Procédé de diffusion thermique
La présente invention a pour objet un procédé pour séparer de manière continue, par diffusion thermique, dans une colonne délimitée par deux parois parallèles et étroitement espacées, dont l'une est maintenue à une température plus élevée que l'autre, un mélange liquide en deux fractions-liquides de composition différente.
On sait qu'il est possible de séparer par diffusion thermique de liquides des matières qu'il est impossible de séparer par n'importe quel autre procédé connu ou bien qui ne peuvent être séparées par d'autres procédés qu'avec beaucoup de difficulté.
En substance, la diffusion thermique de liquides consiste à soumettre une mince pellicule du mélange liquide, expression désignant ici des mélanges de liquides ou des solutions liquides, dans une colonne de diffusion thermique, à un gradient de température à travers la pellicule. On effectue habituellement cette opération en introduisant le mélange liquide dans une colonne ayant deux parois étroitement espacées, parallèles ou concentriques, dont l'une est maintenue à une température plus élevée. que l'autre.
La présente invention permet d'obtenir des résultats améliorés dans la séparation continue des mélanges liquides par diffusion thermique.
Le procédé faisant l'objet de l'invention est caractérisé en ce qu'on introduit de façon continue ce liquide près de l'une des extrémités de ladite colonne, on extrait de façon continue, près de l'autre extrémité de la colonne, une fraction liquide plus riche en l'un des constituants dii liquide initial que ce liquide luimême, enfin, on extrait de façon continue, à l'extrémité d'alimentation de la colonne, une fraction plus grande que l'autre et moins riche en ledit constituant que le liquide initial.
L'épaisseur de la chambre, c'est-à-dire la distance entre les faces des parois opposées de l'appareil, peut être de l'ordre de 0,254 mm à 3,810 mm et est de préférence comprise entre 0,508 mm et 1,524 mm.
Le procédé selon la présente invention est d'autant plus efficace que les deux fractions extraites de la colonne sont plus dissemblables quant à leur volume; son efficacité s'accroît également lorsque la fraction la plus faible est extraite à l'extrémité même de la colonne qui est éloignée de l'extrémité d'alimentation. En conséquence, le procédé est particulièrement applicable pour concentrer des matières présentes en de faibles quantités dans des quantités relativement grandes de matière voisine, par exemple pour la concentration de stigmastérol à partir d'huile de soja, ou bien la séparation d'une faible quantité d'une matière odorante d'une huile de poisson.
Le dessin annexé représente, schématiquement et à titre d'exemple, quatre mises en oeuvre du procédé selon l'invention et des diagrammes explicatifs.
Les fig. 1 à 4 représentent respectivement ces quatre mises en oeuvre du procédé.
Les fig. 5 à 7 sont des diagrammes explicatifs.
Sur le dessin, les symboles H et C représentent respectivement des parois chaude et froide, les parois elles-mêmes étant indiquées schématiquement par une ligne verticale au voisinage des symboles. Le symbole F représente l'alimentation et les symboles Pus s et PL représentent respectivement la plus petite et la grande des fractions extraites du produit. Les flèches indiquent le sens de la circulation.
Dans la première mise en oeuvre du procédé représentée à la fig. 1, on introduit la charge à la partie inférieure d'une colonne de diffusion thermique et au voisinage de sa paroi chaude. On extrait une faible fraction Ps à la partie supérieure de la colonne et on extrait une grande fraction PL à la partie inférieure, au voisinage de la paroi froide.
On a constaté, en pratique, que l'efficacité, c'est-à-dire le produit du degré de séparation (tel que mesuré par la relation entre F et Ps) et du taux de séparation du produit (pus) d'une colonne donnée, telle que celle représentée schématiquement sur la fig. 1, augmente au fur et à mesure que le taux d'alimentation augmente, tandis que le taux d'extraction du produit P5 reste constant. On pense que cette augmentation est due à l'effet de circulation thermique s'effectuant dans la colonne, en raison du fait que l'une des parois est relativement chaude et que l'autre est relativement froide.
Lorsque l'on introduit la charge à la partie inférieure et au voisinage de la paroi chaude à une vitesse inférieure à la vitesse de circulation thermique, c'est-à-dire la vitesse à laquelle le liquide devrait circuler seulement par suite des différences de densité au voisinage des parois chaude et froide, différences qui sont produites par le chauffage et le refroidissement relatifs, une certaine partie du liquide descendant au voisinage de la paroi froide est remise en circulation en même temps que la charge et, en conséquence, se mélange de nouveau avec la charge, ce qui a pour effet de maintenir la circulation thermique dans la colonne.
Lorsque l'on augmente le taux d'alimentation, la quantité de liquide qui circule à nouveau après être descendue le long de la paroi froide diminue jusqu'à ce que la presque totalité du liquide descendant au voisinage de la paroi froide soit extraite en tant que fraction PL et que la presque totalité de la charge introduite monte vers la partie supérieure de la colonne.
Bien qu'il paraisse logique de supposer que d'autres augmentations du taux d'alimentation devraient se traduire par un degré de séparation qui n'est pas plus grand à la partie supérieure de la colonne, en raison du fait que la charge en excès circule directement vers l'orifice d'extraction pour la fraction PLS on a fait la découverte surprenante que des vitesses d'alimentation supérieures à la vitesse de circulation thermique ont pour conséquence une séparation améliorée à la partie supérieure de la colonne.
Au fur et à mesure que la charge monte au voisinage de la paroi chaude, elle est soumise à la diffusion thermique. Plus elle monte loin, plus l'une des matières présentes dans le liquide se concentre dans le courant ascendant et disparaît du courant descendant, au voisinage de la paroi froide. Lorsque le courant ascendant atteint la partie supérieure de la colonne, une partie de ce dernier est extraite en tant que fraction PS.
Les avantages du présent procédé sur les procédés dans lesquels la charge est introduite entre les extrémités de la colonne deviennent de plus en plus évidents lorsque le rapport du taux d'extraction de la fraction Ps au taux d'alimentation est réduit, par exemple à des valeurs inférieures à 1,5 : 10. On préfère - uti- liser des rapports inférieurs 1 : 10, en particulier des rapports de l'ordre de 1 : 100.
Bien entendu, la fraction Ps peut être enrichie soit de la matière que l'on cherche à éliminer de la charge, soit de la matière qui est à concentrer à partir de celle-ci.
Dans la seconde mise en oeuvre du pro cédé représentée à la fig. 2, il y a lieu de noter que le schéma de circulation est similaire, en principe, à celui de la fig. 1, mais est inversé.
Dans ce mode de réalisation, on introduit la charge à la partie supérieure, la fraction Ps est extraite à la partie inférieure et la fraction
PI est extraite à la partie supérieure.
On adopte le mode de circulation de la fig. 1 ou celui de la fig. 2 selon que l'effet de diffusion thermique doit concentrer la faible quantité de matière que l'on cherche à extraire ou à retirer, au voisinage de la paroi chaude ou au voisinage de la paroi froide. Si elle se concentre au voisinage de la paroi chaude, on utilise le schéma de circulation de la fig. 1.
Si elle se concentre au voisinage de la paroi froide, on utilise le schéma de circulation de la fig. 2.
Dans la troisième mise en oeuvre du procédé représentée à la fig. 3, on utilise, en parallèle, quatre colonnes fonctionnant chacune selon le schéma de circulation représenté à la fig. 1. Ceci constitue un moyen efficace pour augmenter la capacité du système de diffusion thermique. Bien entendu, on peut utiliser en parallèle n'importe quel nombre de colonnes, et le mode de circulation dans celles-ci peut être similaire à celui représenté sur la fig. 2 au lieu d'être similaire à celui représenté sur la fig. 1. On peut aussi utiliser une combinaison des modes de circulation représentés aux fig. 1 et 2.
Dans la quatrième mise en oeuvre du procédé représentée à la fig. 4, on utilise trois colonnes, à la fois en parallèle et en série et fonctionnant selon le mode de circulation de la fig. 1, pour obtenir une concentration élevée en une matière qui n'est présente qu'en faibles quantités dans le liquide de charge initial. On fait passer la charge en parallèle à travers deux colonnes et les fractions P5 des deux colonnes sont combinées et introduites ensuite dans la troisième colonne pour donner une fraction P'S et une fraction P'L, cette dernière étant réintroduite dans l'alimentation F, si on le désire, en vue d'un autre traitement.
Quantitativement, la mise en oeuvre représentée à la fig. 4 peut s'exécuter comme suit on introduit 1000 unités en volume de liquide dans l'alimentation F, à raison de 500 unités dans chacune des deux colonnes inférieures et
on extrait une fraction de 50 unités à la partie supérieure- de chacune de ces colonnes (fraction Ps). On introduit alors 100 unités de Ps dans la troisième colonne, après quoi, on obtient 10 unités de la fraction P's à la partie supérieure de la colonne.
900 unités de la fraction PL provenant de la partie inférieure des deux premières colonnes sont rejetées ou traitées d'une autre manière et 90 unités de la fraction PTL provenant de la troisième colonne sont réintroduites dans l'alimentation en vue de leur traitement ultérieur dans le système.
Les courbes A, B, C et D de la fig. 5 représentent le degré de séparation de la petite fraction P5 en fonction du taux d'alimentation en litres/heure, le degré de séparation étant mesuré par la différence des indices de réfraction à 200 C de la fraction P5 et du liquide initial. On soumet une huile pétrolière de graissage ayant une viscosité de 300 SSU à 380 C et un indice de réfraction n 20 de 1,5050, à l'action d'une colonne de diffusion thermique ayant une hauteur de 6,080 m, une épaisseur de chambre de 1,30 mm, une largeur de chambre de 87 mm, une température de paroi chaude de 3160 C et une température de paroi froide de 660 C.
Le mode de circulation utilisé est similaire à celui représenté schématiquement à la fig. 1 ; on introduit l'huile à la partie inférieure de la colonne, la petite fraction P5 étant extraite à la partie supérieure et la grande fraction PL étant extraite à la partie inférieure.
La courbe A correspond à un taux d'extraction de P5 maintenu constant à 300 cm8 par heure et montre que le degré de séparation de P5 augmente rapidement avec l'accroissement du taux d'alimentation jusqu'à environ 2 litres par heure et qu'il commence ensuite à augmenter moins rapidement. Pour un taux d'alimentation de 3,0 litres par heure, c'est-à-dire lorsque le rapport du taux d'extraction de Ps au taux d'alimentation est de 1:10, le degré de séparation atteint 0,0149.
Les courbes B, C et D illustrent de façon similaire de quelle manière le degré de séparation augmente lorsque le taux d'extraction de la petite fraction P5 est maintenu constant à 400, 600 et 800 cm3 par heure, respectivement, alors que le taux d'alimentation est porté jusqu'à 7 litres par heure.
La courbe E représentée sur la fig. 5 permet une comparaison du procédé objet de l'invention matérialisé par les courbes A, B, C et D avec un procédé dans lequel on introduit la même huile dans une colonne de diffusion thermique ayant des dimensions identiques et fonctionnant sous des conditions de température identiques, si ce n'est que le taux d'extraction des fractions extraites à la partie supérieure et des fractions extraites à la partie inférieure, est maintenu égal (P5-- 1 F=PL)
2 et que la charge est introduite à mi-distance entre les extrémités de la colonne.
On voit, d'après la fig. 5, que bien que le procédé à taux d'extraction égaux et à alimentation médiane donne un meilleur degré de séparation pour des taux d'alimentation très faibles, le degré de séparation diminue rapidement au fur et à mesure que le taux d'alimentation augmente, tandis qu'avec le procédé objet de l'invention le degré de séparation augmente avec l'accroissement du taux d'alimentation. En conséquence, il est évident que le procédé objet de l'invention est supérieur du point de vue de l'obtention d'un degré de séparation relativement élevé à des taux accrus.
Il est également évident, d'après l'analyse des courbes de la fig. 5, que le degré de séparation mesuré par la différence entre les indices de réfraction de P5 et de la charge, pour des taux d'extraction prédéterminés de Ps que l'on peut obtenir dans une colonne de dimensions données, est considérablement plus élevé avec le procédé selon l'invention, en particulier lorsque le rapport du taux d'extraction de Ps au taux d'alimentation est faible.
Ainsi, par exemple, il est évident d'après la courbe A que lorsque l'on extrait P5 à raison de 300 cm3 par heure et que le taux d'alimentation est de 3,0 li- tres par heure (soit un rapport Ps à F de 1 :
10 ou 0,1), le degré de séparation est de 0,0149, tandis que le procédé à alimentation médiane, pour un taux d'alimentation de 0,60 litre par heure, donne 300 cm3 par heure de Ps avec un degré de séparation d'environ 0,0122. Lorsque le taux PS est de 400 cm3 par heure, il devient évident d'après la courbe B qu'avec le procédé objet de l'invention, une colonne de 6,080 m fournira Ps avec un degré de séparation de 0,0124 à un taux d'alimentation de 7 litres par heure (soit un rapport Ps à F de 0,57 :
10 ou 0,057) tandis que le procédé à alimentation médiane, fonctionnant à un taux d'alimentation de 0,80 litre par heure, fournira Ps avec un degré de séparation d'environ 0,0106.
Les courbes représentées à la fig. 6 donnent le degré de séparation n D20 en fonction du rapport du taux d'extraction de P5 au taux d'alimentation. La courbe F donne le degré de séparation de Ps que l'on peut obtenir avec la même huile grâce au procédé objet de la présente invention en utilisant la colonne de 6,080 m décrite en se référant à la fig. 5, les dimensions et les conditions de température étant identiques et le taux d'extraction de P5 étant maintenu à une valeur constante de 300 cm8 par heure.
La courbe G donne le degré de séparation que l'on peut obtenir avec le procédé à alimentation médiane dans une colonne de 6,080 m, les dimensions et les conditions de température étant, de même, identiques à celles décrites en ce qui concerne la courbe E de la fig. 5 et le taux d'extraction à la partie supérieure de la colonne étant, de même, maintenu à une valeur constante de 300 cm3 par heure. Les courbes de la fig. 6 montrent qu'avec des rapports du taux d'extraction de P5 au taux d'alimentation inférieurs à environ 0,15, le procédé objet de l'invention donne des qualités de séparation supérieures.
Les courbes H et I de la fig. 7 permettent d'établir une autre comparaison entre le procédé de diffusion thermique objet de l'invention et le procédé à alimentation médiane, la courbe H représentant les taux d'extraction de la fraction Ps, en millilitres par heure, pour les divers rapports du taux d'extraction de P5 au taux d'alimentation, le degré de séparation ayant une valeur constante de 0,0160. La courbe I représente les divers taux d'extraction de Ps que l'on peut de même obtenir pour un degré de séparation constant de 0,0160 avec le procédé à alimentation médiane pour divers rapports du taux d'extraction de P5 au taux d'alimentation.
La comparaison des courbes révèle que pour des rapports inférieurs à environ 0,17, le volume de Ps d'un degré de séparation donné est considérablement plus élevé avec le procédé objet de l'invention qu'avec le procédé à alimentation médiane.