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Auteur(s)
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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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5. Exemple de calcul d’un réacteur industriel
Nous allons dimensionner un réacteur catalytique à partir de la méthode utilisant les équations de vitesse.
5.1 Données du problème
Type d’unité : double absorption (2 + 2). Combustion du soufre avec refroidissement par injection d’air entre le 3e et le 4e lit.
a = 12 % volumique de SO2 dans le gaz.
b = 9 % volumique de O2 dans le gaz.
x (%) est le taux de conversion.
Production : 300 t/j d’acide sulfurique à 100 %.
Rendement global : 99,3 %.
La composition des gaz à l’entrée du convertisseur est la sui-vante :
-
SO2 2 877 Nm3/h (soit 12 % en volume) ;
-
O2 2 158 Nm3/h (soit 9 % en volume) ;
-
N2 18 943 Nm3/h (soit 79 % en volume).
Débit total de gaz : 23 978 Nm3/h.
Pour le 1er lit, on fixe la température d’entrée du gaz à 430 C et le rendement cumulé à 53 %.
Pour le 2e lit, on fixe la température d’entrée du gaz à 440 C et le rendement à 81 %.
La température des gaz entrant dans les 3e et 4e lits est de 425 C. Les rendements cumulés des 3e et 4e lits sont respectivement de 91,65 % et 99,3 %.
HAUT DE PAGE5.2 Bilans matières et thermique
Les bilans matières et thermique déterminent respectivement la composition du gaz et la température du gaz à la sortie de chaque lit. Le tableau 4 regroupe toutes les valeurs. Les pertes calorifiques pour dresser le bilan thermique ont été estimées à 1 %.
HAUT DE PAGE5.3 Quantité de catalyseur réparti en 4 lits
Il convient, tout d’abord, de calculer la courbe d’équilibre....
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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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