Brevet FR3153539A1 — publié le 20250404

L’invention concerne une colonne pulsée (1) pour l’extraction liquide-liquide comprenant un tube (10) cylindrique d’axe longitudinal (Z) et de diamètre interne (D 0 ) et un garnissage (20) situé à l’intérieur du tube (10). Le garnissage (20) comprend une tige (30) s’étendant selon l’axe longitudinal (Z) et une pluralité de disques (40) tronqués fixés et répartis régulièrement le long de la tige (30) avec un écartement (E) et s’étendant chacun dans un plan (P) transversal perpendiculaire à la tige (30), chacun des disques (40) tronqués ayant pour périmètre dans le plan (P) transversal deux arcs d’un cercle de rayon (R) reliés par deux bords rectilignes (41) parallèles identiques espacés d’une distance (D), deux des disques (40) tronqués adjacents quelconques étant orientés l’un par rapport à l’autre dans le plan transversal (P) d’un angle d’orientation (θ) non-nul. Figure d’abrégé : Figure 1A Colonne pulsée pour l’extraction liquide-liquide avec garnissage La présente invention se situe dans le domaine du génie chimique et plus particulièrement de l’extraction liquide-liquide. Parmi les différents dispositifs permettant de réaliser une opération d’extraction liquide-liquide en continu, on connait la colonne pulsée qui comprend un tube cylindrique et un ensemble de pièces solides immobiles constituant un obstacle au mouvement des liquides, appelé garnissage et logé à l’intérieur de ce tube. En opération, ce tube est placé verticalement et deux liquides non-miscibles circulent dans ce tube dans des sens opposés (le liquide plus lourd étant introduit en haut et le liquide plus léger étant introduit en bas). Sous l’effet de la pulsation (mouvement oscillant appliqué à l’ensemble des liquides) et du garnissage l’un des liquides est dispersé dans l’autre sous forme de gouttes. Cette dispersion augmente la surface de contact entre les deux liquides ce qui permet à un ou plusieurs solutés contenus initialement dans l’un de ces liquides d’être transférés vers l’autre liquide. Ainsi, l’invention concerne une colonne pulsée pour l’extraction liquide-liquide comprenant un tube cylindrique d’axe longitudinal Z et de diamètre interne D 0 et un garnissage situé à l’intérieur du tube. On connait plusieurs solutions concernant le garnissage logé dans le tube. Dans une première solution illustrée en FIG. 4 , le garnissage 120 est constitué d’une tige 130 et d’une série d’éléments 140 régulièrement espacés et montés sur cette tige 130 qui traverse ces éléments 140. Cette tige 130 s’étend selon l’axe longitudinal Z qui est l’axe longitudinal du tube 110. Le tube 110 est représenté schématiquement en pointillés. Chaque élément 140 est un disque 143 circulaire tronqué, c’est-à-dire que le disque présente une arête rectiligne unique dont la longueur est inférieure au diamètre du disque, le reste de la circonférence du disque étant une portion de cercle. Chaque disque tronqué 143 s’étend dans un plan transversal (perpendiculaire à l’axe longitudinal Z). Les disques tronqués 143 sont disposés le long la tige 130 de telle sorte que deux disques tronqués 143 adjacents quelconques sont orientés à 180° l’un de l’autre (c’est-à-dire que deux disques adjacents 143, s’ils étaient disposés dans le même plan transversal, seraient symétriques l’un de l’autre par rapport à l’axe longitudinal X). La distance entre deux disques tronqués 143 adjacents est constante. Ce garnissage est appelé « garnissage en disques tronqués ». Cependant le garnissage en disques tronqués présente une efficacité insuffisante dans le cas de tubes de faible diamètre, par exemple des diamètres de l’ordre de 15 mm, et/ou dans le cas où l’un des liquides présente une viscosité très supérieure à la viscosité de l’autre liquide. Par efficacité insuffisante, on entend un transfert de matière entre les deux liquides qui est trop faible par rapport à un mélangeur théorique parfait, et une hauteur de colonne qui est trop importante pour obtenir un transfert de matière donné. Une cause de cette faible efficacité est souvent un mélange axial (selon l’axe longitudinal Z) trop important. Ce mélange est caractérisé par un coefficient de dispersion axiale D ax . Plus ce coefficient est élevé, moindre est l’efficacité du transfert de matière réalisé dans la colonne. Ainsi, pour une colonne de diamètre 15 cm et un des liquides avec une viscosité de 8 cP (centipoise), un débit spécifique total (DST) de 2 L/h/cm 2 (soit un débit total des deux phases de 3,5 L/h), une amplitude de pulsation de 1,5 cm et une fréquence de pulsation de 1 Hz (ce test est appelé test standard), on obtient un coefficient de dispersion axial D ax de 6,9 cm 2 /s pour des disques tronqués espacés de 2 cm. Pour tenter d’améliorer l’efficacité de la colonne, on a envisagé une première solution qui consiste à diminuer la distance entre les éléments 140. Les essais réalisés ont montré que cette configuration a permis une réduction du coefficient de dispersion axial D ax de la colonne. Pour le test standard ci-dessus, on obtient un D ax de 2,1 cm 2 /s pour des disques tronqués espacés de 1 cm, ce qui est inférieur à la valeur de D ax de 6,9 cm 2 /s pour des disques tronqués espacés de 2 cm. On a également envisagé une seconde solution, illustrée en FIG. 4 , dans laquelle le garnissage 120 est constitué de deux tiges 130 parallèles et d’une série d’éléments 140 régulièrement espacés et monté sur ces deux tiges qui traversent ces éléments 140. Ces tiges 130 s’étendent selon l’axe longitudinal Z qui est l’axe longitudinal du tube 110. Le tube 110 est représenté schématiquement en pointillés. Un premier type d’élément 140 est une couronne 141 (disque circulaire percé en son centre d’un trou pour former un anneau) et un second type d’élément 140 est un disque circulaire 142 dont le diamètre est supérieur au diamètre du trou de la couronne 141 et inférieur au diamètre extérieur de la couronne 141. Chaque couronne 141 et chaque disque 142 s’étend dans un plan transversal P (perpendiculaire à l’axe longitudinal Z). Les couronnes 141 et les disques 142 sont disposés en alternance le long des deux tiges 130 de telle sorte que chaque disque 142 se situe entre deux couronnes 141, et la distance entre une couronne 142 et un disque 141 adjacent est constante. Ce garnissage est appelé « garnissage en disques et couronnes ». Pour le test standard ci-dessus, et avec une distance entre une couronne 142 et un disque 141 adjacent égale à 1 cm, on obtient un D ax de 3,5 cm 2 /s, ce qui est inférieur à la valeur de D ax de 6,9 cm 2 /s pour des disques tronqués espacés de 2 cm. Cependant, les essais réalisés avec la première solution et avec la seconde solution ci-dessus ont montré que les plages de valeurs des paramètres opératoires (amplitude et fréquence de pulsation dans la colonne, débit au travers de la colonne) pour lesquelles un fonctionnement hydrodynamique satisfaisant existe étaient réduites par rapport à la configuration où les éléments 140 étaient plus espacés. En particulier, le débit spécifique total (DST) maximum avant engorgement de la colonne (c’est-à-dire l’impossibilité de circulation des deux liquides à contre-courant) DST max est plus faible pour la première solution (DST max = 2 L/h/cm 2 ) et pour la seconde solution (DST max = 1,8 L/h/cm 2 ) que pour des disques tronqués plus espacés (DST max = 3 L/h/cm 2 ). Description de l’invention La présente invention vise à remédier à ces inconvénients. L'invention vise à proposer une colonne pulsée pour l’extraction liquide-liquide qui présente une efficacité de mélange la plus élevée possible, et un fonctionnement hydrodynamique satisfaisant sur une plage de valeurs de paramètres opératoires qui est la plus large possible. Ce but est atteint grâce au fait que le garnissage comprend une tige s’étendant selon l’axe longitudinal Z et une pluralité de disques tronqués fixés et répartis régulièrement le long de la tige et s’étendant chacun dans un plan P transversal perpendiculaire à la tige avec un écartement E, chacun des disques tronqués ayant pour périmètre dans le plan P transversal deux arcs d’un cercle de rayon R reliés par deux bords rectilignes parallèles identiques espacés d’une distance D, deux disques adjacents quelconques étant orientés l’un par rapport à l’autre dans un plan transversal P d’un angle d’orientation non-nul. Grâce à ces dispositions, le mélange des deux liquides au sein de la colonne pulsée est réalisé de façon plus efficace. Le fonctionnement hydrodynamique est satisfaisant sur une plage de valeurs de paramètres opératoires qui est plus large que dans le cas des garnissages de l’art antérieur. Par exemple, l’écartement E entre deux disques adjacents est constant. Par exemple, l’écartement E est de l’ordre de grandeur du diamètre D 0 du tube. Par exemple, l’écartement E est inférieur au diamètre D 0 du tube. Par exemple, le diamètre D 0 du tube est inférieur à 50 mm. Par exemple, l’écartement E entre deux disques adjacents est égal à 10 mm et le diamètre D 0 du tube est égal à 15 mm. Par exemple, le rapport de la surface transversale du disque sur la surface de la section transversale interne du tube est compris entre 75% et 80%. Par exemple, au moins la surface des disques est réalisée en un matériau hydrophile. Par exemple, au moins la surface des disques est réalisée en un matériau hydrophobe. Par exemple, les bords rectilignes sont crénelés. Par exemple, l’angle d’orientation est égal à 90°. L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, de modes de réalisation représentés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels : [Fig. 1] La [Fig. 1] est, en (A) une vue latérale d’une colonne pulsée pour l’extraction liquide-liquide selon l’invention ; en (B) une coupe selon la ligne B-B de la FIG. 1 qui montre un disque tronqué selon l’invention. FIG. 2 La FIG. 2 est une vue en perspective d’une portion de la colonne pulsée de la FIG. 1 . FIG. 3 La FIG. 3 est une vue en perspective d’un autre mode de réalisation d’un disque tronqué de la colonne pulsée selon l’invention. [Fig. 4] La [Fig. 4], déjà décrite, est, en (A), une vue en perspective d’une portion d’une colonne pulsée selon l’art antérieur ; en (B) une vue en perspective d’une portion d’une autre colonne pulsée selon l’art antérieur. Description détaillée de l’invention La FIG. 1 illustre une colonne pulsée 1 qui permet l’extraction liquide-liquide en continu par le positionnement vertical de cette colonne pulsée 1 et la circulation de deux liquides non-miscibles dans des sens opposés dans cette colonne pulsée 1 (le liquide plus lourd étant introduit en haut et le liquide plus léger étant introduit en bas) puis l’application d’une pulsation (mouvement oscillant) à ces deux liquides. Par exemple, un de ces liquides est aqueux (par exemple de l’eau) et l’autre liquide est organique. La colonne pulsée 1 comprend un tube cylindrique 10 d’axe longitudinal Z et de diamètre interne D 0 et un garnissage 20 situé à l’intérieur de ce tube 10. Le garnissage 20 comprend une tige 30 qui s’étend selon l’axe longitudinal Z et une pluralité de disques 40 tronqués répartis régulièrement le long de la tige 30. Par exemple, la tige 30 est située au centre du tube 10 et est donc traversée par l’axe longitudinal Z. Par exemple la tige 30 est cylindrique. Les disques 40 sont munis d’un trou par lequel passe la tige 30 et sont fixés sur la tige 30 par tout moyen, par exemple par soudage. Deux disques 40 adjacents sont espacés d’une distance E (appelée écartement) mesurée selon l’axe longitudinal Z. Par exemple cet écartement E est constant, c’est-à-dire est identique pour deux disques 40 adjacent quelconques. Chacun des disques 40 s’étend dans un plan P transversal, c’est à dire perpendiculaire à l’axe longitudinal Z et ainsi à la tige 30. La FIG. 1 est une coupe selon la ligne B-B de la FIG. 1 qui montre un disque 40, c’est-à-dire dans son plan P transversal. Chacun des disques 40 a pour périmètre dans le plan P transversal deux arcs de cercle de rayon R et de centre C qui sont disjoints et identiques et qui sont reliés par deux bords rectilignes 41 parallèles identiques espacés d’une distance D. Le disque 40 est donc tronqué en deux endroits, et est symétrique par rapport à son centre C par lequel passe l’axe longitudinal Z. On définit l’axe d’orientation A d’un disque 40 dans le plan P comme l’axe transversal qui passe par le centre C et qui est parallèle aux bords rectilignes 41. Deux disques 40 adjacents quelconques (appelés premier et deuxième disques) sont orientés l’un par rapport à l’autre dans le plan transversal P d’un angle d’orientation θ non-nul. Comme illustré en FIG. 2 , l’angle d’orientation θ est l’angle entre l’axe d’orientation A1 du premier disque 40 et l’axe d’orientation A2 du deuxième disque 40. Par exemple, l’angle d’orientation θ est égal à 90°, comme illustré en FIG. 2 , c’est-à-dire que deux disques 40 adjacents quelconques sont à angle droit l’un par rapport à l’autre. Par exemple, l’écartement E entre deux disques 40 adjacents est de l’ordre de grandeur du diamètre D 0 du tube 10. Par exemple cet écartement E est inférieur au diamètre D 0 du tube 10. Par exemple le diamètre D 0 du tube 10 est inférieur à 50 mm, par exemple inférieur à 15 mm. Par exemple l’écartement E est égal à 10 mm. Les inventeurs ont réalisé des essais dans les mêmes conditions de fonctionnement de la colonne pulsée que décrites ci-dessus (test standard) dans le cas d’utilisation des garnissages de l’art antérieur. Ainsi, pour une colonne de diamètre interne D 0 = 15 cm, un écartement E = 1 cm et un des liquides avec une viscosité de 8 cP (centipoise), un débit spécifique total (DST) de 2 L/h/cm 2 (soit un débit total des deux phases de 3,5 L/h), une amplitude de pulsation de 1,5 cm et une fréquence de pulsation de 1 Hz, les inventeurs ont obtenu un D ax de 3,6 cm 2 /s. Concernant la plage d’utilisation, le débit spécifique total (DST) maximum avant engorgement de la colonne DST max obtenu était égal à 3 L/h/cm 2 . Ces valeurs de D ax et de DST max sont meilleures que celles obtenues avec utilisation des garnissages de l’art antérieur. On appelle transparence du garnissage 20 le rapport de la surface laissée libre pour le passage des liquides au niveau d’un disque 40, appelée S L , sur la surface de la section transversale (dans un plan perpendiculaire à l’axe longitudinal Z) interne du tube 10, appelée S T , et qui est donc S T = π·(½D 0 ) 2 . La surface laissée libre pour le passage des liquides S L est S L = S1+S2 où S1 est la surface d’une couronne de rayon externe ½D 0 et de rayon interne R, soit S1 = (S T - πR 2 ) et S2 est la surface enlevée d’un disque 40. La surface enlevée S2 d’un disque 40 est égale à la surface d’un cercle de rayon R moins la surface S D du disque 40 (c’est-à-dire la surface de ce disque 40 dans un plan perpendiculaire à l’axe longitudinal Z). La surface S D du disque 40 est donc S D = {[α – sin(α)]·R 2 } avec cos(α/2) = D/(2R) où α est l’angle des secteurs angulaires tronqués, illustré sur la FIG. 1 et D est la distance définie plus haut et illustrée en [Fig. 1]. La surface enlevée S2 d’un disque 40 est donc égale à S2 = πR 2 - S D . La transparence est ainsi égale à S L /S T . Par exemple cette transparence est comprise entre 20% et 25%. Par exemple le diamètre D 0 du tube 10 est égal à 15 mm, le rayon R du disque 40 est égal à 7,25 mm et la distance D est égale à 10,55 mm, ce qui donne une transparence de 22%. Une transparence comprise entre 20% et 25% correspond à un rapport S D /S T de la surface transversale S D du disque 40 sur la surface de la section transversale interne S T du tube 10 compris entre 75% et 80%. En effet, S T = S D + S1 + S2 = S D + S L et donc S D /S T = 1 – {transparence} Selon un mode de réalisation illustré en FIG. 3 , les bords rectilignes 41 de chaque disque 40 sont crénelés, c’est-à-dire que chaque bord rectiligne 41 présente un crénelage 415. Les reliefs de ce crénelage 415 sont visibles à l’œil nu et sont distincts d’une rugosité, une rugosité n’étant pas visible à l’œil nu. Ce crénelage 415 favorise la formation de gouttes plus petites et contribue à augmenter l’efficacité du mélange des deux liquides qui circulent dans le tube 10. Les disques 40 peuvent être réalisés en tout matériau. Avantageusement, ce matériau est hydrophile (par exemple un acier inoxydable), ou au moins la surface des disques 40 est réalisée en un matériau hydrophile, ce qui minimise l’adhérence du liquide organique aux disques 40 (fonctionnement dite en « phase aqueuse continue »). Alternativement, ce matériau est hydrophobe (par exemple un polymère tel que le PTFE), ou au moins la surface des disques 40 est réalisée en un matériau hydrophobe (par exemple le disque 40 est réalisé en un acier inoxydable recouvert d’un tel polymère), ce qui minimise l’adhérence de l’eau aux disques 40 (fonctionnement dite en « phase organique continue »). Colonne pulsée (1) pour l’extraction liquide-liquide comprenant un tube (10) cylindrique d’axe longitudinal (Z) et de diamètre interne (D 0 ) et un garnissage (20) situé à l’intérieur dudit tube (10), ledit garnissage (20) étant caractérisé en ce qu’il comprend une tige (30) s’étendant selon ledit axe longitudinal (Z) et une pluralité de disques (40) tronqués fixés et répartis régulièrement le long de ladite tige (30) avec un écartement (E) et s’étendant chacun dans un plan (P) transversal perpendiculaire à ladite tige (30), chacun desdits disques (40) tronqués ayant pour périmètre dans ledit plan (P) transversal deux arcs d’un cercle de rayon (R) reliés par deux bords rectilignes (41) parallèles identiques espacés d’une distance (D), deux desdits disques (40) tronqués adjacents quelconques étant orientés l’un par rapport à l’autre dans ledit plan transversal (P) d’un angle d’orientation (θ) non-nul. Colonne pulsée (1) selon la revendication 1 telle que ledit écartement (E) entre deux disques (40) adjacents est constant. Colonne pulsée (1) selon la revendication 2 telle que ledit écartement (E) est de l’ordre de grandeur dudit diamètre (D 0 ) du tube (10). Colonne pulsée (1) selon la revendication 2 ou 3 telle que ledit écartement (E) est inférieur audit diamètre (D 0 ) du tube (10). Colonne pulsée (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4 telle que ledit diamètre (D 0 ) du tube (10) est inférieur à 50 mm. Colonne pulsée (1) selon la revendication 5 telle que ledit écartement (E) est égal à 10 mm et ledit diamètre (D 0 ) du tube (10) est égal à 15 mm. Colonne pulsée (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6 telle que le rapport de la surface transversale (S D ) dudit disque (40) sur la surface de la section transversale interne (S T ) dudit tube (10) est comprise entre 75% et 80%. Colonne pulsée (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7 telle que au moins la surface desdits disques (40) est réalisée en un matériau hydrophile. Colonne pulsée (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7 telle que au moins la surface desdits disques (40) est réalisée en un matériau hydrophobe. Colonne pulsée (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9 telle que lesdits bords rectilignes (41) sont crénelés. Colonne pulsée (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 10 caractérisée en ce que ledit angle d’orientation (θ) est égal à 90°.