Modélisation et développement d’un code de calcul pour la simulation de convertisseurs SO 2 /SO 3

1. 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.

2. Pour personnaliser le titre et la date du pied de page : Insertion / En-tête et pied de page Personnaliser la zone pied de page Cliquer sur appliquer partout sommaire • Introduction • Modélisation de la conversion SO2, SO3 • Application informatique 2nd International Symposium on Innovation and Technology in the Phosphate Industry [SYMPHOS 2013]

3. Activités de l’UMS 2nd International Symposium on Innovation and Technology in the Phosphate Industry [SYMPHOS 2013]

4. Simulateurs SNC-LAvalin

5. Principales opérations unitaires Air Eau Vapeur Combustion Absorption Conversion Fusion Chaleur Chaleur H2SO4 Chaleur Soufre (solide) 2nd International Symposium on Innovation and Technology in the Phosphate Industry [SYMPHOS 2013]

6. Schéma du procédé de fabrication de h2so4 Combustion Oxydation Absorption

7. Conversion SO2/SO3: objectif • Déterminer le trajet adiabatique permettant d’optimiser le taux de conversion du soufre liquide et la quantité de catalyseur requise 2nd International Symposium on Innovation and Technology in the Phosphate Industry [SYMPHOS 2013]

8. ÉCOULEMENT DANS UN LIT DE GRAINS(SOURCE TI) 2nd International Symposium on Innovation and Technology in the Phosphate Industry [SYMPHOS 2013]

9. 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.

10. Modèles phénoménologiques • Modèles pseudo-homogènes: • Unidimensionnel (PH1) : Piston idéal • Unidimensionnel: Dispersion axiale + (PH1) • Bidimensionnel : Gradients radiaux + (PH1) • Bidimensionnel : axiale + radiale + (PH1) Modèles Hétérogènes: • Unidimensionnel (HT1) : Résistance Externe + (PH1) • Unidimensionnel (HT2) : Résistance Interne + (HT1) • Bidimensionnel: Gradients radiaux +(HT2) 2nd International Symposium on Innovation and Technology in the Phosphate Industry [SYMPHOS 2013]

11. Modèle pseudo-homogène • Hypothèses du modèle: Localement • Égalité des concentrations des réactifs au sein du fluide et sur la surface de solide  • Égalitéde la température du fluide réactionnel et du solide catalytique.

12. 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.

13. Modèle pseudo-homogène Base+ Dispersion axiale

14. Modèle pseudo-homogène

15. DispersionS axiale & radiale

16. 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

17. Modèle hétérogène Phase gazeuse: Piston idéal + résistance externe

18. Modèle hétérogène Phase solide: sans résistance interne Phase solide: avec résistance interne

19. Modèle hétérogène Reste le cas avec dispersion radiale… 2nd International Symposium on Innovation and Technology in the Phosphate Industry [SYMPHOS 2013]

20. Cinétique de la réaction

21. Coefficient de friction

22. Résolution numérique Diverses solutions pour résoudre ce type d’équations 2nd International Symposium on Innovation and Technology in the Phosphate Industry [SYMPHOS 2013]

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

25. Interface Utilisateur

26. Diagramme d’équilibre SO2/SO3

27. simulation de la synthèse de SO3 Exemple : réacteur à trois lits catalytiques en série avec des refroidissements intermédiaires du gaz

28. Température vs Épaisseur du lit Calcul des profils de température en fonction des épaisseurs des trois lits

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

30. Bibliographie • P. Pacquiez, Évolution de la fabrication de l’acide sulfurique pendant les trente dernières années. L’Industriechimique (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.

31. www.ocpgroup.ma Collaboration OCP-CEA-UM - 28 mars 2013