CH694078A5 - Procédé pour optimiser le fonctionnement d'un système de séparation des constituants d'un mélange. - Google Patents

Description

  



   La présente invention concerne un procédé de mise en action d'un  système de séparation de constituants à lit mobile simulé. 



   La présente invention concerne plus spécifiquement un procédé pour  déterminer directement un point optimal d'initialisation très proche  en fait du point de fonctionnement à atteindre, dans un processus  de séparation de constituants à lit mobile simulé. 



   La procédé s'applique notamment à la séparation des hydrocarbures  aromatiques ou des isomères optiques. 



   Il existe dans l'industrie de nombreux procédés de séparation continue  par adsorption sélective d'au moins un composant parmi plusieurs  au sein d'un mélange de fluides, notamment des procédés de chromatographie  dits à contre courant simulé où l'on utilise la propriété de certains  solides poreux, en présence de mélanges liquides, gazeux ou supercritiques,  de retenir plus ou moins fortement les différents constituants du  mélange. 



   Les procédés de séparation ou fractionnement basés sur la chromatographie  sont le plus souvent mis en oeuvre dans un dispositif comportant un  ensemble de n colonnes ou tronçons de colonnes chromatographiques  montées en séries (en général, 4  <=  n  <=  24) formant une boucle  ouverte ou fermée. Un solide poreux, de granulométrie déterminée,  réparti en différents lits; constitue la phase stationnaire. 



   Le long de cette boucle sont répartis des points d'injection pour  le mélange à séparer comprenant au moins deux constituants et le  solvant ou désorbant, et des points de soutirage de fluides délimitant  le plus souvent quatre zones I, II, III, IV, le constituant préférentiellement  recherché se trouvant en majorité soit dans l'extrait (Ex) soit dans  le raffinat (R). Toutes les colonnes ou fractions de colonne d'une  même zone sont traversées par un débit liquide identique. 



   Le débit de raffinat est égal à la somme des débits d'entrée moins  le débit d'extrait. A ces débits contrôlés s'ajoute un débit de recyclage.                                                     



   Dans un procédé dit à lit mobile vrai (LMV) un profil des concentrations  stationnaire se développe dans la boucle de séparation, où la position  des points    d'injection d'une charge F, d'un éluant El, et de soutirage  d'un extrait Ex et d'un raffinat R reste fixe. Le solide adsorbant  et le liquide se déplacent à contre-courant. Un système d'entraînement  du solide et une pompe P de recyclage sont placés tous les deux dans  la boucle (à la jonction des zones I et IV où la seule espèce présente  tant dans le liquide que dans le solide est le fluide vecteur d'élution).  Ils permettent de renvoyer respectivement le solide parvenu à la  base de la colonne vers le sommet, et de renvoyer le liquide inversement  depuis le sommet de la colonne vers sa base. 



   Les procédés dits à lit mobile simulé (LMS) permettent d'échapper  à une difficulté majeure inhérente aux procédés à lit mobile vrai,  celle de faire correctement circuler la phase solide sans créer d'attrition  et sans augmenter considérablement la porosité de lit par rapport  à celle d'un lit fixe. Pour simuler son déplacement, le solide est  disposé dans un certain nombre n de lits fixes disposés en série  et c'est le profil de concentrations que l'on déplace à vitesse sensiblement  uniforme tout autour d'une boucle ouverte ou fermée, en déplaçant  les points d'injection et de soutirage. 



   En pratique, le décalage successif de ces points d'injection et de  soutirage se fait à l'aide d'une vanne rotative ou plus simplement  d'un ensemble de vannes tout ou rien convenablement commandées. Ce  décalage circulaire, effectué à chaque période, des différents débits  liquides d'entrée-sortie dans un sens donné revient à simuler un  déplacement de F adsorbant solide dans l'autre sens. 



   Les débits liquides d'entrée principaux sont les suivants: le débit  de charge et le débit d'éluant. Les débits de sortie sont le débit  d'extrait et le débit de raffinat. L'un au moins de ces flux (raffinat,  éluant, extrait) est prélevé ou introduit sous contrôle de pression.  Le débit de raffinat est égal à la somme des débits d'entrée moins  le débit d'extrait. A ces débits contrôlés s'ajoute un débit de recyclage.  L'emplacement relatif de chacun des quatre flux autour des lits définit  ainsi quatre zones distinctes dans le cas du procédé présenté en  fig. 5. 



   Des procédés par chromatographie en lit mobile simulé, à contre-courant  ou co-courant, sont par exemple décrits dans les brevets US 2 985  589 ou US 4 402 832. 



   Par les brevets US 5 457 260 et 5 470 482, on connaît aussi un procédé  de contrôle d'un système de séparation à lit mobile simulé d'un mélange  de constituants, comprenant deux colonnes à lits multiples interconnectées  en boucle, dans lequel on    contrôle au moins une caractéristique  telle que la pureté d'un constituant ou son rendement ou une combinaison  des deux. 



   La détermination des paramètres nécessaires au fonctionnement d'une  boucle de séparation est difficile car les variables intervenant  dans le processus sont nombreuses. Pour une phase stationnaire et  un éluant donnés, une composition de mélange à purifier et des constituants  fixés à soutirer, il faut calculer 



   - quatre débits de liquide et une période de permutation; 



   - la concentration du mélange à séparer; 



   - le nombre de colonnes et le nombre de colonnes par zone; 



   - la longueur et le diamètre des colonnes. 



   Par Charton, F. et Nicoud, R. M. (1995), in Journal of Chromatography,  A 702, 97, 1995, on connaît également une méthode pour calculer diverses  caractéristiques de systèmes de séparation. 



   Pour une concentration d'alimentation donnée, on peut trouver ces  débits de manière empirique mais la solution optimale se trouve dans  une zone restreinte d'un espace à 5 dimensions (4 débits liquides  et soit le débit de solide dans le cas d'un lit mobile vrai, soit  la période de permutation T dans le cas d'un lit mobile simulé),  qui ne peut être atteinte le plus souvent qu'après un temps considérable,  sans que l'on soit certain d'être au point optimal. 



   Afin de trouver les conditions optimales pour piloter ou dimensionner  un système de séparation à lit mobile vrai (LMV) ou simulés (LMS),  il est bien préférable de trouver un modèle représentatif du processus  de séparation, prenant en compte les phénomènes d'adsorption, le  transfert de matière et les propriétés de l'écoulement du fluide  à travers la phase solide poreuse et de remplacer l'approche empirique  lourde par des simulations. Cette voie d'approche par simulation  peut cependant se révéler tout aussi lourde si elle n'est pas bien  conduite. Pour en tirer le meilleur parti et réduire le nombre de  cycles d'essais et erreurs nécessaire pour obtenir une stabilisation  du fonctionnement, il est préférable de partir d'un point initial  bien ciblé. 



   La détermination des isothermes d'adsorption décrivant l'adsorption  des composants à séparer est une étape essentielle pour la formation  du modèle. Pour un    système mono-constituant, on cherche la relation  entre les concentrations en phase adsorbée C-et en phase liquide  G, à l'équilibre et à température donnée. Même si cette relation  peut être linéaire dans un domaine de concentration étendue, elle  est généralement non linéaire. Pour un système multi-constituants,  à la non linéarité de l'isotherme d'équilibre, s'ajoute une compétition  pour l'accès aux sites d'adsorption qui sont en nombre limité. La  concentration en phase adsorbée C- d'un composé i dépend alors de  toutes les concentrations Ci en phase liquide. Pour chaque constituant,  on cherche donc une relation de la forme:-C i  = fi(C1, C2, etc.).

                                                               



   Différentes possibilités d'initialisation des variables intervenant  dans les unités de séparation sont proposées dans la littérature  selon le type des isothermes d'adsorption engendrées. Selon les exemples  connus, il s'agit d'isothermes linéaires ou d'isothermes compétitives  de type Langmuir. Aucun des cas de figure connus cependant ne fournit  de solution satisfaisante. Les plus réalistes restent les isothermes  compétitives de Langmuir mais elles donnent des sélectivités indépendantes  de la composition alors que, dans la pratique, on observe que la  sélectivité évolue avec la concentration. Il est donc souhaitable  d'utiliser des isothermes décrivant les effets d'adsorption plus  réalistes pour l'initialisation des unités de séparation aussi bien  de type LMV que LMS. 



   Le procédé selon l'invention permet compte-tenu de résultats de séparation  recherchés (débits, concentrations, puretés, isothermes quelconques),  de déterminer directement un point de fonctionnement initial très  proche d'un point de fonctionnement optimal, d'un système de séparation  de constituants d'un mélange, à lit mobile simulé (LMS), contenant  un phase solide adsorbante, comprenant une boucle (ouverte ou fermée)  incluant plusieurs zones délimitées par des points d'injection et  des points de soutirage de fluides, par une sélection des valeurs  initiales à imposer aux débits de fluides, connaissant le débit de  la charge injectée dans la boucle et les concentrations de différents  constituants de cette charge, à partir de débits correspondants d'une  boucle équivalente à lit mobile vrai (LMV). 



   Le procédé est caractérisé en ce qu'elle comporte: 



   - la détermination des débits de la boucle équivalente par: 



   a) l'utilisation d'un modèle thermodynamique d'adsorption non limité  à une forme particulière des isothermes d'adsorption; 



     b) le repérage le long de la boucle équivalente de fronts compressifs  ou dispersifs dans les concentrations des différents constituants;                                                             



   c) la détermination de la vitesse de propagation de ces fronts par  référence à des bilans de matière; et 



   d) l'annulation de la vitesse de propagation de compositions-clefs  en des points particuliers de la boucle; et 



   - la détermination les débits correspondants de la boucle à lit mobile  simulé. 



   Suivant un mode de mise en oeuvre appliqué à la séparation d'un mélange  comprenant au moins deux constituants A, B, où la phase solide adsorbe  plus le constituant B que le constituant A, dans une boucle comprenant  au moins trois zones une zone I, une zone II et une zone III, avec  un point d'injection de liquide à l'entrée de la zone I, un point  de soutirage d'un extrait entre la zone I et la zone II, un point  d'injection d'une charge incluant le mélange entre la zone II et  la zone III, et un point de soutirage d'un raffinat en sortie de  la zone III, les concentrations de la charge et les isothermes d'adsorption  étant connues, on détermine le point de fonctionnement de la boucle  équivalente en réalisant les différentes étapes suivantes: 



   - 1) on détermine le débit en zone I par annulation de la vitesse  de propagation du constituant B; 



   - 2) à partir d'une estimation de la valeur de la concentration du  constituant B dans la zone II, et de la résolution de l'équation  caractéristique, on détermine le débit en zone II ainsi que la concentration  du constituant B dans l'extrait; 



   - 3) on détermine les concentrations respectives des constituants  A et B dans la zone III par une procédure itérative incluant: 



   a) une initialisation de ces dites concentrations respectives, 



   b) la détermination du débit en zone III lié à la vitesse de propagation  de fronts compressifs, et 



   c) la vérification du bilan de matière pour le constituant B; 



   - 4) on fait varier les concentrations respectives des constituants  A et B à l'entrée de la zone III en restant sur la même caractéristique  pour satisfaire le bilan de matière global pour le constituant B;                                                              



     - 5) on détermine la concentration du constituant A dans la zone  III; et 



   - 6) on réitère les étapes précédentes jusqu'à ce que le bilan de  matière du constituant A soit vérifié. 



   Suivant une variante de mise en oeuvre appliquée à une boucle comprenant  quatre zones comprenant une zone I, une zone II et une zone III et  une zone IV, avec un point d'injection d'un fluide entre la zone  IV et la zone I, un point de soutirage d'un extrait entre la zone  I et la zone II, un point d'injection d'une charge incluant le mélange  entre la zone II et la zone III, et un point de soutirage d'un raffinat  entre la zone III et la zone IV, les concentrations de la charge  et les isothermes d'adsorption étant également connues, on détermine  le point de fonctionnement de la boucle équivalente en réalisant  les étapes suivantes 1) à 6) en réalisant au cours de l'étape 5 en  plus la détermination du débit en zone IV liée à la vitesse de propagation  des fronts compressifs. 



   La détermination du point de fonctionnement initial recherché est  obtenu essentiellement en annulant la vitesse de déplacement des  constituants de façon à obtenir selon les cas un constituant pur  dans l'extrait ou un constituant pur dans le raffinat ou bien pour  obtenir une pureté intermédiaire définie dans l'extrait ou le raffinat.                                                        



   Suivant un mode de mise en oeuvre, on détermine les débits de régulation  de la boucle équivalente, en utilisant des isothermes de type favorable  (par exemple des isothermes de type I dans la classification bien  connue de Brunauer). 



   Suivant un autre mode de mise en oeuvre, on inverse l'ordre de repérage  des fronts compressifs et dispersifs, dans les différentes zones,  pour un isotherme défavorable (de type III par exemple, dans la même  classification). 



   D'autres caractéristiques et avantages du procédé selon l'invention,  apparaîtront à la lecture de la description ci-après, en se référant  aux dessins annexés où:      - la fig. 1 montre la courbe de  variation en fonction du temps de la concentration C<F> A d'une phase  adsorbée (front dispersif);     - la fig. 2 montre, en fonction  du temps, une courbe de variation d'une concentration C<F> A dans  une phase de désorption présentant une discontinuité en raison d'un  choc (front compressif);       - les fig. 3a à 3d montrent, pour  des isothermes de type Langmuir, la construction d'hodographes (C  A , C B ) et de chromatogrammes C(t);     - la fig. 4 illustre  schématiquement un processus de séparation à contre-courant;     - la fig. 5 illustre schématiquement une boucle de séparation binaire  à contre-courant;

       - la fig. 6 montre le profil interne des  concentrations de deux constituants A et B qu'il faut obtenir dans  une boucle à 4 zones I-IV; et     - la fig. 7 montre un organigramme  de sélection d'un point initial optimal.  



   Pour faciliter la compréhension et la mise en oeuvre du procédé, on  va rappeler tout d'abord dans différents cas, des notions bien connues  des spécialistes sur la modélisation des boucles de séparation, que  l'on est amené à utiliser pour mettre en oeuvre le procédé spécifique  selon l'invention. On se place dans le cas où l'éluant utilisé n'est  pratiquement pas adsorbé.  I) Systèmes de séparation mono-constituant  ou binaire à lits fixes  



   On rappelle qu'un isotherme d'adsorption est une fonction reliant  C A  et-C A  à température et pression constantes quand l'équilibre  est atteint: 



   -C A = f A (c A ) (1) 



   



   Il est bien connu que la pente initiale de l'isotherme-K A  joue  un rôle important: 



   
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   Dans ce qui suit, on considère une colonne idéale sans dispersion  hydrodynamique ni limitation de transfert de masse. Dans un tel système,  le bilan de matière conduit à l'équation: 



   
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   où u représente la vitesse globale du liquide et  epsilon  e  la  porosité externe du lit. Pour des conditions aux limites constantes  et des conditions initiales uniformes, ce type d'équation est connue  comme traduisant le "problème de Rieman" pour lequel la solution  dépend d'un unique paramètre  delta  qui a la dimension d'une vitesse:  



   
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   où z représente l'abscisse le long de l'axe de la colonne. 



   L'équation (3) a deux types de racines: 



   - la concentration est constante alors 
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 = 0 (un palier est atteint) 



   - la concentration varie, il se forme un front. Une concentration  donnée se déplace à une certaine -vitesse a telle que: 



   
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   Suivant que la concentration augmente ou diminue, on désigne le front  comme compressif ou dispersif. 



   Connaissant la dérivée de l'isotherme d'adsorption, la relation 5  permet de calculer la vitesse de propagation de chaque concentration.  Une concentration donnée apparaît à la sortie de la colonne à l'instant                                                        



   
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   L désignant la longueur de la colonne. 



   On considère une boucle de séparation dans un état initial vierge  (non chargée), qui est alimentée avec une charge F de concentration  constante C<F> A .A la sortie, la concentration va croître à partir  de 0 pour atteindre finalement C<F> A . 



   On peut distinguer deux situations différentes: 



   1) f' (C A ) s'accroît quand C A croît: isotherme défavorable. 



   On peut calculer 



   
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   Pour toute concentration entre 0 et la concentration de la charge  F, on a: t R  (0) < t R  (C A ) < t R  (C<F>A),et la courbe  de transition de la concentration en fonction du temps est donnée  à la fig. 1. 



   On obtient un front dispersif qui est imposé par la thermodynamique  et non par une quelconque dispersion hydrodynamique ou une limitation  dans le transfert    des masses. Le front représenté à la fig. 1  est celui que l'on obtiendrait avec une colonne d'efficacité infinie.  Avec une colonne réelle, le front ne serait pas moindre mais seulement  plus dispersé. 



   2) f'(C A ) diminue quand C A  croît: isotherme favorable de type  I dans la classification de Brunauer. 



   Dans ce cas, on calcule: 



   



   t R (O)>t R (C A )>t R (C<F>A), 



   et on obtient une situation tout à fait irréaliste (fig. 2). Ce  résultat inacceptable est du à l'apparition de chocs dans ces circonstances,  avec ce résultat que les solutions ne sont pas dérivables. En fait,  toutes les concentrations des déplacent à la même vitesse. Un choc  se produit à un instant que l'on détermine simplement en faisant  un bilan global de matière. 



   
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   -C<F> A : concentration en équilibre avec C<F> A 



   Si l'on considère le cas inverse d'une régénération où la colonne  est initialement en équilibre avec une concentration C' A  et régénérée  avec une solution exempte de l'espèce A, on obtient un front compressif  en situation 1 et un front dispersif en situation 2. 



   Dans le cas ou la solution comporte deux solutés A, B, il faut définir  deux isothermes d'absorption: 



   
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   avec des pentes initales dont la connaissance est importante: 



   
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   S'il n'y a ni dispersion hydrodynamique ni restriction de transfert  de masse, le bilan de matière peut s'écrire de la manière suivante:  



   
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   concentrations sont constantes), l'autre, où les concentrations varient,  sigma  devant satisfaire à l'équation caractéristique importante  suivante: 



   
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   C'est une équation de 2<e> ordre en  sigma , avec deux racines  sigma  +  and  sigma  - , qui donnent la vitesse de propagation des fronts.  Si l'on pose: 



   
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   theta + and theta - étant les racines de l'équation 



   
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   alors theta ne dépend plus que de l'isotherme d'adsorption. 



   Cependant, comme C A  and C B  sont des fonctions de  sigma  seulement,  elles sont à l'évidence reliées. On obtient la relation qui les lient  après substitution des valeurs possibles de  sigma  dans l'une des  deux équations du système (9) ce qui conduit à: 



   
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   Si l'on dispose des isothermes -C A (C A , C B ) and -C B (C A ,C  B ), la relation (13) est une équation algébrique en dC B  / dC A  . L'intégration des deux racines dC B  / dC A  permet de tracer deux  chemins dans le plan (C A , C B ). Cette représentation d'un chromatogramme  pour un système binaire est connue sous le nom d'hodographe où    les rôles respectifs des variables indépendantes (temps et espace)  et des variables dépendantes (C A ,C B ) sont simplement interchangés.  Sur l'exemple d'hodographe schématique de la fig. 3, les lettres  I et F désignent respectivement la composition initiale et celle  de la charge. Il existe deux chemins possibles entre I et F, le chemin  approprié ainsi que la composition correspondant au palier (concentration  constante) dépendant de la direction d'évolution du processus (adsorption  ou désorption). 



   Après détermination de la relation entre les concentrations C A   and C B , il reste à positionner le chromatogramme sur l'axe des  temps. Il faut pour cela identifier la nature de chaque front. Selon  que  sigma  décroît ou croît le long d'un chemin, le front est dispersif  ou compressif. Dans ce dernier cas, il faut remplacer l'équation  (11) par: 



   
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   appliquée à chaque constituant A ou B. Dans cette relation,  DELTA  désigne la différence des deux états le long du chemin (I-P ou P-F).  II) Systèmes de séparation mono-constituant ou binaire - A contre-courant  



   Avant de passer au cas d'un système de séparation classique à 4 zones,  on va considérer celui d'un système à une seule zone (fig. 4) traversé  par une phase liquide et une phase solide. On va définir la concentration  de produit dans la phase liquide qui serait en équilibre avec la  concentration dans la -phase solide: C<top*> A concentration  en équilibre avec-C<top> A (15) 



   



   Contrairement aux systèmes de chromatographie à lits fixes, ceux  à contre-courant peuvent fonctionner en régime permanent. La théorie  de l'équilibre où l'on néglige la dispersion axiale et les limitations  cinétiques, permet facilement de déduire les caractéristiques principales  d'un possible état stationnaire. Selon le modèle d'équilibre, le  bilan de matière pour un soluté simple s'écrit: 



   
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   où Q représente, le débit liquide, -Q, le débit solide, et  LAMBDA  , la section de la colonne. Comme on l'a vu précédemment en relation  avec les systèmes à lits fixes, on peut montrer de manière analogue,  que cette équation, dépend seulement du paramètre 
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   et que le problème a deux solutions possibles, selon que la concentration  est uniforme dans le système 



   
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   on qu'elle varie avec un front se déplaçe avec une vitesse (positive  ou négative) donnée par: 



   
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   Dans le cas général des systèmes non linéaires, la vitesse de propagation  des fronts montre und dépandance à l'égard de la concentration. Selon  que  sigma  est positif, négatif ou nul, le front se déplace vers  le haut de la colonne (fig. 4), vers le bas de la conne, ou bien  il peut être stabilisé: 



   



   s>0 front ascendant 



   sigma <0 front descendant (19) 



   sigma =0 front stabilisé 



   



   De la même manière qu'en chromatographie à lits fixes, des fronts  compressifs ou dispersifs peuvent être obtenus selon la forme de  l'isotherme d'adsorption. Si l'on ne s'intéresse qu'à l'état d'équilibre  du système de séparation, il faut considérer les conditions aux limites  qui imposeront le profil interne et non le profil de concentration  initial. Dans le cas où la pente des isothermes d'adsorption montre  des variations monotones, on peut établir, par analogie avec la théorie  dérivée pour les lits fixes, que les fronts seront compressifs ou  dispersifs selon la variation de la vitesse de propagation avec la  concentration. 



   On considère d'abord le cas des fronts compressifs. De la même manière  que pour les lits fixes, l'utilisation de l'expression donnant la  vitesse du front de propagation conduit à un comportement irréaliste  causé par l'apparition de fronts discontinus dans le système, ce  qui empêche de formuler en continuité le bilan local de matière.  Dans un tel cas, la vitesse de propagation des fronts compressifs  a pour expression: 



   
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   où  DELTA  représente la différence entre les concentrations au sommet  et à la base de la colonne. 



   Le cas d'un comportement dispersif est plus complexe car la vitesse  de propagation dépend de la concentration selon l'équation (19) et  à une certaine concentration peut correspondre une vitesse de propagation  nulle. Si l'on considère le cas d'un front dont la vitesse est nulle,  alors, en accord avec la relation (19), la concentration doit satisfaire  la relation: 



   
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   où C<stab> A est la concentration menant à une vitesse nulle. 



   Pour un jeu donné de vitesses du liquide et du solide, la racine  peut ou non exister et peut ou non être comprise entre C<bot> A et  C<top*> A qui sont les concentrations en bas de colonne et en haut  de colonne respectivement. Si l'on suppose que l'isotherme d'adsorption  suit de préférence une loi de type I, ce qui revient à dire que sa  pente décroît quand la concentration croît, les solutions possibles  du problème, peuvent être classifiés comme suit: - soit la racine  C<stab> A n'existe pas ou n'est pas comprise entre C<bot> A et C<top*>  A :quelle que soit la concentration alors les fronts se déplacent  dans la même direction désignée par le signe de la vitesse de propagation;

    - soit la racine C<stab> A existe et elle est comprise entre C<bot>  A et C<top*> A :alors les concentrations supérieures à C<stab> A  se déplacent vers le haut, et les concentrations inférieures à C<stab>  A se déplacent vers le bas. Le système contient un liquide avec la  concentration C<stab> A . 



   Un schéma théorique similaire peut être utilisé pour modéliser la  situation des mélanges binaires. Pour chaque constituant ou espèce,  le bilan de matière peut être écrit: 



   
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   - Comme pour les systémes à composant unique, on peut montrer que  ces équations dépendent seulement du paramétre  sigma  = <z>/ t   et acceptent deux types de solutions: 



   ou bien les concentrations sont constantes, ou bien elles varent  avec la vitesse sigma = <z>/ t qui est la racine de: 



   
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   Comme on l'a vu plus haut, en relation avec l'équation caracéristique  9, on obtient: 



   
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   theta + et theta - étant les racines de: 



   
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   Selon le signe de ces racines, les fronts peuvent se déplacer vers  le haut de la colonne ou vers le bas ou se stabiliser. Les racines  theta  sont souvent présentées comme des dérivées globales (symbolisées  par D): 



   
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   Ayant rappelé aux sections I et II ci-dessus pour faciliter la compréhension,  les équations bien connues de l'homme de l'art qui modélisent le  comportement des systèmes mono-constituant ou binaires, qu'ils soient  à lits fixes ou à contre-courant, on va à présent décrire le procédé  selon l'invention appliquée à titre d'exemple non limitatif, à une  système de séparation à 4 zones.    III) Système de séparation  à 4 zones  



   On se place dans le cas où la charge à séparer comporte deux constituants  A et B. Si le constituant B est plus facilement retenu par la phase  solide, on peut s'attendre à retrouver A à la sortie raffinat, et  B à la sortie Extrait. Pour obtenir ce type de comportement, il faut  imposer des contraintes spécifiques dans les différentes zones. 



   Zone l : les constituants A et B doivent se déplacer vers le haut  (vers la zone II) de manière à empêcher leur recyclage avec la phase  solide de la zone I vers la zone IV. Comme B est plus fortement retenu  que A par la phase solide, cette contrainte est plus difficile à  satisfaire pour B. En conséquence, le débit liquide en zone I doit  être suffisant pour forcer le front de concentration du constituant  B à s'élever; 



   Zone ll : Le constituant A doit être déplacé vers la zone III de  manière que le constituant B puisse être récupéré pur dans celle-ci;                                                           



   Zone III : Le constituant B doit être déplacé vers la zone II, afin  de récupérer le constituant A pur dans celle-ci; 



   Zone IV : Le débit liquide doit être assez bas pour forcer les constituants  A et B à descendre (vers la zone III), de façon à empêcher leur recyclage  de la zone IV à la zone I avec la phase liquide. On remarque que  si la contrainte est satisfaite pour A, elle le sera pour B. 



   Le problème est à ce stade, de calculer les débits qui vont permettre  d'atteindre ces objectifs. -Comme on l'a vu plus haut, selon le modèle  d'équilibre, les profils de concentration internes dans une zone  sont toujours plats, que le front y soit compressif ou dispersif.  En conséquence, selon ce même modèle, chaque espèce sera caractérisée  par une unique concentration en liquide par zone. 



   On notera: C<ZI> A ,C<ZII> A ,C<ZIII> A ,C<ZIV> A et C<ZI> B  ,C<ZII>  B ,C<ZIII> B ,C<ZIV> B les concentrations des constituants A et B  dans les différentes zones. 



   Pour réaliser la séparation de A et B, on s'impose: 



   
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   et les profils internes de concentration doivent avoir l'allure représentée  sur la fig. 6. 



     Dans le cas d'isothermes d'adsorption favorables, les fronts sont  dispersifs en zones I et II (désorption) et compressifs en zones  III et IV (adsorption), et les vitesses de propagation sont données  par les équations (20) ou (24). En conséquence, on définit (C<zIIIe>  A ,C<zIIIe>   B ) comme les concentrations dans le liquide entrant  en zone III, les contraintes à satisfaire dans les différentes zones  s'exprimant comme suit: 



   
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   Le système (27) est un système général permettant de déterminer les  débits conduisant à une complète séparation entre les constituants  A et B (isothermes d'adsorption favorables).  IV) Méthode générale  de détermination du point initial optimal: résolution quantitative  pour des séparations binaires  



   On a vu que le système fondamental à résoudre pour faire une estimation  des débits conduisant à une séparation binaire, il faut résoudre  le système (27), les inégalités étant-juste satisfaites, et donc  vérifier le système: 



   
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EMI17.2
 



   une racine de l'équation caractéristique en zone II: 



   
EMI17.3
 



   II apparaît, en considérant l'équation (29), que le problème est  complètement résolu pourvu que les concentrations C<zIII> A ,C<zIIIe>  A ,C<zIIIe> B ,C<zII> B ,-C<zIII> A ,-C<zIIIe> B  soient connues.                                                              



   On a écrit des bilans de matière pour dériver le système (28) (modèle  en équilibre). D'autres bilans de matière globaux sont aussi à considérer:                                                     



   



   C<F> A  +/-  Q F  = C<Raf> A   +/-  Q raf   and C<F> B . Q F  = C<Ext>  B +/- Q Ext 



   



   que l'on peut encore écrire: 



   
EMI17.4
 



   en désignant par C<F> A C<F> B  Q F  C<Raf> A et C<Ext> B  respectivement,  la concentration de A et de B dans la charge F, le débit de la charge,  la concentration de A dans le raffinat et la concentration de B dans  l'extrait. 



   De plus, pour le constituant B, la composition de l'extrait et la  composition du plateau en zone II peuvent être mises en relation  l'une avec l'autre en écrivant une relation de conservation de masse  pour les zones I et II: 



   -Q  +/- -C<zII> B = Q II   +/-  C<zII> B + (Q 1 -Q II )  +/-   Cs<Ext> B (31) 



   



     Les différentes compositions sont aussi reliées du fait qu'elles  doivent satisfaire l'équation caractéristique ou l'équation de cohérence.  Les vitesses de déplacement U  DELTA C1  et U  DELTA C2  des concentrations  sont égales. 



   L'équation de cohérence en zone III par exemple, s'écrit: 



   
EMI18.1
 



   Les différentes étapes de sélection du point de réglage initial optimal,  selon l'invention, sont rappelées sur l'organigramme de la fig. 7.                                                             



   Ayant ainsi déterminé les paramètres opératoires de la boucle équivalente  à lit mobile vrai (LMV), on détermine alors les paramètres correspondants  du point d'initialisation de la boucle réelle à lit mobile simulé  (LMS), opération qui est bien connue de l'homme de l'art et ne nécessite  pas d'explication particulière.  Exemples  



   Les deux exemples ci-après montrent la proximité des résultats obtenus  avec le modèle d'équilibre et avec le modèle complet.  Exemple  I:  



   On cherche la séparation totale de deux produits A et B, B étant  le plus retenu. L'interaction des produits avec le solide est caractérisée  par les isothermes d'adsorption suivantes: 



   
EMI18.2
 



   La charge est un mélange 50/50 v/v des deux produits à une concentration  totale de 50g/l. 



   Pour trouver les paramètres opératoires d'un lit mobile simulé, permettant  la séparation des deux produits, on calcule tout d'abord, par le  procédé selon l'invention, les débits pour un lit mobile vrai (LMV)  avec un modèle utilisant exclusivement les données thermodynamiques  d'adsorption, en imposant une pureté de 100% dans l'extrait et le  raffinat. 



   Les débits calculés du LMV sont: 



   Q I = 65ml/min 



   Q Ex = 23,3 ml/min 



   Q F = 2,8 ml/min 



   Q Raf = 5,2 ml/min 



   Qel = 25,7 ml/min 



   Q- = 25 ml/min 



   Par la méthode de Charton et Nicoud déjà citée, on transfère les  résultats obtenus pour le LMV à un lit mobile simulé LMS, ce qui  conduit aux débits suivants: 



   Q 1 = 81,8 ml/min 



   Q Ex = 23,3 ml/min 



   Q F = 2,8 ml/min 



   Q Raf = 5,2 ml/min 



   Qel = 25,7 ml/min 



   T = 1,27 min. 



   Le calcul effectué pour un LMS de 10 colonnes de 2,6 cm de diamètre  et de 10 cm de longueur, qui représentent 300 plateaux théoriques,  donne avec les débits précédents, des puretés de 99,1% dans l'extrait  et de 99, 3% dans le raffinat. En cas de besoin, on peut augmenter  les puretés par une légère correction des débits. On obtient par  exemple 99,6% pour l'extrait et 99,8% pour le raffinat avec le jeu  de variables opératoires suivant: 



   Q I = 81,8 ml/min 



   Q Ex = 23 ml/min 



   Q F = 2,7 ml/min 



   Q Raf = 5,2 ml/min 



   Qel = 25,7 ml/min T = 1,27 min  Exemple II  



   Dans cet exemple, on vise une séparation permettant de récupérer  le raffinat à 80% de pureté et l'extrait à une pureté proche de 100%,  en utilisant par exemple un isotherme de type: 



   
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   Le calcul pour une charge 50/50 v/v à 50 g/1 par le procédé selon  l'invention donne pour le LMV, les débits suivants: 



   Q I  = 76,5 ml/min Q Ex  = 10,9 ml/min Q F  = 1,5 ml/min Q  Raf = 6,5 ml/min Qel = 15,9 ml/min -Q = 50 ml/min 



   Le transfert des résultats sur le LMS comme indiqué précédemment,  donne les résultats suivants: 



   Q I  = 110 ml/min Q Ex  = 10,9 ml/min Q F  = 1,5 ml/min Q Raf  = 6,5 ml/min Qel = 15,9 ml/min T = 0,64 min. 



   Ces débits appliqués sur un LMS réel, constitué de 10 colonnes de  2,6 cm de diamètre et de 10 cm de longueur, représentant 300 plateaux  théoriques, permettent d'obtenir une pureté de 98% pour l'extrait  et de 81% pour le raffinat. Après une légère correction des débits,  on obtient finalement des puretés de 99,6% dans l'extrait et de 81%  dans le raffinat. Les débits finaux du LMS sont: 



   Q I = 110 ml/min 



   Q Ex = 10,3 ml/min 



   Q F = 1,5 ml/min 



   Q Raf = 7 ml/min 



   Qel = 15,8 ml/min 



   T = 0,64 min. 



   On vérifie là encore que les débits internes obtenus par le modèle  d'équilibre sont très proches de ceux obtenus avec le modèle complet.                                                          



   Le point optimal déterminé par le procédé qui a été décrit, est le  point optimal de fonctionnement thermodynamique du système de séparation  réel qui est en fait très proche du point de fonctionnement à atteindre  car, dans un système de séparation à contre-courant, on le sait,  l'équilibre peut être obtenu avec peu de plateaux. 



   Le procédé a été décrit en relation avec une boucle de séparation  comportant classiquement quatre zones. Il est bien clair cependant  qu'il peut s'appliquer à une boucle comportant un nombre différent  de zones.

Claims (7)

1. Procédé pour déterminer directement un point de fonctionnement initial très proche d'un point de fonctionnement optimal, d'un système de séparation de constituants d'un mélange, à lit mobile simulé LMS, contenant une phase solide adsorbante S, comprenant une boucle incluant plusieurs zones Z délimitées par des points d'injection et des points de soutirage de fluides, par une sélection des valeurs initiales à imposer aux débits de fluides, connaissant le débit de la charge injectée dans la boucle F et les concentrations C de différents constituants de cette charge F, à partir de débits correspondants d'une boucle équivalente à lit mobile vrai LMV, caractérisé en ce qu'il comporte; 1) la détermination des débits de la boucle équivalente par: a) l'utilisation d'un modèle thermodynamique d'adsorption;

b) le repérage le long de la boucle équivalente de fronts compressifs ou dispersifs dans les concentrations des différents constituants; c) la détermination de la vitesse de propagation de ces fronts par référence à des bilans de matière; et d) l'annulation de la vitesse de propagation de compositions-clefs en des points particuliers de la -boucle; 2) la détermination des débits correspondants de la boucle à lit mobile simulé LMS

2.

Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, le mélange comprenant au moins deux constituants A, B où la phase solide adsorbe plus le constituant B que le constituant A, la boucle étant divisée en au moins trois zones comprenant une zone I, une zone II et une zone III, avec un point d'injection de liquide à l'entrée de la zone I, un point de soutirage d'un extrait entre la zone I et la zone II, un point d'injection d'une charge F incluant le mélange entre la zone II et la zone III, et un point de soutirage d'un raffinat en sortie de la zone III, et les concentrations de la charge et les isothermes d'adsorption étant connues, on détermine les débits dans la boucle équivalente en réalisant les différentes étapes suivantes: - on détermine le débit en zone I par annulation de la vitesse de propagation du constituant B;

- à partir d'une estimation de la valeur de la concentration du constituant B dans la zone II, et de la résolution de l'équation caractéristique, on détermine le débit en zone II ainsi que la concentration du constituant B dans l'extrait; - on détermine les concentrations respectives des constituants A et B dans la zone III par une procédure itérative incluant: i) une initialisation de ces dites concentrations respectives, ii) la détermination du débit en zone III liée à la vitesse de propagation de fronts compressifs, et iii) la vérification du bilan de matière pour le constituant B; - on fait varier les concentrations respectives des constituants A et B à l'entrée de la zone III en restant sur la même caractéristique pour satisfaire le bilan de matière global pour le constituant B;

- on détermine la concentration du constituant A dans la zone III; et - on réitère les quatre étapes précédentes jusqu'à ce que le bilan de matière du constituant A soit vérifié.

3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, le mélange à séparer comprenant au moins deux constituants A, B où la phase solide adsorbe plus le constituant B que le constituant A, la boucle étant divisée en quatre zones comprenant une zone I, une zone II et une zone III et une zone IV, avec un point d'injection d'un fluide entre la zone IV et la zone I, un point de soutirage d'un extrait entre la zone I et la zone II, un point d'injection d'une charge F incluant le mélange entre la zone II et la zone III, et un point de soutirage d'un raffinat entre la zone III et la zone IV,

et les concentrations de la charge et les isothermes d'adsorption étant connues, on détermine les débits dans la boucle équivalente en réalisant les différentes étapes suivantes: - on détermine le débit en zone I par annulation de la vitesse de propagation du constituant B: - à partir d'une estimation de la valeur de la concentration du constituant B dans la zone II, et de la résolution de l'équation caractéristique, on détermine le débit en zone II ainsi que la concentration du constituant B dans l'extrait; - on détermine les concentrations respectives des constituants A et B dans la zone III par une procédure itérative incluant:

i) une initialisation de ces dites concentrations respectives, ii) la détermination du débit en zone III liée à la vitesse de propagation de fronts compressifs, et iii) la vérification du bilan de matière pour le constituant B; - on fait varier les concentrations respectives des constituants A et B à l'entrée de la zone ni en restant sur la même caractéristique pour satisfaire le bilan de matière global pour le constituant B; - on détermine la concentration du constituant A dans la zone III ainsi que le débit en zone IV lié à la vitesse de propagation des fronts compressifs; et - on réitère les quatre étapes précédentes jusqu'à ce que le bilan de matière du constituant A soit vérifié.

4.

Procédé selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que l'on impose une annulation de la vitesse des constituants de manière à obtenir un composant pur dans l'extrait ou un composant pur dans le raffinat.

5. Procédé selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que l'on impose une annulation de la vitesse des constituants de manière à obtenir une pureté intermédiaire pour les constituants dans l'extrait ou dans le raffinat.

6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, pour déterminer les débits de régulation de la boucle équivalente, on utilise des isothermes de type favorable.

7.

Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que, pour un isotherme défavorable, on inverse l'ordre de repérage des fronts compressifs et dispersifs, dans les différentes zones.