Brevet FR2210571A1 — publié le 19740712

La présente invention a pour objet un procédé de fabrication d'anhydride de sulfate de sodium cristallin et/ou de sel de Glauber à partir d'une solution de sulfate de sodium, par évaporation de cette solution.t'invention porte également sur un dispositif pour la réalisation de ce procédé. En fabriquant de 1'anhydride de sulfate de sodium cristallisé (sulfate de sodium neutre) on se heurte à des problèmes considérables dûs à l'allure particulière de sa courbe de saturation par rapport à sa courbe de solubilité. Dans la gamme de température qui correspond à celles qui sont usuelles pour les procédés de cristallisation par évaporation, on trouve entre 720C et environ 12000 une solubilité décroissante avec l'élévation de la température, c'est-à-dire une solubilité invertie, constante à environ 12000 et qui se transforme au-dessous de 3200 brusquement en une solubilité positive. Il est bien connu qu'on rencontre des difficultés lorsqu'on cristallise par évaporation une solution dans la gamme de température où sa courbe de solubilité est négative, parce que la déformation des cristaux est provoquée déjà lors du réchauffement de la solution, donc dans le corps de chauffe, ce qui favorise la rapide formation d' incrustations à la surface où 1'échange de chaleur a lieu. Un procédé connu consiste à éviter l'utilisation de surfaces Schnngeuses de chaleur matérielles, en opérant l'échange de chaleur directement à l'aide d'une flamme de brûleur en appliquant le procédé au brûleur plongeant.Forcément, ce procédé ne peut être réalisé qu'à un seul étage et de plus, il faut employer exclusivement des combustibles de haute pureté pour éviter la pollution du produit. En outre, le milieu composé de gaz combustible et d'eau saline est très agressif et exige l'emploi de matériaux de construction d'une très haute résistance. D'autres procédés connus évitent ces inconvénients en portant le processus de cristallisation dans une gamme de température où la solubilité est positive. Dans la gamme de température au-dessus de 12000, ce procédé n'est applicable que dans la mesure où l'on dispose, pour le chauffage , de vapeur ayant une température de saturation appropriée, ctest-à-dire d'au moins 13000 ou d'une pression de 3 k/cm2. Et là encore il n'est pas possible d'opérer l'évaporation dans de bonnes conditions économiques en plusieurs étages montés en série. De plus la température de régime élevée exige l'emploi de matériaux de construction coûteux pour résister à une corrosion plus accentuée. Lorsqu'on réalise le procédé de cristallisation dans la gamme de température au-dessous de 320C, on obtient la formation-de sel de Glauber qui contient de l'eau de constitution et qu'il faut transformer en anhydride de sulfate de sodium, sans eau de cristallisation, dans une phase de fusion à une température plus élevée. Dans la phase de transformation, une transmission de la chaleur dans la gamme de solubilité négative est inévitable et les problèmes mentionnés ci-dessus, en ce qui concerne la cristallisation sur les surfaces d'échange de chaleur, sont déplacés dans cette phase. t'évaporation à des températures de régime relativement basses présuppose, en outre, la. disponibilité d'eau de refroidissement d'une gamme de température encore plus basse, ou bien il faut comprimer les vapeurs d'évaporation à la pression de condensation correspondant à la température de l'eau réfrigérante, à l'aide de compresseurs à jet . Ce procédé ne permet également pas un montage de plusieurs étages en série et pour la compression de la vapeur chaude, il exige de la vapeur motrice supplémentaire sous une pression relativement élevée. La présente invention a pour objet la réalisation d'un procédé où les inconvénients cités ci-dessus sont supprimés et qui permet la cristallisation par évaporation en plusieurs étages, en appliquant des pressions modérées pour la vapeur de chauffage et sans risque d'incrustation des surfaces chauffantes. Ce but est atteint selon l'invention par un procédé caractérisé en ce qu'on refroidit la solution à évaporer par détente ou par un refroidissement direct jusqu a une température qui se situe suffisamment au-dessous de 3200 pour qu'il s'établisse une solubilité du Na2 S 04 qui est moindre que celle qu'on a à la température maximum intervenant dans la phase suivante du procédé de cristallisation, qu'on réchauffe ensuite la solution jusqu'au-dessous de la limite de saturation et qu'on provoque ensuite, par l'évaporation de détente dans la zone de solubilité à allure .invertie,une augmentation de la concentration de la solution et qu'on évacue l'anhydride de sulfate de sodium et/ou le sel de Glauber qui se séparent de la solution par cristallisation. il est utile d'envoyer la solution de sulfate de sodium à évaporer d'abord au moins dans un premier évaporateur pour la détendre, afin de la porter au degré souhaité de solubilité du Na2S04 , de réchauffer la solution ainsi obtenue dans au moins deux échangeurs de chaleur montés en série pour porter sa température dans la gamme de son comportement de solubilité inverse, de la concentrer ensuite au moins dans un autre évaporateur, de renvoyer la solution concentrée vers le premier évaporateur, éventuellement après en avoir évacué de l'anhydride de sulfate de sodium cristallisé et d'évacuer ensuite le sel de Glauber qui se forme dans le premier évaporateur. S'il s'agit de fabriquer seulement de l'anhydride de sulfate de sodium cristallin, on a avantage à transporter le sel de Glauber retiré du premier évaporateur, qui se trouve à la température la plus basse, dans celui des autres évaporateurs suivants, qui se trouve au prochain palier de température supérieure. Par contre, si l'on veut fabriquer seulement du sel de Glauber, on a avantage à renvoyer dans le premier évaporateur, à la température la plus basse, l'anhydride de sulfate de sodium cristallisé retiré d'au moins de liun des évaporateurs suivants dont la température est plus élevée. ta présente invention porte également sur un dispositif pour la réalisation du procédé de l'invention.Ce dispositif est caractérisé en ce qu'il comporte au moins un premier évaporateur pour détendre la solution qui lui est fournie, et cela jusqu'à une valeur donnée, au moins deux échangeurs de chaleur montés en série en aval de cet évaporateur pour réchauffer la solution provenant du premier évaporateur, au moins un autre évaporateur monté en aval des échangeurs de chaleur pour concentrer la solution réchauffée, une conduite de retour pour ramener la solution concentrée dans le premier évaporateur ainsi que des moyens de décharge pour retirer ou transférer du sel de Glauber du premier évaporateur et/ou des moyens de décharge pour évacuer et transférer de l'anhydride de sulfate de sodium cristallin du deuxième évaporateur. Ci-dessous l'invention sera expliquée plus en détail à l'aide du dessin annexé, sur lequel La figure t est un graphique montrant la courbe de solubilité du Na2S04 dans la solution à évaporer; le déroulement du procédé de l'invention y est inscrit en lignes à traits interrompus; La figure 2 est une représentation schématique d'une forme de réa lisation d'un dispositif selon l'invention pour la mise en oeuvre du nouveau procédé tracé à la figure 1 pour fabriquer de l'anhydride de sulfate de sodium cristallin; et La figure 3 est une représentation schématique d'un autre exemple d'exécution d'un dispositif pour la réalisation du procédé conforme à l'invention,destiné à la fabrica tion de sel de Glauber. La figure 1 montre la courbe de solubilité du Na2SO4 en fonction de la température de la solution. te procédé réalisé à l'aide du dispositif selon la figure 2 y est représenté en lignes à traits interrompus. La concentration y figure sous forme de soluté 100 % eau et soluté Comme il ressort des figures I et 2, la température de la solution à concentrer est suffisamment abaissée au-dessous de 320C par la détente dans le premier évaporateur 1 pour qu'il s'établisse une solubilité du Na2S04 qui se situe à un point inférieur à celui de sa solubilité à la température maximum de, mettons 1020C , du procédé de l'invention. il est présumé que de l'eau de réfrigération d'une température de 200C est disponible en quantité suffisante pour qu'il s'établisse - en admettant un réchauffement de 40C dans le condenseur 2 - une température de condensation de 27,50C , et par conséquent dans l'é- vaporateur 1 une température d'évaporation de 300C. D'après le diagramme de figure 1, il résulte pour cette température une solubilité de 29 % de Na2S04. Si l'on ne dispose que d'eau de refroidissement d'une température plus élevée, mettons de 300C, on a intérêt à diviser l'étage de détente i en deux phases.Pendant la première phase, on détend jus qu'à une température correspondant à celle de l'eau de refroidisse ment, mettons à 400C, tandis que pendant la deuxième phase àstem- pérature plus basse, on comprime les vapeurs à l'aide d'un compresseur à jet jusqu'à la température de condensation plus élevée, ce qui forcément implique une consommation supplémentaire de vapeur motrice. A la sortie du premier évaporateur 1, une pompe 3 fait passer la solution à travers les échangeurs de chaleur 4, 5 et 6, et la solution est ainsi réchauffée successivement à une température comprise entre 10CO et 1500C, selon la vapeur de chauffage disponible, et ensuite elle est évaporée et refroidie successivement par détente dans les autres évaporateurs 7 et 8 ainsi que dans le premier évaporateur 1, jusqu a ce que la température de départ dans l'évaporateur 1 soit à nouveau atteinte. L'anhydride de sulfate de sodium cristallisé dans l'évaporateur 8 en est déchargé et il est envoyé directement ou par l'intermédiaire d'une pompe dans un séparateur centrifuge 9.Le filtrat est ramené par l'intermédiaire d'une conduite 10 dans le premier évaporateur 1. En retirant le sel de Glauber du premier évaporateur 1, on obtient la séparation du sel de la solution refroidie, dans une colonne d'évacuation 11, par une solution chaude en contre-courant provenant de l'évaporateur 8. Comme variante, on peut aussi sépare# de la solution la bouillie à basse température, évacuée du premier évaporateur 1, dans une centrifugeuse et on peut envoyer le sel de Glauber dans l'évaporateur 8, tandis que la solution à basse température est ramenée dans le premier évaporateur 1. On retire le sel de Glauber produit dans le premier évaporateur 1 par l'intermédiaire de la pompe 12 et on le fait passer dans l'évaporateur 8 qui se trouve au prochain palier de température plus élevée, et on le remet ainsi à nouveau en circulation. Par la détente, environ 01,1 à 0,15 tonnes d'eau sont évaporées par tonne de solution eX circulation, selon la température finale que la solution atteint dans l'échangeur de chaleur 6.Pour obtenir 1 tonne de sulfate de sodium il faut évaporer, selon la concentration initiale, environ 2,5 tonnes d'eau, ce qui veut dire qu'il Sut de 16 à 25 tonnes de solution en circulation par tonne de produit. Gracie à la détente en plusieurs étages, les vapeurs chaudes peuvent servir de manière connue pour réchauffer la solution en circulation dans les échangeurs 4 et 5, ce qui permet de réduire sensiblement la consommation de vapeur fraîche dans l'échangeur de chaleur 6. S'il s'agit par exemple de traiter une solution à 5000 avec une teneur de 32% en Na2S04 , et si l'on dispose de vapeur de chauffage sous une pression de 1,5 atmosphères absolues ou de la vapeur saturée à 1100C, les conditions de régime données ci-dessous peuvent s'établir dans une installation à trois étages. 100 - 32 Quantité totale d'eau évaporée = ~~~~~~~ = 2,13 t/t Na2S04 32 Détente de 102 , 300C,évaporation = 0,0965 t H20/t de solu -tion en circulation Solution en circulation Q= ~ 2,13 = 22,1 t/t Na2S04 0,0965 Réchauffement par la vapeur fraiche 70 - 10200 Consommation de vapeur franche = t,06 t/t Na2S04 A titre de comparaison, il faut compter pour l'évaporation à un seul étage, sur une consommation de vapeur fraîche d'environ 2,8 à 3,2 t/t Na2S04. La figure 3 est une représentation schématique d'une installation de fabrication de sel de Glauber. A l'opposé de l'installation selon figure 2, on ne retire dans ce cas pas dlanhydride de sulfate de sodium cristallisé de l'évaporateur 8 et on ne ramène pas non plus le sel de Glauber évacué du premier évaporateur 1 dans ltéva- porateur 8. Comme les autres éléments de l'installation sont identiques à ceux de l'installation illustrée par la figure 2, il est inutile de les décrire à nouveau. Les cuves des évaporateurs 1 et 8 présentent,comme cela est in diqué aux figures 2 et 3, un dispositif destiné à faire circuler leur contenu. REVENDICATIONS 1.- Procédé de fabrication d'anhydride de sulfate de sodium cris tallin et/ou de sel de Glauber à partir d'une solution de sul fate de sodium, par ltévaporation de cette solution, caracté risé en ce qu'on refroidit la solution à évaporer par détente ou par un refroidissement direct jusqu a une température qui se situe suffisamment au-dessous de 3200 pour qu'il s'établisse une solubilité du Na2SO4 qui est moindre que celle qu'on a à la température maximum intervenant dans la phase suivante du procédé de cristallisation, qu'on réchauffe ensuite la solu tion jusqu'au-dessous de la limite de saturation et qu'on pro voque ensuite par l'évaporation de détente, dans la zone de solubilité à allure invertie, une augmentation de la concentra tion de la solution et qu'on évacue l'anhydride de sulfate de sodium et/ou le sel de Glauber qui se séparent de la solution par cristallisation. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on en voie la solution à évaporer d'abord, pour la détendre au degré souhaité de solubilité du Na2S04 , dans un premier évaporateur, qu on réchauffe la solution ainsi obtenue dans au moins deux échangeurs de chaleur montés en série pour porter sa tempéra ture dans la gamme de son comportement de solubilité inverse, qu'on la concentre ensuite au moins dans un autre évaporateur, qu'on renvoie la solution concentrée vers le premier évapora teur, éventuellement après en avoir évacué de l'anhydride -de sulfate de sodium cristallisé et qu'on évacue ensuite le sel de Glauber qui se forme dans le premier évaporateur. 3.- Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on trans porte le sel de Glauber retiré du premier évaporateur, qui se trouve à la température la plus basse, dans celui des autres évaporateurs suivants qui se trouve au prochain palier de tem pérature plus élevée. 4.- Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on ra mène l'anhydride de sulfate de sodium cristallisé, retiré de l'un des évaporateurs suivants dont la température est plus élevée, vers le premier évaporateur à température plus basse. 5.- Dispositif pour la réalisation du procédé selon la revendica tion I, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un premier évaporateur pour détendre la solution qui lui est alimentée, jusqu'à une valeur donnée, au moins deux échangeurs de cha leur montés en série en aval de cet évaporateur pour réchauf fer la solution provenant du premier évaporateur, au moins un autre évaporateur monté en aval des échangeurs de chaleur pour concentrer la solution réchauffée, une conduite de re tour pour ramener la solution concentrée dans le premier éva porateur ainsi que des moyens de décharge pour retirer ou transférer du sel de Glauber du premier évaporateur et/ou- des moyens de décharge pour évacuer et transférer de l'anhy dride de sulfate de sodium cristallin du deuxième évaporateur: 6.- Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'orifice de sortie de la vapeur du deuxième évaporateur ou de la série d'évaporateurs en aval des échangeurs de chaleur est en communication au moins avec certains de ces derniers. 7.- Dispositif selon la revendication 5 pour la fabrication d'a nhydride de sulfate de sodium cristallin, caractérisé en ce que les organes de décharge associés au premier évaporateur sont reliés par une conduite de retour au deuxième évapora teur.