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PROCEDE POUR LA FABRICATION DE LA CARBOXYMETHYLCELLULOSE.
La présente invention concerne un procédé pour la fabricat ion d'un éther de cellulose, plus connu sous l'appellation courante de
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"carboxyrr.éthylcellulcse". Dans la littérature aussi bien que dans les brevets antérieurs, un éther de cellulose de ce genre a été désigné comme acide celluloso-glycolique ou, dans le cas de son sel de sodium, soluble dans l'eau, comme celluloso-glycolate de sodium.
Le celluloso-glycolate de sodium, ou la carboxyméthylcellulose de sodium, est un composé chimique d'une importance et d'une utilité industrielles capitales. Ce composé se prête à de nombreuses utili- sations et applications industrielles, telles que son incorporation à des produits de forage, son utilisation comme agent d'épaississe- ment ou de dispersion dans la fabrication de produits cosmétiques et de peintures, son utilisation couine addition aux produits alimen- taires, son incorporation aux savons et détersifs comme accélérateur de détersion, etc...
Il en est résulté une demande importante et croissante de
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carboxyu,éthyleellulose. Par suite du prix relativement élevé et du procédé jusqu'ici relativement long pour la fabrication de ce produit il n'a pas été possible de satisfaire à toutes les demandes. Le but général de la présente invention est donc de créer un procédé pour
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la fabrication de la carboxyméthyl cellulose , ou d celluloso-glyco-
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late de sodium, procédé dont la durée est réduite à une fraction de celle des procédés connus. Un autre but est de rendre la réaction du procédé extrêmement efficace de façon que la quantité de matière non entrée en réaction du produit final soit sensiblement égale à celle qu'on retrouve dans un produit obtenu par un procédé de trem- page.
Un autre but est de porter le taux de substitution de l'éther de cellulose à une proportion inusitée du taux de substitution théo- rique. Un autre but est de réaliser un procédé n'exigeant qu'une ins- tallation relativement peu coûteuse et fonctionnant également à peu de frais. Enfin, un dernier but est de créer un procédé se prêtant facilement à la fabrication continue.
Certains procédés antérieurement connus pour la fabrication de la carboxyméthylcellulose exigent le trempage de la matière cellulo- sique de départ dans un réactif liquide. Par exemple, d'après les indications du Brevet anglais n 138. 116, il est nécessaire d'amener d'abord la cellulose à l'état de cellulose sodique. Après l'élimi- nation ou l'essorage de l'excès de soude caustique, cette cellulose sodique est éthérifiée avec de l'acide monochloracétique ou du chlo- racétate de sodium. Le brevet américain n 2.131 733¯¯ décrit un pro- cédé dans lequel on trempe la cellulose en feuilles dans une solution de chloracétate de sodium, après quoi on élimine par compression l'excès de la solution contenu dans les feuilles, tandis que celles- ci sont ensuite soumises à un traitement avec de la soude caustique,.
Dans le procédé que décrit le brevet américain n* 2.278.612, on trai- te d'abord une bande continue en fibres courtes et dures de coton dans un bain d'acide chloracétique, on élimine l'excès d'acide par compression, et/on fait passer la bande dans un bain de soude causti- que, pour la déchiqueter ensuite et la laisser reposer pendant plu- sieurs heures en vue de la réaction d'éthérification. Tous ces pro- cédés antérieurs exigent des presses de trempage relativement coûteu- ses, des cuves de réaction et d'autres installations. Les temps de réaction sont disproportionnés. Par exemple, le procédé que décrit le brevet anglais 138.116 doit être étendu sur une durée d'au moins 38 heures, tandis que le procédé indiqué par le brevet américain
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n 2.131.733 exige 23 heures.
On a bien déjà essayé d'utiliser la cellulose sous des formes diverses, par exemple sous la forme de feuilles de la manière précé- demment indiquée. On a également utilisé des paillettes ou des "graine de cellulose d'une grosseur de 1,6 à 12 mm (brevet américain 2.067.946) et même de la cellulose "duvetée" (page 1, col. 1, lignes 36-41 du brevet américain 2.067.946). Mais Il n'a pas été possible d'éviter les obstacles constitués par les dépenses élevées de fonctionnement et d'installation, et par les temps de réaction prolongés,
Dans le procédé fondé sur le principe de la présente invention, on réalise au contraire une réaction d'éthérification hautement effi- cace. On élimine le trempage de la cellulose dans les réactifs liqui- des, qui exige une installation et des machines coûteuses.
On évite également la nécessité de la manutention de grandes quantités excéden- taires de réactifs liquides. Le procédé suivant l'invention assure une réaction d'éthérification parfaite et complète dans une période de 3 à 8 heures, ce qui représents une accélération de trois à huit fois celle des procédés connus. De plus, le taux de substitution de l'aci- de glycolique ou du radical de glycolate de sodium dans l'éther de cellulose est élevé. De cette manière, on ne sacrifie pas la réaction parfaite et efficace pour accélérer le procédé. Celui-ci peut être mis en oeuvre dans une installation relativement peu coûteuse et légè- re. Enfin, le procédé suivant l'invention se prête facilement à la mise en oeuvre continue.
En quelques mots, le procédé suivant l'invention comprend en premier lieu l'utilisation d'une cellulose pulvérisée par broyage (appelée cellulose "floculeuse), dont les grains sont plus fins que le tamis n 40, c'est-è.-dire qu'ils sont capables de traverser ce tamis, et dont la densité apparente est au moins de 0,8 kg/dm3. On soumet cette cellulose broyée, avec les réactifs liquides, en l'espèce la solution de soude caustique et la solution d'acide chloracétique (ou de chloracétate de sodium), à un malaxage mécanique jusqu'à ce que la réaction chimique soit complètement achevée. On ajoute de pré- férence les réactifs liquides successivement, mais l'ordre de leur incorporation importe peu. On peut d'abord introduire la soude caus-
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tique et ensuite l'acide, ou inversement.
D'un bout à l'autre du malaxa ge et de la réaction du procédé la cellulose pulvérisée et les réactifs ajoutés doivent être agités dans un agitateur mécanique de construction simple, en l'espèce dans un tambour rotatif et oscillant, qui agite les mat ière s. On peut également utiliser un malaxeur équivalent pour matiè- res solides, par exemple un pétrin ou un mélangeur à bras en "sigma".
Le mélange de la cellulose et des autres réactifs, ainsi que la réaction de l'éthérification, peuvent avoir lieu entièrement dans le tambour de malaxage, qui constitue alors l'unique appareil néce ssa ire.
On a trouvé que la limite de la grosseur des particules de la cellulose broyée, qui peut être utilisée avec succès dans le procédé suivant l'invention, est parfaitement définie, Lorsque la cellulose est amenée en contact avec une solution d'un alcali caustique, les fi- bres ou particules de la cellulose ont tendance à gonfler et empêchent ainsi la/pén0tration des réactifs liquides à l'intérieur de la masse de la cellulose, ce qui contrarie le déroulement de la réaction, Cet effet se présente particulièrement dans le cas de la cellulose en feuilles, et même avec de la cellulose dite "granulée", qui est une feuille de cellulose fragmentée en paillettes, et peut donc être considérée comme une cellulose broyée à grosses particules, c'est-à-dire d'une grosseur supérieure à celle passant par le tamis n* 16.
La cellulose "duvetée", qui est constituée par des fibres non broyées formant un duvet d'une densité apparente extrêmement faible (0,15 à 0,30 kg/dm3) , se met " en paquet " lorsqu'elle est mouillée par le réactif liquide et soumise au malaxage.
Dans les procédés connus, l'utilisation d'excès de réactifs li- quides, en l'espèce de la soude caustique, provient incontestablement du gonflement précité des agglomérats de cellulose. Dans le procédé suivant l'invention, par contre, les particules séparées de cellulose ont une grosseur telle qu'elles puissent être parfaitement mouillées et qu'elles soient capables de réagir avec les réactifs liquides dans toute la masse de la cellulose. Dans ces conditions, il suffit d'uti- liser les proportions de soude caustique, par exemple, correspondant à l'équivalence chimique.
On a pu établir que, pour le procédé suivant l'invention, la
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grosseur des particules de la cellulose broyée est limitée par un maximum de grains passant par le tamis n 40. Ce maximum de la gros- seur des particules est critique.
Pour la mise an oeuvre du procédé, on peut également utiliser une solution de chloracétate de sodium comme réactif préparé d'avance, mais il est préférable que la formation du chloraoétate de sodium ait lieu au sein de la masse de réaction. A cet effet, on peut dis- tribuer de l'acide chloracétique dilué sur le mélange de réaction com- solide posé de cellulose et de NaOH, ou ajouter du carbonate de sodium/et sec (dit "cendre de soude légère") à la cellulose et distribuer ensu i- te une solution d'acide chloracétique sur la solution, Enfin, on peut également inverser l'ordre d'addition et distribuer d'abord la solu- tion d'acide chloracétique pour ajouter ensuite le carbonate de sodium solide et sec.
Le procédé suivant l'invention présente également l'avantage de permettre l'utilisation de solutions de réactifs relativement for- tes ou relativement concentrées, ce qui supprime la nécessité de la manutention et de l'extraction de l'eau en excès. On a trouvé qu'il est préférable d'utiliser une solution de soude caustique d'une con- centration de 50 % environ, et des solutions d'acide chloracétique d'une concentration d'au moins 50 %. Les solutions d'acides chlora- cétique d'une concentration de l'ordre de 80 % agissent parfaitement dans le procédé suivant l'invention.
Le dessin annexé représente schématiquement la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention, plus particulièrement pour le fonc- tionnement continu. Les exemples ci-après indiqueront en détail de quelle manière on peut appliquer le procédé.
Exemple de comparaison.
Pour mieux faire ressortir l'efficacité inusitée du procédé suivant l'invention, on prépare la carboxyméthylcellulose de sodium de la manière suivante, d'après l'exemple 1 du brevet américain n 2.131.733 :
On utilise de la cellulose de bois en feuilles (pulpe sulfitée "St-Regis Rauma blanchie"). On trempe 500 gr. pendant 2 heures dans
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une solution de monochloracétate de sodium, préparée avec 1.125 gr. da'acide monochloracétique, 1. 000 gr. de bicarbonate de sodium, et 2. 125 gr. d'eau distillée. La concentration de la solution d'acide chloracétique est alors de l'ordre de 34 % en poids, et la solution de chloracétate de sodium est calculée pour atteindre 37 % environ.
Après le trempage, on presse la cellulose pour chasser l'excès de solution jusqu'à un poids de 1. 375 gr. On introduit les feuilles de cellulose pressées dans une déchiqueteuse, dans laquelle elles sont déchiquetées pendant une heure. On ajoute à la cellulose déchiquetée une solution de soude caustique (NaOH à 44 %) préparée par mélange de 331 gr. de NaOH anhydre avec 419 gr. d'eau distillée, et on soumet le mélange à l'action de la déchiqueteuse pendant une période supplé- mentaire de 20 heures. On introduit le produit résultant dans un four chauffé à 80 C, dans lequel on le laisse séjourner pendant une heure et demie en vue d'un séchage convenable.
Les quantités en grammes précitées des différents éléments cor- respondent mathématiquement aux proportions indiquées en parties en poids dans/l'exemple 1 du brevet américain n* 2.131.733.
L'analyse montre que la carboxyméthylcellulose de sodium résul- tant de ce procédé confient (en moyenne) 6,7 % en poids d'éléments insolubles (secs) et présente un taux de substitution de 0,2. Ce taux de substitution est donc de l'ordre de 20 % environ du taux de substi- tution théorique égal à1,0, ou de "1 gramme-mol, d'agent d'alcoylation par gramme-mol, d'une unité de glucose de la cellulose", par rapport au procédé décrit dans le brevet précité.
On obtient les résultats de cette analyse en procédant de la manière suivante :
Teneur en éléments insolubles dans l'eau.
Procédé d'analyse,
On pèse 5.000 gr. de carboxyméthylcellulose de sodium dans un gobelet de 600 ce et on ajoute environ 400 ce d'eau. On chauffe à peu près au point d'ébullition (80-95 C) tout en agitant avec un agitateur électrique jusqu'à ce que la carboxyméthylcellulose de sodium soit
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complètement dispersée, et que tous les éléments solubles soient dis- sous (en général, 2 heures d'agitation suffisent). On refroidit, on transvase dans un ballon de 500 cc, on rince le gobelet avec de l'eau distillée, on remplit jusqu'au trait avec de l'eau distillée, on mélan- ge soigneusement, et on laisse reposer pendant une nuit ou jusqu'à ce que les éléments insolubles se soient déposés sur le fond et que la liqueur surnageante soit parfaitement claire.
On prélève à la pipette 50 ce de liquide clair qu'on introduit dans un flacon bouché et taré. On retire le bouchon, on fait évaporer l'eau dans un bain de vapeur, on place dans un four et on sèche à 110 C jusqu'à obtention d'un poids constant, on replace le bouchon sur le flacon encore dans le four, on retire ce flacon, on le refroidit dans un de ssiccateur et on pèse.
Eléments insolibles (en % à sec) - (W-M- 10 S) x 100
W x (100 %- % H20) W'- Poids de la carboxyméthylcellulose de sodium.
M = Humidité en grammes.
S-= Poids de la matière dissoute dans 50 cet
Taux de substitution.
Procédé d'analyse.
On pèse 2.000 à 3.000 gr. de carboxyméthylcellulose de sodium dans un ballon d'Erlenmeyer (ballon conique à fond plat) à large ou- verture de 250 oc, on ajoute 50 ce d'une solution de méthanol dans l'acide nitrique (100 ce de NHO3 à 70 % dans 1 litre de méthanol anhy- dre), on bouche et on agite pendant 3 heures. On filtre à travers une cuvette en verre filtrant tarée (porosité Ace "A" ou similaire), ou à travers une cuvette en porcelaine à fond perforé recouvert d'une min- ce couche de fibres d'amiante. On verse la carboxyméthylcellulose de sodium quantitativement sur le filtre et on élimine l'acide par aspiration. On lave avec 200 ce de méthanol à 70 % sans laisser la nappe filtrante à sec.
(On peut introduire le méthanol dans un enton- noir fixé à la cuvette par un bouchon perforé en caoutchouc, avec un joint étanche, et on peut régler le robinet de façon que le méthanol
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s'égoutte lentement à travers le filtre).
Après l'addition de la totalité du méthanol, on élimine l'excé- dent par aspiration, on ajoute 20 cc de méthanol à 70 %, et on aspire de nouveau à sec. On titre le filtrat jusqu'à la neutralisation avec un indicateur rouge de méthyle. S¯'il est encore acide, on prolonge le lavage jusqu'à la neutralisation, et on élimine le liquide de lava- ge par aspiration. On lave trois fois avec du méthanol anhydre, on élimine le méthanol par aspiration, on sèche dans un four à 100 C, et on refroidit dans un dessiccateur.
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On transvase quantitativement dans un ballon d'Erlenmeyer de 500 ce, on humecte la carboxyméthylcellulose de sodium avec 15 ce de méthanol à '(0 %, on ajoute 200 ce d'eau distillée et 50 ce d'une solu- tion de NaOH normalisée de 0,5 N (N = concentration normale), exacte- ment dosée avec une burette. On bouche et on agite pendant 3 à 5 heu- res. On titre avec de l'acide chlorhydrique de 0,5 N en utilisant comme indicateur la phénolphtaléine.
(ce NaOH x N) (ce NC1 x N) A
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poids de la carboxyriéthylcallulose de sodium - 0 162 A ¯ = 'laux de substitution
1 - 0,058 A Exemple 1.-
On a utilisé une cellulose de bois pulvérisée ou broyée, vendue dans le commerce sous l'appellation commerciale de "BW, - 40 Solka Floc", d'une grosseur de particules correspondant aux tamis n 40-300, et d'une densité apparente de 1,12 kg/dm3, qu'on a introduite, en une quantité de 1.400 gr. , dans un tambour malaxeur rotatif d'un diamètre de 525 mm et d'une longueur de 300 mm.
Une analyse de tamisage de cette cellulose broyée ou pulvérisée a donné les indications suivantes :
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<tb> Tamis <SEP> N <SEP> Proportions
<tb> (Normes <SEP> américaines). <SEP> retenues <SEP> en <SEP> %.
<tb>
<tb>
<tb>
40 <SEP> 0,4
<tb> 60 <SEP> 14,2
<tb> 80 <SEP> 22,6
<tb> 100 <SEP> 8 <SEP> ,0 <SEP>
<tb> 200 <SEP> 25,0
<tb> au-delà
<tb> de..... <SEP> 200 <SEP> -29,8% <SEP> 29,8
<tb>
<tb> Total <SEP> 100,0
<tb>
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#####################################¯
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On voit que la majeure partie (54,8%) de cette cellulose est plus fine que le tamis n 100.
Après l'introduction de cette cellulose pulvérisée dans le tambour malaxeur, on a distribué dans ce tambour et sur la cellulose sèche 1.770 gr. d'une solution d'acide monochloraoétique d'une concen- tration de 48,8 %, pendant une période de 16 minutes. Cette quantité d'acide monochloracétique correspond à 1,07 gramme-mol, par gramme-mol* d'une unité de glucose de la cellulose. On a prolongé le malaxage pendant 1 heure, et on a ajouté pendant une période de 10 minutes 480 gr. de carbonate de sodium anhydre (équivalent stoéchiométrique de l'acide chloracétique présent) sous la forme de "cendre de soude légè- re". On a prolongé le malaxage de ce mélange pendant une période de 1 heure et demie.
Pendant 56 minutes, on a distribué sur le mélange malaxé une solution de soude caustique d'une concentration de 50 % de NaOH en poids, en une quantité de 1.001 gr.
1 heure et 34 minutes après la fin de la distribution de la soude caustique, on a ajouté au mélange de réaction 510 gr. de bicar- bonate de sodium, c'est-à-dire une quantité suffisante pour neutrali- ser l'excédent de soude caust ique. On a prolongé le malaxage pendant une période supplémentaire de 2 heures. Après séchage du produit de carboxyméthylcellulose dans un four, on a obtenu 3.050 gr. Ceci re- présente un rendement de 65,5 % de uarboxyméthyloellulose sèche, cal- culé sur le poids de la masse totale de départ (y compris l'eau) uti- lisée dans le procédé. La durée totale du procédé s'étendait donc sur 7 heures et 26 minute s.
Après analyse, on a trouvé que le produit de carboxyméthylcel- lulose contenait 8,4% en poids de matières insolubles, et présentait un taux de substitution de 0,72. Le taux de subatitution théorique, d'après la totalité de l'acide chloracétique utilisé dans le procédé par gramme-mol, de glucose de la cellulose, est de 1,07. Le taux de substitution réel atteignait donc 67% du taux de substitution qu'il est possible d'obtenir théoriquement.
Exemple 2. -
On a utilisé 13,6 kg. de la cellulose pulvérisée employée dans l'exemple 1, qu'on a introduite avec 4,76 kg. de cendre légère de
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soude dans un tambour rotatif d'un diamètre de 1. 200 mm, entraîné en rotation avec une vitesse de 16 tours-minute; on a malaxé le mélange pendant une période de 1 heure. On a distribué dans le tambour tour- nant, pendant une période de 25 minutes, une solution d'acide monochlo- racétique d'une concentration de 48,8 %, en une quantité de 17,3 kg., qui est l'équivalent stoéchiométrique du carbonate de sodium.présent.
On a prolongé le malaxage du mélange de cellulose et de monochloracé- tate de sodium pendant 1 heure, et on a distribué sur le mélange de réaction une solution de soude caustique d'une concentration de 46,8 % en une quantité de 8,43 kg. Cette distribution de la soude caustique a été étendue sur une période de 20 minutes. Après l'addition de la soude caustique, on a prolongé le malaxage pendant une période de , 30 minutes, et on a évacué la carboxyméthylcellulose du tambour. La du- rée totale du procédé a donc été de 3 heures et 15 minutes.
On a séché le produit dans un four à une température de 30*0.
On a préparé deux charges supplémentaires en procédant de la manière précédemment décrite, et on a mélangé les produits de carboxy- méthylcellulose des trois opérations pour obtenir un mélange moyen.
Après analyse, on a trouvé que le mélange moyen contenait 11,9% de matières insolubles, et présentait un taux de substitution de 0,8, ce qui représente 75% du taux de substitution qu'on peut obtenir théo- riquement.
Exemple 3.-
On a utilisé la même cellulose pulvérisée que dans les exemples 1 et 2. On a introduit 1. 260 gr. dans le/tambour également utilisé dans l'exemple 1. Sur la cellulose malaxée, on a distribué pendant une demi-heure 1. 800 gr. d'une solution de soude caustique d'une con- centration de 27%. On a prolongé le malaxage pendant 2 heures et demie et on a distribué dans le tambour 1. 026 gr. de chloracétate de sodium d'une concentration de 94,5%. On a prolongé le malaxage, pendant deux autres heures y compris la durée pour l'addition de la solution de chloracétate de sodium, et on a ajouté ensuite 459 gr. de bicarbonate de sodium sec. On a prolongé le malaxage pendant une période finale de 2 heures. La durée totale du procédé a donc été de 7 heures.
On
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a évacue le produit de réaction du tambour de malaxage et on l'a séché dans un four à une température de 65 C. L'analyse du produit ainsi obtenu indiquait,que ce produit était l'équivalent de celui obtenu dans l'exemple 1.
Les procédés des exemples 1 à 3, ainsi que le procédé continu qui sera décrit ci-après, peuvent aussi bien servir au traitement d'une cellulose broyée floculeuse à grains plus fins, dont voici un exemple de tamisage :
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<tb> Tamis <SEP> N <SEP> Proportions <SEP> retenues <SEP> Proportions <SEP> re-
<tb>
<tb>
<tb> (normes <SEP> américaines) <SEP> "BW-100" <SEP> en <SEP> % <SEP> tenues"BW-200"
<tb>
<tb>
<tb> en <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 100 <SEP> 11;
0 <SEP> 0,5
<tb>
<tb>
<tb> 150 <SEP> 16,5 <SEP> 5,5
<tb>
<tb>
<tb> 200 <SEP> 13,0 <SEP> 12,5
<tb>
<tb>
<tb> 325 <SEP> 12,5 <SEP> 36,0
<tb>
<tb>
<tb> Au <SEP> delà <SEP> de <SEP> 325 <SEP> 47,0 <SEP> 45,5
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Tot. <SEP> 100,0 <SEP> Tot.100.0
<tb>
On voit que, dans .les deux analyses de tamisage indiquées, la majeure partie de la cellulose est constituée par des particules plus fines que le tamis n 100, respectivement dans des proportions de 89 et de 99,5 %.
Procédé continu.
Les exemples 1 à 3 concernent un procédé de mise en oeuvre psr charges successives. Pour la/mise en oeuvre continue du procédé, on introduit la cellulose pulvérisée, à particules de -40, dans un trans- porteur à vis, qui l'introduit à son tour par l'orifice d'admission d'un tambour de réaction rotatif allongé. La vitesse de rotation/et l'angle d'inclinaison de ce tambour, ainsi que sa longueur, sont choi- sis de façon que le parcours de la cellulose (à la fois avant et après la réaction, et pour une quantité déterminée) d'un bout à l'autre du tambour s'étende sur une période de 3 à 5 heures environ.
Dans ce cas, la solution de soude caustique d'une concentration de 50% est distribuée par un distributeur à proximité de l'orifice d'entrée du tambour. La solution d'acide monochloracét i que d'une con- centration de 80 % environ est ensuite distribuée sur le mélange de
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réaction par un distributeur 5, qui est placé à peu près au milieu de la longueur du tambour 3.
Le produit de carboxyméthylcellulose est continuellement évacué par l'orifice de sortie 6 du tambour 3. Ce produit peut par- faitement servir à l'état humide, tel qu'il sort du tambour. Dans certains cas (par exemple lorsqu'il doit être préparé avec des so- lutions), il est préférable qu'il soit déshydraté. Mais pour obtenir un produit déshydraté, en peut faire passer le produit humide direc- tement de l'orifice de sortie b dans un sécheur séparé non repré- senté), par exemple un four de séchage, ou un sécheur à action instantanée.
Un produit pris à titre d'exemple (par séchage instantané) dans le procédé continu qui vient d'être décrit, et analysé, révèle une teneur moyenne en matières insolubles de 5,5 % à sec. Coproduit est constitué par des échantillons pris sur plusieurs milliers de kilogrammes de production. On trouve un taux de substitution de O,b et plus, représentant au moins 50% du taux théoriquement réali- sable. La vitesse d'introduction de la matière de départ et des ré- actifs est réglée pour l'obtention d'un taux de substitution théori- que de 1,2.