Brevet FR2001481A1 — publié le 19690926

La séparation de deux ou plusieurs liquides par distillation fractionnée est un procédé bien connu. Dans ce procédé, la séparation désirée s'effectue par l'obtention d'un certain équilibre liq.uide-vapeur dans la colonne de distillation et constitue en 5 fait un procédé en marche continue dans lequel les fluides à séparer circulent à contre-courant l'un de l'autre. Ce n'est que tout récemment que des procédés permettant d'effectuer en marche continue la séparation d'une matière à 1' état liquide et d'une matière à l'état solide ont été étudiés et 10 mis au point. Auparavant, ce type d'opérations, basé sur la cristallisation de l'une des matières à séparer, devait être effectué par charges distinctes. L'introduction dans les appareils utilisés d'une zone de fusion des cristaux formés à permis d'obtenir des rendements meilleurs dans la séparation de liquides 15 par cristallisation et d'opérer en marche seni-continue. Divers procédés de cristallisation fractionnée en marche continue avaient été proposés antérieurement mais ne présentaient pas les avantages inhérents aux procédés à circulation à contre-courant. Un procédé de cristallisation à circulation à contre-20 courant utilisant les principes de fonctionnement des colonnes de distillation a été décrit par Schildekneeht et Yetter dans "Angew Chemistry",.Septembre 1961, N° 73, pages 612 à 615. Ce procédé concerne la séparation en ces constituants d'un mélange de deux substances, mutuellement miscibles en toutes concentra-25 tions à la fois à l'état cristallisé et à l'état liq.uide, le mélange de départ constitué par ces deux substances étant introduit à l'état liqâide approximativement à mi-hauteur d'une colonne dont l'une des extrémités est refroidie et dont l'autre extrémité est chauffée. Au fur et à mesure q.ue des cristaux se 30 forment dans la partie la plus froide de la colonne, ils sont transportés dans la partie la plus chaude de celle-ci. Au cours de ce transport, ces cristaux sont lavés par le mélange liquide de départ. Les cristaux de l'une des substances qui arrivent sur l'extrémité chaude de la colonne sont fondus et extraits 35 sous la forme d'un premier produit, et la deuxième substance arrivant sur l'autre extrémité de la colonne est'extraite sous la forme d'un deuxième produit. Schildeknecht et autres ont décrit dans l'article précité diverses formes possibles d'un appareil avec lequel ils ko ont essayé d'effectuer des cristallisations avec circulation à 69 02840 2 2001481 contre-courant. Leurs essais les ont conduits à la réalisation d'un appareil comportant essentiellement une enveloppe extérieure entourant un noyau central fixe et un transporteur hélicoïdal tournant entre ce noyau et cette enveloppe. Un appareil de ce 5 type est représenté sur la figure 1 des dessins annexés et va être décrit ci-après dans son application à l'extraction du benzène hors d'un mélange de départ de benzène et de solvants non aromatiques, mais cet appareil peut aussi être utilisé pour séparer une matière cri-stallisable quelconque d'une solution la. -10 contenant. Cet appareil est constitué par une colonne 1 comprenant une enveloppe cylindrique entourant un noyau intérieur 2. Une hélice transporteuse 3 est logée dans l'espace annulaire séparant le noyau de son enveloppe, cette fcélice étant ajustée avec 15 précision entre l'enveloppe et le noyau de l'appareil et étant mise en rotation par un engrenage à roue et vis sans fin 9-10 placé sur l'extrémité supérieure de la colonne. L'extrémité inférieure de cette hélice est libre et n'est maintenue dans aucune portée. Un réfrigérant 4 entoure l'extrémité supérieure de la 20 colonne et un réchauffeur 5 entoure son extrémité inférieure. Le mélange de départ de benzène et de produits non aromatiq.ues est introduit dans l'appareil par une tubulure 6 située à mi-hauteur environ de la colonne. Le réchauffeur 5 provoque dans ce mélange un mouvement ascensionnel de reflux qui le 25 porte sur l'extrémité supérieure de la colonne dans laquelle il subit un refroidissement q.ui provoque la formation de cristaux. L'hélice 3 tourne dans un sens tel qu'elle ramène constamment les cristaux formés vers le bas de la colonne, et, au cours de ce mouvement de descente, ces cristaux sont lavés par le courant 30 ascendant du mélange de départ. Après établissement d'un certain équilibre de marche dans l'appareil, les cristaux arrivent au bas de la colonne, sont fondus par l'action du réchauffeur 5 et sont retirés par une tubulure 7 sous forme de benzène liquide, les produits non aromatiques étant extraits du sommet de la colon-35 ne par une tubulure 8. Le succès de cette cristallisation à contre-courant dépend dans une large mesure de l'efficacité obtenue dans le transport des cristaux à l'intérieur de la colonne. Dans les appareils de type classique. décrits ces cristaux se déplacent sous 40 l'action d'une hélice transporteuse tournant entre l'enveloppe 69 02840 3 2001481 extérieure et le noyau central de l'appareil, et cette hélice transporteuse doit être usinés à des tolérances très serrées pour que son fonctionnement soit satisfaisant, le jeu à laisser entre cette hélice et les parois de l'espace annulaire compris entre 5 l'enveloppe extérieure et le noyau central de l'appareil étant au plus égal à 0,75 mm pour une hélice de 200 mm de diamètre et de 1,8Q0 m dé longueur. Elis à part Les problèmes que pose cet usinage précis de l'hélice transporteuse, celle-ci frotte inévitablement contre les parois de l'espace annulaire dans lequel 10 elle tourne et, en pratique, ces frottements provoquent des collages entre les surfaces en contact et des usures de l'hélice et des parois contre lesquelles elle frotté. La demanderesse a observé que l'importance de ces difficultés inhérentes à l'emploi d'une hélice transporteuse peut souvent être diminuée en rempla-15 çant celle-ci, en totalité ou en partie par une vis transporteuse tournant autour d'un noyau central. Si désiré, cette hélice et son noyau central peuvent être remplacés en totalité par une vis transporteuse tournant dans des portées logées respectives ment sur l'extrémité supérieure et sur l'extrémité inférieure 20 dq&a colonne et mise en rotation par son extrémité supérieure ou par son extrémité inférieure ; en variante,•une hélice tournant autour d'un noyau central peut être prévue dans la zone de refroidissement de la colonne, une vis transporteuse occupant le reste de la hauteur de cette colonne, ces deux dispositifs 25 . transporteurs étant réunis l'un à l'autre de façon que le transport des cristaux s'effectue sans interruption sur toute la hauteur de la colonne. Il n'est toutefois pas indispensable que - l'hélice et la vis de l'appareil soient reliées l'une à l'autre, et elles peuvent être montées de façon qu'il soit possible de 30 les faire tourner à des vitesses différentes suivant les conditions àans lesquelles s'effectue la séparation désirée. De plus, l'expérience a montré que l'efficacité obtenue dans le transport des cristaux et dans le mouvement ascendant de la liqueur mère dans une colonne de cristallisation à marche continue dé-35- pend dans une large mesure du degré de fini des surfaces travaillantes du mécanisme transporteur, que ce mécanisme soit constitué par une hélice tournant autour d'un noyau central, par une vis transporteuse, ou par une combinaison des deux. La présente invention est par conséquent basée sur 40 l'observation faite que le rendement du mécanisme transporteur 6° n*?940 2001481 est d'autant meilleur que le degré de fini de ees surfaces travaillantes est lui aussi meilleur ; l'expérience a montré à ce sujet que, pour obtenir un transport convenable des matières traitées, il est nécessaire que le degré de fini de ces surfaces 5 soit au moins égal au degré 63 de l'échelle des finis de surface de la norme Britannique ïï° 1.134 (1961), laquelle est basée sur la mesure des variations moyennes du profil de la pièce dont on évalue l'état de surface par rapport à une ligne des centres d'usinage. 10 - Oes mécanismes transporteurs peuvent §tre en acier doux et être utilisés tels quels après usinage. Dans certains cas, par exemple lôrsqu'il s'agit de traiter des produits alimentaires, ces mécanismes transporteurs peuvent être en acier inoxydable et être utilisés aussi tels qu'ils sortent d'usinage. Tou-15 tefois, il est fréquent que des problèmes dus à la corrosion puissent se poser, et il est par conséquent préféré que les mécanismes transporteurs des appareils de l'invention soient chromés après usinage, ce chromage ne devant évidemment pas compromettre leur excellent fini de surface. Toutes les irrégularités 20 d'une surface sous-jacente se retrouvant sur la cbuche de chrome qu'elle reçoit, il nécessaire avant chromage d'usiner puis de polir soigneusement le transporteur de l'appareil de façon que le degré de finition de ses surfaces travaillantes soit au moins égal a celui indiqué plus haut ; de préférence, le chromage pré-25 cité est un chromage dur, épais, résistant à l'abrasion et à la corrosion, et appliqué directement sur le métal sous-jacent et sans couche intermédiaire d'accrochage par les procédés normaux connus et utilisés dans ce cas en électrolyse. Un exemple de fabrication d'une vis transporteuse uti— 30 lisabêke pour la mise en application de la présente invention est donné ci-après. Une telle vis, qui peut avoir par exemple 850 mm de longueur et 50 mm de diamètre, peut être tirée par usinage dans un tube d'acier doux à paroi épaisse, ce tube étant de préférence obtenu par forage d'une barre ronde pleine de façon à 35 présenter en tous ees points les mêmes caractéristiques à l'usinage ; un tube filé est d'un usinage plus difficile, mais possible à condition d'être effectué avec soin. Le fini de surface désiré et précisé plus haut peut être obtenu par un tournage fin . ou par un forage à l'aide d'une fraise travaillant en bout, ces 40 opérations étant suivies d'un meulage. Des vis dont la longueur 69 02840 5 2001481 peut atteindre 1,800 kl et le diamètre 200 mm peuvent être fabriquées par ce procédé, et des hélices transporteuses peuvent de même être fabriquées en partant de tubes de dimensions appropriées. 5 La vis ou l'hélice transporteuse ainsi usinée est en suite dégraissée, à l'acétone par exemple, puis reçoit un poli satiné mat par polissage à l'aide d'un buffle ou d'un disque enduit d'une pâte appropriée telle, par exemple, que cêlle vendue sous la marque de fabrique "Sateen". Une couche de chrome 10 dur de 0,025 mm d'épaisseur nominale est ensuite appliquée sur la vis ou sur l'hélice qui, après avoir subi un nouveau polissage satiné mat, est prête à être utilisée. Un autre procédé utilisable pour la fabrication de la vis transporteuse consiste à couler cette vis en fonte meehanite 15 avec une tolérance de 0,125 mm, puis à l'usiner au fini de surface désiré et à la chromer ensuite comme indiqué plus haut. La qualité de la séparation obtenue dans un appareil de cristallisation à transporteur hélicoïdal dépend directement du rendement du réchauffeur et de celui du réfrigérant dont il 20 est équipé et du lavage subi par les cristaux. Diverses modifications peuvent être apportées à la disposition- classique suivant laquelle le réfrigérant entoure l'une des extrémités de la colonne et le réchauffeur entoure son autre extrémité. Selon , une autre caractéristique de la présente invention, le réchauf..'-25 feur, le réfrigérant, ou les deux, peuvent;être logés à l'intérieur du mécanisme transporteur et non, comme dans leur disposition classique, autour de la colonne de cristallisation ; si le mécanisme transporteur de l'appareil est constitué en partie par une vis et en partie par une hélice, un réchauffeur et un 30 réfrigérant approprié peuvent être logés respectivement dans la vis et dans le noyau central de la colonne autour duquel tourne l'hélice, c'est-à-dire à l'opposé de leur disposition classique. On obtient de cette façon un bien meilleur rendement des opérations de chauffage et de refroidissement. Une autre caractéris-35 tique de l'invention consiste en ce que les parties hélicoïdales des mécanismes transporteurs peuvent être creuçes et qu'un fluide réchauffeur ou refroidisseur peut ainsi y être mis en circulation. Si, comme précédemment, l'appareil comporte à la fois une vis et une hélice transporteuses travaillant conjointement, tou-40 "tes deux peuvent être creuses et le même fluide, ou un fluide BAD ORIGINAL 6° 02840 6 2001481 différent, peut être mis en circulation dans chacune. Cette solution présente l'avantage qu'il est alors possible de faire circuler un liq_uide refroidisseur dans la vis, ou à la fois dans la vis et dans l'hélice, et d'utiliser ce même liquide comme 5 véhicule pour le transfert de la chaleur d'une extrémité de la colonne à l'autre. Dans ce cas, s'il arrive que la colonne soit complètement engorgée par les cristaux, il est possible de faire fondre rapidement ces ciistaux au moyen d'une circulation de fluide chaud. 10 - L'obtention du meilleur rendement possible en cristal lisation en marche continue effectuée dans un appareil comportant un mécanisme transporteur hélicoïdal exige que le fonctionnement du réfrigérant et celui du réchauffeur soient équilibrés mutuellement avec précision. Il est évident que si un excès de 15 fluide refroidisseur est envoyé dans l'appareil, il se forme une quantité de cristaux excessive par rapport au débit d'alimentation de l'appareil en mélange de départ, et cet appareil est rapidement bloqué par les cristaux formés. Un moyen d'éviter cet inconvénient, ou au moins d'en diminuer notablement le risque, 20 consiste à mettre en rotation la vis de l'appareil, ou à la fois sa vis et son hélice, à l'aidé d'un moteur électrique et de régler dans la colonne le débit du fluide réfroidisseur et réchauf-feur en fonction de la puissance absorbée par ce moteur. Il est évident que si la marche de la colonne est, à un moment quel-25 conque, telle qu'il s'y produit une cristallisation trop abondante, il se forme dans la colonne un excès de cristaux et la rotation du mécanisme transporteur exige alors plus de puissance. L'alimentation en fluide refroidisseur est par conséquent réglée de préférence en fonction inverse de la puissance absorbée par 30 le moteur de commande du mécanisme transporteur. D'autre part, la fraction absorbée au passage par les cristaux et par la liqueur mère d'une lumière qui les traverse varie en fonction de la quantité présente des cristaux formés et, par suite, cette fraction de lumière absorbée par le conte-35 nu de la colonne constitue une mesure du degré de cristallisation atteint. Un autre procédé permettant de régler convenablement l'alimentation de l'appareil en fluide refroidisseur ou réchauffeur consiste à utiliser cette plus ou moins grande transparence du contenu de la colonne ; à cet effet, il peut être 4C prévu sur la colonne une double fenêtre transparente permettant 69 02840 7 2001481 à la lumière de traverser suivant son épaisseur le contenu de la colonne et une cellule photoélectrique recevant la lumière ayant traversé ce contenu et fournissant une tension de sortie utilisée pour régler le débit du fluide réchauffear ou du fluide 5 refroidisseur introduit dans l'appareil. En cristallisation en marche continue, la colonne utilisée est normalement cylindrique. Dans certains cas, il peut être désirable de modifier quelque peu cette forme classique. Par exemple; la collone peut être tronconique, le dispositif 10 réfrigérant étant placé sur l'extrémité de cette colonne dont le diamètre est le plus grand. Sn cristallisation continue, le problème qui se pose est toujours l'obtention d'un refroidissement provoquant la formation de cristaux dans les solutions traitées, et l'emploi d'une telle colonne tronconique permet de donner un 15 volume plus grand à la zone froide de la colonne tout en conservant la forme générale des zones de lavage sous-jacentes. Dans certains cas, il peut être avantageux d'utiliser une colonne de forme générale cylindrique mais comprenant deux parties de diamètre différents et de hauteurs calculées de façon que le rapport 20 entre las surfaces de réchauffage et de refroidissement ait une valeur optimale. Il a été implicitement supposé que, dans les colonnes qui viennent d'être décrites, les cristaux qui se forment ont une densité supérieure à celle de la liqueur mère. Mais, même 25 si ces cristaux sont moins denses que la liqueur mère, le procédé exige malgré cela qu'ils soient transportés le long de la colonne dâ son extrémité froide vers son extrémité chaude, et il peut être avantageux dans certains Cas de placer le réchauffeur sur l'extrémité supérieure de la colonne et le réfrigérant sur 30 son extrémité inférieure, c'est-à-dire d'inverser le sens de déplacement des cristaux. Dans certains cas, il peut être d'autre part possible d'utiliser en outre pour la séparation des cristaux les mouvements de convection thermique qui agitent le mélange en cours de traitement, et il peut alors être avantageux d'incliner 35 la colonne de cristallisation par rapport à la verticale, les mécanismes transporteurs hélicoïdaux classiques portent un certain nombre de spires sur leur longueur ; si l'on diminue ce nombre de spires, l'effet séparateur mécanique du transporteur diminue et l'effet séparateur dû aux seuls courants de convection /fO devient Je plus important. Le fonctionnement d'une vis transpor- 69 02840 8 2001481 teuse ou d'une vis et d'une liélice transporteuses combinées peut être ainsi amélioré dans une colonne inclinée sur la verticale comme il vient d'être décrit. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'in-5 vention ressortiront en outre de la description qui va suivre, description faite à titre purement explicatif et nullement limitatif et avec référence aux dessins annexés dans lesquels î - la figure 1 représente, ainsi qu'il a été précédemment indiqué, un appareil de construction classique conforme à 10 celui décrit dans l'article précité paru dans "Angew Chemistry" ; - la figure 2 représente une colonne de cristallisation dont le mécanisme transporteur est constitué par une vis ; - la figure 3 représente une colonne de cristallisation dont le mécanisme transporteur est constitué par une vis et par 15 une hélice transporteuses interconnectées ; et - la figure 4 représente une colbnne de cristallisation dont le mécanisme transporteur est constitué en partie par une vis et en partie par une liélice transporteuse, cette vis et cette -liélice étant montées de façon à pouvoir être mises en rotation à 20 des vitesses différentes. les colonnes des figures 2, 3 et 4 sont conformes à l'invention. Sur toutes les figures des dessins annexés, les pièces ayant les mêmes fonctions ont été affectées des mêmes références 25 chaque fois qu'il a éiîé possible de le faire sans ambiguïté. L'appareil représenté sur la figure 2 comporte une vis " transporteuse 11 tournant à l'intérieur d'une colonne 1 dans les roulements 12 et 13. Un pignon 14, claveté sur l'arbre de cette vis est mis en mouvement en 15 sur le côté de la colonne 1 par 30 un mécanisme moteur approprié non représenté ; la partie de la colonne dans laquelle est logé le pignon 14 est isolée de la partie principale de cette colonne par un joint constitué par un corps de presse-étoupe 16, une garniture 17 et un chapeau de pres-se-étoupe 18. 35 Le réchauffeur 5 de la figure 1 est remplacé dans l'ap pareil de la figure 2 par un réchauffeur à immersion 19 logé directement à l'intérieur de la vis transporteuse. La figure 3 représente une colonne de cristallisation 1 dont la partie supérieure est entourée d'un réfrigérant 4. Le ko mécanisme transporteur de cette colonne est en deux parties, savoir 69 02840 Q 2001481 une vis transporteuse 21 tournant dans les roulements 22 et 23 et entraînée en rotation par un pignon 24 et un mécanisme moteur approprié non représenté, et une hélice transporteuse 25 dont la spire inférieure est fixée en 26 sur la spire supérieure de la 5 vis transporteuse. Cette hélice 25 tourne autour d'un noyau central fixe 27, l'étanchéité entre ce noyau et l'arbre de la vis transporteuse étant assurée par des joints toriques 28. La figure 4 représente une colonne 1 dont la partie supérieure est entourée par un réfrigérant 4. Le mécanisme trans-10 porteur de cet appareil est en deux parties, savoir une vis transporteuse 31 tournant dans des roulements 32 et 33 et mise en rotation par un engrenage à roue et vis sans fin 34-38, et une hélice transporteuse 35 mise en rotation par un engrenage à roue et vis sans fin 36-39- Cette hélice tourne autour d'un no-15 yau central fixe 37. Dans l'appareil de la figure 4, la vis et l'hélice peuvent être mises en rotation à dès vitesses différentes . Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits, mais s'étend à toutes les va-20 riantes conformes à son esprit. 69 02840 10 2001481 REVENDICATIONS 1 - Appareil de cristallisation à contre-courant et du type décrit, comportant : une colonne; un mécanisme transporteur logé 5 dans cette colonne; une dispositif permettant d'introduite dans cette colonne un mélange de départ; des dispositifs réchauffant l'une des extrémités de la colonne et refroidissant son autre extrémité, et des dispositifs permettant d'extraire un produit par l'une des extrémités de la colonne et un autre_produit par 10 son autre extrémité; le mécanisme transporteur de l'appareil étant constitué soit par une hélice tournant autour d'un noyau central, • soit par une vis transporteuse, soit partiellement par une vis transporteuse et partiellement par une hélice tournant autour d'un noyau central, le degré de finition des surfaces des parties 15 travaillantes du mécanisme transporteur de l'appareil étant au moins égal ag. degré 63 de la norme Britannique N° 1.134, année d'édition 1961. 2 - Appareil selon la revendication 1 dans lequel le mécanisme transporteur est constitué par une hélice tournant autour d'un PO noyau central fixe dans la zone de refroidissement de la colonne et par une vis transporteuse dans le reste de cette colonne, cette hélice et cette vis étant réunies bout-à-bout, de sorte que le mécanisme transporteur de l'appareil ne présente aucune interruption sur toute la hauteur de la colonne. 25 3 - Appareil selon la renvendication 1 dans lequel le mécaninsme transporteur est constitué par une hélice tournant autour d'un noyau central dans la zone de refroidissement de la colonne et par une vis transporteuse dans le reste de cette colonne, cette hélice et cette vis étant ibontées indépendamment l'une de l'autre 30 de façon à pouvoir être mises en rotation à des Mtesses différentes. 4 - Appareil selon l'une quelconque des renvendications précédentes et dans lequel le mécanisme transporteur a reçu un dépôt électrolytique de chrome. ■35 5 - Appareil selon l'une quelconque des~renvendications précédentes dans lequel le dispositif réchauffeur et le dispositif refroidisseur sont tous deux logés à l'intérieur du mécanisme transporteur, c 'est-à-dire• à l'inverse de leur • disposition classiq.ue pour laquelle ils entourent extérieurement la colonne. ifC0pY 69 02840 11 2001481 6 - Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel les spires du mécanisme transporteur sont creuses et sont parcourues intérieurement par une circulation de fluide chauffant ou refroidisseur.