Brevet FR2548923A1 — publié le 19850118

I La présente invention a pour objet un perfectionnement aux échangeurs liquide-liquide, notamment aux colonnes d'extraction, du genre de ceux dans lesquels circule une phase dispersée dans une phase continue à contre-courant. Elle fait appel aux techniques connues des décanteurs électrostatiques pour la séparation des émulsions, c'est-à-dire de décanteurs pourvus d'électrodes qui créent un champ électrique assurant la coalescence des gouttes de l'émulsion Ces appareils ont reçu de nombreuses applications pour la séparation eau dans huile. Le brevet américain 4 161 439 propose un échangeur liquideliquide multiétaÈes, comportant, régulihrement réparties, des zones de dispersion et d'électrocoalescence; c'est-à-dire des zones dans lesquelles sont crées des champs électriques assurant respectivement la dispersion et la coalescence des gouttes de la phase dispersée. L'échangeur décrit dans ce brevet comporte une colonne unique dans laquelle est située, dans sa partie active, une pluralité d'électrocoalesceurs et ne recherche pas une séparation efficace de deux liquides en sortie de colonne, afin de pouvoir associer plusieurs colonnes d'échange en série. On sait que les échangeurs liquide-liquide ayant une phase dispersée dans une phase continue ont des performances d'autant plus élevées qu'ils possèdent une aire interfaciale spécifique de contact entre les deux phases plus grande Il est nécessaire qu'ils fonctionnent avec un taux de rétention élevé qui, malheureusement, peut se traduire par un entraînement non négligeable de la phase dispersée dans la phase continue sortant de l'échangeur. Le perfectionnement selon la présente invention, de conception simple et d'une grande efficacité permet d'arrêter l'entraînement des fines gouttelettes de la phase dispersée et assurer ainsi son recyclage 30 dans l'échangeur Plus précisément la présente invention consiste en un échangeur liquide-liquide caractérisé en ce qu'un électrocoalesceur est placé dans la partie de l'échangeur située entre l'entrée de la phase dispersée et la sortie de la phase continue. L'électrocoalesceur selon la présente invention comporte au 35 moins deux électrodes dont une, placée au voisinage de l'entrée de la phase dispersée, est reliée à la terre tandis que l'autre est sous tension. Le champ électrique généré par l'électrocoalesceur placé, selon l'invention, dans cette partie de l'échangeur permet d'arrêter l'ensemble des fines grâce au contre-courant des phases et leur circulation par rapport aux électrodes Cela se traduit, au voisinage d'une électrode de l'électrocoalesceur d'une zone de rétention élevée ( 80 % par exemple) qui se comporte comme un milieu poreux; les gouttes de la phase dispersée qui ont grossi sous l'action du champ électrique piègent les fines qui pourraient être entraînées par la phase continue La dimension des gouttes continue donc à croître au coeur de cette zone jusqu'à ce que leur taille leur permette de se déplacer à nouveau à contre-courant de la 10 phase continue et de rejoindre ainsi la partie active de l'échangeur. Il est ainsi possible de faire fonctionner l'échangeur très près de l'engorgement sans entraînement important de la phase dispersée. Cela permet d'augmenter le taux moyen de rétention ainsi que les débits des deux phases Puisqu'ilne se produit pratiquement pas d'entraînement de la phase dispersée par la phase continue, le perfectionnement de l'invention permet donc d'associer plusieurs échangeurs lorsque les entraînements à la sortie de l'un, sont susceptibles d'altérer la bonne marche du suivant. En outre l'échangeur selon l'invention fonctionne avec une faible intensité de champ, la forte densité des gouttes rendant l'électrocoalescence intense même en champ faible. Selon l'invention la phase continue ne doit pas être trop conductrice, car il est nécessaire d'entretenir un champ électrique au moins égal à quelques volts/centimètre. De façon préférentielle l'échangeur selon l'invention se présente sous la forme d'une colonne (à pulvérisation, pulsée, Kiihni). L'emplacement de l'électrocoalesceur dans la colonne est fonction des liquides traités. Ainsi si la phase continue est la plus légère, l'électrocoales30 ceur se plàce en tête de colonne, alors qu'il est situé en pied de colonne lorsque c'est la phase dispersée qui est moins dense. Selon une réalisation préférentielle de l'invention l'électrocoalesceur comporte deux électrodes reliées à la terre entourant une électrode sous tension. Selon un mode de mise en oeuvre particulier et préférentiel, l'électrocoalesceur conforme à l'invention est associé à un moyen de mesure du taux de rétention dans la partie de l'échangeur située entre l'entrée de la phase dispersée et ledit électrocoalesceur. 2548923: Ce moyen de mesure est déterminé en fonetion des phases en présence (mesure de la pression, mesure de conductivité du mélange diphasique), Ce moyen de mesure permet de déterminer de manière sensible la proximité de l'engorgement et d'asservir de façon très stable la marche de la colonne en agissant sur les paramètres de son fonctionnement (débits, amplitude ou fréquence du pulseur, tension interélectrodes). Les figures sch 5 matiques jointes permettront de mieux comprendre l'invention Elles sont donndes bieu entendu à titre illustratif mais 10 non limitatif de l'invention. La figure l décrit le principe de l'invention. La figure 2 montre, en coupe, une colornne d'échange liquide liquide conforme à l'invention. La figure 3 représente, en coupe, uane colonne d'échange compor35 tant un moyen de mesure du taux de rétention permettant le pilotage de la colonne d'échange. Afin d'expliquer le principe de l'invention on a représenté sur la figure 1, la tête d'une colonne d:échange liquide-liquide I dans laquelle circule, à contre-courant une phase continue légère et une phase 20 dispersée plus dense. Conformément à l'invention on a disposé, entre l'entrée 3 de la phase dispersée et la sortie 5 de la phase continue, un électrocoalesceur 7 constitué de deux électrodes se préesentant sous forme de plaques de graphite perforées Ces deux électrodes 9 et 11, placées perpend'culairelnt 25 à l'axe de la colonne, créent un champ électrique E- à l'intérieur de la colonne L'électrode 9, la plus proche de l'arrivée de la phase dispersée est reliée à la terre, tandis que l'autre électrode I 1-est sous tension. En fonctionnement les gouttelettes entraînées par la phase continue coalescent sous l'action du champ électrique, s'accumulent au 30 voisinage de l'électrode 9 et produisent ainsi une zone 12 à taux de rétention élevée qui piège les gouttelettes plus fines Ceci a pour effet d'accroître leur taille et, lorsqu'elles atteignentune grosseur suffisante elles redescendent dans la colonne à contre-courant de la phase continue. Sur la figure 2 on reconnaît la colonne d'échange' I à l'inté35 rieur de laquelle sont disposées deux électrodes auxquelles s'ajoutent un système de remise à la terre Dans cet exemple on suppose que la phase continue est la plus dense, c'est-a-dire que son évacuation se fait par l'extrémité inférieure de la colonne d'échange l. 2548923 d -4 La phase dispersée entre dans la colonne I par le conduit 3 La phase continue sort par la conduite 5 Les électrodes 9 et 11 sont disposées en deçà de l'arrivée de la phase dispersée Elles occupent deux sections horizontales distantes de 1 à 50 cm, de préférence 10 à 15 cm et permettent le passage des phases Elles sont constituées de plaques de graphite perforées La taille des orifices ne doit donc pas être trop grande afin d'éviter qu'un filet de phase dispersée, lorsque c 1 lle-ci est bonne conductrice de l'électricité ne traverse l'électrode 9 sans la toucher et mette ainsi l'ensemble de l'émulsion de la colonne sous tensiomn 10 Dans l'exmple décrit ici les perforations des électrodes ont un diamètre inférieur au vingtième du diamètre de la colonne, la transparence des électrodes étant de l'ordre de 40 %. L'électrode Il est polarisée grâce au transformateur 15 L'&ectrode 9 la plus rapprochée de l'entrée de la phase dispersée est reliée 15 à la terre conne montré sur cette figure. La remise à la terre de la phase continue après passage dans l'électrocoalesceur s'effectue en plaçant une électrode 13 reliée à la terre La zone de la colonne comprise entre les deux électrodes de terre 9 et 13 doit être isolée de l'extérieur. La tension efficace d'alimentation est comprise entre quelques volts et 380 volts L'appareil maintient un taux d'entraînement inférieur à 1 %, à partir d'un champ de quelques volts/centimètre, qui peut être continu, alternatif, ou sous forme d'impulsions périodiques. En fonctionnement normal, le lit de gouttelettes se trouve près 25 de l'électrode voisine de l'entrée de la phase dispersée La puissance consommée P est égale à: AV 2 P = axd W/m 2 de section droite de la colonne AV ddp interélectrodes(V) d distance interélectrodes (m) p résistivité de la phase continue (n m)elle est en général très faible. Il peut se produire une remontée accidentelle du rit de gouttes qui vient au contact de l'électrode sous tension Sa conductivité est pro35 che de celle de la phase dispersée, souvent très conductrice Il n'est alors plus possible d'appliquer la tension normale de fonctionnement. Plutôt que d'annuler cette tension, il est préférable, afin de rendre sa restauration ultérieure automatique, d'adopter un système générateur de tension présentant une caractéristique tansion-courant qui décrolt rapidement, tout en maintenant une faible tension, inférieure à 50 V On introduit pour cela dans le circuit un moyen connu en soi tel qu'un système électronique approprié, ou bien une résistance, ou, en courant alternatif, 5 une bobine d'induction 16,ou encore on emploie un transformateur saturable. Un autre moyen consiste à recouvrir les électrodes d'un revêtement idoine, en matériau isolant, qui empêche tout court-circuit par l'intermédiaire des gouttes de phase dispersée, et ne diminue pas l'intensité du champ entre les électrodes en régime normal. Il faut ensuite agir sur la marche de la colonne pour provoquer un abaissement du lit de gouttes et le rézablissement de la tension nominale. Sur la figure 3 la colonne 1 comporte un moyen de mesure i 7 placé entre l'entrée de la phase dispersée 3 et l'electrocoalesceur 7 15 constitué de trois électrodes 9, il et 13. Dans cet exemple le moyen de mesure 17 contrêle la pression au niveau du lit dense 12 situé entre l'électrode 9 et l'entrée de la phase dispersée 3. Une petite variation du taux de rétention moyen dans la colonne 20 provoque une variation beaucoup plus grande du taux de rétention du lit dense 12 Cet effet amplificateur, contr 1 lé par le moyen de mesure I 7, permet l'asservissement du dispositif d'agitation des phases Dans cet exemple le moyen de mesure 17 agit, par la liaison 19, sur le pulseur 21 placé en pied de colonne La fréquence ou l'amplitude des pulsations est 25 alors corrigée en fonction du taux de rétention moyen de la colonne d'échange. En fonctionnement la phase continue pénètre dans la colonne 1 par la canalisation 23 et en sort par le conduit 5, tandis que la phase dispersée entre par 3 dans la colonne d'échange et en sort par 25 On aperçoit, en 27, l'interface du pied de colonne En 29 et 31 on a représenté respectivement le premier et le dernier plateaux de la colonne d'échange. Durant l'échange une augmentation du taux de rétention du lit dense 12 signifie que la colonne 1 reçoit trop de phase dispersée, cela se 35 traduit, grâce à la chaîne 17 et 19, par une diminution des pulsations du pulseur 2 l (amplitude ou fréquence). Dans le cas contraire, si le taux de rétention du lit dense 12 diminue, le moyen de mesure 17 enregistre cette variation et laisse péné- trer plus de phase dispersée dans la colonne tandis que les pulsations du pulseur 21 augmentent. Dans la description qui précède on a surtout décrit des colonnes d'échange liquide-liquide Bien entendu l'invention pourrait s'appliquer 5 à d'autres types d'échangeurs, mélangeurs-décanteurs par exemple Pour ce faire il faudrait prévoir un décanteur de géométrie voisine d'une tete de colonne d'échange; l'ensemble des électrodes jouant alors le même r 8 le que précédemment. Les échangeurs liquide-liquide conformes à l'invention peuvent 10 s'appliquer à l'hydrométallurgie, notamment à la séparation des terres rares, grâce à la possibilité d'associer une batterie de colonnes d'échange en série sans transfert de phase dispersée d'une colonne dans l'autre. Ils peuvent également s'appliquer à la séparation isotopique de l'uranium par échange chimique. En effet le fonctionnement de chacune a un taux de rétention moyen de 20 à 30 % plus grand en maintenant un taux d'entraînement inférieur à 1 %. De même on a utilisé, dans la description des figures, des plaques en graphite Bien évidemment les électrodes pourraient être réalisées en matériaux métalliques conducteurs (grilles, tissus, barreau", en polymères conducteurs, ou en matériau conducteur recouvert d'isolant. REVEND ICAT IONS I Ehangenr liquide-liquide du genre de ceux danb les:iu- 13 circule une phase dispersée dans une phase continue caractérisé en ce qu'un électrocoalesceur ( 7) est placé dans la partie de l'échangeur située entre l'entrée ( 3) Je la phase disp>rsée et la sortie ( 5) de la pha continus. 2 Echangeur liquide-liquide selon la revendication I caractérisé en ce que l'é 11 etrocoalesceur ( 7) comporte au moins deux électrodes dont une ( 9), placée au voisinage de l'entrée de la phase dispersée ( 3) est reliée à la terre tandis que l'autre ( 11) est sous tension. io 3 Echangeur liquide-liquide selon la revendication 2 caractérisé en ce que l'électrocoalesceur ( 7) comporte deux électrodes ( 9 et 13) reliées à la terre, entourant une électode sous tension ( 1 l). 4 Echangeur liquide-liquide selon l'une quelconque des revendications I à 3 caractérisé en ce qu'il comporte un moyen de mesure ( 17) 15 du taux de rétention dans la partie de l'échangeur située entre l'entrée de la phase dispersée ( 3) et l'électrocoalesceur ( 7). Echangeur liquide-liquide selon la revendication 4 caractérisé en ce que le moyen de mesure ( 17) détermine la pression. 6 Echangeur liquideliquide selon la revendication 4 carac20 térisé en ce que le moyen de mesure ( 17) détermine la conductivité du mélange diphasique. 7 Echangeur liquide-liquide selon l'une quelconque des revendications 3 à 6 caractérisé en ce qu'il est constitué par au moins une colonne puisée. 8 Echangeur liquide-liquide selon l'une quelconque des revendications I à 6 caractérisé en ce qu'il est constitué par au moins une colonne à pulvérisation. 9 Echangeur liquide-liquide selon l'une quelconque des revendications I à 6 caractérisé en ce qu'il est constitué par au moins une 30 colonne Kiihni. Application de l'échangeur, selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, à la séparation des isotopes de l'uranium par échange chimique.