CODE DE CALCUL POUR LA SIMULATION DE CONVERTISSEURS SO /SO

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

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

ACTIVITÉS DE L’UMS
Modélisations
Phénoménologique;
Empirique;
Moléculaire
• Phosphorique
• Sulfurique
• Engrais
• Mine
• Environnement
Simulation
• Statique
• Dynamique
• Applications
informatiques
Optimisation
• Maîtrise statistique
des procédés (MSP)
• Intégration
énergétique
• Optimisation de la
consommation des
utilités
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SIMULATEURS SNC-LAVALIN
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PRINCIPALES OPÉRATIONS UNITAIRES
Vapeur Air Eau
Fusion Combustion Conversion Absorption
Soufre
(solide
)
Chaleur Chaleur Chaleur
H 2 SO 4
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SCHÉMA DU PROCÉDÉ DE FABRICATION DE H2SO4
Combustion
Oxydation
Absorption

CONVERSION SO2/SO3: OBJECTIF
‣ Déterminer le trajet adiabatique
permettant d’optimiser le taux de
conversion du soufre liquide et la
quantité de catalyseur requise
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ÉCOULEMENT DANS UN LIT DE GRAINS
(SOURCE TI)
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MÉCANISME RÉACTIONNEL
(SOURCE TI)
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‣ diffusion de SO 2 et de
l’oxygène à la surface du
catalyseur ;
‣ cheminement dans les
pores du catalyseur ;
‣ adsorption sur les centres
actifs;
‣ réaction chimique de SO 2
absorbé avec O 2 ;
‣ cheminement en sens
inverse à travers les pores ;
‣ désorption des produits de
réaction ;
‣ diffusion dans le flux
gazeux.

MODÈLES PHÉNOMÉNOLOGIQUES
Modèles pseudo-homogènes:
1. Unidimensionnel (PH1) : Piston idéal
2. Unidimensionnel: Dispersion axiale + (PH1)
3. Bidimensionnel : Gradients radiaux + (PH1)
4. Bidimensionnel : axiale + radiale + (PH1)
Modèles Hétérogènes:
1. Unidimensionnel (HT1) : Résistance Externe + (PH1)
2. Unidimensionnel (HT2) : Résistance Interne + (HT1)
3. Bidimensionnel: Gradients radiaux +(HT2)
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MODÈLE PSEUDO-HOMOGÈNE
Hypothèses du modèle: Localement
• Égalité des concentrations des
réactifs au sein du fluide et sur la
surface de solide
• Égalité de la température du
fluide réactionnel et du solide
catalytique.

u : Vitesse du fluide en fût vide ;
C e :concentration du SO2
T : température locale du mélange réactionnel et du lit catalytique
r w : Vitesse de la réaction rapportée à l’unité de volume du grain
catalytique
p : Pression du mélange réactionnel ;
U : Coefficient de transfert de chaleur globale fluide-paroi
f : Diamètre intérieur du réacteur ;
d p : diamètre équivalent du grain catalytique
∆H = Enthalpie de la réaction ;
f : Coefficient de friction de Darcy (perte de charge) ;
ρ a : masse volumique apparente garnissage (lit) : ρ a =ρ b (1-ε) ;
ε = Porosité externe de garnissage ;
Cp = Capacité thermique massique du mélange réactionnel.
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MODÈLE PSEUDO-HOMOGÈNE
Base+ Dispersion axiale

MODÈLE PSEUDO-HOMOGÈNE

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

MODÈLE HÉTÉROGÈNE
Phase gazeuse: Piston idéal + résistance externe

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

MODÈLE HÉTÉROGÈNE
Reste le cas avec dispersion radiale…
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CINÉTIQUE DE LA RÉACTION
-
-
-
-

COEFFICIENT DE FRICTION

RÉSOLUTION NUMÉRIQUE
Diverses solutions pour résoudre ce
type d’équations
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APPLICATION « MATLAB »
Interface « utilisateur »
Modèles phénoménologiques
Interface (MDI)
Bases de données
Moteur de calcul
Interfaces d’impression et de stockage des résultats
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24

INTERFACE UTILISATEUR
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DIAGRAMME D’ÉQUILIBRE SO 2 /SO 3
26

SIMULATION DE LA SYNTHÈSE DE SO 3
Exemple : réacteur à trois lits catalytiques en série
avec des refroidissements intermédiaires du gaz
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TEMPÉRATURE VS ÉPAISSEUR DU LIT
Calcul des profils de température en
fonction des épaisseurs des trois lits
28

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

BIBLIOGRAPHIE
‣ P. Pacquiez, Évolution de la fabrication de l’acide sulfurique
pendant les trente dernières années. L’Industrie chimique
(extraits) (1960 à 1963).
‣ G.F. Froment, K.B., Bischoff, and De Wild, J. Chemical Reactor
Analysis and Design. John Wiley, New York, 2010.
‣ B. Vidon, Calcul des réacteurs catalytiques, Production
d’anhydride sulfurique. Techniques de l’Ingénieur, Référence
J4030, 1982.
‣ H Clément, Acide sulfurique H 2 SO 4 , Techniques de l’Ingénieur,
Référence J6095, 1992.
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