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Auteur(s)
-
Gérard HUSTACHE : Ingénieur ICPI (Institut de Chimie et Physique Industrielles de Lyon) - Ingénieur Procédé à Rhône-Poulenc
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Lire l’articleINTRODUCTION
Le tétraoxosulfate de dihydrogène, de formule H2SO4, plus couramment appelé acide sulfurique, est obtenu par synthèse à partir d’une matière première contenant du soufre, qui peut être soit le soufre lui-même, soit le gaz H2S sous-produit de certaines réactions chimiques, soit un sulfure métallique, soit des acides résiduaires.
Les principaux sulfures métalliques naturels industriels sont :
-
la pyrite FeS2, utilisée comme source de soufre, l’élément fer obtenu sous forme d’oxyde étant un sous-produit ;
-
la blende ZnS ;
-
la galène PbS ;
-
la chalcopyrite CuFeS2.
Ces trois derniers sont traités en vue d’obtenir le métal correspondant et dans lequel le soufre est un élément à éliminer : cette élimination se fait actuellement sous forme d’acide sulfurique.
Pour la fabrication de l’acide sulfurique, on distingue successivement :
– la production du dioxyde de soufre SO2, par combustion du soufre ou de H2S dans l’air ou par grillage oxydant des sulfures métalliques ou décomposition d’acides résiduaires dans un four ; le gaz obtenu a une teneur en SO2 variant de 7 à 12 % en volume et une teneur en oxygène variant de 4 à 13 % en volume ;
– dans le cas du grillage de minerai métallique et de décomposition d’acides résiduaires, une purification du gaz obtenu précédemment ;
– une réaction de catalyse hétérogène pour oxyder le dioxyde de soufre SO2 en trioxyde de soufre SO3 ;
– une absorption du trioxyde de soufre SO3 dans l’acide sulfurique concentré (98 % en masse), pour conduire de manière ménagée la réaction d’une molécule d’eau et d’une molécule de SO3 conduisant à l’acide sulfurique.
La réaction d’oxydation du dioxyde de soufre est l’étape clé du procédé et fait l’objet du présent article qui présente les éléments de calcul des lits catalytiques des réacteurs. Ceux-ci fonctionnant généralement à une pression proche de la pression atmosphérique, donc pour simplifier les calculs, les pressions sont exprimées, dans ce qui suit, en atmosphère (unité non légale : 1 atm = 1,013 x 105 Pa).
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- Version archivée 1 de sept. 1982 par Bruno VIDON
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1. Conversion de SO2 en SO3
1.1 Bases thermodynamiques de la réaction : courbes d’équilibre
Les caractéristiques thermodynamiques de la réaction chimique elle-même déterminent la conduite industrielle de la conversion du dioxyde de en trioxyde de .
La réaction d’oxydation :
est une réaction d’équilibre, fortement exothermique. La valeur de l’enthalpie de réaction ΔH 298 varie, suivant les auteurs, de 91,7 à 98,8 kJ/mol SO3, et même plus. Une valeur assez souvent retenue est 94,6 kJ/mol SO3.
A cette réaction s’appliquent toutes les lois des équilibres chimiques, en particulier :
-
l’augmentation de la pression favorise la formation de SO3 ;
-
l’augmentation de la température limite la formation du SO3 ;
-
l’excès de l’un des réactifs favorise la consommation totale de l’autre, un excès d’oxygène favorise donc l’élimination complète du SO2 et le rendement de la réaction augmente ;
-
l’extraction du SO3 formé favorise la réaction d’oxydation.
Le taux de conversion du SO2 en SO3 est défini par le rapport :
Pour un mélange réactionnel de composition donnée, à une pression donnée, le plan (taux de conversion, température) est divisé en deux par une courbe dite d’équilibre le long de laquelle la vitesse de la réaction est nulle. A gauche de la courbe se situe le domaine d’oxydation de SO2 et à droite de la courbe le domaine de décomposition de SO3.
La figure 1 représente la courbe d’équilibre pour un mélange réactionnel obtenu à partir de la combustion du soufre, ainsi que son évolution en fonction de l’augmentation de la pression de 1 atm jusqu’à 8 atm.
La figure 2 montre le déplacement de la courbe d’équilibre précédente à la pression de 1 atm, pour différents taux de dilution du mélange...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - WEYCHERT (S.) et URBANEK (A.) - Kinetic equations for the catalytic oxidation of sulfur dioxide. - Inter. Chem. Engng (USA) 9, n 3, 1969, p. 396.
-
(2) - PACQUIEZ (P.) - Évolution de la fabrication de l’acide sulfurique pendant les trente dernières années. - Industrie Chim. (F) mars 1960, août 1961, mars 1962, janv. 1963, fév. 1963, juil. 1963, nov. 1963.
-
(3) - KELLEY (K.K.) - * - US Bureau of Mines Bulletin. p. 477, 1948.
-
(4) - HORN (F.) - Calcul des réacteurs adiabatiques à plusieurs compartiments. - Z. Elektrochem (D) 65, n 3, mai 1961, p. 295-303.
-
(5) - PAYNTER (J.D.), DRANOFF (J.S.) et BANKOFF (S.G.) - Suboptimal design of an SO2 oxidation catalytic reactor. - Ind. Eng. Chem. Process Des. Develop. vol. 10, n 2, 1971.
-
(6) - MATROS (YU. SH.) - Unsteady - state oxydation of sulphur...
ANNEXES
1 Constructeurs. Fournisseurs (liste non exhaustive)
1.1 Constructeurs d’unités de H2SO4 clés en main
Chemetics http:/:www.dow.com/hampshire/evans
Lurgi http://www.lurgi.com
HAUT DE PAGE1.2 Dimensionnement des réacteurs
BASF http://www.basf.fr
Haldor Topsoe http://www.haldortopsoe.com
HAUT DE PAGE
BASF http://www.basf.fr
Elf Atochem (Atofina) https://www.arkema.com/france/fr/
Hydro-Agri
Metal Europe
Rhône-Poulenc http://www.rhone-poulenc.com
Société chimique de la grande paroisse
Vieille-Montagne
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