Brevet FR2521551A1 — publié le 19830819

Procédé de déshydratation d'alcools, notamment d'alcools aliphatiques ne comportant pas plus de 3 atomes de carbone. La présente invention se rapporte à un procédé de déshydratation d'alcools aliphatiques inférieurs, notamment de l'éthanol, par distillation par entratnement au moyen de méthyl-cyclohexane comme solvant. Selon l'invention, l'alimentation en énergie est effectuée à la queue d'une colonne de rectification par conden sation du produit de tête préalablement précontraint dans un compresseur à vapeurs. L'éthanol à déshydrater peut être tout aussi bien un alcool de fermentation qu'un alcool de synthèse. La déshydratation de l'éthanol par distillation par entratnement est un procédé utilisé depuis assez longtemps dans la technique. On utilisait antérieurement comme solvant du benzène, et plus récemment du cyclohexane, surtout en raison de sa très forte neutralité toxicologique. En plus des points de vue écologiques et médicaux, la question de l'apport énergétique lors de la production de l'éthanol, notamment lorsqu'on purifie l'éthanol pour l'utiliser comme vecteur d'énergie liquide, est très nettement au premier plan. Le point de départ est ici d'améliorer encore le bilan énergétique lorsqu'on fabrique de l'éthanol à partir de matières premières agricoles. Le remplacement du cyclohexane par le méthyl-cyclohexane permet de modifier fondamentalement le procédé de purification connu antérieurement. Lors de la rectification du système à trois composants éthanol (1), eau (2), méthyl-cyclohexane (3), il apparat en fonction du nombre des plateaux et du taux de reflux un mélange ternaire à la tête de la colonne qui se caractérise justement dans le domaine des surpressions par une teneur en eau fortement accrue par rapport au cyclohexane. De ce fait, la quantité de matière du mélange ternaire nécessaire pour la déshydratation diminue. En même temps, la température d'ébullition du mélange ternaire prend, en fonction de la pression de fonctionnement de la colonne, une valeur qui permet d'utiliser en économisant de l'énergie un compresseur à vapeur, ce qui permet d'améliorer fondamentalement le procédé. Comme il est connu par la pratique, dans le cas actuel où l'on opère avec du cyclohexane, pour obtenir un litre d'éthanol pur à partir d'un mélange éthanol/eau de 94,5 % en masse d'éthanol, une quantité de chaleur d'environ 4 M3. Ce nombre concerne un système à deux colonnes, comprenant une colonne de purification et une colonne de retraitement. La présente invention a pour objet un procédé du type précité qui permette de produire en continu de l'éthanol sans solvant comportant une proportion de moins de 0,1 % en masse d'eau, et permettant par un processus opératoire lié parti culièrement à un solvant déterminé, de réduire l'apport d'énergie à 25 X à 30 % de la valeur ci-dessus. Pour atteindre cet objectif, selon l'invention, on utilise comme produit d'entralnement du méthyl-cyclohexane, en amenant à la fois le mélange alcool/eau à séparer et une proportion de méthyLcyclohexane adaptée à la teneur en eau du mélange à une colonne de rectification, en éliminant quantitativement par séparation thermique l'eau comme constituant du produit de tête ternaire éthanol/eau/méthyl-cyclohexane, en ce qu'on obtient comme produit de queue de l'alcool presque pur et en ce qu'on utilise le produit de tête pour chauf-fer la colonne, après une compression des vapeurs chaudes. On va décrire à présent le procédé selon l'invention avec davantage de détails en regard de la figure unique du dessin annexé donné uniquement à titre d'exemple non limitatif, (les pourcentages s'entendent en masse). Cette figure unique est un diagramme de circulation qui reproduit le montage de principe de la colonne de rectification de purification. L'alimentation Z comprend de l'éthanol et une certaine proportion résiduelle d'eau qui est en général de 5 % d'eau, et elle est amenée dans la colonne à environ 10 à 20 plateaux plus bas que la tête. De préférence, on maintient des pressions de fonctionnement comprises entre 5 et 15 bars. Le mélange ternaire K apparaissant à la tête de la colonne, qui correspond à l'azéotrope ternaire pour un taux de reflux de v = 4 à v = 5, est comprimé au moyen d'un compresseur V entratné par un moteur M et amené au niveau de pression et de température nécessaire pour chauffer le système. Dans l'évaporateur H, la chaleur de condensation du mélange de tête est cédée au produit de queue P qui consiste en de l'alcool absolu.Tandis qu'une partie du mélange ternaire condensé est amenée, pour produire du reflux, à la tête de la colonne, une proportion nécessaire pour déshydrater l'éthanol parvient à un appareil à décanter D. On peut y effectuer la séparation de phase du mélange au choix à la pression du système ou après détente préalable E. Tandis que la phase supérieure, qui comprend surtout le solvant, est renvoyé directement à la colonne de purification, la phase inférieure riche en éthanol et en eau parvient à une colonne de retraitement S. Ce procédé repose sur le fait que l'on effectue la rectification, de préférence, à des pressions du système de 5 à 15 bars. Grâce au niveau de température atteint et à la différence de température des points d'ébullition du produit de tête et du produit de queue, qui peut etre, selon la pression, de 6 à 110C lorsqu'on utilise le méth#-cyclohexane comme produit d'entrainement, et d'environ le double lorsqu' on utilise du cyclohexane, on obtient de bons rendements du compresseur V. EXEMPLE. On envoie un débit massique de 7,86 Kg/h de mélange éthanol/eau comportant une proportion de 94,5 % d'éthanol dans une colonne de rectification sous pression comportant 55 plateaux à cloches, et d'un diamètre de 100 mm. La pression du système à la tête de la colonne est 8,6 bars, et à la queue de 8,8 bars. Une isolation suffisante, ainsi que des chemises de chauffage de compensation contribuent à minimiser les pertes par rayonnement thermique. La quantité d'éthanol pur produite ( à 0,1 % de H20) est de 6,15 Kg/h en maintenant un taux de reflux de v = 4. Pour éliminer l'eau, il faut retirer de la colonne 3, 72 Kg/h du mélange ternaire. Toutes les valeurs de concentration nécessaires sont indiquées sur le tableau. Après la décantation subséquente, la phase supérieure, selon le schema, est renvoyée en rectification, tandis que la phase inférieure qui renferme de l'eau est rejetée. On tient compte de l'éthanol ainsi retiré du processus dans la quantité d'alimentation Z. Les pertes de solvant sont compensées à hauteur de 0,12 Kg/h par adjonction à la phase supérieure, du fait que l'appareillage d'essai ne comporte pas de colonne auxiliaire (courante dans la technique) pour retraiter la phase inférieure. On chauffe la colonne à l'aide de la vapeur du produit de tête comprimée. La puissance absorbée par le moteur M du compresseur V est de 0,207 KW, ce qui correspond à un débit thermique de 747 K3/h, soit 97 K3/l.a.p. (l.a.p. = litre d'alcool pur) ou 0,072 KWh/l.a.p. Pour pouvoir comparer le besoin d'énergie électrique avec le chauffage à la vapeur classique, il faut inclure le rendement de la turbine d'alimentation électrogène autonome ( p = 0,7). Il s'avère que; pour produire de l'éthanol absolu selon le procédé de l'invention, il faut 139 K3/l.a.p. sous forme de vapeur corrélativement précontrainte. La colonne de retraitement consomme environ 670K3/l.a.p. de plus, comme dans le procédé classique dans le domaine des surpressions, ce qui entratne une consommation thermique totale de 809K3/l.a.p. TAI3LEAU CONCENTRATIONS DES COMPOSANTS en enmasse) Système Ethanol eau Methylcyclohexane Proportion des phases (% en masse) Azeotrope ternaire (produit de tête) 35,0 11,6 53,4 Phase supérieure Décanteur (250C) 3,0 97,0 52,5 Phase inférieure Décanteur (250C) 69,5 24,4 6,1 47,5 Pression de travail de la colonne de rectification = 8,6 bars REVENDICATIONS 1. Procédé de déshydratation d'alcools, notamment d'alcools aliphatiques ne comportant pas plus de trois atomes de carbone, caracterise en ce qu'on utilise comme produit d'entråinement du méthyl-cyclohexane, en amenant à la fois le mélange alcool-eau à séparer et une proportion de methylcyclohexane adaptée à la teneur en eau du mélange à une colonne de rectification, en éliminant quantitativement par séparation thermique l'eau comme constituant du produit de tête ternaire éthanol/eau/méthyl-cyclohexane, en ce qu'on obtient comme produit de queue de l'alcool presque pur et en ce qu'on utilise le produit de tête pour chauffer la colonne, après une compression des vapeurs chaudes. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on déshydrate de l'éthanol. 3. Procédé selon l'ensemble des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'on effectue la séparation thermique a une pression supérieure à la pression atmosphérique. 4. Procédé selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on retire à la queue de la colonne de l'alcool renfermant moins de 0,1 % en masse d'eau. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'on amène le mélange ternaire apparaissant comme produit de tête de la colonne de rectification, à une température de 20 à 60qu, a un dispositif de décantation, à des fins de séparation de phases. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 a 5, caractérisé en ce qu'on maintient lors de la séparation de phases une température inférieure à la température d'ébullition du mélange ternaire relative à la pression de colonne correspondante. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'on règle la teneur en eau du mélange ternaire en fonction de la pression de fonctionnement de la colonne de rectification et du taux de reflux prédéterminé, à au moins 5 % en masse, 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 a 7, caractérisé en ce qu'on amène la phase aqueuse du dispositif de décantation quantitativement à une seconde colonne de rectification, pour retraiter et récupérer les constituants, 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'on amène les matières d'entrée à l'extrémité inférieure du tiers supérieur de la colonne. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'on amene le mélange alcool/eau à une colonne comportant 40 a 70 plateaux.