Brevet FR2695840A1 — publié le 19940325

La présente invention a pour objet un procédé de fabrication d'engrais à partir d'ammoniac et d'acides dans un réacteur tubulaire perfectionné. Les réacteurs tubulaires sont bien connus et décrits dans la littérature. Ils consistent en une simple longueur de tube de faible diamètre sans garnissage interne et sont en général utilisés horizontalement ou faiblement inclinés (au plus 450) par rapport à l'horizontale et exceptionnellement verticalement. Ils ont en général un diamètre intérieur compris entre 250 et 10 mm pour une longueur en général comprise entre 1,5 et 12 m. Le rapport longueur/diamètre n'est généralement pas inférieur à 50. A titre d'exemple, de tels réacteurs ont été décrits dans les brevets US 3,954,421 et US 3,310,371 ainsi que dans les demandes FR 2.172.826 et FR 2.199.478.Ces réacteurs tubulaires sont utilisés pour la neutralisation d'acides tels que H3PO4, H2SO4 et/ou HNO3 par l'ammoniac dans le cadre de la fabrication de (poly)phosphates, de sulfates d'ammonium, et de nitrates d'ammonium, etc.... Généralement, le réacteur tubulaire est soit situé à l'entrée d'un séparateur soit dans une boucle de granulation dans le granulateur ou le séchoir. Dans le cas de la fabrication d'engrais à base de nitrate d'ammonium, on place en général le réacteur tubulaire à l'entrée du séparateur ; à titre d'exemple d'une telle installation de fabrication d'engrais à base de nitrate d'ammonium, on peut citer FR 2.584.386 (voir notamment la FIG. 2). Dans le cas de la fabrication d'engrais complexes, le réacteur tubulaire est généralement placé dans une boucle de granulation du granulateur et/ou dans le séchoir ; à titre d'exemple d'une telle installation de fabrication d'engrais complexes de type NP ou NPK, on peut citer EP 40.122 (voir notamment le schéma de l'installation). Dans ce dernier cas, les gaz sortant du granulateur et/ou du séchoir sont lavés, et les eaux de lavage peuvent être fréquemment recyclées dans l'installation de fabrication d'engrais, notamment dans le réacteur tubulaire (voir par exemple EP 230.432). Pour la bonne marche des réacteurs tubulaires, il est nécessaire d'avoir un mélange des réactifs le plus parfait possible. En effet, dans le cas contraire, on obtient à la sortie du réacteur tubulaire une phase dense liquide et/ou solide essentiellement constituée de composés acides plus ou moins neutralisés qui s'écoule du réacteur tubulaire et une phase gazeuse essentiellement constituée d'ammoniac et de vapeur d'eau. Dans ces conditions, les pertes en ammoniac sont importantes et le rendement de la réaction est plus faible. Lorsque le mélange des réactifs se fait bien, il se forme un nuage de gouttelettes de solutions plus ou moins concentrées, voire même de particules solides qui se séparent aisément de la vapeur d'eau. Enfin, il est également important que pour la bonne marche et la souplesse de l'installation, le réacteur tubulaire soit capable de fonctionner avec des quantités de réactifs aussi variables que possible. Différents systèmes ont été proposés pour améliorer le mélange des réactifs à l'entrée du réacteur tubulaire : on a par exemple proposé d'introduire l'un des réactifs à l'aide d'un dispositif de type diffuseur (FR 2.172.826), mais un tel dispositif est sujet au bouchage. On a également proposé un dispositif appelé "jet reactor" dans lequel l'acide et l'ammoniac sont introduits à l'aide de deux tubes concentriques et sont mélangés à l'aide d'un dispositif hélicoïdal suivi d'un convergent (Phosphorus and Potassium nO 45, 1970 p18-19), mais dans ce cas également, il y a bouchage, cette fois au niveau du dispositif hélicoïdal.Il existe une autre variante du "jet reactor" qui consiste à introduire l'eau et/ou les eaux de lavage et l'ammoniac à l'aide de conduites d'alimentation concentriques et coaxiales, la conduite d'alimentation en eau et/ou eaux de lavage se trouvant à l'intérieur de la conduite d'alimentation en ammoniac et le ou les acides étant introduits par une ou plusieurs conduites d'alimentation pouvant s'ouvrir tangentiellement ou perpendiculairement dans le réacteur tubulaire (EP 272.183). Le réacteur tubulaire mis au point par la demanderesse utilisable notamment pour la neutralisation d'acide(s) par l'ammoniac comprenant une zone d'injection d'au moins deux réactifs qui sont introduits séparément par des tubes concentriques et coaxiaux (acides, ammoniac, eau et/ou eaux de lavage), une zone de réaction et une buse de sortie des produits finis, caractérisé en ce que l'intérieur de l'injecteur central (acide(s) ou ammoniac) est équipé d'un mélangeur statique en forme de vis de pas donné, appelé également mélangeur de type "swirl" nommé dans tout ce qui suit mélangeur "swirl". Le mélangeur "swirl" permet une mise en rotation du ou des fluides qui le traverse dans un plan orthogonal au sens d'avancement desdits fluides. En sortie de l'injecteur équipé du mélangeur "swirl", le contact entre les réactifs fluides est très nettement amélioré du fait des directions différentes des vitesses de tous les réactifs. Les risques de bouchage dans la zone de réaction lors de la formation des sels sont supprimés. Pour la neutralisation de l'acide nitrique ou sulfurique par l'ammoniac dans le cadre notamment de la fabrication d'engrais à base de nitrates ou sulfates d'ammonium, on préfère mettre l'acide en rotation dans le mélangeur "swirl"(injecteur central), l'ammoniac étant introduit par le conduit tubulaire périphérique. Pour la neutralisation des acides sulfuriques et/ou phosphoriques et/ou fluosiliciques par l'ammoniac dans le cadre notamment de la fabrication d'engrais à base de sulfates et/ou phosphates et/ou fluosilicates d'ammonium, on préfère mettre l'ammoniac en phase gazeuse ou à l'état liquide anhydre ou l'acide sulfurique en rotation dans le mélangeur Frswirlww(injecteur central), les acides phosphorique et/ou fluosiliciques étant introduits par le conduit tubulaire périphérique. Le procédé de neutralisation d'acide(s) selon l'invention à l'aide d'un injecteur central équipé d'un mélangeur "swirl" peut inclure un dispositif de recyclage des produits (sels d'ammonium concentrés) au niveau de la zone d'injection décrite plus haut. En général, le volume de produits recyclés est compris entre 1 et 5 fois le volume de sels d'ammonium produits par la neutralisation d'acide(s) par l'ammoniac. La conduite par où sont introduits les produits recyclés peut s'ouvrir tangentiellement ou perpendiculairement dans le réacteur tubulaire. La zone de réaction proprement dite du réacteur tubulaire peut comporter au moins un convergent-divergent ou un convergent situé juste après la zone d'injection des réactifs telle que définie plus haut et un convergent-divergent ou un convergent situé en sortie de la zone de réaction, juste avant la buse de sortie des produits finis. Avantageusement entre les convergents-divergents ou convergents situés à l'entrée et en sortie de la zone de réaction, se trouvent disposés un à trois convergents-divergents ou convergents tels que décrits dans EP 272.974. La température de la réaction de neutralisation du ou des acides par 1' ammoniac dans le réacteur tubulaire selon l'invention est en général comprise entre 80 et 2000C et de préférence entre 130 et 2000C. L'ammoniac ainsi que le ou les acides sont en général introduits sous une pression comprise entre 105 et 106 Pa et de préférence entre 2.105 et 7.105 Pa. Le rapport molaire des réactifs acide(s)/ammoniac est en général compris entre 0,8 et 2 pour les acides phosphoriques et/ou sulfurique et voisin de 1 pour l'acide nitrique. La Figure 1 est une vue en coupe longitudinale partielle d'un réacteur tubulaire selon l'invention où apparaît la zone d'injection des réactifs. Dans l'axe du réacteur tubulaire (1) se trouvent la conduite d'alimentation en ammoniac liquide(4) et la conduite d'alimentation en acide nitrique (3) équipée d'un mélangeur "swirl" en acier inoxydable dont les caractéristiques sont les suivantes - longueur : 800 mm - pas : 800 mm - diamètre : 77,9 m - matériau : acier inoxydable 304 L Les deux conduites (3) et (4) sont concentriques et l'ammoniac circule dans l'espace annulaire compris entre les conduites (3) et (4). Les conduites (3) et (4) sont de préférence en acier inoxydable par exemple de type 304 L ou 316 L pour HNO3 et/ou H3P04.On peut éventuellement prévoir de revêtir les parois externes de la conduite (4) d'une couche de polytétrafluoroéthylène, notamment pour la neutralisation de H2S04 ou pour des mélanges H3PO4/H2SO4 contenant plus de 6 % en poids de H2S04. La Figure 2 est une vue en coupe longitudinale d'une installation de fabrication d'engrais à base de nitrate d'ammonium à partir d'acide nitrique et d'ammoniac qui sont introduits par les conduites (3) et (4) dans le réacteur tubulaire équipé d'un mélangeur "swirl" ; la réaction de neutralisation et la vaporisation de l'eau ont lieu dans la zone de réaction le long du réacteur tubulaire.La solution de nitrate d'ammonium qui s'échappe de la buse de sortie du réacteur tubulaire arrive dans un séparateur (2) à une concentration qui dépend non seulement de la température d'entrée des fluides réactifs mais aussi de la concentration initiale en acide nitrique ; le nitrate est donc séparé de la vapeur d'eau dans le séparateur (2) ; on recueille la solution concentrée de nitrate d'ammonium à l'aide de la tuyauterie (5) située dans le fond du séparateur et la vapeur d'eau en tête du séparateur, à une pression en général voisine de la pression atmosphérique par la conduite (6). Il est donc possible d'utiliser cette vapeur pour l'évaporation de l'ammoniac et/ou pour le chauffage de l'acide nitrique. Les exemples ci-après illustrent l'invention sans la limiter. EXEMPLE 1 Dans un réacteur tubulaire de diamètre 150 mm et de longueur 5 m dont la zone d'injection est identique à celle de la Figure 1, on neutralise de 4,6 à 6 t/h d'ammoniac par de l'acide nitrique de concentration égale à 59 % en poids. On mesure l'efficacité du mélangeur "swirl" sur la réaction de neutralisation de HNO3 par NH3 en mesurant la quantité d'azote contenue dans les effluents gazeux en sortie du séparateur vapeur/liquide situé en sortie du réacteur à différents régimes de production et différentes valeurs de pH de la solution qui correspondent à différents rapports molaires entre HNO3 par NH3. La quantité d'azote mesurée correspond à la quantité de réactifs qui n'ont pas réagi (HMO3 quand le pH est acide ; NH3 quand le pH est basique) et la quantité de nitrate d'ammonium qui a été entraînée par la vapeur. A titre de comparaison, et dans les mêmes conditions opératoires, on neutralise de l'acide nitrique dans un réacteur tubulaire de mêmes dimensions mais dont la conduite d'alimentation interne (HNO3) n'est plus équipée d'un mélangeur "swirl". On calcule ainsi que l'utilisation d'un mélangeur "swirl" dans l'injecteur central pour une gamme de pH compris entre 2 et 11, la teneur en azote total contenu dans les effluents est divisée par 2 - pour des valeurs de pH comprises entre 2 et 8, la teneur en azote dans la vapeur est égale à 4 g/kg sans mélangeur "swirl", alors qu'elle est égale à 2 g/kg avec un mélangeur "swirl" dans l'injecteur central, - pour des valeurs de pH comprises entre 8 et 11, la teneur en azote dans la vapeur est comprise entre 4 et 8 g/kg sans mélangeur "swirl", alors qu'elle est comprise entre 2 et 4 g/kg avec un mélangeur "swirl" dans l'injecteur central. REVENDICATIONS 1. Réacteur tubulaire comprenant une zone d'injection d'au moins deux réactifs qui sont introduits séparément par des tubes concentriques et coaxiaux, une zone de réaction et une buse de sortie des produits finis, caractérisé en ce que l'intérieur de l'injecteur central est équipé d'un mélangeur "swirl". 2. Réacteur tubulaire selon la revendication 1 caractérisé en ce que sa zone de réaction comporte au moins un convergent-divergent ou un convergent situé juste après la zone d'injection des réactifs et un convergent-divergent ou un convergent situé en sortie de la zone de réaction, juste avant la buse de sortie des produits finis. 3. Réacteur tubulaire selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'entre les convergents-divergents ou convergents situés à l'entrée et en sortie de la zone de réaction, se trouvent disposés un à trois convergentsdivergents ou convergents. 4. Réacteur tubulaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'un dispositif de recyclage des produits formés est prévu dans la zone d'injection des réactifs, la conduite par où sont introduits les produits recyclés pouvant 5' ouvrir tangentiellement ou perpendiculairement dans le réacteur tubulaire. 5. Procédé de neutralisation d'acide(s) par l'ammoniac mettant en oeuvre un réacteur tubulaire tel que défini dans l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le ou les acide(s) d'une part, et l'ammoniac d'autre part sont introduits par les tubes concentriques et coaxiaux. 6. Procédé de neutralisation de l'acide nitrique ou sulfurique par l'ammoniac selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'acide nitrique ou sulfurique est introduit dans l'injecteur central muni d'un mélangeur "swirl". 7. Procédé de neutralisation mixte d'acides sulfurique et/ou phosphoriques et/ou fluosiliciques par l'ammoniac selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'ammoniac ou l'acide sulfurique est introduit dans l'injecteur central muni d'un mélangeur "swirl", tandis que les acides phosphoriques et/ou fluosiliciques sont introduits par la canalisation latérale. 8. Procédé de fabrication d'engrais à base de sels d'ammonium, caractérisé en ce que la réaction de neutralisation du ou des acides par l'ammoniac est effectuée selon le procédé des revendications 5 à 7. 9. Installation pour la fabrication d'engrais à base de sels d'ammonium, de préférence des nitrates, caractérisée en ce qu'elle comprend essentiellement au moins un réacteur tubulaire selon les revendications 1 à 4, au moins une unité pour séparer les produits résultant de la réaction de neutralisation du ou des acides par l'ammoniac (solutions aqueuses concentrées de sels d'ammonium) et la vapeur d'eau, et éventuellement un circuit de recyclage desdits produits vers ledit réacteur tubulaire. 10. Installation pour la fabrication d'engrais, de préférence complexes, à base de sels d'ammonium, caractérisée en ce qu'elle comprend - un granulateur dans lequel on introduit les réactifs à l'état gazeux et/ou liquide ainsi que des matières premières à l'état solide tels que KCl, superphospates, - et un séchoir, caractérisée en ce que le granulateur et/ou le séchoir , et de préférence les deux, sont munis d'un réacteur tubulaire selon les revendications 1 à 4.