Procédé pour la séparation en continu par diffusion thermique de deux fractions liquides
et appareil pour la mise en oeuvre de ce procédé
Le présent brevet a pour objet un procédé pour la séparation en continu par diffusion thermique de 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'on soumet un mélange liquide à une différence de température, la composition du mélange subit des changements aux endroits de température différente, phénomène que l'on appelle diffusion thermique. L'appareil utilisé pour effectuer une séparation par diffusion thermique est essentiellement constitué par deux parois pourvues de dispositifs servant à maintenir les parois opposées à des températures différentes. Un mélange liquide introduit dans l'appareil, du fait qu'il est soumis à une différence de température dans la chambre formée par les parois chaude et froide, se sépare en deux fractions dissemblables.
L'une des fractions, enrichie en l'un des composants, vient se concentrer le long de la paroi froide, et l'autre fraction, appauvrie en ce même composant, vient se concentrer le long de la paroi chaude. Par suite d'une différence de densité des deux fractions, si la chambre est verticale, il s'établit une circulation thermique à contre-courant tendant à déplacer la fraction concentrée le long de la paroi froide vers la partie inférieure de la chambre et à déplacer l'autre fraction vers le haut vers l'extrémité supérieure de la chambre. Le mode de circulation s'effectuant dans la chambre est une circulation à contre-courant.
On peut introduire de façon continue le mélange liquide dans la chambre en un point situé entre les extrémités de cette dernière, pJar exemple la partie médiane, et on peut extraire les fractions dissemblables aux extrémités opposées de la chambre, c'est-à-dire aux extrémités supérieure et inférieure. Un tel procédé est appelé procédé à chambre verticale, à contre-courant et à alimentation médiane. Avec ce mode de circulation, Ie degré de séparation diminue rapidement lorsque l'on augmente le taux d'alimentation. En conséquence, on a conclu qu'il était essentiel, dans ce type de séparation continue par diffusion thermique d'un liquide, de ne pas gêner exagérément la circulation thermique.
Cette suggestion a également été faite pour effectuer la séparation par diffusion thermique de liquides dans une chambre horizontale dans laquelle deux bandes conductrices de la chaleur se déplacent en sens inverses, pour remplacer la circulation thermique dans une telle chambre.
Le procédé à chambre verticale à contrecourant et à alimentation médiane et le procédé à bandes horizontales déplaçables présentent tous deux l'inconvénient que le liquide contenu dans la chambre est nécessairement divisé en deux courants de sens contraires. Ceci limite le taux d'alimentation et le degré de séparation.
Ces deux procédés présentent, en outre, l'inconvénient de consommer de grandes quantités de chaleur pour réaliser un degré donné de séparation pour des taux d'alimentation plus élevés.
Or, on a constaté que l'on peut effectuer beaucoup plus efficacement des séparations en continu par diffusion thermique de deux fractions liquides de composition différente à partir d'un mélange liquide, à des vitesses de circulation plus élevées, en faisant passer un courant sensiblement horizontal, continu et mince, du mélange liquide entre des parois lisses, supé- rieure et inférieure étroitement espacées, parallèles et opposées, en matière inerte et conductrice de la chaleur, en alimentant de façon continue en mélange liquide ledit courant, à l'une de ses extrémités;
en maintenant une différence de température dans l'espace séparant les parois opposées et occupé par le courant pour concentrer une première fraction, se déplaçant de façon continue, enrichie en l'un des compo- sants du-mélange, au voisinage de l'une des parois et pour concentrer la seconde fraction, se déplaçant dans le même sens que la première fraction et appauvrie en ce composant du mélange, au voisinage de l'autre paroi; enfin, en recueillant, de façon continue et séparément, les deux fractions ainsi formées, à l'autre extrémité du courant.
Dans ce procédé, le mélange liquide et les fractions séparées se déplacent dans le même sens, et non à contre-courant comme dans les chambres de diffusion thermique verticales ou horizontales, dans la technique antérieure, chambres ayant des parois fixes ou se déplaçant à contre-courant.
On a fait la découverte surprenante que lorsque l'on effectue la diffusion thermique continue de liquides de cette manière, le degré de séparation diminue beaucoup plus lentement avec des taux d'alimentation accrus que lorsque l'on utilise des procédés faisant appel à la circulation à contre-courant de fractions sépa- rées. De plus, l'efficacité, mesurée en fonction du volume et du degré de séparation par unité de chaleur consommée, augmente avec la vitesse d'écoulement jusqu'à des valeurs considérablement plus élevées avec le présent procédé, utilisant une circulation dans le même sens qu'avec les procédés utilisant une circulation à contrecourant.
On croit que ces différences sont dues au fait qu'avec la circulation à contre-courant, un taux d'alimentation dépassant le taux de circulation thermique s'oppose à l'effet d'accumulation de la circulation thermique, tandis qu'avec la circulation à courants s'effectuant dans le même sens, la circulation thermique n'est pas un facteur appréciable dans l'acheminement aux orifices d'extractions respectifs des fractions séparées par diffusion thermique.
Le dessin annexé représente, schématiquement et à titre d'exemple, trois formes d'exécution de l'appareil pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention et des diagrammes explicatifs.
Les fig. 1 à 3 représentent respectivement ces trois formes d'exécution.
Les fig. 4 et 5 sont les diagrammes explicatifs.
Dans la première forme d'exécution, représentée à la fig. 1, l'appareil assure le passage d'un courant continu et mince d'un mélange -li- quide dans une chambre 10 délimitée par des parois parallèles supérieure et inférieure 1 1 et 12, fixes et opposées. Les parois 1 1 et 12 comportent des dispositifs contrôlant la température sous forme de serpentins de chauffage et de refroidissement 14 et 16 pourvus respectivement de moyens de raccordement 17 et 19 à des sources d'agents de chauffage et de refroidissement. Les parois opposées 1 1 et 12, qui sont en matière lisse, conductrice de la chaleur et inerte vis-à-vis des mélanges liquides à soumettre à la diffusion thermique, sont maintenues dans leurs positions opposées, étroitement espacées, par un ou plusieurs joints 20.
On introduit le mélange liquide dans la chambre, à l'une de ses extrémités, sous une colonne hydrostatique, à partir d'un récipient 21, au moyen d'un conduit d'amenée 22. Chacun des deux dispositif servant à l'extraction des fractions sé parées, à l'extrémité éloignée de la chambre 10, comprend un canal transversal 24, une série de trous équidistants 26 faisant communiquer le canal 24 avec un passage transversal 27 égalisant la circulation, et une canalisation d'extraction 29 pourvue d'une soupape 30 de commande du taux d'extraction.
I1 est bien entendu que les termes chaud > ; et froid et chauffage et refroidisse- ment , sont utilisés ici dans leur sens relatif plutôt que dans leur sens absolu. Ainsi, par exemple, les surfaces chaude et froide d'une chambre peuvent être maintenues à des températures de l'ordre de 1600 C et 1000 C, respectivement, ou, si le point d'ébullition du liquide à soumettre à la diffusion thermique est bas, à des températures de l'ordre de 00 C et - 350 C, respectivement. Les agents de chauffage peuvent être de la vapeur sous pression, des vapeurs de diphényle ou un mélange bouillant d'eau et d'éthylène glycol, ou bien de l'eau glacée. L'agent de refroidissement peut être un liquide de vaporisation, tel que de l'ammoniaque ou de l'eau bouillante.
Dans la plupart des cas, on constate que, lorsque les densités des fractions liquides sont différentes, la force de diffusion thermique tend à concentrer la fraction la plus lourde au voisinage de la paroi froide et la fraction plus légère au voisinage de la paroi chaude. En conséquence, dans de tels cas, qui se présentent la plupart du temps, on obtient les meilleurs résultats en maintenant la paroi supérieure 1 1 à une température plus élevée que la paroi inférieure 12. Bien entendu, cette disposition a pour but d'éviter que la force de diffusion thermique et la force de gravité ne s'opposent.
Lorsqu'on constate que la force de diffusion thermique tend à concentrer la fraction plus légère au voisinage de la paroi froide et la fraction plus lourde au voisinage de la paroi chaude, il est alors préférable de maintenir la paroi inférieure 12 à une température plus élevée que la paroi supérieure 11.
A titre d'exemple de mélanges liquides dans lesquels la fraction plus légère de concentre au voisinage de la paroi froide, on peut citer un mélange de toluène et méthylcyclohexane.
Les appareils représentés schématiquement aux fig. 2 et 3 permettent de mettre en oeuvre le procédé sous forme d'un procédé en cascade à deux, respectivement trois étages. Les parois supérieure et inférieure opposées sont schématiquement représentées par des lignes droites; les lettres H et C sont utilisées pour désigner respectivement les parois relativement chaude et froide, et les flèches montrent le sens d'écoulement de la charge et des fractions séparées d'une manière qui s'explique d'ellememe.
Les courbes représentées à la fig. 4 donnent le degré de séparation en fonction du taux d'alimentation en litre/heure, le degré de séparation étant t mesuré par la différence entre les indices de e réfraction à 250 C des fractions extraites au voisinage des parois chaude et froide. La courbe
A se rapporte à des essais effectués selon le procédé à chambre verticale, à contre-courant et à alimentation médiane. La courbe B se rapporte à des essais effectués conformément à l'invention, avec chambre horizontale, courants de même sens et alimentation en bout. Dans les deux cas, l'extraction se faisait en proportions égales et dans des chambres de diffusion thermiques de dimensions identiques.
La matière soumise à la diffusion thermique étant un mélange en proportion égales de cétane et de mo nométhylnaphtalène. La longueur et la largeur de la chambre horizontale étaient toutes deux de 228,6 mm et la hauteur et la largeur de la chambre e verticale étaient également toutes deux de 228,6 mm. L'épaisseur de la chambre, c'està-dire l'écartement entre les parois chaude et froide dans chaque cas, était de 0,889 mm. Les températures de la paroi chaude et de la paroi froide, dans chaque cas, étaient respectivement de 1320 Cet de 210 C.
Les courbes de la fig. 4 sont basées sur les données du tableau I donné ci-après et montrent que pour des taux d'alimentation dépassant 0,96 litre par heure, le degré de séparation que l'on peut t obtenir par le procédé selon l'in- vention dépasse de façon considérable celui que l'on peut obtenir avec le procédé à chambre verticale à alimentation médiane et à contre courant, ce degré de séparation étant deux fois plus grand pour un taux de 12 litres par heure.
Tableau I
Taux d'alimentation dn25 X 104
(litres par heure) D
A) Procédé à chambre verticale, à contre courant t et à alimentation médiane.
0,24 158
0,48 115
0,96 76
1,80 45
4,20 19
12,00 7
B) Procédé selon l'invention à chambre horizontale, à courants de même sens et à alimentation en bout.
0,12 109
0,24 99
0,48 91
0,96 76
2,40 57
3,60 41
7,20 20
12,00 14
Les données figurant ci-après dans le tableau II sont obtenues de la même manière que celle décrite en ce qui concerne la fig. 4, mais dans chaque cas la largeur de la chambre était réduite à 152,4 mm et l'épaisseur de la chambre était réduite à 0,685 mm, toutes les autres variables, y compris le mélange liquide soumis à la diffusion thermique, étant les mêmes.
Ce tableau montre que, pour des taux d'ali mentation dépassant deux litres par heure environ, le procédé à chambre horizontale conforme à la présente invention à courants de même sens et à alimentation en bout donne de façon appréciable, un meilleur degré de séparation que ne le fait le procédé à chambre verticale, à contre-courant et à alimentation médiane dans la partie centrale.
Tableau II
Taux d'alimentation An25 X 10
(litres par heure) D
A') Procédé à chambre verticale, à contrecourant et à alimentation médiane.
0,12 146
0,24 137
0,48 115
0,96 80
1,80 59
3,60 17
7,20 5
B') Procédé à chambre horizontale, à courants de même sens et alimentation en bout.
0,06 190
0,24 111
0,48 100
0,96 75
1,80 55
3,00 35
3,60 30
6,00 17
10,20 11
Des résultats analogues à ceux indiqués à la fig. 4 ont été également obtenus avec un mélange en proportions égales de stéarate d'amyle et de monométhylnaphtalène.
Le degré élevé de séparation que l'on peut obtenir avec une circulation à courants de même sens, pour des taux de circulation élevés, ainsi que cela est évident t d'après l'examen de la fig. 4, est d'une immense importance lorsque l'on effectue la séparation par diffusion thermique de mélanges liquides utilisés dans l'industrie. L'une des raisons de cet avantage repose dans le gain très important de chaleur rendu possible par l'accélération du taux de circulation à travers la colonne de diffusion thermique.
Pour illustrer cet avantage on a effectué une comparaison des besoins en chaleur pour obtenir une concentration de 70 o/o du composant clair à partir d'un mélange initial en proportions égales d'un composant clair et d'un composant foncé d'une huile de graissage du commerce ayant un indice de viscosité de 95 dans les diverses conditions de diffusion thermique indiquées sur le tableau III ci-après.
Tableau III
Chaleur requise pour la séparation
Rapport de l'extraction du produit en proportions égales
A B
Circulation Circulation
à contre-courant à courants
à alimentation de même sens
médiane
(conditions à alimentation
optima)
Longueur de la chambre (mètres) . 1,520 1,520
Largeur de la chambre (mètres) . 1 1
Epaisseur de la chambre (millimètres) . 0,762 0,762
Temp. de la paroi chaude (OC) . 316 288
Temp. de la paroi froide (OC) . 66 66
Taux d'alimentation (litres par heure). 6,62 17,2
Chaleur requise (calories/kg de charge) .
11,112 3,745
I1 ressort de ce tableau qu'avec la chambre verticale, il est possible d'obtenir la concentration préalablement choisie de composants légers avec un taux d'alimentation de 6,62 litres par heure et une dépense de chaleur de 11,112 calories par kg de charge. Toutefois, dans une chambre horizontale ayant les mêmes dimensions, la chaleur requise est réduite à 3,745 calories/kg et le taux d'al, imentation est doublé.
D'une manière générale, on a trouvé désirée ble üextraire les fractions séparées dans des proportions approximativement égales, en particulier lorsque l'on sait que les composants dissemblables sont présents dans le mélange li quide en proportions approximativement t égales.
Lorsque la matière à concentrer est présente en quantités relativement faibles, par exemple lorsque l'on désire concentrer des isotopes relativement rares, il est fréquemment plus économique d'extraire les fractions séparées en proportions inégales, la fraction enrichie de la matière désirée étant extraite en une proportion plus faible que l'autre.
L'écartement entre les parois opposées maintenues à des températures différentes pour produire une différence de température dans le courant de mélange liquide est, avantageusement, de l'ordre de 3,810 mm ou moins, de préférence de 1,524 mm ou moins. L'écartement minimum ne constitue pas un facteur aussi critique que dans les colonnes conçues pour la circulation des fractions séparées à contre-courant parce qu'il n'existe pas le problème d'éviter le remélange des fractions séparées à l'interface entre les deux courants circulant à contre-courant. Pour des raisons d'économie lors de la production des plaques constituant les parois chaude et froide, il est, en général, désirable que l'écartement entre ces parois soit au moins de 0,254 mm.
Dans le but d'obtenir simultanément un degré et un taux de séparation élevés, il est plus économique d'utiliser plusieurs chambres de diffusion thermique combinées selon une disposition en cascade.
On a effectué d'autres études pour comparer l'efficacité thermique du procédé à chambre verticale, à contre-courant et à alimentation médiane avec celle du présent procédé, à chambre horizontale, à courants de même sens et à alimentation en bout, en opérant avec un étage unique et avec deux et trois étages en cascade, comme représenté schématiquement sur les fig.
2 et 3.
Les courbes de la fig. 5 sont basées sur les résultats obtenus dans des essais tels que ceux qui ont permis d'établir la fig. 4 et, en outre, sur le rendement thermique, lequel, attendu que le taux de séparation obtenu augmente aussi bien avec le degré de séparation qu'avec le taux d'alimentation, lorsque le rapport d'extractiovn des fractions s'accumulant au voisinage des pa rois chaude et froide reste constant (en proportions égales) et également que la quantité de chaleur consommée varie en raison inverse de l'épaisseur de la chambre et en raison directe de l'étendue de la paroi chaude, a été déterminé par l'équation suivante
Rendement d Degré de séparation X Taux X Epaisseur de la chambre
Etendue de la paroi chaude
Les courbes de la fig.
5, qui sont obtenues d'après les données du tableau IV, donnent le degré de séparation en fonction du rendement fi. D'après ces courbes, il est évident que le rendement thermique du procédé à chambre horizontale, à courants de même sens et à alimentation en bout, exécuté avec un étage unique, est supérieur lorsque le degré de séparation désiré est inférieur à environ 80; que ce même procédé exécuté avec deux étages, est supérieur lorsque le degré de la séparation doit varier entre environ 80 et 140; et que, exécuté avec trois étages, il est supérieur lorsque le degré de la séparation désirée est compris entre les limites d'environ 140 et 210;
le liquide soumis à la diffusion thermique étant un mélange en proportions égales de cétane et de méthylnaphta Iène et les dimensions de la chambre étant les mêmes que celles données à propos de la fig. 4.
Tableau IV
Taux dn25 X 102 X 103 X 1O
litres/heure D ss
E) Procédé à étage unique, à chambre verticale, à contre-courant, à alimentation médiane.
0,24 158 16,3
0,48 115 23,7
0,96 76 31,4
1,80 45 34,8
4,20 19 34,3
12,00 7 36,1
F) Procédé à étage unique, à chambre horizontale, à courants de même sens, à alimentation en bout.
0,12 109 5,6
0,24 99 10,2
0,48 91 18,7
0,96 76 31,4
2,40 57 58,7
3,60 41 63,4
7,20 20 62,0
12,00 14 72,5 Taux zín25 X 10 ss X
litreslheure
G) Procédé à deux étages, à chambreshori- zonales, à courants de même sens, à alimentation en bout.
0,12 218 2,8
0,24 198 5,1
0,48 182 9,4
0,96 152 15,7
2,40 114 29,4
3,60 82 31,7
7,20 40 31,0
12,00 28 34,3
H) Procédé à trois étages, à chambres horizontales, à courants de même sens, à alimentation en bout.
0,12 327 1,7
0,24 297 3,3
0,48 273 5,6
0,96 228 9,4
2,40 171 17,6
3,60 123 19,0
7,20 60 18,6
12,00 42 21,8
Des essais analogues montrent que, lorsque le liquide soumis à la diffusion thermique est un mélange en proportions égales de stéarate d'amyle et méthylnaphtalène et que les dimensions de la chambre sont de nouveau de 228,6 mm X 228,6 mm X 0,889 mm, le procédé selon l'invention, à chambre horizontale, à courants de même sens et à alimentation en bout, exécuté avec un étage, présente une efficacité thermique supérieure lorsque le degré de séparation désiré est inférieur à 35 et que, exécuté avec deux étages, il est supérieur lorsque le degré de séparation désiré est compris entre environ 35 et environ 65.
REVENDICATIONS:
I. Procédé pour la séparation en continu par diffusion thermique de deux fractions liqui
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
Process for the continuous separation by thermal diffusion of two liquid fractions
and apparatus for carrying out this method
The present patent relates to a process for the continuous separation by thermal diffusion of two liquid fractions of different composition from a liquid mixture. It also relates to an apparatus for implementing this method.
When a liquid mixture is subjected to a temperature difference, the composition of the mixture undergoes changes at places of different temperature, a phenomenon known as thermal diffusion. The apparatus used for carrying out thermal diffusion separation consists essentially of two walls provided with devices for maintaining the opposite walls at different temperatures. A liquid mixture introduced into the apparatus, because it is subjected to a temperature difference in the chamber formed by the hot and cold walls, separates into two dissimilar fractions.
One of the fractions, enriched in one of the components, comes to concentrate along the cold wall, and the other fraction, depleted in this same component, comes to concentrate along the hot wall. As a result of a difference in density of the two fractions, if the chamber is vertical, a counter-current thermal circulation is established tending to move the fraction concentrated along the cold wall towards the lower part of the chamber and to move the other fraction upward toward the upper end of the chamber. The circulation mode taking place in the chamber is counter-current circulation.
The liquid mixture can be introduced continuously into the chamber at a point between the ends of the latter, for example the middle part, and the dissimilar fractions can be extracted at the opposite ends of the chamber, that is to say at the upper and lower ends. Such a process is referred to as the vertical chamber, countercurrent, and mid-feed process. With this circulation mode, the degree of separation decreases rapidly as the feed rate is increased. Consequently, it was concluded that it was essential, in this type of continuous separation by thermal diffusion of a liquid, not to unduly interfere with the thermal circulation.
This suggestion has also been made to effect thermal diffusion separation of liquids in a horizontal chamber in which two heat-conducting bands move in opposite directions, to replace thermal circulation in such a chamber.
The vertical chamber countercurrent and mid-feed process and the movable horizontal strip process both have the disadvantage that the liquid in the chamber is necessarily divided into two opposing streams. This limits the feed rate and the degree of separation.
Both these processes have the further disadvantage of consuming large amounts of heat to achieve a given degree of separation at higher feed rates.
However, it has been found that it is possible to carry out continuous separations by thermal diffusion of two liquid fractions of different composition from a liquid mixture, at higher circulation speeds, much more efficiently, by passing a current substantially horizontal, continuous and thin, of the liquid mixture between smooth, closely spaced, parallel and opposite, upper and lower walls of inert and heat-conducting material, continuously supplying said stream with a liquid mixture, to one of its ends;
by maintaining a temperature difference in the space between the opposite walls and occupied by the current to concentrate a first fraction, moving continuously, enriched in one of the components of the mixture, in the vicinity of one walls and to concentrate the second fraction, moving in the same direction as the first fraction and depleted in this component of the mixture, in the vicinity of the other wall; finally, by collecting, continuously and separately, the two fractions thus formed, at the other end of the current.
In this process, the liquid mixture and the separated fractions move in the same direction, and not against the current as in the vertical or horizontal thermal diffusion chambers, in the prior art, chambers having fixed walls or moving against them. -current.
It has been surprisingly found that when continuous thermal diffusion of liquids is carried out in this manner, the degree of separation decreases much more slowly with increased feed rates than when using circulation methods. against the current of separate fractions. In addition, the efficiency, measured as a function of the volume and the degree of separation per unit of heat consumed, increases with the flow rate to considerably higher values with the present process, using circulation in the same direction. than with processes using countercurrent circulation.
These differences are believed to be due to the fact that with countercurrent circulation a feed rate exceeding the thermal circulation rate opposes the accumulation effect of thermal circulation, while with the circulation with currents being carried out in the same direction, the thermal circulation is not an appreciable factor in the routing to the respective extraction orifices of the fractions separated by thermal diffusion.
The appended drawing represents, schematically and by way of example, three embodiments of the apparatus for implementing the method according to the invention and explanatory diagrams.
Figs. 1 to 3 respectively represent these three embodiments.
Figs. 4 and 5 are the explanatory diagrams.
In the first embodiment, shown in FIG. 1, the apparatus ensures the passage of a continuous and thin current of a liquid mixture in a chamber 10 delimited by upper and lower parallel walls 11 and 12, fixed and opposed. The walls 11 and 12 comprise devices controlling the temperature in the form of heating and cooling coils 14 and 16 respectively provided with connection means 17 and 19 to sources of heating and cooling agents. The opposite walls 1 1 and 12, which are made of a smooth material, which conducts heat and is inert with respect to the liquid mixtures to be subjected to thermal diffusion, are held in their opposite positions, closely spaced, by one or more seals 20.
The liquid mixture is introduced into the chamber, at one of its ends, under a hydrostatic column, from a container 21, by means of a supply pipe 22. Each of the two devices serving for the extraction of the separated fractions, at the far end of the chamber 10, comprises a transverse channel 24, a series of equidistant holes 26 communicating the channel 24 with a transverse passage 27 equalizing the circulation, and an extraction pipe 29 provided with an extraction rate control valve 30.
It is understood that the terms hot>; and cold and heating and cooling, are used herein in their relative sense rather than in their absolute sense. Thus, for example, the hot and cold surfaces of a chamber can be maintained at temperatures of the order of 1600 C and 1000 C, respectively, or, if the boiling point of the liquid to be subjected to thermal diffusion is low, at temperatures of the order of 00 C and -350 C, respectively. The heating agents can be pressurized steam, diphenyl vapors or a boiling mixture of water and ethylene glycol, or ice water. The coolant can be a vaporizing liquid, such as ammonia or boiling water.
In most cases, it is found that when the densities of the liquid fractions are different, the thermal diffusion force tends to concentrate the heavier fraction near the cold wall and the lighter fraction near the hot wall. Consequently, in such cases, which occur most of the time, the best results are obtained by maintaining the upper wall 1 1 at a higher temperature than the lower wall 12. Of course, this arrangement is intended to avoid that the thermal diffusion force and the force of gravity do not oppose.
When it is observed that the thermal diffusion force tends to concentrate the lighter fraction in the vicinity of the cold wall and the heavier fraction in the vicinity of the hot wall, it is then preferable to keep the lower wall 12 at a higher temperature than the top wall 11.
As an example of liquid mixtures in which the lighter fraction is concentrated in the vicinity of the cold wall, there may be mentioned a mixture of toluene and methylcyclohexane.
The devices shown schematically in FIGS. 2 and 3 make it possible to implement the method in the form of a cascade method with two or three stages respectively. The opposing upper and lower walls are schematically represented by straight lines; the letters H and C are used to denote the relatively hot and cold walls, respectively, and the arrows show the direction of flow of the charge and the separated fractions in a self-explanatory manner.
The curves shown in fig. 4 give the degree of separation as a function of the feed rate in liters / hour, the degree of separation being t measured by the difference between the refractive indices at 250 ° C. of the fractions extracted in the vicinity of the hot and cold walls. The curve
A relates to tests performed using the vertical chamber, countercurrent and mid-feed method. Curve B relates to tests carried out in accordance with the invention, with horizontal chamber, currents in the same direction and end feed. In both cases, the extraction was carried out in equal proportions and in thermal diffusion chambers of identical dimensions.
The material subjected to thermal diffusion being a mixture in equal proportions of cetane and of methylnaphthalene. The length and width of the horizontal chamber were both 228.6 mm and the height and width of the vertical chamber were also both 228.6 mm. The thickness of the chamber, i.e. the distance between the hot and cold walls in each case, was 0.889 mm. The temperatures of the hot wall and the cold wall, in each case, were respectively 1320 Cet of 210 C.
The curves in fig. 4 are based on the data of Table I given below and show that for feed rates exceeding 0.96 liters per hour, the degree of separation which can be obtained by the process according to the invention considerably exceeds that which can be obtained with the vertical chamber process with mid-feed and countercurrent, this degree of separation being twice as great at a rate of 12 liters per hour.
Table I
Feed rate dn25 X 104
(liters per hour) D
A) Vertical chamber, countercurrent t and mid-feed process.
0.24 158
0.48 115
0.96 76
1.80 45
4.20 19
12.00 7
B) Method according to the invention with a horizontal chamber, currents in the same direction and end feed.
0.12 109
0.24 99
0.48 91
0.96 76
2.40 57
3.60 41
7.20 20
12.00 14
The data shown below in Table II are obtained in the same manner as that described with regard to FIG. 4, but in each case the width of the chamber was reduced to 152.4mm and the thickness of the chamber was reduced to 0.685mm, all other variables including the liquid mixture subjected to thermal diffusion being the same .
This table shows that, for feed rates in excess of about two liters per hour, the horizontal chamber process according to the present invention with same direction flows and end feed gives appreciably a better degree of separation than. does the vertical chamber process, countercurrent and mid-feed in the central part.
Table II
Feed rate An25 X 10
(liters per hour) D
A ') Vertical chamber, countercurrent and mid-feed process.
0.12 146
0.24 137
0.48 115
0.96 80
1.80 59
3.60 17
7.20 5
B ') Horizontal chamber process, with currents in the same direction and end feed.
0.06 190
0.24 111
0.48 100
0.96 75
1.80 55
3.00 35
3.60 30
6.00 17
10.20 11
Results similar to those shown in fig. 4 were also obtained with a mixture of equal proportions of amyl stearate and of monomethylnaphthalene.
The high degree of separation which can be obtained with same-direction flow circulation at high circulation rates, as is evident from the examination of fig. 4, is of immense importance when performing thermal diffusion separation of liquid mixtures used in industry. One of the reasons for this advantage lies in the very significant gain in heat made possible by the acceleration of the rate of circulation through the thermal diffusion column.
To illustrate this advantage a comparison was made of the heat requirements to obtain a concentration of 70% of the clear component from an initial mixture in equal proportions of a clear component and a dark component of an oil. commercial lubricant having a viscosity index of 95 under the various thermal diffusion conditions indicated in Table III below.
Table III
Heat required for separation
Ratio of product extraction in equal proportions
A B
Circulation Circulation
against the current
same direction feed
median
(conditions at power
optima)
Length of the room (meters). 1,520 1,520
Room width (meters). 1 1
Chamber thickness (millimeters). 0.762 0.762
Temp. of the hot wall (OC). 316,288
Temp. of the cold wall (OC). 66 66
Feed rate (liters per hour). 6.62 17.2
Required heat (calories / kg load).
11,112 3,745
It appears from this table that with the vertical chamber, it is possible to obtain the previously selected concentration of light components with a feed rate of 6.62 liters per hour and a heat expenditure of 11.112 calories per kg of load. . However, in a horizontal chamber having the same dimensions, the heat required is reduced to 3.745 calories / kg and the rate of absorption is doubled.
In general, it has been found desirable to extract the separated fractions in approximately equal proportions, especially when it is known that the dissimilar components are present in the liquid mixture in approximately equal proportions.
When the material to be concentrated is present in relatively small quantities, for example when it is desired to concentrate relatively rare isotopes, it is frequently more economical to extract the separated fractions in unequal proportions, the enriched fraction of the desired material being extracted in a lower proportion than the other.
The spacing between the opposing walls maintained at different temperatures to produce a temperature difference in the liquid mixture stream is preferably on the order of 3.810mm or less, preferably 1.524mm or less. The minimum spacing is not as critical a factor as in columns designed for the flow of the separated fractions against the current because there is no problem of avoiding remixing of the separated fractions at the interface between the two currents flowing against the current. For reasons of economy during the production of the plates constituting the hot and cold walls, it is, in general, desirable that the spacing between these walls be at least 0.254 mm.
In order to simultaneously obtain a high degree and rate of separation, it is more economical to use several thermal diffusion chambers combined in a cascade arrangement.
Further studies were carried out to compare the thermal efficiency of the vertical chamber, countercurrent, mid-feed process with that of the present horizontal chamber, same-directional, end-feed process, operating with a single stage and with two and three stages in cascade, as shown schematically in figs.
2 and 3.
The curves in fig. 5 are based on the results obtained in tests such as those which made it possible to establish FIG. 4 and, moreover, on the thermal efficiency, which, since the degree of separation obtained increases both with the degree of separation and with the rate of feed, when the ratio of extractiovn of the fractions accumulating in the vicinity of the hot and cold walls remains constant (in equal proportions) and also that the amount of heat consumed varies inversely with the thickness of the chamber and in direct ratio with the extent of the hot wall, was determined by the 'following equation
Efficiency d Degree of separation X Rate X Thickness of the chamber
Extent of hot wall
The curves in fig.
5, which are obtained from the data in Table IV, give the degree of separation as a function of the yield fi. From these curves, it is evident that the thermal efficiency of the horizontal chamber, same direction flow, end feed process, performed with a single stage, is higher when the desired degree of separation is less than about 80; that this same process carried out with two stages, is superior when the degree of separation must vary between about 80 and 140; and that, performed with three stages, it is higher when the degree of the desired separation is between the limits of about 140 and 210;
the liquid subjected to thermal diffusion being a mixture in equal proportions of cetane and of methylnaphtha Iene and the dimensions of the chamber being the same as those given with regard to FIG. 4.
Table IV
Rate dn25 X 102 X 103 X 1O
liters / hour D ss
E) Single stage, vertical chamber, counter-current, mid-feed process.
0.24 158 16.3
0.48 115 23.7
0.96 76 31.4
1.80 45 34.8
4.20 19 34.3
12.00 7 36.1
F) Single stage, horizontal chamber, same direction flow, end feed process.
0.12 109 5.6
0.24 99 10.2
0.48 91 18.7
0.96 76 31.4
2.40 57 58.7
3.60 41 63.4
7.20 20 62.0
12.00 14 72.5 Rate zín25 X 10 ss X
liters hour
G) Two-stage, horizontal chamber, same-directional, end-fed process.
0.12 218 2.8
0.24 198 5.1
0.48 182 9.4
0.96 152 15.7
2.40 114 29.4
3.60 82 31.7
7.20 40 31.0
12.00 28 34.3
H) Three-stage, horizontal chamber, same-directional, end-fed process.
0.12 327 1.7
0.24 297 3.3
0.48 273 5.6
0.96 228 9.4
2.40 171 17.6
3.60 123 19.0
7.20 60 18.6
12.00 42 21.8
Analogous tests show that when the liquid subjected to thermal diffusion is a mixture of equal proportions of amyl stearate and methylnaphthalene and the dimensions of the chamber are again 228.6 mm X 228.6 mm X 0.889 mm , the method according to the invention, with horizontal chamber, same-direction currents and end-feed, carried out with one stage, has a higher thermal efficiency when the desired degree of separation is less than 35 and that, carried out with two stages , it is greater when the desired degree of separation is between about 35 and about 65.
CLAIMS:
I. Process for the continuous separation by thermal diffusion of two liquid fractions
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