Brevet FR2475929A1 — publié le 19810821

Elément d'installation, diffuseur-mélangeur, et procédé pour réaliser et intensifier les processus de transfert de chaleur et/ou de matière entre des phases liquide-liquide ainsi qu'entre des phases liquide-solide. La présente invention concerne un élément d'installation, un diffuseur-mélangeur, et un procédé pour réaliser et intensifier les processus de transfert de chaleur et/ou de matières entre des phases liquide-liquide ainsi qu'entre des phases liquide-solide. Le procédé et l'élément d'installation conformes à la présente invention permettent de réaliser d'une façon intense le processus de transfert de chaleur et/ou de matière entre des phases liquide-liquide ainsi qu'entre des phases liquidesolide en utilisant un autoclave utilisé de façon classique, qui sert comme dispositif de base. Dans la marche du procédé, on obtient le contact mutuel intensif et l'effet de mélangeage à l'aide d'un élément accessoire intérieur exerçant une action particulière introduit dans l'autoclave, et on obtient le transfert intensif de la chaleur au moyen d'un réfrigérant extérieur pouvant être librement choisi et dimensionné.Le procédé assure les effets favorables de l'élément accessoire intérieur et la réalisation d'un apport ou d'une élimination, intensifs, de la chaleur en faisant circuler une partie appropriée de la phase liquide avec une vitesse appropriée. Dans la technologie de l'industrie chimique, les processus de transfert de chaleur et de matière suivants entre phases liquide-liquide ou entre phases liquide-solide, servent le plus souvent pour - la dissolution, l'extraction, - les réactions chimiques dans une phase liquide homogène ou hétérogène, - la séparation d'une matière solide à partir d'une solution, cristallisation, précipitation, relargage, - en outre la formation de suspensions et d'émulsions. Dans la pratique industrielle actuelle, ces opérations faisant, a l'exception de quelques cas particuliers, sont réalisées dans des autoclaves, récipients mélangeurs munis d'une enveloppe chauffante et réfrigérante. Si en effet, dans les décades précédentes, de nouveaux procédés intensifs importants ont été connus, comme par exemple les procédés utilisant la flu1;#disation, la pellicule rotative, les colonnes de mousse et les geysers, leur utilisation à l'échelle industrielle n'a été qu'un phénomène sporadique. Une des explications à cela repose sur le fait que ni les fabricants de produits chimiques, ni les fabricants des industries apparentées n'ont pu endosser les dépenses multiples considérables qui étaient nécessaires pour moderniser une installation déjà existante. Les procédés actuels demandent notammant des installations travaillant en continu, aussi la transformation coûteuse, nécessitant des investissements pour leur fonctionnement, des installations présentes reposant en général sur une technologie en discontinu était indispensable. Si en effet, les fabricants reconnaissaient les avantages du procédé actuel intensif, c'est-à-dire capacité spécifique élevée, qualité des produits uniformes, etc., les producteurs ne pouvaient pas endosser les prix et les risques entraînés par l'introduction d'un nouveau procédé tant qu'une installation quelconque,, même en utilisant un procédé théoriquement ancien, pouvait encore fonctionner du point de vue de la rentabilité économique. En particulier, une telle ét#ape, pour laquelle dans le monde entier des problèmes d'énergie et des difficultés économiques se manifestent, demande à réfléchir. D'autre part, l'augmentation de la productivité et l'amélioration de la qualité des produits du point de vue de la facilité de vente des produits de l'industrie chimique, en particulier de l'industrie pharmaceutique, et de certains produits agricoles, sont absolument nécessaires sur le marché mondial, étant donné que le développement extraordinaire est possible à l'aide de procédés intensifs bien réglables et pouvant être mis en oeuvre d'une façon appropriée. Pour pouvoir satisfaire les points de vue opposés, le développement d'un tel procédé ou d'installation est souhaité, qui avec une faible dépense d'investissement, et avec une transformation d'un faible ordre de grandeur, des téchnologies de fonctionnement actuelles, mais qui travaillent avec un degré d'efficacité élevé, permet d'obtenir au maximum une économie d'énergie et en même temps satisfait les exigences de qualité actuelles. Dans les branches déjà mentionnées de l'industrie chimique et des industries apparentées, les installations les plus répandues sont les récipients équipés d'une enveloppe pour le transfert de la chaleur, montés avec un agitateur, c'est-à-dire les autoclaves ayant une capacité de 0,05 m3 à 10 m3. Le plus grand avantage de ces installations repose également dans leur fonctionnement simple et leur caractère général, car les installations mentionnées peuvent être utilisées d'une façon presque universelle pour la réalisation des procédés qui sont liés au transfert de chaleur et de matière ou avec des transformations chimiques. La popularité de ces installations est également attribuée à ce fait car la simplicité et l'absence de conditions représentent dans chaque cas des propriétés favorables et doivent être considérées à l'avenir comme des caractéristiques favorables.Malheureusement, cette solutiontmeme avec les propriétés avantageuses mentionnées, n'est pas économique et n'est pas appropriée à la réalisation de modes opératoires précis. Les causes sont les suivantes : en comparaison de son volume, la surface transmettant la chaleur est faible. Tandis qu'un appareil dit "duplicateur" ayant une capacité de 0,05 m3 présente une surface de transmission de chaleur de 0,38 m2, ou bien une surface de transmission de chaleur spécifique de 7,6 m2/m3, une surface de transmission de chaleur de 0,8 m2 seulement, c'est-à-dire une valeur spécifique de 5,3 m2/m3, peut être adaptée à une capacité de 0,15 m3. Avec une capacité croissante, la surface spécifique diminue.Etant donné que ces installations sont équipées d'un agitateur tournant lui-même avec une faible vitesse, un mélangeage mécanique puissant est limité par des facteurs techniques, le mouvement de la solution n'est satisfaisant en aucune façon, et par conséquent la répartition de la chaleur n'est même pas uniforme. Il en résulte que les processus de transmission de chaleur et de matière ont lieu avec un faible degré d'efficacité, et par conséquent il n'est pas possible, étant donné la construction de l'installation, d'intervenir rapidement et efficacement pendant le fonctionnement. Afin d'illustrer concrètement ce problème, voici deux exemples - Pour une cristallisation effectuée par refroidissement, la couche latérale au voisinage de la surface froide est la plus refroidie car en cet endroit, l'élimination de la chaleur est la plus intense.Il en résulte la formation d'une croûte, c'est-à-dire d'un dépôt de cristaux ayant lieu sur la surface froide d'une façon presque inévitable, ce qui fait que le transfert de chaleur si faible soit-il, devient mauvais dans des proportions croissantes. Par ailleurs, une cristallisation satisfaisant les conditions actuelles ne peut être obtenue que par l'orientation et la maîtrise du processus cinétique et que par la réalisation d'un contact intensif et réglable. Seulement, dans ce cas, un produitayant une grosseur et une qualité de grain1 régulières, peut être fabriqué. Pour pouvoir atteindre le but visé, la modification programmée de la température de la solution et de la concentration en fonction d'une vitesse affichée est inévitable.Il est évident que dans ce cas, l'autoclave équipé d'un agitateur ne présente pas non plus la solution la meilleure. - C'est un fait bien connu que les réactìons chimiques ont lieu en phases homogènes ou hétérogènes, à une température donnée, et à une vitesse donnée. Dans la plupart des cas, les réactions engendrent de la chaleur,c'est-à-dire qu'elles sont exothermiques. Il est particulièrement important d'éliminer rapidement et exactement la chaleur de réaction formée, sinon d'autres réactions non souhaitées, éventuellement dangereuses, peuvent se produire. Il est même compréhensible que dans la solution un refroidissement ou un chauffage localement trop grand doivent être évités. Pour un déroulement à chaque fois parfait de la réaction visée, le contact mutuel intensif des phases entrant en réaction, et l'évacuation du produit doivent être assurés. Malgré tout, les autoclaves sont encore actuellement utilisés comme réacteurs dans un large domaine. On cherche à éviter les difficultés mentionnées en montant une cascade de réacteurs constituant plusieurs unités de faible capacité, ce qui fait que cette solution consomme beaucoup d'énergie. L'utilisation du procédé conforme à la présente invention offre la possibilité de conserver les autoclaves qu'on trouve dans le commerce ou qui sont déjà en fonctionnement comme eléments les plus chersde l'installation. Dans ce procédé, le chauffage ou le refroidissement de l'enveloppe est utilisé comme une possibilité de mise en équilibre de la température, l'échange de chaleur proprement dit a lieu en-dehors du récipient dans un cycle de circulation qui réalise d'une façon intensive et satisfaisante l'inertie thermique. En même temps, grâce à un élément accessoire intérieur avantageusement dimensionné agissant d'une façon spéciale, le mélangeage efficace et le contact mutuel des phases sont obtenues dans le récipient. Le principe du procédé conforme à la présente invention et la façon d'agir de l'élément accessoire intérieur spécial, sont expliqués par la description d'une installation montée pour des cas généraux, représentée schématiquement sur le dessin de la figure unique ci-jointe. Un récipient 2, équipé d'une enveloppe 1 de mise en équilibre de la température, sert à recueillir les liquides participant au processus de phases liquide-liquide ou liquidesolide, et ici le contact mutuel et les réactions sont ac célérés. Quand deux phases séparées sont présentes, la phase de densité plus élevée se trouve dans la partie A du récipient 2. La mise en équilibre de la température du récipient 2 est réalisée par l'intermédiaire des tubulures 3. Si alors, le processus est mis en route, la pompe 6 envoie sous pression le liquide aspiré par la tubulure d'aspiration 10 à travers l'échangeur de chaleur 7 oh le milieu échangeur de chaleur pénétrant par les tubulures 9, refroidit ou réchauffe le liquide à la température nécessaire au processus. La colonne de liquide arrivant avec une vitesse prédéterminée parvient à l'élément accessoire intérieur 8 et chasse l'air présent dans cet élément 8,mais seulement dans une mesure telle,que dans la partie en T 12 de l'élément accessoire 8 qui est renflé, et qui est dimensionné en accord avec le processus donné, la bulle d'air 11, ou bien une couche de gaz, sont maintenues pendant la durée totale du processus, tandis que le liquide sur la paroi intérieure de la partie 12 renflée de l'élément accessoire 8 arrive avec une vitesse modifiée sous forme d'une couche pelliculaire dans la couche interfaciale 13. Si nécessaire, en faisant fonctionner la soupape 5, la nature de la couche de gaz 11 peut être modifiée par l'introduction d'un gaz inerte à partir de l'extérieur. Si nécessaire, le volume de la couche de gaz 11 peut être modifié en manoeuvrant la soupape 5. Dans la couche interfaciale 13, des valeurs proportionnelles en température et en concentration quasi constantes, ou se modifiant selon une fonction donnée, des composants arrivant dans cette couche à partir du dessus et du dessous, permettent d'intensifier et d'orienter le processus souhaité. Le renouvellement continu de la couche interfaciale 13 est obtenu par le mouvement élastique continu de la couche de gaz 11 et par l'énergie cinétique de la pellicule de liquide se formant sur la paroi intérieure de la partie 12 renflée de l'élément accessoire intérieur 8.Par suite de cette action commune, il s'établit un courant de liquide orienté vers l'extérieur à partir de la couche interfaciale 13, qui est capable de provoquer un mélangeage régulier ou bien, en présence de matières granulaires, une séparation dans tout le récipient. Le mélangeage suffit à ce que dans les modes opératoires réalisés en une phase solideliquide, dissolution ou cristallisation , les grains soient maintenus continuellement en mouvement, ce qui fait que des conditions favorables sont créées pour le déroulement du processus de transfert de matière, ou bien pour que le contact efficace entre les phases liquides ne se mélangeant pas entre elles soit réalisé dans des réactions chimiques en phase hétérogène au cours d'une extraction liquide-liquide. Le produit obtenu peut être enlevé du récipient 2 par la tubulure 4. Un exemple de réalisation pour une dissolution est le suivant Une fois que la phase liquide et la phase solide sont arrivées dans le récipient 2, le processus- est commencé en mettant en route la pompe 6 et en formant la couche de gaz 11. Par effet de la différence existant dans les poids spécifiques, il se forme les parties A et B plus ou moins délimitables qui sont différentes par leur teneur en matière solide, et de ces parties, la partie A est déjà enrichie généralement en matière solide, c'est-à-dire en cristaux à dissoudre. Le solvant aspiré à-partir de la partie B par l'intermédiaire de la tubulure 10 avec la pompe 6, s'échauffe dans l'échangeur de chaleur 7 et arrive accéléré sur la paroi intérieure de la partie 12 renflée de l'élément accessoire intérieur 8 dans la couche interfaciale 13 agitée d'une façon intense par la couche de gaz 11 et enrichie en matière solide, où la saturation se produit. Le procédé est poursuivi jusqu a dissolution complète de la phase solide. Un exemple de réalisation pour la cristallisation est le suivant. Après l'arrivée de la solution saturée dans le récipient 2, la mise en route de la pompe 6 et la formation de la couche de gaz 11, le courant de liquide aspiré par la tubulure 10 se refroidit dans l'échangeur de chaleur 7; en fonction des paramètres de fonctionnement choisis, le courant de liquide refroidi arrive sous forme d'une pellicule sur la paroi intérieure de la partie 12 renflée, avec une vitesse déterminée par la vitesse de la pompe, dans la couche interfaciale 13, mélangée énergiquement par la couche de gaz 11 et l'énergie cinétique de la pellicule formée, où la croissance des cristaux a lieu jusqu'à une valeur déterminée par les valeurs proportionnelles de la température et de la concentration. La grosseur des cristaux en formation peut être influencée par les paramètres de température et du courant. Les cristaux formés quittant la couche interfaciale 13, ou leur environnement direct, subissent une certaine séparation dans laquelle la suspension plus dense contenant les gros grains se trouve dans la partie A, tandis que dans la partie B est maintenue la phase légère qui contient les petits grains qui ne se déposent pas pour une vitesse de courant établie par la pompe de circulation pour le récipient. De cette façon, en réglant le niveau de la tubulure d'aspiration 10, la limite inférieure de la zone de grosseur des grains des agrégats de cristaux peut être influencée, car les petits grains absorbés augmentent dans le processus répété. En ce qui concerne une économie de temps, il n'en n'est pas encore question ici, car les auteurs de la présente invention ont également cherché à réaliser un refroidissement soigneusement choisi, lent et contrôlé. On peut cependant comparer la qualité d'un produit de chlorure de calcium obtenu dans un "Duplicateur" traditionnel avec chacun des produits préparés selon le nouveau procédé. Dans un "Duplicateur", on obtient un produit avec une granulométrie hétérogène. La grosseur des grains varie entre 0,02 mm et 0,3 mm, la grosseur moyenne est de 0,1 mm. Les grains présentent une structure lamellaire développée irrégu lièrement. Dans le nouveau procédé, le mélangeage énergique et la croissance dirigée des cristaux présentent en rapport des grains ayant une structure cubique, isométrique dans toutes les directions. La grosseur des grains varie entre 0,1 et 0,25 mm, la grosseur moyenne est de 0,16 mm. La granulométrie est bien plus homogène. Un exemple de réalisation pour la dissolution est le suivant On compare le procédé conforme à la présente invention avec le procédé classique effectué dans un duplicateur" monté avec un agitateur. On prépare une solution de chlorure de potassium saturée à 600, et en effet de façon telle que 450 g de sel solide et 1 litre d'eau à 200C, ou son multiple, remplissent un appareil de laboratoire. Bientôt le solvant se réchauffe, la dissolution se produit en continu et quand on atteint la température de 600C, la quantité totale de matière solide est dissoute. On admet que dans les deux appareils il y a la même quantité de solution, par exemple 4 litres et 4 litres. Une surface de transfert thermique de 0,1 m2 (partie dédoublée) appartient au "Duplicateurtayant un volume de 4 litres. Le récipient pour dissolution formant l'objet de la présente invention, a également une capacité de 4 litres, ce qui fait que l'échangeur de chaleur tubulaire lui appartenant, se trouvant dans le circuit extérieur, présente une surface de 0,05 m2.Dans un "Duplicateur" classique, 4 litres de solution saturée 600C sous agitation mécanique énergique, sont terminés en 30 minutes. En utilisant un moyen de chauffage de même température et pour la même quantité, cette durée est seulement de 20 minutes dans la nouvelle installation. L'économie de temps est attribuée aux bons rapports de mélangeage régnant dans l'installation et à l'apport thermique puissant provoqué par la circulation. Il est nettement visible que dans le procédé conforme à la présente invention, la surface d'apport de chaleur est purement et simplement égale à la moitié de la surface des installations traditionnelles, et la durée nécessaire pour le déroulement du procédé peut être malgré tout particulièrement raccourcie. Gracie à l'utilisation analogue des exemples de réalisation représentés, d'autres procédés se développant en phase liquide homogène ou hétérogène, comme par exemple l'extraction, les réactions chimiques, etc., peuvent être réalisées. Le diffuseur-mélangeur conforme à la présente invention et le procédé réalisé avec ce diffuseur présentent de nombreux avantages,à savoir - Des réactions intenses et continues peuvent être réalisées dans des réacteurs à double enveloppe simples et traditionnels#; - L'ingénierie dans l'industrie chimique épargne un risque élevé entraîné par l'augmentation de l'échelle, car les rapports de courant et de contact peuvent être maintenus à la même valeur et réglés à l'extérieur du réacteur. L'entretien peut être réalisé pratiquement dans son ensemble à l'extérieur du réacteur, car dans le réacteur, il ne se produit ni dépôt, ni engorgement. Dans un réacteur en discontinu traditionnel, un long fonctionnement peut être maintenu avec un nombre approprié d'échangeurs de chaleur montés en parallèle. REVENDICATIONS 1. Diffuseur-mélangeur pour un réacteur, caractérisé par le fait qu'il a la forme d'un corps creux (8) se développant de haut en bas avec une extrémité inférieure ouverte, qu'il est muni d'une ou de plusieurs ouvertures (5) introduisant le ou les milieux entrant en réaction et comporte une collerette inférieure (12) plongeant dans le milieu liquide du réacteur. 2. Procédé d'utilisation du diffuseur-mélangeur selon la revendication 1, dans un réacteur, caractérisé par le fait que - le transfert de chaleur de la réaction souhaitée est réalisé avec une valeur optimale à l'extérieur du réacteur par échange thermique, - le maintien de la chaleur de réaction est réalisé éventuellement au moyen d'un échange thermique se produisant à l'intérieur du réacteur, - et le contact mutuel entre les milieux réagissant est obtenu de façon à ce que à l'intérieur du diffuseur-mélangeur statique, immergé dans l'un des milieux liquide se trouvant dans le réacteur, une couche pelliculaire est formée avec l'autre liquide introduit à l'aide d'une couche de gaz (11) maintenant l'équilibre; de plus dans la couche interfaciale (13) de la couche de gaz, de la pellicule de liquide, ainsi que du niveau du liquide, un mélangeage intense est réalisé entre les surfaces des matières pulsées et les surfaces des matières se renouvelant.