Méthodes de calcul d’un réacteur
Calcul des réacteurs catalytiques - Production de trioxyde de soufre

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Méthodes de calcul d’un réacteur
Calcul des réacteurs catalytiques - Production de trioxyde de soufre

Auteur(s) : Gérard HUSTACHE

Date de publication : 10 déc. 1997 | Read in English

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Sommaire
Médias

Présentation

1 - Conversion de SO2 en SO3

1.1 - Bases thermodynamiques de la réaction : courbes d’équilibre
1.2 - Caractéristiques des catalyseurs
1.3 - Conséquences sur la conception des réacteurs

2 - Principe du calcul des réacteurs industriels

2.1 - Définition de l’objectif
2.2 - Équation de base
2.3 - Équations de vitesse de réaction

Figure 5 - Courbes d’isovitesse
2.4 - Réacteur idéal
2.5 - Réacteurs industriels

3 - Méthodes de calcul d’un réacteur

3.1 - Choix de la composition du gaz et des moyens de refroidissement
3.2 - Méthodes utilisant les équations de vitesse

Tableau 1 Tableau 2 Tableau 3
3.3 - Méthode expérimentale : courbes isovolumes

Figure 9 - Courbes isovolumes
3.4 - Optimisation des conditions de fonctionnement

4 - Technologie et exploitation des réacteurs industriels

4.1 - Hydrodynamique
4.2 - Matériaux
4.3 - Paramètres de contrôle d’un réacteur
4.4 - Exploitation d’un réacteur catalytique
4.5 - Risques liés à la manipulation du catalyseur

5 - Exemple de calcul d’un réacteur industriel

5.1 - Données du problème
5.2 - Bilans matières et thermique
5.3 - Quantité de catalyseur réparti en 4 lits

Tableau 4 Tableau 5 Tableau 6 Tableau 7 Tableau 8 Tableau 9 Tableau 10 Tableau 11 Tableau 12
5.4 - Dimensionnement du réacteur

Tableau 13

Bibliographie & annexes

Présentation

Auteur(s)

Gérard HUSTACHE : Ingénieur ICPI (Institut de Chimie et Physique Industrielles de Lyon) - Ingénieur Procédé à Rhône-Poulenc

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INTRODUCTION

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

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-j4030

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3. Méthodes de calcul d’un réacteur

3.1 Choix de la composition du gaz et des moyens de refroidissement

Le gaz industriel disponible est issu, dans la presque-totalité des cas, de la combustion du soufre ou d’un minerai métallique sulfuré ou de la décomposition d’acide sulfurique.

Les techniques de grillage et les contraintes qui leur sont liées font que, quelle que soit la nature de la matière première, on peut dire que la teneur en SO₂ du gaz varie entre 7 et 12 % en volume à la sortie de la section de combustion.

Par contre, la teneur en oxygène varie de 9 à 11 % dans le cas de la combustion du soufre à 3 ou 4 % dans le cas de celle de la pyrite.

Pour les gaz ex-pyrite ou ex-blende, la teneur en oxygène est insuffisante pour permettre, même du seul point de vue théorique, la transformation totale de SO₂ en SO₃. Il faut donc apporter de l’oxygène complémentaire, cela par dilution du gaz de grillage par de l’air.

Au-delà de l’apport d’oxygène stoechiométriquement nécessaire, toute augmentation du taux de dilution repousse la courbe d’équi-libre vers la droite du plan (x, T). Dès lors que ce n’est plus la température limite d’utilisation du catalyseur qui conditionne la progression du cheminement adiabatique, mais au contraire la position de la courbe d’équilibre, tout déplacement de celle-ci par dilution augmente le taux de conversion qu’il est possible d’obtenir sur un lit donné, et par conséquent peut conduire à diminuer le nombre total de lits pour un taux de conversion final donné.

Il a été vu au paragraphe 1.34 que les réacteurs dit à double catalyse permettraient de limiter les taux de conversion de chacun des réacteurs à des valeurs inférieures à 95 %. Il ne devient plus nécessaire de ce fait de repousser les courbes d’équilibre correspondantes aussi loin vers la droite dans le domaine de travail soit par augmentation de la pression, soit par dilution par de l’air.

Les réacteurs dits à double catalyse permettent donc de travailler avec des gaz plus concentrés en SO₂, que les réacteurs dits à simple catalyse.

Des considérations de bilan thermique de l’ensemble du réacteur et de ses annexes imposent par ailleurs de travailler avec des gaz contenant environ 9 % de SO₂ en volume, pour les réacteurs à double catalyse traitant des gaz de grillage de pyrite. La teneur en oxygène correspondante est d’environ 8,5 %...