Transcript Modèle hétérogène

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.
SOMMAIRE
1.Introduction
2.Modélisation de la conversion SO2, SO3
3.Application informatique
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IN THE PHOSPHATE INDUSTRY [SYMPHOS 2013]
ACTIVITÉS DE L’UMS
Modélisations
Phénoménologique;
Empirique;
Moléculaire
• Phosphorique
• Sulfurique
• Engrais
• Mine
• Environnement
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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
Soufre
(solide
)
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Vapeur
Air
Fusion
Combustion
Chaleur
Eau
Conversion
Chaleur
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Absorption
Chaleur
H2SO4
SCHÉMA DU PROCÉDÉ DE FABRICATION DE H2SO4
Combustion
Oxydation
Absorption
CONVERSION SO2/SO3: OBJECTIF
 Déterminer
permettant
conversion
quantité de
le trajet adiabatique
d’optimiser le taux de
du soufre liquide et la
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 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.
MODÈLES PHÉNOMÉNOLOGIQUES
Modèles pseudo-homogènes:
1.
2.
3.
4.
Unidimensionnel (PH1) : Piston idéal
Unidimensionnel: Dispersion axiale + (PH1)
Bidimensionnel : Gradients radiaux + (PH1)
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 ;
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.
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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 (fe>5%).
Distinguer les 2 cas:
avec et sans résistance
interne
fs’ <1% et > 1%
Tenir compte du transfert
de la matière et de la
chaleur entre les 2
phases
MODÈLE HÉTÉROGÈNE
Phase gazeuse: Piston idéal + résistance externe
MODÈLE HÉTÉROGÈNE
Phase solide: sans résistance interne
Phase solide: avec résistance interne
MODÈLE HÉTÉROGÈNE
Reste le cas avec dispersion radiale…
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CINÉTIQUE DE LA RÉACTION
Plusieurs corrélations empiriques pour la vitesse de la réaction.
- La corrélation de Calderbank :
- La corrélation d’Eklund
- La corrélation de Hougen-Waston
- (Voir e.g. Froment )
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)
Moteur de calcul
Interfaces d’impression et de stockage des résultats
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Bases de données
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INTERFACE UTILISATEUR
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DIAGRAMME D’ÉQUILIBRE SO2/SO3
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SIMULATION DE LA SYNTHÈSE DE SO3
Exemple : réacteur à trois lits catalytiques en série
avec des refroidissements intermédiaires du gaz
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TEMPÉRATURE VS ÉPAISSEUR DU LIT
Calcul des profils de température en
fonction des épaisseurs des trois lits
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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 H2SO4, Techniques de l’Ingénieur,
Référence J6095, 1992.
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