FR2504818A1 - Chromatographic sepn. of materials in column - of large diameter employing porous flow-diffusing elements - Google Patents

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Abstract

A chromatography column of relatively large dia. employs a sintered metal, ceramic or plastic diffuser to distribute flow across the full diameter of the column. The ratio of void volume to total volume of the diffuser material should preferably be between 0.3 and 0.4 and should also be between 0.8 and 1.2 times the void volume ratio of the column packing. For very large diameter columns, e.g. greater than 200 mm. diameter, an additional distributor upstream of the diffuser is used. The column packing material is held in place by means of an additional diffuser of the same type at the top of the column. Since the diffuser material is formed of passages of 30-600 microns diameter it develops a pressure drop as low as 0.01 bar in operation. Pref. packing materials are e.g. nylon, polyethylene, polypropylene, and teflon. The porous diffuser generates approximately piston flow characteristics in the column, eliminating the problem of radial flow experienced in columns greater than 60 mm. diameter.

Description

La présente invention concerne un procédé de mise en oeuvre de séparations de type chromatographie préparative.  The present invention relates to a process for carrying out separations of the preparative chromatography type.

Une des difficultés rencontrée dans le développement de la chromatographie préparative réside dans le fait que l'efficacité des colonnes diminue irrémédiablement quand le diamètre des colonnes augmente. Un des facteurs les plus importants qui affecte l'efficacité des colonnes de relativement grand diamètre, c'est-à-dire supérieur à 60 ram environ, est très certainement lié à la faible diffusivité radiale des fluides dans le support chromatographique constituant la c < tlonne.  One of the difficulties encountered in the development of preparative chromatography lies in the fact that the efficiency of the columns decreases irreparably when the diameter of the columns increases. One of the most important factors which affects the efficiency of columns of relatively large diameter, that is to say greater than about 60 ram, is most certainly linked to the low radial diffusivity of the fluids in the chromatographic support constituting the c < tlonne.

Pour résoudre ce problème et accroître la diffusion radiale des fluides dans, a colonne, une solution a alors été proposée qui consistait c dispose dans la colonne une série de diffuseurs parallèles la asection de la colonne. To solve this problem and increase the radial diffusion of fluids in the column, a solution was then proposed which consisted in placing in the column a series of parallel diffusers for the asection of the column.

Cette technique, illustrée dans le brevet US 3.250.058, décrit l'utilisation dans la colonne de baffles qu, alternativement, laissent le passage aux fluides soit en leur centre, soit en leur périphérie, forçant ainsi ies, fluides à di--fuser radia liement. A l'entrée et a la sortie de la colonne, ces baffles; pour retenir les particules constituant le garnissage de la colonne devaient être doublées par un filtre.This technique, illustrated in US Pat. No. 3,250,058, describes the use in the column of baffles which, in turn, allow the passage of fluids either at their center or at their periphery, thus forcing the fluids to diffuse. radiation. At the entrance and at the exit of the column, these baffles; to retain the particles constituting the packing of the column had to be doubled by a filter.

Une autre solution est proposée dans le brevet
US 3.374.606 qui consiste à utiliser au lieu des baffles, une série de plateaux perces de quelques dizaines de trous d'un diamètre relativement important, environ 1,6 mm. La granulo métrite du remplissage étant beaucoup plus faible, quelques centain de microns, cette solution implique, pour protéger la pénétration des orifices des trous par le garnissage, la mise en oeuvre de filtre de ne granulométrie.Un antre inconvenient important est la limitation du nombre de trous par unité de surface qui entraîne une porosité très faible, comprise entre 0,009 et 0,016 et, par conséquence, une perte de charge importante. Or il est connu que la quantité de charge injectable dans une colonne de chromatographie, et donc la productivité de cette colonne, est inversement pr3por- tionnelle à la pression d'entrée de cette colonne. Il faut noter, de plus, qu'une augmentation de perte de charge entraîne une augmentation du taux de compression des compresseurs recyclant le gaz vecteur, d'où une augmentation des consommations d'énergie.Another solution is proposed in the patent
US 3,374,606 which consists in using instead of the baffles, a series of trays drilled with a few tens of holes with a relatively large diameter, approximately 1.6 mm. The granulo metrite of the filling being much weaker, a few hundred microns, this solution implies, to protect the penetration of the orifices of the holes by the lining, the implementation of a filter of no particle size. Another important drawback is the limitation of the number holes per unit area which results in a very low porosity, between 0.009 and 0.016 and, consequently, a significant pressure drop. Now, it is known that the quantity of charge injectable into a chromatography column, and therefore the productivity of this column, is inversely proportional to the inlet pressure of this column. It should also be noted that an increase in pressure drop leads to an increase in the compression rate of the compressors recycling the carrier gas, hence an increase in energy consumption.

La multiplication de ces plateaux dans les colonnes, décrites dans le brevet US 3.250.058, conduit donc fatalement à des pertes de charges particulièrement importantes, et donc à une très faible productivité. The multiplication of these plates in the columns, described in US Pat. No. 3,250,058, therefore inevitably leads to particularly large pressure drops, and therefore to very low productivity.

Or, il vient d'être trouvé que par une distribution judicieuse des fluides à l'entrée d'une colonne tassée, il était possible d'obtenir une diffusion latérale desdits fluides, et donc un écoulement de type piston, tout en limitant considérablement la perte de charge. However, it has just been found that by judicious distribution of the fluids at the inlet of a packed column, it was possible to obtain a lateral diffusion of said fluids, and therefore a piston type flow, while considerably limiting the pressure drop.

L'avantage décisif du procédé de l'invention est obtenu par l'utilisation d'un matériau poreux, de porosité contrôlez, résistant mécaniquement à des pressions élevées pour constituer une plaque couvrant la totalité de la section de la colonne. The decisive advantage of the process of the invention is obtained by the use of a porous material, of controlled porosity, mechanically resistant to high pressures to form a plate covering the entire section of the column.

La présente invention a pour objet un procédé de séparation par chromatographie préparative dans lequel on utilise une colonne qui, outre les moyens habituels c'est-àdire notamment les dispositifs et matériaux pour - l'introduction du mélange fluide contenant les produits à
séparer, - l'injection d'un courant de fluide vecteur, - la séparation, c'est-à-dire le support chromatographique
constituant le garnissage, - la détection des composants du mélange en sortie après
séparation, - l'extraction du fluide vecteur et des produits du mélange, comporte à son entrée une plaque mécaniquement résistante, couvrant toute la section intérieure de la colonne,constituée d'un matériau poreux de porosité ; comprise entre 0,2 et 0,6 et à sa sortie un filtre ou tout autre moyen permettant, sans entraîner de perte de charge sensible, de maintenir en place le garnissage de fine granulométrie.The present invention relates to a process of separation by preparative chromatography in which a column is used which, in addition to the usual means, that is to say in particular the devices and materials for - the introduction of the fluid mixture containing the products to
separate, - the injection of a vector fluid stream, - the separation, i.e. the chromatographic support
constituting the packing, - the detection of the components of the mixture leaving after
separation, - the extraction of the carrier fluid and of the products from the mixture, comprises at its entry a mechanically resistant plate, covering the entire interior section of the column, made of a porous material of porosity; between 0.2 and 0.6 and at its outlet a filter or any other means allowing, without causing a significant pressure drop, to keep the lining of fine particle size in place.

Une des caractéristiques essentielle du matériau poreux est sa porosité ou coefficient de vide qui est définie comme le rapport du volume vide au volume total dudit matériau cette porosité sera généralement comprise entre 0,2 et 0,6 et de préférence entre 0,3 et 0,4.  One of the essential characteristics of the porous material is its porosity or vacuum coefficient which is defined as the ratio of the empty volume to the total volume of said material this porosity will generally be between 0.2 and 0.6 and preferably between 0.3 and 0 , 4.

Il est également important de choisir un matériau poreux ayant une porosité voisine de celle du garnissage utilisé pour la séparation envisagée dans la colonne. Si l'on désigne par G la porosité du garnissage et par gM celle du matériau poreux, le rapport ex sera généralement compris entre 0,8 et l,25. su
De tels matériaux ont l'immense avantage de favoriser la diffusion des fluides en limitant considérablement les pertes de charge (1 à 10 mbar).It is also important to choose a porous material having a porosity close to that of the packing used for the separation envisaged in the column. If the porosity of the lining is designated by G and that of the porous material by gM, the ratio ex will generally be between 0.8 and 1.25. su
Such materials have the immense advantage of favoring the diffusion of fluids by considerably limiting the pressure drops (1 to 10 mbar).

Ce matériau, parcouru de canaux, de très fins diamètres (30 à 600 microns) permet tout à la fois de retenir le garnissage, de le soutenir mécaniquement et d'étaler le flux gazeux, autorisant ainsi un remplissage quasi total de la section de la colonne et permettant ainsi la migration des fluides le long de cette colonne en écoulement quasi piston. This material, traversed by channels, of very fine diameters (30 to 600 microns) makes it possible at the same time to retain the packing, to support it mechanically and to spread the gas flow, thus authorizing an almost total filling of the section of the column and thus allowing the migration of fluids along this column in quasi piston flow.

Les plateaux peuvent être fabriqués à partir de matériaux métalliques, tels que acier inoxydable, aluminium, titane, nickel, ou avec des matériaux minéraux (céramique), ou avec des matières synthétiques tels que Teflon, nylon, polyéthylène, polypropylène, etc. Naturellement, le choix du meilleur matériau sera fonction des produits à séparer, du garnissage, des domaines de température et de pression dans lesquels la séparation aura lieu, des efforts mécaniques, etc... The trays can be made from metallic materials, such as stainless steel, aluminum, titanium, nickel, or with mineral materials (ceramic), or with synthetic materials such as Teflon, nylon, polyethylene, polypropylene, etc. Naturally, the choice of the best material will depend on the products to be separated, the packing, the temperature and pressure domains in which the separation will take place, mechanical forces, etc.

A la sortie de la colonne, on dispose, afin de maintenir en place le garnissage de fine granulométrie, un filtre de maille convenable, qui par ailleurs ne doit pas entraîner de perte de charge sensible (inférieure à 10 millibar). Ce filtre peut être par exemple constitué par un plateau de même type que celui qui est placé à l'entrée de la colonne. At the outlet of the column, there is, in order to keep the lining of fine particle size in place, a suitable mesh filter, which moreover must not cause any significant pressure drop (less than 10 millibar). This filter can for example be constituted by a tray of the same type as that which is placed at the entry of the column.

Il est à noter que pour les colonnes de gros diamètre supérieur à 200 mm, il est avantageux d'utiliser un dispositif de diffusion situé entre la bride d'entrée de la colonne et le matériau poreux qui améliore significativement la qualité de la répartition des fluides sur l'ensemble de la section de la colonne. It should be noted that for columns with a large diameter greater than 200 mm, it is advantageous to use a diffusion device located between the inlet flange of the column and the porous material which significantly improves the quality of the distribution of the fluids. across the entire column section.

Ce dispositif peut par exemple être un déflecteur à hélice.  This device can for example be a propeller deflector.

Dans le cas où pour des raisons non liées à la technique de séparation, la -géométrie de la bride d'entrée ou de sortie de la colonne soit telle qu'il existe entre la sortie de la tubulure et la plaque en matériau poreux (exemple : bride hemisphérique), en lieu et place du dispositif de diffusion ou en plus dudit dispositif il est particulièrement judicieux pour la bonne marche du procédé de remplir ce volume mort par un garnissage qui peut être identique à celui remplissant la colonne dans la partie effectuant la séparation, ou qui peut être différent, par exemple des billes métalliques ou des billes de verre. In the case where for reasons not related to the separation technique, the geometry of the inlet or outlet flange of the column is such that it exists between the outlet of the tubing and the plate made of porous material (example : hemispherical flange), in place of or in addition to the diffusion device, it is particularly advisable for the smooth running of the process to fill this dead volume with a packing which may be identical to that filling the column in the part performing the separation, or which may be different, for example metal balls or glass balls.

Ce prégarnissage est retenu soit par plateau élaboré à partir d'un matériau poreux tel que décrit précédemment, soit à partir de tout matériau de porosité adaptée à la granulométrie du prégarnissage et n'entraînant pas de perte de charge supérieure à 10 millibars. This pre-coating is retained either by a plate made from a porous material as described above, or from any material of porosity adapted to the particle size of the pre-coating and not causing a pressure drop greater than 10 millibars.

La figure 1 illustre un dispositif chromatographique utilisable dans le procédé de l'invention. Il comporte une colonne allongée (1) remplie d'un garnissage (2). Un conduit (3) disposé dans la bride d'entrée (4) de la colonne permet l'introduction des fluides (vecteur et mélange à traiter) qui sont extraits de la colonne par un conduit (5) disposé dans la bride de sortie (6) de la colonne. FIG. 1 illustrates a chromatographic device usable in the process of the invention. It comprises an elongated column (1) filled with a packing (2). A conduit (3) disposed in the inlet flange (4) of the column allows the introduction of the fluids (carrier and mixture to be treated) which are extracted from the column by a conduit (5) disposed in the outlet flange ( 6) of the column.

L'isolation thermique de la colonne est assurée par une double enveloppe (7). Une plaque poreuse (s) recouvrant la totalité de la section de la colonne est placée entre la bride d'entrée (4) et le corps de la colonne (1). Un filtre (9) constitué par une plaque poreuse analogue à la plaque (8) est placé entre le corps de la colonne et la bride de sortie (6). Dans l'espace (13) existant entre la plaque poreuse (8) et l'orifice du conduit (3), est placé un diffuseur (10). The thermal insulation of the column is ensured by a double envelope (7). A porous plate (s) covering the entire section of the column is placed between the inlet flange (4) and the body of the column (1). A filter (9) consisting of a porous plate similar to the plate (8) is placed between the body of the column and the outlet flange (6). In the space (13) existing between the porous plate (8) and the orifice of the conduit (3), a diffuser (10) is placed.

Dans la bride de sortie sont incorporés des dispositifs (ll) de détection des composants, de type catharomètre dont les éléments de référence (12) sont placés dans le conduit (3).In the outlet flange are incorporated devices (ll) for component detection, of the catharometer type, the reference elements (12) of which are placed in the conduit (3).

Le procédé de l'invention est illustré par les exemples suivants
Exemple 1
Dans une colonne cylindrique de diamètre intérieur 200 mm et de longueur 1,5 m, on utilise comme plaque poreuse un disque en acier inoxydable poreux de 208 mm de diamètre découpé dans un matériau, obtenu par la technique de frittage, dont la porosité #est de 0,35 et le diamètre moyen des canaux 40 microns. Cette colonne est remplie d'un garnissage type chromosorb de porosité 0,4 et est utilisée pour la séparation des constituants d'un mélange d'alcools terpéniques dans les conditions suivantes
Pression d'entrée : 2 bars
Pression de sortie : 1 bar
(perte de charge : 1 bar)
Température : 1800C
Gaz vecteur : Hydrogène à un débit de 17 Nm3/h.The process of the invention is illustrated by the following examples
Example 1
In a cylindrical column with an internal diameter of 200 mm and a length of 1.5 m, a porous stainless steel disc 208 mm in diameter cut from a material obtained by the sintering technique, the porosity of which is #est, is used as the porous plate. 0.35 and the average diameter of the channels 40 microns. This column is filled with a chromosorb type packing of porosity 0.4 and is used for the separation of the constituents of a mixture of terpene alcohols under the following conditions
Inlet pressure: 2 bars
Outlet pressure: 1 bar
(pressure drop: 1 bar)
Temperature: 1800C
Carrier gas: Hydrogen at a flow rate of 17 Nm3 / h.

La productivité de la colonne est 2,8 kg/h d'un alcool à 99 % de pureté. The productivity of the column is 2.8 kg / h of a 99% purity alcohol.

A titre comparatif, une colonne de même diamètre et même longueur équipée de plateaux conformément aux enseignements des brevets US 3.250.058 et 3.374.606, soit en comprenant les plateaux à l'entrée et à la sortie de la colonne, un total de 9 plateaux percés de trous, conduit pour la même séparation à une productivité de 1,1 kg/h. By way of comparison, a column of the same diameter and same length equipped with trays in accordance with the teachings of US Patents 3,250,058 and 3,374,606, that is to say including the trays at the inlet and at the outlet of the column, a total of 9 trays drilled with holes, leads for the same separation to a productivity of 1.1 kg / h.

Exemple 2
Dans une colonne de diamètre intérieur 600 mm et de longueur 2,00 m, fonctionnant sous vide, on utilise un disque en acier inoxydable de 608 mm de diamètre découpé dans le matériau décrit dans l'exemple n0 1 (= 0,35) et un garnissage type chromosorb de porosité 0,38. On met en oeuvre cette colonne pour la séparation d'un mélange d'alcools terpéniques dans les conditions suivantes
Pression d'entrée : 1,8 bar
Pression de sortie : 0,3 bar
(perte de charge : 1,5 bar)
Température : 1800C
Gaz vecteur :Hydrogène à un débit de
150 Nm3/h.Example 2
In a column with an internal diameter of 600 mm and a length of 2.00 m, operating under vacuum, a stainless steel disc 608 mm in diameter cut from the material described in example No. 1 (= 0.35) is used and a chromosorb type packing of porosity 0.38. This column is used for the separation of a mixture of terpene alcohols under the following conditions
Inlet pressure: 1.8 bar
Outlet pressure: 0.3 bar
(pressure drop: 1.5 bar)
Temperature: 1800C
Carrier gas: Hydrogen at a flow rate of
150 Nm3 / h.

La productivité de la colonne est de 25 kg/h d'alcool à 99 % de pureté.  The productivity of the column is 25 kg / h of 99% purity alcohol.

A titre de comparaison, une colonne de mêmes dimensions, mise en oeuvre dans les mêmes conditions opératoires et équipée de plateaux conformes à ceux décrits dans le brevet US 3.374.606 ne permet qu'une productivité de 10 kg/h. By way of comparison, a column of the same dimensions, used under the same operating conditions and equipped with plates conforming to those described in US Pat. No. 3,374,606 only allows a productivity of 10 kg / h.

Exemple 3
Dans un autre exemple, les mêmes matériaux sont utilisés dans une colonne de diamètre 80 mm et de longueur 1,80 m, fonctionnant sous pression pour permettre la séparation et la condensation de substances à très bas point d'ébullition ; par les 2 technologies on observe les pressions suivantes (les autres conditions étant égales par ailleurs)
P entrée P sortie
Procédé selon l'invention 3,5 bars 3 bars
Procédé du brevet US 3.374.606 6,60 bars 3 bars
(23 plateaux)
Cette différence de perte de charge implique une productivité nettement supérieure du procédé selon l'invention.Example 3
In another example, the same materials are used in a column with a diameter of 80 mm and a length of 1.80 m, operating under pressure to allow the separation and condensation of substances with very low boiling point; by the 2 technologies we observe the following pressures (the other conditions being equal elsewhere)
P inlet P outlet
Method according to the invention 3.5 bars 3 bars
Process of US Patent 3,374,606 6.60 bars 3 bars
(23 trays)
This difference in pressure drop implies a significantly higher productivity of the process according to the invention.

Le procédé de l'invention est utilisable dans toute la gamme des procédés de chromatographie, quelle que soit la pression de mise en oeuvre, aussi bien pour la chromato- graphie gaz liquide, pour la chromatographie gaz solide que pour la chromatographie liquide liquide.  The process of the invention can be used in the whole range of chromatography processes, whatever the operating pressure, as well for liquid gas chromatography, for solid gas chromatography as for liquid liquid chromatography.

Claims (7)

REVENDICATIONS 1 - Procédé de séparation par chromatographie préparative caractérisé en ce qu'on utilise une colonne qui, outre les moyens - d'introduction du mélange de produits fluides à séparer, - d'injection d'un courant de fluide vecteur, - de séparation, de type support chromatographique constituant le garnissage, - de détection des composants séparés du mélange, - d'extraction du fluide vecteur et des produits, comporte à son entrée une plaque mécaniquement résistante, couvrant toute la section intérieure de la colonne, constituée d'un matériau poreux, de porosité # comprise entre 0,2 et 0,6 et à sa sortie un moyen permettant, sans entraîner une perte de charge sensible, de maintenir en place le garnissage de fine granulométrie.CLAIMS 1 - Process of separation by preparative chromatography characterized in that a column is used which, in addition to the means - for introducing the mixture of fluid products to be separated, - for injecting a current of carrier fluid, - for separation , of the chromatographic support type constituting the lining, - of detection of the components separated from the mixture, - of extraction of the carrier fluid and of the products, comprises at its entry a mechanically resistant plate, covering the entire interior section of the column, consisting of a porous material, of porosity # between 0.2 and 0.6 and at its outlet a means allowing, without causing a significant pressure drop, to keep in place the lining of fine particle size. 2 - Procédé selon la revendication l caractérisé en ce que2 - Method according to claim l characterized in that le matériau poreux a une porosité comprise entre the porous material has a porosity of between 0,3 et 0,4. 0.3 and 0.4. 3 - Procédé selon l'une des revendications I et 2, caractérisé3 - Method according to one of claims I and 2, characterized en ce que le diamètre des canaux du matériau poreux est in that the diameter of the channels of the porous material is compris entre 30 et 600 microns. between 30 and 600 microns. 4 - Procédé selon l'une des revendications I et 2, caractérisé4 - Method according to one of claims I and 2, characterized en ce que le rapport G est compris entre 0,8 et 1,2. in that the ratio G is between 0.8 and 1.2. 5 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que5 - Method according to claim 1, characterized in that le moyen utilisé pour maintenir en place le garnissage the means used to hold the packing in place en sortie de colonne est constitué par un matériau poreux at the column outlet is constituted by a porous material de porosité comprise entre 0,2 et 0,6 6 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que of porosity between 0.2 and 0.6 6 - Method according to claim 1, characterized in that la colonne présente une perte de charge inférieure à the column has a pressure drop of less than 1 bar par mètre pour une vitesse d'injection du fluide 1 bar per meter for a fluid injection speed vecteur de 0,2 m/sec. 0.2 m / sec vector. 7 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'à7 - Method according to claim 1, characterized in that l'entrée de la colonne, on dispose, avant la plaque en the entry of the column, we have, before the plate in matériau poreux, un système à déflexion permettant un porous material, a deflection system allowing a préétalement du mélange fluide à traiter sur toute la pre-spreading of the fluid mixture to be treated over the entire section de la colonne.  column section. 8 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'à 8 - Method according to claim 1 characterized in that at l'entrée de la colonne, avant la plaque en matériau the entry of the column, before the material plate poreux, on dispose dans le volume mort, un garnissage porous, there is a filling in the dead volume de porosité comprise entre 0,2 et 0,6 n'entraînant pas of porosity between 0.2 and 0.6 does not cause une perte de charge supérieure à 10 millibars. a pressure drop greater than 10 millibars. 9 - Procédé selon la revendication 7 caractérisé en ce que, à 9 - Process according to claim 7 characterized in that, at l'entrée de la colonne, entre le système à déflexion the entry of the column, between the deflection system et la plaque en matériau poreux, on dispose un garnissage and the plate made of porous material, there is a lining de porosité comprise entre 0,2 et 0,6 n'entraînant of porosity between 0.2 and 0.6 resulting in pas une perte de charge supérieure à 10 millibars. not a pressure drop greater than 10 millibars. 10 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé 10 - Method according to one of claims 1 to 4, characterized en ce que le matériau poreux constituant la plaque est in that the porous material constituting the plate is choisi parmi les matériaux métalliques tels que l'alu chosen from metallic materials such as aluminum minium, le titane, le nickel, le bronze, l'acier inoxy minium, titanium, nickel, bronze, stainless steel dable, les matériaux minéraux tels que la céramique devil, mineral materials such as ceramic et les matériaux synthétiques tels que le téflon, le and synthetic materials such as teflon, nylon, le polyéthylène, le polypropylène.  nylon, polyethylene, polypropylene.
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