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PERFECTIONNEMENT RELATIF A UN PROCEDE ET A UN APPAREIL PERMETTANT D'EFFECTUER LA SEPARATION DE MATIERES PAR DIFFUSION THERMIQUE CONTINUE DE LIQUIDES.
La présente invention se rapporte à un procédé et à un appareil servant à séparer des matières dissemblables contenues dans un liquide par diffusion thermique continue du liquide.
Dans un procédé de diffusion thermique continue d'un liquide, on fait passer un mince courant de liquide à travers une chambre délimitée par des parois étroitement espacées. Les parois sont maintenues à des températures différentes, l'une étant plus élevée que l'autre, d'où il s'ensuit qu'une différence de température est maintenue dans le courant mince de liquide contenu dans la chambre.
Par suite du chauffage de la partie du liquide avoisinant la paroi ayant la température relativement plus élevée, que l'on appellera plus simplement "paroi chaude", et par suite du refroi- dissement du liquide avoisinant la paroi maintenue à la température relativement plus basse que l'on appellera plus simplement "paroi froide", il s'établït une circulation thermique dans laquelle le liquide avoisinant la paroi chaude s'élève dans la chambre et le liquide avoisinant la paroi froide descend.
Cette circulation thermique détermine une circulation à contrecourant dans la chambre. L'effet de diffusion thermique créé par la différence de température engendrée dans le liquide contenu dans la chambre sert à déplacer l'un des composants du liquide ou contenu dans ce dernier, vers la paroi froide et l'autre vers la paroi chaude, d'où il s'ensuit que les deux courants circulant à contre-courant dans la chambre sont chacun enrichis de l'un des composants ou de l'autre.
Le déplacement moléculaire dans le liquide contenu dans la chambre et le déplacement du liquide vers le haut, le long de la paroi chaude, et vers le bas, le long de la paroi froide, par suite de la circulation thermi- que coopèrent pour concentrer le liquide enrichi de l'un des composants à la partie supérieure de la chambre et pour concentrer le liquide enrichi de l'autre composant à la partie inférieure de la chambre.
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Lors de la mise en oeuvre d'un tel procédé, le taux d'alimen- tation en liquide dans la chambre ne doit pas être tel qu'il gêne la circu lation laminaire des courants circulant à contre-courant dans la chambre et qu'il favorise leur mélange . '
La caractéristique saillante de la présente invention réside dans le fait de prévoir une membrane perméable aux liquides, entre les parois chaude et froide constituant la chambre, Oette mombrane permet de faire circuler de force le liquide dans la chambre dans des proportions beaucoup plus grandes, sans gêner le déplacement des composants à séparer, de l'un des cotés vers l'autre, par suite de l'effet de diffusion thermique et, en outre, sans entraîner le mélange physique des courants liquides enriohis.
La membrane perméable sert, apparemment, à entraver la circulation globale entre les parois chaude et froide ou le mélange physique des courants au voisinage de ces parois, tout en permettant aux composants des courants de passer librement à travers ses pores et de produire ainsi une séparation des composants ou matières dissemblables, contenus dans le liquide initial par diffusion thermique continue.
On utilise l'expression "matiéres dissemblables" dans un sens large dans le présent mémoire descriptif et dans le résumé annexé pour désigner deux ou plusieurs composants d'un mélange à l'état liquide ou liquéfiable, des matières différentes contenues dans un liquide ou dissoutes dans un solvant commun ainsi qu'un solvant ou un solutum.
A titre d'exemple, de telles matières dissemblables, on cite des composants d'indices de viscosité différents contenus dans une huile de graissage , des iiydro-carbures isomères, des huiles grasses comportant des esters de glycéride d'acides gras de poids moléculaires et de saturation différents, des mélanges d'hormones,des virus, des antibiotiques, etc..., un mélange azéotropique d'alcool benzylique et d'éthylène glycol, les vitamines actives et les substances ne comportant pas de vitamines actives dissoutes dans de l'huile de poisson, etc... La différence entre les matières dissemblables peut être extrêmement minime. Ainsi, par exemple, elles peuvent avoir la même formule empirique mais différer légèrement en structure ou en poids moléculaire.
Le terme "séparation" tel qu'on l'utilise ici est destiné à englober non seulement la séparation dans le sens ordinaire du mot mais également la rectification, la concentration, l'enrichissement et la purification.
Ainsi, par exemple, la "séparation de matières dissemblables" englobe; la séparation des produits du pétrole, la séparation de l'alcool benzylique et de l'éthylène glycol d'avec un mélange azéotropique de ces derniers en deux fractions, dont l'une est plus riche en alcool benzylique et dont l'autre est plas riche en éthylène glycol que le mélange initiale la concentration ou l'enrichissement de vitamines actives à partir d'un mélange de composants ordinairement inséparables, dont l'un peut avoir une certaine activité vitaminique et l'autre ne pas avoir une telle activité; la séparemion ou la concentration d'antibiotiques et d'autres produits biologiques en contenant; la séparation ou la concentration de virus;
la sépara tion d'huiles, de graisses et de cires végétales en des composants dont les degrés de non saturation, de point de fusion et d'indices de réfraction sont différents; enfin, la séparation d'huile de graissage en fraction ayant des indices de viscosité différents, etc...
En général, l'appareil objet de la présente invention comporte au moins deux parois fixes (imperméables aux liquides, en matière conductrice de la chaleur, dont les faces opposées sont lisses, essentiellement parallèles et étroitement espacées pour former une chambre sensiblement uniforme et étroite) ainsi qu'une membrane perméable aux liquides, située dans la chambre., cette membrane étant placée entre les parois, espacée des (et sensiblement parallèle aux) faces des parois formant la chambre pour diviser la chambre
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étroite en deux espaces encore plus étroits, formés de part et d'autre de la membrane
Au moins l'une des parois est munie d'un dispositif de trans- mission de chaleur capable de maintenir une différence de température entre les faces formant la chambre.
De plus, on prévoit un ou plusieurs orifices d'admission et au moins deux orifices d'extraction pour permettre l'intro- duction continue du liquide à soumettre à la ctiffusion thermique et pour permettre l'extraction cmtinue des matières séparées par cemoyen, au moins l'un des orifices d'extraction se trouvant sur l'autrè côté de la membrane par rapport à un orifice d'admission.
Afin de faciliter la compréhension de l'appareil et du procédé objet de la présente invention et des résultats qu'ils permettent d'obtenir on va les décrire en se référant au dessin annexé, sur lequel : la fig. 1 est une vue schématique, en coupe transversale, de l'appareil objet de la présente invention; la fig. 2 est une vue partiellement éclatée, en perspective, du mode de réalisation de l'appareil représenté schématiquement sur la fig. 1; les figs. 3 à 17 sont des représentations schématiques, s'ex- pliquant d'elles-mêmes, de modes de circulation typiques et efficaces; les figs. 18 à 27 sont des représentations schématiques de la mise en oeuvre du procédé et de l'appareil, objet de la présente invention sous diverses conditions;
enfin, les figs. 28 et 29 sont des vues schématiques en coupe transversale, d'autres modes de réalisation typiques conformes à l'invention,.
L'appareil, représenté à titre d'exemple sur les fig. 1 et 2, comprend deux plaques ou paroi 10 et 11 rectangulaires, imperméables aux li- quides, en matière conductrice de la chaleur, deux joints 12 et 14, et une membrane 16 perméable aux liquides. La face 17 (non visible sur la fig. 2) de la plaque ou paroi 10 est lisse et plane et comporte aux extrémités supé- rieure et inférieure de la plaque ou près de ces extrémités, des orifices 19 et 20 qui communiquent respectivement avec des canalisations 21 et 22.
La face 24 de la plaque ou paroi 11 est, de même, lisse et plane et comporte également des orifices 26 et 27, semblables aux orifices 19 et 20 qui com- muniquent avec des canalisations 29 et 30. La plaque 11 est munie d'une chemise de chauffage 31 alimentée par un agent de chauffage entrant par une canalisation 32 et sortant par une canalisation 34. L'autre plaque 10 peut, de façon similaire, être munie d'une chemise de refroidissement 36 alimentee par un agent de refroidissement pénétrant par une canalisation 37 et sortant par une canalisation 39. Il entre dans la portée de l'invention de prévoir d'autres orifices, tels que des orifices 40, en d'autres endroits des parois 10 et 11, ou au voisinage de celles-ci.
L'appareil représenté schématiquement sur la fig. 28 est, en sub- stance, similaire à celui représenté sur les figs. 1 et 2, la seule différence résidant dans le fait qu'il comporte deux chambres de diffusion thermique, dont les parois chaudes 11a et 11b sont disposées dos à dos et chauffées au moyen d'une ou de plusieurs résistances électriques 41 et que les membranes perméables 16a et 16b sont supportées par des bandes 42 constituant des éléments d'écartement ou éléments analogues qui les immobilisent contre tout déplacement latéral.
Les pièces de l'appareil représenté sur la fig. 28, semblables aux pièces correspondantes de l'appareil des figs. 1 et 2, sont indiquées par les mêmes références.
L'appareil représenté schématiquement sur la fig. 29 est un mode de réalisation dans lequel les surfaces formant la chambre sont de forme tubu- laire. L'appareil représenté comprend une enveloppe 44 contenant un ou plu- sieurs jeux de tubes concentriques 46 et 47. Les tubes intérieurs 46 sont supportés par des plaques 48 et 49 et les tubes extérieurs sont supportés
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par des plaques 50 et 51-
Dans la chambre annulaire formée par la paroi extérieure du tube intérieur 46 et la paroi intérieure du tube extérieur 47, une membrane perméable 52 est supportée par une matière filtrante 54 ou matière analogue qui l'immobilise contre tout déplacement latéral.
Des orifices d'admission et d'extraction communiquant avec la chambre annulaire sur l'un des côtés ou sur l'autre de la membrane perméable 52, sont constitués par des plaques déflectrices 56 et 57 comportant des rebords 59 et 60 s'étendant respectivement vers le bas et vers le haut et par des canalisations 61, 62, 64 et 66 qui communiquent avec les espaces ménagés entre les plaques 48 et 56, 50 et 56, 51 et 57, et 49 et 57.
Un fluide de chauffage ou de refroidissement pour chauffer ou refroidir les tubes intérieurs 46 peut être introduit dans l'appareil ou en être extrait au moyen de canalisations 67 et 69 et un fluide de refroidissement ou de chauffage pour refroidir ou chauffer les tubes extérieurs 47 peut circuler dans l'appareil au moyen des canalisations 70 et 71.
Les parois peuvent être en toute matière appropriée, telle que de l'acier inoxydable, du cuivre,de 1-'aluminium, du verre, du laiton ou autres alliages, c'est-à-dire une matière imperméable aux liquides, conductrice de la chaleur et ne réagissant pas avec les matières à séparer. Les faces des parois opposées, formant la chambre, sont écartées l'une de l'autre au moyen d'éléments d'écartement on analogues, d'une distance atteignant jusqu'à 3,810 mm.
Théoriquement, il n'y a aucun espace minimum ou épaisseur de chambre entre les faces de parois opposées mais, en pratique, il est difficile de fabriquer les parois et la membrane intermédiaire avec des tolérances suffisamment étroites pour obtenir des intervalles entre les deux faces de la membrane et les faces de parois respectivement voisines sans écarter l'une de l'autre les faces des parois formant la chambre d'au moins environ 0,254 mm. Des écartements, dans la partie supérieure, compris dans la gamme allant de 0,254 mm à 3,810 mm sont possibles, en particulier lorsque la matière de la membrane est relativement épaisse et présente une bonne conductibilité calorifique'.
Pour obtenir des résultats optima, l'épaisseur combinée des deux espaces disponibles pour la circulation du liquide et, par conséquent, éga- lement l'épaisseur des éléments d'écartement, doivent être comprises entre environ 0,508 mm. et environ 1,524 mm. Toutefois, on peut obtenir d'excel- lents résultats en raison des taux de circulation beaucoup plus élevés et les séparations sont rendues possibles par la membrane, lorsque l'épaisseur combinée des éléments d'écartements atteint environ 2,032 mm.
En général, la membrane doit être perméable et modérément inerte par rapport à tous les composants du liquide à soumettre à la diffusion continue et sa perméaoilité ne doit pas être affectée par lesdits composants.
La membrane doit,de préférence, pouvoir également servir de support pour réduire au minimum le déplacement latéral dû aux différences de pression s'exerçant sur ses deux faces et l'obturation qui s'ensuit de l'un ou des deux espaces entre la membrane et les faces des parois formant la chambre.
On a constaté que des membranes ayant un grand nombre de pores très petits donnent de meilleurs résultats que des membranes ayant un nombre plus petit de pores plus grands, peut être parce que des pores plus grands tendent à permettre la circulation globale du liquide par opposition en dépla- cement des molécules ou particules analogues à travers les pores par suite des forces de diffusion thermiques.
La dimension minimum des pores de la membrane est celle qui est suffisante pour permettre le libre déplacement, par suite des forces de diffusion thermiques, de toutes les molécules ou autres particules du liquide soumis aux forces de diffusion thermiques.
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Il n'y a pas de limite supérieure critique à la dimension des pores mais il est, en général, préférable, que la dimension moyenne des po- res ne soit pas, de façon appréciable, supérieure à environ 5 à 10 microns en moyenne.
De plus grandes' dimensions de pores ne rendent pas, en aucune façon, le procédé de diffusion thermique inopérant. Toutefois, elles sont indésirables parce que de plus grandes dimensions de pores favorisent la circulation globale du liquide à travers eux dans une mesure qui se traduit par un "remélange physique" des composants liquides enrichis des deux côtés de la membrane, sans rien ajouter à la facilité avec laquelle les molécules du liquide peuvent se déplacer à travers la chambre par suite des forces de diffusion thermique.
On préfère que la membrane soit mince, ou qu'elle soit bomis conductrice, ou encore qu'elle présente ces deux caractéristiques. L'épais- seur optimum est nécessairement un compromis entre un minimum en ce qui concerne la conductibilité calorifique requise et un maximum en ce qui con- cerne la résistance. Si cela est nécessaire, la membrane peut être suppor- tée, du côté à basse pression ou sur les deux cotes, par des bandes formant éléments d'écartement ou éléments analogues en matière filtrante, qui la maintiennent contre tout déplacement latéral, comme représenté, par exemple sur les figs. 28 et 29, mais on doit de préférence éviter l'utilisation d' une telle matière de support pour réduire au minimum la perturbation de la circulation laminaire du liquide parallèle à la membrane.
On a constaté que des papiers tels que du papier pour duplica- teur, du papier à écrire (7,9 et 10 Kgs) et du papier calque conviennent très bien comme matière pour constituer la membrane. On a également constaté que des pellicules de bentonite, des feuilles minces d'acier inoxydable poreux, et une lamelle constituée par une matière en fibre de verre imprégnée d'une charge finement divisée telle que de l'argile, sont appropriées .
En se référant maintenant de nouveau à l'appareil représenté sur les figs.1 et 2, on voit qu'il est désirable de fixer solidement le pourtour de la membrane 16 entre les joints 12 et 14 qui servent à écarter l'une de l'autre les faces opposées des plaques ou parois 10 et 11 et aussi bien qu'à former une chambre sensiblement uniforme dont l'épaisseur est approximativement égale à l'épaisseur combinée des joints et de la membrane, la chambre étant divisée en deux espaces par la membrane 16.
La forme et la position des parois n'a aucun effet appréciable sur le degré de séparation obtenu. La chambre formée par les faces de parois opposées peut être longue et étroite, ou bien elle peut être carrée, trapésoïdale ou bien de n'importe quelle autre forme. Les parois peuvent également être constituées par des tubes concentriques, la surface extérieure du tube intérieur formant l'une des faces de la chambre et la surface intérieure du tube extérieur formant la face opposée de la chambre.
Le degré @ réparation obtenu avec l'appareil conforme à la présente invention ne dépend pas, lorsque la chambre se trouve dans une position verticale, de la hauteur de la chambre, et l'appareil conforme à la présente inven peut fonctionner dans toute position désirée, c'est-à-dire verti- calement, comme représenté, ou bien horizontalement, ou bien elle peut être inclinée entre la verticale et l'horizontale.
Lorsque l'appareil est incliné ou horizontal, la paroi froide doit, de préférence ne pas se trouver au-dessus de la paroi chaude
On a représenté schématiquement sur les figs . 3 à 15 du dessin, des modes de circulation typiques et efficaces, qui s'expliquent d'eux-mêmes;
sur ces figures, les symboles "HW" et "CW" signifient respectivement paroi chaude et paroi froide, la membrane est indiquée par une ligne pointillée, l'absence d'un orifice ouvert à une extrémité d'un espace compris entre la membrane et l'une des parois, est indiquée par une ligne reliant l'extrémité de la membrane et la paroi, et les positions des flèches indiquent les emplacements des orifices, les flèches orientées vers l'intérieur indiquant des
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orifices d'admission et les flèches dirigées vers l'extérieur indiquant des orifices d'extraction.
De plus, il entre dans la portée de la présente invention d'effectuer la séparation par diffusion thermique dans plusieurs des dispositifs, dans lesquels on peut, si on le désire, pour plus de commodité, utiliser une seule chemise de chauffage pour chauffer deux ou plusieurs surfaces de parois chaudes et utiliser une seule chemise de refroidissement pour refroidir deux ou plusieurs surfaces de parois froides. On a représenté schématiquement, sur les figs. 16 et 17 du dessin, des modes de circulation typiques et efficaces pour de tels dispositifs à chambres multiples, figures sur lesquelles les symboles sont similaires à ceux utilisés sur les figs. 3 à 15.
En outre,l'appareil peut être réalisé sous forme tubulaire, comme représenté sur la fig. 29, sur laquelle la surface de la paroi froide est constituée, par exemple, par la surface extérieurs d'un tube muni, à l'intérieur, d'un dispositif de refroidissement et la surface de la paroi chaude est constituée par la paroi intérieure d'un tube plus grand entourant le tube plus petit, ou vice versa.
Au moins l'une, et si cela est nécessaire, deux des parois sont munies de dispositifs de transmission de chaleur capables de maintenir une différence de température entre les faces formant la chambre.
L'une des parois, considérée ici comme étant la paroi chaude, peut être munie (comme représenté à titre d'exemple, sur les figs. 1 et 2) du côté opposé à sa face formant la chambre, d'une chemise permettant la circulation d'eau chaude, de vapeur ou d'un autre agent de chauffage.
Dans une variante, elle peut être pourvue de dispositifs de chauffage électriques ou de tous autres dispositifs de chauffage appropriés, comme représenté sur la fig. 28. Si le point d'ébullition ou la température de décomposition du liquide à soumettre à la diffusion thermique exige que la température maximum dans la chambre soit à la température ambiante ou audessous de celle-ci, il suffit que la paroi chaude soit exposée à l'air ou soit soumise au refroidissement à la température maximum requise au moyen d'une chemise d'eau ou d'un dispositif analogue.
L'autre paroi, considérée ici comme étant la paroi froide, peut simplement être exposée à l'air, être munie de dispositifs de chauffage similaires à celui prévu pour la paroi chaude ou différents, ou bien être munie de dispositifs de refroidissement pour refroidir la paroi froide à une température inférieure à la température ambiante. On comprendra bien entendu que, si le point de congélation, la température de cristallisation et la viscosité du liquide soumis à la diffusion thermique exigent le chauffage des parois chaude et froide, la paroi chaude sera chauffée à une température supérieure à celle de la paroi froide et, inversement, si le point d'ébullition ou la stabilité de la température du liquide exige le refroidissement des deux parois, la paroi froide sera refroidie à une température inférieure à celle de la paroi chaude.
Le ou les orifices d'admission sont, de préférence, situés et construits de manière à réduire au minimum la turbulence de la circulation du liquide entrant dans la chambre. On peut prévoir un ou plusieurs orifices d'admission dans la paroi froide, dans la paroi chaude ou dans les deux parois ou au voisinage de celles-ci, ou encore aux extrémités des parois ou entre leurs extrémités.
Dans l'un des modes de réalisation préférés qui convient lorsque la chambre est verticale, horizontale ou inclinée, on prévoit l'un des orifices d'admission ou une série d'orifices d'admission dans l'une des parois, à mi-distance entre les extrémités de celle-ci, comme représenté en 40 sur la fig. 1.
Dans un autre mode de réalisation préfére, on prévoit un orifice d'admission ou une série d'orifices d'admission à l'une des extrémités, au voisinage de l'une des parois et on prévoit un autre orifice d'admission
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ou une série d'autres orifices d'admission à l'autre extrémité, au voisinage de l'autre paroi.
Dans un autre mode de réalisation encore, on ne prévoit l'ori- fice d'admission ou la série d'orifices d'admission qu'à l'une des extrémi- tés, au voisinage de l'une des parois. Lorsque, dans les deux derniers modes de réalisation, la chambre est verticale ou légèrement inclinée, et lorsque l'orifice ou les orifices d'admission se trouvent au voisinage de la paroi froide, l'orifice ou les orifices sont, de préférence, situés à 1' extrémité supérieure ou près de l'extrémité supérieure de la chambre et l'orifice ou les orifices, s'il en existe, avoisinant la paroi chaude sont, de préférence, situés à l'extrémité inférieure de la chambre, ou près de cette extrémité inférieure, pour réduire au minimum la turbulence due à la perturbation du sens de circulation thermique dans la chambre.
L'emplacement et la structure des orifices d'extraction sont, de préférence, très identiques à ceux des orifices d'admission. On préfère qu'au moins l'un des orifices d'admission et au moins l'un des orifices d'extraction soient situés de part et d'autre de la membrane et que, en outre,n'importe lesquels des orifices d'extraction situés du même côté de la membrane qu'un orifice d'admission soient toujours situés en un point ou en des points éloignés de cet orifice d'admission.
Tout orifice d'admission ou d'extraction donné peut comporter un élément tubulaire communiquant directement avec l'un des deux espaces compris entre la membrane et les parois constituant la chambre ou bien il peut comporter un élément tubulaire, parallèle à l'une des faces de parois, et percé d'une série d'ouvertures communiquant avec l'un des deux espaces mentionnés ci-dessus.
D'une manière générale, le procédé objet de la présente invention consiste à introduire de façon continue un liquide se composant de (ou dans lequel sont dissoutes) deux ou plusieurs matières dissemblables, dans l'espace ou les espaces compris entre l'une des faces de parois opposées ou les deux et la membrane intermédiaire , en créant, en fait, des courants de liquide dans les espaces; à ajouter, de façon continue, du liquide à l'un au moins de ces courants; à soumettre le liquide ainsi introduit à une différence de température dans la chambre, entre les parois opposées;
enfin, à extraire l'une des parties du liquide, contenant une proportion plus élevée que la proportion initiale de l'une des matières dissemblables, hors de l' espace compris entre l'une des faces de parois opposées et la membrane, et à extraire une autre partie du liquide, contenant une proportion plus élevée que la proportion initiale d'une autre des matières dissemblables hors de l'espace compris entre l'autre face de paroi opposée et la membrane.
Il entre également dans la portée de la présente invention d'utiliser plusieurs colonnes de diffusion thermique contenant une membrane.
Ceci est avantageux, en particulier lorsque les chambres sont disposées verticalement parce que l'on peut utiliser plus économiquement l'une des chemises de chauffage ou une entre source de chaleur pour chauffer deux ou plusieurs parois chaudes et que l'on peut utiliser, de façon similaire, l'une des chemises de refroidissement pour refroidir deux ou plusieurs parois froides.
Le passage du liquide à travers une série de colonnes de diffusion thermique augmente le pouvoir de séparation du liquide pour donner les composants désirés et on augmente le degré de séparation que l'on peut obtenir pour des vitesses de circulation élevées
Des modes de circulation typiques pour de telles mises en oeuvre sont représentés, à titre d'exemple, sur les figs. 16 et 17 du dessin. Il est évident que l'on peut faire varier considérablement les procédés préférés sans s'écarter de l'invention.
En choisissant un mode de circulation donné, il est désirable, mais non indispensable, que le sens d'introduction du liquide à soumettre à la diffusion thermique et le sens d'extraction des parois dissemblables soient tels qu'ils ne gênent pas la
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circulation thermique du liquide dans la chambre, en particulier lors d'une faible vitesse de circulation.
Etant donné que le liquide avoisinant la paroi chaude tend à s'élever et que celui avoisinant la paroi froide tend à descendre, il est, par conséquent, avantageux, lorsque la chambre est verticale ou inclinée, d'introduire le liquide au voisinage de la paroi froide, au sommet ou au moins dans la partie supérieure de la chambre, de manière que son sens d'introduction coïncide avec la circulation thermique. De même, si la chambre est verticale ou inclinée, on doit, pour obtenir des résultats optima, introduire le liquide initial se trouvant au voisinage de la paroi chaude par le fond, ou dans la partie inférieure de la chambre, de sorte qu'il tendra, au moins initialement, à circuler vers le haut ou dans le même sens que celui de la circulation thermique.
Il en est sensiblement de même en ce qui concerne les sens d'extraction. On extrait de préférence le liquide se trouvant entre la paroi froide et la membrane, à la partie inférieure ou près de la partie inférieure de l'espace compris entre la paroi froide et la membrane, étant donné que le liquide avoisinant la paroi froide tend à circuler dans cette direction. On extrait, de préférence, le liquide se trouvant dans l'espace compris entre la paroi chaude et la membrane à la partie supérieure ou près de la partie supérieure de l'espace compris entre la paroi chaude et la membrane, en raison du sens ascendant de la circulation thermique dans cette partie de la chambre.
Ces remarques concernant le sens d'introduction et d'extraction du liquide initial et des parties traitées, respectivement, sont importantes, en particulier en ce qui concerne l'efficacité maximum que l'on peut attribuer directement à la memebrane située dans la chambre. On a constaté qu'il est possible, dans un certain nombre de cas, d'introduire le liquide à un taux dépassant son taux de circulation thermique dans la chambre.
Ainsi, la vitesse de déplacement du liquide dans la chambre vitesse qui résulte uniquement de la différence de température entre la paroi chaude et la paroi froide, peut être augmentée par la différence de pression entre le liquide entrant et le liquide extrait:
Le procédé objet de la présente invention se différencie aussi bien des procédés de séparation basés sur l'osmose et la dialyse que des procédés de diffusion thermique gazeux et des procédés de diffusion thermique de liquides statiques. Dans le cas de l'osmose, la séparation ou la concentration d'un solutum dans un solvant dépend de la semi-perméabilité d'une membrane perméable au solvant et imperméable au solutum.
Dans le cas de la dialyse, on peut séparer un mélange d'un col- loide et d'un non-oolloïde par l'action d'une membrane semi-perméable. Contrairement à la séparation par osmose ou par dialyse, la séparation par diffusion thermique de liquides dépend de l'existence d'une différence de température dans un mince courant du liquide et de la propriété des molécules dissemblables qui s'y trouvant à passer du côté chaud au côté froid, ou vice versa, sans gêne appréciable.
L'appareil et le procédé conformes à l'invention présentent un certain nombre d'avantages importants. L'un de ces avantages réside dans le fait que l'on peut accroître l'efficacité, c'est-à-dire un multiple du degré de séparation et de la vitesse de séparation de plusieurs centaines pour cent, par rapport à celle des colonnes ne comportant pas de membrane perméable.
La raison de cet énorme accroissement du rendement n'est pas parfaitement compris, mais on pense qu'il est dn au moins en partie au fait que la membrane a la propriété d'empêcher les matières dissemblables, après avoir été séparées par diffusion thermique, de se mélanger de nouveau dans toute mesure appréciable, avant qu'elles ne soient extraites de la chambre, même lorsque la vitesse de circulation du liquide est poussée au-delà de la vitesse uniquement due à la différence de température à l'endroit des parois chaude et froide.- Un autre de ces avantages réside dans le fait que le degré
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de séparation dépend de l'étendue de la membrane plutôt que de la hauteur de la chambre et que, par conséquent, on peut construire les colonnes plus économiquement.
On a effectué un grand nombre d'essais décrits dans les exem- ples suivants pour déterminer l'effet exercé sur Inefficacité de la sépa- ration, lorsqu'on fait varier le mode de circulation, la différence de température, la membrane, la hauteur de la colonne et d'autres variables possibles dont on doit tenir compte lors de la mise en oeuvre de la présente invention.
A titre de comparaison, le liquide (que l'on désigne simple- ment ici sous le nom de mélange d'essai) soumis à la diffusion thermique continue dans ces essais, est une solution synthétique binaire composée d'un mélange en proportions égales de cétane et de méthylnaphtalène, on choisit ce liquide parce que la différence entre les indices de réfrac- tion de deux fractions est importante, ce qui permet la mesure facile des changements de concentration.
Tous les changements de concentration rencontrés dans ces essais sont exprimés en fonction des changements d'indice de réfraction.
On mesure les valeurs d'indice de réfraction au moyen d'un réfractomère d'Abbé l'indice de réfraction à 20 C., du méthylnaphtalène étant de
1,081, celui du cétane étant de 1,4344 et celui du mélange en proportions égales étant de 1,5210, soit une différence totale de 0,1737 qui reste la même lorsque la mesure est effectuée à 25 C., et le degré de séparation est exprimé en tant que différence entre les indices de réfraction des deux produits.
Sans avoir l'intention de limiter, en aucune façon, la portée de l'invention, mais simplement pour illustrer le mode de fonction- nement et l'utilité de l'appareil et du procédé décrits ici, on donne ci- après un certain nombre d'exemples.
EXEMPLE 1,
On soumet le mélange d'essai à la. diffusion thermique à des taux variables, dans deux colonnes similaires à celle représentée sur la fige 1. Chaque colonne est constituée par deux plaques plates, lisses en laiton, dont les surfaces opposées sont écartées l'une de l'autre environ 1,58 mm. par deux joints de 0,79 mm. d'épaisseur prévus au voisinage des bords, une membrane en papier pour duplicateur étant maintenue, par les joints et entre les joints, parallèlement aux faces opposées des parois délimitant la chambre et à mi-distance entre ces faces opposées.
Dans les deux colonnes, la largeur utile des surf aces de paroi est de 38.1 mm; dans l'une de ces colonnes, la hauteur utile est de 1,520 m. et, dans l'autre, la hauteur utile est de 0,380 m. La surface des membranes est donc de 580,50 cm2 dans la colonne de 1,520 m. et de 145,125 cm2 dalls la colonne de 0,380 m.
L'une des parois de chaque colonne est munie d'une chemise de chauffage alimentée de façon continue en vapeur saturée à 100 C. et l'autr. paroi de chaque colonne est munie d'une chemise de refroidissement alimentée de façon continue avec de l'eau de la ville à 21 c.
Le mode de circulation utilisé dans ces essais est celui représenté schématiquement sur la fig. 8. Les produits de la paroi chaude et de la paroi froide sont extraits en des proportions égales. Les résultats obtenus avec les colonnes de 1,520 m. et de 0,380 m. sont représentés par les courbes A et C respectivement, sur la fig. 18.
Il ressort de l'examen de ces courbes que la courbe C, pour des taux d'alimentation dépassant 1,0 litre/heure, au lieu d'être d'un quart de la courbe A, est plus proche de la moitié de la courbe A. Ceci conduit à la conclusion que le degré de séparation par diffusion thermique continue de liquides dans une colonne comportant une membrane n'est pas directement fonction de la hauteur de la colonne, ainsi que cela se
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produit dans la diffusion thermique de liquides continue effectuée sans l'uti- lisation d'une membrane .
La courbe B de la fig. 18 représente une courbe calculée en multipliant par 4, suivant l'axe des taux, la valeur des taux représentés par la courbe G.
Il y a lieu de noter que les courbes A et B coïncident presque aux erreurs expérimentales prés , sur toute la gamme des taux. On pense que ceci prouve de façon parfaite que le rendement d'une colonne de diffusion thermique de liquides comportant une membrane est fonction de la surface de la membrane et non de sa hauteur.
On soumet également le mélange d'essai à une diffusion thermique continue dans la colonne de 1,520 m., la membrane ayant., toutefois, d'abord été enlevée, toutes les autres conditions restant les mêmes. On porte le rendement de la colonne,sans la membrane, sur le graphique de la fig.
18 où il est représenté par la courbe D. La comparaison des courbes A . et D montre que le taux et le degré de séparation obtenus dans une colonne comportant une membrane sont de beaucoup supérieurs à ceux obtenus avec une colonne ne comportant pas de membrane.
EXEMPLE 2.-
On soumet le mélange d'essai à une diffusion thermique continue,, à divers taux, dans une colonne constituée par deux plaques plates, lisses, en laiton, carrées, ayant chacune 254 cm. de côté., espacées l'une de l'autre d'environ 1,587 mm. par deux joints d'une épaisseur de 0,793 disposés au voisinage des bords, du papier à écrire opaque Strathmore (9 Kgs) servant de membrane étant maintenu par les deux joints et entre ces deux joints, parallèlement aux faces opposées des parois constituant la chambre et à mi-distance entre ces faces.
La largeur et la hauteur utiles des surfaces des parois est de 235 mm et la surface de la membrane est de 552 cm2. L'une des parois de la colonne est munie d'une chemise de chauffage alimentée de façon continue par de la vapeur saturée à 100 C et l'autre paroi est pourvue d'une chemise de refroidissement alimentée de façon continue par de l'eau de la ville à 21 c.
A titre de comparaison, on soumet également le mélange d'essai à la diffusion thermique continue, à divers taux dans la colonne de 1,520 m décrite dans l'exemple 1, munie d'un papier à écrire Stratbmore (9 Kgs) servant de membrane au lieu d'utiliser comme membrane un papier pour duplucateur. Le mode de circulation utilisé dans ces essais est celui représenté schématiquement sur la fig. 8. On extrait, en proportions égales, les produits de la paroi chaude et de la paroi froide. Les résultats obtenus avec la colonne carrée de 235 mm. et avec la colonne de 1,520 m. sont respectivement représentés par les courbes A et B de la fig. 19.
On pense que ces courbes montrent que, au-dessus d'un taux d'alimentation d'environ 1,0 litre/heure, l'efficacité.de séparation des deux colonnes est pratiquement la même (toutes les autres conditions étant égales) et qu'elle est fonction de la surface de la membrane.
EXEMPLE 3.-
On soumet le mélange d'essai à la diffusion thermique continue, à divers taux, dans la colonne de 1,520 m. décrite dans l'exemple 1 mais équipée d'une membrane en papier à écrire opaque Strathmore (9 Kg.). Dans l'une des séries d'essais, la colonne est verticale; on introduit le mélange d'essai à mi-distance entre les extrémités de la paroi froide et on utilise le mode de circulation représenté sur la fig. 3. Dans l'autre série d'essais, toutes les conditions sent les mêmes? si ce n'est que la colonne est horizontale, la paroi chaude se trouvant sur le dessus et que l'on utilise le mode de circulation représenté sur la fig. 4.
On maintient les températures de la paroi chaude et de la paroi froide à 100 C et 21 C respective-
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ment, de la même manière que dans l'exemple 1. Les taux d'extraction du produit sont égaux à tous les orifices d'extraction.
Les résultats obtenus avec les colonnes verticales et horizon- tales sont représentés sur la fig. 20.
On pense que ces courbes montrent que l'on obtient des résul- tats comparables avec les colonnes verticale et horizontale pourvu que dans la colonne horizontale., la paroi chaude se trouve sur le dessus.
EXEMPLE 4.
On répète les essais décrits dans l'exemple 3, la seule diffé- rence résidant dans le fait que l'on utilise les modes de circulation des figs . 9 et 14.
Les résultats obtenus avec les colonnes verticale et horizonta- le sont représentés sur la fig. 21. La comparaison des courbes montre que 1' on obtient des résultats légèrement meilleurs lorsque la colonne est disposée verticalement, ce qui est apparemment dû au fait que la circulation thermique s'ajoute à la vitesse de la circulation forcée.
EXEMPLE 5.-
On utilise la colonne de 1,520 m décrite dans l'exemple 1, pourvue d'une membrane en papier pour duplicateur, pour comparer les effets des modes de circulation s'effectuant dans le même sens que la circulation thermique avec les effets des modes de circulation s'effectuant à contre-courant de la circulation thermique . On maintient les parois chaude et froide à 100 C et 21 c. respectivement, de la manière décrite. Les résultats sont représentés par les courbes a, B, C et D de la fig. 22. On utilise les modes de circulation indiqués schématiquement sur la fig. 22.
La comparaison des courbes A et B avec les courbes C et D révèle que les modes de circulation s'effectuant à contre-courant de la circulation thermique n'approchent du rendement des modes de circulation préférés que pour les taux d'alimentation les plus élevés et qu'ils sont, par conséquent, possibles lorsque l'on trouve que la séparation à faible niveau pour des taux d'alimentation élevés est satisfaisante.
Ainsi, par exemple, il y a lieu de noter qu'un mode de circulation dans lequel on introduit le mélange d'essai à la partie supérieure, au voisinage de la paroi chaude et dans lequel on extrait les produits de la paroi chaude et de la paroi froide en proportions égales, à la partie inférieure de la paroi chaude et à la partie supérieure de la paroi froide, respectivement, donne de meilleurs résultats qu'une mode de circulation dans lequel on introduit la moitié du mélange d'essai à la partie inférieure, au voisinage de la paroi froide et l'autre moitié à la partie supérieure au voisinage de la paroi chaude et dans lequel on extrait les produits chaud et froid comme dans l'autre mode de circulation non préféré.
Ces résultats indiquent que les modes de circulation s'effec- tuant dans le même sens que la circulation thermique sont bien supérieurs aux modes de circulation à contre-courant à de faibles vitesses, mais qu'à des vitesses élevées l'effet de la circulation thermique devient moins important. Les modes de circulation s'effectuant à contre-courant de la circulation thermique sont, par exemple, efficaces dans des opérations multiples dans lesquelles on répère les séparations avec des taux d'alimentation élevés.
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RXli:MPJ.w. 6,,-
On effectue deux série d'essais avec l'appareil carré de 235 mm. de coté décrit dans l'exemple 2, la paroi chaude étant, toutefois, maintenue à une température de 160 C au lieu de 100 G. Dans l'une des séries d'essais, on utilise le mode de circulation représenté sur la fige 11, et, dans
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l'autre on utilise le mode de circulation de la fig. 12.
L'examen des résultats représentés sur le graphique de la fig.
23 révèle qu'ils sont comparables.
EXEMPLE 7.- On effectue deux séries d'essais avec l'appareil carré de 235 mm. de côté décrit dans l'exemple 2, la paroi chaude étant, toutefois, maintenue à une température de 160 C au lieu de 100 C. Dans l'une des séries d'essais, on utilise le mode de circulation représenté sur la fig.
8 et, dans l'autre, on utilise le mode de circulation de la fig. 10.
L'examen des résultats représentés sur le graphique de la fig. 24 révèle qu'ils sont comparables.
EXEMPLE 8.-
On effectue une série d'essais dans l'appareil carré de 235 mm de côté décrit dans l'exemple 2. La membrane est une membrane en acier inoxydable ayant une épaisseur de 1,77 mm. et une dimension moyenne de pore d'environ 5 microns, L'épaisseur combinée des deux joints maintenant la membrane à mi-distance entre la paroi chaude et la paroi froide est, dans chaque cas, de 0,939 mm. La distance entre la paroi chaude et la paroi froide est, par conséquent, de 2,717 mm. On maintient la paroi chaude à 129.5 c et la paroi froide à 49 C. On utilise le mode de circulation représenté sur la fig. 8.
Les résultats sont indiqués sur la fig. 25 EXEMPLE 9.
On soumet à la diffusion thermique, à divers taux, dans la colonne de 1,520 m. décrite dans l'exemple 1, une huile pétrolière de graissage ayant une viscosité de 333 SSU à 37,5 C et un N20 de 1,5025. Dans 1' un des essais, la colonne est équipée d'une membrane en papier pour duplicateur et on utilise le mode de circulation représenté sur la fig. 8, les taux d'extraction étant égaux. On effectue un autre essai, à titre de comparaison, dans la même colonne, la membrane étant enlevée, l'huile initiale étant introduite en un point situé à mi-distance entre les deux extrémités et les produits étant extraits à la partie supérieure et à la partie inférieure en proportions égales.
Dans les deux essais, la colonne est verticale, la paroi chaude est chauffée par de la vapeur, à la pression atmosphérique, la paroi froide est refroidie avec de l'eau de la ville à 21 C et le liquide circule de for-. oc dans l'appareil grâce à un réservoir fonctionnant par gravité situé approximativement à 1,520 m au-dessus de la partie supérieure de la colonne.
Les résultats de ces essais sont représentés sur la fig. 26.
On pense qu'ils démontrent que la faculté d'obtenir des séparations avec le mélange d'essai des exemples précédents indique la possibilité d'appliquer le procédé et l'appareil faisant l'objet de la présente invention aux liquides en général et qu'ils confirment les résultats remarquablement supérieurs que l'on peut obtenir avec une colonne comportant une membrane compa- rativement à une colonne n'en comportant pas.
EXEMPLE 10.- On soumet à la diffusion thermique, à des taux variables dans la colonne de 1,520 m. décrite dans l'exemple 1, équipée d'une membrane en papier calque, un mélange azéotropique d'alcool benzylique et d'éthylène gly- col, préparé en mélangeant 56 parties en poids d'alcool benzylique avec 44 parties en poids d'éthylène glycol, en distillant le mélange à la pression atmosphérique et en ne recueillant que le distillat obtenu à une températue
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d'ébullition constante. Les conditions sont identiques à celles décrites dans l'exemple 9.
Les résultats de cet essai sont représentés sur la fig. 27.
Ces résultats,et les résultats similaires obtenus avec le mélange d'essai des exemples 1 à 8 et l'huile de l'exemple 9, montrent que le procédé et l'appareil objet de la présente invention sont extrêmement utiles pour la séparation de tous types de matières dissemblables, même de matières difficilement séparables telles que l'alcool benzylique et l'éthy- lène glycol dans un mélange azéotropique.
On pense qu'il est évident d'après les résultats obtenus avec le mode de circulation horizontale et verticale que l'on peut obtenir des résultats similaires lorsque la chambre se trouve dans une position inclinée pourvu que la paroi froide ne soit pas au-dessus de la paroi chaude. En conséquence, il est bien entendu que le terme "sensiblement vertical" est destiné à englober des positions allant d'une inclinaison d'environ 45 jusqu'à la verticale absolue et que le terme "sensiblement horizontal" est destiné à englober des positions allant d'une inclinaison d'environ 45 jusqu'à l'horizontale absolue.