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Procédé et appareil pour la distillation fractionnée de liquides volatils mixtes ou antres usages
Les procédés connus pour la distillation fraction- née de liquides volatils mixtes, composés de substances d'un point d'ébullition quelconque et sous une pression quelconque dans les colonnes connues, se servent d'un chemin vertical et relativement court, mais de profil relativement large pour le fractionnement. Par le fait que liquides et vapeurs sont con- tinuellement mêlés ensemble comme dans un laveur à gaz, l'ef- ficacité de la séparation se trouve considérablement diminuée.
Le fractionnement dans les colonnes connues produit une augmentation notable et des variations de la pression. Le liquide formant le reflux est barboté sous bouillonnement avec les vapeurs de façon qu'il ne soit pas possible d'arriver à unµ bonne échange de température et de substance entre liquide et vapeur. Au lieu d'une séparation nette, on obtient des va- peurs remplies de gouttelettes et des liquides remplis de bul- les de gaz et vapeur.
Le principe du procédé de fractionnement faisant l'objet du présent brevet consiste en ce que le liquide de re- flux et la vapeur sont conduits sous forme de couches minces, horizontales ou faiblement inclinées, l'un sur l'autre dans des tubes aplatis ou cai/naux de grande longueur, très larges mais d'une hauteur restreinte, de façon que le mince film li- quide entre partout en contact avec la mince couche de vapeur superposée ce qui conduit à un échange parfait de température
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et de substance.
Le fractionnement se fait par un mouvement lent de contre-courant entre la vapeur et le film liquide, ce qui s'effectue sans aucun tourbillonnement mécanique tel que jail- lissement, bouillonnement et barbotage. Par conséquent il ne se produit que la pression régulière et constante pour surmon- ter le frottement entre le film liquide et la vapeur, pression qui est très faible selon les données expérimentales. En con- sidération de la grande longueur du oanal., l'échange entre li- quide et vapeur est presque parfait et conduit à des équili- bres les plus complets.
Ce nouveau procédé de fractionnement s'étendant sur le plus grand nombre des différences de température les plus petites possibles, assure une plus grande efficacité dans l'économie de la chaleur que possèdent les colonnes du type connu.
Le chemin des canaux est horizontal, ayant une faib- le inclinaison constante ou en longues sections horizontales ou inclinées interrompues par de courts échelons verticaux ou fortement inclinés. Mais sur aucun point du chemin total de fractionnement ne se trouve une descente dans la direction du fractionnement progressif, ce qui pourrait former des cavités qui se rempliraient avec du liquide condensé.
Des mesures de température faites dans les colonnes du type connu ont démontré que les températures varient non seulement aux différentes hauteurs de la colonne, mais aussi en fonction de la marche de l'opération elle-même. Ce fait oonduit à la conclusion qu'il est de la plus grande importan- ce pour l'efficacité du fractionnement,, de préserver l'échelle naturelle de température qui se forme à l'intérieur de la co- lonne, d'une part des pertes de chaleur abandonnées à l'extér- ieur et, d'autre part, des contre-courants thermiques à l'in- térieur.
Par conséquent tous les canaux successifs et superpo- sés sont arrangés de façon qu'ils aient tous la même direction pour le courant des vapeurs ascendantes et subissent la même
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dégradation parallèle de la température.
Entre les canaux et les parois qui les forment il ne se trouve pas des espaces morts dans le corps du chapi- teau. Ce dernier même présente en comparaison avec les colon- nes connues un diamètre relativement beaucoup plus large pour éviter, le mieux possible, une perte de chaleur à travers les parois extérieures. Pour un volume donné d'un cylindre, la surface atteindra le minimum si la hauteur devient égale au diamètre. Mais dans le présent cas ou. il s'agit d'un cylindre dont la base est chauffée continuellement et régulièrement par les vapeurs qui montent de l'alambic, la nappe et le con- verole seulement subissent des pertes de chaleur.
La surfame exposée ainsi restreinte devient un minimum si la hauteur du cylindre est égale à la moitié du diamètre.
Le profil d'une coupe horizontale faite à travers la colonne de l'invention ou mieux à travers le chapiteau (formé d'un appareil cylindrique mais de taille courte et lar- ge), est circulaire, polygonal ou quadrangulaire,
Les dessins annexés montrent quelques exemples de réalisation.
Tous les modèles de profil oblong tels que repré- sentent figures l, 2, 3 et 5 et qui sont faciles à construire sont combinés pour former une pluralité d'unités parallèle- ment coordonnées qui forment des corps d'ensemble de profils quadrangulaires (fig. 4, 6, 7, 8). Ces derniers représentent des surfaces minima relativement aux volumes totaux.
?ne unité du canal selon la figure 1 peut-être divi- sée en dexu ou plusieurs embranchements comme représenté en figure 2.
Tous les chapiteaux décrits qui sont formés par une pluralité des unités combinées, fractionnent avec chaque uni- té indépendamment sur le même alambic d'une façon simultanée et synchrone pour arriver à des produits finals identiques.
Cette façon synchrone de fractionnement parallèle mais indé- pendant nécessite en cas d'emploi de reflux, la distribution
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de quantités égales de reflux d'une température uniforme sur les unités égales, ou dans le cas des unités égales, en proportion avec les superficies des profils des unités.
Ces unités mêmes forment chacune une voie ascen- dante, composée de canaux horizontaux et interceptés par des échelons verticaux,représentés en figure 10, où ils forment une hélice ascendante dont la hauteur d'une spire correspond exac- tement à la hauteur du canal. Dans le cas où la quotepart de la ration du reflux recommande un angle d'inclinaison plus pro- noncé, la hauteur de l'hélice doit renfermer deux ou plusieurs hauteurs d'un canal. Chacun de ces canaux parallèles et superpo- sés reçoit la même quantité de reflux et effectue indépen- damment. mais d'une faon synchrone, tout/le fractionnement de- puis l'orifice jusqu'à la sortie comme les unités horizonta- lement coordonnées décrites préalablement.
Le même cas se pré- sente dans un faisceau, de canaux longs et parallèles, horizon- taux ou faiblement inclinés et superposés l'un sur l'autre parallèlement et effectuant chacun isolément la distillation fractionnée depuis la vapeur sortant de l'alambic jusqu'au produit final(fig.ll). Par subdivision avec des cloisons verti- cales, la longueur de la voie peut être considérablement augmen- tée (fig.14).
Dans toutes les combinaisons (fig.4,6,7,8) les unités peuvent être arrangées de façon que les unités intérieures i soient protégées contre le refroidissement par des unités ex- térieures a en figures 15 et 16 ou 17 et 18.
Les produits finals de ce groupement intérieur et extérieur d'unités peuvent être recueillis séparément comme première et seconde qualité suivant le degré différent de protection contre le refroidissement. Ce groupement intérieur et extérieur opère le mieux sur deux alambics séparés.
Dans tous les appareils décrits, les pertes de cha- leur peuvent être compensées par un chauffage à l'extérieur des parois de l'appareil. Ce chauffage se fait le mieux par subdivision en beaucoup de zones horizontales, ou, dans le
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cas de l'appareil de la figure il, en zones verticales. Les températures à l'extérieur dans les différentes zones doi- vent être ajustées continuellement à celles dans les zones correspondantes à l'intérieur.
Dans le cas de distillation discontinue ou pério- dique les températures s'élèvent constamment, dans le cas de distillation continue les températures sont plust8t constantes.
La distillation des gaz liquéfiés se fait également avec la conséquence que des conduites de liquides réfrigérants à l'extérieur réglées d'après 1'échelle naturelle des tempé- ratures mesurées à l'intérieur protègent l'intérieur de l'appa- reil contre l'introduction de la chaleur extérieure.
Ensuite il convieunt de remarquer que l'appareillage et le procêdê décrits servent non seulement à la distillation. fractionnée, mais en général aussi dans tous les cas oû des réactions chimiques ou purement physiques entre gaz ou vapeurs d'une part et liquides d'autre part interviennent comme par exemple dans l'absorption de gaz, dans les laveurs degaz, dans des procédés d'épaississement ou dans les procédés pour obte- nir l'acide sulfurique exécuté dans chambres ou tours en plomb.
Par l'inversion du procédé décrit on peut par éva- poration consécutive d'un liquide seul ou dans un courant d'air ou autre gaz, produire du froid de la manière la plus ration- nelle.
Il y a deux façon d'opérer :
1 - Avec un faible mouvement du film liquide en arrière, comparable au mouvement du reflux dans les colonnes connues.
Ce mouvement est produit par une inclinaison continue ou discon- tinue de la surface qui supporte le film.
2 - Avec un film restant immobile sur des surfaces prin- oipalement horizontales.
Il a été trouvé que l'on peut fixer sur les surfaces horizontales ou faiblement inolinées des canaux, non seule- ment un film par adhésion, les surfaces pouvant être grattées,
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1 cannelés ou gades. mais toute quantité désirée de liquide
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par vne mince couverture en matière fibreuse telle que coton, soie artificielle, laine de verre, floches d'amiantes ou laines de soories. L'épaisseur la mieux appropriée de cette matière fibreuse pour fixer exactement la quantité désirée du liquide sur la surface sera déterminée par une expérience préalable.
Les propriétés capillaires de la matière fibreuse permettent que le film liquide se répande uniformément d'une épaisseur égale sur la surface, mais elles préservent en outre les légères cavités qui sont formées par les déviations inévitables du ni- veau horizontal de la tôle, d'être remplies cpmplètemnt avec du liquide. Pour certaines espèces de laine de verre par exem- ple, une déviation jusqu'à 5 centimètres du niveau peut être corrigée et la teneur en liquide égalisé.
Ces moyens pour répandre le liquide uniformément sont appliqués non eulement pour les canaux horizontaux, mais aussi pour les canaux horizontaux et faiblement inclinés.
Il a été trouvé en outre que 1'on arrive par une couverture de matière fibreuse à produire, même sur des sur- faces uniquement horizontales un mouvement lent et continu aussitôt que la matière fibreuse à l'endroit ou un échelon (conduit sue sur une surface plus basse, comme est représenté en figure 10 est pendante sous forme des traits verticaux ou fortement inclinés. Ces traits pendants produisent un effet d'aspiration pour le liquide du film qui dépend de l'arrange- ment de ces traits, de leur épaisseur et de la différence du niveau. Le m8me effet se produit dans un appareil où le long canal est formé par une multitude de surfaces horizontales parai lèles l'une sur l'Autre et jointes par des échelons verticaux ou fortement inclinés.
Dans ce cas un tapis de matière fibreuse ou colloïdale (charbon d'absorption, silicagèle) ininterrompu s'étend sur toute la longueur du canal et les traits verticaux de la mature fibreuse produisent l'effet d'aspiration qui donne au film liquide un mouvement de descente, continu, ré- gulier et lent.
Le second mode opératoire avec le film immobile et
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par conséquent sans influx apparent donne lieu à des condi- tions toutes nouvelles représentées par les exemples suivants : a) 1260 kg huile légère de goudron de houille ren- fermant comme composant principal 630 kg de benzène, sont introduits dans l'alambic. Le chapiteau peut être construit ex- actement avec la capacité de chaleur qui est nécessaire pour condenser et supporter sur les surfaces de la tôle la quan- tité totale de benzène sous forme d'une couche mince. La chaleur de condensation totale pour 630 kg de benzène est absorbée par 7588,7 kg de t8le d'une épaisseur de 0, 218 mm en élevant la température de la tale de 15 C à 801 C au point d' ébullition du benzène.
A la fin du fractionnement, l'alambic est vide et le chapiteau renferme un film liquide de 975 kg d'une épaisseur moyenne de 0,27 mm. b) 1260 kg d'anthracène brut renferment 30% d'anthra- cène pur sont introduits dans l'alambic. Les deux isomères Phénanthrène et anthracène qui possèdent des points d/ébulli- tion très rapprochés forment avec 567,2 kg le composant prin- cipal. Sa condensation exige 1217 kg de tôle de 0,218 mm d'é- paisseur en élevant la température de 15 C à 339 C, au point d'ébullition de l'anthracène.Au bout du fractionnement, quand l'alambic est vide, le chapiteau renferme un film final de 559,8 kg d'une épaisseur moyenne de 0,972 mm.
En tous cas on peut distiller des charges successi- ves après refroidissement du chapiteau à la température 1-ni- tiale jusqu'à ce que le film final devienne trop épais et commence à couler, ou on peut laver le film final avec chaque charge nouvelle en bas dans l'alambic; on peut encore faire cela avec du reflux expressément produit au commencement de chaque opération nouvelle.
Un tout autre mode opératoire après que l'alambic est devenu vide, consiste en ce que l'on continue le fractionne- ment d'après le principe de substitution sous une pression lentement décroissante en employant une pompe à vide.
L'épaisseur du film final sous le vide que l'on peut
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atteindre est déterminée par la température du chapiteau. Pour cette raison la température initàale du chapiteau doit être élevée à la température d'ébullition dans le vide du composant qui parmi les substances admises au chapiteau possède le point d'ébullition le plus élevé. Dans le but d'établir la différence de température nécessaire pour provoquer une condensation il faut élever le point d'ébullition du mélange initial par aug- mentation de la pression comme le montrent les exemples sui- vants :
c) Le chapiteau est chauffé préalablement avec de l'azote technique chaud à 40 C qui est la température d'é- bullition sous vide (17,1 mm de mercure) du xylène, c'est-à-di- re le composant ayant le point d'ébullition le plus élevé qui est encore admis au fractionnement. Ensuite l'appareil complet est rempli avec de l'azote technique sous une pression de 1703 mm de mercure.
L'huile légère de goudron de houille est alors in- troduite dans l'alambic et devient vite chaude. En premier lieu, distille le sulfure de carbone à la température de 76 C et il se condense dans le chapiteau; ensuite, distille le ben- zèce, le toluène et finalement le xylène à 170 C. Alors la communication entre l'alambic et le chapiteau est interceptée par une soupape parfaitement étanche et le fractionnement est terminé sous pression décroissante. IL la sortie, en dessus du chapiteau, la pression décroissante sera, pour des raisons de dynamique, toujours un peu inférieure de celle à l'entrée en dessous de l'alambic. Pour cette raison la vitesse d'évapora- tion et par suite le refroidissement sera toujours un peu plus fort en dessus qu'en bas.
Par conséquent l'effet aérodynamique de la diminution continuelle de la pression entretient une échelle naturelle de températures qui garantit la continua- tion du fractionnement jusqu'à ce que le chapiteau soit vide et revenu à sa température initiale.
Ce cycle avec la plus parfaite économie de chaleur peut être répété à volonté. En supposant que tous les comp-
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sants de l'huile légère doivent être fractionnés, il faut a- lors que la température initiale du chapiteau soit de 75 C c'est la température d'ébullition dans le vide du composant naphtaline qui est celui possédant le point d'ébullition le plus élevé et il faut que la pression absolue initiale soit de 3800 mm de mercure pour atteindre 105 C comme point d'ébulli- tion du sulfure de carbonée, le composant ayant le point d'é- bullition le plus bas.
d) L'anthracène brut de 30 % d'anthracène pur est li- béré de l'eau et des huiles légères en distillant préalablemen dans une colonne 'ordinaire jusqu'à, ce que le point d'ébulli- tion s'élève à 250 C. Le chapiteau est ensuite chauffé par de l'azote technique chaud à 250 C. L'appareil complet est sou- mis à une pression absolue de 1382 mm de mercure, ensuite l'enthracène qui a subi préalablement le traitement décrit est comprimé dans l'alambic et devient vite chaud.
Première- ment, distille la diméthylnaphtaline à 285 C, ensuite distille
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1 , aoenaphtne, fluorene, phénanthrene-enthraoene, carbazol à 383 C, Aussitôt que la température dans l'alambic atteint 408 qui est le point d'ébullition du flyuoranthène, sous une pressi absolue de 1382 mm, la communication entre l'alambic et le chapiteau est interceptée par une soupape parfaitement étanche Ensuite le fractionnement est terminé sous pression décrois- santepusqu'à ce que le chapiteau soit vide et revenu à la tem- pérature initiale prêt à une charge nouvelle.
La température initiale du chapiteau peut être seule- ment de 220 C sous la même pression de 1382 mm de mercure à condition que l'on renonce au fractionnement du carbazol. Dans ce cas la communication entre l'alambic et le chapiteau est interceptée par la spupape étanche déjà à 383 C, au moment ou le carbazol commence à distiller.
Tous les exemples décrits ci-dessus se rattachent au second mode opératoire avec le film immobile. En cas du pre- mier mode opératoire avec mouvement de reflux du film liqui- de, toutes ces relations calorifiques mentionnées entre la
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tôle oomposant le chapitesu/et le film liquide condensé la- dessus, restant en pleine vigueur, mais celles-ci ne sont plus les seuls facteurs déterminants du procédé aussitôt qu'un réfrigérant à reflux entre en action pour produire l'excès nécessaire du film liquide pour l'obtention du mouvement de reflux désiré.
EXEMPLE I - Chapiteau simple selon figures 19, 20, 21
Le chapiteau est formé de minces lames de tôle d'une épaisseur de 0,218 mm. Toutes ces lames parallèlement super- posées sont espacés l'une de l'autre par des petits cubes en pierre artificielle ou des petits morceaux de tube de fer coupés dans un écart constant choisi entre 5 et 20 mm. Pour obtenir une voie ascendante semblable à une hélice, les lames de tôle horizontales ou faiblement inclinées sont jointes par des échelons verticaux ou fortement inclinés comme le repré- sentent les figures 10 et 21.
Sur quelques unes de ces lames parallèles sont installés ou des thermomètres électriques ou des thermomètres à spirale remplie avec du mercure indiquant les températures l'intéri- eur du chapiteau à différentes hauteur,. ou zones. Au moyen d'un chauffage électrique ou à la vapeur ou à l'eau surchauf- fée, on reproduit continuellement ces mêmes températures aux zones correspondantes à l'extérieur de la paroi du chapiteau., températures qui sont contrôlées et réglées autant que possi- ble automatiquement par des thermomètres correspondants pla- cés à l'extérieur de la paroi.
La forme la plus avantageuse avec une perte de chaleur minima, c'est-à-dire avec un périmètre minima par rapport à la surface est représentée par la/section horizontale transver sale des figures 20 et 21, dans lesquelles la circonférence tÒ est égale à la longueur moyenne de la voie 24 et la su- perficie totale est 5r2Ò.
La ligne droite 23 est égale à soit la longueur du quadrant du cercle de rayon rÒ,ce dernier correspond à la largeur du canal. '
L'appareil complet de la figrcre 19 consiste en un alam-
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4 bic 5, le ch'pitaau formé des lames horizontales 14 jointes par de courts échelons et les récipients 6 pour le produit final, qui en cas de substances d'un point d'ébullition et d'un point de fusion très éleévés permettent plus facilement d'être vidés après la solidification. Dans ce but les réci- pients sont de forme conique où la ligne supérieure de la section longitudinale et verticale est exactement dans l'ho- rizontale. 7 est une soupape conique.
Le chapiteau peut être isolé ou, spécialement, dans le cas de substances ayant des points d'ébullition très élevés, il peut être entouré comme représenté en figure 19, d'une série de fils électriques 8 permettant un chauffage très bien réglé et aidé par une enveloppe chauffée, d'une fa- con réglable, par les gaz chauds provenant d'un four à houille (9).
L'espace 10 en dessus de la dernière lame renferme un thermomètre, qui n'a pas été représenté dans la figure 19, et qui permet de mesurer la température des vapeurs quittant le chapiteau pour 8tre condensées comme produit final entrant dans les récipients 6. Au bout pointu du récipient, un ther- momètre est installé avec la fonction spéciale d'annoncer la vitesse de la distillation qui, dans le cas de substances à point d'ébullition très élevé, reste invisible et peut être rendu visible par mesure des grandes variations de tempéra- true/proportionnelles à l'épaisseur du courant de liquide con- densé dans lequel la boule du thermomètre est immergée.
Pour la distillation de produits à pointa d'ébullition trs élevé comme l'anthracèce, le carbazol, l'espace 10 au- dessus de la dernière lame, est surmonté par un chauffage ex- térieur 11, pour empêcher la condensation de trop grandes quantités de vapeur qui surpassent la quantité de reflux dé- sirée.
L'alambic possède un trou d'homme 12 pour le remplir et, au fond, un robinet de décharge 13. Le thermomètre, le mano- mètre et la soupape de sûreté ne sont pas représentées sur le
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dessin ainsi que la soupape parfaitement étanohe servant pour l'interception de la communication entre l'alambic et le cha- piteau, employée dans la distillation décrite au moyen de la pression et du vide.
EXEMPLE 2 - Chapiteau composé d'unités en série selon Les figu- res 7,8 et 9.
Ce chapiteau, composé est construite avec les mêmes élé- ments que celui de l'exemple 1. L'avantage de construction simple que présentent les unités d'une section transversale oblongue horizontale se retrouve même dans les combinaisons dans lesquelles par suite de la formation d'un corps total° d'une d'une section carrée les unités se protègent, les unes les autres contre les pertes de chaleur.
Les unités qui sont coordonnées l'une à coté de l'antre produisent toutes, indépendamment, mais par un mode opératoi- re synchrone avec des quantités de reflux égales, des substan- ces identiques.
Ces appareils de La figure 8 contenant les voies fractionna!: tes 17 peuvent être simplifiés en supprimant quelquea cloi- sons 18 à l'intérieur et en réunissant les canaux avoisinants chaque paire de courant (1 et 2 en figure 9) qui ont la même direction pour les vapeurs. En place de l'arrangement hori- zontal des lames jointes par des échelons fortement. inclinés, on peut donner aux canaux 1 et 2 une voie continuellement ascendante interceptée par les deux plateformes 3 et 4 en figure 9.
Dans le cas du fractionnement de produits ayant des points d'ébullition très élevés, un chauffage protecteur au moyen de fils électriques,, de la vapeur, de l'eau surchauffée ou des flammes de gaz 18 est employé. Ce chauffage à l'esxté- rieur de la paroi est comme dans l'exemple 1 sous le contrôle de thermomètres situés à l'intérieur et à l'extérieur de la paroi. Pour la distillation des produits d'un point d'ébulli- tion très éöevé, le couvercle 20 de la figure 7 posséder un chauffage uniforme 11. Une réduction uniforme du chauffage
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provoque une condensation uniforme du liquide sur les parois du couvercle.
Ces derniers sont divisés en sections 20 pour que le liquide soit collecté en quantités égales dans chacun des centres 21 de chaque unité assurant ainsi un fractionne- ment synchrone.
'EXEMPLE 3 - Chapiteau composé d'un faisceau de canaux droits et parallèles selon les figures 11, 12, 13,
Un tube d'un diamètre très large qui repose horizontalemer
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ou faiblement incliné et dont la cver1il.oa.LeueotionJ transver- sale est circulaire, polygonale ou quadrangulaire, est char- gé de minces lames de tôle espacées par des petits cubes en pierre ou des morceaux de tubes de fer coupés. La distance uni- forme est choisie entre 5 et 20 mm.
Sur la lame du milieu de chaque zone et au milieu de la dite lame, sont placés les thermomètres intérieurs qui mettent en marche, comme dans l'exemple l, les chauffages jusqu'à ce que des thermomètres correspondants à l'extérieur ou placés exactement aux parois à l'intérieure, annoncent l'égalité de température dans chaque zone et arrêtent les chauffages.
Les vapeurs sortent de l'alambic 5 dans la figure il ou dans le cas de distillation continue d'un alambic sous forme d'un tube évaporateur et se répandent d'une façon égale et uniforme sur tous les canaux du chapiteau en entrant par 22.
Dans le cas de l'emploi de reflux, celui-ci doit être divisé en quantités égales et réparti sur tous les canaux assurant ainsi in fractionnement synchrone. Les lames formant les fonds des canaux peuvent être combinées à la sortie avec des lames épaisses 27 qui permettent un transfert uniforme et suffisant de chaleur à travers de la paroi au bout du ohapi- teau dans le réfrigérant avoisinant 28. Celui-ci peut être refroidi par de l'air, ou par un bain d'huile, de l'eau ou de la séumure de température bien réglée et maintenue uniforme apar un agitateur.
Les sorties pour@ les produits finals peu- vent être arrangées aux deux cotés 25 du bout de sortie du chapiteau et les produits finals entrent ensuite par le tube
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26 dans les récipients refroidis, comme le représente la coy- pe de la figure 11 le long de la ligne XII-XII dans les figures 12 et 13 vue d'en haut.
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Process and apparatus for the fractional distillation of mixed volatile liquids or other uses
The known processes for the fractional distillation of mixed volatile liquids, composed of substances of any boiling point and at any pressure in known columns, use a vertical and relatively short path, but of relatively short profile. wide for splitting. By the fact that liquids and vapors are continuously mixed together as in a gas scrubber, the efficiency of the separation is considerably reduced.
Fractionation in known columns produces a noticeable increase and variations in pressure. The liquid forming the reflux is bubbled under boiling with the vapors so that it is not possible to achieve a good exchange of temperature and substance between liquid and vapor. Instead of clean separation, vapors filled with droplets and liquids filled with gas and vapor bubbles are obtained.
The principle of the fractionation process which is the subject of the present patent consists in that the reflux liquid and the vapor are conducted in the form of thin, horizontal or slightly inclined layers, one on top of the other in flattened tubes. or channels of great length, very wide but of limited height, so that the thin liquid film comes into contact everywhere with the thin layer of superimposed vapor, which leads to a perfect exchange of temperature
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and substance.
The fractionation takes place by a slow countercurrent movement between the vapor and the liquid film, which takes place without any mechanical swirling such as sputtering, bubbling and bubbling. Consequently, only the regular and constant pressure occurs to overcome the friction between the liquid film and the vapor, which pressure is very low according to the experimental data. Considering the great length of the channel, the exchange between liquid and vapor is almost perfect and leads to the most complete balances.
This new fractionation process, spanning as many of the smallest possible temperature differences as possible, provides greater efficiency in the heat economy possessed by columns of the known type.
The path of the canals is horizontal, having a constant slight inclination or in long horizontal or inclined sections interrupted by short vertical or steeply inclined steps. But at no point in the total fractionation path is there a descent in the direction of progressive fractionation, which could form cavities which would fill with condensed liquid.
Temperature measurements made in columns of the known type have shown that the temperatures vary not only at the different heights of the column, but also according to the progress of the operation itself. This fact leads to the conclusion that it is of the greatest importance for the efficiency of fractionation ,, to preserve the natural temperature scale which forms inside the column, on the one hand. heat losses abandoned to the outside and, on the other hand, thermal counter-currents inside.
Consequently all the successive and superposed channels are arranged so that they all have the same direction for the current of the upward vapors and undergo the same
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parallel degradation of temperature.
Between the channels and the walls which form them there are no dead spaces in the body of the capital. The latter itself has a relatively much larger diameter in comparison with the known columns in order to avoid, as much as possible, a loss of heat through the outer walls. For a given volume of a cylinder, the area will reach the minimum if the height becomes equal to the diameter. But in this case or. it is about a cylinder whose base is heated continuously and regularly by the vapors which rise from the still, the tablecloth and the convolute only undergo heat losses.
The exposed surface area thus restricted becomes a minimum if the height of the cylinder is equal to half the diameter.
The profile of a horizontal section made through the column of the invention or better through the capital (formed of a cylindrical apparatus but of short and wide size), is circular, polygonal or quadrangular,
The appended drawings show a few exemplary embodiments.
All the oblong profile models as shown in figures 1, 2, 3 and 5 and which are easy to construct are combined to form a plurality of parallel coordinated units which form set bodies of quadrangular profiles (fig . 4, 6, 7, 8). The latter represent minimum areas relative to the total volumes.
A unit of the channel according to figure 1 can be divided into dexu or several branches as shown in figure 2.
All of the capitals described, which are formed by a plurality of the combined units, split with each unit independently on the same still simultaneously and synchronously to arrive at identical end products.
This synchronous way of parallel but independent fractionation requires, if reflux is used, the distribution
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equal amounts of reflux of a uniform temperature on equal units, or in the case of equal units, in proportion to the areas of the profiles of the units.
These same units each form an ascending path, composed of horizontal channels and intercepted by vertical steps, shown in figure 10, where they form an ascending helix, the height of one turn of which corresponds exactly to the height of the channel. In the event that the reflux ration part recommends a steeper angle of inclination, the height of the helix must contain two or more heights of a channel. Each of these parallel, overlapping channels receives the same amount of reflux and performs independently. but in a synchronous fashion, all / the fractionation from the orifice to the exit like the horizontally coordinated units described previously.
The same case occurs in a bundle of long and parallel channels, horizontal or slightly inclined and superimposed on each other in parallel and each carrying out the fractional distillation from the steam leaving the still to to the final product (fig.ll). By subdivision with vertical partitions, the length of the track can be considerably increased (fig. 14).
In all combinations (fig. 4,6,7,8) the units can be arranged so that indoor units i are protected against cooling by outdoor units a in figures 15 and 16 or 17 and 18.
The final products of this inner and outer grouping of units can be collected separately as the first and second grade according to the different degree of chill protection. This interior and exterior grouping works best on two separate stills.
In all of the devices described, the heat losses can be compensated by heating outside the walls of the device. This heating is best done by subdivision into many horizontal zones, or, in the
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case of the apparatus of FIG. 11, in vertical zones. The temperatures outside in the different zones must be continuously adjusted to those in the corresponding zones inside.
In the case of batch or periodic distillation the temperatures rise constantly, in the case of continuous distillation the temperatures are more constant.
The distillation of the liquefied gases is also carried out with the consequence that pipes for refrigerating liquids outside regulated according to the natural scale of the temperatures measured inside protect the inside of the apparatus against water. introduction of external heat.
Next, it should be noted that the apparatus and process described serve not only for distillation. fractionated, but in general also in all cases where chemical or purely physical reactions between gases or vapors on the one hand and liquids on the other hand take place as for example in the absorption of gas, in gas scrubbers, in processes thickening or in processes to obtain sulfuric acid carried out in lead chambers or towers.
By reversing the process described, it is possible by the subsequent evaporation of a liquid alone or in a stream of air or other gas to produce cold in the most rational manner.
There are two ways to operate:
1 - With a weak movement of the liquid film backwards, comparable to the movement of reflux in known columns.
This movement is produced by a continuous or discontinuous inclination of the surface which supports the film.
2 - With a film remaining immobile on mainly horizontal surfaces.
It has been found that it is possible to fix channels on horizontal or weakly non-rusty surfaces, not only a film by adhesion, the surfaces being able to be scratched,
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1 cannelés or gades. but any desired amount of liquid
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by a thin blanket of fibrous material such as cotton, artificial silk, glass wool, asbestos flock or silk wool. The most suitable thickness of this fibrous material to fix exactly the desired amount of liquid on the surface will be determined by prior experience.
The capillary properties of the fibrous material allow the liquid film to spread evenly with an equal thickness over the surface, but in addition they preserve the slight cavities which are formed by the inevitable deviations of the horizontal level of the sheet, of be completely filled with liquid. For some species of glass wool, for example, a deviation of up to 5 centimeters from the level can be corrected and the liquid content equalized.
These means for distributing the liquid uniformly are applied not only for horizontal channels, but also for horizontal and slightly inclined channels.
It has further been found that through a blanket of fibrous material it is possible to produce, even on only horizontal surfaces, a slow and continuous movement as soon as the fibrous material at the place or a rung (leads on a rung). lower surface, as shown in Fig. 10 is hanging in the form of vertical or steeply inclined lines.These hanging lines produce a suction effect for the liquid of the film which depends on the arrangement of these lines, on their thickness. The same effect is produced in an apparatus where the long channel is formed by a multitude of horizontal surfaces parallel to one another and joined by vertical or strongly inclined steps.
In this case an uninterrupted mat of fibrous or colloidal material (absorption carbon, silica gel) extends over the entire length of the channel and the vertical lines of the fibrous mature produce the suction effect which gives the liquid film a movement of descent, continuous, steady and slow.
The second procedure with the film still and
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therefore without apparent influx gives rise to completely new conditions represented by the following examples: a) 1260 kg light coal tar oil containing as main component 630 kg of benzene are introduced into the still. The marquee can be constructed with exactly the heat capacity which is necessary to condense and support on the surfaces of the sheet the entire amount of benzene as a thin layer. The total heat of condensation for 630 kg of benzene is absorbed by 7588.7 kg of t8le 0.218 mm thick by raising the temperature of the tale from 15 C to 801 C at the boiling point of benzene.
At the end of the fractionation, the still is empty and the capital contains a liquid film of 975 kg with an average thickness of 0.27 mm. b) 1260 kg of crude anthracene containing 30% pure anthracene are introduced into the still. The two isomers Phenanthrene and Anthracene which have very close boiling points, together with 567.2 kg, form the main component. Its condensation requires 1217 kg of 0.218 mm thick sheet metal, raising the temperature from 15 C to 339 C, at the boiling point of anthracene. At the end of the fractionation, when the still is empty, the capital contains a final film of 559.8 kg with an average thickness of 0.972 mm.
In any case, successive batches can be distilled after cooling the capital to 1-initial temperature until the final film becomes too thick and begins to flow, or the final film can be washed with each new batch. down in the still; we can still do this with the reflux expressly produced at the beginning of each new operation.
A completely different procedure after the still has become empty is to continue the fractionation according to the principle of substitution under a slowly decreasing pressure using a vacuum pump.
The thickness of the final film under vacuum that can be
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reach is determined by the temperature of the marquee. For this reason the initial temperature of the capital must be raised to the boiling temperature in the vacuum of the component which among the substances admitted to the capital has the highest boiling point. In order to establish the temperature difference necessary to cause condensation, the boiling point of the initial mixture must be raised by increasing the pressure as shown in the following examples:
c) The marquee is heated beforehand with hot technical nitrogen at 40 C which is the vacuum boiling temperature (17.1 mm of mercury) of xylene, that is to say the component having the highest boiling point which is still admitted to fractionation. Then the complete apparatus is filled with technical nitrogen under a pressure of 1703 mm of mercury.
The light coal tar oil is then introduced into the still and quickly becomes hot. In the first place, carbon disulphide distils at a temperature of 76 C and it condenses in the capital; then, the benzecium, the toluene and finally the xylene distilled at 170 C. Then the communication between the still and the capital is intercepted by a perfectly sealed valve and the fractionation is completed under decreasing pressure. IL the exit, above the capital, the decreasing pressure will be, for reasons of dynamics, always a little lower than that at the entry below the still. For this reason the evaporation rate and consequently the cooling will always be a little stronger above than below.
Therefore the aerodynamic effect of the continual decrease in pressure maintains a natural scale of temperatures which guarantees the continuation of the fractionation until the tent is empty and returned to its initial temperature.
This cycle with the most perfect heat saving can be repeated at will. Assuming that all comp-
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sants of the light oil must be fractionated, it is necessary a- when the initial temperature of the capital is 75 C it is the boiling temperature in vacuum of the mothball component which is the one with the highest boiling point. high and the initial absolute pressure must be 3800 mm Hg to reach 105 ° C as the boiling point of carbonaceous sulphide, the component having the lowest boiling point.
d) The crude anthracene of 30% pure anthracene is liberated from water and light oils by pre-distilling in an ordinary column until the boiling point rises to 250 C. The tent is then heated with hot technical nitrogen to 250 C. The complete apparatus is subjected to an absolute pressure of 1382 mm of mercury, then the enthracene which has previously undergone the treatment described is compressed. in the still and quickly becomes hot.
First, distill dimethylnaphthalene at 285 C, then distill
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1, aoenaphthne, fluorene, phenanthrene-enthraoene, carbazol at 383 C, As soon as the temperature in the still reaches 408 which is the boiling point of flyuoranthene, under an absolute pressure of 1382 mm, the communication between the still and the capital is intercepted by a perfectly sealed valve. Then the fractionation is finished under decreasing pressure until the capital is empty and has returned to the initial temperature ready for a new charge.
The initial temperature of the tent can be only 220 ° C. under the same pressure of 1382 mm of mercury, provided that the fractionation of the carbazol is dispensed with. In this case the communication between the still and the marquee is intercepted by the spupape which is already waterproof at 383 C, when the carbazol begins to distill.
All the examples described above relate to the second procedure with the film stationary. In the case of the first operating mode with reflux movement of the liquid film, all these calorific relations mentioned between the
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sheet metal forming the top and the liquid film condensed thereon, remaining in full force, but these are no longer the only determining factors of the process as soon as a reflux condenser kicks in to produce the necessary excess of the film liquid to obtain the desired reflux movement.
EXAMPLE I - Single marquee according to figures 19, 20, 21
The capital is made of thin sheets of sheet 0.218 mm thick. All these parallel superposed blades are spaced from each other by small cubes of artificial stone or small pieces of iron tube cut in a constant distance chosen between 5 and 20 mm. To obtain a propeller-like upward path, the horizontal or shallowly inclined sheet metal blades are joined by vertical or steeply inclined steps as shown in Figures 10 and 21.
On some of these parallel slats are installed either electric thermometers or spiral thermometers filled with mercury indicating the temperatures inside the tent at different heights. or zones. By means of electric heating or with steam or superheated water, these same temperatures are continuously reproduced at the corresponding zones outside the wall of the tent. These temperatures are controlled and regulated as much as possible. ble automatically by corresponding thermometers placed outside the wall.
The most advantageous form with minimum heat loss, i.e. with minimum perimeter with respect to the surface is represented by the horizontal transverse / section of figures 20 and 21, in which the circumference tÒ is equal to the average length of track 24 and the total area is 5r2Ò.
The straight line 23 is equal to either the length of the quadrant of the circle of radius rÒ, the latter corresponds to the width of the channel. '
The complete apparatus of Fig. 19 consists of an alam-
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4 bic 5, the ch'pitaau formed of horizontal blades 14 joined by short steps and 6 containers for the final product, which in case of substances with a very high boiling point and melting point allow more easily to be emptied after solidification. For this purpose the containers are conical in shape where the upper line of the longitudinal and vertical section is exactly in the horizontal. 7 is a conical valve.
The marquee can be isolated or, especially, in the case of substances having very high boiling points, it can be surrounded as shown in figure 19, with a series of electric wires 8 allowing very well regulated heating and aided by a heated envelope, in an adjustable manner, by the hot gases coming from a coal furnace (9).
The space 10 above the last slide contains a thermometer, which has not been shown in figure 19, and which makes it possible to measure the temperature of the vapors leaving the tent to be condensed as the final product entering the containers 6. At the pointed end of the container a thermometer is installed with the special function of announcing the speed of the distillation which, in the case of substances with a very high boiling point, remains invisible and can be made visible by measuring large temperature variations / proportional to the thickness of the stream of condensed liquid in which the thermometer ball is immersed.
For the distillation of very high boiling products such as anthracetium, carbazol, the space 10 above the last slide, is surmounted by an external heater 11, to prevent condensation of too large quantities. of steam that exceeds the desired amount of reflux.
The still has a manhole 12 for filling it and, at the bottom, a discharge valve 13. The thermometer, the pressure gauge and the safety valve are not shown on the picture.
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drawing as well as the perfectly sealed valve serving to intercept the communication between the still and the cap, used in the distillation described by means of pressure and vacuum.
EXAMPLE 2 - Capital composed of units in series according to Figures 7,8 and 9.
This capital, composed is constructed with the same elements as that of Example 1. The advantage of simple construction presented by units with a horizontal oblong cross section is found even in the combinations in which as a result of the formation of a total body ° of a square section the units protect each other against heat loss.
The units which are coordinated next to the other all produce, independently, but by a synchronous procedure with equal amounts of reflux, identical substances.
These devices of Figure 8 containing the fractional channels 17 can be simplified by removing some partitions 18 inside and joining the neighboring channels each current pair (1 and 2 in Figure 9) which have the same direction for vapors. In place of the horizontal arrangement of the blades joined by steeply rungs. inclined, channels 1 and 2 can be given a continuously ascending path intercepted by the two platforms 3 and 4 in figure 9.
In the case of fractionation of products having very high boiling points, protective heating by means of electric wires, steam, superheated water or gas flames 18 is employed. This heating on the outside of the wall is as in Example 1 under the control of thermometers located inside and outside the wall. For the distillation of very high boiling point products, the cover 20 of Figure 7 has uniform heating 11. Uniform reduction of heating
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causes uniform condensation of the liquid on the walls of the cover.
These are divided into sections 20 so that the liquid is collected in equal quantities in each of the centers 21 of each unit thus ensuring synchronous fractionation.
'EXAMPLE 3 - Capital composed of a bundle of straight and parallel channels according to Figures 11, 12, 13,
A tube with a very large diameter that sits horizontally
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or shallowly inclined and the transverse cver1il.oa.LeueotionJ of which is circular, polygonal or quadrangular, is loaded with thin sheets of sheet spaced by small stone cubes or pieces of cut iron tubes. The uniform distance is chosen between 5 and 20 mm.
On the middle plate of each zone and in the middle of said plate, are placed the internal thermometers which start, as in example 1, the heaters until corresponding thermometers outside or placed exactly inside the walls, announce the temperature equal in each zone and stop the heaters.
The vapors come out of the still 5 in figure 11 or in the case of continuous distillation of a still in the form of an evaporator tube and spread evenly and uniformly over all the channels of the capital entering through 22 .
In the case of the use of reflux, this must be divided into equal quantities and distributed over all the channels thus ensuring synchronous fractionation. The blades forming the bottoms of the channels can be combined at the outlet with thick blades 27 which allow a uniform and sufficient transfer of heat through the wall at the end of the hatch into the surrounding condenser 28. This can be cooled. by air, or by an oil bath, water or salt of temperature well regulated and maintained uniform by a stirrer.
The outlets for the final products can be arranged on both sides of the outlet end of the marquee and the final products then enter through the tube.
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26 in cooled containers, as shown in the shell of Figure 11 along the line XII-XII in Figures 12 and 13 viewed from above.