Appareil pour mettre en contact deux liquides non miscibles
La présente invention a pour objet un appareil pour mettre en contact deux liquides non miscibles, constituant un contacteur à deux phases. Un n tel appareil peut tre utilisé comme extracteur de liquides avec deux liquides non miscibles.
Un contacteur à deux phases utilise généralement plusieurs éléments tels que des disques qui sont plongés dans un liquide, exposés à un gaz puis plongés à nouveau dans le liquide. Un tel appareil peut tre utilisé aussi avec deux liquides non miscibles, auquel cas les éléments passent à travers un liquide, puis dans l'autre et reviennent ensuite dans le premier liquide. Un but de ce passage alterné à travers des liquides différents est d'extraire d'un liquide un composant particulier et de le transférer dans le second liquide. Un exemple Ide cette application se trouve dans le transfert d'un acide à partir de l'hexane dans de l'eau, ou le transfert de la pénicilline d'un milieu de fermentation à un liquide organique, après quoi le liquide organique est évaporé pour laisser un concentré de pénicilline.
La difficulté principale rencontré avec un contacteur à deux phases traitant deux liquides non n miscibles est d'obtenir l'écoulement d'un volume suffisant de liquides à travers le contacteur par suite de l'obstruction exercée par chaque disque. On a essayé de surmonter cette difficulté en ménageant des trous dans les disques, mais on a trouvé que ces trous tendent à se couvrir d'une pellicule, formant ainsi une paroi et empchant l'écoulement du liquide à travers les trous.
L'invention permet de remédier à cet inconvénient et a en conséquence pour objet un appareil l pour mettre en contact deux liquides non miscibles, comprenant une cuve allongée, un arbre s'étendant longitudinalement et monté rotativement dans la cuve, des moyens d'entraînement pour faire tourner l'arbre, des disques montés sur l'arbre, espacés axialement le long de ce dernier et disposés dans la cuve, et des moyens pour conduire une première solution à travers le fond de la cuve et une seconde solution non miscible avec la première à travers la partie supérieure de la cuve.
Cet appareil est caractérisé en ce que chaque disque comporte un moyeu et des pièces espacées le long d'un arc et s'étendant radialement depuis le moyeu, la largeur des espaces entre ces pièces étant suffisante pour éviter, en fonctionnement, que les solutions s forment une pellicule entre les pièces adja- centes.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution de l'objet de l'invention et une variante :
La fig. 1 est une vue en perspective, avec arrachement, de cette forme d'exécution.
La fig. 2 est une vue à plus grande échelle d'un organe représenté à la fig. 1.
La fig. 3 est une vue de la variante, correspondant àlafig. 2.
Le contacteur à deux phases 10 représenté constitue un extracteur liquide-liquide comprenant une cuve allongée 11 dans la partie inférieure de laquelle circule une première solution 12, tandis qu'une seconde solution 13 s'écoule dans la partie supérieure de la cuve. Un arbre horizontal 14 peut tourner dans des paliers 15 et porte des disques 16 disposés entre les paliers et agencés pour tourner chacun dans un plan vertical. Les disques sont disposés de façon que la moitié de chaque disque environ soit en contact avec chacune des deux solutions dans la cuve. L'arbre est entraîné par un moteur, électrique par exemple. L'arbre tourne de préférence à une vitesse relativement faible pour éviter de créer une turbulence excessive dans la cuve.
La cuve 11 présente les entrées et les sorties voulues permettant de commander l'écoulement des solutions. En fait, la cuve présente une entrée 18 à une extrémité de sa partie supérieure et une sortie 19 à l'autre extrémité de la mme partie supérieure. Une entrée 20 est ménagée aussi dans la partie inférieure de la cuve, à l'une de ses extrémités, ainsi qu'une sortie 21 à l'autre extrémité de cette partie inférieure. Il est avantageux que la solution placée au fond de la cuve coule à contre-courant de la solution placée dans la partie supérieure de la cuve. On utilise pour cela un dispositif de pompage comprenant des pompes 23 et 24 qui dirigent les solutions dans les sens désirés.
Le disque 16 (fig. 2) est une pièce plate circulaire dont des sections en forme de V ont été enlevées. Le disque présente ainsi des pièces 17 disposées en rayons, relativement larges, espacées le long d'un arc et s'étendant radialement à partir d'un moyeu 25. Le but de cette configuration est de laisser un espace suffisant entre les pièces 17 pour permettre aux liquides de s'écouler lon gitudinalement à travers la cuve quand la série de disques 16 est mise en rotation. Il est important que la largeur des espaces entre les pièces 17 soit suffisante pour emp- cher la formation d'une pellicule par les liquides ou les solutions traités.
Le disque représenté à la fig. 3, constituant une variante de celui de la fig. 2, comprend des pièces 31 espacées le long d'un arc et s'étendant radialement depuis un moyeu 32 pour former entre elles des fentes radiales 33. Ce disque 30 présente l'avantage sur le disque 16 d'une largeur plus uniforme des espaces entre les pièces 31 adjacentes (fentes 33) sur toute l'étendue radiale ou la longueur de ces pièces, ce qui permet à une plus grande quantité de liquide de s'écouler dans la partie radialement intérieure des fentes 33 et par conséquent des disques 31, comparativement aux disques 16, tout en donnant aux disques une plus grande surface agissant comme agent de transfert.
Le disque 16, cependant, tend à rompre toute pellicule formée par les solutions plus rapidement que le disque 30 et, par conséquent, il sera utilisé de préférence avec des solutions plus visqueuses.
En fonctionnement, les deux liquides ou solutions non miscibles sont pompés à travers la cuve 1 1 en deux couches différentes. Quand l'arbre 14 tourne, les disques 16 sont mouillés par la solution contenant le composant à transférer. Quand le disque mouillé se déplace à travers la seconde solution, le composant est transféré dans cette seconde solution dans laquelle il est plus soluble que dans la première. La seconde solution est alors retirée de la cuve par la sortie correspondante et le composant peut tre séparé de cette solution.
Pour effectuer efficacement le transfert d'un composant d'une solution à l'autre, la matière dont est constitué chaque disque doit tre soigneusement choisie de façon que le disque ne soit mouillé que par la solution contenant le composant à transférer. En outre, la seconde solution doit tre non seulement insoluble dans la première, mais elle doit aussi présenter une densité différente afin d'tre aisément séparée de la première solution. Enfin, le composant doit tre plus soluble dans la seconde solution que dans la première afin que le composant se transfère de la première à la seconde solution quand le disque tourne dans cette seconde solution.
Les disques tournent en ! général à une vitesse relative- ment faible pour éviter de créer une turbulence excessive qui peut former des émulsions stables empchant à leur tour la séparation complète des solutions après le transfert du composant.
Les ex, périences ont montré que des matières telles qu'un fluorocarbone polymérisé et un composé arylique polymérisé présentent des caractéristiques propres qui les rendent mouillables par une solution et non par l'autre.
On a trouvé en outre que la rugosité de la surface de ces matières affecte la quantité de liquide qui est captée dans l'une et l'autre phase. Par exemple, dans un contacteur utilisé comme extracteur entre une solution aqueuse et une solution organique telle que l'hexane, un disque d'acrylique polymérisé est mouillé par la solution aqueuse et transfère un composant de cette solution à la solution organique. Par conséquent, pour chaque application particulière, la matière constituant le disque doit tre choisie selon les solutions à traiter, le sens du transfert et le composant à transférer.
Un contacteur à deux phases à deux liquides non miscibles peut tre utilisé aussi comme dispositif de transfert thermique. Un tel transfert est accompli par les disques tournant à travers une solution de façon à recueillir le liquide le plus chaud et passant ensuite à travers le liquide le plus froid, de facon que ce dernier capte la chaleur du liquide le plus chaud. Ce dernier reste séparé du liquide plus froid par suite de la différence de densité et de solubilité entre les solutions. Il est évident que ce processus peut tre inversé de manière que le liquide le plus froid soit plus mouillable que le liquide le plus chaud et soit capté ainsi par le disque et envoyé à travers le liquide le plus chaud afin de le refroidir.
Apparatus for bringing two immiscible liquids into contact
The present invention relates to an apparatus for bringing two immiscible liquids into contact, constituting a two-phase contactor. Such a device can be used as a liquid extractor with two immiscible liquids.
A two-phase contactor typically uses several elements such as discs that are dipped in a liquid, exposed to a gas and then dipped back into the liquid. Such an apparatus can also be used with two immiscible liquids, in which case the elements pass through one liquid, then into the other and then return to the first liquid. One purpose of this alternating passage through different liquids is to extract a particular component from a liquid and transfer it to the second liquid. An example of this application is in the transfer of an acid from hexane into water, or the transfer of penicillin from a fermentation medium to an organic liquid, after which the organic liquid is evaporated. to leave a penicillin concentrate.
The main difficulty encountered with a two-phase contactor handling two immiscible liquids is to obtain the flow of a sufficient volume of liquids through the contactor due to the obstruction exerted by each disc. Attempts have been made to overcome this difficulty by providing holes in the discs, but it has been found that these holes tend to become covered with a film, thus forming a wall and preventing the flow of liquid through the holes.
The invention overcomes this drawback and consequently relates to an apparatus 1 for bringing two immiscible liquids into contact, comprising an elongated tank, a shaft extending longitudinally and rotatably mounted in the tank, drive means for rotating the shaft, disks mounted on the shaft, spaced axially along the latter and disposed in the vessel, and means for conducting a first solution through the bottom of the vessel and a second solution immiscible with the first through the top of the tank.
This apparatus is characterized in that each disc comprises a hub and parts spaced along an arc and extending radially from the hub, the width of the spaces between these parts being sufficient to avoid, in operation, that the solutions s form a film between adjacent parts.
The appended drawing represents, by way of example, an embodiment of the object of the invention and a variant:
Fig. 1 is a perspective view, with cutaway, of this embodiment.
Fig. 2 is a view on a larger scale of an organ shown in FIG. 1.
Fig. 3 is a view of the variant, corresponding to lafig. 2.
The two-phase contactor 10 shown constitutes a liquid-liquid extractor comprising an elongated tank 11 in the lower part of which a first solution 12 circulates, while a second solution 13 flows in the upper part of the tank. A horizontal shaft 14 can rotate in bearings 15 and carries discs 16 disposed between the bearings and arranged to each rotate in a vertical plane. The discs are arranged so that approximately half of each disc is in contact with each of the two solutions in the tank. The shaft is driven by a motor, electric for example. The shaft preferably rotates at a relatively low speed to avoid creating excessive turbulence in the vessel.
The tank 11 has the desired inlets and outlets making it possible to control the flow of the solutions. In fact, the tank has an inlet 18 at one end of its upper part and an outlet 19 at the other end of the same upper part. An inlet 20 is also made in the lower part of the tank, at one of its ends, as well as an outlet 21 at the other end of this lower part. It is advantageous for the solution placed at the bottom of the tank to flow against the current of the solution placed in the upper part of the tank. A pumping device is used for this comprising pumps 23 and 24 which direct the solutions in the desired directions.
Disc 16 (Fig. 2) is a circular flat piece from which V-shaped sections have been removed. The disc thus has parts 17 arranged in spokes, relatively wide, spaced along an arc and extending radially from a hub 25. The purpose of this configuration is to leave sufficient space between the parts 17 for allowing liquids to flow longitudinally through the vessel when the array of discs 16 is rotated. It is important that the width of the spaces between the parts 17 is sufficient to prevent the formation of a film by the liquids or solutions treated.
The disc shown in fig. 3, constituting a variant of that of FIG. 2, comprises pieces 31 spaced apart along an arc and extending radially from a hub 32 to form radial slots 33 between them. This disc 30 has the advantage over the disc 16 of a more uniform width of the spaces. between adjacent parts 31 (slots 33) over the entire radial extent or length of these parts, allowing more liquid to flow into the radially inner part of the slots 33 and hence the discs 31 compared to the discs 16, while giving the discs a larger surface area acting as a transfer agent.
Disc 16, however, tends to break any film formed by the solutions faster than disc 30 and therefore will preferably be used with more viscous solutions.
In operation, the two liquids or immiscible solutions are pumped through the tank 11 in two different layers. As the shaft 14 rotates, the disks 16 are wetted by the solution containing the component to be transferred. As the wet disc moves through the second solution, the component is transferred to this second solution in which it is more soluble than in the first. The second solution is then withdrawn from the tank through the corresponding outlet and the component can be separated from this solution.
To effectively transfer a component from one solution to another, the material of which each disc is made must be carefully chosen so that the disc is only wetted by the solution containing the component to be transferred. In addition, the second solution must not only be insoluble in the first, but it must also have a different density in order to be easily separated from the first solution. Finally, the component must be more soluble in the second solution than in the first so that the component is transferred from the first to the second solution when the disc rotates in this second solution.
The records turn in! generally at a relatively low speed to avoid creating excessive turbulence which can form stable emulsions which in turn prevent complete separation of solutions after component transfer.
Experiments have shown that materials such as polymerized fluorocarbon and polymerized aryl compound exhibit inherent characteristics which render them wettable by one solution and not by the other.
It has further been found that the roughness of the surface of these materials affects the amount of liquid which is captured in either phase. For example, in a contactor used as an extractor between an aqueous solution and an organic solution such as hexane, a polymerized acrylic disc is wetted with the aqueous solution and transfers a component of this solution to the organic solution. Consequently, for each particular application, the material constituting the disc must be chosen according to the solutions to be treated, the direction of the transfer and the component to be transferred.
A two-phase contactor with two immiscible liquids can also be used as a thermal transfer device. Such a transfer is accomplished by the discs rotating through a solution so as to collect the hottest liquid and then passing through the colder liquid, so that the latter captures the heat of the hottest liquid. The latter remains separated from the cooler liquid due to the difference in density and solubility between the solutions. It is obvious that this process can be reversed so that the colder liquid is more wettable than the hottest liquid and is thus captured by the disc and sent through the hottest liquid in order to cool it.