Pfe daryf & semlali

Projet de Fin d’Etudes

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Projet de fin d’études

Royaume du Maroc

Université Cadi Ayyad

Ecole Nationale des Sciences Appliquées

de Safi

Département : Génie Industriel

N° d’ordre : 2012/G.PMC/P5

MÉMOIRE

de

PROJET DE FIN D’ÉTUDES

Pour l’obtention du diplôme :

INGENIEUR D’ÉTAT

En Génie des Procédés et Matériaux Céramiques

Présenté par :

Jihad DARYF

Rachid SEMLALI EL IDRISSI

Projet réalisé à :

Groupe Office Chérifien des Phosphates – Maroc Phosphore Safi

Soutenu le : 03/07/2012

Devant le jury composé de :

Nom et prénom

Qualité Etablissement d’attache

Fahd OUDRHIRI HASSANI

Younes ABOULIATIM

M.BOUKHATEM

Enseignant-chercheur



ENSA – Safi

ENSA – Safi

ENSA – Safi

Thème :

Optimisation de la désulfatation-décantation de l’acide

phosphorique des lignes Nissan à Maroc Phosphore I


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REMERCIEMENTS

Au terme de ce projet de fin d’études, nous tenons tout d’abord à adresser

nos sincères remerciements à M. MAHROU, chef de la division Maroc

Phosphore I, qui nous a donné la possibilité de réaliser notre travail au sein du

service stockage et expédition.

Nous remercions également, notre responsable de stage à l'OCP,

M. LECHGAR, chef du service stockage et expédition ainsi que notre

encadrant à l'ENSA de Safi M. OUDRHIRI, qui sans eux, ce projet n’aurait

pas vu le jour.

Nous ne saurions remercier suffisamment M. LOUHZ, chef de service

phosphorique, pour son aide, ses conseils et son encouragement tout au long de

notre période de stage.

Nos remerciements vont aussi à M. BOUSBOULA, M. ELKARARI et

tout le personnel du service stockage et expédition pour leurs aides, leurs

écoutes et leurs soutiens.

Enfin, à tous ceux qui ont contribué de près ou de loin à l'élaboration de

ce mémoire, qu'ils trouvent ici l'expression de notre profonde gratitude.


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DÉDICACE

A nos parents

A nos frères et sœurs

A tous les membres de nos familles

A tous ceux qui nous sont chers…


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SUJET DE STAGE

La désulfatation de la bouillie d'acide phosphorique est une opération nécessaire pour

répondre aux exigences qualité de nos clients en termes de sulfates libres. Cette opération

entrave la marche des unités filtration Nissan et par voie de conséquence la limitation des

cadences de marche.

Maroc phosphore I envisage la solution de la désulfatation d'acide 30% après

filtration, il est demandé de:

Faire un bilan matière au niveau du décanteur dédié à cette opération de

traitement ;

Déterminer la capacité maximale de désulfatation ;

Optimiser la génération et le recyclage des boues décantées ;

Déterminer la marche optimale avec génération d'un taux de solide conforme au

niveau de l'over flow du décanteur ;

Comparer la désulfatation d'acide 30% à l'atelier de traitement acide 54% de

Maroc Chimie ;

Envisager la production d'acide reconcentré (60% P2O5) destiné au client

FOSBRASIL à base d'un acide produit 30% traité au niveau du décanteur.


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LISTE DES ABRÉVIATIONS

APP: Acide Phosphorique Purifié

CAP: Concentration d’Acide Phosphorique

DAP: Di-Ammonium Phosphate

DCP: Di Calcic Phosphate

IDS: Industrial Direction of Safi

MAP: Mono-Ammonium Phosphate

MCP: Mono Calcic Phosphate

MPI: Maroc Phosphore I

NPK: engrais à base d’azote (N), phosphore(P) et de potassium(K)

OCP: Office Chérifien des Phosphates

PC, MC: Maroc chimie

PP , MPI: Maroc Phosphore I

PM, MPII: Maroc Phosphore II

PI: Infrastructure Portuaire

TSP: Triple Super Phosphate

B.M: Bilan Matière



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LISTE DES FIGURES

Figure 1.1 Schéma de Maroc Phosphore I ..........................................................................

Figure 1.2 Schéma de l'unité broyage .................................................................................

Figure 1.3 Schéma de l'unité réaction .................................................................................

Figure 1.4 Schéma de l'unité filtration ................................................................................

Figure 1.5 Schéma d'un échelon de concentration ..............................................................

Figure 1.6 Schéma du stockage de l'acide phosphorique ....................................................

Figure 1.7 Schéma de l'expédition de l'acide phosphorique ................................................

Figure 1.8 Schéma de l’unité de réaction du procédé Rhône-Poulenc ................................

Figure 2.1 Courbe de sédimentation (h,t) ............................................................................

Figure 2.2 Forces agissantes sur la particule .......................................................................

Figure 2.3 Schéma d’un décanteur circulaire classique ......................................................

Figure 3.1 Unité désulfatation .............................................................................................

Figure 3.2 Désulfatation d’une seule ligne (circuit fermé) .................................................

Figure 3.3 Désulfatation d’une seule ligne (circuit ouvert) .................................................

Figure 3.4 Variation de volume (cm3) en fonction du temps (min) lors de la

sédimentation en éprouvette .................................................................................................

Figure 3.5 Détermination du temps de séjour .....................................................................

Figure 3.6 Détermination du temps de séjour lors du premier essai de décantation ...........

Figure 4.1 Comparaison des courbes de sédimentation avec et sans recyclage des boues..

Figure 4.2 Schéma du décanteur avec recirculation des boues ...........................................

Figure 4.3 Système à étudier ..............................................................................................

Figure 4.4 Résultats selon JMP10 .......................................................................................

Figure 4.5 Effet de l'interaction de deux facteurs sur le taux de solide de l'acide clarifié ..

Figure 4.6.a Cartographie du taux de solide en fonction des facteurs densité et taux de

solide dans l'acide .................................................................................................................

Figure 4.6.b Cartographie du taux de solide en fonction des facteurs densité et taux de

solide dans les boues ............................................................................................................

Figure 4.6.c Cartographie du taux de solide en fonction des facteurs taux de solide dans

l'acide et taux de solide dans les boues ................................................................................

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Figure 5.1 Procédé de fabrication de l'acide phosphorique « FOSBRASIL » ....................

Figure 5.2 Flowsheet de l'atelier TA (Réacteur de désulfatation) .......................................

Figure 5.3 Comparaison entre l’atelier TA de MC et l’unité désulfatation de MP1 ...........

Figure 5.4 Débouchage manuel de conduite .......................................................................

Figure 5.5.a Transfert par débordement ..............................................................................

Figure 5.5.b Transfert via une pompe .................................................................................

Figure 5.6 Doseur de phosphate (Atelier TA) .....................................................................

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LISTE DES TABLEAUX

Tableau 2.1 Composition représentative du phosphate brut G10 et de ses acides 30% et

54% en P2O5 .......................................................................................................................

Tableau 2.2 Analyse des impuretés des différentes qualités du phosphate brut de

Youssoufia .........................................................................................................................

Tableau 2.3 Influence des principales impuretés contenues dans l’acide phosphorique...

Tableau 3.1 Résumé du calcul des taux de sulfates et débits de phosphate .....................

Tableau 3.2 Temps de séjour relatif à chaque essai de sédimentation .............................

Tableau 4.1 Données du plan d’expériences ....................................................................

Tableau 4.2 Matrice d’expériences et leurs réponses .......................................................

Tableau 4.3 Matrice d’expériences et résultats avec les interactions entre les facteurs ...

Tableau 5.1 Exigences du client « FOSBRASIL » au niveau de l'acide phosphorique ...

Tableau 5.2 Comparaison des paramètres de marche .......................................................

Tableau 5.3 Comparaison des équipements .....................................................................

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SOMMAIRE

Introduction générale ......................................................................................................

Chapitre 1: Présentation du groupe OCP & Procédé de fabrication de l'acide

phosphorique

I- Introduction ..................................................................................................................

II- Aperçu général du groupe OCP ................................................................................

II.1- Quelques dates clés ................................................................................................

II.2- Phosphates: Quelques repères ................................................................................

II.3- Diversification des produits de l’OCP ...................................................................

III- Description du Pôle Industriel: Maroc Phosphore Safi ........................................

III.1- Maroc Chimie (IDS/PC) .......................................................................................

III.2- Maroc Phosphore I (IDS/PP) ................................................................................

III.3-Maroc Phosphore II (IDS/PM) ...............................................................................

III.4. Infrastructure portuaire de Safi (IDS/PI) ...............................................................

IV- Procédés de fabrication de l'acide phosphorique ....................................................

IV.1- Procédé Nissan …..................................................................................................

IV.2- Procédé Rhône-Poulenc ........................................................................................

V- Conclusion ...................................................................................................................

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Chapitre 2: Etude bibliographique

I- Introduction ..................................................................................................................

II- Composition et impuretés du phosphate et de l'acide phosphorique ....................

II.1- Composition du phosphate et de l'acide phosphorique ..........................................

II.2- Impuretés dans l'acide phosphorique ......................................................................

III- Sources et influences des impuretés dans l'acide phosphorique .........................

III.1- Sources d’impuretés de l’acide phosphorique ......................................................

III.2- Influence des impuretés de l’acide.........................................................................

IV- Purification de l'acide phosphorique .......................................................................

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IV.1- Raisons de la purification de l’acide phosphorique ..............................................

IV.2- Procédés de purification d’acide phosphorique à l’OCP ......................................

IV.3- Décantation ...........................................................................................................

IV.3.1- Théorie de décantation ..................................................................................

IV.3.2- Théorie de Kynch ..........................................................................................

IV.3.3- Types de suspensions en décantation ............................................................

IV.3.4- Vitesse de sédimentation des particules dans un liquide ..............................

IV.3.5- Exemples des équipements de décantation ...................................................

V- Conclusion ...................................................................................................................

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Chapitre 3: Bilan matière autour de l’unité désulfatation & Capacité maximale de

désulfatation

I- Introduction ..................................................................................................................

II- Bilan matière ...............................................................................................................

II.1- Calcul du taux de sulfates requis ............................................................................

II.2- Calcul du débit de phosphate requis .......................................................................

II.3- Bilan matière ..........................................................................................................

III- Détermination de la capacité maximale de désulfatation-décantation ................

III.1- Essais expérimentaux de décantation ....................................................................

III.2- Détermination du temps de séjour (résolution graphique) ....................................

III.3- Détermination de la capacité maximale de décantation ........................................

III.4- Détermination de la capacité maximale de désulfatation ......................................

IV- Conclusion .................................................................................................................

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Chapitre 4: Optimisation de la décantation de l’acide phosphorique

I- Introduction ..................................................................................................................

II- Importance de la recirculation des boues ................................................................

III- Bilan en matière solide au niveau du décanteur ....................................................

IV- Plan d’expériences factoriel complet .......................................................................

IV.1- Terminologie .........................................................................................................

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IV.2- Objectifs du plan d’expériences ............................................................................

IV.3- Hypothèses ............................................................................................................

IV.4- Système à étudier ..................................................................................................

V- Solutions et améliorations proposées ........................................................................

VI- Conclusion .................................................................................................................

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Chapitre 5: Etude de la possibilité de production de l’acide « FOSBRASIL » à

partir de l’acide clarifié de MPI & Comparaison entre l’unité désulfatation de

MPI et l’atelier TA de Maroc Chimie

I- Introduction ..................................................................................................................

II- Acide « FOSBRASIL » ..............................................................................................

II.1- Présentation du client « FOSBRASIL » .................................................................

II.2- Production de l'acide « FOSBRASIL » ..................................................................

III- Comparaison entre l’unité désulfatation de MP1 et l’atelier TA de MC ............

III.1- Présentation de l’unité TA de Maroc Chimie .......................................................

III.2- Comparaison entre l’atelier TA de MC et l’unité désulfatation de MPI ..............

III.3- Points à améliorer au niveau de la désulfatation de MP1 .....................................

III.3.1- Installation d'un cyclone avant le réacteur de désulfatation ............................

III.3.2- Installation d'une pompe de transfert entre le réacteur et le décanteur ............

III.3.3- Installation d'un doseur de phosphate ..............................................................

IV- Conclusion .................................................................................................................

Conclusion générale .........................................................................................................

Références bibliographiques ...........................................................................................

Annexe .............................................................................................................................

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INTRODUCTION GÉNÉRALE

Ces dernières décennies, il s’est développé une prise de conscience de l’importance

des équilibres écologiques menacés par la pollution industrielle. Un nouvel état d’esprit

préside : les entreprises cherchent à satisfaire les exigences des clients vis-à-vis des

impuretés présentes dans leurs produits.

Parmi ces entreprises l’Office Chérifien des Phosphates (OCP), leader mondial sur le

marché du phosphate et ses produits dérivés, veille à réduire les impuretés contenues dans

ses produits principalement l’acide phosphorique.

Dans cette optique, Maroc Phosphore I (MPI) s’intéresse à la purification de l’acide

phosphorique produit par voie humide. Ce milieu contient plusieurs impuretés en particulier

les sulfates libres. Afin d’éliminer ces sulfates, l’atelier phosphorique Nissan de MPI adopte

un procédé de désulfatation suivie d’une décantation.

Dans ce contexte, s’inscrit notre projet intitulé «Optimisation de la désulfatation-

décantation de l’acide phosphorique des lignes Nissan à Maroc Phosphore I ».

Ce travail est divisé en cinq chapitres dont le premier est consacré à la présentation du

groupe OCP et le procédé de fabrication d’acide phosphorique dans MPI.

Ensuite, en deuxième chapitre, nous définirons dans une revue de littérature les

différentes impuretés susceptibles de nuire à la qualité de l’acide phosphorique parmi

lesquelles les sulfates libres. Puis, nous allons aborder l’opération de désulfatation-

décantation permettant d’éliminer les sulfates libres et de débarrasser l’acide désulfaté du

solide pour avoir un acide clarifié.

La désulfatation consiste à ajouter du phosphate à l'acide phosphorique produit afin de

diminuer le taux de sulfates. Un bilan matière autour de l'unité désulfatation est établi dans

le troisième chapitre afin de connaître la quantité exacte de phosphate à ajouter. En outre,

des essais expérimentaux seront réalisés visant à visualiser le comportement du mélange

dans le décanteur.


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En quatrième chapitre, nous allons montrer d’une part l’importance du recyclage des

boues dans le décanteur et d’autre part nous allons utiliser comme outil les plans

d’expériences pour modéliser et optimiser le taux de solide dans l’acide clarifié à la sortie du

décanteur.

Enfin, le dernier chapitre sera consacré à étudier la possibilité de produire un acide

phosphorique destiné au client « FOSBRASIL » dans l'unité de désulfatation de MP1. Pour

réussir cette étude, il serait nécessaire de réaliser une comparaison entre cette unité et

l'atelier "Traitement d'Acide" de Maroc Chimie afin d’apporter quelques points

d’amélioration au niveau de l'unité de MPI.


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CHAPITRE 1

Présentation du groupe OCP

&

Procédé de fabrication de l’acide phosphorique


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I. Introduction

L'acide phosphorique est un composé chimique qui présente une grande importance au

niveau industriel car il intervient dans de nombreuses applications telles que la fabrication

des engrais phosphatés, le traitement des surfaces métalliques, la synthèse organique, la

fabrication des détergents, l'industrie alimentaire, etc.

De par son importance dans cette étude, le processus de production de l'acide

phosphorique est décrit plus en détail dans ce premier chapitre. Cependant, avant de

présenter cette description il est utile de présenter le groupe OCP qui est la société

responsable de la fabrication de l'acide phosphorique au Maroc.

II. Aperçu général du groupe OCP

Leader mondial sur le marché du phosphate et ses produits dérivés, créé en 1920 en

tant qu’office devenu société anonyme en 2008, l’OCP est spécialisé dans l’extraction, la

valorisation et la commercialisation du phosphate et ses produits dérivés.

L'OCP a pour mission de maximiser la contribution globale des ressources

phosphatières au développement national dans le respect de ses responsabilités sociétales et

environnementales.

Ses 90 ans d’expérience dans la mine et 45 ans dans la chimie lui permettent d’offrir

l’une des plus larges gammes de roche de phosphate pour divers usages.

L'OCP joue un rôle économique et social important dans les six régions du Maroc où

se trouvent ses quatre centres miniers et ses deux centres industriels : Benguerir, Khouribga,

Laâyoune, Youssoufia, Jorf Lasfar et Safi. Il y crée richesses et emplois, y dispense des

formations, s’y approvisionne ou sous-traite auprès d’un réseau dense d’entreprises locales

qu’il contribue parfois à créer [1].

II.1.Quelques dates clés

1920 : Création, le 7 Août, de l’Office Chérifien des Phosphates (OCP)

1921 : Début de l’exploitation minière (Khouribga)

1921 : Première exportation de phosphate (Casablanca)


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1965 : Début des opérations chimiques (Safi)

1975 : Création du Groupe OCP

1998 : Début de la production d’acide phosphorique purifié (Jorf Lasfar)

2008 : Le Groupe OCP devient OCP S.A.

II.2.Phosphates : Quelques repères

>>Le phosphore, dont le minerai de phosphate est riche, est essentiel à toute forme de

vie : il ne peut y avoir d’ADN sans phosphore. Environ 1% du poids d’un être humain est

composé de phosphore, entretenu par les aliments absorbés et se fixant, notamment, dans les

cellules, où il sert de support à l’énergie, et dans les os et les dents.

>>Environ 85% de l’utilisation des phosphates concernent la production d’engrais, le

reste étant à usage industriel et d’additifs alimentaires.

>>Les principales réserves de minerai de phosphate dans le monde proviennent de

dépôts sédimentaires des bassins océaniques préhistoriques, où la vie marine prospérait.

Elles sont estimées à plusieurs siècles d’exploitations pour le Maroc, détenteur des

premières réserves mondiales.

>>Au-delà de l’eau et du rayonnement solaire, les plantes ont un besoin vital de trois

composants essentiels à leur développement harmonieux : l’azote (N), le phosphore (P) et le

potassium (K). Les terres arables contiennent naturellement, dans des proportions très

variables, ces trois éléments. Jusqu’aux premières décennies du XXe siècle, la croissance de

la production agricole ne nécessitant pas d’apports importants de ces éléments (au-delà du

séculaire fumier). Entre 1900 et 2000, la production agricole mondiale a augmenté de 600%.

Désormais, entre 40 et 60% de la production agricole mondiale nécessitent l’utilisation des

engrais ternaire NPK (à base d’azote, phosphore et de potassium).

>>Le phosphate, dans l’état actuel des connaissances scientifiques est l’une des rares

matières premières au monde insubstituable.

>>Le phosphate, comme la potasse (surtout pour les sols bien dotés), ne nécessite pas

d’application sur les champs cultivés aussi régulière que les engrais azotés pour assurer les


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besoins des plantes, d’où une forte sensibilité de la demande en phosphates à la conjoncture

économique et agricole.

C'est pourquoi l'OCP diversifie ses produits afin de viser tous les domaines.

II.3.Diversification des produits de l’OCP

L’OCP offre une large gamme de produits adaptée à la diversité des sols et des

variétés végétales [2].

Les produits commercialisés

Phosphate

Acide phosphorique marchand (H3PO4)

Acide phosphorique purifié (APP)

Di-Ammonium Phosphate (DAP)

Triple Super Phosphate (TSP)

Mono-Ammonium Phosphate (MAP)

Les produits en développement

Engrais spéciaux

Liquiphos 40 : Formulation ternaire riche en phosphate répondant à des besoins

importants en phosphore des cultures maraichères et arboricoles. Utilisé en fertigation et

permettant aussi le débouchage des goutteurs grâce à son action acidifiante.

Liquiphos 30 : Formulation équilibrée et acidifiante, destinée à la fertigation des

cultures maraichères et arboricoles à différents stades de croissance.

Agrimap : Engrais acidifiant destiné aux stades de démarrage et de croissance,

riche en phosphore et en azote ammoniacal.

NPK : Trois formules régionales d’engrais NPK destinées à soutenir la

productivité du blé dans les régions : Gharb/Saiss, Chaouia/Tadla et Doukkala.

Compléments d’aliment pour bétail et volaille

Phosphate monocalcique (MCP)

Phosphate bicalcique (DCP)


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Pour procéder à la fabrication de tous ces éléments, l'OCP doit être bien organisé, et

ceci en étant divisé en plusieurs divisions qui sont-elles mêmes composées de différents

services et ateliers, l’ensemble de ces parties constitue le pôle industriel du groupe dont fait

partie l’usine Maroc Phosphore Safi.

III. Description du Pôle Industriel : Maroc Phosphore Safi

Premier site chimique du Groupe OCP, le complexe de Safi a démarré en 1965 pour

valoriser les phosphates de Gantour (région de Yousoufia). Il se compose de quatre

divisions: Maroc Chimie, Maroc Phosphore I, Maroc Phosphore II et la division

infrastructure portuaire qui assure l’importation des matières premières et l’exportation des

produits finis.

III.1. Maroc Chimie (IDS/PC)

La division Maroc Chimie, créée en 1965, est destinée à la valorisation des phosphates

et la production de l’acide phosphorique et les engrais TSP. Elle se compose de deux ateliers

de fabrication d'acide sulfurique, deux ateliers de fabrication d'acide phosphorique et trois

unités d’engrais.

III.2. Maroc Phosphore I (IDS/PP)

Pour faire face à la concurrence mondiale, la division Maroc Phosphore I s’engage à

satisfaire les exigences de ses clients en termes de qualité, quantité et délais, elle produit

deux qualités d’acide phosphorique : normal et désulfaté.

MPI comporte quatre ateliers principaux :

Atelier énergie et fluides

Cet atelier traite l’eau douce (eau de barrage) avec une capacité de 1.000 m3/h ;

Station de pompage d’eau de mer d’une capacité de 18.000 m3/h ;

Trois groupes turboalternateurs de puissance 43.2 MW.

Atelier sulfurique

Il a été mis en place pour produire l’acide sulfurique nécessaire à l’attaque du

phosphate. Il est constitué de :


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Centrale

thermique Traitement

des eaux

Atelier Production

soufre liquide et

acide sulfurique

Eau de

mer

Eau

douce

Phosphate

Atelier production

acide

phosphorique

Stockage acide

phosphorique

Fuel

Soufre

Energie ONE

Une unité de fusion et de filtration de soufre de capacité 536 t/h ;

Quatre lignes de production d’acide sulfurique de capacité unitaire 1.500 t/j.

Atelier phosphorique

Il dispose de quatre lignes : A, B, D et F dont le rôle est la production de l’acide

phosphorique, selon deux procédés différents:

Nissan (lignes A, B, D) ;

Rhône-Poulenc (ligne F).

La division comporte aussi un parc de stockage d’acide phosphorique et une unité

d’expédition du produit fini (trains).

L’ensemble des ateliers de Maroc Phosphore I est schématisé dans la figure 1.1:

Figure 1.1 : Schéma de Maroc Phosphore I


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III. 3. Maroc Phosphore II (IDS/PM)

Cette entité a pour rôle de valoriser le phosphate humide provenant de Benguerir. Pour

cela, elle dispose d’une laverie de phosphate, de deux ateliers sulfurique et phosphorique

ainsi que d’une centrale électrique.

III.4. Infrastructure portuaire de Safi (IDS/PI)

Cette division, située au niveau du port, a pour activité la réception des matières

premières et le chargement du phosphate et ses dérivés destinés à l’exportation.

Matières importées : soufre solide.

Produits exportés : L’acide phosphorique, les engrais TSP et le phosphate brut.

Comme indiqué précédemment, la production de l'acide phosphorique dans la

division MPI suit soit le procédé Nissan soit le procédé Rhône-Poulenc, la différence entre

ces deux procédés repose sur le matériel utilisé ainsi que les étapes suivies.

IV.Procédés de fabrication de l'acide phosphorique

IV.1. Procédé Nissan

Dans le procédé Nissan, nous faisons intervenir les étapes suivantes :

Broyage ;

Réaction-Filtration-Désulfatation ;

Concentration d’Acide Phosphorique (CAP) ;

Stockage d’acide phosphorique.

Broyage

Le phosphate provenant de Youssoufia est stocké dans le hall de stockage. Il est

ensuite soutiré à travers trois tunnels pour être transporté par des bandes alimentant les

lignes A, B et D. Ensuite, il alimente une trémie ayant une forme cylindrique à fond

conique. Par le biais d’une bascule intégratrice, le phosphate est acheminé vers le broyeur.

Le phosphate brut est repris du tube broyeur à l’aide de l’air de circulation produit par le

ventilateur exhausteur et séparé en fonction de la granulométrie dans le séparateur

dynamique. L’excès d’air du circuit de broyeur est dirigé vers les filtres à manches pour

récupérer les fines particules ayant échappées au cyclonage (figure 1.2).


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Figure 1.2 : Schéma de l’unité broyage

Réaction /Filtration/Désulfataion

Réaction

L’unité de réaction d’acide phosphorique (figure 1.3) est conçue pour l’attaque du

phosphate par l’acide sulfurique par voie humide. Chaque ligne comporte les équipements

suivants : deux pré-mélangeurs, deux digesteurs, quatre cristalliseurs et un laveur Korting.

Figure 1.3: Schéma de l’unité réaction


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Pré-mélangeurs: C'est un réacteur bien agité de capacité de 10 m3 qui contient la

bouillie composée du phosphate broyé, de l'acide sulfurique concentré à 98% et de l'acide de

retour H3PO4 à 20% en P2O5. Son rôle est de transformer le phosphate tricalcique en

phosphate monocalcique selon la réaction suivante :

Ca3(PO4)2 + 4H3PO4 3 Ca(H2PO4)2

Durant cette réaction la température s'élève à 85°C.

Digesteurs: Ce sont deux cuves agitées et identiques de capacité de 100 m3 dans

lesquelles se déroulent les réactions suivantes :

Les réactions principales :

Ca3(PO4) + 4H3PO4 3Ca(H2PO4)2

Ca(H2PO4)2 + H2SO4 + ½ H2O 2H3PO4 + (CaSO4, ½ H2O)

Les réactions secondaires:

CaCO3 + H2SO4 + ½ H2O (CaSO4, ½ H2O) + CO2 + H2O

H2SiF6 2HF + SiF4

(CaSO4, ½ H2O) + 3/2H2O (CaSO4, 2H2O)

SO3 + H2O H2SO4

La température de la bouillie est de 90°C dans la première cuve et 95° dans la

deuxième et le temps de séjour de la bouillie dans ces deux cuves est d’environ 50 min.

Laveur Korting: Les gaz produits lors de la réaction sont éliminés du digesteur grâce

à une dépression créée par l'eau de mer, cette dernière sert aussi au lavage de ces gaz et cela

se fait dans le laveur Korting. Les gaz aspirés subissent une douche par l'eau de mer, ceux

qui sont solubles dans l'eau sont rejetés dans la mer alors que ceux qui ne le sont pas sont

saturés par l'eau et rejetés dans l'atmosphère.

Cristalliseurs: La bouillie qui sort de la deuxième cuve de digestion est composée

essentiellement d'acide phosphorique, d'acide sulfurique et de gypse sous forme semi-

hydratée (CaSO4, ½ H2O). A ce stade, s'effectue la transformation de l’hémi-hydrate en

dihydrate par refroidissement de la bouillie avec l'air apporté à l'aide d'un ventilateur. La


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cristallisation se fait dans quatre cuves appelées cristalliseurs de capacité identique et égale à

750 m3, les cuves sont agitées, disposées en série, reliées par des rigoles et destinées à

refroidir la bouillie pour favoriser la formation du gypse dihydrate.

La température dans les cristalliseurs est :

- Cristalliseur I : 65°C

- Cristalliseur II : 60°C

- Cristalliseur III : 57°C

- Cristalliseur IV : 55°C

La bouillie passe environ 2h30min dans chacun des cristalliseurs.

Filtration

Le but de la filtration est la séparation de la phase liquide (acide) et de la phase solide

(gypse ou gâteau).

La bouillie sortante du quatrième cristalliseur est dirigée vers un distributeur à l'aide

d'une pompe pour être acheminée par gravité vers le filtre UCEGO (figure 1.4).

Figure 1.4 : Schéma de l’unité filtration


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Filtre UCEGO: C'est un filtre de forme ronde, il représente l'élément le plus

important de l'installation, il nous permet de connaître le rendement en P2O5 du procédé. Le

filtre est constitué d'un plateau mobile qui renferme plusieurs tuyaux collecteurs pour les

filtrats provenant de la table filtrante et d'un plateau fixe qui comprend des compartiments

dans lesquels nous recueillons les différents filtrats. La table du filtre est constituée de six

secteurs :

Pré secteur ;

Secteur acide fort ;

Secteur acide moyen ;

Secteur acide faible ;

Lavage des toiles ;

Extraction du gypse.

o Pré-secteur : La bouillie tombe directement sur les toiles filtrantes, la zone où il n’y a

pas encore formation du gâteau, le filtrat plein du solide passe pour rejoindre l’acide

de retour.

o Secteur acide fort : A ce stade, le filtrat recueilli a une teneur de 30% en P2O5, nommé

acide fort, est aspiré vers le séparateur d’acide puis repris par une pompe et envoyé

vers le stockage.

o Secteur acide moyen : Le gâteau formé après filtration de l’acide fort contient des

quantités importantes de P2O5, c’est pour cela le lavage du gâteau est indispensable.

Le lavage est réalisé à contre-courant par l’acide faible (6 à 8%).Le filtrat, après cette

opération, enrichi jusqu’à une teneur de 18 à 20% en P2O5, est mélangé avec l’acide

du pré-secteur puis repris par une pompe et renvoyé vers le pré-mélangeur.

o Secteur acide faible : Le gâteau du gypse contient toujours de P2O5, un deuxième

lavage est fait par l’eau gypseuse. Cette opération permet d’extraire le maximum

d’acide produit. Le filtrat obtenu contient 6 à 8% en P2O5 est refoulé vers le premier

lavage.

o Extraction du gypse : L’évacuation du gypse est effectuée en continu par un dispositif

d’extraction constitué d’une vis sans fin, faisant tomber le gâteau dans un entonnoir à

gypse où il est entraîné par l’eau de mer, puis évacué vers l’égout.

o Lavage toiles : La couche mince du gypse qui n’a pas été extrait par la vis, est lavée

par l’eau filtrée.


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o Séchage toiles : Après l’opération de lavage, l’eau est renvoyée vers le bac d’eau

gypseuse.

Désulfatation

Une certaine teneur en acide sulfurique libre dans la bouillie du phosphate est

nécessaire pour le processus de cristallisation du gypse et d’hydratation des cristaux.

L’expérience montre qu’un excès en acide sulfurique libre de 3 à 4% dans le filtrat de la

bouillie garantit une hydratation optimale, une croissance parfaite des cristaux et un degré

d’attaque important. Du fait que la concentration du filtrat d’acide 30% en P2O5 à 54% en

P2O5 augmente forcément la teneur en acide sulfurique d’environ 6 à 7%, une désulfatation

est nécessaire. Cette dernière consiste en la réduction de l’acide sulfurique libre dans l’acide

phosphorique et elle est effectuée actuellement, après la filtration, dans un réacteur à l’aide

du phosphate broyé. L’acide désulfaté passe par la suite dans un décanteur pour être clarifié.

N.B : Il est à noter qu’auparavant la désulfatation s’est effectuée avant la filtration.

Unité concentration d’acide phosphorique

La concentration consiste à augmenter la teneur de l’acide en P2O5 de 30% à 54% ou

de 54% à 60% en faisant évaporer une quantité d’eau contenue dans l’acide 30% ou 54%.

L’ébullition se fait dans un bouilleur sous vide à 80 mm Hg et à une température de 80°C.

La dépression est créée par une unité à vide qui est constituée principalement d’éjecteurs et

de laveurs.

Description du circuit acide dans un échelon: Une pompe de circulation refoule

l’acide à travers une pipe vers l’échangeur pour le chauffer, puis il pénètre tangentiellement

dans le bouilleur pour favoriser la séparation gaz liquide. Sous une dépression de 80 mm Hg,

la température d’ébullition d’eau devient seulement 80°C, la vapeur d’eau et les gaz sont

aspirés par l’unité à vide.

Dans les deux premiers échelons, l’acide produit a une teneur de 46% en P2O5, pour le

concentrer jusqu’à 54% nous le faisons passer dans le troisième échelon.

Les trois échelons constituent une ligne de concentration, ils sont identiques et

fonctionnent sous le même principe. Chaque échelon (figure 1.5) est équipé d’un bouilleur,


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d’une pipe, d’un échangeur et de trois pompes : pompe de circulation, pompe à condensat et

pompe transporteuse.

Figure 1.5 : Schéma d’un échelon de concentration

Échangeur de chaleur

Bouilleur

Pipe

Pompe de circulation

GA

Z

ACP produit 54 ou 58%

Compensateur

DN 600 DN 800

Entrée

Vapeur

0,75 bar

Sortie

condensat

Coude DN 900

Colonne DN 900

Conduite

500

Cône supérieur

Porte visite

inclinée

Comp. 800

Coude 800

Colonne 800

Appoint ACP 30 ou 52% Cône inférieur

Conduites

DN 100

Grand laveur

(Condenseur)

Vapeur

4,5 bars

Eau de mer

Incondensable

2 petits laveurs

Pot

Garde hydraulique


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Description de l’unité à vide :

Elle a pour but le lavage des gaz issus de la concentration et la création d’une

dépression au niveau du bouilleur pour diminuer la température d’ébullition d’eau. Elle est

constituée de:

Un grand laveur : Dans lequel l’eau de mer entre tangentiellement pour la création

d’une dépression qui va aspirer les gaz au niveau du bouilleur.

Deux petits laveurs : Les gaz, qui ne sont pas lavés par le grand laveur, sont

introduits par des éjecteurs. L’eau de mer qui entre du haut du petit laveur va absorber une

partie des gaz, l’autre partie sera éjectée dans un pot pour le lavage final.

Un pot: C’est une petite cuve dont le but est le lavage final et la diminution du bruit

des gaz.

Quatre éjecteurs : Leur but est d’augmenter la vitesse d’entraînement des gaz et de

créer par conséquent une dépression très importante au niveau du bouilleur.

Garde hydraulique: Elle rassemble l’eau de lavage issue des quatre appareils afin de

la mélanger avec le gypse (résultat de la filtration) pour faciliter son écoulement vers la mer.

Unité stockage/expédition

Stockage d’acide phosphorique: La concentration entraîne un accroissement de la

teneur en matière solide avant que l'acide ne soit introduit dans les réservoirs de stockage, la

teneur en matière solide doit être abaissée en dessous de 0,5% par une clarification

appropriée. Les matières solides qui se déposent sont transportées sous forme de boue qui

est ramenée vers les digesteurs de la réaction. Le refroidissement de l'acide clarifié chaud est

effectué dans deux échangeurs de chaleur installés en série et refroidis à l'eau de mer.

L'acide refroidi est stocké dans deux réservoirs froids, un système de raclage et des pompes

de circulation y empêchent un dépôt de matière solide.

L’unité de stockage est schématisée dans la figure 1.6 :


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Figue1.6 : Schéma du stockage de l’acide phosphorique

Expédition d’acide phosphorique: Elle est composée de deux voies ferrées de

chargement. Chaque voie est munie de 3 lignes A, B, D. Chaque ligne est constituée d’une

jupe de raccordement avec les sous rames. Le chargement se fait par gravite et à partir de

Maroc Phosphore II et Maroc Chimie le chargement se fait par des pompes. Il y a 2-3 rames

/ poste, la rame se compose de 17 à 19 wagons.

Le schéma de l’expédition est illustré dans la figure 1.7 :

ACP 30%

Vers les unités de

concentration

Arrivée ACP 30%

Produit par les lignes Réaction Filtration

04AT01

1500 m3

04DT03

5 000 m3

Refroidisseurs

04BT02

1 500 m3

04DT02

1 500 m3

03DT03

1 500 m3

03BT03

1 500 m3

03AT03

1 500 m3

04BT01

1500 m3

04DT01

1 500 m3

03DT05

1 500 m3

04AT02

1 500 m3

03AT05

1 500 m3

03BT05

1 500 m3

04AT03

5 000 m3

04BT03

5 000 m3

ACP 52%Vers échelon

produisant ACP 58%

Arrivée ACP 58%

Produit par l'échelon de

concentration

Arrivée ACP 52%

Produit par l'échelon de concentration

Bâtiment Administratif

Bac à boues Arrivée

boues

des

bacs

Boues

vers RF

ACP 58% Clarifié vers Stockage final ACP 54% Clarifié Froid vers Stockage final

ACP 54% Froid Clarifié ACP 58% Froid

Clarifié

ACP 58% Froid

ACP 58%

Chaud

U33

Vue

panoramique :

OCP SAFI


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Figure 1.7 : Schéma de l’expédition de l’acide phosphorique

IV.2. Procédé Rhône-Poulenc

Le procédé Rhône-Poulenc est reconnu mondialement (utilisé dans 26 pays). Au

Maroc, il est utilisé en dix unités dont deux à Safi et huit à Jorf Lasfar. Maroc Phosphore I

dispose d’une ligne de production d’acide phosphorique selon ce procédé.

Cette ligne dispose des unités suivantes : l'unité broyage, l'unité réaction, l'unité

filtration et l'unité de concentration.

Unité broyage

Le broyage est une opération qui consiste à fragmenter le phosphate en petits grains de

granulométrie de 400µm et d’augmenter sa surface d’attaque qui a une influence importante

sur le rendement de la réaction.

Unité réaction

Le phosphate broyé est mis en réaction avec H2SO4 et l’acide de retour (acide

phosphorique moyen de18 à 22% en P2O5) en milieux aqueux à une température de 78 à

80°C. La réaction d’attaque s’effectue dans une cuve d’attaque munie d’un agitateur central

(figure 1.8).

Cette réaction est exothermique, un refroidissement s'impose pour éviter toute

formation de semi-hydrate au-delà de 80°C. Opération assurée par un balayage de l'air à la

surface libre de la cuve. L'échange thermique est réalisé par contact direct entre l'air frais et

Machine

Vanne à papillon DN

200 Vanne pneumatique Débitmètre

Vanne DN 200 Vanne DN 50 de

désaérage

Jupe

LD Jupe

LB

Jupe LA Vanne DN 50

de désaérage

Trou

d'homm

e

Vanne

DN 250

d'alime

ntation

Vanne de vidange DN 80

Citern

e

Flexibl

e

Rampe principale d'alimentation DN 400

Vanne à papillon DN

200 LD

Flexible

raccordement

citernes

04XT04 OU

04XT05

U33


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la bouillie projetée en gouttelettes par des agitateurs à double vis hélicoïdale. La chute des

gouttelettes casse mécaniquement les mousses qui se forment à la surface. Les gaz résultant

de la réaction sont aspirés par un ventilateur d'assainissement à travers un venturi et une tour

cyclonique. La bouillie obtenue dans le réacteur est transférée par débordement dans la cuve

de passage.

Figure 1.8: Schéma de l’unité de réaction du procédé Rhône-Poulenc

Unité filtration

Le but de la filtration est de séparer l'acide phosphorique produit lors de l'attaque du

gypse, ceci se fait sur un filtre BIRD-PRAYON. Ce dernier est composé de plusieurs

secteurs:

Le pré secteur : il est prévu pour éviter la dilution de l'acide produit par l'eau

d'imprégnation des toiles. L'acide venant du pré-secteur est mélangé avec l'acide moyen.

Le secteur d'acide fort : alimenté par la bouillie venant de la cuve de passage par

l'intermédiaire des nacelles qui répartissent le liquide sur toute la surface.

Le secteur d'acide moyen: le solide sortant du secteur fort contient une quantité

importante de P2O5 ce qui représente une perte considérable en P2O5 si nous pouvions


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effectuer un lavage efficace du gâteau par l'acide faible, l'acide moyen résultant est envoyé

vers la cuve d'attaque.

Le secteur d'acide faible et d'essorage: Le gâteau subit un lavage à l'eau gypseuse

pendant son parcours dans ce secteur. L'acide produit est alors un acide faible qui sert au

premier lavage.

Le secteur de lavage de toiles: Le gypse sortant de secteur faible est évacué dans la

trémie à gypse. Celui-ci est mélangé avec de l'eau de mer et est acheminé vers la mer.

Unité concentration

La concentration Rhône-Poulenc consiste en un chauffage indirect de l'acide suivi

d'une évaporation sous vide, c’est le même principe que celui des lignes Nissan. Ceci est

réalisé dans deux échelons de concentration CAP X et Y.

V. Conclusion

Cette description du groupe OCP et ses activités nous a permis d'une part d'avoir une

idée générale sur le rôle des différentes unités de production de l'acide phosphorique au sein

de la division MP1 et d’autre part de donner au lecteur une vision claire sur le procédé de

fabrication afin qu’il puisse mieux suivre notre travail.

Le prochain chapitre concernera une étude bibliographique qui portera sur tous les

éléments nécessaires pour traiter l'ensemble du sujet.


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CHAPITRE 2

Etude bibliographique


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I. Introduction

L’objectif de notre sujet est la réduction des sulfates libres (%H2SO4) présents dans

l'acide phosphorique et qui sont des impuretés comme beaucoup d'autres présentes dans cet

acide, c'est pourquoi ce chapitre contiendra une présentation de différentes impuretés y

compris les sulfates libres existants dans la roche de phosphate et l’acide phosphorique, ainsi

que les différentes opérations nécessaires à la réduction ou voir même la suppression de ces

impuretés.

II. Composition et impuretés du phosphate et de l'acide phosphorique

II.1.Composition du phosphate et de l'acide phosphorique

Les analyses des différents essais au laboratoire central de Maroc Chimie, pour la

période de 01 Janvier 2012 au 15 Février 2012, nous ont permis d’estimer les teneurs en

éléments essentiels dans l’acide produit et le phosphate brut G10 (Phosphate de Youssoufia)

utilisé actuellement par Maroc Phosphore I. Les différents résultats sont donnés dans le

tableau 2.1 :

Elément Phosphate G10

(brut) Acide 30%P2O5

Acide 30%P2O5

clarifié

Acide 54%P2O5

CaO (%) 48 - - -

H2O(%) 4 - - -

CO2 (%) 5,80 - - -

SiO2 (%) 7,57 - - -

H2SO4 (%) - 2,48 2,20 3,09

MgO (%) 0,62 0,74 - 1,51

Cd (ppm) 8,40 - - -

M.org (%) 2,06 - - -

- : Non communiqué

Tableau 2.1: Composition représentative du phosphate brut G10 et de ses acides

30% et 54% P2O5


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II.2.Impuretés dans l'acide phosphorique

L’acide phosphorique produit contient une grande variété d’impuretés qui nécessite

des traitements physico-chimiques pour éliminer les plus nuisibles. Afin de connaître ces

impuretés, nous présentons tout d’abord la composition de différentes qualités de phosphate

brut traitées au niveau de Maroc Phosphore I (tableau 2.2).

Elément Y1 design Y1 exploitation Y2 Y23 Y21 Y1C

CaO (%) 51,77 51,02 53,89 52,63 51,97 50,40

SO3 (%) 1,47 1,58 2,38 2,55 1,82 1,59

CO2 (%) 5,88 5,89 3,69 3,89 4,74 5,11

F - (%) 4,15 3,92 4,02 3,92 4,17 3,46

SiO2 (%) 2,94 3,81 1,14 3,64 3,82 5,34

MgO (%) 0,3 0,56 0,49 0.74 0,65 0,63

Al2O3 (%) 0,49 0,45 0,29 0,32 0,4 0,48

Na2O (%) 0,77 -- -- -- 0,94 1,04

K2O (%) 0,08 -- -- -- 0,07 0,06

Cl - (ppm) 250 240 235 240 300 --

%M.org 0,01 2,08 0,25 0,36 -- 0,15

%Humidité 1,1 2,47 1,14 0,24 0,43 1,5

Cd (ppm) -- -- -- -- -- 12,58

As (ppm) -- -- -- -- -- 6,37

Tableau 2.2: Analyse des impuretés des différentes qualités du phosphate brut de

Youssoufia

Depuis le démarrage de l’atelier Nissan, les principales qualités de phosphates utilisées

sont : Y1, Y2, Y23, Y21 et Y1C [3].

Le phosphate Y1 de design :

L’atelier Nissan est destiné à la production de l’acide phosphorique concentré 30%

P2O5 à partir du phosphate clair de Youssoufia Y1.


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Le phosphate Y1 d’exploitation :

Le phosphate Y1 d’exploitation, utilisé de 1976 à 1989, a un comportement différent

de celui du design suite à des écarts enregistrés au niveau de certains éléments constitutifs,

notamment : P2O5 et CaO.

L’exploitation de cette qualité a connu des difficultés de fonctionnement du procédé

de la désulfatation comme le bouchage des cônes des décanteurs et les problèmes des

pompes à vis utilisées pour le soutirage des boues.

Le phosphate Y2:

Ce phosphate est utilisé suite à l’épuisement du phosphate Y1. Cette qualité est

calcinée et difficilement broyable, en plus, ce phosphate a une faible réactivité en

comparaison avec le phosphate Y1 utilisé auparavant.

Le phosphate Y23:

Pour corriger le phosphate Y2 notamment en % SiO2, en % Al2O3 et en % Fe2O3, des

investigations ont été envisagées en vue de remplacer Y2 par un autre phosphate permettant

d’améliorer les performances de la réaction filtration. Les investigations ont abouti à

l’utilisation d’une nouvelle qualité dite Y23 (qualité obtenue en mélangeant 90% du

phosphate Y2 et 10% de la couche C3 de Benguerir).

Le phosphate Y21:

Compte tenu des difficultés présentées par le phosphate Y23 et particulièrement

l’encrassement des équipements et circuits, le pôle chimie de Safi, les responsables de

Maroc Phosphore I et le pôle mine de Youssoufia ont mis au point un nouveau phosphate

permettant d’améliorer la productivité des lignes et d’éviter les problèmes cités. Ce

phosphate est obtenu en faisant un mélange des phosphates Y2 et Y1 (60% Y2 et 40% Y1).

Cette qualité est utilisée depuis 2001.

Le phosphate Y1C:

Depuis la fin de l’exercice 2005, le phosphate Y1C est utilisé au niveau des unités de

réaction de MPI, ce phosphate est composé du phosphate clair et du phosphate clair calciné.


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Les impuretés citées précédemment au niveau de l'acide peuvent provenir de diverses

sources et ont des influences différentes comme le montre le paragraphe ci-après.

III. Sources et influences des impuretés dans l'acide phosphorique

III.1.Sources d’impuretés de l’acide phosphorique

Sources primaires

Les études effectuées sur les impuretés de l’acide phosphorique montrent que la roche

de phosphate naturel est leur principale source. En effet, cette roche est constituée en

proportions variables par un mélange complexe formé d’une cinquantaine d’éléments

chimiques tels que la fluoropatite, quartz SiO2, carbone sous forme de CaCO3 et de matières

organiques, métaux et d’autres substances comme : CaO, SO3, SiO2, Al2O3, K2O, Na2O,

CO2, etc.

Sources secondaires

Ces impuretés ont pour origine soit les additifs chimiques tels que : les dispersants, les

antimoussants, les agents de floculation et de conditionnement, soit l’acide sulfurique et

l’eau de procédé qui introduisent de faibles quantités d'impuretés tel que : Fe, Al, Si, etc.

Nous citons aussi la corrosion, l’abrasion et l’érosion des équipements qui introduisent

essentiellement le fer comme impureté.

III.2. Influence des impuretés de l’acide

La présence des impuretés dissoutes dans l’acide phosphorique a des effets néfastes

sur sa qualité. Toutefois ces impuretés peuvent avoir des effets bénéfiques sur le procédé de

fabrication d’acide phosphorique. Le tableau 2.3 résume l’effet des principales impuretés

contenues dans l’acide phosphorique :


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Afin d'éliminer les impuretés nuisibles dans l'acide phosphorique, nous procédons par

la purification de l'acide qui consiste en des opérations physico-chimiques qui réduisent ou

suppriment ces impuretés.

IV. Purification de l'acide phosphorique

IV.1.Raisons de la purification de l’acide phosphorique

L’utilisation de l’acide phosphorique dans les différents domaines exige des qualités

d’acide qui respectent les normes en vigueur dans chaque domaine. C’est ainsi que :

Pour les engrais solides, sauf exception, nous ne purifions pas l’acide.

Pour les engrais liquides (ou en suspension), nous devons éviter les précipités

dans la fabrication (en particulier des solutions de polyphosphate d’ammonium). Il

faut donc enlever la grande partie des impuretés fluorées et métalliques.

Pour les détergents, nous devons éliminer la mauvaise couleur. Dans ce cas il est

recommandé de purifier le phosphate et l’acide.

Pour les usages techniques, telle que la métallurgie, nous devons utiliser un acide

bien purifié en métaux, dont notamment le plomb.

Pour l’agro-alimentaire et pour les usages pharmaceutiques, nous devons avoir un

acide très pur.

IV.2.Procédés de purification d’acide phosphorique à l’OCP

L’élimination des impuretés se fait par différentes opérations physico-chimiques de

traitement d’acide phosphorique :

La décadmiation : elle consiste à réduire la teneur en Cd par ajout d’acide

sulfurique à 98% H2SO4 ;

La défluoration : l’objectif de cette opération est la réduction de la teneur en fluor

par ajout de la silice ;

La désarséniation : elle consiste en la précipitation de l’arsenic sous forme de

sulfure. L’agent de précipitation utilisé est une solution d’hydrosulfite de sodium

(Na, HS) ayant un titre en NaHS de 30% poids. Cette solution est préparée par

dissolution de NaHS solide dans l’eau.


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La désulfatation : elle est réalisée dans un réacteur agité qui est chauffé à 90°C, elle

consiste à réduire la teneur en acide libre (%H2SO4) par l’ajout de phosphate broyé.

Cette désulfatation est suivie d’une opération de décantation qui consiste à séparer

l’acide désulfaté des boues formées après l’ajout de phosphate.

IV.3.Décantation

La décantation est une opération unitaire, parmi les techniques de séparation liquide-

solide, basée sur le phénomène de sédimentation, qui consiste à séparer d’un liquide les

particules en suspension en utilisant les forces gravitaires. Les procédés mis en œuvre

diffèrent selon que nous recherchons seulement à augmenter la concentration des solides

(épaississage) ou que nous visons à obtenir un liquide clair à partir d’une suspension diluée

(clarification).

La sédimentation est réalisée sur différents types de matières solides en suspension,

parmi lesquelles nous pouvons distinguer deux comportements opposés : celui des particules

grenues, qui décantent indépendamment les unes des autres, et celui des particules plus ou

moins floculées, qui ont des vitesses de chute variables, en fonction de la taille des flocs et

de leur abondance [5].

La théorie de la décantation et la procédure de dimensionnement des appareils tiennent

compte de ces considérations.

IV.3.1.Théorie de décantation

Il existe plusieurs théories de décantation dont la plus connue est la théorie de Kynch.

IV.3.2.Théorie de Kynch

En 1952, Kynch proposa la théorie suivante : la vitesse de chute de particules rigides

en sédimentation libre ne dépend que de la concentration locale en solide de la suspension.

Elle est une fonction décroissante de la concentration en solide. Les particules de même

dimension, de même forme et de même masse volumique sont équitombantes et leur

concentration est uniforme pour chaque niveau de la colonne de sédimentation.


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Ainsi, à partir des essais en éprouvette, Kynch traça le diagramme (h, t) (figure 2.1)

en mesurant la concentration des matières en suspension dans l’éprouvette dans les

différents temps.

Figure 2.1: Courbe de sédimentation (h,t)

A t0 l’éprouvette, de hauteur h0, est remplie de la suspension initiale de concentration

en matières solide C0. Dès que les particules commencent à sédimenter, à un certain temps

t1, nous visualisons l’apparition d’une interface de hauteur h1 entre la phase liquide et la

phase solide. Cette interface descend au fur et à mesure jusqu’à atteindre une hauteur limite

h3. Avec cette courbe, Kynch a défini quatre phases de décantation.

Phase AB : phase de décantation GRENUE

La décantation des particules discrètes est caractérisée par conservation de leurs

propriétés physiques initiales (forme, dimension, densité) au cours de leur chute. La vitesse

de chute est indépendante de la concentration en solide c'est pour cette raison que nous

pouvons appliquer la loi de stocks pour déterminer cette vitesse. Pour qu'une particule chute

il faut que sa vitesse augmente jusqu'à ce que les forces de décantation (poids) équilibrent

les forces de frottement. Considérons les forces agissantes sur une particule isolée dans un

liquide :

Figure 2.2 : Forces agissantes sur la particule


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D’après la figure 2.2, la particule en suspension est soumise à trois forces: G, la

pesanteur : F, la réaction I: l'inertie.

Phase BC : phase de sédimentation diffuse ou de coalescence (flocon)

Ce type de décantation est caractérisé par l’agglomération des particules, c'est la phase

de sédimentation diffuse ou de coalescence, c'est une partie rectiligne qui traduit une vitesse

de chute constante. Les propriétés physiques de ces particules (formes, dimensions, densité)

sont donc modifiées et la concentration initiale de matières en suspension C0 a un rapport

avec la vitesse de chute. Nous trouvons ce type de décantation dans les décanteurs de

traitement des eaux et dans les décanteurs secondaires des usines d'épuration.

Phase CD: phase de décantation freinée

Elle est relative à une décantation globale d'un ensemble de particules qui ont une

concentration très élevée, ce qui entraîne la formation d'une couche de particules suspendue

en matières en suspension, c'est la sédimentation en piston, à ce stade nous assistons à un

ralentissement de la vitesse de chute des particules. Ce type de décantation existe dans la

partie profonde du décanteur.

Phase DE : phase de décantation en compression des boues

Au point D de la courbe, les particules sont très proches les unes par rapport aux

autres, elles entrent en contact et exercent une compression et reposent sur les couches

inférieures, dans cette zone, le phénomène de consolidation est relativement lent, ce qui

entraîne une vitesse de chute presque nulle.

Remarque : Il faut noter que la transition entre les différentes phases se fait de

manière continue et le classement qui vient d’être proposé constitue une simplification pour

mieux les caractériser.

Après avoir parlé de la théorie de décantation, nous allons présenter dans le

paragraphe suivant les types de suspensions rencontrés dans la décantation.

IV.3.3.Types de suspensions en décantation

Selon la concentration en volume des solides, nous distinguons deux types de

suspension :


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Suspensions diluées

Lorsque la concentration en volume des solides en suspension est inférieure à 0,5 %,

nous considérons que les particules sont suffisamment éloignées les unes des autres et que,

de ce fait, chacune d’entre elles sédimente comme si elle était isolée dans le liquide

Suspensions concentrées

Dès que la concentration volumique en solides devient élevée (> 0,5 %), les

interactions entre particules ne sont plus négligeables. Les particules adhèrent entre elles et

la masse décante en piston avec une interface nette entre les boues et le liquide surnageant.

Théoriquement, pour calculer la vitesse de sédimentation, il faut faire intervenir la

masse volumique et la viscosité équivalente de la suspension.

IV.3.4.Vitesse de sédimentation des particules dans un liquide

La théorie de la sédimentation de solides fins dans un liquide, qui obéit à la loi de

Stokes, montre que la vitesse de chute d’une particule est proportionnelle à la différence des

masses volumiques entre la particule et le liquide et au carré de la dimension de la particule.

La loi de Stocks, en régime laminaire, s’écrit Ulim = 0,545. (sf).f1.d2

Avec Ulim : vitesse limite de chute

f,s : les masses volumiques du fluide et solide respectivement

f : viscosité dynamique du fluide

d : diamètre d’une particule sphérique

En conséquence, tout phénomène susceptible d’augmenter le diamètre des particules

favorise la sédimentation de façon très significative, de sorte que la floculation est devenue

une partie intrinsèque de la sédimentation. La plupart des matériaux en suspension dans un

liquide sont naturellement floculés et, de ce fait, peuvent être concentrés par sédimentation.

IV.3.5.Exemples des équipements de décantation

Il existe plusieurs types des équipements de décantation dont le choix tient compte de

plusieurs considérations, notamment de la concentration de la suspension (suspension


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diluée, suspension concentrée), de la dimension et de la nature des particules (particules

grenues, floculées...), de la fonction recherchée (clarification, épaississage), des débits à

traiter, etc. Dans ce paragraphe nous allons présenter deux types de décanteurs : Les

décanteurs circulaires classiques pour mieux comprendre le mécanisme de décantation à

l’échelle industrielle et les décanteurs à contact de boues comme ceux utilisés dans MPI.

Décanteurs circulaires classiques

Les décanteurs circulaires classiques (figure 2.3) comportent plusieurs éléments:

Figure 2.3: Schéma d’un décanteur circulaire classique

- Une cuve avec une goulotte périphérique pour recueillir la surverse, qui est évacuée

par débordement, et un orifice central ménagé à sa base pour évacuer les sédiments ;

- Une chambre d'alimentation consistant en un cylindre recevant la pulpe à traiter. Elle

peut être pourvue de dispositifs servant à la floculation ;

- Un mécanisme de raclage, dont le rôle est d'entraîner les solides décantés vers

l'orifice d'évacuation par un mouvement de rotation lent des râteaux. Le mécanisme de

raclage est entraîné par une tête de commande située sur la colonne centrale ou sur une


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poutre reposant sur la cuve, ou encore par un chariot roulant sur le bord de la cuve, qui

entraîne une poutre dans un mouvement circulaire communiquant elle-même le mouvement

de rotation à la colonne centrale.

Décanteurs à contact de boues

L'obstacle majeur à une bonne décantation est la mauvaise floculation des particules

(trop faible, ou trop forte d'où une viscosité élevée).

Le principe de ces appareils vise à favoriser la formation de particules plus grosses,

qui décantent plus rapidement, en mélangeant des boues déjà décantées à la suspension à

décanter, nous distinguons quatre types de décanteurs à contact de boues :

Le décanteur à lit de boues, qui fait circuler le liquide de bas en haut à travers

la masse de boue formée par floculation. Nous récoltons en surface le liquide

clarifié par son passage à travers le lit de boues.

Le décanteur lamellaire, fonctionne selon le même principe que le précédent

mais la présence des compartiments lamellaires augmente la surface de

décantation considérablement et permet des installations plus compactes.

Le décanteur à recirculation de boues, où les boues sont recyclées. Après

prélèvement du liquide clarifié, elles sont mélangées avec la nouvelle

suspension à traiter avant d'être à nouveau laissées en décantation. Ce

décanteur est le même utilisé au niveau de l’atelier phosphorique de MP1

Le décanteur-épaississeur, qui est composé d'un décanteur à recirculation de

boues externes et d'un système de décantation lamellaire. Les boues extraites

sont déshydratées sans épaississeur intermédiaire [6].

V. Conclusion

Cette revue de littérature nous a permis de mettre l’accent sur les différentes

impuretés susceptibles de nuire à la qualité de l’acide phosphorique parmi lesquelles les

sulfates libres. Par la suite, nous avons abordé l’opération de désulfatation-décantation qui

permet d’éliminer les sulfates libres et les boues pour avoir un acide désulfaté et clarifié, et

qui servira de base pour le chapitre suivant.


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CHAPITRE 3

Bilan matière autour de l’unité désulfatation

&

Capacité maximale de désulfatation


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I.Introduction

Afin de satisfaire les exigences des clients au niveau de la qualité de l'acide

phosphorique produit, l'OCP utilise différentes opérations physico-chimiques pour traiter les

éléments nuisibles à la conformité de l'acide. L'un des éléments les plus importants est le

taux de sulfates (%H2SO4) présent dans l'acide phosphorique et qui ne doit pas dépasser une

teneur de 2.5% pour un acide concentré à 30% en P2O5, c'est pourquoi nous procédons à

une opération de désulfatation qui consiste à ajouter du phosphate à l'acide phosphorique

produit afin de diminuer ce taux de sulfates pour atteindre une valeur inférieure à 2.5%.

Au niveau de l'unité de désulfatation de MP1, nous ajoutons des quantités du

phosphate d’une manière non précise jusqu'à obtenir un taux de sulfates acceptable, sauf

que nous générons des pertes au niveau de la quantité de phosphate utilisée car nous ne

pouvons pas être sûrs que la totalité du phosphate a réagi. C'est la raison pour laquelle nous

allons établir un bilan matière autour de l'unité désulfatation afin de connaître la quantité

exacte de phosphate à ajouter pour répondre aux exigences demandées en taux de sulfates.

II.Bilan matière (B.M)

La désulfatation s’effectue par l’ajout du phosphate dans un réacteur équipé d’un

agitateur et alimenté tangentiellement par l’acide phosphorique arrivé du filtre, ce qui

produit un mélange d’acide phosphorique et de phosphate finement broyé qui sera acheminé

vers un décanteur afin de séparer les boues de l’acide désulfaté, cet acide sera transféré vers

un bac tampon afin d’être envoyé vers le stockage (figure 3.1).

Figure 3.1: Unité désulfatation

Phosphate broyé

H3PO4

Réacteur

Décanteur

H3PO4 clarifié vers

stockage

Boues


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L’atelier de fabrication d’acide phosphorique dispose de quatre lignes : A, B, D et F,

selon deux procédés : Nissan (Lignes A, B, D) et Rhône-Poulenc (ligne F).

Les lignes pouvant être désulfatées sont les lignes B et D en raison de leur proximité

de l’unité de désulfatation, par contre les deux autres lignes sont en marche normale. Le

mélange des quatre lignes doit avoir un taux de sulfates aux environs de 2,2 % pour être

conforme aux exigences des clients qui demandent un taux de sulfates (≤ 2,5%) pour un

acide phosphorique de concentration 30% en P2O5, donc les possibilités que nous pouvons

étudier sont la désulfatation d’une seule ligne (B ou D) ou bien la désulfatation des deux

lignes en même temps (B et D). Pour cela il faut calculer dans les deux cas le taux de

sulfates requis et le débit de phosphate nécessaire pour réaliser cette opération et aboutir au

bilan matière recherché.

II.1.Calcul du taux de sulfate requis

Désulfatation d’une seule ligne :

En marche normale, l’acide phosphorique produit contient un pourcentage de 2.8% en

H2SO4, donc il faut calculer le taux de sulfates nécessaire pour désulfater une seule ligne et

avoir un mélange avec un taux de sulfates de 2.2%.

Soit :

- QM : le débit massique du mélange des 4 lignes de production.

- QA, QB, QD, QF : les débits massiques respectivement des lignes A, B, D et F.

- x, y, z, t : les taux de sulfates respectivement dans les lignes A, B, D et F.

- Supposons que la ligne désulfatée est la ligne D.

- Le débit massique journalier des quatre lignes est identique et égale à 1786

tonnes de H3PO4.

( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( )


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( ) ( ) ( ) ( )

A.N :

Désulfatation de deux lignes :

Dans ce cas, nous introduisons le mélange des deux lignes (B et D) dans le réacteur.

Soit:

- QC : Débit du mélange des deux lignes B et D.

- QA, QF : les débits massiques respectivement des lignes A, F.

- x, z, t : les taux de sulfates respectivement dans les lignes A, (B + D) et F.

( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

A.N:

II.2.Calcul du débit de phosphate requis

Désulfatation d’une seule ligne :

Les réactions mises en jeu au niveau du réacteur sont les suivantes :

CaO(Phosphate) + H2SO4 + H2O CaSO4, 2 H2O

H2SO4 SO42-

+ 2H+

Donc:

z = 0.4%

z = 1.6%

n(CaO) = n(H2SO4)


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( )

( ) ( )

( )

Pour calculer le débit d’H2SO4, nous utiliserons la conversion des sulfates en se

basant sur le débit d’H3PO4 : m(H3PO4) = 80.12 t/h

Conversion = ( ) ( )

( )

A.N: Conversion = 86%

(2) m(H2SO4) Réagie = Conversion * m(H2SO4) Alimentation

Or, l’acide phosphorique contient 2.8% d’H2SO4 (m(H2SO4) Alimentation = 2.8% *m(H3PO4))

Donc: m(H2SO4) Réagie = 86% * 2.8% *m(H3PO4) m(H2SO4) = 1.92 t/h

(1) m(CaO) =

m(CaO) = 1.09 t/h

D’après les analyses du phosphate sec du mois de janvier et février (Cf. chapitre 2), le

phosphate utilisé a une teneur moyenne en CaO de 48%.

Donc : m(CaO) = 0.48 * m(phosphate sec)

m(phosphate sec) = m(CaO)/0.48 m(phosphate sec) = 2.27 t/h

Cependant, le phosphate utilisé est humide avec un taux d’humidité de 4%.

Donc le débit nécessaire est de: m(phosphate humide) = m(phosphate sec) / (1-0.04)

A.N :

(1) ( )

( ) ( )

( )

m(phosphate humide) = 2.36 t/h

Conversion = masse réagie du réactif / masse du réactif dans l’alimentation

(2)


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Donc, pour diminuer le taux de sulfates d’une ligne de production d’acide phosphorique

avec un débit de 80.12 t/h, d’une teneur en sulfates de 2,8% à 0,4%, nous devons introduire

une quantité de phosphate égale à 2.36 t/h.

Désulfatation de deux lignes :

Les réactions mises en jeu conduisent à l’équation :

De la même manière que précédemment, nous utiliserons la conversion pour

determiner le debit d’H2SO4 (m(H3PO4) = 160.24 t/h).

Conversion = 43%

Donc: m(H2SO4) Réagie = 43% * 2.8% *m(H3PO4) m(H2SO4) = 1.92 t/h

Tout calcul fait :

Donc, pour désulfater deux lignes de production d’acide phosphorique avec un débit

de 160.24 t/h d’une teneur en sulfates de 2,8% jusqu’à 1,6%, Nous devons introduire une

quantité de phosphate égale à 2.36 t/h.

Le tableau 3.1 récapitule les résultats obtenus :

Nombre de lignes

désulfatées

m (H3PO4)

(t/h)

% H2SO4 à

l’entrée

%H2SO4 à la

sortie

Débit de

phosphate (t/h)

1 ligne 80.12 2.8 0.4 2.36

2 lignes 160.24 2.8 1.6 2.36

Tableau 3.1: Résumé du calcul des taux de sulfates et débits de phosphate

En se basant sur ces résultats, nous pourrons établir un bilan matière autour de l'unité

désulfatation.

( ) ( ) ( )

( )

(1)

m(phosphate humide) = 2.36 t/h


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II.3.Bilan Matière

Afin de réduire le taux de sulfate de l'acide phosphorique nous ajoutons du phosphate,

toutefois nous nous confrontons au problème de la génération des boues au niveau du

décanteur, car plus nous ajouterons du phosphate plus nous créerons des boues.

Le décanteur utilisé dans cette unité dispose d'un racleur qui rassemble les boues vers

un cône de décharge permettant leur extraction. Si la viscosité de ces boues est faible elles

seront recyclées vers ce même décanteur et nous parlons de circuit fermé (figure 3.2), mais

si la viscosité des boues est plus élevée alors elles seront transférées vers les digesteurs de la

réaction et nous parlons alors de circuit ouvert (figure 3.3).

Pour établir le bilan matière autour du décanteur nous avons eu recours à faire des

analyses au niveau de l’unité désulfatation. Cependant durant la période de stage, le cas

choisi par l’atelier phosphorique est celui d’une seule ligne désulfatée, c’est la raison pour

laquelle nous nous somme limités à l’étude d’une seule désulfatée.

Circuit fermé (viscosité faible des boues) :

Soit :

- QA le débit d’acide phosphorique produit par la ligne B ou D.

- Qϕϕ le débit de phosphate broyé.

- QB le débit des boues recyclées.

- QAC le débit de l’acide clarifié.

Figure 3.2 : Désulfatation d’une seule ligne (circuit fermé)

Qϕϕ

QAC QA

QB


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B.M.Global: QA+ Qϕϕ = QB + QAC

Or : QB=0 car nous procédons en circuit fermé.

Donc : QAC = QA+ Qϕϕ

A.N : QAC = 80.12 + 2.36

Circuit Ouvert (viscosité élevée des boues) :

Soit :

- QA le débit d’acide phosphorique produit par la ligne B ou D.

- Qϕϕ le débit de phosphate broyé.

- QB le débit des boues recyclées.

- QAC le débit de l’acide clarifié.

Figure 3.3: Désulfatation d’une seule ligne (circuit ouvert)

Pour calculer le débit des boues dans le cas du circuit ouvert, nous sommes amenés à

faire quelques analyses pour le taux de solide (annexe 1) ainsi que le taux de sulfates

(%H2SO4) (annexe 2). Les résultats obtenus sont présentés sous forme de tableau dans

l’annexe 3.

Les résultats d’analyses des boues nous donne un taux de sulfate moyen de :

%H2SO4 ≈ 10%

Q(B)

QA Qϕϕ

QAC

QAC = 82.48 t/h


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B.M.Global : QA+ Qϕϕ = QB + QAC

Or : QB ≠ 0 car nous procédons en circuit ouvert.

B.M.Partiel/H2SO4: 2.8%*QA + 2.14%*Qϕϕ = 0.4%*QAC + 10%*QB

Or: QA= QAC.

A.N : QB = ( ) ( )

Tout au long de notre stage, nous n'avons fait que des analyses par rapport à une seule

ligne désulfatée, c'est ce qui nous a poussé à calculer la capacité maximale de désulfatation

pour savoir si le fait d'utiliser qu'une seule ligne désulfatée est un choix de l’atelier

phosphorique ou bien une contrainte liée à la capacité de production du matériel utilisé pour

cette désulfatation.

III.Détermination de la capacité maximale de la désulfatation-décantation

L’atelier phosphorique Nissan a pour mission de produire l’acide phosphorique 30%

en P2O5 en utilisant 3 lignes identiques A, B, D. Les deux lignes B et D peuvent être

désulfatées alors que la ligne A est en marche normale. Ceci dit, l’unité réduit souvent le

taux de sulfate de la ligne B ou D et rarement plus d’une ligne (par exemple la ligne B et une

petite partie de la ligne D). C'est pourquoi nous pouvons poser la question suivante : quelle

est la quantité maximale que nous pouvons désulfater pour atteindre nos objectifs sans

entraver la marche normale du décanteur ?

Afin de répondre à cette question nous devons déterminer la capacité maximale du

mélange (acide phosphorique, phosphate) pouvant être décantée puisque ce mélange passe

toujours par le décanteur afin de séparer l’acide désulfaté des boues engendrées lors de la

réaction de désulfatation.

La détermination de la capacité maximale passe par des essais expérimentaux visant à

visualiser le comportement du mélange dans le décanteur. Ces essais se basent sur le traçage

d'une courbe de sédimentation à travers laquelle nous déterminerons graphiquement le temps

de séjour nécessaire pour la décantation des particules solides du mélange.

QB = 19.73t/h


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III.1.Essais expérimentaux de décantation

Décantation en cylindre

La décantation en cylindre est une méthode simple traditionnellement utilisée pour

estimer les caractéristiques de floculation et de sédimentation du solide. Le cylindre de

sédimentation consiste en une éprouvette graduée de 500 ml remplie d'une suspension

homogène de boue et de liquide. Les agglomérats de boue sédimentent et se déposent au

fond du cylindre sous l'action de la gravité.

Courbe de sédimentation

Après avoir prélevé un échantillon du mélange à l’entrée du décanteur, nous le versons

dans une éprouvette cylindrique de section S (annexe 4). Nous étudions ensuite le

comportement de la suspension (mélange) en sédimentation en traçant soit la variation de la

hauteur h de l’interface séparant le liquide clair de la suspension, soit la variation du volume

V en fonction du temps écoulé depuis le début de la décantation. La vitesse de sédimentation

est représentée à tout moment par la tangente à la courbe obtenue: V= - dh /dt

La figure 3.4 présente les résultats de la position de l'interface de sédimentation en

fonction du temps lors de la sédimentation en éprouvette d’un échantillon.

Figure 3.4: Variation de volume (cm3) en fonction du temps (min) lors de la

sédimentation en éprouvette

0

100

200

300

400

500

600

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Vo

lum

e(c

m3 )

Temps (min)


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D’après cette courbe de sédimentation nous constatons que :

Au départ les gros grains sédimentent rapidement et se déposent sur le fond de

l’éprouvette ce qui explique l'augmentation rapide de la hauteur de cette zone. Cette étape

est suivie de l’apparition d’une interface entre un liquide clair et une phase boueuse (annexe

4) qui peut elle-même être divisé en deux parties : une partie supérieure conservant l’aspect

de la suspension de départ et une zone inférieur d’aspect intermédiaire.

La vitesse de sédimentation de la suspension faible est plus importante que celle de

la suspension forte.

D'après cette courbe, nous pourrons déterminer le temps de séjour de la suspension.

III.2.Détermination du temps de séjour (résolution graphique)

Pour déterminer le temps de séjour, nous avons utilisé une méthode graphique qui

propose de choisir un point intermédiaire de la courbe CD (figure 3.5). La tangente en (m)

coupe l'horizontal d'ordonnée (hr) en un point K d'abscisse (t). Cette valeur est le temps de

séjour.

Figure 3.5: Détermination du temps de séjour

Dans notre étude, l'utilisation de cette méthode nous a permis de tracer la courbe de la

figure 3.6:


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Figure 3.6: Détermination du temps de séjour lors du premier essai de décantation

D’après la courbe, nous obtenons un temps de séjour de 800 min, c.à.d. 13,3 h.

Afin de calculer un temps de séjour moyen, plusieurs essais ont été effectuées dont les

courbes sont présentées dans l’annexe 5.

Le tableau 3.2 regroupe les temps de séjour calculés pour chaque essai.

Essai 1 2 3 4 5 6

Temps de séjour (min) 800 870 840 865 830 810

Tableau 3.2: Temps de séjour relatif à chaque essai de sédimentation

Ces différences entre les temps de séjour ne peuvent être expliquées que par le taux de

solide présent dans chaque échantillon de la suspension initiale qui varie suite à l’instabilité

de la marche de processus de décantation.

Ainsi, d’après ces essais expérimentaux de sédimentation par éprouvette cylindrique,

nous estimons un temps de séjour moyen de 836 min c.à.d. d’environ 14h. Ce temps de

séjour sera utilisé pour déterminer la capacité maximale des suspensions que nous pouvons

décanter.

0

100

200

300

400

500

600

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Vo

lum

e(c

m3 )

Temps (min)

m

K


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III.3.Détermination de la capacité maximale de décantation

Le débit maximal de la suspension à décanter ( ) peut être calculé par la

relation suivante:

Avec : = débit de suspension à décanter (m

3/h)

V = capacité du décanteur (volume) (m3)

ts = temps de séjour (h)

La capacité de décantation V est donnée dans une fiche de caractéristique du décanteur

dans l’annexe 6, cette capacité est égale à 1250 m3.

A.N : =

= 89,28 m3/h

Or, H3PO4 a une densité de 1.3 donc : = 116,064 t/h

Ce débit permettra de calculer la capacité maximale de suspension pouvant être

désulfatée.

III.4.Détermination de la capacité maximale de désulfatation

La capacité maximale de désulfatation désigne le débit d’acide phosphorique à

introduire à l’entrée du réacteur de désulfatation. Pour calculer ce débit, nous suivons le

raisonnement suivant :

D'après le bilan matière effectué pour calculer le débit de phosphate nécessaire pour

désulfater une seule ligne de production (paragraphe II.2), nous pouvons déterminer le

rapport entre le débit massique de phosphate et celui de l’acide phosphorique à désulfater :

Nous calculons le rapport:

=

0.03

Donc le débit massique total (phosphate + acide phosphorique) :

mT = + 0,03. mT = 1,03.

(1)

=


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A partir de la relation (1), nous trouvons : mt= 119.54 t/h

C’est la capacité maximale que nous pouvons désulfater et qui correspond presque à

une ligne (80.12 t/h) et demi (39.8 t/h), donc le choix d’une seule ligne désulfatée ou bien

une ligne et demi est un critère imposé par le matériel utilisé dans l’unité de désulfatation.

Ainsi, la désulfatation de deux lignes de production est irréalisable avec le matériel utilisé.

IV. Conclusion

Cette étude nous a permis d'une part de calculer le débit exact de phosphate à

introduire dans le réacteur de désulfatation pour atteindre les exigences des clients de l'OCP

ainsi que d’éviter les pertes de phosphate dans ce réacteur; et d'autre part de déterminer la

capacité maximale de l’acide phosphorique à désulfater afin de connaître la limite de

production des équipements utilisés dans cette unité de désulfatation.

Cependant, la désulfatation de l’acide phosphorique entraine la génération des boues

au niveau du décanteur, ces boues sont le résultat de l’accumulation du solide dans l’acide

désulfaté. Ce problème nous a poussés à faire une étude sur le taux de solide dans cet acide

afin d’optimiser la clarification de l’acide phosphorique pour satisfaire les exigences des

clients vis-à-vis de ce taux de solide.


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CHAPITRE 4

Optimisation de la décantation de l’acide

phosphorique


Page | 60


I. Introduction

La décantation à recirculation des boues est le procédé adopté pour clarifier l’acide

phosphorique dans MPI. Elle consiste à recycler les boues décantées vers l’entrée du

décanteur. Ce recyclage des boues a pour objet d’augmenter la vitesse de sédimentation des

particules solides dans le décanteur et par conséquent favoriser la séparation de l’acide

clarifié des boues décantées. Toutefois nous devons recycler un débit des boues avec une

concentration bien déterminée en matière solide pour ne pas avoir un taux de solide élevé

dans l’acide clarifié (l’over-flow du décanteur). Ainsi, nous allons étudier l’influence de

différents paramètres sur le taux de solide dans l’acide clarifié.

Pour ce faire, nous allons montrer d’abord l’importance du recyclage des boues, en

faisant une petite comparaison entre la décantation d’acide désulfaté avec et sans recyclage

des boues. Ensuite, en établissant un bilan en matière solide au niveau du décanteur afin

d’estimer le débit des boues à recycler. Enfin nous allons utiliser comme outil les plans

d’expériences pour modéliser et optimiser le taux de solide dans l’over-flow du décanteur.

II. Importance de la recirculation des boues

Pour montrer le rôle primordial du recyclage des boues décantées, nous avons effectué

deux essais de décantation en éprouvette avec et sans recyclage des boues, la figure 4.1

montre les courbes de sédimentation en éprouvette des deux essais.

Figure 4.1 : Comparaison des courbes de sédimentation avec et sans recyclage des boues

0

100

200

300

400

500

600

0 20 40 60 80 100 120

Vo

lum

e(c

m3 )

Temps (min)

essai 2

essai 1


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La courbe de sédimentation de l’essai 1 représente bel et bien celle de la théorie de

Kynch que nous avons vue précédemment où la décantation commence dès le départ après

avoir versé le mélange dans l’éprouvette. Par contre, la décantation sans recyclage des boues

est très lente au départ car elle nécessite, selon la courbe de sédimentation de l’essai 2, à peu

près 80 min pour s’accélérer. Donc nous pouvons dire que la vitesse de sédimentation avec

recyclage des boues est plus élevée que celle sans recyclage des boues ce qui favorise la

décantation de l’acide phosphorique.

Par la suite, nous établirons un bilan en matière solide dans le cas de circuit fermé

(avec recyclage des boues) afin d’estimer le débit des boues que nous pouvons recycler.

III. Bilan en matière solide au niveau du décanteur

La figure 4.2 illustre le schéma du décanteur avec recirculation des boues :

Figure 4.2 : Schéma du décanteur avec recirculation des boues

Avec :

MAD : débit massique d’acide désulfaté ;

MAC : débit massique d’acide clarifié ;

MBD : débit massique des boues décantées ;

MBR : débit massique des boues recyclées ;

Décanteur

MAC

MBR

MAD

MBR

MBD


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TS1 : taux de solide d’acide désulfaté ;

TS2 : taux de solide des boues décantées ;

TS : taux de solide d’acide clarifié.

Bilan globale : MAD + MBR = MBD + MAC

Bilan partiel par rapport au solide : (MAD + MBR).TS1 = MBD.TS2 + MAC. TS (1)

Or, en régime continu, nous considérons qu’il n’y a pas d’accumulation de solide dans

l’appareil et nous pouvons écrire : MBR = MBD

De (1), nous obtenons : MBD =

Pour une seule ligne de production, nous avons : MAD = 80,12 t/h

Et en régime permanant le débit d’acide clarifié est pratiquement égal au débit d’entrée

d’acide désulfaté : MAD = MAC = 80,12 t/h.

Pour les taux de solide de l’acide désulfaté et les boues décantées, nous prenons les

valeurs moyennes calculées lors des analyses effectuées au laboratoire (annexe 3):

TS1 = 20% et TS2 = 40%

Quant au taux de solide de l’acide clarifié, Maroc Phosphore I admet un pourcentage de 1%.

En remplaçant donc tous les paramètres par leurs valeurs numériques, nous obtenons :

MBD = 76,114 t/h = 50,74 m3/h (ρ=1500 kg/m

3)

Ce débit calculé est réalisable puisqu’il peut être généré par la pompe de recirculation des

boues dont le débit maximal est 59,4 m3/h.

Généralement, pour une alimentation donnée, le débit d’extraction des boues de la

sousverse doit être maximal afin d’assurer un niveau minimal de pulpe épaissie dans le

décanteur. En effet, si le soutirage de la sousverse est insuffisant, les boues vont alors

occuper de plus en plus de place et peuvent se retrouver dans la surverse, compromettant

ainsi l'efficacité de l'opération de clarification. Le choix de la concentration et du débit des

boues peut influencer donc la décantation et en particulier le taux de solide d’acide clarifié.


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Dans ce contexte, nous allons étudier l’influence des boues et les éventuels paramètres

agissants sur le taux de solide d’acide clarifié en se basant sur l’utilisation d’un plan

d’expériences factoriel complet pour optimiser le taux de solide au niveau de l’over-flow.

IV. Plan d’expériences factoriel complet

Le plan d’expériences est une méthode puissante d’expérimentation qui présente sous

forme d’équation mathématique un système complexe, le principe est de trouver une relation

entre les paramètres d’entrée et les résultats mesurables de sortie.

Il permet d'organiser au mieux les essais qui accompagnent une recherche scientifique

ou des études industrielles. Ils sont applicables à de nombreuses disciplines et à toutes les

industries à partir du moment où l’on recherche le lien qui existe entre une grandeur

d’intérêt ou de sortie, y, et des k variables d’entrées ou facteurs, xk. Il faut penser aux plans

d'expériences si l’on s’intéresse à une fonction du type : Y= f(x1, x2, x3, … xk)

L’étude d’un phénomène se ramène à déterminer la fonction f( ) qui lie la réponse Y

aux différents facteurs x1, x2, …, xk. Pour approfondir cette approche il faut introduire

quelques notions particulières et une terminologie spécifique aux plans d’expériences [7].

IV.1.Terminologie

Paramètres: les variables du système ou ses facteurs.

Modalité/niveau: c’est la valeur d’un paramètre à un stade particulier de l’expérience,

nous représentons les valeurs réelles par des unités codées (-1 et 1) pour ne pas

complexer le plan.

Interaction : influence d’un facteur sur un autre.

IV.2.Objectifs du plan d’expériences

Connaître le comportement du système étudié ;

Optimiser, maitriser et modéliser le système considéré ;

Évaluer la part de chacun des paramètres étudiés sur la décantation d’acide ;

Déterminer le facteur le plus influent ;

Déterminer les conditions dans lesquelles les performances les plus optimales sont

réalisées en termes de taux de solide dans l’acide clarifié.


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Avant d’entamer le plan d’expériences pour notre système étudié, nous allons faire

quelques hypothèses afin de déterminer les facteurs agissants sur la décantation.

IV.3.Hypothèses

Les principaux facteurs régissant la séparation liquide clarifié-boues lors de la

décantation d’acide phosphorique sont:

La densité d’acide phosphorique

Le taux de solide d’acide phosphorique

Le taux de solide des boues

La viscosité d’acide phosphorique

La température de milieu réactionnel

Le système de décantation

Qualité du phosphate : chimique et physique

Pour obtenir un plan d’expériences pertinent, il est nécessaire d’étudier tous les

paramètres qui ont une influence sur le système considéré qui est dans notre cas la

décantation de l’acide phosphorique, mais vu les contraintes et les obligations, nous ne

pouvons varier que certains facteurs, d’où les hypothèses suivantes :

1. Vu qu’il s’agit toujours d’une même réaction entre un phosphate broyé et l’acide

phosphorique, nous supposons que la température du milieu réactionnel est constante

ainsi que la viscosité de l’acide phosphorique qui dépend de la température. Nous

considérons donc que les facteurs (4) et (5) sont gardés constants.

2. Le bac de décantation existe déjà avec des dimensions bien déterminées pour séparer

le liquide du solide, nous considérons donc que le système de décantation, le facteur

(6), est invariable.

3. Durant le suivi, la ligne D réalise la production en utilisant le phosphate G10 (voir le

tableau 2.1 chapitre 2), alors nous admettons ainsi que le facteur (7) est constant et

que la granulométrie de ce même phosphate est constante.

4. Les facteurs auxquels nous pouvons accéder sont la densité d’acide phosphorique, le

taux de solide d’acide phosphorique et le taux de solide des boues car nous avons un

suivi permanent de ces facteurs dans le laboratoire. Par conséquent, nous allons

étudier notre système à travers les facteurs (1), (2) et (3).

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)


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IV.4.Système à étudier

Figure 4.3 : Système à étudier

Suite aux données du suivi de la production de la ligne D, nous avons adopté un plan

d’expériences factoriel complet à 3 facteurs et à 2 niveaux, avec :

Les facteurs (d, Ts1 et Ts2) représentent respectivement la densité d’acide

phosphorique, le taux de solide d’acide phosphorique et le taux de solide des boues ;

La réponse Y représente le taux de solide d’acide clarifié en %.

Et pour le traitement des données et l’interprétation du plan d’expériences, nous avons

utilisé le logiciel JMP10 qui est un logiciel de statistiques dans lequel une partie est

consacrée aux plans d'expériences.

Nous allons exposer notre travail et les résultats étape par étape.

Pour le calcul moyennant l’utilisation de logiciel JMP10, les différentes étapes sont

données en annexe 7.

Modélisation du système

Puisque nous avons trois facteurs à deux niveaux, le plan d’expériences

correspondant est donc : 23

= 8 expériences.

Nous cherchons à trouver une fonction de transfert entre les facteurs d’entrées

(densité d’acide phosphorique, le taux de solide d’acide phosphorique et le taux de solide

des boues) et la réponse qui est le taux de solide d’acide clarifié en %, les données du

plan sont présentées dans le tableau 4.1:

Système

Décanteur

d Facteur 1 : Densité d’acide

phosphorique

Facteur 2 : Taux de solide

d’acide phosphorique

Facteur 3 : Taux de

solide des boues

Y

Réponse

Ts1

Ts2

Taux de solide d’acide

clarifié en %


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Niveau / facteur Densité en

Kg/m3

Taux de solide dans

l’acide en %

Taux de solide dans les

boues en %

Niveau bas -1 1280 0,5 40

Niveau haut 1 1300 1,3 50

Tableau 4.1 : Données du plan d’expériences

Ce tableau est important car les conclusions de l’expérimentation ne seront valables qu’à

l’intérieur du domaine d’étude de chaque facteur. Si nous opérons par exemple avec une densité

de 1400 Kg/m3 et un taux de solide des boues de 60 %, nous ne pourrons pas utiliser les

conclusions de cette étude.

Nous pouvons représenter le plan par des matrices d’expériences en unités codées pour

faciliter les calculs (tableau 4.2).

Expérience d Ts1 Ts2 Y(Ts)

1 -1 -1 -1 Y1= 1,83 %

2 1 -1 -1 Y2= 0,91 %

3 -1 1 -1 Y3= 1,58 %

4 1 1 -1 Y4= 0,71 %

5 -1 -1 1 Y5= 1,72 %

6 1 -1 1 Y6= 0,96 %

7 -1 1 1 Y7= 2,26 %

8 1 1 1 Y8= 1,69 %

Tableau 4.2 : Matrice d’expériences et leurs réponses

Le modèle correspondant à notre système, s’écrit :

Avec :

a0: la moyenne des réponses ;

d, Ts1 et Ts2 : sont respectivement densité d’acide phosphorique, le taux de solide

d’acide phosphorique et le taux de solide des boues ;

Y (Ts) = a0+ a1.d + a2.Ts1 + a3.Ts2 + a12.d.Ts1 + a13.d.Ts2 + a23.Ts1.Ts2


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a1, a2 et a3 : coefficients relatifs aux facteurs d, Ts1 et Ts2 ;

d.Ts1, d.Ts2 et Ts1.Ts2: interactions entre les facteurs ;

a12, a13 et a23: coefficients relatifs aux interactions d.Ts1 , d.Ts2 et Ts1.Ts2.

Calculs

Pour trouver le coefficient constant a0, il suffit de diviser la somme des réponses sur le

nombre d’expériences :

a0 =

= 1.4575 %

Calcul des coefficients relatifs aux trois facteurs étudiés et leurs interactions :

Pour effectuer les calculs nous utiliserons le tableau 4.3 où tous les niveaux bas et

haut des facteurs ainsi que leurs interactions sont présentés en unités codées. Ainsi par

exemple, d*Ts1 est le produit des niveaux des facteurs (1) et (2) ; en unités codées, ce

produit est égal à – 1 (d*Ts1= –1*+1 = +1*–1 = – 1) ou à +1 (d*Ts1= –1*–1 = +1*+1 = +1).

Expérience d Ts1 Ts2 d. Ts1 d. Ts2 Ts1. Ts2 Y(Ts)

1 -1 -1 -1 1 1 1 Y1= 1,83 %

2 1 -1 -1 -1 -1 1 Y2= 0,91 %

3 -1 1 -1 -1 1 -1 Y3= 1,58 %

4 1 1 -1 1 -1 -1 Y4= 0,71 %

5 -1 -1 1 1 -1 -1 Y5= 1,72 %

6 1 -1 1 -1 1 -1 Y6= 0,96 %

7 -1 1 1 -1 -1 1 Y7= 2,26 %

8 1 1 1 1 1 1 Y8= 1,69 %

a1 a2 a3 a12 a13 a23

Tableau 4.3 : Matrice d’expériences et résultats avec les interactions entre les facteurs

Nous calculons un coefficient en faisant la somme des réponses divisée par le nombre

d’expériences (8) où chaque réponse est multipliée par l’unité codée (1 ou -1) selon la colonne

correspondante à chaque coefficient. Nous calculons le coefficient a1 pour bien expliquer la

démarche :


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a1 = ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

= - 0,39

Nous procéderons de la même façon pour calculer les autres coefficients du modèle,

nous obtenons donc :

a2 = 0,1025

a3= 0,2

a12 = 0,03

a13 = 0,0575

a23 = 0,215

Nous pouvons aussi déterminer ces coefficients en utilisant JMP10 (annexe 7).

Le résultat obtenu est affiché comme dans la figure 4.4 :

Figure 4.4: Résultats selon JMP10

Nous vérifions que les coefficients estimés sont égaux aux ceux que nous avons

calculé littéralement. De plus, ce logiciel permet aussi de calculer plusieurs paramètres

statistiques relatifs au modèle développé permettant de juger la validation de ce modèle.

Finalement le modèle représentant notre système s’écrit :

Ts en % = 1,4575 - 0,39.d + 0,1025.Ts1 + 0,2.Ts2 + 0,03.d.Ts1 + 0,0575.d.Ts2 + 0,215.Ts1.Ts2


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Vérification du modèle

Exemple 1 :

Soit la densité d’acide phosphorique, le taux de solide d’acide phosphorique et le taux

de solide des boues respectivement au niveau 1, -1 et 1 :

Donc : Ts en % = 1,4575 - 0,39 - 0,1025 + 0,2 - 0,03 + 0,0575 - 0,215 = 0,9775%

Et suivant l’expérience 6, le taux de solide d’acide clarifié correspondant à ce cas est

égal à 0,96%.

Exemple 2 :

Soit la densité d’acide phosphorique, le taux de solide d’acide phosphorique et le taux

de solide des boues respectivement au niveau 1, 1 et 1.

Donc : Ts en % = 1,4575 - 0,39 + 0,1025 + 0,2 + 0,03 + 0,0575 + 0,215 = 1,6725%

Et suivant l’expérience 6, le taux de solide d’acide clarifié correspondant à ce cas est

égal à 1,69%.

Nous admettons que ce modèle est valide et l’erreur est négligeable, elle pourrait être

dû soit aux valeurs de départ, soit à la négligence de l’interaction d.Ts1.Ts2 d’ordre 3. La

validité du modèle s’avère également à travers le logiciel JMP10 qui a donné un coefficient

de régression R2 = 0,998791 (plus R

2 proche de 1 plus le modèle est valide).

Interprétation des résultats du plan d’expériences

Nous connaissons maintenant les valeurs :

– du coefficient du facteur 1 (d) : a1= - 0,39 ;

– du coefficient du facteur 2 (Ts1) : a2= 0,1025 ;

– du coefficient du facteur 3 (Ts2) : a3= 0,2 .

Or, d’une manière générale, quand le modèle choisi est un polynôme, les coefficients

des termes du premier degré correspondent aux effets des facteurs.

D’où :

Effet de la densité d’acide phosphorique: E1 = |a1|= 0,39 ;

Effet taux de solide d’acide phosphorique : E2 = |a2|= 0,1025 ;

Effet taux de solide des boues : E3 = |a3|= 0,2


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D’après ces résultats : (E1 > E3 > E2). Donc le facteur le plus influent est la densité,

suivi de taux de solide des boues et en dernière position le taux de solide d’acide

phosphorique.

Calculons maintenant la part de chaque facteur sur le système étudié.

Calcul de la part de chaque facteur sur le système étudié

En ne prenant en considération que les trois facteurs cités précédemment, la part de

chaque facteur sur le système étudié peut être calculée de la manière suivante :

%E1=

.100 = 0,56%

%E2 =

.100 = 0,15%

%E3 =

.100 = 0,29%

Les interactions

Nous suivons le même raisonnement et nous classons les interactions par ordre d’importance,

Ts1.Ts2 > d.Ts1 > d.Ts2

Interprétation des résultats du plan d’expériences selon le logiciel JMP10

Nous construisons un diagramme qui indique les effets principaux des facteurs (voir

annexe 8), c’est-à-dire les coefficients des termes du premier degré du modèle mathématique.

Ce diagramme peut être construit avec les unités codées ou avec les unités normales.

L’impression visuelle est la même. Pour la présentation des résultats, il est plus commode

d’employer les unités normales qui donnent immédiatement les valeurs de comparaison.

Un diagramme des d’interactions indique les effets d’un facteur au niveau bas et au

niveau haut d’un autre facteur. Nous savons que si les droites des effets ne sont pas parallèles,

alors il y a une interaction significative entre ces deux effets.


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Figure 4.5 : Effet de l'interaction de deux facteurs sur le taux de solide de l'acide clarifié

Nous constatons que les droites d’interaction des facteurs densité et taux de solide de

l'acide sont presque parallèles ce qui signifie que leur effet est peu significatif. De même pour

les droites d’interactions des facteurs densité et taux de solide des boues. Par contre, les

droites d'interaction des facteurs taux de solide de l'acide et taux de solide des boues ne sont

pas parallèles, nous pouvons dire donc que l’interaction de ces deux facteurs représente un

effet important sur le taux de solide.

Pour déterminer les conditions optimales en termes de taux de solide dans l’acide

clarifié, nous traçons les graphiques d’isoréponses (figure 4.6.a ; figure 4.6.b; figure 4.6.c) :


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Figure 4.6.a : Cartographie du taux de solide en fonction des facteurs densité et taux de

solide dans l'acide

Figure 4.6.b : Cartographie du taux de solide en fonction des facteurs densité et taux de

solide dans les boues


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Figure 4.6.c : Cartographie du taux de solide en fonction des facteurs taux de solide dans

l'acide et taux de solide dans les boues

Le plan d’expériences montre l’influence de la densité d’acide phosphorique, le taux

de solide d’acide phosphorique et le taux de solide des boues sur le taux de solide d’acide

clarifié. Les informations pouvant être extraites de cette étude sont :

Au fur et à mesure que la densité d’acide augmente, le taux de solide d’acide

clarifié diminue.

Le taux de solide d’acide clarifié s’améliore lorsque le taux de solide des boues ou

de l’acide augmente.

Le taux de solide d’acide clarifié est satisfaisant pour une densité d’acide proche de

1300 Kg/m3.

D’après le plan d’expériences et son interprétation, c’est évident que le facteur le plus

influençant est la densité d’acide, suivi du taux de solide des boues, et en dernière position le

taux de solide d’acide, nous constatons aussi que les conditions optimales, selon les

graphiques d’isoréponses, des paramètres sont présentes dans les intervalles :

d = [1290 – 1300]

TS1 = [1,3 – 1,4%]

TS2 = [40 - 43%]


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V. Solutions et améliorations proposées

A partir de cette étude, nous avons proposé quelques solutions et recommandations à

adopter pour optimiser l’unité de désulfatation-décantation de Maroc Phosphore I, à savoir :

Faire un suivi permanant des différents paramètres de désulafation-décantation ;

Agir sur la densité d’acide phosphorique, le facteur le plus influent, en ajoutant

l’eau de dilution en cas des densités élevées (>1300) et les boues en cas des densités faibles

d’une manière à rester dans l’optimum [1290 – 1300] ;

Faire un suivi du taux de solide des boues qui est le deuxième facteur le plus

influent représentant un effet de 20% et une forte interaction avec le taux de solide d’acide

selon le modèle établi précédemment ;

Installer un dispositif de mesure en continu du couple exercé par le mécanisme

d'entraînement. Les systèmes de protection consistent en une alarme de surcharge de type

hydraulique, mécanique ou électrique, qui déclenche une alarme sonore et un arrêt de

moteur suivant le niveau de la surcharge de décanteur avec les boues ;

asservir la vanne de débit des boues recyclées à la mesure du couple de torsion. Si

nous atteignons une valeur critique du couple due à la surcharge du décanteur avec les

boues, la vanne change directement le débit des boues vers le circuit ouvert pour soulager le

racleur.

VI. Conclusion

La modélisation a permis de déterminer le taux de solide optimum dans l'acide clarifié

dont le nombre varie entre 0,95 et 1%. Elle a permis aussi, à base du logiciel JMP10,

d'étudier l'effet de certains paramètres sur le taux de solide d’acide clarifié, tels que le taux

de solide d’acide phosphorique, le taux de solide des boues et la densité d’acide

phosphorique qui est le facteur le plus influent sur le taux de solide de l’acide clarifié.

Ainsi, par le contrôle et la régulation de cette densité, nous allons satisfaire au mieux

les exigences des clients.

Pour accomplir cette étude, nous allons envisager dans le prochain chapitre, la

production d’un acide phosphorique destiné à un client de l’OCP (FOSBRASIL) à partir de

l’acide clarifié de MPI et ceci en se basant sur les résultats des précédents chapitres.


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CHAPITRE 5

Etude de la possibilité de production de l’acide

« FOSBRASIL » à partir de l’acide clarifié de MPI

&

Comparaison entre l’unité désulfatation de MPI et

l’atelier TA de Maroc Chimie


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I. Introduction

L'un des clients les plus importants de l'OCP est le client « FOSBRASIL » car c'est un

client qui exige un acide phosphorique avec une valeur en taux de sulfates très basse.

Cet acide est produit au niveau d'un atelier de traitement d'acide (TA) à Maroc Chimie,

cet atelier est une unité récente (2003) qui traite l'acide phosphorique produit au niveau de

Maroc Chimie, son unique rôle est de réduire les teneurs des différentes impuretés présentes

dans l'acide.

Le but de ce chapitre est d'étudier la possibilité de produire l'acide du client

"FOSBRASIL" au niveau de l'unité désulfatation de MP1 ainsi que de faire une comparaison

entre cette unité et l'atelier TA de Maroc Chimie afin d’apporter quelques améliorations à la

désulfatation de MP1.

II. Acide « FOSBRASIL »

II.1.Présentation du client « FOSBRASIL »

"FOSBRASIL" est un client brésilien régulier de l'OCP, chaque mois il demande une

quantité de 10.000 tonnes de solution d'acide phosphorique avec des exigences bien

déterminées, comme le montre le tableau 5.1:

% P2O5 58 - 60

% H2SO4 1.2 max

Tableau 5.1: Exigences du client « FOSBRASIL » au niveau de l'acide phosphorique

Afin de pouvoir produire cet acide phosphorique nommé « FOSBRASIL » au niveau

de l'unité de désulfatation de MP1, nous utiliserons l’acide phosphorique issu du décanteur

lors de la désulfatation d’une seule ligne de production (Cf. chapitre 3).

II.2.Production de l'acide "FOSBRASIL"

Comme indiqué précédemment, l'acide « FOSBRASIL » de concentration (58-60%)

doit avoir un taux de sulfates maximum de 1.2%, c'est pourquoi nous utiliserons l'acide

clarifié obtenu au niveau du décanteur de l'unité désulfatation de MPI lors de la désulfatation


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d'une seule ligne de production (Cf. chapitre 3) pour produire cet acide. La figure 5.1

illustre le procédé de fabrication de l’acide « FOSBRASIL »:

Figure 5.1: Procédé de fabrication de l'acide phosphorique « FOSBRASIL »

Décanteur

H3PO4 Phosphate

QD

H3PO4 30%

%H2SO4 = 0.4

QE1

H3PO4 46%

%H2SO4 = 0.5 - 0.6

QE3

H3PO4 60%

%H2SO4 = 0.9 - 1

1er échelon de concentration 2ème échelon de concentration

Stockage acide « FOSBRASIL »

Vanne Débitmètre

3ème échelon de concentration

QE2

H3PO4 54%

%H2SO4 = 0.7 – 0.8


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L'acide phosphorique (30% en P2O5) obtenu à la sortie du décanteur avec une teneur

en sulfates de 0.4%, est conduit vers un premier échelon de concentration afin d'augmenter

sa concentration en P2O5 en évaporant l'eau présente dans l'acide (Cf. chapitre 1). A la sortie

du premier échelon, l'acide a une concentration de 46% en P2O5 et un taux de sulfates de

0.5% à 0.6 %. Ensuite l’acide est introduit vers un deuxième échelon pour augmenter sa

concentration à 54% en P2O5 et son taux de sulfates atteint une valeur de 0.6% à 0.7%.

Enfin, à la sortie du troisième échelon, la concentration de l’acide est de 58-60% et son taux

de sulfates est de 0.9 à 1%.

Soit :

- QD le débit d’acide (30% en P2O5) à la sortie du décanteur.

- QE1 le débit d’acide (46% en P2O5) à la sortie du 1er

échelon de concentration.

- QE2 le débit d’acide (54% en P2O5) à la sortie du 2ème


- QE3 le débit d’acide (60% en P2O5) à la sortie du 3ème


Nous savons que pour une ligne désulfatée :

QD = 80.12 t/h

Cependant, dans le premier échelon, une quantité d’eau de l’acide phosphorique est

évaporée, donc le débit d’acide à la sortie du premier échelon sera égal à :

1er

échelon : QE1 = QD – (46% - 30%)*QD

Avec : (46% - 30%)*QD : la quantité d’eau évaporée dans le 1er

échelon.

A.N : QE1 = 67.3 t/h

Nous suivrons le même raisonnement pour calculer le débit d’acide phosphorique à la

sortie du deuxième et du troisième échelon :

2ème

échelon : QE2 = QE1 – (54%-46%)*QE1

Avec : (54% - 46%)*QE1 : la quantité d’eau évaporée dans le 2ème

échelon.

A.N : QE2 = 61.9 t/h


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3ème

échelon : QE3 = QE2 – (60% - 54%)*QE2

Avec : (60% - 54%)*QE2 : la quantité d’eau évaporée dans le 3ème

échelon.

A.N : QE2 = 58.2 t/h

Donc, le débit d’acide phosphorique « FOSBRASIL » que nous pouvons produire

dans l’unité désulfatation de MPI est de 58.2 t/h soit 1397 t/jour.

Or, la quantité demandée par le client est de 10000 tonnes de solution d’acide

phosphorique par mois, donc pour satisfaire cette demande, nous devons produire cet acide

« FOSBRASIL » pour une durée de :

10000 / 1397 = 7.15 ≈ 8 jours

Ainsi, pour une période de 8 jours/mois, nous ne devons produire que l’acide destiné

au client « FOSBRASIL » au niveau de MPI. Cependant, l’OCP doit satisfaire les

demandes en acide phosphorique des autres clients.

Pour remédier à ce problème, nous choisirons de produire l’acide « FOSBRASIL »

par poste de travail, sachant qu’une journée de travail (24h) est divisée en trois postes

(3*8h). Alors, la quantité d’acide phosphorique à produire pour le client « FOSBRASIL »

est :

QE3 = 1397 / 3 = 466 t/poste

D’où une période de 22 jours (10000/466) est nécessaire pour satisfaire la demande du

client « FOSBRASIL » ainsi que la demande des autres clients, et ceci en produisant l’acide

phosphorique désulfaté durant 2 postes/jour et l’acide « FOSBRASIL » durant le 3ème

poste.

L'avantage de cette production d'acide phosphorique « FOSBRASIL » au niveau de la

désulfatation de MP1 est la réduction du coût de production de cet acide, car jusqu'à

aujourd'hui l'acide phosphorique « FOSBRASIL » est produit à Maroc Chimie et vendu à

MP1 avec un prix de 6424 dh / tonne d’acide. Or, si nous produisons cet acide au niveau de

l'unité de désulfatation de MP1, son prix de revient sera le même que celui de l'acide

désulfaté et qui est de 5263 dh / tonne d’acide, donc nous réaliserons un gain de 1161 dh/

tonne.


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Afin d'améliorer la production de l'acide phosphorique désulfaté en général et celle de

l'acide phosphorique « FOSBRASIL » en particulier, nous avons choisi de faire une

comparaison entre l'unité de désulfatation de MP1 et l'atelier traitement d'acide de Maroc

Chimie pour montrer les points à améliorer au niveau de la désulfatation de MP1.

III. Comparaison entre l'unité désulfatation de MP1 et l'atelier TA de MC

III.1.Présentation de l'atelier TA de Maroc Chimie

Afin de répondre à la demande accrue en matière de qualités techniques d’acide

phosphorique, l’unité de traitement d’acide de Maroc Chimie utilise plusieurs moyens

d’épuration à savoir :

La décadmiation ;

La désulfatation ;

La défluoration ;

La désursaturation ;

La désarseniation.

Ces opérations de purification permettent de réduire la teneur de quelques impuretés

présentes dans l’acide à des seuils bien déterminés qui sont définis suivant les critères des

clients et nous parlons ainsi de performances attendues.

Performances attendues

Capacité : Capacité journalière projetée : 700T P2O5

Décadmiation: Réduction de la teneur en Cd de 40 ppm à moins de 10 ppm.

Désulfatation: Réduction de la teneur en SO3 de 6,5% à moins de 1% (acide 54%).

Défluoration: - Réduction de la teneur en fluor de 0,23% à moins de 0,12%.

- Teneur en fluor dans les rejets (après lavage) ≤ 5 mg/Nm3.

Désarseniation: - Réduction de la teneur en arsenic de 7 ppm à moins de 1 ppm.

- Teneur en H2S dans les rejets (après lavage) ≤ 10 ppm.


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Cependant, ces procédés de purification ne sont pas toujours simples. Le paragraphe

suivant donne une description complète des différentes opérations de purification de

l’atelier TA de Maroc Chimie.

Description des différentes opérations de traitement

Décadmiation

La bouillie 30% provenant de l’atelier de fabrication de l’acide phosphorique est

constituée d’un solide riche en gypse dihydrate, c’est ce gypse qui permettra l’opération de

décadmiation en substituant les ions Cd2+

présents dans l’acide phosphorique par les ions

Ca2+

contenus dans la bouillie.

Désulfatation

La désulfatation est réalisée dans un réacteur (figure 5.2) qui est chauffé à 90°C, elle

consiste à réduire la teneur en acide libre H2SO4 à 1%, par l’ajout du phosphate broyé.

La réaction mise en jeu est la suivante :

CaO(Phosphate) + H2SO4 + H2O CaSO4, 2H2O ; à 90°C

Figure 5.2: Flowsheet de l'atelier TA (Réacteur de désulfatation)


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Défluoration

L’objectif de la défluoration est de réduire la teneur en fluor par ajout de la silice.

Cette opération est réalisée dans le même réacteur que celui de la désulfatation; les réactions

mises en jeu sont:

6HF+ SiO2 SiF6 + H2 +2H2O à 90°C

H2SiF6 SiF4 + 2HF

La quantité de silice à ajouter dépend de la teneur en fluor contenu dans l’acide à

traiter, elle est mesurée par un dosomètre et mélangée avec l’acide dans un mélangeur avant

son introduction dans le réacteur.

Désursaturation

L’acide phosphorique sortant du réacteur de désulfatation, défluoration, est chargé en

matières solides. Le désursaturateur permet grâce au temps de séjour et un refroidissement

naturel d’obtenir un acide désurasaturé.

Décantation

La clarification se fait dans un décanteur pour permettre la séparation de l’acide clair

traité des boues.

Désarseniation

La désarseniation consiste en la précipitation de l’arsenic sous forme de sulfure.

L’agent de précipitation utilisé est une solution d’hydrosulfite de sodium ayant un titre en

NaHS de 30 % en poids. Cette solution est préparée par dissolution de NaHS solide dans

l’eau dans une cuve agitée.

Le principe de la désarseniation par les sulfures (NaHS) repose sur les réactions

suivantes :

En phase aqueuse, le pH est compris entre 7 et 12

NaHS Na+ + HS

- (Réaction prédominante)

Dans l’acide phosphorique : HS- + H

+ H2S


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8H2S + 2As3+ + 2As5

+ As2S3 + As2S5 + 16H

+

A la sortie du réacteur de désarseniation, l’acide phosphorique contient du H2S

gazeux.

Le dégazage de l’acide est effectué dans un dégazeur. Ces gaz sont aspirés vers une

tour de lavage où ils sont lavés avec une solution de soude diluée. Cette soude réagit avec

H2S pour former NaSH qui est récupéré pour la désarseniation de l’acide.

Les réactions de neutralisation sont :

NaOH + H2S NaSH + H2O

2NaOH + H2S Na2S + H2O

L’acide phosphorique désulfaté et désarsenié s’écoule du dégazeur vers le répartiteur.

Cet acide contient des précipités arsénieux difficiles à décanter ainsi que les solides formés

par la désulfatation; nous lui ajoutons dans le répartiteur un floculant qui favorise la

décantation des solides dans le décanteur.

III.2.Comparaison entre l’atelier TA de MC et l’unité désulfatation de MP1

Figure 5.3: Comparaison entre l’atelier TA de MC et l’unité désulfatation de MPI

Phosphate broyé

H3PO4

Décanteur

Boues

H3PO4 clarifié


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La comparaison entre les deux unités portera sur les paramètres de marche (tableau

5.2), les équipements (tableau 5.3) et le recyclage des boues.

Paramètres de marche

Paramètres de marche Désulfatation (TA/MC) Désulfatation (MP1)

Acide traité Acide phosphorique à

concentration de 54% P2O5

Acide phosphorique à

concentration de 30% P2O5

Taux de sulfates de l’acide à

l’entrée de l’unité 2.5% à 3% (acide à 54%) 2.6% à 2.8% (acide à 30%)

Taux de sulfates de l’acide à

la sortie de l’unité ≤ 1% (acide à 54%) ≤ 1% (acide à 30%)

Temps de séjour au niveau du

décanteur 24 h à 30 h 14 h

Débit d'H3PO4 à l’entrée 20 m3/h 60 m

3/h à 120 m

3/h

Tableau 5.2: Comparaison des paramètres de marche

Ce tableau montre que le débit d’acide phosphorique de l’unité TA à Maroc chimie est

inférieur à celui de MP1, cette différence est due à la viscosité plus élevée de l’acide

phosphorique utilisé à Maroc Chimie (acide phosphorique concentré à 54% en P2O5). Ainsi,

la vitesse de sédimentation sera plus longue, ce qui traduit aussi le temps de séjour plus long

dans l’atelier TA (24 à 30h) au lieu de 14h dans MP1.

Le taux de sulfates à la sortie de l’unité restera le même dans l’atelier TA car l’acide

commercialisé est celui de 54% en P2O5, alors que le taux de sulfates de l’acide à la sortie de

l’unité désulfatation de MP1 connaîtra une augmentation car il sera reconcentré pour être

commercialisé.


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Equipements et dimensionnement

Equipements et

dimensionnement Désulfatation (TA/MC) Désulfatation (MP1)

Doseur de phosphate Présence Absence

Cyclone avant le Réacteur Présence Absence

Pompe de transfert entre le

réacteur et le décanteur Présence Absence

Hauteur Réacteur 9 m 5 m

Diamètre extérieur Réacteur 7 m 4.8 m

Surface Réacteur 38 m² 18 m²

Volume utile Réacteur 342 m3 90 m

3

Hauteur décanteur 8.95 m 8 m

Diamètre décanteur 24 m 15 m

Surface décanteur 452 m² 156 m²

Volume utile décanteur 4045 m3 1250 m

3

Tableau 5.3: Comparaison des équipements

La présence d’un doseur de phosphate permet de contrôler la quantité de phosphate à

introduire dans le réacteur.

La présence d’un cyclone avant le réacteur de désulfatation permet d'éviter la réaction

entre le phosphate et les gaz présents dans l'acide phosphorique.

Recyclage des boues

Au niveau de l'atelier TA de Maroc Chimie, les boues du décanteur sont toujours

recyclés vers un bac de stockage appelé "bac à boues" avec un débit de 6 m3/h, sauf en cas

d'arrêt de l'unité TA pour lavage ou tout autre problème nous procédons en circuit fermé

(boues recyclées vers le décanteur). Alors que dans l'unité de désulfatation de MP1 nous

vérifions l'état du racleur du décanteur manuellement et nous procédons soit en circuit fermé

soit en circuit ouvert (Cf. chapitre 3).

Cette comparaison nous a permis de déceler quelques améliorations matérielles

pouvant être apportées au niveau de l’unité désulfatation de MP1.


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III.3. Points à améliorer au niveau de la désulfatation de MP1

III.3.1.Installation d'un cyclone avant le réacteur de désulfatation

Dans l'atelier TA de Maroc Chimie, nous notons la présence d'un cyclone en dessus du

réacteur de désulfatation, dont le rôle est d’éviter toute réaction entre le phosphate et les gaz

dégagés par l'acide phosphorique dans le réacteur, et ainsi le colmatage du phosphate sur la

surface du réacteur de désulfatation. Contrairement à l'atelier de désulfatation de MP1 où

nous avons toujours ce problème de colmatage et nous devons déboucher manuellement la

conduite du phosphate, comme illustre la figure 5.4 :

Figure 5.4: Débouchage manuel de conduite

III.3.2.Installation d'une pompe de transfert entre le réacteur et le décanteur

Comme cité précédemment au niveau de l'unité de désulfatation de MP1, le produit du

mélange de la réaction entre le phosphate et l'acide phosphorique au niveau du réacteur est

transféré dans le décanteur par débordement (figure 5.5.a) contrairement à l'atelier TA de

Maroc Chimie où le transfert se fait via une pompe (figure 5.5.b).


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Figure 5.5.a: Transfert par débordement

Figure 5.5.b: Transfert via une pompe

L'avantage de la pompe de transfert est son emplacement, car elle se situe en bas du

réacteur ce qui laisse au mélange (phosphate + acide phosphorique) tout le temps de séjour

nécessaire pour favoriser au maximum la réaction. Par contre, lors du transfert par

débordement le phosphate est introduit au haut du réacteur et le transfert se fait au même

niveau, ce qui peut controverser la réaction et agir sur le mélange transféré vers le décanteur.

Décanteur

Décanteur

Réacteur

Réacteur


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III.3.3.Installation d'un doseur de phosphate

Le doseur de phosphate permet de régler la quantité de phosphate exacte à introduire

dans le réacteur, son absence au niveau de l'unité désulfatation de MP1 est la cause des

pertes de grandes quantités de phosphates au niveau du réacteur (Cf. chapitre 3).

Donc, l'une des solutions possibles est d'installer un doseur, comme celui présent dans

l'atelier TA de Maroc Chimie (figure 5.6).

Figure 5.6: Doseur de phosphate (Atelier TA)

IV. Conclusion

Ce chapitre nous a permis de mettre en place un procédé simple de fabrication de

l'acide phosphorique "FOSBRASIL" au niveau de la division de MP1 à partir de l'acide

désulfaté produit dans l'unité de désulfatation de MP1, ainsi que de montrer quelques points

à améliorer au niveau de cette unité en se basant sur une comparaison entre l'atelier de

traitement d'acide de Maroc Chimie et la désulfatation de MP1.


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CONCLUSION GÉNÉRALE

La description du groupe OCP et ses activités nous a permis d'une part d'avoir une idée

générale sur le rôle des différentes unités de production de l'acide phosphorique au sein de la

division MPI et d’autre part de donner au lecteur une vision claire sur le procédé de

fabrication afin qu'il puisse mieux suivre notre travail.

La recherche bibliographique effectuée lors de ce travail a mis en évidence

l'importance de la purification de l'acide phosphorique obtenu par l’opération de

désulfatation-décantation permettant d’éliminer les sulfates libres et de débarrasser l’acide

désulfaté du solide pour avoir un acide clarifié.

Cette désulfatation d’acide phosphorique s’effectue par ajout du phosphate broyé dont

la quantité à ajouter dépend de la teneur de sulfates libres présents dans l'acide. C’est ainsi

que le bilan matière a permis de calculer le débit exact de phosphate à introduire dans le

réacteur de désulfatation.

L’étude expérimentale de la décantation en éprouvette cylindrique nous a permis de

déterminer la capacité maximale de la bouillie pouvant être désulfatée afin de remonter à la

limite de production des équipements utilisés dans l’unité de désulfatation.

Dans l’objectif d’optimiser le taux de solide dans l’acide clarifié nous avons utilisé les

plans d’expériences. Cette démarche a permis de déterminer le taux de solide optimum dans

la solution d'acide clarifié dont le nombre varie entre 0,95 et 1%. Elle a permis également, à

base du logiciel JMP10, d'étudier l'effet de certains paramètres sur le taux de solide d’acide

clarifié, tels que l'effet de la densité d’acide phosphorique, le taux de solide d’acide

phosphorique et le taux de solide des boues. La comparaison entre les résultats calculés et

ceux obtenus expérimentalement permet de considérer le modèle élaboré comme étant

validé.

Les résultats obtenus ont ouvert la voie d’étudier la possibilité de mettre en place un

procédé de fabrication d’un acide phosphorique destiné au client "FOSBRASIL" à partir de

l’acide désulfaté issu de l'unité de désulfatation de MPI. La réalisation de ce procédé

permettra de réduire le coût de revient de 6424 dh à 5263 dh par tonne d’acide.


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Par ailleurs, suite à une comparaison entre l'unité désulfatation de Maroc Phosphore I

et l'atelier de traitement d'acide de Maroc Chimie, nous avons proposé quelques

améliorations à apporter aux équipements de désulfatation-décantation, tels que l’installation

d’un doseur de phosphate et le changement de la méthode de transfert du mélange

phosphate-acide phosphorique.


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RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

[1] www.ocpgroupe.ma ;

[2] Rapport annuel 2009 de l’OCP ;

[3] Lechgar M., Rapport de stage de titularisation (2006), Division Maroc Phosphore I ;

[4] Données d’étude des équipements, fournies par le bureau d’étude de Maroc Phosphore I ;

[5] Blazy P., Jdid E., Décantation, Aspects théoriques, Traité Génie des procédés, Techniques

de l’ingénieur J 3 450 ;

[6] Blazy P., Jdid E., Décantation, équipements et procédés, Traité Génie des procédés,

Techniques de l’ingénieur J 3 451 ;

[7] Goupy J., Creighton L., Introduction aux plans d'expériences, Dunod, Paris, 3ème

édition,

2006.

http://www.ocpgroupe.ma/


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ANNEXES


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Annexe 1 : Mode opératoire pour le calcul du taux de solide

Pour déterminer le taux de solide massique dans l'acide phosphorique à l'entrée et à la

sortie du décanteur ainsi que dans les boues nous utilisons le cône de sédimentation gradué

d’IMHOFF (figure 1). Ce cône permet, pour tout échantillon d'acide ou de boues, la

sédimentation du solide dans la base du cône alors que le liquide (l'acide) se dépose en haut

du cône comme le montre la figure 2.

A l'aide des graduations, nous déterminons le taux de solide volumique et ensuite nous

utilisons la relation d’IMHOFF suivante afin de déterminer le taux de solide massique:

Taux de solide massique = 0.68 * taux de solide volumique

Figure 1: Cône de sédimentation d’IMHOFF Figure 2: Séparation du solide et de l’acide


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Annexe 2 : Mode opératoire pour le calcul du taux de

sulfates (%H2SO4)

Le contrôle de la teneur en sulfates libres (SO42-

) dans l'acide ou dans les boues se fait

au laboratoire local selon le mode opératoire suivant:

1) Nous calculons la densité de l'échantillon par un densimètre (Figure 1).

2) Nous titrons 2cm3 de l'échantillon par le chlorure de baryum (BaCl2 - 0.2N).

L'indicateur coloré utilisé est le sulfonazo III et nous utilisons l'acétone comme catalyseur.

Une fois le virage est atteint, nous procédons à la lecture de la tombée de burette (Figure 2).

La réaction du titrage s’écrit :

BaCl2 + H2SO4 BaSO4 + 2HCl

Figure 1: Densimètre

En calculant la densité de l'échantillon et le volume nécessaire pour le virage de

l'indicateur (tombée de burette), nous déterminons le taux de sulfates par la relation

suivante :

%H2SO4 =


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Avec :

- T.B : Tombé de burette en ml

Figure 2: Dosage de l’échantillon par BaCl2


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Annexe 3 : Analyses entrée décanteur, sortie décanteur,

boues pour une seule ligne désulfatée

N° Echantillon Densité Taux de sulfates Taux de solide

1

03BT03 (Entrée décanteur) 1280 1.3% 19%

04BT02 (Sortie décanteur) 1275 0.9% 1.3%

04DT03 (Boues) 1295 9.92% 38%

2


04BT02 (Sortie décanteur) 1281 1% 1.5%

04DT03 (Boues) 1298 10.35% 43%

3



04DT03 (Boues) 1286 10.46% 45%

4

03BT03 (Entrée décanteur) 1296 1.32% 18.5%


04DT03 (Boues) 1300 9.87% 38%

5



04DT03 (Boues) 1285 10.32% 39%

6



04DT03 (Boues) 1290 9.95% 42%

7



04DT03 (Boues) 1296 10.14% 45%

8



04DT03 (Boues) 1284 9.83% 42%

9



04DT03 (Boues) 1291 10.26% 40%

10



04DT03 (Boues) 1290 9.99% 39%


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11



04DT03 (Boues) 1294 10.1% 40%

12



04DT03 (Boues) 1292 9.79% 48%

13



04DT03 (Boues) 1287 10.44% 39%

14



04DT03 (Boues) 1300 10.32% 42%

15



04DT03 (Boues) 1282 9.92% 43%

16



04DT03 (Boues) 1295 9.88% 47%

17



04DT03 (Boues) 1289 10.18% 40%


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Annexe 4 : Essai de décantation

Figure 1: Eprouvette Vide Figure 2: Eprouvette contenant l'échantillon

Figure 3: Apparition de 4 phases Figure 4: Décantation de l'acide


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Annexe 5 : Courbes des essais de sédimentation

0

100

200

300

400

500

600

0 500 1000 1500

Vo

lum

e(c

m3 )

Temps (min)

Essai 1

0

100

200

300

400

500

600

0 200 400 600 800 1000 1200

Vo

lum

e(c

m3 )

Temps (min)

Essai 2

0

100

200

300

400

500

600

0 500 1000 1500

Vo

lum

e(c

m3 )

Temps (min)

Essai 4

0

100

200

300

400

500

600

0 200 400 600 800 1000 1200

Vo

lum

e(c

m3 )

Temps (min)

Essai 3

0

100

200

300

400

500

600

0 500 1000 1500

Vo

lum

e(c

m3)

Temps (min)

Essai 5

0

100

200

300

400

500

600

0 500 1000 1500

Vo

lum

e(c

m3)

Temps (min)

Essai 6


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Annexe 6 : Données d'étude pour le réacteur de

désulfatation et le décanteur

Récipient n° 03DT02

Client OCP Maroc

Lieu Safi

Diamètre extérieur(m) 15

Hauteur(m) 8

Volume utile (m3) 1250

Fluide procédé (liquide) Acide phosphorique

Densité (kg/m3) 1,73

Température de service (°C) 50

Concentration 32% P2O5

Température d’utilisation admissible (°C) 70

Fluide d’essai Eau

Protection surface intérieure Caoutchoutage et revêtement en briques

Tableau 1: Données d’étude pour réservoir de décantation

Récipient n° 03DD20

Client Maroc phosphore

Lieu Safi

Diamètre extérieur(m) 4,8

Hauteur(m) 5

Volume utile (m3) 89,5

Fluide procédé (solide/liquide) Phosphate brut, acide phosphorique

Densité (kg/m3) 1400

Température de service (°C) 50

Concentration 30% P2O5

Température d’utilisation admissible (°C) 70

Fluide d’essai Eau

Protection surface intérieure Caoutchouc-butyl, dureté shore ASS°+- 5°

Tableau 2: Données d’étude pour réacteur de désulfatation


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Annexe 7 : Utilisation du logiciel JMP10

Accès au plan d’expériences factoriel complet :

Définition des niveaux et la réponse :


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Définition des facteurs :

Construction du plan et attribution des réponses :


Page | 103


Calcul des coefficients du modèle

Nous continuerons avec JMP10 pour modéliser la fonction y(TS) = f(d,Ts,Ts2). Nous

exécutons alors le script en cliquant de la droite de la souris sur Modèle :

Exécution du modèle

La fenêtre suivante s’affichera, en sélectionnant la réponse et en choisissant les effets du

modèle et nous cliquons sur exécuter :


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Annexe 8 : Effets des facteurs sur le taux de solide

Effet du facteur densité de l'acide phosphorique :

Effet du facteur taux de solide de l'acide phosphorique :


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Effet du facteur taux de solide des boues :


Page | 106


صـملخ

، في تفاعل Iالفوسفوري، بالوحدة الصناعية فسفور المغرب الحامضتتمثل عملية إنتاج

الفوسفوري والشوائب الحامضالفوسفاط الخام مع حمض الكبريتيك. وهذا يؤدي إلى مزيج من

خالل الفوسفوري من الحامضالكبريتات الحرة. تتم عملية تنقية أيوناتالمختلفة التي نذكر من بينها

."إزالة الكبريتات" عملية كيميائية تسمى

الفوسفوري المراد الحامضأوال، تتم "إزالة الكبريتات" في مفاعل بإضافة الفوسفاط على

الفوسفوري( و الترسبات الحامضتنقيته. ثم تليها عملية التصفية من أجل فصل السائل المصفى)

٠الناتجة عن إضافة الفوسفاط

ترنا كموضوع "تحسين عمليتي إزالة الكبريتات وتصفية الحامض في هذه الدراسة اخ

الفوسفوري".

وتنقسم هذه الدراسة إلى عدة مراحل ، أولها هو تحقيق توازن المادة في نظام التخلص من مادة

ثم يتم إجراء دراسة تجريبية للتصفية ٠الكبريتات، وذلك لحساب كمية الفوسفاط التي يمكن ان تضاف

النتائج على النحو الوارد في تحديد الكمية القصوى للحامض الفوسفوري الممكن حيث استخدمت

نموذج رياضي لمعدل الترسبات الموجود في الحامض الفوسفوري قمنا بصياغة معالجتها. ثم

في المرحلة النهائية، درسنا من جهة، إمكانية إنتاج الحامض باستخدام أداة تصميم التجارب.

ه لزبون في البرازيل ومن جهة أخرى إجراء مقارنة عمليتي "إزالة الكبريتات" الفوسفوري الموج

ومحطة معالجة الحامض الفوسفوري بكيمياء Iوالتصفية بين الوحدة الصناعية فسفور المغرب

.المغرب


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ABSTRACT

The production of phosphoric acid by the wet process, in the unit phosphoric of Maroc

Phosphore I, involves the dissolution of phosphate ore in sulfuric acid. This leads to a mixture

of phosphoric acid and various impurities, mainly free sulfates.

The purification of phosphoric acid is done by an operation of sulphates removal and

settling. In the first place the removal of sulphates takes place in a reactor by addition of

phosphate with phosphoric acid to be purified. Then, the settling is carried out in a decanter

with a sludge recirculation in order to separate the liquid clarified and the settled sludge.

The aim of this study is to treat the optimization problem of sulphates removal and

settling of phosphoric acid. The work is divided into several steps. The beginning has been to

establish a material balance for the system of sulphates removal and settling in order to

calculate the amount of phosphate to be added. The next step is how an experimental study

about settling is performed. The results have been used in determining the maximum capacity

of phosphoric acid to be purified. Thirdly we have applied a model of the rate of solids

content in the acid clarified using as a tool design of experiments. In the final step, we have

considered the possibility of producing phosphoric acid for a client "FOSBRASIL" by starting

from the clarified acid and we have made a comparison between the two operations of sulfates

removal-settling in Maroc Phosphore I and Maroc Chimie in order to improve the production

of clarified acid in Maroc phosphore I.

Keywords: phosphoric acid, phosphate, sulphates free, sulphates removal, settling, decanter

with sludge recirculation, design of experiments.


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