Remerciez-le!

Remerciez @Admin pour avoir partagé cet document gratuitement, de la manière la plus simple, en partageant sur les réseaux sociaux.

Date de publication : 10 juin 1999 Pour toute question : Service Relation clien

Date de publication : 10 juin 1999 Pour toute question : Service Relation clientèle Techniques de l’Ingénieur Immeuble Pleyad 1 39, boulevard Ornano 93288 Saint-Denis Cedex Par mail : infos.clients@teching.com Par téléphone : 00 33 (0)1 53 35 20 20 Réf. : J4040 V2 Calcul des réacteurs catalytiques - Synthèse d’ammoniac Cet article est issu de : Procédés chimie - bio - agro | Opérations unitaires. Génie de la réaction chimique par Victor KAISER, Ermanno FILIPPI, Henri Dominique LÉGER, Pierre LESUR Document téléchargé le : 13/03/2020 Pour le compte : 7200045072 - imt mines albi // 194.167.201.133 © Techniques de l'Ingénieur | tous droits réservés Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie des procédés J 4 040 − 1 Calcul des réacteurs catalytiques Synthèse d’ammoniac par Victor KAISER Docteur-Ingénieur de l’École polytechnique fédérale de Zürich TECHNIP France et Ermanno FILIPPI Docteur en Génie chimique Ammonia Casale SA avec la collaboration de Henri Dominique LÉGER Heurtey Industries et Pierre LESUR Société chimique de la Grande Paroisse a synthèse de l’ammoniac est l’un des procédés catalytiques les plus impor- tants, au même titre que la synthèse de l’acide sulfurique. En effet, ces deux procédés sont à la base de l’industrie des engrais azotés, dont l’intérêt pour l’économie mondiale est bien établi. L’autosufﬁsance récente en céréales de pays comme l’Inde ou l’Indonésie n’a pu être atteinte que par le développement progressif de l’industrie des engrais chimiques. Le coût de production dépend essentiellement du prix du gaz naturel (matière première et énergie), la consommation totale étant comprise entre 30 et 40 GJ par tonne d’ammoniac produit. Le calcul et l’optimisation du réacteur d’ammoniac revêt une importance de premier ordre dans l’étude d’ensemble d’une telle unité de production. Des développements récents dans le domaine des catalyseurs et de la technologie ont été menés à bien sous l’impulsion du prix croissant de l’énergie. 1. Aspects fondamentaux de la réaction de synthèse........................ J 4 040 - 2 1.1 Bases thermodynamiques........................................................................... — 2 1.2 Cinétique de la réaction chimique .............................................................. — 4 1.3 Caractéristiques des catalyseurs................................................................. — 4 1.3.1 Catalyseurs à base de fer.................................................................... — 4 1.3.2 Autre catalyseur................................................................................... — 5 2. Calcul des réacteurs industriels........................................................... — 5 2.1 Détermination de la géométrie des réacteurs............................................ — 5 2.1.1 Courbes d’isovitesse ........................................................................... — 5 2.1.2 Équations de calcul ............................................................................. — 6 2.1.3 Conclusion ........................................................................................... — 9 2.2 Technologie des réacteurs........................................................................... — 9 2.2.1 Contraintes déterminant la technologie ............................................ — 9 2.2.2 Technologies particulières.................................................................. — 9 2.2.3 Considérations sur la construction des réacteurs ............................ — 11 2.3 Optimisation des conditions opératoires ................................................... — 15 Pour en savoir plus .......................................................................................... Doc. J 4 040 L Parution : juin 1999 - Ce document a ete delivre pour le compte de 7200045072 - imt mines albi // 194.167.201.133 Ce document a ete delivre pour le compte de 7200045072 - imt mines albi // 194.167.201.133 Ce document a ete delivre pour le compte de 7200045072 - imt mines albi // 194.167.201.133 tiwekacontentpdf_j4040 v2 CALCUL DES RÉACTEURS CATALYTIQUES ___________________________________________________________________________________________________ Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. J 4 040 − 2 © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie des procédés 1. Aspects fondamentaux de la réaction de synthèse 1.1 Bases thermodynamiques La réaction de synthèse de l’ammoniac, du point de vue de la ther- modynamique des équilibres, est un aspect fondamental dans le dimensionnement du réacteur. Ses caractéristiques délimitent assez étroitement le domaine de température (640 à 800 K) et de pression (8 à 30 MPa) de la synthèse industrielle. Si, dans le passé, le calcul des compositions à l’équilibre posait quelques problèmes en raison de la non-idéalité du mélange de gaz à haute pression, il n’en est plus de même aujourd’hui. En effet, l’équation d’état de Soave-Redlich (cf. articles Thermody- namique chimique, dans ce traité) permet un calcul précis des propriétés P, V, T (pression, volume, température) et de l’équilibre chimique des mélanges hydrogène-azote-ammoniac en tenant compte, bien entendu, des inertes (gaz non réactifs) tels que méthane et argon, présents dans le mélange (tableau 1). Ces calculs sont effectués par des programmes d’ordinateur, faisant souvent partie de simulateurs de schémas plus généraux [2]. Il est néanmoins utile de connaître avec précision la déﬁnition du calcul de l’équilibre chimique et d’avoir une vue globale des condi- tions d’équilibre. Cela permet des réﬂexions intéressantes pour la conduite de la réaction et servira d’illustration pour la suite de l’exposé. Dans ce but, le tableau 2 présente les données thermody- namiques de base de la réaction. Le tableau 3 donne la déﬁnition des constantes d’équilibre en fonction de l’unité de mesure utilisée pour la composition du gaz. Pour permettre un calcul manuel approché de ces compositions, les corrections Kϕ de non-idéalité sont également reportées pour certai- nes conditions de température et de pression (marge d’erreur envi- ron 5 % sur les constantes d’équilibre). Les abaques des ﬁgures 1, 2 et 3 présentent, par ailleurs, la varia- tion de la teneur en ammoniac à l’équilibre en fonction de la tempé- rature et de la pression, pour certaines compositions du mélange réactionnel, exprimées en rapport molaire hydrogène/azote. Ces abaques peuvent servir de base pour le suivi de l’évolution du mélange réactionnel dans le réacteur. La droite AB (ﬁgure 1) repré- sente ainsi l’évolution de la température et de la composition dans un réacteur adiabatique alimenté aux conditions A et aboutissant aux conditions B en sortie. La courbe d’équilibre indique la teneur en ammoniac maximale à la sortie du réacteur si l’équilibre chimi- que était atteint (volume de catalyseur inﬁni), par exemple au point C à 10 MPa avec 0 % de gaz inertes. Historique L’histoire de la synthèse de l’ammoniac remonte à la décou- verte par Haber en 1909 de l’effet catalytique du fer sur la syn- thèse directe à partir d’hydrogène et d’azote. Très vite, sous l’impulsion de Bosch, le procédé était rendu industriel. Déjà en 1920, un réacteur ayant une capacité de 50 t/j était mis en ser- vice par la société BASF à Ludwigshafen [1]. Aujourd’hui fonctionnent des capacités unitaires atteignant 1 800 t/j et la production mondiale approche 140 Mt par an (la production en France a été de l’ordre de 1,6 Mt en 1997). Tableau 1 – Composition typique (en % molaire) du gaz de synthèse à l’entrée du réacteur Hydrogène .............................................................. 65 à 70 Azote ....................................................................... 21 à 25 Ammoniac .............................................................. 2 à 5 Gaz inertes Argon ................................ ... 1 à 3 Méthane ........................... ... 5 à 10 Total ........................................................................ 100,0 Tableau 2 – Propriétés thermodynamiques de la réaction de synthèse d’ammoniac 3 H2 + N2 → 2 NH3 Enthalpie standard de réaction : − 45,96 kJ/mol NH3 (référence : 298,15 K ; 0,1013 MPa ; gaz idéal). Conditions de la synthèse : 650 K < T < 775 K. Enthalpie de réaction ∆HR (à utiliser dans l’équation (7) pour des calculs approchés) : 53 à 53,2 kJ/mol entre 8 et 10 MPa 54 à 54,3 kJ/mol entre 18 et 20 MPa Constante d’équilibre de référence K0 (1) T K K0 T K K0 373 249,651 723 4,609 14 · 10−5 423 6,531 30 773 1,478 19 · 10−5 473 3,489 76 · 10−1 823 5,371 78 · 10−6 523 3,146 11 · 10−2 873 2,169 55 · 10−6 573 4,143 79 · 10−3 923 9,654 19 · 10−7 623 7,375 07 · 10−4 973 4,646 37 · 10−7 673 1,674 67 · 10−4 1 023 2,397 22 · 10−7 1 073 1,314 31 · 10−7 (1) Valable pour la réaction écrite ci-dessus (2 mol NH3), K0 ne dépend que de la température et de la pression de référence, ici 0,1013 MPa ; c’est la constante relative aux fugacités (sans dimension). Capacité thermique molaire Cp des mélanges H2 + N2 + NH3 (2) Teneur en hydrogène (3) .... (% molaire) 50 55 60 65 70 75 Cp ...................... (J · mol−1 · K−1) 37,0 35,3 33,6 31,9 30,8 30,0 (2) Elle varie peu avec la pression et la température. Pour des calculs non approchés, on utilisera les valeurs calculées à partir des formules Cp = f (T) données dans l’article Thermodynamique chimique (J 1029, § 9,32). (3) Les teneurs complémentaires en azote et en ammoniac sont déduites des proportions stœchiométriques de la réaction. Parution : juin 1999 - Ce document a ete delivre pour le compte de 7200045072 - imt mines albi // 194.167.201.133 Ce document a ete delivre pour le compte de 7200045072 - imt mines albi // 194.167.201.133 Ce document a ete delivre pour le compte de 7200045072 - imt mines albi // 194.167.201.133 tiwekacontentpdf_j4040 v2 ___________________________________________________________________________________________________ CALCUL DES RÉACTEURS CATALYTIQUES Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie des procédés J 4 040 − 3 Tableau 3 – Déﬁnition des constantes d’équilibre NH3 H2 N2 Constante d’équilibre Fraction molaire X1 X2 X3 Kx (sans dimension) Concentration ..... (kmol/m3) [NH3] [H2] [N2] Kc (en m6 · kmol−2) avec uploads/Finance/ synthese-d-x27-ammoniac.pdf