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Procédé pour traiter par hydrolyse acide, avec saccharification, le bois divisé et des matières analogues, et installation pour exécu- ter ce procédé.
La présente invention est relative au traitement du bois par hydrolyse acide avec saccharification, ayant pour but la ré- cupération des produits de réaction formés lors de l'hydrolyse, savoir du sucre, de la lignine et des matières résineuses, et la régénération de l'acide en vue de son réemploi.
Pour la récupération profitable des produits finals déjà la manière d'exécutèr l'hydrolyse acide présente une importance particulière. Suivant l'invention, on exécute cette hydrolyse en service continu par le procédé du contre courant dans un récipient tubulaire en y introduisant la sciure de bois à l'extrémité infé- rieure:du récipient et l'acide frais à l'extrémité supérieure du ..récipient de manière à utiliser la propriété spéciale de la sciure
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de bois de flotter dans l'acide hydrolysant.
En opérant ainsi on peut, à condition de surveiller de manière appropriée la désintégration de la sciure de bois ou matière analogue, évacuer de l'extrmité inférieure du récipient tubulaire la solution acide de sucre, tandis qu'à l'extrémité supérieure on obtient un résidu de lignine auquel n'adhère plus qu'une petite quantité de sucre, de sorte qu'il suffit de le dé- barrasser de l'acide remplissant ses pores.
On décrira ci-après, en se référant en partie aux des- sins purement schématiques annexés, comment on peut réaliser con- formément à l'invention l'hydrolyse acide du bois et la désacidifi- cation des produits se formant au cours de cette hydrolyse.
Fig. 1 montre en coupe verticale l'appareil pour l'hydro- lyse de la sciure de bois ou matière analogue, conforme à l'inven- tion.
Fig. 2 montre un dispositif, modifié par rapport à la fig. 1, pour l'introduction de la sciure de bois dans le réci- pient d'hydrolyse, dont un fragment seulement est représenté et qui a la forme d'une colonne s'évasant de bas en haut.
Fig. 3 montre un appareil-de désacidification conforme à l'invention, servant plus particulièrement à désacidifier la lignine résiduaire formée au cours de la saccharification dans un appareil comme celui représenté sur la fig. 1 ou la fig. '2.
Fig. 4 montre l'appareil de la fig. 3 dans le cadre d'une installation industrielle complète.
Dans l'appareil représenté sur la fig. 1, servant à saccharifier la sciure de bois au moyen d'acide chlorhydrique de forte concentration, 1 désigne un collecteur ou réservoir pour la sciure de bois, d'où la sciure se rend à l'intervention d'un transporteur 2 dans un récipient 3 qui est séparé du récipient d'hydrolyse ou "diffusuer" tubulaire 5 par un organe d'obtura- tion réglable 4. L'acide chlorhydrique de forte concentration est
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amené, dans le "diffusuer" tubulaire 5 par un tuyau d'arrivée 6.
Un transporteur 7 évacue la lignine résiduaire qui s'accumule au-dessus du niveau du liquide. La lignine est débarrassée à l'aide d'une presse à essorer 8 de la majeure partie de l'acide qui l'imprègne. L"acide qui s'écoule de cette presse est ramené par un transporteur 9 dans le diffuseur tubulaire 5. La lignine essorée, renfermant encore à peu près son poids d'acide, est éva- cuée par un transporteur 10 pour être débàrrass,ée du restant d'acide chlorhydrique dans un dispositif 10a approprié.
Par suite d'une rotation de l'organe d'obturation 4, la solution sucrée passe du diffuseur tubulaire 5 dans le récipient
3 d'où elle est soutirée en quantité nécessaire, à travers un robinet 11, pour subir' le traitement ultérieur. L'excédent de solution sucrée est renvoya par une pompe 12 dans la partie in- férieure du récipient 5. L'organe d'obturation 4 fonctionne de telle manière que sa capacité 13, lorsqu'elle est tournée vers le récipient 3, se remplisse sous l'effet de la poussée verticale de sciure de bois amenée par le transporteur 2. Par suite de la rota- tion de l'organe d'obturation, la,capacité 13 s'oriente vers le , haut, .de sorte que le bois y contenu s'élève en obéissant à la poussée verticale.
Durant l'ascension du bois, la capacité 13, désormais tournée vers le haut, se remplit d'acide contenant du sucre,,acide qui lorsque la capacité 13 tourne ensuite de haut en bas, est déplacé partiellement par le bois qui y entre, et coule dans le récipient 3.
Pour remplir le diffuseur'5 on règle la vitesse de ro- tation de l'organe 4 ou la vitesse d'arrivée de bois du récipient
1 de manière que la partie cylindrique du diffuseur 5 soit remplie de matière à hydrolyser, tandis que, avantageusement, sa partie inférieure conique ne contient que du liquide.
Pour tenir compte du fait que la rotation de l'organe d'ob- turation 4 amène dans la chambre 3 une quantité d'acide supérieure à ce qui est désirable pour les besoins de la concentration des
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solutions, l'excédent de liquide est ramené par la pompe 12 dans le diffuseur 5.
Au lieu d'un organe d'obturation 4 mû mécaniquement on peut aussi employer un obturateur liquide, avantageusement du mercure. Une telle disposition est représentée à titre d'exemple sur la fig. 2.
Le bois est refoulé du réservoir la, au moyen d'un trans- porteur 2a, de haut en bas à travers une colonne de mercure 14.
Arrivé en bas de la colonne de mercure, il s'élève à travers l'obturateur de mercure 15 dans une chambre de réaction conique 5a remplie de bois et d'acide. Par suite de la pression de la colonne d'eau exercée dans le récipient 5a sur l'obturateur de mercure, le niveau de mercure dans le transporteur 2a est plus élevé que dans la chambre 15. On soutire par un robinet 16 la solution de sucre achevée.
L'acide frais est amené par le tuyau 6a. La lignine s'accumulant dans le tube au-dessus du niveau de liquide est traitée comme sur la fig. l.
Un autre moyen éprouvé d'introduire la sciure de bois fraiche dans la partie inférieure du diffuseur consiste en un tube d'alimentation traversant le récipient verticalement. La sciure peut être refoulée facilement par portions au moyen d'un piston, à l'encontre de sa tendance à surnager, jusqu'en-dessous de l'embouchure inférieure du tube, puis elle dévie latéralement et parvient ainsi à l'état d'obéir à la poussée verticale naturelle.
Pour certaines matières d'origine végétale il est utile de donner au diffuseur tubulaire une forme conique de manière à diminuer la résistance opposée à la poussée verticale.
Quand on emploie des diffuseurs tubulaires de forme purement cylindrique, des perturbations dans le mouvement de poussée verticale peuvent se produire malgré la flottabilité de la matière à hydrolyser dans l'acide, par suite d'un effet de serrement entre les copeaux ou entre les copeaux et la paroi. On
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peut s'y opposer avec succès en équipant le récipient d'un agi- tateur dont les bras, de préférence décalés angulai.rement les uns par rapport aux autres, sont'fixés à un arbre traversant vertica- lement le récipient. Pour obtenir un bon effet avec une faible consommation de puissance en employant un tel agitateur, l'écarte- ment mutuel des bras de l'agitateur suivant l'axe du récipient doit être adapté au diamètre du récipient..
On a obtenu de bons résultats en choisissant un écartement des bras égal à la moitié du diamètre du récipient.
Dans les cas où l'enchevètrement des copeaux oppose à la poussée verticale naturelle de la sciure des résistances si fortes qu'on doit'les surmonter à l'aide d'un agitateur, il peut ne pas être nécessaire de charger la masse de.sciure, contenue dans le récipient de réaction, d'une masse de résidu de lignine faisant saillie'au-dessus du liquide d'hydrolyse. Il est àlors recommanda- ble de régler l'entraînement de l'agitateur de manière que le rem- plissage total voulu du récipient de réaction au.moyen de matière à hydrolyser soit réalisé précisément quand au-dessus du liquide d'hydrolyse ne fait saillie que la 'quantité de lignine qu'on doit évacuer au moment considéré.
En choisissant la quantité de matière, remplissant.le récipient de réaction, de telle manière que le niveau de liquide se trouve directement en-dessous du bord supérieur du récipient, on peut alors éliminer très commodé- ment la lignine résiduaire en munissant l'arbre de l'agitateur d'une raclette pour la lignine, qui chasse celle-ci par-dessus le bord du récipient. Avantageusement, on donne à cette raclette la forme d'une spirale.
La saccharification de la cellulose par un procédé conti- nu avec circulation de bas en haut de la..matière à hydrolyser s'opère' de manière particulièrement avantageuse du fait que la circulation de la matière dans le liquide d'hydrolyse est produi- te sous la poussée verticale naturelle sans apport spécial d'éner-- gie et'du' fait que le besoin de volume pour le récipient résistant
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aux acides est réduit en comparaison de l'effet réalisé.
Comme le poids spécifique du liquide d'hydrolyse augmente de haut en bas avec la teneur en sucre croissante, la tendance à la forma- tion de courants allant des zones à forte concentration de sucre aux zones à faible concentration de sucre est fa.ible et on obtient la lignine résiduaire sous une forme à peu près exempte de sucre, tandis que la récupération continue de la lignine per- met d'essorer celle-ci de manière continue dans une presse résis- tant aux acides, où se séparent de la lignine environ 4/5 de l'acide à forte concentration adsorbé, qu'on peut ramener direc- tement dans la chambre de réaction.
Ensuite il faut encore séparer du liquide réactif les produits de réaction du bois afin de récupérer isolément les produits de réaction : lignine et matières résineuses, et libérer l'acide pour la réutilisation.
On résout ces problèmes, conformément à des caractéris- tiques spéciales de l'invention, en procédant de la manière dé- crite ci-après.
La solution acide de sucre quittant le récipient de réaction doit être soumise, en vue de la séparation de sucre et d'acide, à un chauffage opéré avec ménagement à des températures exactement contrôlées, ce qu'on réalise suivant une caractéris- tique particulière de l'invention en employant comme agent de chauffage la vapeur d'un liquide tel que par exemple le tétra- chloréthane qui ne réagit pas chimiquement sur la solution sucrée, c'est-à-dire ni sur le sucre ni sur l'acide chlorhydrique, et dont les pressions de vapeur, dans les limites de la température de travail non nuisible pour le sucre, sont inférieures aux pres- sions de vapeur de l'acide à évaporer.
Avantageusement, on sépare le sucre de l'acide chlorhy- drique à l'aide de l'agent de chauffage de la nature précitée, en injectant à l'aide d'un pulvérisateur la solution acide de sucre
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dans la vapeur de tétrachloréthane. L'acide chlorhydrique s'é- vapore, tandis que le tétrachloréthane se condense, si bien qu'on utili;se, pour procurer la chaleur nécessaire à l'évaporation, non seulement la chaleur sensible des vapeurs, mais encore leur chaleur de condensation.
Cette manière de procéder est admissible malgré la température d'ébullitiqn élevée, d'environ 150 C., du tétrachloréthane, étant donné que la solution sucrée pulvérisée provoque,directement un refroidissement intense de l'acide et l'évaporation simultanée de celui-ci, ainsi que la condensation' de la vapeur de tétrachloréthane, de sorte que la solution chlorhy- drique,de sucre ne subit que'pendant un laps de temps très bref l'action d'aune température supérieure à la température de décompo- sition du sucre.
davantage de cette manière d'évaporer l'acide, compara- tivement à une évaporation réalisée au moyen d'air connue gaz de chauffage, tombe sous les sens si l'on considère que 1 mètre cube de vapeur de tétrachloréthane, pesant 6 kilogrammes, fournit en se condensant environ 250 calories, tandis que 1 mètre cube d'air à 150 ne.,fournit pratiquement que 12 à 15 calories.
Pendant la concentration ou le séchage de la solution acide de sucre'les volumes'de gaz à faire circuler sont ainsi ré- duits à environ 1/20 de ceux qu'il faut faire circuler quand on emploie,à la même.fin de l'air chaud, et en outre on évite d'endom- mager le sucre par une surchauffe même 'sans prévoir des disposi- tifs spéciaux pour le contrôle de la température.
' Il n'est point nécessaire d'éliminer de la vapeur de chauffage le dissolvant du sucre, c'est-à-dire l'acide chlorhydri- que aqueux, car même les quantités de vapeur de tétrachloréthane qui quittent, non condensées, conjointement avec la vapeur de dissolvant éntraînée, la chambre de séchage, se condensent ensuite sans se mélanger.
Le sucre-séché ne se dissout pas non plus ni ne s'émul- sionne dans le condensat de tétrachloréthane. On.peut donc obtenir
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séparément du tétrachloréthane tant le sucre que l'acide chlorhy- drique, et le tétrachloréthane peut être ramené à l'opération de séchage après une nouvelle évaporation.
En exécutant la saccharification du bois, selon l'ensei- genemnt de l'invention, dans un récipient tubulaire vertical où la sciure de bois est introduite par en-dessous et l'acide à forte concentration est introduit par au-dessus et où la sciure de bois, en obéissant à sa tendance naturelle à surnager, s'accumule fina- lement à l'extrémité supérieure du récipient vertical sous forme de lignine ne contenant plus que des matières résineuses et im- prégnée d'acide chlorhydrique à forte concentration presque pur, on réussit à débarrasser la lignine de l'acide chlorhydrique, par simple essorage à la presse, à un degré si poussé qu'on peut omet- tre le lavage de la lignine à l'eau, auquel on recourait dans les procédés de saccharification employés jusqu'à présent.
Au lieu de cela la lignine essorée peut être traitée en évaporant directement l'acide chlorhydrique. Pour exécuter cette évaporation efficace- ment et économiquement, on peut, suivant l'invention, employer certains hydrocarbures chlorés et parmi ceux-ci, notamment le tétrachloréthane appelé brièvement "tétra"'dans la description ci-après.
La désacidification de la lignine par évaporation d'aci- de chlorhydrique par la chaleur des vapeurs de "tétra" procure encore l'effet spécial de permettre en même temps la récupération des matières résineuses contenues dans la lignine, pour lesquelles le tétra constitue un dissolvant approprié; par ce moyen on peut récupérer de la lignine une quantité de matières résineuses qui dépasse notablement la quantité qui peut être constatée dans la sciure de bois traitée; par exemple, au lieu de 2% de résine rapportés au poids de la sciure de bois sèche, on peut récupérer les matières résineuses jusqu'à concurrence de 12% du poids de bois.
Pour la désacidification de la lignine et la récupération des matières résineuses mélangées à la.,lignine on peut employer
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l'appareil représenté sur la fig. 3.
21 est un récipient de réaction qui comporte un faux- fond perforé 22 et un dispositif 23 servant à distribuer la vapeur de tétra. 24 est le générateur de vapeur de tétra, qui en même temps concentre la solution d'extrait arrivant d'une conduite 25.
Le concentrat se rend en 26 où il est débarrassé complètement du tétra,. De là on peut évacuer 1,'extrait chaud et, partant, encore mou.Les vapeurs quittant le récipient 21 se condensent en 27 et sont recueillies en 28. L'acide chlorhydrique gazeux est envoyé par le tuyau 29 à la régénération; de même, l'acide chlorhydrique aqueux se rend à la régénération par un tuyau 30. Le tétra conden- sé coule-par le tuyau 31 dans une des tours 32 chargées de CaO et, une fois' séché et désacidifié, est refoulé par une pompe 33 dans un réservoir- 54 d'où on peut le renvoyer selon les besoins à l'é- vaporateur.
Lorsque l'extraction est achevée, une pompe 35 fait cir- culer de l'air en circuit fermé pour opérer un séchage. L'air se rend;d'abord par un réchauffeur 36 dans le récipient 21, puis se refroidit dans un réfrigérant 37, tandis que le tétra entraîné se condense. On peut de même faire passer celui-ci du condenseur 38 sur du CaO et le pomper dans le réservoir 34. Au cas où un rinça- ge ultérieur à la vapeur serait nécessaire, on peut l'intercaler sans difficulté dans le circuit de circulation existant.
La lignine débarrassée de matières résineuses demeure dans le 'récipient sous forme d'une masse assez finement divisée et facile à évacuer et on peut par exemple l'évacuer par aspira- tion à laide d'un appareil aspirant approprié.
.-Dans une telle disposition, le récipient d'évaporation et les récipients pour la condensation de l'acide doivent être établis en matériaux résistant aux acides, tandis que les autres parties de l'appareil peuvent être.faites en fer ordinaire.
'Avec l'installation décrite ci-dessus, 1.'économie thermi- que se présente sous un aspect particulièrement favorable, vu qu'on
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ne fait pas appel à un échange thermique à travers les parois du récipient pour évaporer l'acide chlorhydrique et que, bien au contraire, l'échange thermique servant à éliminer l'acide chlor- hydrique est réalisé par contact, direct entre le véhicule de cha- leur et la matière.
Avantageusement, une installation industrielle pour Inexécution de l'invention est équipée d'un certain nombre de récipients résistant aux acides, servant à recueillir la lignine désacidifiée, ainsi que cela est représenté sur la fig. 4 qui montre cinq récipients 21 en parallèle.
Tous les récipients sont alimentés en tétra au moyen d'un seul réservoir 34 d'où on peut envoyer le tétra, à travers un évaporateur 24, au choix, à un des récipients 21 ou simulta- nément à plusieurs de ces récipients. Chaque récipient cède aussi le tétra y condensé, chargé de matières résineuses de la lignine, à un évaporateur 24 d'où le concentrat se rend dans le collec- teur 26 ad hoc.
Pour recevoir la vapeur d'acide chlorhydrique dégagée par la lignine dans le récipient 21 et emportant avec elle un peu de tétrachloréthane, il' est prévu un seul condenseur 27 qui est raccordé à tous les récipients 21 et dans lequel tout l'acide qui y arrive subit un traitement unique, ainsi que cela a été expliqué avec référence à la fig. 3.
De pour la circulation en circuit fermé de l'air de séchage à envoyer à travers les récipients 21 il n'est prévu qu'une seule pompe 35 qui débite l'air aux récipients 12 à tra- vers un réchauffeur 36 et qui le reçoit en retour à travers un réfrigérant 37.
Au lieu de combiner l'extraction des matières résineuses de la lignine à la désacidification, on peut exécuter l'extrac- tion préalablement, en employant un procédé d'extraction qui imite le procédé de saccharification pour la sciure de bois ou ma- ,41 ères analogues, décrit ci-dessus.
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La lignine, qu'on obtient, au cours de la saccharifica- tionà l'état imprégnéd'acide chlorhydrique sensiblement pur et qu'on évacue à l'extrémité,supérieure du récipient tubulaire de saccharification, peut à son tour, après une;expression aussi pous- sé que po'ssible de l'acide, être introduite, de la même manière que cela se fait pour la saccharification,de la sciure de bois,dans la partie inférieure d'un, récipient d'extraction vertical, pour s'élever sous l'effet ;de sa poussée verticale naturelle dans un liquide d'extraction pour les matières résineuses, où la lignine peut flotter, et pour céder ainsi'ses matières résineuses au li- quide d'extraction amené à 1''extrémité supérieure du récipient ver- tical.
Un liquide d'extraction approprié également pour ce procédé d'extraction est le tétrachloréthane appelé brièvement "tétra" dans la description ci-dessus; conviennent aussi certains autres hydrocarbures chlorés, comme par exemple le pentachloréthane.
Après un enrichissement suffisant de matières résineuses, on peut concentrer le liquide d'extraction de la manière décrite à propos de la désecidification de-la lignine et en retirer les ma- tières résineuses, tandis que les vapeurs de tétra peuvent être utilisées pour désacidifier la lignine.
Le procédé d'extraction continue en contrecourant, expli- que ci-dessus pour l'extraction des matières''résineuses de la lignine, peut aussi'être employé pour d'autres matières d'origine végétale,qui contiennent des résines, ou des huiles, comme par exem- ple le..,bois de certaines racines ou les graines oléagineuses.