Brevet FR2510136A1 — publié le 19830128

PROCEDE CONTINU DE SAPONIFICATION ET DISPOSITIF POUR SA MISE EN OEUVRE. La présente invention concerne un procédé de saponifica- tion de type à marche continue et un système pour sa mise en oeuvre. On sait que le savon est généralement préparé à partir de divers types de graisses d'origine animale et d'huiles végétales, qui sont mises en réaction avec des bases ou des sels de métaux al- calins, notamment de sodium, pour obtenir des sels des métaux alca- lins respectifs des acides monocarboxyliques à chaîne longue qui se trouvent dans ces graisses et huiles Du fait que les acides monobar- boxyliques à chaîne longue se trouvent dans les graisses et les huiles d'origine naturelle sous forme de terglycérides, un sous-produit prin- cipal de la réaction de saponification est la glycérine. Outre les procédés discontinus de fabrication de savon, les plus anciens, on a mis au point depuis quelques années des procé- dés continus de saponification Les procédés continus de saponifica- tion que l'on utilise à l'heure actuelle, bien qu'ils soient élaborés en vue de raccourcir les durées de traitement exagérément longues qui caractérisent les procédés discontinus, sont toujours insuffisants de ce point de vue, en ce qu'ils entraînent des temps de fabrication s'échelonnant entre plusieurs heures et quelques jours Ces temps longs sont désaventageux du point de vue économique et sont dûs essen- tiellement au temps d"'incubation" nécessaire dans les procédés clas- siques pour déclencher la réaction de saponification, ainsi qu'à la vitesse de réaction relativement faible résultant d'une mise en con- tact inadéquate de la phase aqueuse du réactif alcalin de saponifi- cation avec une graisse organique. En outre, avec les procédés de saponification classiques, la récupération de glycérine n'est rentable et intéressant du point de vue économique que dans les installations de grande capacité et, dans ces cas, entraîne la nécessité de prévoir un matériel supplémen- taire et des étapes de traitement par distillation et concentration. La présente invention s'est donné comme but de fournir un nouveau procédé continu de saponification qui permet d'éliminer les inconvénients des procédés classiques par le fait que les temps de traitement sont nettement moins longs que les temps évoqués ci-dessus. -2- Un autre but de l'invention est de fournir un procédé con- tinu de saponification qui permet de récupérer de la glycérine de ma- nière simple et efficace, sans faire intervenir des 'étapes de concen- tration et de distillation, à la différence des procédés classiques, et qui peut être mis en oeuvre non seulement dans les installations de grande capacité mais aussi dans celles de capacité moyenne ou fai- ble. Un autre but de l'invention est de fournir un procédé con- tinu de saponification qui permet de récupérer et d' utiliser tout produit secondaire résultant du procédé ainsi que d'utiliser au maxi- mum l'énergie mise en jeu et qui s'avère par conséquent très avanta- geux du point de vue économique. Ces buts et objets, ainsi que d'autres qui ressortiront de la description qui suit, sont atteints par le procédé continu de sapo- nification selon la présente invention dans lequel des agents de dé- part, comprenant des graisses et une solution de soude caustique, sont mis en réaction ensemble pour obtenir du savon et des sous-produits, par exemple de la glycérine et de l'eau, caractérisé en ce qu'il com- prend les étapes qui consistent: à mélanger les réactifs de départ avec 5 à 10 % en poids, par rapport au poids d'ensemble, d'un savon liquide de recyclage résul- tant dudit procédé pour donner une émulsion de départ, à soumettre cette émulsion à une étape de saponification en acheminant l'émulsion en contact indirect avec un agent chauffant et sous forme divisée de plusieurs courants, a recycler une partie du produit résultant, par exemple le savon de recyclage, en l'envoyant à l'étape de mélange, et à soumettre le reste du produit résultant de l'étape de saponification à une étape de séparation afin de récupérer du savon et, à titre de sous-produits, de la glycérine et de l'eau. Sous un autre aspect, la présente invention concerne un dispositif pour la saponification comprenant au moins un réacteur destiné à la saponification continue de graisses avec de la soude caustique, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de paires de tubes concentriques disposés à l'intérieur d'une enveloppe, les tubes intérieur et extérieur de chaque paire délimitant des conduits 10136 -3- annulaires que traverse le mélange réactif de saponification, et en ce que l'espace à l'intérieur de l'enveloppe entre les paires de tubes et l'espace à l'intérieur du tube intérieur de chaque paire de tube concentriques sont traversés par un agent chauffant en contact indirect avec le mélange réactif. Une forme d'exécution de la présente invention est décrite ci-après à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 montre le déroulement du procédé de saponifi- cation conforme à l'invention; la figure 2 montre le déroulement d'autres étapes du pro- cédé de l'invention, relatives à la récupération de sous-produits la figure 3 est une vue en coupe longitudinale d'un réacteur de saponification conforme à l'invention; et la figure 4 est une vue en coupe transversale, à plus grande échelle, du réacteur de la figure 3. En se référant aux dessins annexés, les matériaux de départ pour la mise en oeuvre de ce procédé, provenant respectivement d'un réservoir de graisses 1 muni d'un serpentin à vapeur d'eau destiné à chauffer les graisses à une température de 850 C environ, et d'un réservoir de soude caustique également pourvu d'un serpentin à vapeur d'eau destiné à chauffer le réactif à 851 C, sont dosés par des pompes doseuses particulières, respectivement 3 et 4, et introduits dans une chambre de mélange et d'émulsionnement 6 Avant de les introduire dans cette chambre, on soumet les graisses à un chauffage supplémentaire, dans un appareil chauffant approprié 5, jusqu'à une température com- prise entre 120 et 150 a C. Bien que la présente description fait référence, pour la commodité, à des graisses en général, on comprend aisément que l'on peut utiliser n'importe quelle graisse animale ou huile végétale, normalement employée pour la fabrication de savons, pour la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention La soude caustique utilisée est sous forme de solution aqueuse dans une concentration d'environ à 40 % en poids Les proportions des matériaux de départ seront, bien entendu, fonction de la composition spécifique des graisses uti- lisées, la quantité de soude caustique utilisée étant au moins la -4 quantité stoechiométrique nécessaire à la neutralisation des acides gras présents. Les matériaux de base que l'on vient de décrire sont intro- duits dans une chambre de mélange et d'émulsionnement 6 à l'état atomisé par jets Avantageusement, les deux jets sont orientés et dirigés dans la chambre 6 perpendiculairement l'un par rapport à l'autre, afin de favoriser le mélange des réactifs On introduit, en outre, dans la chambre 6 une certaine quantité d'un savon liquide de recyclage, à travers un conduit 30 qui introduit le savon de recyclage en amont de la buse qui atomise les graisses entrant dans la chambre 6 Le savon de recyclage assure un émulsionnement rapide du mélange des matériaux de base, permettant de ce fait une "auto-catalyse" rapide de la réaction de saponification. Avantageusement, on utilise une quantité de savon de recy- clage d'environ 5 à 10 % en poids par rapport au poids d'ensemble des graisses et de la solution de soude caustique introduites dans la chambre 6 Le mélange, dont la réaction commence déjà dans la cham- bre 6, est encore homogénéisé en le faisant traverser une pompe cen- trifuge ouverte 7 avant de l'introduire dans une pompe à piston à vitesse variable 8 en vue d'applications à haute pression. L'émulsion passe ensuite à l'étape de saponification pro- prement dite, qui s'effectue avantageusement dans un ensemble de deux réacteurs 9 et 10 disposés en série. Selon l'invention, on utilise deux réacteurs identiques de construction spéciale, comme le montrent les figures 3 et 4. Chaque réacteur comprend une pluralité de paires de tubes concentri- ques, chaque paire se composant d'un tube extérieur respectif 31 et d'un tube intérieur respectif 32 concentrique à celui-ci Ainsi, un conduit annulaire 50 est délimité entre chaque paire de tubes pour le passage du mélange des corps en réaction L'épaisseur des conduits , c'est-à-dire la différence entre les rayons respectifs du tube extérieur 31 et du tube intérieur 32, varie avantageusement entre 3 et 8 mm, pouvant être par exemple de 5 mm. Ces paires de tubes concentriques sont disposées à l'inté- rieur d'une enveloppe tubulaire 33 dont les extrémités coniques 34 comportent des orifices d'entrée et/ou de sortie respectifs 35. 10136 L'espace à l'intérieur de l'enveloppe 33, indiqué en 36 et délimité entre la pluralité de tubes 31, et l'espace 37 à l'intérieur du tube 32 de chaque paire de tubes concentriques sont destinés au passage d'un agent chauffant, notamment la vapeur d'eau Alors que la vapeur d'eau circulant dans l'espace 36 est admise dans l'enveloppe et évacuée par les orifices 35, la vapeur d'eau circulant dans les tubes intérieurs est admises et évacuée par des orifices spéciaux 38 réalisés dans la partie tubulaire de l'enveloppe 33 communiquant avec les espaces 37. Deux orifices supplémentaires 39, réalisés dans la partie tubulaire de l'enveloppe 33, sont en communication avec les conduits annulaires 50 en vue de l'admission et de l'évacuation du mélange de corps en réaction Ainsi, on obtient une structure de réacteur qui permet un écoulement du mélange de réaction de saponification sous forme d'une pluralité de courants de présentant comme des films annu- laires comparativement minces en contact indirect avec un agent chauf- fant, tant à l'intérieur qu'à l'extérieur de chacun des espaces annu- laires De la sorte, grâce au rapport élevé entre la surface et le volume du mélange de réactifs, on assure une homogénéisation parfaite du mélange et un contact intime de celui-ci avec l'agent chauffant, d'o des vitesses de réaction extrêmement élevées et des temps de réaction considérablement réduits. L'ensemble des réactifs sous forme d'émulsion, qui sont introduits dans le premier réacteur 9 comprend des graisses partiel- lement saponifiées, de la glycérine et de l'eau Sur son trajet dans le réactuer 9, le mélange réactif atteint une température comprise entre 150 et 2500 C sous une pression allant de 15 à 20 kg/cm Ensuite on introduit le mélange dans un second réacteur , identique au premier, dans lequel la masse savonneuse est soumise à une nouvelle augmentation de température jusqu'à ce qu'elle attei- gne 260 à 3000 C, avec une diminution simultanée de la pression jus- qu'à 4 à 6 kg/cm On utilise des réacteurs dans lesquels les longueurs des faisceaux de tubes respectifs se situent entre 2 et m, par exemple 3-m Grace à de tels réacteurs, le temps de séjour dans l'ensemble des deux réacteurs nécessaire à l'achèvement de la réaction de saponification peut être réduit à 2 ou 3 minutes. A la sortie du second réacteur, la réaction de saponifica- tion est terminée Un conduit de dérivation 30 achemine une partie du produit, comme savon de recyclage, de l'étape de saponification pour l'introduire dans la chambre de mélange et d'émulsionnement 6, comme on l'a déjà expliqué Le reste du produit de saponification est ensuite soumis à une opération pour séparer le savon des sous- produits résultants Le produit de saponification est constamment surveillé à l'aide d'une sonde p H qui contrôle, par conséquent, le dosage de la soude et des graisses dans la chambre d'émulsionnement en fonction des valeurs détectées en sortie de l'étape de saponifi- cation, ce qui permet d'éliminer toute discontinuité ou tout retard dans la séquence de saponification une fois cette dernière déclenchée. L'étape de séparation s'effectue par la pulvérisation de la masse savonneuse à travers deux ou plusieurs buses contre les pa- rois chauffées 12 d'une chambre de distillation rapide 13, o sont maintenus une température comprise entre 150 et 2000 C et un vide de à 40 mm Hg Dans ces conditions, il se produit une vaporisation instantanée de l'eau et de la glycérine qui sont évacuées par un conduit partant du haut de la chambre 13, tandis que le reste du sa- von, qui est en phase semi liquide-liquide, s'écoule le long des pa- rois et est recueilli au bas de la chambre grâce à l'action d'un agitateur à pales larges tournant à 4 à 6 tours par minute (non re- présenté) Le savon, pratiquement anhydre, passe dans une pompe à engrenages à vitesse variable 11 installée au-dessous de l'orifice inférieur de la chambre 13 et est atomisé dans une chambre-atomiseur sous vide 15, o la teneur en eau du savon est ajustée à la valeur finale désirée de 10 à 30 % en poids. A cette fin, en haut de la chambre-atomiseur 15, en amont de la buse de pulvérisation du savon, un dispositif de dosage 14 adéquat introduit une quantité prédeterminée d'eau qui doit s'ajouter au savon. Dans cette chambre-atomiseur, une partie de l'eau se vapo- rise, et le savon est refroidi à une température convenant à un raf- finage préliminaire, en vue de produire des bâtons cylindriques d'une teneur déterminée en acides gras. Des racloirs rotatifs spéciaux (non représentés) enlèvent 10136 -7- le film de savon qui se dépose sur la paroi de la chambre, et le savon est ensuite raffiné dans une matrice 16 et extrudé sous forme de bâton cylindrique, selon les procédés classiques. Les vapeurs de glycérine et d'eau séparées dans la cham- bre de distillation 13 et éventuellement dans la chambre-atomiseur , sont acheminées vers une étape de récupération de glycérine et d'eau. A cette fin, les vapeurs de glycérine et d'eau, sous l'as- piration d'une pompe à vide dont l'effet peut être encore augmenté à l'aide d'un compresseur thermique, traversent plusieurs étapes de condensation; de préférence on utilise deux ensembles de condensa- tion refroidis par l'air qui sont disposés en série et comprennent chacun deux condenseurs reliés en parallèle, dont un seul de chaque ensemble est représenté en 40 et 41. Pendant cette étape, la glycérine se condense et s'accu- mule dans des collecteurs 42 et 43 dont, par exemple, la cuve 42 est étanche et comprend un serpentin chauffant, pour servir de concen- trateur de glycérine. Les vapeurs qui ne se condensent pas dans les condenseurs 40 et 41 et qui contiennent principalement de l'eau et une petite quantité de glycérine, sont introduites dans un condenseur prélimi- naire refroidi par l'eau 44, o les vapeurs de glycérine qui restent se condensent et passent dans le collecteur-concentrateur 42. Les vapeurs résiduelles contenant principalement de l'eau avec éventuellement des traces de glycérine se condensent dans un condenseur terminal 45, également du type refroidi par l'eau L'eau fraiche condensée dans celui-ci s'accumule dans une cuve ouverte 406 et sert dans la préparation de la solution de soude caustique qui est introduite dans le système lors de l'étape initiale du procédé. Il ressort de la description ci-dessus, que le procédé et le système conformes à l'invention atteignent les objectifs visés. En effet, le procédé conforme à l'invention permet de pro- duire du savon et, en même temps, de récupérer de la glycérine dans un temps très court, de l'ordre de quelques minutes On obtient d'une part ce résultat grâce à la bonne homogénéisation et au contact intime entre les réactifs lors de l'étape de mélange et d'émulsionnement. -8- D'autre part, les temps de traitement beaucoup plus courts pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention résultent également de l'homogénéisation parfaite et du meilleur contact avec l'agent chauffant lors de l'étape de saponification, et ce grâce au type de réacteur utilisé pour la mise en oeuvre de l'invention. L'appareil pour la mise en oeuvre du procédé a été beaucoup simplifié et son coût à l'investissement est beaucoup réduit, parce que les appareils de concentration et de distillation nécessaires à la récupération de la glycérine, qui caractérisent les systèmes connus, sont supprimés En outre, le procédé assure la meilleures utilisation possible des matériaux de départ, avec un rendement remarquablement élevé et sans gaspillage de produits secondaires Le savon obtenu est de bonne qualité et sensiblement exempt d'impuretés En outre, l'étape de récupération de glycérine peut s'appliquer économiquement à des systèmes de faible débit aussi bien qu'à des systèmes de grande capacité. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au procédé et au système décrits et représentés sans pour autant sortir du cadre de l'invention. 9 - REVENDICATIONS 1 Procédé continu de saponification, selon lequel des réactifs de départ comprenant des graisses et une solution de soude caustique sont mis en réaction ensemble pour donner du savon et des sous-produits comprenant de la glycérine et de l'eau, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes qui consistent: - à mélanger les réactifs de départ avec 5 à 10 % en poids, par rapport au poids d'ensemble, d'un savon liquide de recyclage ré- sultant dudit procédé pour donner une émulsion de départ, à soumettre l'émulsion à une étape de saponification en acheminant l'émulsion en contact indirect avec un agent chauffant et sous forme de plusieurs courants, à recycler une partie du produit résultant, par exemple ledit savon de recyclage, en l'introduisant à nouveau dans l'étape du mélange, et à soumettre le reste du produit résultant de l'étape de saponification à une opération de séparation pour récupérer le savon et, à titre de sous-produits, de la glycérine et de l'eau. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de mélange et d'émulsionnement s'effectue en fournis- sant les réactifs et le savon de recyclage sous forme de jets orientés perpendiculairement l'un par rapport à l'autre. 3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de saponification s'effectue en faisant passer l'émulsion dans une pluralité de conduits annulaires ( 50) dont l'épaisseur de la sec- tion de passage se situe entre 3 et 8 mm, tandis que l'agent chauffant circule intérieurement et extérieurement aux conduits annulaires ( 50). 4 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que l'étape de saponification s'effectue en deux phases successives en faisant traverser, par ladite émulsion, d'abord un premier ensemble de conduits annualires ( 50) à une température entre 150 et 250 WC et sous une pression de 15 à 20 kg/cm et, ensuite, un second ensemble de conduits annulaires ( 50) à une température com- prise entre 260 et 3001 C et sous une pression réduite de 4 à 6 kg/cm. 10136 - Procédé selon la revendication 3 ou la revendication 4, caractérisé en ce que les conduits annulaires ( 50) ont un orifice de passage d'une épaisseur d'environ 5 mm. 6 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'agent chauffant est constitué par la vapeur d'eau. 7 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de séparation comprend la distillation rapide sous vide du produit provenant de l'étape de saponification à une température de 150 à 200 'C et sous une pression de 20 à 40 mm Hg en vue de l'élimina- tion de la glycérine et de l'eau et de la récupération du savon. 8 Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la distillation rapide s'effectue par pulvérisation du produit de sa- ponification sous forme de couche mince sur les parois ( 12) d'une chambre ( 13). 9 Procédé selon l'une des revendications 7 ou 8, caracté- risé en ce qu'il comprend une étape supplémentaire dans laquelle le savon provenant de l'étape de séparation est mélangé à de l'eau par pulvérisation du mélange sur les parois d'une chambre sous vide ( 15) afin d'obtenir un savon final d'une teneur en eau comprise entre et 30 % en poids. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend en outre les étapes qui consistent à soumettre le mélange de glycérine et de l'eau en phase gazeuse prove- nant de l'étape de séparation à au moins une étape de condensation pour récupérer de la glycérine liquide et à soumettre le reste de la phase gazeuse à au moins une étape de condensation supplémentaire pour récupérer de l'eau fraîche. 11 Réacteur destiné à la saponification continue de grais- ses avec de la soude caustique, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de paires de tubes concentriques ( 31, 32) disposés à l'in- térieur d'une enveloppe ( 33), des conduits, délimités entre les tubes intérieur et extérieur respectifs de chaque paire, étant traversés par le mélange réactif de saponification, tandis que l'espace ( 36) à l'intérieur de l'enveloppe ( 33) entre les paires de tubes ( 31, 32) et l'espace à l'intérieur du tube intérieur de chacune des paires de tu- il - bes concentriques sont traversés par un agent chauffant en contact in- direct avec le mélange de réaction. 12 Réacteur selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'épaisseur des conduits ( 50), c'est-à-dire la différence entre les rayons d'un tube extérieur respectif ( 31) et le rayon d'un tube intérieur respectif ( 32) concentrique à celui-ci, se situe entre 3 et 8 mm. 13 Réacteur selon la revendication 12, caractérisé en ce que ladite épaisseur est de 5 mm. 14 Système de saponification comprenant au moins un réac- teur de saponification selon l'une quelconque des revendications 1 à 13. Système de saponification selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comprend deux de ces réacteurs disposés en série l'un par rapport à l'autre.