MODÉLISATION ET DÉVELOPPEMENT D’UN CODE DE CALCUL POUR LA SIMULATION DE CONVERTISSEURS SO2/SO3

Belkacem Abdous, Lhachmi Kamar, Omari Lhoussaine

Direction de Recherche et Développement, OCP S.A.

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SOMMAIRE

1.Introduction

2.Modélisation de la conversion SO2, SO3

3.Application informatique

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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

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SIMULATEURS SNC-LAVALIN

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PRINCIPALES OPÉRATIONS UNITAIRES

Fusion Combustion Conversion Absorption

Vapeur Air Eau

H2SO4Chaleur Chaleur Chaleur

Soufre (solide)

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SCHÉMA DU PROCÉDÉ DE FABRICATION DE H2SO4

Oxydation

Combustion

Absorption

CONVERSION SO2/SO3: OBJECTIF

Déterminer le trajet adiabatique permettant d’optimiser le taux de conversion du soufre liquide et la quantité de catalyseur requise

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ÉCOULEMENT DANS UN LIT DE GRAINS(SOURCE TI)

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MÉCANISME RÉACTIONNEL(SOURCE TI)

diffusion de SO2 et de l’oxygène à la surface du catalyseur ;

cheminement dans les pores du catalyseur ;

adsorption sur les centres actifs;

réaction chimique de SO2 absorbé avec O2 ;

cheminement en sens inverse à travers les pores ;

désorption des produits de réaction ;

diffusion dans le flux gazeux.

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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:5. Unidimensionnel (HT1) : Résistance Externe + (PH1)6. Unidimensionnel (HT2) : Résistance Interne + (HT1)7. Bidimensionnel: Gradients radiaux +(HT2)

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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.

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u : Vitesse du fluide en fût vide ;

Ce :concentration du SO2

T : température locale du mélange réactionnel et du lit catalytique

rw: 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 ;

dp : diamètre équivalent du grain catalytique

∆H = Enthalpie de la réaction ;

f : Coefficient de friction de Darcy (perte de charge) ;

ρa : masse volumique apparente garnissage (lit) : ρa=ρb(1-ε) ;

ε = Porosité externe de garnissage ;

Cp = Capacité thermique massique du mélange réactionnel.

MODÈLE PSEUDO-HOMOGÈNE

Base+ Dispersion axiale

MODÈLE PSEUDO-HOMOGÈNE

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DISPERSIONS AXIALE & RADIALE

MODÈLE HÉTÉROGÈNE

• S’applique lorsque la résistance externe est non négligeable (fe>5%).

• Distinguer les 2 cas: avec et sans résistance interne

fs’ <1% et > 1%

• Tenir compte du transfert de la matière et de la chaleur entre les 2 phases

MODÈLE HÉTÉROGÈNE

Phase gazeuse: Piston idéal + résistance externe

MODÈLE HÉTÉROGÈNE

Phase solide: sans résistance interne

Phase solide: avec résistance interne

MODÈLE HÉTÉROGÈNE

Reste le cas avec dispersion radiale…

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CINÉTIQUE DE LA RÉACTION

COEFFICIENT DE FRICTION

RÉSOLUTION NUMÉRIQUE

Diverses solutions pour résoudre ce type d’équations

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APPLICATION « MATLAB »

Interface « utilisateur »

Interface (MDI) Bases de données Modèles phénoménologiques

Moteur de calcul

Interfaces d’impression et de stockage des résultats

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INTERFACE UTILISATEUR

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DIAGRAMME D’ÉQUILIBRE SO2/SO3

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SIMULATION DE LA SYNTHÈSE DE SO3

Exemple : réacteur à trois lits catalytiques en série avec des refroidissements intermédiaires du gaz

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TEMPÉRATURE VS ÉPAISSEUR DU LIT

Calcul des profils de température en fonction des épaisseurs des trois lits

PRESSION VS ÉPAISSEUR

calcul des profils de la pression en fonction des épaisseurs des trois lits

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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, 2010.

B. Vidon, Calcul des réacteurs catalytiques, Production d’anhydride sulfurique. Techniques de l’Ingénieur, Référence J4030, 1982.

H Clément, Acide sulfurique H2SO4, Techniques de l’Ingénieur, Référence J6095, 1992.

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