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CALIFORNIA RESEARCH CORPORATION, résidant à SAN FRANCISCO (E.U.A.) .
STABILISATION DE DISTILLATS COMBUSTIBLES DE CRAQUAGE.
La présente invention se rapporte à un procédé de traitement d'hy- drocarbures de pétroles craqués, et plus particulièrement à un procédé de -stabilisation d'huiles combustibles provenant de distillats de craquage et qui trouvent leur application dans les fours ou brûleurs industriels ou do- mestiques, comme carburants pour moteurs Diesel, etc.
Les hydrocarbures provenant du craquage catalytique ou thermique des pétroles, bouillant entre 150 et 400 C. environ qu'on désigne générale- ment sous le nom d'huiles combustioles de distillats de craquage, tels que le gasoil, et qui sont intéressants en tant qu'huiles de chauffage, combus- tibles pour Diesel, etc., présentent l'inconvénient d'être instables. Au cours du stockage, ces huiles prennent une mauvaise couleur caractéristique et forment des matières gommeuses insolubles dans les huiles ou boues qui, en cours d'emploi, peuvent boucher et obstruer les filtres, tamis et gicleurs de brûleurs, ce qui nuit à leur utilité et diminue leurs possibilité de ven- te. Il est aussi souvent avantageux, en raffinerie, de faire, des mélanges de fractions craquées avec des produits de distillation en vue des usages ci-dessus énumérés.
Ainsi, des produits provenant d'installations de craqua- ge catalytique comprennent un produit partiellement ou complètement conver- ti, bouillant dans la gamme du gasoil, dit "huile de cyclage catalytique".
Un usage avantageux de cette "huile de cyclage" comporte son mélange avec des huiles de distillation, par exemple du gasoil de distillation. Toutefois-,, l'incorporation de l'huile de cyclage dans l'huile combustible nuit à la stabilité du mélange, de sorte qu'il est souvent nécessaire de le faire pas-' ser dans la qualité inférieure des huiles combustibles dites "noires" dont la valeur est moindre. D'une manière générale, les mélanges d'huiles de dis- tillation et d'huiles combustibles de distillats de craquage sont incompa-
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tibles, c'est-à-dire que ces mélanges sont moins stables que l'un ou l'au- tre de ses composants avant leur mélange. En raison de cette incompatibili- té, ces mélanges n'ont guère eu de succès.
La demanderesse a découvert que l'on peut résoudre ce problème de l'instabilité propre aux huiles combustibles de distillats de craquage des pétroles par un procédé comportant essentiellement deux stades. En prin- cipe, le procédé.consiste à soumettre le distillât de craquage, par exemple du gasoil craqué, à un traitement à l'aide d'acide sulfurique, suivi d'un traitement basique ou caustique. On a en outre trouvé que les traitements acide et caustique devaient être effectués dans des conditions critiques en ce qui concerne les quantités, concentrations et températures, de manière à obtenir un produit final n'exigeant pas de nouvelle rectification ou dis- tillation ou plusieurs traitements pour présenter une stabilité satisfaisan- te. Il est avantageux, après le traitement caustique, de laver le produit à l'eau et de le sécher.
L'invention se rapporte plus spécialement à la stabilisation des huiles combustibles de distillats de craquage et à la préparation de mélan- ges compatibles de distillats de craquage avec des huiles de distillation par un procédé comprenant la mise en contact du distillat de craquage insta- ble avec de l'acide sulfurique à une température variant avec la concentra- tion ou la force de l'acide, puis la séparation d'une phase huileuse de la phase acide, la mise en contact de la phase huileuse avec un excès d'une solution alcaline ou caustique chaude, enfin la séparation de la phase hui- leuse de la phase alcaline. Il est bon, après le lavage caustique, de laver la phase huileuse à l'eau et de la sécher, par exemple au moyen d'air.
Par force ou concentration de l'acide, on entend ici la force ou la concentra- tion effective du traitement de l'acide, définie par le rapport SO4H2 ,
SO4H2+H2O en poids.
Comme on l'a dit, on a constaté qu'il existe un rapport défini entre la concentration de l'acide et la température de traitement. D'une manière générale, la température à laquelle on effectue le traitement acide varie en raison inverse de la concentration ou force de l'acide. A une tem- pérature élevée de traitement correspond une faible concentration de l'acide employé et inversement. On a en outre constaté que l'usage de températures de traitement et de concentrations en acide au-delà de certaines limites supérieures donne des résultats indésirables. De même, l'usage de tempéra- tures de traitement ou de concentrations en acide inférieures à certaines limites inférieures donne des résultats indésirables.
C'est ainsi qu'une température trop élevée pour une concentration déterminée en acide, ou une concentration trop élevée pour une température donnée, aboutit à la forma- tion de produits de réaction neutres qui, au cours du stockage de l'huile, surtout aux températures élevées, sont convertis en matières acides indési- rables. Si, d'autre part, les températures de traitement ou les concentra- tions en acide sont trop faibles, l'huile n'est pas sensiblement améliorée.
D'une manière générale, comme on le verra plus complètement dans la suite, on peut utiliser des températures allant de 10 à 105 C. environ et une con- centration en acide comprise entre 60 % pour la température la plus élevée et 100% et plus (acide sulfurique fumant) pour la limite inférieure de tem- pérature.
On sait que les précipités et les gommes, dans le cas d'une hui- le combustible de distillats de craquage, comme le gasoil de craquage, qui se déposent au cours du temps proviennent de la fraction polaire de l'huile et se forment par oxydation de celle-ci. Ainsi, les huiles dont la fraction polaire a été éliminée, par exemple par adsorption, sont stables quant à leur couleur et à la formation de gommes. Les fractions polaires représentent environ 0,5 à 3 % du total de la charge craquée. Les analyses chromatographi- que et chimique de cette fraction polaire montrent qu'elle contient des ma-
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tières de polarité variable et de nature acide, basique, phénolique et neutre.
Bien que la capacité à former des gommes des fractions les plus polaires soit la plus grande, toutes les fractions contiennent des consti- tuants instables. Ces fractions polaires sont converties en gommes au con- tact de l'air, et la formation des gommes est accélérée aux températures élevées.
La considération de cette explication de la nature des dépôts, des gommes et des boues formées dans les huiles au cours du stockage porte à croire que la fonction de l'acide dans le traitement acide suivant l'in- 1 vention est de séparer et d'enlever les composés polaires par réaction chi- mique, solubilisation, ou les deux. Pour effectuer ces séparations et cette élimination de manière à obtenir des résultats satisfaisants, on a consta- té que, ainsi qu'on l'a dit, la concentration ou la force de l'acide sul- furique et la température de traitement sont en relation mutuelle. Ainsi, si la concentration de l'acide pour une température donnée est trop éle- vée, il se forme des matières nuisibles qui par la suite, au cours du vieillissement, donnent des produits acides qui rendent l'huile corrosive.
Si par ailleurs la concentration en acide est trop faible pour une tempé- rature donnée, la séparation et l'élimination des composés polaires lais- sent à désirer. D'une manière générale, il est préférable d'opérer à une concentration en acide ne dépassant pas 96 % environ à une température ma- ximum, pour cette concentration, de 37 C environ, et une température mini- mum de 10 C environ, de 15 C. environ de préférence. Les conditions opéra- toires optimum sont une concentration en acide d'environ 83 % à 88 % et une température comprise entre 27 et 43 C. environ, toute température comprise entre ces limites convenant à une concentration quelconque comprise entre les limites indiquées.
La quantité d'acide peut varier largement et dépend dans une grande mesure de la quantité et de la nature de la matière polaire. D'une manière générale, une gamme opératoire satisfaisante va de 570 à 5700 g. par hectolitre d'huile à traiter.
La base caustique a pour rôle de neutraliser les acides sulfo- niques solubles dans les huiles et autres matières acides libres, d'éli- miner l'acide sulfurique entraîné et d'hydrolyser les matières à "acidité potentielle", et de neutraliser les acides ainsi forméso On entend ici par matières à "acidité potentielle" celles qui sont susceptibles de former des acides ou de se scinder en matières acides,telles que les esters, et dont la présence est indésirable dans l'huile.
Pour obtenir le degré désiré de neutralisation et en particulier hydrolyser les matières à acidité potentielle et les neutraliser ensuite, la température à laquelle doit s'effectuer le traitement caustique est cri- tique, ainsi qu'on s'en est assuré. A une température inférieure à 65 C. la vitesse de l'hydrolyse des matières susdites est si faible que le procédé est inapplicable. Au dessus de 121 C. environ, non seulement une installa- tion spéciale et coûteuse résistant à la corrosion est nécessaire, mais en- core il n'y a pas d'avantage particulier obtenu dans le produit final. En résumé, bien qu'une gamme de températures allant de 65 à 121 C. convienne, la gamme préférée de températures est comprise entre 82 et.93 G.
Pour effectuer le traitement caustique ou alcalin, on assure une durée de contact suffisante entre l'huile à traiter et un excès de base caustique pour que, associée à une température élevée, elle assure une ré- action complète de tous les produits acides, y compris les produits à aci- dité potentielle,.avec la base caustique. D'une manière générale, la durée nécessaire pour que le mélange de solution caustique et d'huile se sépare en une phase huileuse et une phase aqueuse basique, à savoir 15 à 45 minu- tes, est suffisante pour effectuer une réaction complète aux températures élevées de l'ordre indiqué.
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Pour effectuer le traitement caustique ou alcalin,on utilise un excès de base par rapport à la quantité nécessaire pour effectuer la réaction complète des matières acides et potentiellement acides. La quan- tité de base caustique est réglée de telle sorte que, après séparation de la phase aqueuse de la phase huileuse, la phase aqueuse soit encore alcali- ne et que son pH soit d'au moins 8,5 à 9.
Au lieu d'une solution caustique ou basique formée à l'aide d'un hydroxyde de métal alcalin tel que l'hydroxyde de sodium et (ou) l'hydroxy- de de potassium, on peut faire appel à d'autres solutions alcalines telles que des hydroxydes alcalino-terreux ou d'ammonium.
Suivant l'invention, la solution la plus avantageuse est une so- lution d'hydroxyde de sodium, de préférence de 10 Bé environ (échelle stan- dard américaine) mais on peut aussi utiliser des solutions de 5 à 20 Bé environ. L'usage de densités supérieures à 20 Bé environ est moins recom- mandable, car ces solutions donnent naissance à des émulsions huileuses in- désirables et des pertes de produit par entraînement d'huile dans la solu- tion caustique. On a constaté que convenaient généralement des quantités de soude caustique ou d'équivalents molaires d'autres bases comprises entre 57 et 200 g., de préférence entre 70 et 100 g, de base sèche par hectolitre d'huile.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention résulte- ront de la description suivante de l'invention, faite en se référant aux figures 1 et 2 qui représentent respectivement une installation propre à la mise en oeuvre d'un mode préféré d'application de l'invention et un graphique montrant les rapports entre la concentration en acide et la tem- pérature de traitement.
Suivant la figure 1, l'huile combustible de distillat de craqua- ge, par exemple du gasoil, craqué, est contenue dans le réservoir 1, et l'acide sulfurique dans le réservoir 2. L'huile sort du réservoir 1 par le tuyau 3 et passe dans l'échangeur de chaleur 4 où sa température s'élève à la valeur désirée, suivant la concentration de l'acide, puis est introduite par le tuyau 6 dans la zone de mélange 7. Dans la zone de mélange 7 il se produit un mélange intime de l'huile et de l'acide sulfurique provenant du réservoir 2, l'acide étant introduit dans cette zone par le tuyau 8 avec vanne 9 et le tuyau 6. La zone de mélange 7 est munie de tout appareil ap- proprié susceptible d'effectuer un mélange intime de l'acide et de l'huile, par exemple des tuyaux en chicane, permettant, d'obtenir une vive agitation.
Le mélange d'huile et d'acide passe de la zone de mélange 7 par le tuyau 11 dans le décanteur d'acide 12. Pour faciliter la décantation, le décanteur 12 est muni de dispositifs appropriés tels qu'un garnissage et des chicanes inertes aux acides. Le mélange d'huile et d'acide contenu dans le décanteur 12 se sépare en une phase huileuse supérieure et une phase acide inférieure. On retire la phase acide par le tuyau 14 et on en remet tout ou partie en circulation par le tuyau 15 dans le tuyau 6, pour la réutiliser avec une charge d'huile; on peut aussi l'éliminer en totalité ou en partie du système par le tuyau 16. On évacue la phase huileuse du décanteur 12 par le tuyau 17 dans lequel on la mélange avec une base provenant du bac 20, passant par le tuyau 18 qui est muni d'une vanne 19, et par le tuyau 17.
Le courant de base et d'huile est alors soumis à un mélange intime dans la zo- ne de mélange 21, qui peut être munie d'un appareil semblable à celui de la zone 7. On fait alors passer le mélange d'huile et de base dans l'échan- geur de chaleur 22 dans lequel la température du mélange est élevée à une valeur comprise entre 65 et 121 C., puis on l'introduit par le tuyau 24 dans le décanteur de base 25.
Après une durée de séjour d'environ 15 à 45 minutes dans le décanteur de base 25, au cours de laquelle la réaction avec les matières acides et à acidité potentielle s'achève, le mélange se sépare en une phase huileuse supérieure et une phase aqueuse alcaline inférieure, la phase aqueuse alcaline étant retirée par le tuyau 26 et le tuyau 27 pour
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être remise en circuit dans le tuyau 17 en vue d'une nouvelle mise en con- tact avec de l'huile ayant subi le traitement acide. Quand la base est é- puisée, on l'évacue du système par le tuyau 28. L'huile ayant subi le trai- tement basique est évacuée du décanteur 25 par le tuyau 30, mise en contact avec de l'eau introduite par le tuyau 32, puis le courant d'eau et d'huile est envoyé dans la zone de mélange 33 qui peut être de nature analogue à celle des zones de mélange 7 ou 21.
Après mélange, on fait passer le mélange d'huile et d'eau par le tuyau 34 dans le décanteur d'eau 35, où se produit la séparation d'une phase huileuse supérieure et d'une phase aqueuse infé- rieure, la phase aqueuse étant retirée par le tuyau 37 et la phase huileuse par le tuyau 38, qui aboutit dans le réservoir 40 du produit. Comme on l'a dit, l'huile, après séparation de l'eau, peut être séchée avant usage.
Sur la figure 2, le triangle ABC délimite la zone dans laquelle on peut choisir des gammes satisfaisantes de températures de traitement portées en abcisse et de concentrations d'acide (portées en ordonnée) en vue du traitement des distillats conformément à la présente invention. Ce graphique permet de choisir facilement un ordre approprié de températures de traitement pour une concentration donnée en acide, ou un ordre satis- faisant de concentrations en acide pour une température quelconque donnée de traitement. La ligne BC détermine la limite supérieure de la concentra- tion en acide qui peut être tolérée pour une température quelconque donnée,
D'autre part, la ligne AC détermine la limite inférieure de la concentra- tion en acide pour une température donnée susceptible d'être utilisée en donnant des résultats satisfaisants.
Un procédé commode de détermination de la stabilité d'une huile combustible de distillats de craquage, que l'on a appliqué pour obtenir les résultats ci-dessous, est l'essai dit de "résidu de filtre qui comporte la détermination de la quantité de solides insolubles d'une dimension particu- laire inférieure à 150 microns présente dans l'huile combustible de distil- lat, en parties par million en poids. Cet essai s'effectue de la manière suivante. On tamise un échantillon de l'huile à essayer sur un tamis à mailles de 150 microns dans une bouteille de 1140 ce. environ non bouchée pour permettre le contact avec l'air, puis on place la bouteille dans une étuve et on la chauffe pendant quatre semaines à la température de 60 C. de manière à accélérer le vieillissement.
Après vieillissement, on retire l'échantillon de l'étuve et on le laisse refroidir.
On prépare un creuset de Gooch en plaçant un morceau de papier filtre au fond d'un creuset taré, et on fait un matelas filtrant en y ver- sant une bouillie d'amiante. On sèche alors le creuset à l'étuve à 87 C. pendant une heure à une heure et demie et on le conserve dans un récipient à humidité constante pendant au moins trois heures avant, de la peser.,On pèse le creuset et on note son poids (a) et le poids du matelas filtrant sec (b).
On transfère une portion de 500 ce (c) de l'échantillon refroi- di dans un entonnoir de décantation. On monte l'entonnoir sur le creuset de Gooch de manière que sa tige plonge bien dans le creuset. On filtre alors l'échantillon pas aspiration et on conserve l'huile filtrée non diluée pour calculer le "facteur d'adsorption",
On lave alors soigneusement la bouteille à échantillon vide à l'ai- de d'éther de pétrole filtré et on fait passer la liqueur de lavage dans l'en- tonnoir de décantation et le filtre. On ajoute dans l'entonnoir deux autres portions de 250 cc, d'éther de pétrole filtré et on effectue la filtration sous aspiration réduite de manière que l'éther de pétrole filtre lentement.
On lave les parois du creuset, intérieures et extérieures, et le bec de l'en- tonnoir au moyen d'éther de pétrole filtré, puis on sèche le creuset par as- piration, on le place à l'étuve à 87 C. environ pendant une heure à une heu- re et demie, enfin dans un récipient à humidité constante pendant au moins trois heures. On détermine alors le poids (d) du creuset,
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On fait passer l'huile conservée provenant de la première fil- tration dans un second creuset de Gooch préparé comme le premier, ce creuset étant taré (e) de sorte que le poids réel du matelas filtrant est connu (f).
On lave le creuset au moyen d'éther de pétrole et on le sèche comme dans la première opération de filtration décrite. On pèse le creuset sec et on en note le poids (g). On se sert de ces poids pour calculer le facteur d'ad- sorption.
On dissout la matière adhérant aux parois de la bouteille à é- chantillon dans un mélange chaud de 8 volumes de benzène et de 2 volumes d'alcool éthylique. On évapore alors le mélange de solvant et de gomme à siccité dans un petit bêcher taré, puis on le pèse (h).
On calcule le résidu du filtre, en parties par million (p.p.m) d'huile combustible, en poids, au moyen des équations suivantes :
EMI6.1
106 x rd + h - (d + Fb)] = résidu de filtre, p op om c dans laquelle F = g-(e+ f ) f
Un distillat de craquage satisfaisant doit avoir un résidu du filtre ne dépassant pas environ 25 parties de matière non-filtrable en poids par million de parties de combustible en poids.
Le procédé appliqué à la détermination de la présence ou de l'ab- sence de produits acides indésirables après traitement conformément au pro- cédé, de l'invention est dit "essai d'hydrolyse retardée". Conformément à cet essai, l'échantillon traité à l'acide, puis à l'aide d'une base, est la- vé à l'eau et filtré. On le place alors dans un appareil à distiller, préa- lablement nettoyé soigneusement au moyen de vapeur de manière à être propre du haut en bas.
On chauffe l'échantillon au reflux pendant six heures en présen- ce de vapeur d'eau. Au cours du reflux, on purge le condenseur d'une petite quantité de vapeur d'eau condensée, tout en injectant d'une manière continue une petite quantité de vapeur dans l'appareil à distiller. On refroidit alors l'échantillon, on le soutire du ballon et on le lave au moyen de 10% en vo- lume d'eau distillée, puis on détermine le pH de l'eau après lavage et du produit condensé. Ce pH, pour les deux liqueurs, ne doit pas être inférieur à 5 dans le cas d'une huile d'une stabilité satisfaisante.
Les exemples suivants illustrent la présente invention mais ne doivent pas être considérés comme limitatifs.
Exemple 1.
On chauffe à la température de 38 C. environ du gasoil de cra- quage catalytique, de gamme de distillation ASTM D-158 de 216 à 318 C., de teneur en soufre (ASTM, Lamp) de 0,98 % et de densité API de 23 3, et on le mélange intimement avec de l'acide sulfurique à 85 % dans la proportion de 2855 g. environ par hectolitre d'hydrocarbures. On traite ces hydrocarbu- res traités à l'acide, après séparation de la liqueur acide, au moyen de 10 volumes pour cent d'hydroxyde de sodium à 10 Bé, à 93 C., pendant une demi- heure, après quoi on sépare le mélange en une phase caustique aqueuse d'hy- droxyde de sodium et une phase d'hydrocarbures. On lave séparément la phase d'hydrocarbures à l'eau puis on la sèche à l'air.
L'essai de résidu du fil- tre effectué sur la phase d'hydrocarbures donne une valeur de 2 p.p.m., alors que celle de l'huile initiale est de 289 p.p.m.
Exemple 2.
On mélange un échantillon d'hydrocarbures traités obtenus par l'exemple 1 avec un volume égal d'une huile de distillation d'une gamme de
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distillation ASTM D-158 de 179 à 332 C. d'une teneur en soufre de 0,35 % (ASTM, Lamp), d'une densité API de 38 1 et d'un résidu de filtre de zéro p. p.m. Le résidu de filtre du mélange est de 1 p.p.m. alors que le résidu de filtre d'un mélange préparé à l'aide de volumes égaux de la même huile de distillation et du distillat de craquage non traité de l'exemple 1 est de
275 p.p.m.
Un second mélange de 25 % de la même huile traitée et de 75 % d'huile de distillation présente un résidu de filtre de zéro.
Exemple 3.
On traite à 21 C. un gasoil de craquage thermique provenant d'un brut de Californie, de gamme de distillation ASTM D-158 de 242-329 C environ, d'une teneur en soufre (ASTM, Lamp) de 1 % et de densité API de 24 , au moyen de 1427 go d'acide d'alcoylation usé (à 96% de SO4H2) par hectolitre d'hui- le. Après séparation de la phase hydrocarbure de la phase acide, on traite la phase hydrocarbure comme dans l'exemple 1 mais en utilisant pour le trai- tement caustique 10 % en volume de base à 10 Bé et en opérant à une tempé- rature de 24 C. seulement. Après traitement caustique, on sépare la phase hydrocarbure de la phase caustique aqueuse.
Le résidu de filtre de cette pha- se hydrocarbure est de 121 p.p.m. alors que celui d'un échantillon de l'hui- le non traitée est de 130 p.p.m. ce qui montre que, pour que le traitement caustique réduise efficacement le résidu de filtre entre des limites satis- faisantes on doit utiliser des températures plus élevéeso
On traite un second échantillon comme ci-dessus, mais en utili- sant 5.710 d'acide d'alcoylation usé par hectolitre d'huile. Le résidu de filtre du produit fini est encore très élevé, à savoir 72 popomo Exemple 4.0
On divise en quatre fractions un gasoil de craquage catalytique d'une gamme de distillation ASTM D-158 de 247 a 321 C. environ, d'une te- neur en soufre ASTM (Lamp) de 0,97 % et d'une densité API de 23 9.
On en traite une fraction conformément à l'exemple 1, mais en utilisant de l'acide sulfurique à 96 % et une température de 65 C. dans le traitement acide. L'essai d'hydrolyse retardée, effectué sur cet échantillon terminé, donne un pH de 3, ce qui indique que la concentration de l'acide ou la température était trop élevée pour un réglage satisfaisant de l'aci- dite.
On traite la seconde fraction du distillat de craquage comme dans l'exemple 1, mais à l'aide d'acide sulfurique à 91 % et à une tempéra- ture de 65 C. dans l'opération de traitement acide.Le pH de l'eau de lava- ge, déterminé par l'essai d'hydrolyse retardée ci-dessus décrit, est encore trop bas, à savoir 3,3.
On traite la troisième fraction de la même manière que les deux premières, mais en utilisant de l'acide à 75 % et une température de 65 C. dans l'opération de traitement acide. Cet échantillon donne à l'essai d'hy- drolyse retardée un pH de 6.
On traite le quatrième échantillon comme les trois autres mais en utilisant de l'acide à 85 % et une température de 38 C. environ dans l'opération de traitement acide. Cet échantillon satisfait également à l'es- sai d'hydrolyse retardée, en donnant un pH de 6,70 Exemple 5.
On divise en deux fractions un gasoil de craquage catalytique d'une gamme de distillation ASTM D-158 de 250 à 315 C environ, d'une teneur en soufre (ASTM, Lamp) de 0,9 % et d'une densité API de 25 C. On traite l'u- ne des fractions comme dans l'exemple 1, mais en utilisant de l'acide sulfu- rique à 60% et une température de 93 C dans l'opération de traitement acide.
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L'huile finie ne satisfait pas à l'essai de résidu de filtre, qui donne une valeur de 30 p.p.m.
On traite d'une manière similaire la seconde fraction, mais en utilisant de l'acide de concentration de 75 % et une température de 65 C. dans l'opération de traitement acide.Le résidu de filtre de l'huile termi- née est de 10 p.p.m. et l'essai d'hydrolyse retardée donne un pH de 5,5. Cet- te huile est satisfaisante à tous égards.
La présente invention est naturellement susceptible de variantes relativement aux prescriptions ci-dessus, sans qu'on s'écarte pour autant de son cadre et de son esprit.