Modélisation thermodynamique des solutions d'acides sulfurique et phosphorique en présence du minerai de phosphate : applications à l'encrassement, à la cristallisation et à l'optimisation multicritère d'une unité industrielle de production d'acide phosphorique - Université de Lorraine Access content directly
Theses Year : 2022

Thermodynamic modeling of sulfuric and phosphoric acid solutions in the presence of phosphate ore : applications to fouling, crystallization and multi-objective optimization of an industrial phosphoric acid production unit

Modélisation thermodynamique des solutions d'acides sulfurique et phosphorique en présence du minerai de phosphate : applications à l'encrassement, à la cristallisation et à l'optimisation multicritère d'une unité industrielle de production d'acide phosphorique

Abstract

This PhD work deals with the development of a thermodynamic model and its use in the modeling, simulation and optimization of phosphoric acid manufacturing processes. It consists of mass and charge balance equations, chemical equilibrium equations, and Pitzer’s model equation. The model involves several unknown parameters to be identified from experimental measurements available in a database developed in this work. It contains data on speciation of phosphoric and sulfuric acids, on solubility of ten minerals, and on water activity of eight binary systems. The measurements are performed under temperature conditions ranging from 298K to 353K and concentrations ranging from 0 mol/kg water to 20 mol/kg water. A global sensitivity based estimability analysis is then developed and used to evaluate the estimability of the unknown parameters from the available data. The estimable parameters are then identified, and the values of the non-estimable ones are taken from the literature or from previous studies. Additional experimental measurements, different from those used for the identification of parameters, are carried out to validate the model. The Fisher-Snedecor statistical test and the Kolmogorov-Smirnov test are particularly used. The results of the tests confirmed the quality of the model predictions. The validated model is first exploited in the multi-objective optimization of an industrial unit of phosphoric acid production, in particular to minimize the chemical losses of phosphate and to improve of the performance of the unit. It is then used to investigate the fouling problems that occur during the production of phosphoric acid and alter the performance of different units of the manufacturing process. Finally, the model is exploited in the modeling and simulation of the crystallization of calcium sulfates during the production of phosphoric acid. The model thus validated and already exploited can now be used as a predictive tool for the design and optimal operation of existing phosphoric acid manufacturing processes, or even for the development of new processes which are more integrated and more efficient.
Ce travail de thèse traite du développement d’un modèle thermodynamique et de son exploitation dans la modélisation, la simulation et l’optimisation des procédés de fabrication d’acide phosphorique. Il est décrit par des équations de bilans de matière et de charge, des équations d’équilibres chimiques, et l’équation du modèle de Pitzer. Il met en jeu plusieurs paramètres inconnus à identifier à partir de mesures expérimentales issues d’une base de données construite dans ce travail. Elle contient des mesures de spéciation d’acides phosphorique et sulfurique, des mesures de solubilité de dix minéraux, et des mesures de l’activité de l’eau de huit systèmes binaires. Ces mesures sont effectuées dans des conditions de températures allant de 298K à 353K et des concentrations allant de 0 mol/kg d’eau à 20 mol/kg d’eau. Une méthode basée sur l'analyse de sensibilité globale des paramètres est ensuite développée et utilisée pour évaluer l'estimabilité des paramètres inconnus. Ceux qui sont estimables sont alors identifiés, et les valeurs de ceux qui ne le sont pas sont fixées à partir de la littérature ou de précédentes études. Des mesures expérimentales, différentes de celles qui ont servi pour l’identification des paramètres, sont réalisées pour valider le modèle. Le test statistique F de Fisher-Snedecor et le test de Kolmogorov-Smirnov sont notamment utilisés. Les résultats de ces tests confirment les qualités de prédiction du modèle. Ce dernier est d’abord exploité dans l’optimisation multicritère d’une unité industrielle de production d’acide phosphorique, notamment pour la minimisation des pertes chimiques en phosphate et l’amélioration du rendement de l’unité. Il est ensuite utilisé dans l’analyse des problèmes d’encrassement qui se produisent lors de la production d’acide phosphorique et altèrent les performances des différentes unités du procédé de fabrication. Il est enfin exploité dans la modélisation et la simulation de la cristallisation des sulfates de calcium lors de la production de l’acide phosphorique. Le modèle ainsi validé et déjà exploité peut désormais être utilisé comme outil prédictif pour la conception et le fonctionnement optimal des procédés de fabrication d’acide phosphorique existants, voire pour le développement de nouveaux procédés plus intégrés et plus performants.
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tel-03794762 , version 1 (03-10-2022)

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  • HAL Id : tel-03794762 , version 1

Cite

Ilias Bouchkira. Modélisation thermodynamique des solutions d'acides sulfurique et phosphorique en présence du minerai de phosphate : applications à l'encrassement, à la cristallisation et à l'optimisation multicritère d'une unité industrielle de production d'acide phosphorique. Génie des procédés. Université de Lorraine, 2022. Français. ⟨NNT : 2022LORR0056⟩. ⟨tel-03794762⟩
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