Brevet FR2318112A1 — publié le 19770211

L'invention concerne un procédé de cristallisation continue pour la préparation d'un peroxycarbonate de sodium stable de grande masse volumique apparente présentant une dis tributs on granulométrique uniforme. Le peroxycarbonate de sodium est un composé cristallin de formule #a2CO303ll2O2 qui#est capable de libérer de l'eau oxygénée en solution aqueuse. Etant donné cette propriété, le peroxycarbonate de sodium est utile comme agent de blanchiment dans des compositions de détergent. Une grande partie des travaux récents portant sur le peroxycarbonate de sodium s'est concentrée sur des procédés de fabrication perfectionnés. Il est bien connu que lton peut préparer le peroxycar- bonate de sodium en faisant réagir l'eau oxygénée sur le carbo- nate de sodium seul ou en présence d'un stabilisant, par des procédés discontinus ou continus, Un exemple de procédé de fabrication du peroxycarbonate de sodium est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique NO 2 986 448. Selon ce procédé, on fait réagir un mélange aqueux d'eau oxygénée et de carbonate de sodium dans une zone de cristallisation, à une température ne dépassant pas 5 C environ.Au bout d'un temps de réaction d'au moins quatre heures, il se forme une bouillie de cristaux de peroxycarbonate de sodium ; on les retire de la zone de cristallisation, on les filtre puis on les seche pour obtenir le peroxycarbonate de sodium. On soumet à une évaporation rapide la liqueur-mère filtrée contenant du peroxycarbonate de sodium dissous, dans des conditions telles que l'excès d'eau soit éliminé du système. On recycle vers la zone de cristallisation le mélange de liqueur-mère et de petits cristaux formés par évapo- ration. te procédé du brevet cité est généralerent satisfaisant mais il présente plusieurs inconvénients : 1 ) le cristallisoir nécessite des moyens de refroidissement extérieurs ; 2) il faut éliminer du système dans l'appareil de vaporisation instantanée de grandes quantités d'eau, approchant de 34 moles d'eau ou davantage par mole ce produit, ce qui oblige à utiliser des moyens de chauffage extérieurs qui au ~entent considérablement le coût de l'installat-on et les frais de fonctionnement, et 3) la formation in situ de grandes quantités de silicate de magnésium pendant la cristallisation cause une nucléation excessive donnant lieu à une forte proportion de cristaux très fins. L'invention permet un procédé de cristallisation continue, pour l'obtention d'un peroxycarbonate de sodium stable de grande masse volumique apparente présentant une distribution granulométrique uniforme, grâce aux points suivants a) - on introduit en continu une solution aqueuse franche dut eau oxygénée et une solution purifiée de carbonate de sodium dans une zone de cristallisation b) - on fait réagir la solution aqueuse d'eau oxygénée et la solution purifiée de carbonate de sodium dans la zone de cristallisation, d'une façon telle que la concentration de peroxycarbonate de sodium reste supérieure à la limite de saturation de sa solution, à une température d'environ 15 à 300C, à un pH de 10,2 à 11,5 environ, pendant un temps de séjour d'environ 0,5 à 15 heures c) - on évapore l'eau de la zone de cristallisation en un rapport molaire compris entre 1,5 et 15,0 moles d'eau environ par mole de peroxycarbonate de sodium formée-; d) - on retire de la zone de cristallisation une bouillie contenant des cristaux de peroxycarbonate de sodium e) - on sépare les cristaux de la bouillie du cristallisoir, on sèche le peroxycarbonate de sodium et on récupère celui-ci avec une masse volumique apparente de 0,90 à 1,0 g/cm3; f) - On traite la liqueur-mère séparée par la filtration ci-dessus pour décomposer l'eau o-;;yg nee ~ g) - on aboute du carbonate de sodium frais à la li #ueur-e trai e, e quantités suffisantes pour pr--parer une solution comprenant 25 à 39cç en poids de carbonate de sodium, et h) - on purifie la solution de carbonate de sodium et on l'utilise dans l'Àtape a). Dans la pratique du procédé de l'invention, on fait réagir l'eau oxygénée et le carbonate de sodium en un rapport molaire d'environ 3:2. en introduit directement l'eau oxygénée dans la zone de cristallisation, sous la forme d'une solution aqueuse contenant 50 à 90 et de préférence 7~,6 en poids d'eau oxygénée. On ajoute le carbonate de sodium sous la forme d'une solution aqueuse saturée que lton a préalablement purifiée pour éliminer le fer et les autres métaux de transition présents comme impuretés, qui catalysent la décomposition de l'eau OXy- génée. Pour préparer la -solution de carbonate de sodium, on dissout tout carbonate de sodium commercial, de préférence anhydre ou cristallin monohydraté, dans une liqueur-mère recy -clée, en quantités suffisantes pour préparer une solution d'une concentration de 25 à 33# en poids. Il n'est pas nécessaire de purifier la liqueur-mère pour éliminer le fer et les autres métaux de transition avant d'y dissoudre le carbonate de sodium. Après avoir préparé la solution de carbonate de sodium, il faut la purifier pour éliminer le fer et les autres métaux de transition avant qu'elle n'arrive à la zone de cristallisation. On effectue avantageusement la purification de la solution de carbonate de sodium en ajoutant 100 à 2000 parties par million (ppm), sur le poids de la solution d'oxyde de magnésium ou dtun sel soluble de magnésium tel que le chlorure de magnésium et le sulfate de magnésium, corps qui absorbent le fer et les autres métaux de transition contenus dans la solution. On peut aussi utiliser d'autres sels solubles tels que les sels de calcium et de zinc. On élimine par filtration les solides obtenus, puis on amène à la zone de cristallisation la solution purifiée. La température de la solution de carbonate de sodium amenée à la zone de cristallisation doit entre d'au moins 2700 et de préférence de 40 à 10000, de préférence encore de 50 à 6000, pour empocher la formation de carbonate de sodium dêcahydraté solide dans le système d'alimentation. S'il se forme du décahydrate dans le système d'alimentation, il prccipite de la solution et modifie donc défavorablement le rapport molaire entre carbonate de sodium et eau oxygénée dans la zone de cristallisation. La réaction entre le carbonate de sodium et l'eau oxygénée avec formation de peroxycarbonate de sodium est extremement rapide et il faut seulement quelques secondes pour que le peroxycarbonate de sodium reste à l'état sursaturé, après quoi la cristallisation se produit.Une fois que l'état sursaturé est atteint, on introduit dans la zone de cristallisation la solution d'eau oxygénée et la solution purifiée de carbonate de sodium, à un débit suffisant pour maintenir continuellement la concentration de peroxycarbonate de sodium au-dessus du niveau de saturation de sa solution dans le mélange ractionel. En utilisant ce procédé, on réalise une formation et une récupéra- tion maximales de produit sans évaporer plus de 1,5 à 15X0 moles d'eau par mole de peroxycarbonate de sodium obtenu. On maintient la température entre 15 et 3000 environ et la pression entre 10 et 30 mm de Xg dans le cristallisoir, de préférence respectivement entre 21 et 2500 environ et entre 15 et 19 mm de Hgo il est essentiel de choisir une température déterminée et une pression correspondante pendant la cmistalli- sation pour maintenir la concentration de peroxycarbonate de sodium au-dessus de la limite de saturation de la solution tout en évaporant de l'eau du cristallisoir à un rapport molaire d'environ 1t5 à 15,0 moles et de préférence d'environ 2,5 à 9,0 moles d'eau par mole de peroxycarbonate de sodium formé. L'évaporation de cette quantité d'eau règle aussi la température de réaction en dissipant la chaleur de cristallisation due à la réaction du carbonate de sodium et de l'eau oxygénée. La concentration de la bouillie de peroxycarbonate de sodium obtenue dans le cristallisoir est d'environ 10 à 40%o en poids et de préférence de 20 à 28% en poids de solides. Les températures et pressions- inf#rieures, soit d'environ 50C à environ 5 mm de Hg, ne sont pas recommandées car il faut un équipement plus cotteux de production de vapeur et de plus grands cristallisoirs. Les températures et pressions supérieures, soit environ 3500 à environ 40 mm de Hg, ne sont pas recommandées car il se produirait de plus grandes pertes d'eau oxygénée par décomposition0 On fait fonctionner le cristallisoir pendant un temps de séjour de 0,5 à 15 heures, de préférence de 1 à 8 heures, Les temps de séjour inf#rieurs à 0,5 heure entraînent une nucléation excessive, causant une diminution notable de la grosseur rloyenne des cristaux. Les temps de sédour supérieurs à 15 heures causent une décomposition excessive de-l'eau oxygénée, diminuant ainsi le rendement de produit. Le temps de séjour est défini par le poids total de solides dans le cristallisoir divisé par la quantité de solides formés par unités de temps0 On fait fonctionner le cristallisoir à un pH d'environ 10,2 à 11,5, de préférence de 10,5 à 10,8. Quand on fait fonctionner le cristallisoir à un pH supérieur à environ 11,2, on utilise une solution de soude à une concentration de 1 à 30% pour régler le pH.On a observé que si l'on fait fonctionner le cristallisoir à un pH d'environ 11,2, cela tend à diminuer la décomposition de l'eau oxygénée mais le procédé de l'invention est plus économique quand la liqueur-mère a un pH de 10,5 à 10,8. On retire continuellement du cristallisoir de gros cristaux de peroxycarbonate de sodium sous la forme d'une bouillie de liqueur-mère de cristallisoir contenant environ 10 à 40, et de préférence 20 à 28% en poids de peroxycarbonate de sodium solide. La liqueur-mère contient aussi 10 à 30% et de préférence 15 à 19% en poids de carbonate de sodium et 1 à 69', de préférence 1,5 à 2,5% en poids d'eau oxygénée. Si la concentration de carbonate de sodium dans la liqueur-mère est supérieu- re à environ 309 en poids lorsqu'on fait fonctionner le cristallisoir à environ 300C, il se forme une phase solide de carbonate de sodium décahydraté.De même, Si la concentration de carbonate de sodium dans la liqueur-mère est supérieure à environ 209 en poids lorsqu'on fait fonctionner le cristallIsoir aux températures préférentielles comprises entre 21 et 2300, il se forme une phase solide de carbonate de sodium décahydraté.La formation de la phase solide n'est pas désirable car elle dilue la teneur en oxygène actif du produit final et elle cause une nuclation excessive dans le cristallisoir, donnant ainsi des cristaux plus petits0 On retire de la liqueur-mere les cristaux de peroxy- carbonate de sodium par des moyens de séparation classiques, puis on les sèche rapidement pour éliminer l'excès d'humIdIté, par des moyens classiques tels qu'un socr#ir à plateaux, rotatif, à courroie ou à couche fluidisée. De façon inattendue, les cristaux de peroxycarbonate de sodium formés selon l'invention ont une grande masse volumi- que apparente, une grande stabilité et une distribution granulométrique uniforme, Ces propriétés sont extrêmement désirables car les cristaux sont faciles à séparer de la solution, faciles à sécher et moins friables de sorte que l'on peut les manipuler facilement sans les briser et sans formation gênante de poussière. Ces propriétés diminuent aussi la tendance à la séparation des cristaux lorsqu'on les utilise dans des compositipns similaires ayant des masses volumiques apparentes similai res, ce qui est important commercialement.En outre, la formation constante d'un peroxycarbonate de sodium à distribution granulométrique uniforme permet d'obtenir en continu dans une opération commerciale un produit constamment bon sans fluctuations des propriétés. De plus, les cristaux formés ont de hautes teneurs en oxygène actif, soit au moins 15,00% d'oxygène actif, la teneur maximale théorique étant de 15,2#c'. Lorsquton parle ici de grande masse volumique apparente, cela désigne des cristaux de peroxycarbonate de sodium ayant des masses volumiques apparentes de O, à 1,0 g/cm3 et de préférence de 0,91 à 0,98 g/cm . Lorsqu'on parle d'une distribution cranulométrique uniforme, cela vut dire que les cristaux de peroxycarbonate de sodium formés présentent une distribution granulométrique constante dans le temps, c1est-à-dlre que pendant tout le processus de cristallisation, au moins 50% des cristaux ayant une grosseur supérieure à 0,3 mm. La liqueur-mère obtenue contient le carbonate de so dium et l'eau oxygénée dissous0 On ne peut pas recycler directement cette liqueur vers le cristallisoir car elle contient des impuretés rovenant des réactifs ainsi que des impuretés formées de métaux de transition. De môme, on ne peut pas utiliser di recte::#ent la liqueur comme source d'eau pour préparer la solution de carbonate de sodium car lorsqu'on ajoute du carbonate de sodiums à cette liqueur, elle réagit sur l'eau oxygénée restante, ce oui cause un dégagement excessif de mousse et de chaleur. En cons quence, on décompose l'eau oxygénée résiduelle prÛsente dans la liqueur-more et on reintroduit dans la liqueur mère un supplément de carbonate de sodium et on la purifie comme indiqué plus haut. On peut réaliser la décomposition de l'eau oxygénée par des procédés classiques, par exemple en ajoutant des agents classiques de décomposition de l'eau oxygé- née. De préférence, on soumet la liqueur-mère à un traitement thermique, par exemple en faisant passer de la vapeur d'eau à travers la liqueur-mère puis en élevant la température de celleci à un point ot l'eau oxygénée se décompose rapidement par exemple entre 40 et 700C, pendant quelques minutes. le dessin est un organigramme d'un mode d'évacuation du procédé de l'invention, pratiaué en continu. Selon ce schéma, une solution aqueuse d'eau oxygénée à une concentration de 70% en poids est amenée de la cuve d'alimentation 2 par le tuyau 4 à un cristallisoir classique à tube d'aspiration 6 muni d'un agitateur que l'on fait tourner à la vitesse voulue pour maintenir la teneur en solides uniformément dispersée dans le cristallisoir 6 (on peut utiliser d'autres types de cristallisoir, par exemple le type Oslo). On amène de la cuve d'alimentation 10 au cristallisoir 6, par le tuyau 8, une solution purifiée de carbonate de sodium ou, Si l'on veut, on l'amène par le tuyau 12 à la boucle de matière fine (voie 16).La solution de carbonate de sodium et la solution d'eau oxygénée sont amenées simultanément à un débit suffisant pour maintenir la concentration résultante de peroxycarbonate de sodium au-dessus du niveau de saturation de la solution. L'eau oxygénée et le carbonate de sodium sont généralement utilisés en un rapport molaire d'environ 3:2. On maintient avec agitation le mélange contenu dans le cristallisoir 6 à une température d'environ 21 à 250C pendan; au moins 0,5 heure pour préparer une bouillie de cristaux de peroxycarbonate de sodium à une concentration de -20 à 28% en poids. On maintient de préférence le cristallisoir 6 à une pression réduite de 15 à 19 mm de Hg au moyen d'un système à vide classique, en éliminant de l'eau par évaporation, par le tuyau 14, à un rapport molaire de 2,5 à 9,0 moles d'eau environ par mole de peroxycarbonate de sodium préparé.On élimine aussi par le tuyau 14 l'oxygène formé par décomposition de l'eau oxy gênée dans le cristallisoir0 On élimine les fines particules de peroxycarbonate de sodium en suspension dans la chambre de réaction du cristallisoir 6, par le tuyau 16 et on les fait passer par l'échangeur thermique 18 qui facilite la dissolution des fines particules et fournit de la chaleur pour évaporer l'eau ; on renvoie cette solution chauffée au bas du cristallisoir 6 e On retire du cristallisoir 6 en continu par le tuyau 20-de gros cristaux de peroxycarbonate de sodium, sous forme de bouillie de liqueur-mère de cristallisoir contenant de préférence 20 à 28% en poids de solides dans une liqueur-mère contenant 15 à 1Wfo en poids de carbonate de sodium et 1,5 à 2,5% en poids d'eau oxygénée. On amène la bouillie à la centrifugeuse 22, éliminant ainsi des cristaux la liqueur-mère de cristallisoir, ce qui ramène entre 2 et 10% environ la teneur en humidité des cristaux. On peut remplacer la centrifugeuse 22 par des filtres rotatifs ou filtres-presses classiques.On fait arriver les cristaux centrifugés au séchoir 26 par le tuyau 24 et on peut avantageusement sécher les cristaux entre 40 et 6000 environ pour obtenir comme produit un peroxycarbonate de sodium sec contenant moins de 0,2% en poids d'humidité. On fait arriver par le tuyau 28 à la cuve à liqueurmère 30 la liqueur-mère de cristallisoir retirée de la cen-trifugeuse 22. On fait arriver par le tuyau 32 au séparateur liquide-solide 34 la liqueur-mère contenant le carbonate de sodium et l'eau oxygénée dissous et de petites quantités de cristaux résiduels de peroxycarbonate de sodium, ou encore on la fait arriver directement à la cuve de décomposition d'eau oxygénée 38, par le tuyau 36o Le séparateur liquide-solide 34 est un moyen classique de séparation de liquides et de solides, tel qu'un hydrocyclone.On retire par le tuyau 40 un courant de deuxième bouillie à haute teneur en solides contenant 50 à 909/o de cristaux de peroxcarbonate de sodium et on le ramène au cristallisoir 6e On retire par le tuyau 36 le courant de lieueur- mère obtenu et on l'amène à la cuve de drEcombosition d'eau oxygel. e 38. On maintient la liqueur-@ère dans la clive 38 entre 40 et 500C environ pendant un temps suffisant pour décoriitoser en eau et oxygène toute l'eau oxygénée résiduelle. La lioueur décomposée venant-de la cuve de décomposi- tion d'eau oxygénée 38 est amenée par le tuyau 42 à la cuve de complément de carbonate de sodium 44. Le carbonate de sodium, de préférence sous forme anhydre ou sous forme cristalline monohydratée, est introduit par le tuyau 46 dans la cuve de con- plément 44 en quantités suffisantes pour préparer une solution de carbonate de sodium d'une concentration de 53 à 33% en poids. Si nécessaire, on peut aussi ajouter de l'eau par le tuyau 48.En outre, on ajoute par le tuyau 50, à la solution de la cuve de complément 44, 10 à 2000 ppn d'ode de magnésium ou d'un sel soluble de magnésium. Après l'avoir traitée par le composé de magnésium, on transfère la solution, par le tuyau 52, de la cuve 44 au filtre 54 où les solides contenant du magnésium, du fer et d'autres métaux de transition sont éliminés par le tuyau 56 et jetés. On retire la solution filtrée par le tuyau 58 et on l'amène à la cuve de stockage 10 où l'on stocke temporairement la solution purifiée de carbonate de sodium avant de 11 amener au cristallisoir 6. L'exemple suivant est donné pour mieux illustrer l'invention. Toutes les proportions, dans l'exemple et la description, sont en poids sauf indication contraire. - EXEMPLE On fait réagir une solution à 7OÇ en poids d'eau oxygénée sur une solution purifiée de carbonate de sodium à 28% en poids, dans un cristallisoir, en proportions telles que le mélange obtenu contienne continuellement environ 175 g/l de carbonate de sodium et environ 25 g/l d'eau oxygénée. Pour préparer la solution de carbonate de sodium, on dissout du carbonate de sodium anhydre dans une licueur-ère recyclée que l'on a chauffée à environ OC pour décomposer toute l'eau oxygénée qu'elle contient, et que l'on a traitée par lOCO ppm d'oxyde de magncsium et filtrée. La solution purifiée ce carbonate de sodium contient moins de 1 ppm de fer et des traces d'autres métaux de transition. On fait fonctlonror le cristallisoir à un pH de 10,8 à 22,5 C et à une pression de 15 mm de Hg, avec un temps de séjour de 7 heures, une boucle de destruction de matières fines et une concenGration de solides de 28^. On retire en continu du cristallisoir environ 12 noies d'eau par mole de peroxycarbonate de sodium form. On retire la bouillie du cristalliseur et on la centrifuge. Les cristaux de peroxycarbonate de sodium obtenus contiennent environ 5% en poids d'eau ; on les sèche dans un séchoir à couche fluidisée pour préparer un produit de peroxycarbonate de sodium. Le produit est formé de cristaux individuels en forme de prismes hexagonaux dont- environ 27% ont une grosseur supé- rieure à 0,42 mm, 36% une grosseur de 0,297 à 0,42 mm, 2% une grosseur de 0,21 à 0,297 mm et 8% une grosseur inférieure à 0,21 mm. Le produit a une masse volumique apparente de 0,95 g/cm3, une teneur en oxygène actif de 15,18% en poids et une teneur en humidité inférieure à 0,2% en poids. REVENDICÂTIONS 1) Procédé de cristallisation continue pour ltobten- tion d'un peroxycarbonate de sodium stable de grande masse volumique apparente présentant une distribution granulométrique uniforme, procédé caractérise par les étapes suivantes a) - on introduit en continu dans une zone de cristallisation une solution aqueuse fraîche contenant 50 à 9090/ en poids d'eau oxygénée et une solution purifiée de carbonate de sodium ;; b) - on fait réagir la solution aqueuse d'eau oxygénée et la solution purifiée de carbonate de sodium dans la zone de cristallisation, d'une façon telle que la formation a'une phase solide de carbonate de sodium décahydraté soit empêchée et que la concentration de peroxycarbonate de sodium reste supérieure à la limite de saturation de sa solution, à une température de 15 à 300C, à une pression de 10 à 30 mm de Hg, à un pH de 10,2 à 11,5, pendant un temps de séjour de 0,5 à 15 heures ;; c)-on évapore l'eau de la zone de cristallisation en un rapport molaire compris entre 1,5 et 15,0 moles d'eau environ par mole de peroxycarbonate de sodium formée d)-on retire de la zone de cristallisation une bouillie contenant des cristaux de peroxycarbonate de sodium e) - on sépare les cristaux de la bouillie du cristallisoir, on sèche le peroxycarbonate de sodium et on récupère celui-ci avec une masse volumique apparente de 0,90 à 1,0 g/cm3;; f) - on traite la liqueur-mère séparée par la filtration ci-dessus pour décomposer l'eau oxygénée g) - on ajoute du carbonate de sodium frais à la liqueur-mère traitée, en quantités suffisantes pour préparer une solution comprenant 25 à 33~ > en poids de carbonate de sodium ayant une température d'au moins 270C, et h) - on purifie la solution de carbonate de sodium pour éliminer le fer et les autres métaux de transition présents conime impuretés et on ut se la solution ainsi purifie dans ltétape a). 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la réaction se fait à une température de 21 à 250O, à un pH de 10,5 à 10,8 et avec un temps de séjour de 1 à 8 heures. 3) Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lton évapore de la zone de cristallisation 2,5 à 9,0 moles d'eau par mole de peroxycarbonate de sodium. 4) Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on sépare les cristaux de la bouillie de cristallisoir selon llétape e), que l'on retire de la liqueur-mère séparée de l'étape e) une deuxième bouillie contenant 50 à 90% en poids de cristaux de peroxycarbonate de sodium, que l'on traite la liqueur-mère obtenue pour décomposer l'eau oxygénée et que -l'on ramène la deuxième bouillie à la zone de cristallisation-. 5) Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on met en contact la solution de carbonate de sodium de l'étape h) avec 100 à 2000 parties par million d'oxyde de magnésium ou d'un sel soluble de magnésium, sur le poids de la solution de carbonate de sodium, que l'on filtre la solution de carbonate de sodium et que l'on amène à la zone de cristallisation la solution purifiée. 6) Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le peroxycarbonate de sodium obtenu comme produit a une masse volumique apparente de 0,91-à 0,98 g/cm3, une teneur er oxygène actif d'au moins 15,00% et ou' il comprend au moins 5~/o de particules supérieures à 297 microns. 7) Procédé selon la revendication 1, caractérisé-par le fait que dans l'étape a), la solution de carbonate de sodium a une température d'au moins 27 C. 8) Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que dans l'étape a), la solution de carbonate de sodium a une température de 40 à 10000. 9) Procédé selon la revendication 1, carectérisé par le fait que dans l'étape a), la solution de carbonate de sodium a une température de 50 à 6000.