MODÉLISATION ET DÉVELOPPEMENT D’UN CODE DE CALCUL POUR LA SIMULATION DE CONVERTISSEURS SO2/SO3
Belkacem Abdous, Lhachmi Kamar, Omari Lhoussaine
Direction de Recherche et Développement, OCP S.A.
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SOMMAIRE
1.Introduction
2.Modélisation de la conversion SO2, SO3
3.Application informatique
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ACTIVITÉS DE L’UMS
Modélisations Phénoménologique; Empirique; Moléculaire
• Phosphorique• Sulfurique• Engrais• Mine• Environnement
Simulation
• Statique• Dynamique• Applications
informatiques
Optimisation
• Maîtrise statistique des procédés (MSP)
• Intégration énergétique
• Optimisation de la consommation des utilités
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PRINCIPALES OPÉRATIONS UNITAIRES
Fusion Combustion Conversion Absorption
Vapeur Air Eau
H2SO4Chaleur Chaleur Chaleur
Soufre (solide)
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CONVERSION SO2/SO3: OBJECTIF
Déterminer le trajet adiabatique permettant d’optimiser le taux de conversion du soufre liquide et la quantité de catalyseur requise
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ÉCOULEMENT DANS UN LIT DE GRAINS(SOURCE TI)
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MÉCANISME RÉACTIONNEL(SOURCE TI)
diffusion de SO2 et de l’oxygène à la surface du catalyseur ;
cheminement dans les pores du catalyseur ;
adsorption sur les centres actifs;
réaction chimique de SO2 absorbé avec O2 ;
cheminement en sens inverse à travers les pores ;
désorption des produits de réaction ;
diffusion dans le flux gazeux.
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MODÈLES PHÉNOMÉNOLOGIQUES
Modèles pseudo-homogènes:1. Unidimensionnel (PH1) : Piston idéal 2. Unidimensionnel: Dispersion axiale + (PH1) 3. Bidimensionnel : Gradients radiaux + (PH1)4. Bidimensionnel : axiale + radiale + (PH1)
Modèles Hétérogènes:5. Unidimensionnel (HT1) : Résistance Externe + (PH1)6. Unidimensionnel (HT2) : Résistance Interne + (HT1)7. Bidimensionnel: Gradients radiaux +(HT2)
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MODÈLE PSEUDO-HOMOGÈNE
Hypothèses du modèle: Localement
• Égalité des concentrations des réactifs au sein du fluide et sur la surface de solide
• Égalité de la température du fluide réactionnel et du solide catalytique.
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u : Vitesse du fluide en fût vide ;
Ce :concentration du SO2
T : température locale du mélange réactionnel et du lit catalytique
rw: Vitesse de la réaction rapportée à l’unité de volume du grain
catalytique
p : Pression du mélange réactionnel ;
U : Coefficient de transfert de chaleur globale fluide-paroi
f : Diamètre intérieur du réacteur ;
dp : diamètre équivalent du grain catalytique
∆H = Enthalpie de la réaction ;
f : Coefficient de friction de Darcy (perte de charge) ;
ρa : masse volumique apparente garnissage (lit) : ρa=ρb(1-ε) ;
ε = Porosité externe de garnissage ;
Cp = Capacité thermique massique du mélange réactionnel.
MODÈLE HÉTÉROGÈNE
• S’applique lorsque la résistance externe est non négligeable (fe>5%).
• Distinguer les 2 cas: avec et sans résistance interne
fs’ <1% et > 1%
• Tenir compte du transfert de la matière et de la chaleur entre les 2 phases
MODÈLE HÉTÉROGÈNE
Reste le cas avec dispersion radiale…
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RÉSOLUTION NUMÉRIQUE
Diverses solutions pour résoudre ce type d’équations
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APPLICATION « MATLAB »
Interface « utilisateur »
Interface (MDI) Bases de données Modèles phénoménologiques
Moteur de calcul
Interfaces d’impression et de stockage des résultats
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SIMULATION DE LA SYNTHÈSE DE SO3
Exemple : réacteur à trois lits catalytiques en série avec des refroidissements intermédiaires du gaz
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TEMPÉRATURE VS ÉPAISSEUR DU LIT
Calcul des profils de température en fonction des épaisseurs des trois lits
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BIBLIOGRAPHIE
P. Pacquiez, Évolution de la fabrication de l’acide sulfurique pendant les trente dernières années. L’Industrie chimique (extraits) (1960 à 1963).
G.F. Froment, K.B., Bischoff, and De Wild, J. Chemical Reactor Analysis and Design. John Wiley, New York, 2010.
B. Vidon, Calcul des réacteurs catalytiques, Production d’anhydride sulfurique. Techniques de l’Ingénieur, Référence J4030, 1982.
H Clément, Acide sulfurique H2SO4, Techniques de l’Ingénieur, Référence J6095, 1992.