Domaine technique

L'invention concerne le domaine de la chromatographie en lit mobile simulé (« LMS » ou « SMB » pour « simulated moving bed » selon la terminologie anglo-saxonne), par exemple pour la séparation des xylènes. Pour réaliser la séparation de composés, on utilise une famille de procédés, et de dispositifs associés, connus sous le nom de procédés de séparation en lit mobile simulé, ou de séparation en contre-courant simulé, que nous désignerons ci-après par l'appellation générale de dispositifs et procédés de séparation en SMB.

Technique antérieure

Les technologies actuelles de séparation en SMB sont bien connues dans l'état de la technique et utilisent des unités qui comportent un certain nombre de points communs :

- une succession de dispositifs de séparation (nommés également adsorbeurs) comprenant chacun une chambre d’adsorption disposée entre un canal de distribution et un canal de collecte, ladite chambre d’adsorption comprenant un lit d’adsorbant au sein duquel s’écoule un fluide,

- des systèmes d’injection, notamment de la charge et de désorbant, et de soutirage, notamment des effluents produits appelés extrait et raffinât,

- des systèmes de collecte et redistribution, dits zones inter-lits, pour passer d’un lit au lit suivant.

En règle générale, un procédé de séparation en SMB comporte quatre zones, chacune de ces zones étant constituée par un certain nombre de lits d’adsorbant successifs, et chaque zone étant définie par sa position comprise entre un point d'alimentation et un point de soutirage. Typiquement, un dispositif de séparation en SMB est alimenté par au moins une charge à fractionner (contenant par exemple du paraxylène et les autres isomères en C8 aromatiques) et au moins un désorbant, parfois appelé éluant (contenant par exemple du paradiéthylbenzène ou du toluène), et l'on soutire dudit dispositif au moins un raffinât (contenant par exemple les isomères du paraxylène et du désorbant) et un extrait (contenant par exemple le paraxylène et du désorbant). Classiquement, pour la séparation du paraxylène on définit 4 zones chromatographiques différentes dans un dispositif de séparation en SMB :

- Zone 1 : zone de désorption du paraxylène, comprise entre l'injection du désorbant D et le soutirage de l'extrait E ;

- Zone 2 : zone de désorption des isomères du paraxylène, comprise entre le soutirage de l'extrait E et l'injection de la charge à fractionner F ;

- Zone 3 : zone d'adsorption du paraxylène, comprise entre l'injection de la charge et le soutirage du raffinât R ; et

- Zone 4 : zone située entre le soutirage de raffinât R et l'injection du désorbant D.

Comme le décrit le brevet FR 2976 501 , les dispositifs et procédés de séparation en lit mobile simulé comprennent généralement un ou deux adsorbeurs, comprenant chacun une pluralité de lits d’adsorbant, qui sont de forme cylindrique et sont disposés les uns sur les autres pour former une ou plusieurs tours de séparation. Les dispositifs de séparation par SMB sont généralement composés de N lits, tel que 24 lits, répartis un ou en deux adsorbeurs, contenant par exemple chacun N/2 lits, tel que 12 lits. Les adsorbeurs sont connectés en série, et le cycle du SMB comprend alors N étapes au cours desquelles chaque flux (D, E, F, R) est injecté ou soutiré en aval de chacun des N lits.

Comme décrit dans le brevet FR 3 051 680 les dispositifs et procédés de séparation en lit mobile simulé peuvent comprendre des lits d’adsorbant de forme cylindrique et à écoulement radial afin d’améliorer la synchronicité de l’ensemble des particules du fluide au sein du lit.

Résumé de l’invention

Un premier objet de la présente invention est d’augmenter la compacité des dispositifs de séparation en SMB. Un deuxième objet de la présente invention est de réduire la quantité de matériaux nécessaires pour la construction des dispositifs de séparation en SMB. Un troisième objet de la présente invention est de réduire la consommation énergétique des dispositifs de séparation en SMB.

Selon un premier aspect de l’invention, les objets précités, ainsi que d’autres avantages, sont obtenus par un dispositif pour la séparation (e.g. radiale ou tangentielle) en lit mobile simulé, comprenant une virole divisée en une pluralité de compartiments organisés en quartiers, chaque compartiment étant adapté pour contenir un lit d’adsorbant entre une boite de distribution et une boite de collecte, chaque boite de distribution et boite de collecte étant adaptées pour respectivement distribuer et collecter tout ou une partie d’un flux liquide à séparer circulant à travers le lit d’adsorbant.

Avantageusement, les lits d’adsorbant sont interconnectés en boucle fermée, chaque compartiment étant adapté pour être alimenté avec au moins une charge et au moins un désorbant, et être soutiré d’au moins un extrait et au moins un raffinât.

Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la circulation fluidique du flux liquide à séparer dans les compartiments est tangentielle à la paroi externe de la virole.

Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la circulation fluidique du flux liquide à séparer dans les compartiments est orthogonale à la paroi externe de la virole.

Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la boite de collecte d’un premier compartiment est adjacente à la boite de distribution d’un deuxième compartiment, la circulation fluidique du premier compartiment au deuxième compartiment s’effectuant de la boite de collecte du premier compartiment vers la boite de distribution du deuxième compartiment.

Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la boite de collecte du dernier compartiment est adjacente à la boite de distribution du premier compartiment.

Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la virole est partitionnée en entre 3 et 18 compartiments.

Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le dispositif comprend en outre un cœur central.

Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le cœur central comprend des lignes d’alimentation de charge à fractionner, des lignes d’alimentation de désorbant, des lignes de soutirage de raffinât, et/ou des lignes de soutirage d’extrait.

Selon un deuxième aspect de l’invention, les objets précités, ainsi que d’autres avantages, sont obtenus par un procédé pour la séparation (e.g. radiale ou tangentielle) en lit mobile simulé, utilisant le dispositif selon le premier aspect, le procédé comprenant les étapes suivantes :

- on alimente les compartiments avec au moins une charge et au moins un désorbant, et on soutire au moins un extrait et au moins un raffinât desdits compartiments, lesdits compartiments comprenant un ou plusieurs lits d'un solide adsorbant interconnectés en boucle fermée, les points d'alimentation et de soutirage dans les compartiments étant décalés au cours du temps d'une valeur correspondant à un lit d'adsorbant avec une période de permutation (ST) et déterminant une pluralité de zones de fonctionnement du dispositif, et notamment les zones principales suivantes :

- la zone I de désorption d’un produit à purifier est comprise entre l’injection du désorbant et le soutirage de l’extrait ;

- la zone II de désorption des isomères du produit à purifier est comprise entre le soutirage de l’extrait et l’injection de la charge ;

- la zone III d’adsorption du produit à purifier est comprise entre l’injection de la charge et le soutirage du raffinât ; et

- la zone IV est comprise entre le soutirage de raffinât et l’injection de désorbant.

Selon un ou plusieurs modes de réalisation, les lits d'adsorbant sont répartis dans les zones I à IV selon des configurations dites de type a / b / c / d, c’est-à-dire que la répartition des lits est la suivante :

- a est le nombre de lits en zone I ;

- b est le nombre de lits en zone II ;

- c est le nombre de lits en zone III ; et

- d est le nombre de lits en zone IV, et

- a = (t ^* 0,2) ^* (1 ± 0,2) ;

- b = (t ^* 0,4) ^* (1 ± 0,2) ;

- c = (t ^* 0,27) ^* (1 ± 0,2) ; et

- d = (t ^* 0,13) ^* (1 ± 0,2), t étant le nombre total de compartiments.

Selon un ou plusieurs modes de réalisation, les lits d'adsorbant sont répartis dans les zones I à IV selon des configurations dites de type a / b / c / d, c’est-à-dire que la répartition des lits est la suivante : a est le nombre de lits en zone I ; - b est le nombre de lits en zone II ;

- c est le nombre de lits en zone III ; et

- d est le nombre de lits en zone IV, et

- a = (t ^* 0,17) ^* (1 ± 0,2) ;

- b = (t ^* 0,42) ^* (1 ± 0,2) ;

- c = (t ^* 0,25) ^* (1 ± 0,2) ; et

- d = (t ^* 0,17) ^* (1 ± 0,2), t étant le nombre total de compartiments.

Selon un ou plusieurs modes de réalisation, t est un nombre entier naturel compris entre 6 et 24.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention des aspects précités apparaîtront à la lecture de la description ci-après et d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après.

Liste des figures

La figure 1 montre un schéma en perspective d’un dispositif de séparation en SMB selon la présente invention.

La figure 2 montre un schéma en coupe du dispositif de séparation en SMB de la figure 1 .

La figure 3 montre un schéma en coupe du dispositif de séparation en SMB selon la présente invention comprenant des boites de distribution et de collecte à circulation tangentielle.

La figure 4 montre un schéma en coupe du dispositif de séparation en SMB selon la présente invention comprenant des boites de distribution et de collecte à circulation orthogonale.

La figure 5 montre un schéma en coupe du dispositif de séparation en SMB selon la présente invention comprenant deux dômes hémisphériques.

Description détaillée de l'invention

Des modes de réalisation de l’invention vont maintenant être décrits en détail. Dans la description détaillée suivante, de nombreux détails spécifiques sont exposés afin de fournir une compréhension plus approfondie de l’invention. Cependant, il apparaîtra à l’homme du métier que l’invention peut être mise en œuvre sans ces détails spécifiques. Dans d’autres cas, des caractéristiques bien connues n’ont pas été décrites en détail pour éviter de compliquer inutilement la description.

La présente invention peut se définir comme étant un dispositif et un procédé de séparation (chromatographique) en lit mobile simulé faisant appel à au moins un adsorbeur partitionné en une pluralité de compartiments organisés en quartiers, chaque compartiment étant adapté pour recevoir un lit d’adsorbant (particules solides).

Le dispositif

La figure 1 et la figure 2 montrent des schémas d’un adsorbeur selon la présente invention comprenant une virole 1 (e.g. cylindrique) divisée en une pluralité de compartiments 2 organisés en quartiers (concentriques - partageant le même axe central). Selon l’invention, la virole 1 est immobile et est partitionnée en au moins deux compartiments 2. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la virole 1 est partitionnée en 3 à 24 compartiments 2. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la virole 1 est partitionnée en 4 à 18 compartiments 2. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la virole 1 est partitionnée en 5 à 15 compartiments 2. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la virole 1 est partitionnée en 6 à 12 compartiments 2. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la virole 1 est partitionnée en 6, 8, 10, 12 ou 15 compartiments 2.

La virole 1 peut comporter un cœur central 3, par exemple cylindrique. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le cœur central 3 s’étendent de l’extrémité basse à l’extrémité haute de la virole 1 . Selon un ou plusieurs modes de réalisation, l’axe central (non représenté) du cœur central 3 correspond à l’axe central (non représenté) de la virole 1. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le cœur central 3 comprend un évidement (e.g. cylindrique) centré sur l’axe central (non représenté) de la virole 1. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le cœur central 3 comprend une zone (quelconque) pleine. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le cœur central est immobile et comprend des lignes d’alimentation de la charge à fractionner, des lignes d’alimentation du désorbant, des lignes de soutirage du raffinât, et/ou des lignes de soutirage de l’extrait. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le cœur central comprend une ossature métallique.

La figure 3 et la figure 4 montrent un schéma d’un adsorbeur selon la présente invention dans lequel chaque compartiment 2 comporte un lit d’adsorbant 4, une boite de distribution 5 et une boite de collecte 6 qui permettent respectivement de distribuer et de collecter, tout ou une partie du flux liquide circulant à travers le lit d’adsorbant. Les flèches de la figure 3 et de la figure 4 représentent l’écoulement des liquides circulant au sein des lits d’adsorbant 4, chaque boite de distribution 5 et chaque boite de collecte 6 étant respectivement positionnées en amont et en aval du lit d’adsorbant 4 selon le sens de circulation fluidique (liquide) dans l’adsorbeur.

Avantageusement, chaque boite de distribution 5 et boite de collecte 6 comprend des systèmes d’injection, tels que des vannes (e.g. électrovannes), pour injecter la charge et le désorbant, et soutirer l’extrait et le raffinât. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, chaque boite de distribution 5 est adaptée pour injecter la charge et le désorbant. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, chaque boite de collecte 6 est adaptée pour soutirer l’extrait et le raffinât.

Selon un ou plusieurs modes de réalisation, comme montré sur la figure 3 et la figure 4 chaque compartiment est divisé en trois quartiers concentriques (ou quartiers de couronne), un premier quartier (intérieur) correspondant à une boite de distribution 5 (ou boite de collecte 6), un deuxième quartier (intermédiaire) correspondant au lit d’adsorbant 4, et un troisième quartier (extérieur) correspondant à boite de collecte 6 (ou une boite de distribution 5).

Selon un ou plusieurs modes de réalisation, en référence à la figure 3, la circulation fluidique (liquide) est tangentielle à la paroi externe 7 de la virole.

Selon un ou plusieurs modes de réalisation, en référence à la figure 4, la circulation fluidique (liquide) est orthogonale à la paroi externe 7 de la virole, c.-à-d. la circulation dans la pluralité de compartiments 2 se fait alternativement de l’axe central (non représenté) de la virole 1 vers la paroi externe 7 et de la paroi externe 7 vers l’axe central de la virole 1 .

Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la boite de collecte 6 d’un premier compartiment 4 est adjacente à la boite de distribution 5 d’un deuxième compartiment 4, la circulation fluidique du premier compartiment 4 au deuxième compartiment 4 s’effectuant de la boite de collecte 6 du premier compartiment 4 vers la boite de distribution 5 du deuxième compartiment 4.

Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la boite de collecte 6 du dernier compartiment 4 est adjacente à la boite de distribution 5 du premier compartiment 4.

Selon un ou plusieurs modes de réalisation, les compartiments 4 ont des volumes identiques. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la virole 1 présente un ratio H/D hauteur H sur diamètre D égal à ou supérieur à 0,5, préférablement égal à ou supérieur à 0,6, 0,7 ou 0,8, très préférablement égal à ou supérieur à 1. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la virole 1 présente un ratio H/D hauteur H sur diamètre D compris entre 0,5 et 5, préférablement compris entre 0,6 et 4, très préférablement compris entre 0,8 et 3.

Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le ratio R1/R3, R1 étant le rayon de la virole 1 et R3 étant le rayon du cœur central 3, est égal à ou supérieur à 1 ,3, préférablement égal à ou supérieur à 1 ,5 ou 1 ,7, très préférablement égal à ou supérieur à 2. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le ratio R1/R3 est compris entre 1 ,3 et 8, préférablement compris entre 1 ,5 et 7, très préférablement compris entre 1 ,7 et 6.

Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le dispositif comprend en outre au moins une ligne de court-circuit adaptée pour court-circuiter au moins un compartiment 4. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la ligne de court-circuit est adaptée pour court-circuiter deux compartiment 4 adjacents.

Avantageusement, intégrer de cette manière plusieurs lits radiaux ou tangentiels 4 dans une seule virole 1 permet d’améliorer la compacité globale des dispositifs de séparation en SMB, de réduire la masse de métal nécessaire à leurs constructions, de réduire leurs coûts de construction, et de diminuer la consommation énergétique globale d’utilisation, par exemple par rapport à une mise en œuvre avec un lit radial par virole.

Le procédé

Dans la suite du texte, on parle d'étape pour désigner une opération ou un groupe d'opérations similaires effectuées sur un flux donné en un certain point du procédé. On décrit le procédé dans ses différentes étapes prises dans l'ordre d'écoulement des flux ou des produits.

Le procédé de séparation en SMB utilise le dispositif de séparation SMB selon le premier aspect de l’invention et comprend les étapes suivantes : on alimente les compartiments 4 avec au moins une charge F et au moins un désorbant D, et on soutire au moins un extrait E et au moins un raffinât R desdits compartiments 4, lesdits compartiments 4 comprenant un ou plusieurs lits d'un solide adsorbant interconnectés en boucle fermée (i.e., le dernier lit du dernier compartiment 4 étant adapté pour envoyer le flux circulant dans le premier lit du premier compartiment 4), les points d'alimentation et de soutirage dans les compartiments 4 étant décalés au cours du temps d'une valeur correspondant à un lit d'adsorbant avec une période de permutation (notée ST) et déterminant une pluralité de zones de fonctionnement du dispositif LMS, et notamment les zones principales suivantes :

Par définition, on désigne chacune des zones de fonctionnement par un numéro :

- la zone I de désorption du produit à purifier (e.g. paraxylène) est comprise entre l’injection du désorbant D et le soutirage de l’extrait E ;

- la zone II de désorption des isomères du produit à purifier est comprise entre le soutirage de l’extrait E et l’injection de la charge F ;

- la zone III d’adsorption du produit à purifier est comprise entre l’injection de la charge F et le soutirage du raffinât R ; et

- la zone IV est comprise entre le soutirage de raffinât R et l’injection de désorbant D.

Selon un ou plusieurs modes de réalisation, les lits d'adsorbant sont répartis dans les zones I à IV selon des configurations dites de type a / b / c / d, c’est-à-dire que la répartition des lits est la suivante :

- a est le nombre de lits en zone I ;

- b est le nombre de lits en zone II ;

- c est le nombre de lits en zone III ; et

- d est le nombre de lits en zone IV.

Selon un ou plusieurs modes de réalisation : a = (t ^* 0,2) ^* (1 ± 0,2) ; b = (t ^* 0,4) ^* (1 ± 0,2) ; c = (t ^* 0,27) ^* (1 ± 0,2) ; et d = (t ^* 0,13) ^* (1 ± 0,2), t étant le nombre total de compartiments 4. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, t est un nombre entier naturel compris entre 6 et 24, préférablement entre 8 et 15 (e.g. 12).

Selon un ou plusieurs modes de réalisation : a = (t ^* 0,17) ^* (1 ± 0,2) ; b = (t ^* 0,42) ^* (1 ± 0,2) ; c = (t ^* 0,25) ^* (1 ± 0,2) ; et d = (t ^* 0,17) ^* (1 ± 0,2), t étant le nombre total de compartiments 4. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, t est un nombre entier naturel compris entre 6 et 24, préférablement entre 8 et 15 (e.g. 12).

Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le désorbant est choisi parmi le groupe constitué par un ou plusieurs isomères de diéthylbenzène et le toluène. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le désorbant est le paradiéthylbenzène ou le toluène. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le désorbant est le toluène.

Selon un ou plusieurs modes de réalisation, l’adsorbant utilisé comprend/consiste en une Faujasite choisie parmi le groupe consistant en BaX, BaKX, et BaLSX.

Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la charge est choisie parmi le groupe constitué par un mélange de composés essentiellement aromatiques en C8 (e.g. xylènes et éthylbenzène). Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le mélange comprend au moins 95%, préférablement au moins 97% (e.g. au moins 99%) de composés essentiellement aromatiques en C8. Selon une ou plusieurs modes de réalisation la charge comprend au moins 15% poids de paraxylène et/ou 30% poids de métaxylène par rapport au poids total de la charge.

Un exemple de procédé de séparation LMS de grande importance industrielle concerne la séparation des coupes C8 aromatiques en vue de produire du paraxylène de pureté commerciale, typiquement à au moins 99,7% poids, et un raffinât riche en éthylbenzène, orthoxylène et métaxylène.

L’extrait produit contient du désorbant, du paraxylène et éventuellement des traces d’isomères (pureté du paraxylène supérieure à 95%, préférablement supérieur à 98%). Cet extrait peut être traité pour séparer le désorbant (e.g. par distillation) et ensuite purifié soit par cristallisation, soit par adsorption en lit mobile simulé pour augmenter la pureté du paraxylène.

Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la température dans les lits d’adsorbant est comprise entre 140°C et 189°C et de manière préférée entre 155°C et 185°C, de manière particulièrement préférée entre 170°C et 180°C. La pression est réglée de manière à ce que l’on reste en phase liquide en tout point du procédé selon l’invention. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la pression dans les lits d’adsorbant est comprise entre 1 MPa et 10 MPa, de préférence entre 2 MPa et 4 MPa, préférablement entre 2 MPa et 3 MPa.

Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la période de permutation ST (période entre deux permutations successives des alimentations/extractions) employée est comprise entre 20 secondes et 90 secondes. Préférablement, la période de permutation ST employée est comprise entre 30 secondes et 70 secondes (e.g. 50 ±10 secondes).

Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le débit de circulation moyen entre les lits est compris entre 2000 m ³ /h et 5000 m ³ /h, préférablement compris entre 2500 m ³ /h et 4500 m ³ /h, très préférablement compris entre 3000 m ³ /h et 4000 m ³ /h.

Exemple

Exemple de référence

Considérons un dispositif SMB, avec un volume total d’adsorbant de 500 m ³ , réparti en 12 lits radiaux de taille identique. Leur hauteur est de 12 m. Ils sont mis en oeuvre avec 1 lit par virole, avec un cœur central d’un diamètre de 1 ,5 m. Le système de distribution/collecte des fluides de chaque lit occupe un volume de 4,17 m ³ .

En référence à la figure 5, les viroles cylindriques 1 , d’un diamètre interne de 2,67 m, sont complétées à leurs extrémités de dômes de forme hémisphérique 8 et 9, appelées tête et fond. La surface de chaque virole, dômes de tête et de fond de forme hémisphérique compris, est de 122,9 m ² .

Avec une épaisseur de 32 mm, et en considérant une densité de 7870 kg/m ³ , la masse de métal de chacune de ces viroles est de 30,951, soit une masse de métal totale de 371 ,41 pour l’ensemble des 12 adsorbeurs.

Exemple selon l’invention

Considérons maintenant le même dispositif SMB, mais mis en œuvre selon l’invention : les 12 lits sont positionnés en quartiers au sein d’une même virole. En conservant le volume total d’adsorbant (500 m ³ ), avec les systèmes de distribution/collecte des fluides qui occupent le même volume que précédemment, avec un cœur central identique à précédemment de 1 ,5 m de diamètre, et une hauteur des lits de 12 m, le diamètre interne de la virole cylindrique est de 7,79 m.

La virole est complétée comme précédemment d’une tête et d’un fond hémisphérique.

La surface totale de cette virole, tête et fond hémisphériques compris, est de 483,9 m ² . Du fait du diamètre plus important, pour des raisons de résistance mécanique, l’épaisseur de la virole est augmentée à 78 mm.

Ainsi, la masse de métal nécessaire à la réalisation de cette virole est de 296,5 t, soit une réduction de 25 % par rapport au cas précédent.

Cette unité de LMS selon l’invention est donc plus compacte avec un coût de fabrication et de mise en oeuvre réduit par rapport à l’exemple précédent.