<Desc/Clms Page number 1>
Procédé de fabrication de soude caustique solide anhydre et produits fabriqu.és par ce procède
La présente invention se rapporte à un nouveau procède de fabrication de soude caustique solide anhydre, et elle se rap- porte plus spécialement à un nouveau procède perfectionné qui per- met de déshydrater des solutions de soude caustique relativement concentrées.
Dans 'la fabrication industrielle de la soude caustique solide on part d'une liqueur plus ou moins diluée. Normalement, on évapore la liqueur dans un -évaporateur chauffé à la vapeur jusqu'à ce que l'on atteigne une concentration de 75 % environ en NaOH. Fr,équemment, l'évaporation s'effectue, du moins dans les dernières phases, sous pression réduite.
A partir de ce point, il n'est pas possible d'utiliser le chauffage à la vapeur comme moyen permettant de poursuivre l'évaporation du fait de l'élévation très rapide du point d'bullition de la solution de soude caustique à @
<Desc/Clms Page number 2>
mesure que croit la concentration, et la transformation de la solution à 75 % de NaOH en soude caustique anhydre constitue au pro blème beaucoup plus difficile que celui de l'évaporation d'une liqueur diluée jusqu'à la concentration de 75 % en NaOH. Par exemple, une solution de soude caustique à 75 % bout à la pression atmosphérique à une température légèrement inférieure à 200 C., tandis qu'une solution à 90 % bout au-dessus de 260 C et une so- lution 97 % bout au-dessus de 340 C.
De plus envore, l'attaque de l'acier par la solution chaude de soude caustique fait qu'il est à déconseiller d'utiliser des évaporateurs en acier, particu- lièrement à ces températures extrêmement élevées. Le procédé in- dustriel comprend donc l'évaporation par chauffage direct de ces liqueurs dans des cuves à la pression atmosphérique, et dans ce procédé la température de la liqueur s'élève prpgressivement au cours de l'évaporation et on doit la faire monter jusqu'à 400 C environ en l'espace de 36 heures de manière à éliminer les der- nières traces d'eau.
Il se produit au cours de l'évaporation une sérieuse attaque des cuves, ce qui donne lieu à la présence d'une quantité excessive de fer dans la soude caustique, quantité de fer que l'on ne peut éliminer qu'en élevant la température jusqu' à 500 C., puis en refroidissant quelque peu et en laissant le fer se précipiter- opération qui exige encore 36 heures. L'allure de l'opération est fortement limitée par l'allure à laquelle la cha- leur nécessaire peut être apportée à la liqueur caustique. Ainsi le(cuves à chauffage direct impliquent une arrivée considérable de chaleur aux températures élevées (au moins 360 tonne-calories par tonne de soude caustique anhydre) ce qui constitue une manière inefficace d'utiliser la chaleur et un moyen tout-à-fait insuffi- sant de transférer la chaleur issue du combustible.
Le rendement calorifique de la cuve à soude caustique n'est que de quelque 46 %, et de plus la grande étendue de surface occupée et le relativement grand entretien exigé rendent les cuves encore moins attrayantes.
On s'est donc efforcé d'améliorer la transformation des @
<Desc/Clms Page number 3>
liqueurs à 75 % et à concentration similaire de soude caustique anhydre. On a essayé d'adapter les procèdes utilisés aux basses concentrations pour 1-1,évaporation depuis 75 % jusqu'à la soude caustique anhydre fondue. Un de ces procèdes consiste à évaporer ces liqueurs dans un type conventionnel d'évaporateur tubulaire ou dans un évaporateur à criculation forcée, en utilisant un milieu chauffant autre que la vapeur d'eau, et plus spécialement la vapeur de diphényle et la vapeur de mercure.
Les températures élevées qu' impliquei.., la fabrication de soude caustique anhydre rendent peu attrayante l'utilisation de vapeur de diphényle, du fait que cette coûteuse substance de transfert de chaleur tend à se décomposer, mais elle peut être utilisée d'une manière satisfaisante pour fa- briquer la liqueur à 90-95 % de NaOH. Quant à la;vapeur de mercure, les matériaux dont on peut se servir utilement dans la, construc- tion de l'appareillage sont limites et il est difficile de trouver un matériau qui résiste aux conditions rigoureuses de travail avec le mercure sur une face, comme agent de chauffage, et avec la li- queur fortement concentrée de soude caustique sur l'autre face.
On a également essayé d'effectuer l'évaporation au delà des 75 % de NaOH sous une pression réduite au lieu de la réaliser dans des cuves ouvertes. Dans ce cas, la cristallisation se produit quand la masse en fusion contient entre 80 et 93 % de soude caustique, même en utilisant un vide modère, à cause de l'abaissement du point d'ébullition. La chaleur ne peut être communiquée aux subs- tances solides que lentement et irrégulièrement,
et on a cherche à éviter par conséquent la difficulté consistant à communiquer de la chaleur à de telles substances solides dans les procèdes d'.éva- poration sous vide en faisant varier le vide au cours de la concen- tration de manière telle que le point d'ébullition soit maintenu au-dessus du point de début de cristallisation de la solution. On a également essayé antérieurement de réduire la quantité de cha- leur exigée en faisant cristalliser la soude caustique anhydre en solution. On peut, par exemple, faire refroidir une liqueur à 90 %
<Desc/Clms Page number 4>
de NaOH, ce qui donne par centrifugation un magma de cristaux et une liqueur mère.
On a également développé un procédé permettant d'évaporer une liqueur caustique sous pression réduite dans un type conventionnel d'évaporateur tubulaire chauffé à la vapeur, ou mieux encore dans un évaporateur à circulation forcée, dans des candi- tions telles que la cristallisation se produit dans l'évaporateur.
On retire de l'évaporateur le magma ainsi élaboré et l'on sépare les cristaux par centrifugation et par séchage. Le procédé est dif- ficile à réaliser du fait que dans de tels évaporateurs la circula- tion est difficile quand il y a plus qu'une faible proportion de matières solides dans la suspension à l'intérieur de l'évaporateur, et les évaporateurs tendent à s'écailler ou à se boucher durait que l'évaporation provoque la formation de plusieurs parties de matières solides par partie d'eau évaporée. De plus encore, on appréciera aisément que la centrifugation d'une substance forte- ment caustique constitue une opération dangereuse, et qu'il est difficile de réaliser les deux opérations de centrifugation et de séchage d'un agent dessicateur comme la soude caustique.
On a éga- lement suggéré des procédés pour éviter la casse et la corrosion graves des récipients, ce qui se produit quand ils contiennent ces solutions fortement concentrées de soude caustique aux temp-éra- tures élevées que l'on utilise pour l'évaporation. Déjà en 1905 on a suggéré de faire travailler les cuves à soude caustique sous pression réduite de manière à réduire la température d'évaporation, même en-dessous du point de fusion de la soude caustique, en vue de réduire l'attaque des cuves. Par exemple, partant-d'une solu- tion à 50-55 % de NaOH, on a suggéré d'effectuer l'évaporation avec agitation sous pression¯réduite et à 180 C.
Par ce procédé la solution devient plus dense et donne finalement un solide qui est presque anhydre, contenant au plus 10 % d'eau. Ce procédé comprend le chauffage d'une liqueur qui devient progressivement une suspension, puis un solide humide et finalement un solide pres- que sec. L'apport de chaleur à un solide est beaucoup plus diffi- cile qu'à une liqueur à cause de la très mauvaise transmission de
<Desc/Clms Page number 5>
chaleur qu'il est possible d'obtenir. La quantité de chaleur à apporter est de 100 tonne-calories par tonne de soude caustique pour transformer la solution saturée en un solide sec, et cette quantité de chaleur doit être introduite dans'des conditions dé- favorables de transmission de chaleur.
Par exemple, le coefficient de transformation de chaleur à travers les parois d'un récipient chauffé directement et contenant une liqueur en mouvement est gé- néralement de l'ordre de grandeur de 1000 kilocalories par m2 de surface par heure et par C. de différence de température, tandis @@ que quand le même récipient contient un solide en agitation; le @ coefficient de transmission de chaleur n'est que d'environ un dixième de ce chiffre.
Maigre toutes ces tentatives s'étendant sur une très longue période, aucun procède satisfaisant n'a encore été découvert pour remplacer les cuves à soude caustique. On doit en trouver la raison en partie dans les difficultés inhérentes à la soude caus- tique, lesquelles difficultés comprennent antre autres les tempé- ratures élevées ou en variante les basses pressions partielles de vapeur d'eau que l'on doit utiliser dans les phases finales de l'tévaporation, l'attaque sérieuse des récipients, la décoloration produite par des quantités même: très petites d'impuretés, la na- ture fort déliquescente de la soude caustique, et la complexité de travailler avec une substance si sujette à être dangereuse pour les ouvriers.
Plus spécialement ces difficultés surgissent dans l'éli- mination des dernières traces d'eau, par exemple dans le dernier 1/4 - 1 %. En outre, la forme en plaquettes des cristaux de soude caustique qui' se déposent à partir d'une solution fait qu'elle ne se laisse pas traiter aisément comme une suspension et qu'elle est difficile à séparer d'une solution par des moyens mécaniques. Les cristaux de soude caustique centrifugés sont extrêmement difficiles à sécher et diffèrent à cet égard de substances non-déliquescentes.
Les buts de la présente invention sont les suivants : écarter les nombreuses difficultés inhérentes et particu- lières à l'évaporation de la solution de soude caustique; @ -
<Desc/Clms Page number 6>
fabriquer de la soude caustique anhydre solide granu- leu s e; réduire la quantité de chaleur nécessaire à la transfor- mation de la solution de soude caustique en soude caustique anhy- dre et solide, et procéder par autoévaporation; rendre inutiles le.procédé lent d'évaporation en cuves ainsi que les frais élevés de combustible, travail et entretien qui résultent de ce procédé.
On a trouvé qu'il existe certaines conditions dans l' ordre élevé de concentration, conditions qui, si on les choisit convenablement, peuvent être utilisées pour la transformation de solution de soude caustique en soude caustique solide anhydre et en vapeur d'eau sans introduire une aussi grande quantité de cha- leur que celle que l'on croyait essentielle jusqu'ici. Dans les limites de certaines valeurs déterminées, les solutions de soude caustique fortement concentrées à la température à laquelle elles sont saturées ou à une température légèrement supérieure, quand on les soumet à une réduction de pression, se séparent en vapeur d'eau et en cristaux anhydres, et le procédé se poursuit adiaba- tiquement jusqu'à achèvement.
Dans un mode de réalisation de la présente invention, on part d'une solution contenant environ la % d'eau, le reste étant constitué par de la soude caustique à part de faibles quantités d'impuretés qui, prises ensemble, peuvent s'élever à 1/2-1%. On rè- gle la température de la solution à environ 280 C. On soumet en- suite la solution à des conditions dans lesquelles la.pression partielle de la vapeur d'eau au-dessus de la solution est maintenue endessous de 600mm de mercure, maintenue par exemple à 100-400 mm. de mercure, et dans lesquelles -également on donne à la solution une grande surface, par exemple en faisant tomber la solution en pluie dans une tour vide.
Ceci permet l'autoévaporation de 1'eau et ainsi, par ces seules opérations, la soude caustique se dépose sous forme d'un solide granuleux, sec et anhydre. Ce mode de réa- lisation représente de cas optimum où aucun apport quelconque de
<Desc/Clms Page number 7>
chaleur n'est nécessaire, et les seules précautions de chaleur à prendre sont d'éviter les pertes excessives dans l'atmosphère. Une autre façon d'opérer consiste à répandre en pluie une solution ap- propriée dans la direction descendante d'un tube dans lequel passe un courant d'air ascendant de manière à emporter la vapeur d'eau et à maintenir ainsi une faible pression partielle de vapeur d'eau.
Ce procédé donne également de la soude caustique sèche, granuleuse et anhydre. L'air devra être dhaud de manière à éviter les pertes excessives de chaleur de la solution, et, si on le désire, l'air peut être suffisamment chaud pour apporter un peu de chaleur à l' opération. Le moyen d'exposer une grande surface de la solution peut être l'un quelconque des procédés standards normalement adop- t.és à cette fin, par exemple,la pulvérisation, l'exposition sous forme de pellicule, l'agitation d'une solution ou la distribution de celle-ci sur de la soude caustique granuleuse préalablement élaborée et servant de support à la solution dans un mélangeur dit "creeper mixer". Dans l'une quelconque de ces opérations, la durée qu'exige l'autoévaporation est extrêmement courte par rapport aux durées normales d'évaporation de la solution de soudé caustique.
Dans le présent procédé, on évite la consommation d'une grande quantité de la chaleur normalement exigée par une opération finale en cuve, la plupart des difficultés de corrosion, et une partie du temps nécessaire. En faisant cristalliser la soude caus- tique en solution à une température de 270 C. ou à une température inférieure à celle-ci, ce qui donne un produit solide, au lieu de l'élaborer à partir de la solution sous forme d'un produit fondu à 400 C, on économise plus que la chaleur latente de fusion de la soude caustique - approximativement 130 tonne-calories par tonne de soude caustique.
En évitant la corrosion, on rend superflue la décantation servant à .éliminer les impuretés qui entrent dans la liqueur au cours des dernières phases de l'évaporation, et l'on évite également de devoir chauffer la soude caustique fondue de- puis la température de l'évaporation finale de 400 C. environ jusqu'aux températures indispensables pour obtenir une décantation
<Desc/Clms Page number 8>
satisfaisante, par exemple 500 C. Ceci économise encore 55 tonne- calories plus toutes les pertes de chaleur au cours de la décan- tation de 36 heures aux températures élevées.
En outre, l'évapo- ration que l'on effectue pour obtenir la liqueur initiale peut être exécutée dans les conditions les plus favorables de transfert et de récupération de chaleur d'un évaporateur conventionnel du type tubulaire à circulation forcée du fait que les températures exigées pour évaporer jusqu'à 80-95 % de soude caustique peuvent s'atteindre par d'autres moyens que celui du chauffage direct, par exemple, par l'utilisation de vapeur de diphényle.
On voit donc que la présente invention comprend la trans- formation adiabatique ou sensiblement adiabatique d'une solution . convenablement choisie, en vapeur et en solide en soumettant sim- plement la solution à la réduction indispensable de la pression partielle de la vapeur d'eau. Dans le cas idéal cette opération adiabatique est également une opération isothermique.
Il est très remarquable et complètement inattendu qu'il puisse exister, ainsi qu'on l'a trouvé, des conditions dans les- quelles la chaleur nécessitée pour l'évaporation de l'eau d'une solution de soude caustique peut être fournie par la chaleur li- bérée lors de la cristallisation de la soude caustique anhydre à partir de cette solution. On sait que la dissolution de soude caus- tique dans l'eau libère de la chaleur; on a établi maintenant que la cristallisation de la soude caustique à partir de sa solution saturée libère une chaleur considérable. De plus, on a trouve que l'on peut choisir les conditions de telle manière que cette cris- tallisation libère même assez de chaleur pour vaporiser toute l' eau, contrairement à toute attente.
Il est remarquable en outre que l'on puisse obtenir par ce moyen de la soude caustique anhydre contenant au maximum 0.3 % d'eau, du fait que la soude caustique est déliquescente et est souvent utilisée comme agent de dessicoa- tion. Ceci confirme l'opinion générale., qui est corroborée par la pratique industrielle, et suivant laquelle la déshydratation de la soude caustique est difficile et la soude caustique est une de
<Desc/Clms Page number 9>
ces substances dont la production sous forme anydre constitue un problème particulier.
Le,cas idéal est représenté par l'utilisation d'une solu- tion de soude caustique à Environ 90-92 % à une température voisine de 270 C., mais il y a d'autres conditions dans les limites du voi- sinage immédiat de ce point où l'opération quoique adiabatique n' est pas isothermique, du fait qu'il se produit une certaine éléva- tion ou un certain abaissement de la température au cours de l'au- toévaporation. Comme limite supérieure, on peut pa/rtir de solu- tions contenant à peu près 95% de NaOH à une température de 290 C.
Dans ce cas,. maigre l'absence de tout apport de chaleur, la tempé- rature monte effectivement au cours de l'opération d'autoévapora- tien, mais cette élévation de température s'accompagne d'une chute de la pression de vapeur à mesure.que l'eau est éliminée au cours de l'opération d'autoévaporation, et avec des concentrations de départ si élevées da pression de vapeur partielle finale ne devrait pas dépasser 100 mm pour qu'une autoévaporation adiabatique se produise.
Comme limite inférieure, on peut utiliser une liqueur contenant 85 % de soude caustique avec une température initiale de 250-370 C., mais, excepté aux températures élevées dans cet ordre, la temp.érature tombe au cours de l'autoévaporation et en même temps on devra également maintenir basse la pression partielle de la vapeur d'eau, dans certains .cas jusqu'à 50 mm. Il n'y a ainsi qu'une gamme comparativement restreinte de concentration dans la- quelle le présent procède s'effectue sans aucun apport de chaleur.
Dans les limites de cette gamme générale de 85 à 95 % de NaOH,les concentrations préférées se trouvent dans la gamme de 87 à 92 %, et pour une liqueur à 87 % on préfère partir avec une température comprise entre 230 et 270 C., et pour une liqueur à 92 % on pré- fère partir avec une temp.érature comprise entre 270 et 300 C.
Bien que, jusqu'ici, on ait décrit la présente invention comme étant une opération adiabatique qui, dans le cas idéal, cons- titue également une opération isothermique, l'invention couvre également l'opération sensiblement adiabatique avec quelque apport @
<Desc/Clms Page number 10>
de chaleur, mais en faible quantité par rapport à celle que l'on croyait nécessaire jusqu'ici. La transformation d'une solution à 90 % de soude caustique en soude caustique anhydre et fondue et en vapeur d'eau par l'opération conventionnelle en cuves implique l' apport à cette solution d'environ 150 tonne-calories par tonne de soude caustique.
On a montré que l'on peut effectuer cette déshy- dratation sans aucune introduction de chaleur en préparant un pro- duit solide dans des conditions spécifiées, mais pour simplifier l' opération il est parfois avantageux d'amener une quantité qui ne dépasse pas 80 et généralement pas 40 tonne-calories par tonne de soude caustique. Ceci est commodément applicable quand le procède est effectué dans un mélangeur creeper mixer. L'invention couvre aussi le cas où une faible quantité de chaleur se perd, par exem- ple par radiation de la matière ou des parois du récipient, ou par transmission à l'air froid utilisé pour réaliser l'autoévapo- ration.
Dans un mode de réalisation du procédé exécuté en continu dans un mélangeur creeper mixer, on emploie un mélangeur à aubes à chemise de vapeur qui est ouvert à la partie supérieure pour per- mettre l'accès de l'air. Le mélangeur à aubes contient de la soude caustique en granules,et par une extrémité de ce mélangeur on fait entrer une liqueur à 90 % de soude caustique à une température de 260 C. Une mare de liqueur se forme ainsi à l'entrée du mélangeur, et plus loin dans celui-ci le contenu devient pâteux, puis sec, et finalement la soude caustique anhydre granuleuse meuble s'évacue par l'extrémité de sortie.
Quoique théoriquement aucun apport de chaleur ne soit indispensable dans ce procédé, il convient cepen- dant de chauffer les parois du mélangeur,et/ou de faire en sorte que l'air qui passe librement sur la surface du solide dans le mélangeur et qui élimine ainsi la vapeur d'eau soit chaud, par exemple à 150 -300 C. En pratique, naturellement, la quantité de chaleur transmissible à travers la paroi métallique à un solide pâteux, ou à un solide sensiblement sec ou meuble tel qu'il se présente dans le mélangeur est extrêmement faible en raison de la
<Desc/Clms Page number 11>
résistance au transfert de la chaleur des parois au solide.
Ainsi, une quantité négligeable de chaleur seulement est transmise à tra- vers les parois du mélangeur par comparaison avec la chaleur qui peut être transmise à un liquide se trouvant dans un récipient de dimensions analogues et chauffe de la même manière. Malgré cela. cependant, l'opération décrite ci-dessus ne prend qu'une heure ou deux pour transformer une liqueur à 90 % en un solide anhydre et sec contenant moins de 0.3 % d'eau, tandis que la transformation d'une liqueur à 90 % en soude caustique fondue, sur la même échel- le, prend normalement au moins 8 heures, même avec un feu beaucoup plus, vif dans le second cas que dans le premier.
Dans le cas où l' on n'utilise pas une opération strictement adiabatique mais où l'on apporte une certaine quantité de chaleur soit au travers des pa- rois soit par contact avec l'air chaud, on peut, avec une durée un peu plus longue de l'opération, s'arranger pour utiliser un li- quide d'alimentation contenant aussi peu que 80 % de NAGE.
La présente invention procure donc un procède permettant de produire de la soude caustique anhydre et solide à partir d'une solution, qui consiste à porter à une température d'environ 00 à 300 C. une solution fortement concentrée, à donner une grande étendue en surface à la liqueur et prévoir une basse pression par- tielle de vapeur d'eau pour faciliter la vaporisation de l'eau, et à permettre la vaporisation sensiblement adiabatique pour produire la soude caustique anhydre solide. La concentration de la. solution employée est celle de la saturation à ces températures, ou en est voisine.
On peut réaliser le procédé par exemple en répandant en pluie dans le vide une solution à 85-95 % de NaOH à 250 -300 C.ou en répandant en pluie dans un courant d'air chaud une solution à 80-95 % de NaOH à 200 -300 C., ou en introduisant une solution de NaOH à 80-95 % dans un récipient contenant de la soude caustique granuleuse, que l'on agite tout en faisant passer de l'air par dessus, ou encore en étalant la liqueur en pellicule mince. La quantité de chaleur à, appliquer dans le cas idéal est nulle, mais
<Desc/Clms Page number 12>
en pratique on applique une quantité de chaleur suffisant à équili- brer la somme des teneurs en chaleur de la vapeur d'eau et de la soude caustique liquide, avec la teneur en chaleur de la solution initiale.
La caractéristique principale de l'invention est d'abord la nature sensiblement adiabatique de l'opération, qui évite les difficultés d'apport de chaleur à un solide et les températures .élevées que nécessite la fabrication de la soude caustique fondue.
Simultanément, une autre caractéristique est que la force de la liqueur n'augmente pas continuellement jusqu'à atteindre 100 % de NaOH fondu, comme c'est le cas dans l'opération courante en cuves, tandis que au cours de l'autoévaporation le solide se sépare et la solution reste sensiblement inchangée en composition jusqu'à des- siecation. Il y a donc une discontinuité, et l'autoévaporation pro- voque par cette discontinuité une réduction progressive dans la quantité de solution mais non un changement matériel dans sa com- position, ainsi qu'une augmentation progressive dans la quantité de soude caustique solide anhydre et dans la quantité de vapeur d' eau éliminée. Ainsi la solution se dessèche en donnant une soude caustique solide qui n'a pas été fondue.
A la différence de l'ope- ration courante, il existe une température -crête qu'il ne faut pas dépasser dans l'exécution de l'opération et qui est approxima- tivement de 300 C. Même cette température est trop élevée pour atteindre les avantages complets du procédé, et il est préférable que la température-crête ne dépasse pas environ 270 C.
Il est important de remarquer que le présent procédé ne constitue pas une simple évaporation sous vide. Il est possible de produire de la soude caustique solide par évaporation sous vide à température constante, en suite de quoi la liqueur reste à une com- position constante, la vapeur s'en va par ébullition et le comple- xe devient solide.
Dans un tel procédé, si on levait réalise jusqu'ici, on aurait fini par obtenir un solide à la température d'évaporation et il aurait fallu apporter de la chaleur à la ma-
<Desc/Clms Page number 13>
tière se trouvant sous une consistance pâteuse ou presque solide, et ce procédé d'apport de chaleur comme on l'a déjà expliqué, est inefficace et constitue une perte de temps- La présente invention offre le grand avantage suivant : quoique la conversion s'opère directement en soude caustique solide et non fondue, il n'est pas indispensable d'amener de la chaleur à cette phase, de sorte que non seulement on économise de la chaleur mais également du temps.
A titre d'explication du fait que l'on réalise le présent procédé dans des conditions idéales d'autoévaporation adiabatique au point où il y a précipitation du solide, on croit que les con- ditions idéales sont celles pour lesquelles les solutions aqueuses saturées de soude caustique montrent un maximum dans la courbe de pression de vapeur en fonction de la température. On sait que la pression de vapeur des solutions saturées de soude caustique aug- mente avec l'accroissement de concentration jusqu'à une valeur comprise entre 80 et 93 % de NaOH, puis retombe. On a montra que cette courbe atteint un maximum à 600 mm. de mercure ou juste en- dessous, ce qui correspond à 90-92 % de NaOH et 260 -280 C., et retombe ensuite quand la concentration et la température augmen- tent encore.
A ce maximum la chaleur requise pour transformer une solution saturée en vapeur d'eau et en soude caustique solide à la même température est nulle. On a déduit de 1'.équation bien connue de Clausius-Clapeyron que la variation totale de tempéra- ture se produisant au cours de l'évaporation isothermique d'une solution saturée pour donner le solvant (vapeur) et la substance dissoute (solide) dépend de la variation, avec la température ab- solue, de la pression de vapeur de la solution saturée, et que quand cette dernière variation est nulle, la variation de tempé- rature est nulle .également. Sous le rapport de cette pression de vapeur des solutions aqueuses saturées, la soude caustique diffère de la plupart des autres substances inorganiques.
Seules quelques substances présentent un tel maximum, et sans ce maximum il ne peut y avoir d'autoévaporation adiabatique isothermique. Parmi ces @
<Desc/Clms Page number 14>
quelques substances la soude caustique est le seule substance anhy dre que l'on sache présenter un tel maximum juste en-dessous de la pression atmosphérique.
Cette pression de vapeur est suffisamment basse pour qu'il se produise une granulation donnant un produit dense sans utiliser des autoclaves et elle est cependant suffisam- , ment élevée pour donner lieu à une grande vitesse d'évaporation dans le procédé suivant la présente invention sans que l'on ait besoin de grands volumes de fluide véhiculant tel que l'air pour éliminer la vapeur d'eau. Les facteurs précités, sont nécessaires en pratique pour rendre aisée à des vitesses élevées une,évapora- tion adiabatique dans les conditions ici décrites.
Un autre avantage encore du procédé réside en ce que la déshydratation finale et difficile est réaliser dans le cas idéal, sans aucune chute de la pression de vapeur en-dessous du chiffre maximum indiqué. C'est-à-dire, la dernière goutte d'eau présente exerce une pression de vapeur d'environ 600 mm- de mercure et est ainsi aisément éliminée. Dans d'autre procèdes de cristallisation, de beaucoup plus faibles pressions sont exercées par les dernières gouttes d'eau, et dans le procédé par fusion la température doit être élevée jusqu'à 400 C. de manière à donner une pression de va- peur suffisante pour que les dernières gouttes se vaporisant.
Une autre caractéristique de l'invention réside dans la forme du produit. Celui-ci s'obtient sous forme d'un produit granu- leux, sans poussière, d'une teneur en eau inférieure à 1 % et géné- ralement inférieure à 0.3 %, ayant quelque peu l'apparence d'un sable grossier ou d' agrégats de sable. Il est évident qu'un pareil produit est beaucoup plus attrayant au point de vue commercial que la substance solidifiée fondue qui est si difficile à manipuler.
Selon le genre de procédé utilisé, la densité apparente du produit solide peut varier èntre 0. 4. et 1.3 gm/cc. Quand on effectue l'é- vaporation en pulvérisant ou répandant la solution en pluie dans une tour dans laquelle on a fait le vide, l'évaporation a lieu par désagrégation rapide des gouttes répandues et formation consécutive de granules creux ou poreux dont la densité d'empaquetage se trouve @
<Desc/Clms Page number 15>
comprise entre 0.3 et 0.8 et généralement entre 0. 4 et 0.6 gm/cc;
Pour les usages industriels et domestiques, une faible densité est souvent une caractéristique .attrayante, surtout avec une substance fortement active comme la soude caustique, et ceci simplifie l'a- joute volumétrique de petites quantités de la substance dans les opérations où l'on utilise la .soude caustique. Quand on répand la liqueur en pluie dans une tour en contre-courant d'un flux ascen- dant d'air chaud ou très chaud, les granules obtenus de cette ma- nière possèdent approximativement le-calibre du''sable et leur den- sité d'empaquetage est généralement de 0.7-0.9 gm/cc.
Quand on exécute le procède dans une granuleuse en contact avec l'air, le produit se trouve sous forme de granules sans poussière, qui peu- vent même dépasser.2 mm. en diamètre, et la densité apparente est de 0.9-1.5 et généralement de 1.1-1.3 gm/cc. environ. Tous ces produits sont nouveaux en soi et utiles. Il se manipulent, se mesurent et se dissolvent tous plus aisément que le produit com- mercial ordinaire.
On remarquera que le présent procédé ne'consiste pas sim- plement en une.évaporation sous pression réduite à température fixe par un chauffage continu. Il consiste dans l'utilisation de solutions de température et de concentration appropriées, solu- tions que l'on obtient par évaporation, sous pression réduite si on le désire, et à soumettre ces solutions à une réduction appro- priée sous une pression partielle de vapeur d'eau.
La simple con- tinuation de l'évaporation sous la pression partielle utilisée pour préparer la liqueur de départ nécessaire ne ferait pas que la dessiccation de la solution se produise à la manière de la pré- sente invention sans l'apport simultané d'environ 100 tonne-calori- es par tonne de soude caustique, quantité qui est fondtion de la température et de la pression utilisées, dans des conditions dif- ficiles de transmission de chaleur à une masse boueuse et ensuite à un solide apparemment sec.
Suivant l'invention, on règle les conditions et on réduit ensuite la pression partielle de manière que l'apport de chaleur, s'il y en a, ne dépasse pas 80 tonne- @
<Desc/Clms Page number 16>
calories, et la plus grande parti-- de la chaleur est transmise, comme cela doit se faire, à un liquide dans de bonnes conditions de transfert de chaleur, ce qui réduit le consommation de chaleur et aussi la durée de l'opération. On peut évidemment exécuter le procédé de façon discontinue par fournées, mais il est préférable, industriellement, de l'exécuter en continu, par exemple, dans un appareil du type creeper mixer.- Le procédé offre 1 avantage de s' exécuter à une température relativement basse, et par conséquent l'attaque des matériaux constitutifs des appareils est moindre.
Par exemple, on peut utiliser pour la construction des appareils de l'acier doux si l'on tolère une légère coloration du produit par rapport au blanc pur. La fonte est également très satisfaisan- te. Si l'on exige un produit d'un blanc pur, on peut utiliser des récipients doublés d'argent ou des récipients en nickel. En outre, on peut aisément éviter l'attaque des récipients au cours du pré- sent procédé en produisant sur la surface du récipient et sur tous les agitateurs et autres parties métalliques une mince couche pro- tectrice. Cette mince couche protectrice peut être aisément déposée à partir de la solution utilisée dans le procédé en remplissant les récipients de cette solution et en provoquant un léger refroidisse- ment.
La couche protectrice ainsi formée est adhérente et permet la fabrication de soude caustique blanche.
Les exemples suivants illustrent l'invention sans la limiter.
Exemple 1.
L'appareillage utilisé dans cet exemple consiste en une tour verticale de 3 pieds (90 cm) de diamètre et de 15 pieds (4,50 m) de haut, équipée dans le bas d'un plateau que l'on peut vider par une porte, et au sommet d'un ajutage de pulvérisation alimenté depuis un réservoir par l'intermédiaire d'une valve de réglage. A part cela,la tour est vide, est fermée à l'atmosphère et est reliée à une pompe à vide par l'intermédiaire d'un conden- -seur. En marche, la pression absolue à l'intérieur de la tour est 'duite à 5 livres par pouce carré (0,35 Kg/cm2) à l'aide de la @
<Desc/Clms Page number 17>
pompe à vide.
Le réservoir est rempli d'une liqueur contenant 89.5 % de NaOH, 10 % d'eau et 0.5 % de diverses impuretés comprenant du Na2CO3 et du NaGl. On ouvre ensuite la valve de réglage de manière à donner accès à la liqueur à une vitesse de 200 litres par heure.
On peut observer la liqueur à travers des regards pratiquas dans les parois de la tour et on la voit surgir de l'ajutage de pulvé- risation sous forme d'une multitude de gouttelettes. A mesure que ces gouttelettes tombent dans la tour elles se solidifient et se rassemblent sur le plateau comme de la neige qui tombe. Quand le plateau est rempli, on ferme la valve d'alimentation de liqueur, on relâche le vide, on vide le plateau dans un récipient et on re- commence l'opération. Le produit ainsinobtenu est beaucoup trop chaud pour le manier à la main quand on le retire de la tour, et, quand il est froid, on constate qu'il contient seulement 0.2 % d' eau. Il présente une densité apparente de 0. 4 à 0. 5 grammes par ce.
Au microscope on peut remarquer que la structure du solide est ébréchée et déchiquetée.
L'opération décrite ci-dessus est un procède discontinu et on le rend continu en lui adjoignant un dispositif pour l'enlè- vement continu du produit. Un tel dispositif est constitué par une pompe d'extrusion chauffée électriquement, qui débite d'une maniè- re continue,une masse cristalline partiellement fondue. Un autre système comprend la fusion du produit sur le plateau et le pompage de la soude caustique fondue.
Il est à remarquer que dans le présent exemple l'.évapo- ration est réalisée sans aucune application de chaleur quelle qu' elle soit, sous un vide industriellement réalisable, sans chute nuisible de la température, tandis que 1*on peut obtenir le pro- duit anhydre directement sans centrifugation ou autre moyen de séparer une liqueur mère. En outre, le temps que nécessite l'opé- ration est simplement la durée de chute sur 4,50 m, soit environ 1 à 3 secondes.
Exemple 2.
Dans cet exemple, l'appareillage consiste en une tour ver-
<Desc/Clms Page number 18>
ticale de 5 pieds (1,50 m) de diamètre et de 30 pieds (9 m) de haut, équipée dans le bas d'un transporteur à courroie permettant de déplacer,le produit,et au sommet d'ajutages de pulvérisation permettant l'introduction de la liqueur sous forme de fines gout- telettes, un tuyau d'entrée près du pied pour l'introduction d'air chaud et une sortie au sommet pour éliminer l'air chargé d'humidi- té. Les ajutages de pulvérisation sont alimentés par un réservoir à l'aide d'une pompe. Le réservoir est rempli d'une liqueur con- tenant 92 % de NaOH, 7,5 % d'eau et le reste est constitué par des impuretés principalement du NaCl et du Na2CO3.
On maintient cette liqueur à 280"C. et on la pompe dans la tour à travers les ajuta- ges de pulvérisation à raison de 250 litres par heure. En même temps, on injecte de l'air dans le bas de la tour à 250 C. et à raison de 150 m3 par heure, et on l'évacue par le sommet en même temps que la vapeur d'eau émise. La soude caustique granuleuse, brûlante, se rassemble sur le transporteur à courroie, on la re- tire et on l'emballe. Elle présente une densité apparente de 0.8 grammes par cc., et sa teneur en eau est de 0.6 % en poids.
Exemple 3.
Le présent exemple illustre le séchage d'une liqueur à partir de cristaux de soude caustique- On obtient les cristaux par cristallisation suivant le procédé connu, on les centrifuge' et ils contiennent 3 % d'eau. On introduit ces cristaux dans un tube incliné à: 10 sur l'horizontale et tournant à 50 tours par minute.
On envoie à travers le tube un faible courant d'air chaud, et on chauffe le tube de manière à maintenir les cristaux à 250 -280 C.
Chauffé dans ces conditions pendant une demi-heure, le produit quittant le tube ne contient que 0.1 % d'eau. A titre de compa- raison, si on traite la même substance dans le même appareillage à une température plus élevée ou plus faible, une durée sensible- ment plus longue ou un courant d'air chaud plus fort est nécessai- re pour réaliser le même séchage. Par exemple, à 310 C. ou à 150"C plusieurs heures sont nécessaires, toutes autres conditions-étant similaires.
<Desc/Clms Page number 19>
Exemple 4.
L'appareil consiste en une auge inclinée large de .2 pieds (60 cm) et profonde d'autant, munie d'un mélangeur tournant à pa- lettes et modérément chauffée par 1-',extérieur sur toute sa longaeur de 12 pieds (1,20 m). La liqueur utilisée contient 87 % de NaOH et 13 % d'eau et on l'emploie à une température de 220 -270 C. On laisse circuler l'air librement au-dessus de 1.1,auge,ouverte,. le chauffage de celle-ci étant nécessaire pour compenser les pertes de chaleur dans l'air. L'auge est sensiblement remplie de soude caustique solide en granules (environ 500 Kg), et on introduit ensuite la liqueur par l'extrémité d'alimentation de l'auge d'une manière continue à une vitesse de;8 m3 par heure.
Ceci provoque la formation d'un brouet pâteux au point où l'on amène la liqueur. et le contenu de l'auge varie de ce brouet jusqu'au solide anhy- dre meuble fluant librement à 1'extrémité de décharge, en passant par un solide humide et un solide qui semble sec. La soude caus- tique solide sèche, sous une forme qui ressemble à du sable gros- sier ou à des agrégats de sable sort ensuite par l'extrémité de sortie de l'auge. Elle contient 0.1 % d'eau, présente une densité apparente de 1 à 1.1 gtammes par cc-, elle flue librement et est exempte de poudre.
Exemple 5.
L'appareillage consiste en un tambour poli de=2 pieds ( 60 cm) de large et de 6 pieds, (1.80 m) de diamètre, tournant lentement autour d'un axe horizontal avec la partie inférieure immergée à une profondeur de 6 pouces (15 cm) dans un bain de liqueur. Le bain contient une liqueur à 89 % de NàOH . 280 C. Le tambour tourne à raison d'un tour par minute, et ramasse une mince couche de solution sur la surface qui sort de la solution. A me- sure que la solution est exposée à l'atmosphère sur le tambour tournant, l'eau s'évapore en laissant une couche de soude caus- tique solide anhydre, qui est enlevée par raclage sous forme de paillettes sur la partie descendante du tambour.
<Desc/Clms Page number 20>
Exemple, 6.
Cet exemple illustre un procédé discontinu. L'appareil con- siste en une cuve ouverte pourvue d'une agitation, chauffée exté- rieurement par de l'huile à 270 C. et remplie à moitié de liqueur à 89 % de NaOH. Au cours de ce chauffage et de l'agitation, la li- queur s'épaissit, ce qui est dû à une perte de vapeur d'eau dans l'air qui circule librement au-dessus de la cuve. Elle devient d' abord un brouet, puis un solide humide, qui sèche progressivement et s'émiette. Finalement on obtient un solide granuleux sec fluant librement dont les particules ont un calibre compris entre 0,2 et 0,5 mm, principalement, qui est de la soude caustique anhydre con- tenant 0.1 % d'eau. Le temps qu'exige cette opération est de l' ordre d'une heure.
A titre de comparaison, le procédé conventionnel d'évaporation dans une cuve pour obtenir de la soude caustique fondue comprend l'utilisation d'un agent de chauffage à une tempé- rature beaucoup plus élevée par exemple, des gaz de carneau à 900 C., et prend 6 heures, toutes autres conditions semblables, du fait de la grande quantité de chaleur.nécessaire.
REVENDICATIONS.
1.- Procédé de fabrication de soude caustique solide anhydre à partir d'une solution,caractérisé en ce qu'on porte à une température comprise entre,200 et 300 C., une solution aqueu- se de soude caustique fortement concentrée, on fait en sorte d' avoir une grande étendue de surface de la liqueur et une basse pression partielle de vapeur d'eau de manière à faciliter la vapo- risation de l'eau, et on laisse la vaporisation s'effectuer en substance adiabatiquement pour produire une soude causitque solide anhydre.