Brevet FR2373064A1 — publié le 19780630

La présente invention concerne un procédé de contrôle automatique d'une opération chimique continue. L' invention concerne plus particulièrement les procédés dans lesquels les solutions peuvent résister à des variations de pH lorsque l'on ajoute un acide ou une base. Le procédé selon l'invention peut également être utilisé avec succès dans les procédés faisant intervenir l'analyse du second ou du troisième hydrogène ou groupe hydroxya en ce qui concerne les concentrations, ces mesures étant généralement effectuées par titrage double ou multiple. Actuellement, on a tendance a rechercher un contre automatique des opérations continues pour libérer la main-dtoeuvre qualifiée, mais dans de nombreux cas le centrale des opérations chimiques est très difficile car il nXexiste pas d1instrument idéal permettant la mesure et le contrale. On peut utiliser un instrument industriel de mesure en lui meme ou bien lQassocier avec un dispositif de contr8le de manière à obtenir un dispositif de contr8le automatique.Bien que la majorité des instruments de ce type soit utilisée pour les contrôles, ils ne sont pas tous automatiques car de nombreux instruments de mesure sont surtout utilisés pour permettre le contre manuel. Lorsque cela concerne des quantités directement mesurables comme la température, la pression ou le pH, on ne rencontre pas de difficultés sérieuses pour concevoir et installer un appareillage approprié, Cependant, le problème est beaucoup plus compliqué lorsque le système comprend des composants élémentaires que l'on ne peut déterminer quantitativement que par des moyens indirects comme le titrage.Pour les unités fonctionnant en discontinu ou en continu, de telles opérations de mesure sont maintenant mises en oeuvre par titrage automatique d'échantillons pris à certains intervalles de temps, ce qui rend le procédé indépendant des opérations analytiques manuelles. Un exemple typique dlun procédé pour lequel l'invention convient tout particulièrement est l'acidulation des roches phosphatées par un acide minéral comme HC1 ou H2S04, le phosphate monocalcique, l'acide phosphorique et l'excès d'acide d'acidulation devant etre déterminésv Dans le cas de l'acidulation des roches phosphatées, par HC1, une telle détermination est effectuée à ce jour par une analyse discontinue, Les caractéristiques d'un tel procédé ne permettent pas une analyse en continu car le temps de séjour dans le système est en moyenne de 15 à 30 minutes, alors qutil faut d'environ 3 à S minutes pour seulement prélever un échantillon, De plus, il faut une personne qualifiée à chaque unité, pour effectuer l'analyse.L'homme de l'art sait que la technique classique de l'analyste du phosphore (exprimé en P205) dans le mélange dsacide phosphorique et de phosphate monocalcique (Ca(H2P04)2) consiste a déterminer le P205 par double titrage. Les mélanges d'acide phosphorique et de phosphate monocalcique sont soumis a un titrage potentiographique par NaOH. Le pH à la fin du titrage du premier hydrogène est dgenviron 4,6 et à la fin du titrage du second hydrogène est d'environ 8,7 à environ 9,3.La quantité de NaOH neces- saire pour atteindre le premier point d'équivalence correspond au premier hydrogène de l'acide phosphorique et donne en conséquence la concentration en H3P04, La quantité de NaOH nécessaire entre le premier et le second point dgéquivalence correspond à la quantité de monophosphate transformée en diphosphate. Ceci correspond à % P04 + H2P04-, ou en d'autres termes au P205 total présent dals la solution Dans un procédé en continu, toutes modifications même légères dans les concentrations ou les débits des réactifs modifient tes résultats et les rendements en les produits. Cependant, ces modifications peuvent être décelées en général après ltanalyse de chaque échantillon élémentaire. Un objet de l'invention est de proposer un procédé pratique permettant le contrôle automatique dans le cadre d'une opération chimique continue. Un autre objet de l'invention est de proposer un procédé pratique permettant le contrôle automatique d'une opération chimique continue, n'interférant pas avec le processus. L'invention propose donc un procédé de contrôle automatique d'une opération chimique continue impliquant l'addition d'un réactif pour lequel les mesures de pH ne sont pas significatives, le procédé selon l'invention comprenant le prélèvement d'un courant échantillon continu du milieu de réaction, et la détermination de la quantité de réactif de titrage Selon la loi de Faraday, le passage de 96.500 coulombs dans une solution provoque l'apparition d'environ un équivalent-gramme du produit de la réaction chimique à l'électrode. La quantité d'électricité en coulombs est égale å l'intensité du courant en ampères multipliée par le temps en secondes.En conséquence, il est possible d'utiliser une cellule dtélectrolyse produisant en continu un titrant, nécessaire pour maintenir un certain pH, toute déviation du pH à partir du "point déterminé? permettant de régler l'intensité du courant électrique envoyé dans la cellule d'électrolyse, Une augmentation du pli signifie que le débit de titrant produit est trop élevé, et le comparateur analogique électronique intervient pour diminuer ltintensité du courant électrique envoyé à la cellule d'électrolyse. Inversement, une diminution du pH signifie que le débit de titrant produit est trop faible et le comparateur intervient pour augmenter l'intensité dans la cellule d'électrolyse. Les mesures d'intensité de courant apparaissent en continu sur un panneau de contrale, déjà calculées et exprimées en unités de concentration. Le titrant utilisé peut erre un quelconque alcali connu habituellement utilisé dans les titrages, comme NaOH, KOH, etc. Le sel utilisé pour l'électrolyse de production du titrant peut etre un sel quelconque classique comme Nacra KC1 K2S04, Na2SO4, etc. La cellule d'électrolyse est une cellule classique utilisée pour préparer un hydroxyde alcalin, les électrodes, de graphite pour ltanode et de cuivre pour la cathode, étant: séparées d'une manière connue par une membrane poreuse. Le potentiel est déterminé en continu de manière à déterminer le point d'équivalence, par lecture directe des concentrations des solutions, Toute déviation du plI autour de la valeur souhaitée provoque une modification correspondante du potentiel et modifie l'intensité du courant. Une augmentation du potentiel signifie que le pH diminue, et on augmente doncvlsintensité dans la cellule dBélectrolyse, et vice versa. La valeur de pH souhaitée, choisie pour obtenir un "point déterminé" de potentiel, dépend du titrage particulier considéré. Par exemple, dans le cas du phosphate monocalcique, de l'acide phosphorique et de l'excès d'acide minéral les mélanges obtenus à partir de roches phosphatées et d'un acide minéral, le pli prédéterminé est d'environ 4,6, ce qui est le point d'équivalence pour le premier hydrogène, et est d'environ 8,7 à environ 9,3, ce qui est le point d'équivalence du second hydrogène à titrer. Les courants électriques nécessaires varient en fonction des deux points d'équivalence, et en fonction des débits et des concentrations de chaque courant échantil lon.L'intensité du courant est en général de O à 16 ampères ; les deux courants sont comparés par un comparateur analogique et toute déviation autour du point prédéterminé entraine un contrôle correspondant de l'introduction d'acide minéral dans le réacteur. Ainsi, si le produit de lutin tensité du courant électrique correspondant au premier hydrogène par une constante diffère du rapport correspondant entre le second et le premier cycle, cela signifie que le débit diacide minéral doit être corrige. On doit effectuer un étalonnage convenable des unités de déviation avant la mise en oeuvre. Un étalonnage correspondant est nécessaire pour la production du titrant (hydroxyde alcalin) par électrolyse. L'envoi de solutions de référence de concentrations connues, à des débits connus, permet de mesurer les courants électriques nécessaires, et donc d'étalonner le système électronique. Le procédé est très simple à mettre en oeuvre. On prélève du réacteur, par une pompe doseuse, un courant échantillon continu propre, Si cela est nécessaire, on effectue une filatration de l'échantillon avant la mise en contact avec le titrant, de maniere à opérer sur un courant clarifié. L'échantillon clarifié est envoyé en continu par une pompe doseuse dans une cellule où lXon maintient le pH correspondant au premier hydrogène au point déterminé, par addition de la quantité nécessaire de titrant.Simultanément, on envoie un autre courant échantillon vers une seconde cellule où ce courant est mélangé avec une solution diluée dtoxalate, et dans laquelle on maintient le pH au second point d'équivalence, correspondant au second hydrogène, également par addition dSune quantité nécessaire du titrant provenant d'une autre cellule d'électrolyse. Les débits des titrants nécessaires pour chaque cycle sont traités par le comparateur analogique électronique qui fait varier en conséquence le débit du réactif introduit dans le réacteur. Les débits de titrant pénétrant dans chaque cycle sont commandés par le courant envoyé dans la cellule de titrage coulométrique de chaque cycle. Les titrants de chaque cycle sont produits en continu par électrolyse, en fonction du signal transmis par le courant électrique envoyé aux cellules électrolytiques. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre et en se référant à la figure unique annexée. Sur cette figure, est représenté un schéma de fonc du bru du dispositif de contrôle automatique dtune opération chimique continue. A désigne le réacteur contenant les réactifs intervenant dans l'opFration chimique. Un courant échantillon est envoyé en continu par une pompe doseuse B par le conduit 1 vers une cellule de titrage C qui constitue le premier cycle. Un contraleur de pH D mesure dans le récipient C le pH, par l'électrode I, et, par la liaison Il envoyant le signal, indique à une source d'alimentation F l'intensité que l'on doit envoyer par le conducteur III vers la cellule électrolytique E. La source d'alimentation F donne simultanément un signal de sortie (IV) qui correspond à llintensité du courant envoyé vers E.Le titrant produit dans la cellule d'électrolyse E passe dans le récipient C par le conduit 6. Les produits de titrage sortent par le conduit 7 et sont rejetés (S). Les effluents quittant la cellule d'électrolyse E sortent par le conduit 15 et sont rejetés (s). L'électrolyte est amené à partir d'un reservoir R dans la cellule d'électrolyse E par une pompe Q par les conduits 10 et 11. Un second courant échantillon 2 est envoyé en continu, par une pompe doseuse J, dans une cellule de titrage K. Le contrôleur de pH L mesure le pH dans la cellule K au moyen de l'électrode V et, par la liaison VI permettant d'envoyer un signal, indique à la source d'alimentation N l'intensité que l'on doit envoyer à la cellule d'électrolyse M par le conducteur VII. La source mentation N émet simultanément un signal de sortie (VIII) qui correspond à l'intensité du courant envoyé à la cellule M. Le titrant produit dans la seconde cellule dgélectrolyse M passe dans la cellule K par le conduit 8. Les produits de titrage sortent par le conduit 9 et sont rejetés en S. L'électrolyte est amené du réservoir R vers la cellule d'électrolyse par la pompe Q par les conduits 12 et 13, Un réactif auxiliaire provenant du réservoir O est envoyé vers le second cycle par une pompe, par le conduit 5. Pour étalonner le système, une solution de référence provenant du réservoir G passe dans le premier cycle par le conduit 3, et passe dans le second cycle par le conduit 4. Les exemples suivants illustrent l'invention sans toutefois en limiter la portée. Les pourcentages s'entendent en poids sauf indication contraire. Exemple 1 Le procédé consiste en la préparation en continu du phosphate monocalcique par acidulation des roches phosphatées par HCl, et ce procédé nécessite le contrôle des concentrations de P205 sous forme de H3P04 et également sous forme de CatH2P04)2, Généralement, dans un tel procédé, les concentrations de P205 en solution se trouvent entre environ 35 et environ 80 g/l dont environ 50 à 75 % sous forme N P04. On trouvera cidessous une description détaillée du premier cycle. Un courant continu de 5 ml/nn est envoyé par la pompe B doseuse dans la cellule de titrage C. L'alimentation F envoie 4,72 ampères dans la cellule d'électrolyse E (en tenant compte de la différence due à une efficacité de courant de seulement 96 %). On envoie 2 ml/mn de chlorure de sodium à 3 % (électrolyte) par la pompe Q vers les cellules d'électrolyse E et M. Le chlore qui se dégage à l'anode accompagne la solution qui est éliminée par le conduit 15 et est rejetée après neutralistation, A la cathode, il se dégage de l'hydrogène et des ions OH sont produits dans la solution en quantité correspondant au courant envoyé vers la cellule d'électrolyse E. Dans la cellule de titrage C, la réaction de neutralisation est la suivante Le pH au point d'équivalence est sensible à des variations de concentration. Pour la réaction ci-dessus, le pH est de 4,6, et il traduit la concentration des ions hydrogène dans la solution. Le contrôleur de pH D commande l1ali- mentation F en fonction des mesures. Le point déterminé étant de 4,6, de légères oscillations apparaissent autour de ce point. Ces oscillations sont dues à des variations dans la concentration en H3P04 dans le courant échantil lon. L:alimentation F fournit par le conducteur iii le courant la cellule d'électrolyse E en fonction du signal Il reçu du contrôleur de pH D. Le signal de sortie (IV) traduit la concentration de H3PO4 dans le courant échantillon à un moment quelconque. Le second cycle implique la détermination du P205 total en solution. Une pompe doseuse J envoie un courant continu de 3 ml/mn de l'échantillon vers la cellule de titrage K. On envoie une solution d'oxalate de potassium a 20 7 du récipient 0 vers la cellule de titrage K, par la pompe P, à raison de 15 ml/mn, avec le courant échantillon. La cellule de titrage K reçoit le titrant -- provenant de la cellule éleccrolytique M par le conduit 8.L'alimentation N fournit par le conducteur III 7,43 ampères à la cellule électrolytique M (en tenant compte de l'efficacité de courant de seulement 96 7). Dans la cellule de titrage K, se déroulent les réactions suivantes Le pH aux points d'équivalence du premier et du second hydrogène est d'environ 8,7. Le contrnleur de pH L qui mesure le pH dans la cellule de titrage K commande l'alirnentation N par le signal VI en fonction du pH.Etant donné que le contrôleur de pH est réglé sur le point déterminé de 8,7, la valeur oscille légèrement autour de ce point en fonction des modifications apparaissant dans la cellule de titrage K, Ces oscillations viennent des modifications de la concentration totale en P205 dans le courant échantillon.L'alimentation N envoie par le conducteur VII le courant nécessaire a la cellule électrolytique M, en fonction du signal VI provenant du contraleur de pH L. Le signal de sortie VIII traduit la concentration exacte en P205 total dans le courant échantillon, à un moment quelconque, LLS signaux IV et VIII sont envoyés à un ordinateur qui calcule en continu les équations suivantes Le résultat de ces calculs est envoyé à un "servosystème" qui règle lintrnduction des rcactifs dans le réacteur A.Ainsi, pour les roches phosphatées, le débit correspond à Viii IV k2 - k1 tandis que pour l'acide chlorF.ydrique, le débit correspond a L'étalonnage de la cellule de titrage est effectué facilement de la manière suivante Pour le premier cycle, la vanne d'alimentation de la pompe B est fermée tandis qu'on ouvre la vanne du conduit 3 amenant la soAtl-- tien de référence du réservoir G, contenant 40 gtl H3PO4 et 25 g/1 Ca(H2PO4). On effectue un étalonnage de manière que le pH soit au point déterminé de 4,6 et la valeur de signal IV provenant de l'alimentation F est réglée de manière à correspondre au servosystème. Le système du cycle fonctionne normalement si les déviations des efficacités de courant, pour le courant amené à la cellule d'électrolyse E, donnent des valeurs de l'ordre de 90 à 100 %. Pour le second cycle, la vanne d'alimentation de la pompe J est fermée et l'on ouvre la vanne du conduit 4 amenant la solution de référence du réservoir G (40 g/l H3P04 et 25 g/l Ca(H2PQ4)2. La pompe P envoie une solution d'oxalate de potassium (concentration : 20 %) à raison de 15 ml/mn. On effectue un étalonnage de manière que le pH soit au point déterminé de 8,7 et la valeur du signal VIII provenant de l'alimentation N est réglée de manière à correspondre au servosystème. Le système de ce second cycle fonctionne normalement si les déviations donnent des valeurs de l'ordre de 90 à 100 %, Exemple 2 Le procédé consiste en la préparation de l'acide phosphoriquethumide"par décomposition des roches'phosphatées par l'acide sulfurique.Dans un tel processus, les concentrations sont généralement d'environ 25-30 % P205 et de 1,5 à 3 % pour l'excès d'acide sulfurique. Les courants échantillons contiennent environ 360 g/l P205 et environ 24 g/l H2S04 et sont envoyés vers la cellule de titrage C à raison de 0,5 cm3/m.n Les réactions chimiques se déroulant dans la cellule C sont les suivantes L'alimentation F envoie un courant d'intensité 4,66 ampères dans la cellule électrolytique E par le conducteur III. Le signal de sortie IV émis par ltalimentation F traduit à tout moment la somme des concentrations de H3PO4 et H2S04. Dans ce cas, le second cycle consiste à déterminer la somme des concentrations du premier et du second hydrogène de l'acide phosphorique comme de l'acide sulfurique. Un échantillon provenant du réacteur A raison de 0,5 cm3/mn est envoyé par le conduit 2 dans la cuve de titrage K. L'alimentation N envoie un courant de 8,9 ampères vers la cellule électrolytique M par le conducteur VII. Les réactions chimiques se déroulant dans la cellule.de titrage K sont les suivantes Le signal VIII émis par l'alimentation N traduit à tout moment la somme des concentrations du premier et du second hydrogène de placide phosphorique et de 11 acide sulfurique. Les signaux IV et VIII sont envoyés à un ordinateur qui calcule en continu les concentrations en acide sulfurique et en acide phosphorique, en g/l, de la manière suivante Les résultats de ces calculs sont envoyés a un servo système qui règle l'introduction des réactifs dans le réacteur A. Ainsi, pour les roches phosphatées, 11 introduction est réglée en fonction de la concen tration calculée en acide phosphorique, tandis que pour ltalimentation en acide sulfurique, intervient la concentration calculée en acide sulfurique, L'étalonnage des cellules C et K de titrage est effectué comme dans l'exemple 1, sauf en ce que la solution de référence contient dans ce cas 360 g/l P205 et 24 g/l H2S04. Exemple 3 Le procédé consiste å préparer une liqueur de dissolution à partir des roches phosphatées et de HCl que l'on utilise pour préparer l'acide phosphorique par llintermédiaire d'une extraction au sol- vant. il est nécessaire d'utiliser un certain exces de HC1, Les concentrations sont généralement les suivantes : environ 90 - 140 g/l en H3P04 et environ 10-25 g/l d'exces de HC1. L'échantillon (courants 1 et 2) contient 125 g/l H3P04 et 15 g/l HCl. Les réactions dans la cellule de titrage C sont les suivantes Un échantillon provenant du réacteur A est envoyé par le conduit 1 vers la cellule de titrage C à raison de 2 cm3 /mn. L'alimentation F débite 5,65 ampères. Le signal IV émis par l'alimentation F représente à tout moment la somme des concentrations de H3P04 et HC1, Le second cycle consiste dans ce cas à determiner les concentrations du premier et du second hydrogène de l'acide phosphorique et de l'hydrogène de l'acide chlorhydrique. Un échantillon provenant du réacteur A est envoyé à raison de 1 cm /mn, par le conduit 2, vers la cellule de titrage K. L'alimentation N fournit 4,96 ampères. Les réactions qui se déroulent dans la cellule de titrage K sont les suivantes Le signal VIII émis par l'alimentation N traduit à tout moment la somme des concentrations des deux hydrogènes de l'acide phosphorique et de l'hydrogène du chlorure d'hydrogène. Les signaux IV et VIII sont envoyés à un ordinateur qui calcule en continu les concentrations diacide phosphorique et d'acide chlorhydrique, en gll, selon les équations suivantes Les résultats de ces calculs sont envoyés à un servo*- système qui commande l'introduction des réactifs dans le réacteur A, en fonc- tion des concentrations calculées correspondantes des acides. Le débit des roches phosphatées correspond à la valeur suivante viii ~ IV k2 kl tandis que pour l'acide chlorhyrique, le débit correspond à la valeur suivant 2 IV Viii k k2 t1 étalonnage des cellules C et K de titrage est effectué comme à l'exemple 1, sauf en ce que la solution de référence contient dans ce cas 100 g/l P2O5 et 15 g/l HCl. REVENDICATIONS 1. Procédé de contrôle automatique d'une opération chimique continue comprenant l'addition d'un réactif poer lequel les mesures de pH n'ont pas de signification, le procédé comprenant le prélèvement d'échantillons continus du milieu de réaction et consistant à déterminer les débits de titrants nécessaires pour modifier le pH du milieu jusqu'à un point d'équivalence, caractérisé par le fait qugune légère modification de la quantité de titrant se traduit par une modification importante du pH, l'interprétation du débit de titrant qui représente la concentration du courant échantillon étant traduite par un comparateur analogique électronique de manière à permettre le contrôle de l'intensité du courant électrique appliqué å une cellule électrolytique de production du titrant, et le débit du titrant étant traduit par un comparateur analogique électronique de manière à régler le débit d'introduction du réactif dans le réacteur de mise en oeuvre du procédé. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ltanalyse liée à ce procédé implique la détermination des concentrations en ions hydrogène ou hydroxy à différents points d'équivalence, correspondant aux concentrations en le premier hydrogène ou le premier groupe hydroxy et le second hydrogène ou le second groupe hydroxy. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que les concentrations en ions hydrogène que l'on doit déterminer sont dues à des mélanges diacides forts et d'acides faibles. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le titrant est obtenu par électrolyse en continu d'une solution d'un sel choisi parmi NaC1, KC1, Na2SQ4 ou K2S04. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le débit de titrant est commandé par intensité du courant électrique envoyé à la cellule d'électrolyse. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que toute déviation du pH autour du point d'équivalence souhaité commande l'intensité du courant électrique -envoyé à la cellule dtélectrolyse 7. Procédé selon la revendication 1, pour l'obtention d'acide phosphorique par le procédé par voie humide, caractérisé en ce que lton contrôle en continu l'alimentation en roches phosphatées et en acide sulfurique. 8. Procédé selon la revendication 1, pour la dissolution des roches phosphatées par le chlorure d'hydrogène pour préparer l'acide phosphorique par extraction au solvant; caractérisé en ce que l'on effectue un contrôle continu de l'alimentation en roches phosphatées et en acide chlorhydrique. 9. Procédé selon la revendication 1, pour ltobtention du phosphate dicalcique, caractérisé en ce que lton contrôle en continu l'alimentation en roches phosphatées et en acide chlorhydrique.