Procédé pour séparer en continu par diffusion thermique deux fractions liquides
et appareil pour la mise en oeuvre de ce procédé
Le présent brevet a pour objet un procédé pour séparer en continu, par diffusion thermique, deux fractions liquides de composition différente à partir d'un mélange liquide. I1 a également pour objet un appareil pour la mise en oeuvre de ce procédé.
Lorsqu'un mélange liquide est soumis à des températures différentes, le mélange subit des changements de composition aux endroits intéressés par les températures différentes, ce phénomène étant connu sous le nom de diffusion thermique. Le dispositif utilisé pour la diffusion thermique consiste essentiellement en une chambre étroite délimitée par deux parois opposées et en des moyens pour maintenir les parois opposées à des températures différentes. Lorsqu'un mélange liquide est placé dans le dispositif et qu'il est soumis à mi gradient de température en travers de la chambre formée entre les parois chaude et froide, il se sépare en deux fractions dissemblables. Une fraction enrichie d'un des compo sants se concentre sur la paroi froide, et l'autre, appauvrie du même composant ou enrichie d'un autre, se concentre sur la paroi chaude.
En raison d'une différence de densités des deux fractions, si la chambre est verticale, il s'établit une circulation thermique à contre-courant, qui tend à faire descendre vers la partie inférieure de la chambre la fraction concentrée sur la paroi froide, et à faire monter l'autre fraction vers l'extrémité supérieure de la chambre. La forme de la circulation dans la chambre est à contre-courant.
Dans la séparation en continu, on peut introduire le mélange liquide dans la chambre en un point intermédiaire entre ses extrémités, par exemple au centre, et l'on peut extraire les fractions dissemblables aux extrémités opposées de la chambre, c'est-à-dire aux extrémités supérieure et inférieure. Ce procédé est connu sous le nom de procédé d'alimentation centrale à contre-courant vertical. Avec cette forme de circulation, le degré de séparation diminue rapidement lorsque le taux d'alimentation augmente. On en avait donc conclu qu'il était essentiel, dans ce type de diffusion thermique de liquides en continu, de ne pas agir inconsidérément sur la circulation thermique.
On a aussi suggéré d'exécuter la diffusion thermique de liquides dans une chambre horizontale, dans laquelle on proposait de déplacer en sens inverses deux bandes à haute conductibilité thermique, afin de suppléer la circulation thermique dans une telle chambre.
Le procédé d'alimentation centrale à contre-courant vertical et le procédé avec bandes horizontales mobiles présentent tous deux l'inconvénient de diviser par la force des choses le liquide contenu dans la chambre en deux courants de sens contraires. Cet inconvénient limite le taux d'alimentation et le degré de séparation atteint. En outre, ces deux procédés présentent l'inconvénient d'absorber des quantités relativement importantes de chaleur pour atteindre un degré donné de séparation à des taux d'alimentation plus élevés.
On vient de découvrir la possibilité d'obtenir en continu des séparations par diffusion thermique de liquides avec un rendement meilleur pour des taux de circulation plus élevés, par la formation d'une nappe de liquide sensiblement verticale, continue et mince, qui est délimitée par des parois lisses, fixes, sensiblement équidistantes, très peu écartées l'une de l'autre et constituées par une matière inerte conductrice de la chaleur, en introduisant en continu un mélange liquide dans cette nappe à l'une de ses extrémités, en maintenant un gradient de températures dans l'espace qui est compris entre les parois opposées, de manière à concentrer une première fraction, circulant en continu, enrichie en un composant du mélange au contact avec l'une des parois, et à concentrer la deuxième fraction, circulant dans le même sens que la première fraction et appauvrie en ce composant,
adjacente à l'autre des parois opposées, et en extrayant en continu et séparément les deux fractions de la nappe en des points éloignés du point d'introduction dudit mélange. Dans ce procédé, le mélange liquide et les fractions séparées d'une même nappe circulent donc dans le même sens, et non à contre-courant.
On a fait la découverte remarquable que, lorsqu'on exécute de cette manière une diffusion thermique de liquides en continu, le degré de séparation est minimum pour des taux d'alimentation extrêmement bas ; il s'élève rapidement, à mesure que le taux d'alimentation augmente jusqu'à des valeurs auxquelles le degré de séparation décroît rapidement dans les procédés qui comprennent la circulation à contre-courant de la fraction séparée, et il demeure sensiblement constant à des taux d'alimentation encore plus élevés qui, si on les utilisait dans les procédés de circulation à contre-courant, auraient pour résultat une séparation faible.
De plus, le rendement, exprimé en fonction du volume et du degré de séparation par unité de chaleur consommée, augmente avec le taux de circulation jusqu'à des valeurs considérablement plus élevées, en utilisant le procédé de circulation unidirectionnelle conforme à la présente invention, qu'avec les procédés de circulation à contre-courant.
On pense que ces différences sont dues au fait qu'avec la circulation à contre-courant, un taux d'alimentation excédant la circulation thermique contrarie l'action d'accumulation de la circulation thermique, tandis qu'avec la circulation unidirectionnelle la circulation thermique ne constitue pas un facteur appréciable dans le transport des fractions, séparées par diffusion thermique, jusqu'aux orifices respectifs d'extraction.
Tandis que le degré de séparation qu'on peut obtenir avec le procédé selon l'invention à circulation verticale unidirectionnelle est inférieur, pour de faibles taux d'alimentation, au degré obtenu avec la circulation horizontale unidirectionnelle, ce procédé à circulation verticale présente l'avantage appréciable que le degré de séparation qu'on peut obtenir pour des taux d'alimentation plus élevés est supérieur à celui qu'on peut obtenir pour des taux également plus élevés avec le procédé à circulation horizontale unidirectionnelle.
Le procédé à circulation verticale unidirectionnelle présente, par rapport au procédé à circulation horizontale unidirectionnelle, d'autres avantages appréciables : il est plus économique et plus pratique, lorsqu'on le met en oeuvre dans un dispositif comportant plusieurs étages, par exemple en série ou en parallèle, ou en combinaison d'étages, et il peut être mis en oeuvre dans des chambres annulaires ou colonnes constituées par des tubes concentriques aussi bien que dans des chambres délimitées par des plaques planes.
Ainsi, par exemple, lorsque le présent procédé à circulation verticale unidirectionnelle est mis en oeuvre dans des chambres délimitées par des plaques planes, les parois chaudes pour deux des chambres peuvent être constituées par une seule paroi, ou être disposées dos à dos , et on peut les chauffer par un seul dispositif de chauffage; les parois froides pour deux des chambres peuvent de la même manière être constituées par une seule paroi ou être disposées dos à dos , et on peut les refroidir par un seul dispositif de réfrigération.
De même, lorsque ce procédé est mis en oeuvre dans des chambres annulaires constituées par plusieurs jeux de tubes concentriques, ce qui n'est pas possible dans le procédé avec circulation horizontale unidirectionnelle, parce que la paroi chaude doit être disposée à l'extérieur de la paroi froide, ou inversement, la paroi chaude étant généralement à l'extérieur de la paroi froide, on peut chauffer et refroidir, selon le cas, les tubes extérieur et intérieur par des agents de chauffage et de réfrigération appropriés, circulant respectivement dans ces tubes et autour d'eux.
Le dessin annexé représente, schématiquement et à titre d'exemple, quatre formes d'exécution de l'appareil pour l'exécution du procédé selon l'invention et des diagrammes explicatifs.
Les fig. 1 et 2 représentent la première et la seconde forme d'exécution avec circulation dans un seul étage.
La fig. 3 représente la troisième forme d'exécution avec circulation dans plusieurs colonnes de diffusion thermique en série.
La fig. 4 représente la quatrième forme d'exécution avec circulation dans plusieurs colonnes de diffusion thermique en parallèle.
Les fig. 5 et 6 sont les diagrammes explicatifs.
Les schémas de circulation des fig. 1 à 4 se passent d'explication. Les lignes verticales au voisinage des lettres H et C représentent respectivement des parois chaudes et froides, la lettre F représente l'alimentation du mélange liquide, les symboles PI, et P(. représentent respectivement les fractions extraites, qui étaient en contact avec les parois chaudes et froides, et les flèches indiquent le sens de circulation.
I1 doit être bien entendu que les mots chaudes et froides , appliqués aux parois ou surfaces des chambres, et les mots chauffage et réfrigération sont pris dans leur sens relatif plutôt que dans leur sens absolu. Ainsi, par exemple, on peut maintenir les surfaces chaude et froide d'une chambre à des températures respectives, par exemple de 1600 C et 1000 C, ou, si le liquide qui doit être soumis à la diffusion thermique a un point bas d'ébullition, à des températures respectives, par exemple de 00C et -35DC. On peut utiliser comme agents de chauffage dans ces cas de la vapeur sous pression, des vapeurs de diphényle, ou un mélange en ébullition d'eau et d'éthylène-glycol, ou même de l'eau glacée.
On peut utiliser comme agents de réfrigération dans les exemples donnés la vaporisation d'un liquide, comme de l'ammoniaque ou de l'eau bouillante.
Dans le cas des fig. 1 et 2, on forme une nappe mince, continue et verticale du mélange liquide, et on l'introduit par l'alimentation F dans les extrémités supérieure (fig. 1) ou inférieure (fig. 2) d'une chambre qui est délimitée par des parois opposées chaude et froide, fixes, et uniformément espacées, à un taux de préférence supérieur au taux auquel circulerait le liquide dans la chambre par le seul effet de la circulation thermique, c'est-à-dire la circulation provoquée par la différence de densités résultant du chauffage et de la réfrigération au niveau des parois chaude et froide respectivement. On extrait à l'autre extrémité de la chambre deux fractions, dont l'une qui est représentée par PH est extraite au voisinage de la paroi chaude, et l'autre qui est représentée par Pc est extraite au voisinage de la paroi froide.
La fig. 3 montre un appareil avec étages multiples permettant d'obtenir la concentration maximum du ou des composants qui tendent à s'accumuler au voisinage des parois chaudes. Dans la disposition représentée, la fraction qui est extraite au voisinage de la paroi chaude de la première chambre de diffusion thermique est introduite dans une deuxième chambre; la fraction qui est extraite au voisinage de la paroi chaude de la deuxième chambre est introduite dans une troisième chambre, et ainsi de suite, jusqu'à ce qu'une fraction PH contenant une forte concentration d'une ou plusieurs matières désirées soit extraite de la paroi chaude au voisinage de la dernière chambre.
I1 doit être évidemment bien entendu qu'on peut également, si la matière désirée a tendance à s'accumuler au voisinage de la paroi froide, modifier la forme de circulation représentée sur la fig. 3, en envoyant dans la chambre suivante la fraction qui est extraite au voisinage de la paroi froide d'une chambre, et en mettant hors circulation la fraction qui est extraite au voisinage des parois chaudes de la chambre.
Avec l'appareil de la fig. 4, on introduit le mélange liquide initial en parallèle dans quatre colonnes de diffusion thermique constituant un premier étage; les fractions qui sont extraites au voisinage des parois chaudes du premier étage sont introduites dans deux colonnes de diffusion thermique constituant un deuxième étage; les fractions extraites au voisinage des parois chaudes du deuxième étage sont introduites dans une colonne de diffusion thermique constituant un troisième étage, et la fraction concentrée désirée PN est extraite au voisinage de la paroi chaude de la dernière colonne de diffusion thermique. Dans ce cas, il est bien entendu qu'il est encore possible de faire passer d'un étage à l'autre les fractions extraites au voisinage des parois froides.
Le graphique de la fig. 5 comporte deux courbes A et B donnant le degré de séparation, mesuré par la différence des indices de réfraction à 250 C des deux fractions, en fonction du taux d'alimentation en litres/heure. Ces courbes établissent, sans qu'il soit nécessaire de l'expliquer, une comparaison entre, d'une part, le degré de séparation pour divers taux d'alimentation avec des quantités égales de produits extraits des parois chaudes et froides, obtenu par le procédé conforme à la présente invention, et, d'autre part, les résultats obtenus dans des chambres de diffusion thermique de dimensions identiques, mais qui comportaient une admission d'alimentation au centre d'une chambre verticale, les fractions dissemblables étant extraites aux extrémités opposées. La matière soumise à la diffusion thermique était un mélange en volumes égaux de cétane et de monométhylnaphtalène.
Les deux chambres avaient une hauteur et une longueur utiles d'environ 230 mm. La largeur de la chambre, c'est-à-dire l'espace compris entre les parois chaudes et froides, était dans chaque exemple d'environ 0,89 mm. Dans chaque cas, les températures respectives des parois chaudes et froides étaient de 1370 C et 210 C.
Pour les essais exécutés conformément à l'invention, on a utilisé l'appareil représenté sur la fig. 2.
La courbe A, qui représente les résultats obtenus en opérant conformément à l'invention, montre, d'une part, une augmentation rapide du degré de séparation, à mesure que l'on augmente le taux d'alimentation jusqu'à environ deux litres par heure, et, d'autre part, un degré sensiblement constant de séparation pour des taux d'alimentation compris entre 2 et 7 litres par heure.
La courbe B, qui représente les résultats obtenus avec circulation à contrecourant et alimentation centrale, montre, d'une part, que le degré de séparation qu'on peut obtenir est plus élevé, pour des taux d'alimentation inférieure à environ 1,5 litre par heure, que celui qu'on peut obtenir pour n'importe quel taux avec la circulation unidirectionnelle, mais, d'autre part, que le degré de séparation diminue très rapidement, lorsque le taux d'alimentation augmente, et qu'il est très inférieur, pour des taux d'alimentation moindres qu'environ deux litres par heure, à celui qu'on peut obtenir avec le procédé de circulation verticale unidirectionnelle selon l'invention.
La haute qualité constante de la séparation qu'on peut obtenir avec la circulation unidirectionnelle pour des taux de circulation plus élevés, que la fig. 5 montre d'une façon évidente, est manifestement d'une importance considérable dans l'opération de séparation de mélanges liquides par diffusion thermique pour l'exploitation industrielle, parce qu'il est possible d'économiser une très grande quantité de chaleur, en accélérant le taux de circulation dans une colonne de diffusion thermique.
Le graphique de la fig. 6 comporte des courbes, qui s'expliquent d'elles-mêmes de la même manière et qui montrent le degré de séparation obtenu par le procédé selon la présente invention pour divers taux d'alimentation, avec une extraction en quantités égales de produits au voisinage des parois chaudes et froides, par comparaison avec les résultats obtenus dans des chambres de diffusion thermique de mêmes dimensions mais avec (a) l'alimentation introduite au milieu des extrémités d'une chambre verticale, et les fractions dissemblables extraites en quantités égales des extrémités opposées, et (b) l'alimentation introduite à l'une des extrémités d'une chambre horizontale, et les fractions dissemblables extraites en quantités égales des parois chaude et froide, adjacentes à cette chambre.
Les courbes de la fig. 6 traduisent les résultats des essais I qui sont détaillés ci-après
ESSAIS 1 :
La matière soumise à la diffusion thermique était un mélange en volumes égaux de cétane et de monométhylnaphtalène. Dans chaque cas, la chambre avait une hauteur et une longueur utiles de 254 mm et une largeur intérieure d'environ 0,76 mm. Les températures respectives des parois chaudes et froides dans chaque cas étaient de 1320 C et 210 C.
Les résultats sont mentionnés dans le tableau 1.
TABLEAU 1
D-Circulation verti
cale à contre-cou
rant (alimentation
centrale) 1 80
2 30
5 0
E-Circulation hori
zontale unidirec
tionnelle 0 150
1 90
3 45
6 25
9 15
ESSAIS Il :
La matière soumise à la diffusion thermique était de l'huile rouge du commerce, composée d'un mélange en quantités égales de composants clairs et foncés, ayant un indice de viscosité de 95. Dans chaque cas, la chambre avait une hauteur utile d'environ 1750 mm, une longueur utile d'environ 254 mm, et une largeur intérieure d'environ 0,12 mm. Dans chaque cas, les parois chaudes et froides avaient des températures respectives de 1600 C et 37,70 C. Les résultats sont mentionnés dans le tableau 2.
TABLEAU 2
Taux Sépa
litres ration
par heure
Taux F - Circulation verti
d'alimentation Sépa- cale unidirection litres 25 nelle 0 0
par heure An 2D5 X104 1 25
C-Circulation verti- 3 35
cale unidirection- 6 37
nelle 0 0
1 30 G-Circulation verti
2 50 cale à contre-cou
4 50 rant (alimentation
6 45 centrale) 1 90
7 48 2 60
12 30 6 10
Ces résultats montrent, en outre, la haute qualité constante de séparation qu'on peut ob
tenir avec la circulation unidirectionnelle à
des taux supérieurs au taux de circulation thermique dans la nappe liquide, c'est-à-dire à des taux de circulation au-delà desquels une
augmentation du taux ne donne pas une aug
mentation du degré de séparation;
ils démontrent encore l'amélioration du degré et du taux de séparation qu'on peut obtenir à des taux de circulation plus élevés avec la circulation verticale unidirectionelle, par comparaison avec la circulation horizontale unidirectionnelle.
On a reconnu qu'il était généralement avantageux d'extraire les fractions, qui ont été séparées, à des taux approximativement égaux, particulièrement lorsqu'on sait que les composants dissemblables sont présents dans le mélange liquide dans une proportion approximativement égale. Lorsque la matière à concentrer n'est présente qu'en des quantités relativement faibles, par exemple lorsqu'on désire concentrer des isotopes relativement rares, il est généralement plus économique d'extraire avec des taux inégaux les fractions qui ont été séparées, la fraction enrichie de la matière désirée étant extraite à un taux plus bas que l'autre.
L'espace qui est compris entre les parois opposées maintenues à des températures différentes, de manière à produire un gradient thermique en travers de la nappe de mélange liquide, a de préférence une largeur de l'ordre de 3,8 mm ou moins, ou mieux 1,5 mm ou moins. L'espacement minimum n'est pas un facteur critique, comme il l'est dans les colonnes qui sont conçues pour une circulation à contre-courant des fractions séparées, parce que le problème qui consiste à empêcher un nouveau mélange des fractions séparées, à l'in- terface des deux courants en sens inverses, ne se pose pas. Pour des raisons de prix de revient dans la fabrication des plaques ou des tubes concentriques formant les parois chaudes et froides, il y a généralement avantage à ce que l'espacement de ces parois entre elles soit d'au moins 0,25 mm.
REVENDICATIONS :
I. Procédé pour séparer en continu par diffusion thermique deux fractions liquides de composition différente à partir d'un mélange liquide, caractérisé en ce qu'on forme une nappe mince, continue et sensiblement verticale, de liquide, délimitée par des parois lisses, fixes, faites de manière inerte, conductrice de la chaleur, sensiblement équidistantes et très peu écartées l'une de l'autre, on introduit en continu le mélange liquide dans la nappe à l'une de ses extrémités, on maintient un gradient de températures à travers l'espace compris entre les parois opposées, de manière à concentrer une première fraction, circulant en continu, enrichie en un composant du mélange au contact avec une des parois, et à concentrer la deuxième fraction, circulant dans le même sens que la première fraction et appauvrie en ce composant, adjacente à l'autre des parois opposées,
et on extrait en continu et séparément les deux fractions de la nappe en des points éloignés du point d'introduction dudit mélange.