Modélisation, simulation et expérimentation du réacteur de production d'acide phosphorique à partir du minerai de phosphate

Modeling, simulation and experimentation of the reactor for the production of phosphoric acid from phosphate ore

• Auteur / Autrice : Sanae El Misaoui
• Direction : Abderrazak Latifi, Mohamed Salouhi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés, des produits et des molécules
• Date : Soutenance le 15/12/2023
• Etablissement(s) : Université de Lorraine en cotutelle avec Université Mohammed V (Rabat)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIMPPé - Sciences et ingénierie des molécules, des produits, des procédés, et de l'énergie (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire réactions et génie des procédés
• Jury : Président / Présidente : Rachid Benhida
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Abderrazak Latifi, Mohamed Salouhi, Nicolas Roche, Souad Abderafi, Aziza Abid, Chakib Bouallou, Zakia El Ahmadi
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Nicolas Roche, Souad Abderafi, Aziza Abid

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dissolution

Phosphates

Procédés de fabrication

Phosphorique, Acide

Simulation, Méthodes de

Mots clés libres

Modélisation

Simulation

Dissolution

Cuve d'attaque

Acide phosphorique

Cristallisation

Modelling

Simulation

Dissolution

Digestion tank

Phosphoric acid

Crystallization

Résumé

Ce travail est consacré à la modélisation, à la simulation et à l'expérimentation de la cuve d'attaque d'un procédé de fabrication d'acide phosphorique par voie humide. La première partie du travail traite de la dissolution des particules de phosphate dans une solution d'acide phosphorique. Des modèles avec et sans incorporation de la distribution de la taille des particules sont développés. Les paramètres inconnus mis en jeu sont déterminés à partir de mesures expérimentales à l'aide d'une analyse d'estimabilité globale et d'une méthode d'optimisation. L'effet d'un ensemble de conditions opératoires sur le taux de conversion des particules est également étudié, et les modèles identifiés sont ensuite validés. La deuxième partie du travail s'intéresse à l'attaque des particules de phosphate par un mélange d'acide sulfurique et d'acide phosphorique. Elle prend en compte à la fois la dissolution des particules de minerai et la cristallisation du gypse. Un modèle global combinant le modèle de dissolution, une équation de bilan de population, ainsi que des bilans de matière, est développé. L'approche basée sur l'analyse de l'estimabilité des paramètres est également utilisée pour déterminer et identifier les paramètres estimables à partir de données expérimentales disponibles, en particulier les distributions des cristaux de gypse et les différentes concentrations. Enfin, une étape vers l'optimisation du fonctionnement de la cuve d'attaque est réalisée en développant des modèles de substitution dans le cas de la dissolution du phosphate. Les résultats obtenus montrent que le modèle construit peut servir d'outil de prédiction précis et peut être exploité pour déterminer les conditions optimales de fonctionnement du procédé.

This work addresses the modeling, simulation and experimentation of the digestion tank of a wet phosphoric acid manufacturing process. The first part of the work deals with the dissolution of phosphate particles in a phosphoric acid solution. Models with and without incorporation of particle size distribution are developed. The unknown parameters involved are determined from experimental measurements using a global estimability analysis along with an optimization method. The effect of a set of operating conditions on the particle conversion rate is also studied, and the identified models are then validated. The second part of the work focuses on the digestion of phosphate particles by a mixture of sulfuric acid and phosphoric acid. It takes into account both the dissolution of ore particles and the crystallization of gypsum. A global model combining the dissolution model, a population balance equation, as well as mass balances, is developed. The approach based on parameter estimability analysis is also used to determine and identify estimable parameters from available experimental data, in particular gypsum crystal distributions and different concentrations. Finally, a step towards optimizing the operation of the digestion tank is carried out by developing surrogate models in the case of phosphate dissolution. The results obtained show that the developed models can serve as an accurate prediction tool and can be exploited to determine the optimal operating conditions of the process.