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
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