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MÉMOIRE DESCRIPTIF
DÉPOSÉ A L'APPUI D'UNE DEMANDE
DE BREVET D'INVENTION Perfectionnements à la fabrication de carbonate de sodium anhydre.
Demande de brevet anglais du 15 août 1934 en faveur de la Société IMPERIAL CHEMICAL INDUSTRIES LIMITED et de Messieurs
H. E. COCKSEDGE et E. F. BURNS.
La présente invention concerne la fabrication de carbonate de sodium anhydre.
Il est connu d'obtenir du carbonate de sodium anhy- dre par l'évaporation d'une solution de carbonate de sodium sous une pression suffisante pour élever le point d'ébullition de la solution au-dessus de la température de transition cor- respondant à la transformation
Na2 CO3. 1H2O # Na2 CO3 + H2O;
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il est connu également de chauffer, sous pression, une sus- pension de cristaux de carbonate de sodium monohydraté et d'eau,au delà de la température de transition mentionnée.
Chacun de ces procédés exige l'emploi de pressions dépas- sant la pression atmosphérique, d'où résultent certaines difficultés, notamment:
1) il est nécessaire d'assurer la séparation rapide du produit de la liqueur-mère, quand on retire les cristaux et la liqueur du récipient à pression, car autrement, la tem- pérature ne dépassant plus la température de transition, le sel anhydre en contact avec la solution retourne à l'état de monohydrate; ou bien, la séparation doit s'effectuer, elle aussi, sous pression.
2) La diminution de pression provoque un "bouillon- nement" de la liqueur accompagnant le produit, et son refroi- dissement par une perte de vapeur, ce qui accroft la tendance au retour à l'état de monohydrate.
On a constaté qu'il est possible d'éviter la né- cessité d'opérer sous pression, et d'obtenir du carbonate de sodium anhydre, en partant de solutions ou de suspensions de carbonate de sodium hydraté, tout en opérant à la pression atmosphérique ou à une pression réduite.
Suivant la présente invention, on concentre, par évaporation, à une température dépassant la température de transition correspondant à la transformation
Na2 CO3.1H2O # Na2 CO3 + H20., et la pression atmosphérique ou moindre, une solution aqueuse contenant du carbonate de sodium et une ou plusieurs substan- ces additionnelles du genre décrit ci-après susceptibles d'abaisser la dite température de transition, la quantité pré- 4 sente de cette substance ou de ces substances étant telle que
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la température de transition soit abaissée en-dessous du point d'ébullition de la solution, à la pression à laquelle on opère la concentration, mais insuffisante pour qu'une sé- paration sensible de la ou des substances ait lieu.
Le carbo- nate de sodium anhydre précipité peut s'extraire par centri- fugation d'une partie de la liqueur, et la liqueur-mère peut rentrer dans le cycle, additionnée d'une nouvelle quantité de carbonate de sodium. Il est possible aussi d'appliquer le pro- cédé à des charges successives, en évaporant la liqueur pres- que au point où la ou les substances additionnelles commen- cent à se séparer, en quantité appréciable, avec le carbonate de sodium anhydre, dont on sépare ensuite la totalité. Bien entendu, la liqueur-mère peut être réutilisée, en l'addition- nant de nouvelles quantités de liquide contenant du carbonate de sodium et en répétant l'opération.
Suivant une autre forme de réalisation de l'inven- tion, on produit du carbonate de sodium anhydre en cristaux en chauffant, au besoin avec évaporation, une suspension d'hy- drate de carbonate de sodium dans l'eau,jusqu'à une tempéra- ture au-dessus de la température de transition correspondant à la transformation Na2CO3. 1H2O # Na2 CO3 + H2O, en présence de la ou des substances additionnelles déjà mentionnées.
Les substances additionnelles employées conformé- ment à la présente invention, dans le but d'abaisser la tem- pérature de transition correspondant à la transformation
Na2 CO3. 1 H2O # Na2 CO3 + H20 sont, en général,les composés facilement solubles des métaux alcalins, notamment les hydroxydes et les sels du sodium et 1\ du potassium. Toutefois, il faut éviter l'emploi de sels acides
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et des sels qui forment des cristaux mixtes avec le carbo- nate de sodium.
Ainsi, une solution saturée de carbonate de sodium dans l'eau bout, à la pression atmosphérique, à environ 105 C, tandis que la température de transition
Na2 CO3. 1H2O # Na2 CO3 est d'environ 107,5 C, ce qui correspond à une pression d'en- viron 833 mm. de mercure. Pour obtenir du carbonate de sodium anhydre directement par évaporation de cette solution, il faudrait donc opérer sous une pression dépassant 833 mm. Cepen- dant, l'addition de chlorure de sodium à la solution a pour effet d'en relever le point d'ébullition et d'abaisser la température de transition.
Ainsi, une solution saturée de carbonate de sodium, contenant, en outre, environ 10% en poids de chlorure de sodium, bout à environ 106 C à la pres- sion atmosphérique, et le point de transition est abaissé, par suite de la présence de la quantité indiquée de chlorure de sodium,jusqu'à environ 100 C. Une telle solution permet donc d'obtenir du carbonate de sodium anhydre directement par évaporation, en la. faisant bouillir à la pression ordinai- re.
L'emploi de proportions plus grandes de chlorure de sodium permet d'abaisser encore davantage la température de transition, jusqu'à environ 93 C, après quoi de nouvelles quantités de chlorure de sodium ne se dissolvent plus. Plus la température de transition est basse, dans certaines limites, plus les opérations de centrifugation ou de filtrage en vue de la séparation des cristaux sans hydratiôn , s'en trouvent facilitées.
Si la solution contient 20%-de soude caustique, la température de transition
Na2 C03 . 1H2O#Na2 C03
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est abaissée à environ 90 C, et avec 35% de soude caustique, à environ 60 C. On peut donc non seulement produire directe- ment de la soude anhydre, à la pression atmosphérique, en partant de solutions ou de suspensions de carbonate de sodium, mais il est possible d'appliquer des pressions réduites pour effectuer l'évaporation dans le vide. On peut ainsi appliquer aux solutions de carbonate de sodium, en vue de la production directe de cristaux de carbonate de sodium anhydre, des pro- cédés connus et très efficaces d'évaporation sous vide, à multiple effet.
L'invention permet également de transformer la soude légère en soude lourde, en transformant d'abord la soude lé- gère en monohydrate de carbonate de sodium, puis ce dernier en carbonate de sodium anhydre, comme déjà décrit.
Un mode de réalisation du procédé, avec emploi du chlorure de sodium comme substance additionnelle est décrit dans l'exemple suivant, où les parties sont données en poids.
EXEMPLE On introduit 1000 parties de soude "légère" commer- ciale d'une densité apparente relativement faible et renfer- mant 0,5% de chlorure de sodium comme impureté normale, dans un liquide composé de 2.312 parties de liqueur-mère renfer- mant 13,9% de carbonate de soude et 16,4$ de chlorure de so- dium, et de 21 parties d'eau additionnelle. Le mélange est traité à 80-90 C, jusqu'à ce que toute la soude légère soit transformée en monohydrate, après quoi la température est portée, de préférence avec transvasement dans un autre réci- pient, à environ 106 C, c'est-à-dire à une valeur légèrement inférieure au point d'ébullition de la liqueur.
Le monohydra- te est ainsi transformé en une forme cristalline de carbonate de sodium anhydre qui peut être séparé, par exemple par cen- @
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trifugation à l'aide d'une essoreuse de préférence préala- blement chauffée. En essorant jusqu'à 3% d'humidité, on ob- tient 991 parties de soude lourde qui, après séchage, est stable et présente une densité apparente remarquablement élevée; on obtient, en même temps, 30 parties de liqueur- mère adhérente renfermant 21 parties d'eau, 4 parties de Na2 C03 et 5 parties de NaCl, ainsi que 2312 parties de li- queur-mère que l'on réutilise pour la transformation d'une nouvelle quantité de soude légère. On voit que le chlorure de sodium introduit avec la soude légère est compensé par celui qu'on retrouve dans la liqueur-mère adhérent à la soude lourde.
L'emploi de chlorure de sodium est particulièrement indiqué, en pratique, pour la raison suivante. Le carbonate de sodium commercial contient, normalement, une faible propor- tion de chlorure de sodium, et on peut laisser ce sel s'accu- muler,dans le mélange de réaction, soit jusqu'à un degré voisin de celui à partir duquel une nouvelle quantité de chlorure de sodium ne se dissout plus, soit jusqu'à ce que la quantité de chlorure de sodium contenu dans la liqueur- mère adhérent au produit soit égale à celle apportée avec le carbonate de sodium commercial.
Lorsqu'on emploie, comme ma- tière première, du carbonate de sodium commercial, on peut donc commencer avec un apport minimum de chlorure de sodium nécessaire pour pouvoir opérer à la pression atmosphérique ou en-dessous de celle-ci; on laisse ensuite les liqueurs s'en- richir en chlorure de sodium, au cours du travail en cycle continu, cet enrichissement ayant pour effet avantageux d'abais- ser progressivement la température de transition, jusqu'à ce au'aucune nouvelle quantité de chlorure de sodium ne puisse se dissoudre dans la liqueur.
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DESCRIPTIVE MEMORY
SUBMITTED IN SUPPORT OF A REQUEST
OF PATENT OF INVENTION Improvements in the manufacture of anhydrous sodium carbonate.
English patent application of August 15, 1934 in favor of the Company IMPERIAL CHEMICAL INDUSTRIES LIMITED and Gentlemen
H. E. COCKSEDGE and E. F. BURNS.
The present invention relates to the manufacture of anhydrous sodium carbonate.
It is known to obtain anhydrous sodium carbonate by evaporating a solution of sodium carbonate under sufficient pressure to raise the boiling point of the solution above the corresponding transition temperature. to transformation
Na2 CO3. 1H2O # Na2 CO3 + H2O;
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it is also known practice to heat, under pressure, a suspension of crystals of sodium carbonate monohydrate and of water, beyond the mentioned transition temperature.
Each of these processes requires the use of pressures exceeding atmospheric pressure, which results in certain difficulties, in particular:
1) It is necessary to ensure the rapid separation of the product from the mother liquor, when removing the crystals and the liquor from the pressure vessel, because otherwise, the temperature no longer exceeding the transition temperature, the anhydrous salt in contact with the solution returns to the state of monohydrate; or the separation must also take place under pressure.
2) The decrease in pressure causes the liquor accompanying the product to "boil" and to cool by loss of vapor, which increases the tendency to revert to the monohydrate state.
It has been found that it is possible to avoid the need to operate under pressure, and to obtain anhydrous sodium carbonate, starting from solutions or suspensions of hydrated sodium carbonate, while operating under pressure. atmospheric or at reduced pressure.
According to the present invention, one concentrates, by evaporation, at a temperature exceeding the transition temperature corresponding to the transformation.
Na2 CO3.1H2O # Na2 CO3 + H20., And at atmospheric pressure or less, an aqueous solution containing sodium carbonate and one or more additional substances of the type described below capable of lowering said transition temperature, the amount present of this substance or substances being such that
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the transition temperature is lowered below the boiling point of the solution, to the pressure at which the concentration is carried out, but insufficient for substantial separation of the substance (s) to take place.
The precipitated anhydrous sodium carbonate can be extracted by centrifugation of part of the liquor, and the mother liquor can enter the cycle, with the addition of a new quantity of sodium carbonate. It is also possible to apply the process in successive batches, evaporating the liquor almost to the point where the additional substance (s) begin to separate, in appreciable quantity, with the anhydrous sodium carbonate, of which the whole is then separated. Of course, the mother liquor can be reused, adding new amounts of liquid containing sodium carbonate and repeating the operation.
According to another embodiment of the invention, anhydrous sodium carbonate in crystals is produced by heating, if necessary with evaporation, a suspension of sodium carbonate hydrate in water, to a maximum of sodium carbonate in water. temperature above the transition temperature corresponding to the Na2CO3 transformation. 1H2O # Na2 CO3 + H2O, in the presence of the additional substance (s) already mentioned.
The additional substances used in accordance with the present invention, with the aim of lowering the transition temperature corresponding to the transformation
Na2 CO3. 1 H2O # Na2 CO3 + H2O are, in general, easily soluble compounds of alkali metals, especially hydroxides and salts of sodium and potassium. However, the use of acidic salts should be avoided.
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and salts which form mixed crystals with sodium carbonate.
Thus, a saturated solution of sodium carbonate in water boils, at atmospheric pressure, at about 105 C, while the transition temperature
Na2 CO3. 1H2O # Na2 CO3 is about 107.5 C, which corresponds to a pressure of about 833 mm. of mercury. To obtain anhydrous sodium carbonate directly by evaporation of this solution, it would therefore be necessary to operate under a pressure exceeding 833 mm. However, the addition of sodium chloride to the solution raises the boiling point and lowers the transition temperature.
Thus, a saturated sodium carbonate solution, additionally containing about 10% by weight of sodium chloride, boils at about 106 C at atmospheric pressure, and the transition point is lowered, due to the presence of of the indicated amount of sodium chloride, up to approximately 100 C. Such a solution therefore makes it possible to obtain anhydrous sodium carbonate directly by evaporation, in the. boiling at ordinary pressure.
The use of larger proportions of sodium chloride allows the transition temperature to be lowered even further, to about 93 ° C., after which further quantities of sodium chloride no longer dissolve. The lower the transition temperature, within certain limits, the more the centrifugation or filtering operations with a view to separating the crystals without hydrating are facilitated.
If the solution contains 20% caustic soda, the transition temperature
Na2 CO3. 1H2O # Na2 C03
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is lowered to about 90 C, and with 35% caustic soda, to about 60 C. It is therefore not only possible to produce anhydrous soda directly, at atmospheric pressure, starting from solutions or suspensions of sodium carbonate , but it is possible to apply reduced pressures to effect evaporation in a vacuum. It is thus possible to apply to sodium carbonate solutions, with a view to the direct production of anhydrous sodium carbonate crystals, known and very efficient multi-effect vacuum evaporation methods.
The invention also makes it possible to convert light soda to heavy soda, by first converting the light soda to sodium carbonate monohydrate, then the latter to anhydrous sodium carbonate, as already described.
An embodiment of the process, using sodium chloride as an additional substance is described in the following example, where the parts are given by weight.
EXAMPLE 1000 parts of commercial "light" soda of relatively low bulk density and containing 0.5% sodium chloride as a normal impurity are introduced into a liquid composed of 2.312 parts of mother liquor containing 13.9% sodium carbonate and 16.4% sodium chloride, and 21 parts additional water. The mixture is treated at 80-90 ° C., until all the light soda has been converted into the monohydrate, after which the temperature is brought, preferably with transfer into another container, to approximately 106 ° C. that is, to a value slightly below the boiling point of the liquor.
The monohydrate is thus transformed into a crystalline form of anhydrous sodium carbonate which can be separated, for example by centering.
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trifugation using a pre-heated wringer. By dewatering up to 3% humidity, 991 parts of heavy soda are obtained which, after drying, is stable and has a remarkably high bulk density; at the same time, 30 parts of mother liquor are obtained, containing 21 parts of water, 4 parts of Na2 CO3 and 5 parts of NaCl, as well as 2312 parts of mother liquor which is reused for processing. with a new quantity of light soda. It can be seen that the sodium chloride introduced with the light soda is compensated for by that which is found in the mother liquor adhering to the heavy soda.
The use of sodium chloride is particularly indicated in practice for the following reason. Commercial sodium carbonate normally contains a small amount of sodium chloride, and this salt can be allowed to accumulate in the reaction mixture to a degree near that at which a new quantity of sodium chloride no longer dissolves, that is until the quantity of sodium chloride contained in the mother liquor adhering to the product is equal to that supplied with commercial sodium carbonate.
When commercial sodium carbonate is used as a raw material, it is therefore possible to start with a minimum supply of sodium chloride necessary to be able to operate at or below atmospheric pressure; the liquors are then allowed to enrich in sodium chloride, during continuous cycle work, this enrichment having the advantageous effect of gradually lowering the transition temperature, until no new quantity of sodium chloride cannot dissolve in liquor.