Cristallisation du bicarbonate de sodium : étude pratique et théorique

Sodium bicarbonate crystallization : theoretical and practical study

• Auteur / Autrice : Antoine Gérard
• Direction : Hervé Muhr, Edouard Plasari
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés et des produits
• Date : Soutenance le 18/06/2014
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : RP2E - Ecole Doctorale Sciences et Ingénierie des Ressources, Procédés, Produits, Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire réactions et génie des procédés
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Gruy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dominique Jacob
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabienne Espitalier, Denis Mangin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Procédés chimiques

Nucléation

Croissance cristalline

Cristallisation

Bicarbonate de soude

Mots clés libres

Cristallisation

Bicarbonate de sodium

Additif

Calcium

Croissance

Nucléation

Crystallization

Sodium Bicarbonate

Additive

Calcium

Growth

Nucleation

Résumé

Récemment, il y a une demande accrue pour des cristaux de bicarbonate de sodium de propriétés d'usage spécifiques. Dans l'étude présentée, la réaction de cristallisation du bicarbonate de sodium est abordée et s'effectue dans un milieu triphasique dans lequel interviennent de nombreux phénomènes tels que le transfert de matière, la nucléation et la croissance cristalline. L'objectif de ce travail est d'étudier l'impact des paramètres opératoires, des additifs et de la technologie du réacteur sur la cristallisation du bicarbonate de sodium afin d'obtenir des cristaux avec une taille importante et une masse volumique apparente non tassée élevée. Les essais réalisés dans un réacteur ouvert de type MSMPR (Mixed Suspension Mixed Product Removal) ont permis d'optimiser les conditions opératoires du procédé et ont montré que l'ajout de calcium par le biais d'une solution de chlorure de calcium dans le milieu réactionnel améliore sensiblement la morphologie des cristaux, réduit la vitesse de nucléation tout en influençant légèrement la vitesse de croissance cristalline. Lorsque du polystyrène sulfonate de sodium (NaPSS) est ajouté au chlorure de calcium, sont obtenus des cristaux encore plus compacts avec des surfaces plus lisses et des arêtes marquées. A contrario, l'utilisation d'additifs chelatant le calcium comme le citrate de calcium dégrade la qualité des cristaux de bicarbonate de sodium et est donc proscrite pour une utilisation industrielle car les étapes de filtration et de séchage sont plus difficiles. Enfin, le passage d'un réacteur MSMPR à un réacteur à lit fluidisé a conduit, dans des conditions opératoires identiques, à une amélioration notable de la qualité du produit fini en produisant des cristaux avec une morphologie relativement sphérique et une taille importante

Recently, there is an increased demand for sodium bicarbonate crystals with specific properties. In the present study, the crystallization reaction of sodium bicarbonate is performed in a three-phase medium in which many phenomena such as mass transfer, nucleation and crystal growth occurred. The objective of this work is to study the impact of operating parameters, additives and reactor technology on the crystallization of sodium bicarbonate in order to obtain crystals with important size and high bulk density. The experiments carried out in a MSMPR (Mixed Suspension Mixed Product Removal) reactor have shown that the addition of calcium through a calcium chloride solution in the reaction mixture improves the crystal morphology, reduces the nucleation rate and weakly influences the crystal growth rate. When a mixture of sodium polystyrene sulfonate (NaPSS) and calcium chloride is used, more compact crystals with smoother surfaces and marked edges are obtained. Conversely, the use of calcium chelating additives such as calcium citrate affects the quality of sodium bicarbonate crystals and thus is prohibited for industrial use because the filtration and drying steps are much more difficult. Finally, the transposition from a MSMPR reactor to a fluidized bed reactor allows, under the same operating conditions, a significant improvement of the solid quality by producing big spheroidal particles