices : c'est ainsi qu'on a remplacé les billes par des anneaux (anneaux de Raschig) ou utilisé des pièces tordues sur elles-mêmes ou plus ou moins contournées - (anneaux Prym), etc.
Pour un même matériau, la colonne est aussi d'autant plus efficace qu'elle est plus haute; on est par suite amené à augmenter de façon considérable la taille des colonnes quand on doit, comme c'est souvent le cas dans l'industrie, séparer des substances ayant des points d'ébullition très rapprochés les uns des autres. Le problème est particulièrement aigu dans diverses industries, telles que celles des carburants, les industries chimiques organiques, etc. Dans la parfumerie, en particulier, le problème se pose parfois d'éliminer des impuretés pouvant exister -en quantité extrêmement faible, de l'ordre du million- ième par exemple, dans un corps qu'il s'agit de purifier, ces impuretés ne pouvant pas être séparées chimiquement, mais suf- fisant à fausser l'odeur du corps qui les contient.
Le problème peut souvent être résolu par l'emploi d'une très haute colonne, mais une augmentation démesurée de la taille des colonnes, constitue une difficulté technique et économique sérieuse.
Il a maintenant ététrouvé, et c'est ce qui constitue l'objet de la présente invention, que l'on peut disposer faci- lement de colonnes à distiller d'un pouvoir séparateur consi- dérablement plus élevé que celui des colonnes à distiller ac- tuellement connues, en remplissant une colonne à distiller ordinaire par un empilage de corps poreux perméables aux li- quides, dont les pores ont un rayon moyen supérieur à 0,001 mm. et de préférence compris entre 0,001 et 1 mm.
Un tel résultat est surprenant et contredit la litté- rature antérieure. Il est par exemple dit dans Angewandte Chemie 1947, p. 179: "Les matériaux poreux ne conviennent pas pour le
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remplissage des colonnes à distiller, car en raison de leur fort pouvoir capillaire, ils soustraient le liquide à l'action des vapeurs!,.
Comme corps poreux perméables aux liquides, utilisables dans la présente invention, on peut citer, en particulier, les pierres poreuses utilisées pour la filtration des réactifs acides ou alcalins, le quartz aggloméré par fusion partielle à haute température, qui constituent des matériaux particulièrement bon marché et résistants, les métaux ou toutes autres substances agglomérables par compression, fusion partielle, frittage, etc., des matériaux fibreux tels que l'amiante, des fibres cellulo- siques etc.
A travers des corps poreux de cette nature, dont les pores ont des dimensions dans l'intervalle défini plus haut, la diffusion de liquides tels que l'eau s'effectue presque ins- tantanément et d'autant plus vite évidemment que les pores sont plus grands, ce qui peut constituer un test commode quoique non obligatoirement exclusif pour le choix rapide de matériaux appropriés. Il est à noter que des corps comme la pierre ponce ou le coke qui sont parfois désignés comme corps poreux, ne conviennent pas aux buts de la présente invention. Cela tient au fait que les alvéoles qu'ils comportent ne communiquent pas entre elles; ils ne sont donc pas perméables aux liquides.
Les corps poreux utilisés selon la présente invention ne peuvent pas être simplement bourrés jointivement pour garnir la colonne, car ils ne permettraient pas alors le passage simul- tané en sens inverses du liquide et de la vapeur. Ils sont uti- lisés le plus généralement sous forme de blocs, d'agglomérats, de paquets de fibres, etc., constituant ainsi des "éléments poreux" de dimensions variables, comparables, par exemple, à celles des matériaux de remplissage employés jusqu'à présent dans les colonnes à distiller industrielles.
L'efficacité d'une colonne à remplisssage par éléments @
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poreux est, toutes choses égales par ailleurs, d'autant plus grande que les éléments poreux sont plus petits, de même que l'efficacité d'une colonne à anneaux de Raschig est aussi d'autant plus grande que les anneaux sont plus petits.
Un inconvénient bien connu des colonnes à remplis- sage ordinaires réside dans le fait que leur efficacité est maxima quand elles travaillent au voisinage de leur limite d'engorgement, c'est-à-dire que la séparation la plus poussée s'obtient pour le taux de rétrogradation le plus élevé possi- ble, ce qui entraîne le risque permanent d'engorgement et une perte de charge considérable. Si l'on examine, en effet, une colonne à remplissage ordinaire en cours de fonctionnement, on constate qu'une forte proportion du liquide rétrogradé, au lieu de cheminer à travers les éléments de remplissage où il offrirait aux vapeurs ascendantes le maximum de surface de contact, ruisselle simplement le long des parois de la colonne où il est pratiquement soustrait à tout travail utile.
Pour obtenir une séparation suffisante, c'est-à-dire un échange ef- ficace entre la vapeur ascendante et le liquide rétrogradé, il faut donc travailler avec le taux de rétrogradation le plus élevé possible et se tenir le plus près possible de la li- mite d'engorgement, ce qui, comme déjà dit, n'est ni sans inconvénient ni sans danger dans le domaine industriel.
Au contraire, il ne se produit rien de semblable avec les colonnes à remplissage en corps poreux, Si l'on observe une telle colonne en cours de fonctionnement, même avec une rétrogradation active, on constate que les parois de la colonne sont absolument sèches. Le corps poreux pompe par capillarité le liquide qui pourrait ruisseler le long des parois et, l'attirant dans sa masse, le répartit à sa surface, c'est-à-dire là où l'échange entre le liquide et la vapeur-est le plus efficace.
On conçoit dès lors qu'une colonne ainsi équipée puisse fonc-
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tionner dans d'excellentes conditions, même sous l'effet de faibles arrosages de liquide.
Les colonnes ainsi constituées peuvent être utilisées au laboratoire, aussi bien que dans les industries les plus diverses, particulièrement dans la grande industrie chimique organique, les distilleries d'alcool, la parfumerie, les indus- tries de la distillation des pétroles et essences naturelles ou synthétiques, etc.
Les exemples suivants donnés à titre indicatif et non limitatif pour illustrer la présente invention mettent en évidence les avantages des colonnes à remplissage par corps poreux sur les colonnes classiques à plateaux ou à remplissage.
Exemple 1-
Cet exemple est destiné à comparer l'efficacité d'une colonne à corps poreux à celle d'une colonne ordinaire à Raschigs de verre dans l'exemple classique d'une distillation d'acide acétique dilué.
Sur un ballon de 1 litre on monte une colonne de 40 mm de diamètre garnie sur une hauteur de 800 mm de morceaux de -pierre poreuse de 8 à 12 mm, constituée par du quartz aggloméré par frittage. La colonne est munie d'un analyseur total avec un robinet permettant de régler la vitesse de distillation.
On charge dans le ballon 500 cm3 d'acide acétique aqueux renfermant 10% d'acide acétique et règle le chauffage de façon à distiller 300 g à l'heure (1300 calories par dm2 de. section de la colonne).
On règle ensuite le robinet de l'analyseur de façon à réduire la vitesse de distillation à 60 g à l'heure (taux de rétrogradation = 4). Le distillat renferme alors 1,25% d'acide acétique, ce qui correspond à une efficacité théorique de 7 plateaux environ.
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En réduisant la vitesse de distillation à 15 g/heure (taux de rétrogradation = 20 environ), le titre en acide du distillat s'abaisse à 0,55% (efficacité 9 plateaux).
Si l'on remplace alors les morceaux de pierre poreuse par des anneaux de Raschig en verre de 10 mm et recommence l'es- sai dans les mêmes conditions au taux de rétrogradation de 4. la teneur du distillat en acide acétique est de 4.3% (efficacité 2 plateaux). Au taux de rétrogradation de 20, la teneur ne s'abaisse qu'à 4,1% (efficacité 2 plateaux environ).
Si l'on charge la colonne avec des pierres poreuses de 4-6 mm ou avec des anneaux de Raschig en verre de 5 mm, l'ef- ficacité de la colonne se trouve augmentée dans les deux cas, et le tableau suivant permet de comparer les résultats :
EMI6.1
<tb> Pierres <SEP> poreuses <SEP> Anneaux <SEP> de <SEP> Raschig
<tb> 4-6 <SEP> mm <SEP> 5 <SEP> mm
<tb>
<tb>
<tb> Taux <SEP> de <SEP> rétrograda- <SEP> 4 <SEP> 20 <SEP> 4 <SEP> 20
<tb> tion
<tb> Acide <SEP> acétique <SEP> ' <SEP>
<tb> dans <SEP> le <SEP> distillât <SEP> 0,024% <SEP> 0.0036% <SEP> 3,3 <SEP> % <SEP> 2,9
<tb> Efficacité <SEP> (en <SEP> nom-
<tb> 1 <SEP> bre <SEP> de <SEP> plateaux <SEP> 23 <SEP> 27
<tb> théoriques)
<tb>
Il ressort de cet exemple que la colonne à grains poreux est environ 6 fois plus efficace dans ce cas que la colonne à anneaux de Raschig ordinaire.
Autrement dit, une colonne à anneaux de Raschig peut être remplacée par une colonne de même diamètre, garnie de grains poreux de même grosseur que les anneaux et 6 fois moins haute.
Exemple 2 -
On coupe un cordon d'amiante tressé de 10 mm de diamètre en morceaux de 10 mm de long, et garnit avec ce.matériau une colonne identique à celle employée dans l'exemple 1.
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En distillant dans les mènes conditions un acide acé- tique dilué titrant 10% d'acide acétique, au taux de rétro- gradation de 20, le distillat ne titre en acide que 0,1%, ce qui correspond à un pouvoir séparateur de 15 plateaux théoriques.
Au taux de rétrogradation de 4, le distillat ne titre, en acide, que 0,24%, ce qui correspond à un pouvoir séparateur de 14 plateaux théoriques.
Exemple 3 -
On compare dans cet exemple l'efficacité d'une colonne à grains poreux à celle d'une colonne à anneaux de Raschig dans le cas de la distillation d'un mélange de mono-, di- et tri- éthylamine. On sait en effet combien il est difficile de séparer efficacement ces trois bases organiques dans un appareil à rec- tifier industriel de type courant.
Avec une colonne de 50 mm de diamètre montée sur un ballon de 10 litres, et garnie intérieurement sur une hauteur de 950 mm de pierres poreuses constituées par du quartz fritté ayant passé entre les tamis 8 et 14 mm de maille, on rectifie à la vitesse de 500 cm3/heure, et avec un taux de rétrograda- tion de 5 à 6, un mélange d'éthylamines brutes provenant d'une opération industrielle.
On effectue, d'autre part, la rectification du même mélange dans un appareil identique, mais rempli d'anneaux Raschig de verre de 8 mm.
Le tableau suivant, qui donne en % de la quantité chargée les quantités de mono-, di- et triéthylamines et des fractions intermédiaires récupérées, montre que la colonne à rem- plissage en corps poreux conduit à des fractions intermédiaires moins abondantes, et à des quantités de corps purs supérieurs à celles isolées avec la colonne à anneaux de Raschig.
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EMI8.1
<tb>
Anneaux <SEP> de <SEP> Raschig <SEP> Pierres <SEP> poreuses
<tb>
EMI8.2
Ifonoéthy1amine 11,7 15,8
EMI8.3
<tb> Fraction <SEP> intermédiaire <SEP> 14,9 <SEP> 9,5
<tb> Diéthylamine <SEP> 30,9 <SEP> 34,9
<tb> Fraction <SEP> intermédiaire <SEP> 11,2 <SEP> 9,3
<tb> Triéthylamine <SEP> 14,6 <SEP> 24,7
<tb> Queues <SEP> 9,2 <SEP> 1,6
<tb> Résidu <SEP> et <SEP> pertes <SEP> 7, <SEP> 5 <SEP> 4,2
<tb>
Exemple 4-
Cet essai concerne une rectification de méthylchloro- silanes.
On sait que les divers méthylchlorosilanes ont des points d'ébullition très voisins les uns des autres et que leur séparation ou rectification nécessite, soit de recourir à des artifices tels que la transformation chimique en dérivés plus aisément séparables, soit d'utiliser des colonnes à pouvoir séparateur élevé, à grand nombre de plateaux.
On rectifie comparativement 65 parties d'un mélange brut de méthylchlorosilanes contenant principalement du mono- méthyltrichlorosilane d'une part, dans une colonne de 10 cm de diamètre et 7,80 m de haut à 49 plateaux, d'autre part, dans une colonne de même diamètre et de 3 m seulement de hauteur, garnie de grains poreux de quartz.
Pour la même vitesse de distillation de 1 litre par
EMI8.4
heure, il faut, pour,retirer 22,5 parties de mono11lé thyl trichlo- rosilane passant à 66 , un taux de rétrogradation de 35 avec la colonne à plateaux, alors que le même résultat est obtenu avec un taux de rétrogradation de 11,5 seulement avec la petite' colonne à corps poreux.
Dans ces conditions, alors que la colonne à plateaux travaille au voisinage de sa limite d'engorgement et qu'il faut enlever à l'analyseur monte en haut de la colonne 2300 calories par heure, la quantité de chaleur à absorber dans @
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l'analyseur de la colonne à corps poreux n'est que de 800 calories par heure.
On obtient donc ici, grâce à la colonne à corps poreux, un résultat aussi bon dans une colonne deux fois moins haute et avec un régime de marche beaucoup plus facile à maintenir.
RESUME
L'invention concerne un nouveau dispositif de dis- tillation constitué par une colonne ordinaire garnie de norceaux, blocs, etc., d'une substance poreuse perméable aux liquides, dont les pores ont un rayon moyen supérieur à 0,001 mm et de préférence compris entre 0,001 et 1 mm.