MODÉLISATION ET DÉVELOPPEMENT D UN CODE DE CALCUL POUR LA SIMULATION DE CONVERTISSEURS SO 2 /SO 3

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1 MODÉLISATION ET DÉVELOPPEMENT D UN CODE DE CALCUL POUR LA SIMULATION DE CONVERTISSEURS SO 2 /SO 3 Belkacem Abdous, Lhachmi Kamar, Omari Lhoussaine Direction de Recherche et Développement, OCP S.A.

2 SOMMAIRE 1.Introduction 2.Modélisation de la conversion SO2, SO3 3.Application informatique 2 2ND INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON INNOVATION AND TECHNOLOGY IN THE PHOSPHATE INDUSTRY [SYMPHOS 2013]

3 ACTIVITÉS DE L UMS Modélisations Phénoménologique; Empirique; Moléculaire Phosphorique Sulfurique Engrais Mine Environnement Simulation Statique Dynamique Applications informatiques Optimisation Maîtrise statistique des procédés (MSP) Intégration énergétique Optimisation de la consommation des utilités 3 2ND INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON INNOVATION AND TECHNOLOGY IN THE PHOSPHATE INDUSTRY [SYMPHOS 2013]

4 SIMULATEURS SNC-LAVALIN 4

5 PRINCIPALES OPÉRATIONS UNITAIRES Vapeur Air Eau Fusion Combustion Conversion Absorption Soufre (solide ) Chaleur Chaleur Chaleur H 2 SO 4 5 2ND INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON INNOVATION AND TECHNOLOGY IN THE PHOSPHATE INDUSTRY [SYMPHOS 2013]

6 SCHÉMA DU PROCÉDÉ DE FABRICATION DE H2SO4 Combustion Oxydation Absorption

7 CONVERSION SO2/SO3: OBJECTIF Déterminer le trajet adiabatique permettant d optimiser le taux de conversion du soufre liquide et la quantité de catalyseur requise 2ND INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON INNOVATION AND TECHNOLOGY IN THE PHOSPHATE INDUSTRY [SYMPHOS 2013]

8 ÉCOULEMENT DANS UN LIT DE GRAINS (SOURCE TI) 8 2ND INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON INNOVATION AND TECHNOLOGY IN THE PHOSPHATE INDUSTRY [SYMPHOS 2013]

9 MÉCANISME RÉACTIONNEL (SOURCE TI) 9 diffusion de SO 2 et de l oxygène à la surface du catalyseur ; cheminement dans les pores du catalyseur ; adsorption sur les centres actifs; réaction chimique de SO 2 absorbé avec O 2 ; cheminement en sens inverse à travers les pores ; désorption des produits de réaction ; diffusion dans le flux gazeux.

10 MODÈLES PHÉNOMÉNOLOGIQUES Modèles pseudo-homogènes: 1. Unidimensionnel (PH1) : Piston idéal 2. Unidimensionnel: Dispersion axiale + (PH1) 3. Bidimensionnel : Gradients radiaux + (PH1) 4. Bidimensionnel : axiale + radiale + (PH1) Modèles Hétérogènes: 1. Unidimensionnel (HT1) : Résistance Externe + (PH1) 2. Unidimensionnel (HT2) : Résistance Interne + (HT1) 3. Bidimensionnel: Gradients radiaux +(HT2) 10 2ND INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON INNOVATION AND TECHNOLOGY IN THE PHOSPHATE INDUSTRY [SYMPHOS 2013]

11 MODÈLE PSEUDO-HOMOGÈNE Hypothèses du modèle: Localement Égalité des concentrations des réactifs au sein du fluide et sur la surface de solide Égalité de la température du fluide réactionnel et du solide catalytique.

12 u : Vitesse du fluide en fût vide ; C e :concentration du SO2 T : température locale du mélange réactionnel et du lit catalytique r w : Vitesse de la réaction rapportée à l unité de volume du grain catalytique p : Pression du mélange réactionnel ; U : Coefficient de transfert de chaleur globale fluide-paroi f : Diamètre intérieur du réacteur ; d p : diamètre équivalent du grain catalytique H = Enthalpie de la réaction ; f : Coefficient de friction de Darcy (perte de charge) ; ρ a : masse volumique apparente garnissage (lit) : ρ a =ρ b (1-ε) ; ε = Porosité externe de garnissage ; Cp = Capacité thermique massique du mélange réactionnel. 12

13 MODÈLE PSEUDO-HOMOGÈNE Base+ Dispersion axiale

14 MODÈLE PSEUDO-HOMOGÈNE

15 DISPERSIONS AXIALE & RADIALE 15

16 MODÈLE HÉTÉROGÈNE S applique lorsque la résistance externe est non négligeable (f e >5%). Distinguer les 2 cas: avec et sans résistance interne f s <1% et > 1% Tenir compte du transfert de la matière et de la chaleur entre les 2 phases

17 MODÈLE HÉTÉROGÈNE Phase gazeuse: Piston idéal + résistance externe

18 MODÈLE HÉTÉROGÈNE Phase solide: sans résistance interne Phase solide: avec résistance interne

19 MODÈLE HÉTÉROGÈNE Reste le cas avec dispersion radiale 2ND INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON INNOVATION AND TECHNOLOGY IN THE PHOSPHATE INDUSTRY [SYMPHOS 2013]

20 CINÉTIQUE DE LA RÉACTION

21 COEFFICIENT DE FRICTION

22 RÉSOLUTION NUMÉRIQUE Diverses solutions pour résoudre ce type d équations 2ND INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON INNOVATION AND TECHNOLOGY IN THE PHOSPHATE INDUSTRY [SYMPHOS 2013]

23 APPLICATION «MATLAB» Interface «utilisateur» Modèles phénoménologiques Interface (MDI) Bases de données Moteur de calcul Interfaces d impression et de stockage des résultats 23

24 24

25 INTERFACE UTILISATEUR 25

26 DIAGRAMME D ÉQUILIBRE SO 2 /SO 3 26

27 SIMULATION DE LA SYNTHÈSE DE SO 3 Exemple : réacteur à trois lits catalytiques en série avec des refroidissements intermédiaires du gaz 27

28 TEMPÉRATURE VS ÉPAISSEUR DU LIT Calcul des profils de température en fonction des épaisseurs des trois lits 28

29 PRESSION VS ÉPAISSEUR calcul des profils de la pression en fonction des épaisseurs des trois lits

30 BIBLIOGRAPHIE P. Pacquiez, Évolution de la fabrication de l acide sulfurique pendant les trente dernières années. L Industrie chimique (extraits) (1960 à 1963). G.F. Froment, K.B., Bischoff, and De Wild, J. Chemical Reactor Analysis and Design. John Wiley, New York, B. Vidon, Calcul des réacteurs catalytiques, Production d anhydride sulfurique. Techniques de l Ingénieur, Référence J4030, H Clément, Acide sulfurique H 2 SO 4, Techniques de l Ingénieur, Référence J6095,

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