Pfe daryf & semlali

Royaume du Maroc
Université Cadi Ayyad
Ecole Nationale des Sciences Appliquées
Projet de Fin d’Etudes
de Safi
Département : Génie Industriel

N° d’ordre : 2012/G.PMC/P5

MÉMOIRE
de

PROJET DE FIN D’ÉTUDES
Pour l’obtention du diplôme :

INGENIEUR D’ÉTAT
En Génie des Procédés et Matériaux Céramiques

Thème :

Optimisation de la désulfatation-décantation de l’acide
phosphorique des lignes Nissan à Maroc Phosphore I

Présenté par :

Jihad DARYF

Rachid SEMLALI EL IDRISSI

Projet réalisé à :

Groupe Office Chérifien des Phosphates – Maroc Phosphore Safi

Soutenu le : 03/07/2012

Devant le jury composé de :

Nom et prénom Qualité Etablissement d’attache

Fahd OUDRHIRI HASSANI Enseignant-chercheur ENSA – Safi
Younes ABOULIATIM
Projet de fin d’études Enseignant-chercheur ENSA – Safi Page | 1
M.BOUKHATEM Enseignant-chercheur ENSA – Safi


REMERCIEMENTS

Au terme de ce projet de fin d’études, nous tenons tout d’abord à adresser
nos sincères remerciements à M. MAHROU, chef de la division Maroc
Phosphore I, qui nous a donné la possibilité de réaliser notre travail au sein du
service stockage et expédition.

Nous remercions également, notre responsable de stage à l'OCP,
M. LECHGAR, chef du service stockage et expédition ainsi que notre
encadrant à l'ENSA de Safi M. OUDRHIRI, qui sans eux, ce projet n’aurait
pas vu le jour.

Nous ne saurions remercier suffisamment M. LOUHZ, chef de service
phosphorique, pour son aide, ses conseils et son encouragement tout au long de
notre période de stage.

Nos remerciements vont aussi à M. BOUSBOULA, M. ELKARARI et
tout le personnel du service stockage et expédition pour leurs aides, leurs
écoutes et leurs soutiens.

Enfin, à tous ceux qui ont contribué de près ou de loin à l'élaboration de
ce mémoire, qu'ils trouvent ici l'expression de notre profonde gratitude.

Projet de fin d’études Page | 2


DÉDICACE

A nos parents

A nos frères et sœurs

A tous les membres de nos familles

A tous ceux qui nous sont chers…



SUJET DE STAGE

La désulfatation de la bouillie d'acide phosphorique est une opération nécessaire pour
répondre aux exigences qualité de nos clients en termes de sulfates libres. Cette opération
entrave la marche des unités filtration Nissan et par voie de conséquence la limitation des
cadences de marche.
Maroc phosphore I envisage la solution de la désulfatation d'acide 30% après
filtration, il est demandé de:
Faire un bilan matière au niveau du décanteur dédié à cette opération de
traitement ;
Déterminer la capacité maximale de désulfatation ;
Optimiser la génération et le recyclage des boues décantées ;
Déterminer la marche optimale avec génération d'un taux de solide conforme au
niveau de l'over flow du décanteur ;
Comparer la désulfatation d'acide 30% à l'atelier de traitement acide 54% de
Maroc Chimie ;
Envisager la production d'acide reconcentré (60% P2O5) destiné au client
FOSBRASIL à base d'un acide produit 30% traité au niveau du décanteur.



LISTE DES ABRÉVIATIONS

APP: Acide Phosphorique Purifié
CAP: Concentration d’Acide Phosphorique
DAP: Di-Ammonium Phosphate
DCP: Di Calcic Phosphate
IDS: Industrial Direction of Safi
MAP: Mono-Ammonium Phosphate
MCP: Mono Calcic Phosphate
MPI: Maroc Phosphore I
NPK: engrais à base d’azote (N), phosphore(P) et de potassium(K)
OCP: Office Chérifien des Phosphates
PC, MC: Maroc chimie
PP , MPI: Maroc Phosphore I
PM, MPII: Maroc Phosphore II
PI: Infrastructure Portuaire
TSP: Triple Super Phosphate
B.M: Bilan Matière



LISTE DES FIGURES

Figure 1.1 Schéma de Maroc Phosphore I .......................................................................... 08
Figure 1.2 Schéma de l'unité broyage ................................................................................. 10
Figure 1.3 Schéma de l'unité réaction ................................................................................. 10
Figure 1.4 Schéma de l'unité filtration ................................................................................ 12
Figure 1.5 Schéma d'un échelon de concentration .............................................................. 15
Figure 1.6 Schéma du stockage de l'acide phosphorique .................................................... 17
Figure 1.7 Schéma de l'expédition de l'acide phosphorique ................................................ 18
Figure 1.8 Schéma de l’unité de réaction du procédé Rhône-Poulenc ................................ 19
Figure 2.1 Courbe de sédimentation (h,t) ............................................................................ 29
Figure 2.2 Forces agissantes sur la particule ....................................................................... 29
Figure 2.3 Schéma d’un décanteur circulaire classique ...................................................... 32
Figure 3.1 Unité désulfatation ............................................................................................. 35
Figure 3.2 Désulfatation d’une seule ligne (circuit fermé) ................................................. 40
Figure 3.3 Désulfatation d’une seule ligne (circuit ouvert) ................................................. 41
Figure 3.4 Variation de volume (cm3) en fonction du temps (min) lors de la
sédimentation en éprouvette ................................................................................................. 43
Figure 3.5 Détermination du temps de séjour ..................................................................... 44
Figure 3.6 Détermination du temps de séjour lors du premier essai de décantation ........... 45
Figure 4.1 Comparaison des courbes de sédimentation avec et sans recyclage des boues.. 49
Figure 4.2 Schéma du décanteur avec recirculation des boues ........................................... 50
Figure 4.3 Système à étudier .............................................................................................. 54
Figure 4.4 Résultats selon JMP10 ....................................................................................... 57
Figure 4.5 Effet de l'interaction de deux facteurs sur le taux de solide de l'acide clarifié .. 60
Figure 4.6.a Cartographie du taux de solide en fonction des facteurs densité et taux de
solide dans l'acide ................................................................................................................. 61
Figure 4.6.b Cartographie du taux de solide en fonction des facteurs densité et taux de
solide dans les boues ............................................................................................................ 61
Figure 4.6.c Cartographie du taux de solide en fonction des facteurs taux de solide dans
l'acide et taux de solide dans les boues ................................................................................ 62



Figure 5.1 Procédé de fabrication de l'acide phosphorique « FOSBRASIL » .................... 66
Figure 5.2 Flowsheet de l'atelier TA (Réacteur de désulfatation) ....................................... 70
Figure 5.3 Comparaison entre l’atelier TA de MC et l’unité désulfatation de MP1 ........... 72
Figure 5.4 Débouchage manuel de conduite ....................................................................... 75
Figure 5.5.a Transfert par débordement .............................................................................. 76
Figure 5.5.b Transfert via une pompe ................................................................................. 76
Figure 5.6 Doseur de phosphate (Atelier TA) ..................................................................... 77



LISTE DES TABLEAUX

Tableau 2.1 Composition représentative du phosphate brut G10 et de ses acides 30% et
54% en P2O5 ....................................................................................................................... 22
Tableau 2.2 Analyse des impuretés des différentes qualités du phosphate brut de
Youssoufia ......................................................................................................................... 23
Tableau 2.3 Influence des principales impuretés contenues dans l’acide phosphorique... 26
Tableau 3.1 Résumé du calcul des taux de sulfates et débits de phosphate ..................... 39
Tableau 3.2 Temps de séjour relatif à chaque essai de sédimentation ............................. 45
Tableau 4.1 Données du plan d’expériences .................................................................... 55
Tableau 4.2 Matrice d’expériences et leurs réponses ....................................................... 55
Tableau 4.3 Matrice d’expériences et résultats avec les interactions entre les facteurs ... 56
Tableau 5.1 Exigences du client « FOSBRASIL » au niveau de l'acide phosphorique ... 65
Tableau 5.2 Comparaison des paramètres de marche ....................................................... 73
Tableau 5.3 Comparaison des équipements ..................................................................... 74



SOMMAIRE

Introduction générale ...................................................................................................... 12

Chapitre 1: Présentation du groupe OCP & Procédé de fabrication de l'acide
phosphorique

I- Introduction .................................................................................................................. 15
II- Aperçu général du groupe OCP ................................................................................ 15
II.1- Quelques dates clés ................................................................................................ 15
II.2- Phosphates: Quelques repères ................................................................................ 16
II.3- Diversification des produits de l’OCP ................................................................... 17
III- Description du Pôle Industriel: Maroc Phosphore Safi ........................................ 18
III.1- Maroc Chimie (IDS/PC) ....................................................................................... 18
III.2- Maroc Phosphore I (IDS/PP) ................................................................................ 18
III.3-Maroc Phosphore II (IDS/PM) ............................................................................... 20
III.4. Infrastructure portuaire de Safi (IDS/PI) ............................................................... 20
IV- Procédés de fabrication de l'acide phosphorique .................................................... 20
IV.1- Procédé Nissan ….................................................................................................. 20
IV.2- Procédé Rhône-Poulenc ........................................................................................ 29
V- Conclusion ................................................................................................................... 31

Chapitre 2: Etude bibliographique

I- Introduction .................................................................................................................. 33
II- Composition et impuretés du phosphate et de l'acide phosphorique .................... 33
II.1- Composition du phosphate et de l'acide phosphorique .......................................... 33
II.2- Impuretés dans l'acide phosphorique ...................................................................... 34
III- Sources et influences des impuretés dans l'acide phosphorique ......................... 36
III.1- Sources d’impuretés de l’acide phosphorique ...................................................... 36
III.2- Influence des impuretés de l’acide......................................................................... 36
IV- Purification de l'acide phosphorique ....................................................................... 38



IV.1- Raisons de la purification de l’acide phosphorique .............................................. 38
IV.2- Procédés de purification d’acide phosphorique à l’OCP ...................................... 38
IV.3- Décantation ........................................................................................................... 39
IV.3.1- Théorie de décantation .................................................................................. 39
IV.3.2- Théorie de Kynch .......................................................................................... 39
IV.3.3- Types de suspensions en décantation ............................................................ 41
IV.3.4- Vitesse de sédimentation des particules dans un liquide .............................. 42
IV.3.5- Exemples des équipements de décantation ................................................... 42
V- Conclusion ................................................................................................................... 44

Chapitre 3: Bilan matière autour de l’unité désulfatation & Capacité maximale de
désulfatation

I- Introduction .................................................................................................................. 46
II- Bilan matière ............................................................................................................... 46
II.1- Calcul du taux de sulfates requis ............................................................................ 47
II.2- Calcul du débit de phosphate requis ....................................................................... 48
II.3- Bilan matière .......................................................................................................... 51
III- Détermination de la capacité maximale de désulfatation-décantation ................ 53
III.1- Essais expérimentaux de décantation .................................................................... 54
III.2- Détermination du temps de séjour (résolution graphique) .................................... 55
III.3- Détermination de la capacité maximale de décantation ........................................ 57
III.4- Détermination de la capacité maximale de désulfatation ...................................... 57
IV- Conclusion ................................................................................................................. 58

Chapitre 4: Optimisation de la décantation de l’acide phosphorique

I- Introduction .................................................................................................................. 60
II- Importance de la recirculation des boues ................................................................ 60
III- Bilan en matière solide au niveau du décanteur .................................................... 61
IV- Plan d’expériences factoriel complet ....................................................................... 63
IV.1- Terminologie ......................................................................................................... 63



IV.2- Objectifs du plan d’expériences ............................................................................ 63
IV.3- Hypothèses ............................................................................................................ 64
IV.4- Système à étudier .................................................................................................. 65
V- Solutions et améliorations proposées ........................................................................ 74
VI- Conclusion ................................................................................................................. 74

Chapitre 5: Etude de la possibilité de production de l’acide « FOSBRASIL » à
partir de l’acide clarifié de MPI & Comparaison entre l’unité désulfatation de
MPI et l’atelier TA de Maroc Chimie

I- Introduction .................................................................................................................. 76
II- Acide « FOSBRASIL » .............................................................................................. 76
II.1- Présentation du client « FOSBRASIL » ................................................................. 76
II.2- Production de l'acide « FOSBRASIL » .................................................................. 77
III- Comparaison entre l’unité désulfatation de MP1 et l’atelier TA de MC ............ 80
III.1- Présentation de l’unité TA de Maroc Chimie ....................................................... 80
III.2- Comparaison entre l’atelier TA de MC et l’unité désulfatation de MPI .............. 83
III.3- Points à améliorer au niveau de la désulfatation de MP1 ..................................... 86
III.3.1- Installation d'un cyclone avant le réacteur de désulfatation ............................ 86
III.3.2- Installation d'une pompe de transfert entre le réacteur et le décanteur ............ 86
III.3.3- Installation d'un doseur de phosphate .............................................................. 88
IV- Conclusion ................................................................................................................. 88

Conclusion générale ......................................................................................................... 89
Références bibliographiques ........................................................................................... 91
Annexe ............................................................................................................................. 92



INTRODUCTION GÉNÉRALE

Ces dernières décennies, il s’est développé une prise de conscience de l’importance
des équilibres écologiques menacés par la pollution industrielle. Un nouvel état d’esprit
préside : les entreprises cherchent à satisfaire les exigences des clients vis-à-vis des
impuretés présentes dans leurs produits.

Parmi ces entreprises l’Office Chérifien des Phosphates (OCP), leader mondial sur le
marché du phosphate et ses produits dérivés, veille à réduire les impuretés contenues dans
ses produits principalement l’acide phosphorique.

Dans cette optique, Maroc Phosphore I (MPI) s’intéresse à la purification de l’acide
phosphorique produit par voie humide. Ce milieu contient plusieurs impuretés en particulier
les sulfates libres. Afin d’éliminer ces sulfates, l’atelier phosphorique Nissan de MPI adopte
un procédé de désulfatation suivie d’une décantation.

Dans ce contexte, s’inscrit notre projet intitulé «Optimisation de la désulfatation-
décantation de l’acide phosphorique des lignes Nissan à Maroc Phosphore I ».

Ce travail est divisé en cinq chapitres dont le premier est consacré à la présentation du
groupe OCP et le procédé de fabrication d’acide phosphorique dans MPI.

Ensuite, en deuxième chapitre, nous définirons dans une revue de littérature les
différentes impuretés susceptibles de nuire à la qualité de l’acide phosphorique parmi
lesquelles les sulfates libres. Puis, nous allons aborder l’opération de désulfatation-
décantation permettant d’éliminer les sulfates libres et de débarrasser l’acide désulfaté du
solide pour avoir un acide clarifié.

La désulfatation consiste à ajouter du phosphate à l'acide phosphorique produit afin de
diminuer le taux de sulfates. Un bilan matière autour de l'unité désulfatation est établi dans
le troisième chapitre afin de connaître la quantité exacte de phosphate à ajouter. En outre,
des essais expérimentaux seront réalisés visant à visualiser le comportement du mélange
dans le décanteur.



En quatrième chapitre, nous allons montrer d’une part l’importance du recyclage des
boues dans le décanteur et d’autre part nous allons utiliser comme outil les plans
d’expériences pour modéliser et optimiser le taux de solide dans l’acide clarifié à la sortie du
décanteur.

Enfin, le dernier chapitre sera consacré à étudier la possibilité de produire un acide
phosphorique destiné au client « FOSBRASIL » dans l'unité de désulfatation de MP1. Pour
réussir cette étude, il serait nécessaire de réaliser une comparaison entre cette unité et
l'atelier "Traitement d'Acide" de Maroc Chimie afin d’apporter quelques points
d’amélioration au niveau de l'unité de MPI.



CHAPITRE 1

Présentation du groupe OCP
&
Procédé de fabrication de l’acide phosphorique



I. Introduction

L'acide phosphorique est un composé chimique qui présente une grande importance au
niveau industriel car il intervient dans de nombreuses applications telles que la fabrication
des engrais phosphatés, le traitement des surfaces métalliques, la synthèse organique, la
fabrication des détergents, l'industrie alimentaire, etc.

De par son importance dans cette étude, le processus de production de l'acide
phosphorique est décrit plus en détail dans ce premier chapitre. Cependant, avant de
présenter cette description il est utile de présenter le groupe OCP qui est la société
responsable de la fabrication de l'acide phosphorique au Maroc.

II. Aperçu général du groupe OCP

Leader mondial sur le marché du phosphate et ses produits dérivés, créé en 1920 en
tant qu’office devenu société anonyme en 2008, l’OCP est spécialisé dans l’extraction, la
valorisation et la commercialisation du phosphate et ses produits dérivés.

L'OCP a pour mission de maximiser la contribution globale des ressources
phosphatières au développement national dans le respect de ses responsabilités sociétales et
environnementales.

Ses 90 ans d’expérience dans la mine et 45 ans dans la chimie lui permettent d’offrir
l’une des plus larges gammes de roche de phosphate pour divers usages.

L'OCP joue un rôle économique et social important dans les six régions du Maroc où
se trouvent ses quatre centres miniers et ses deux centres industriels : Benguerir, Khouribga,
Laâyoune, Youssoufia, Jorf Lasfar et Safi. Il y crée richesses et emplois, y dispense des
formations, s’y approvisionne ou sous-traite auprès d’un réseau dense d’entreprises locales
qu’il contribue parfois à créer [1].

II.1.Quelques dates clés

1920 : Création, le 7 Août, de l’Office Chérifien des Phosphates (OCP)

1921 : Début de l’exploitation minière (Khouribga)

1921 : Première exportation de phosphate (Casablanca)



1965 : Début des opérations chimiques (Safi)

1975 : Création du Groupe OCP

1998 : Début de la production d’acide phosphorique purifié (Jorf Lasfar)

2008 : Le Groupe OCP devient OCP S.A.

II.2.Phosphates : Quelques repères

>>Le phosphore, dont le minerai de phosphate est riche, est essentiel à toute forme de
vie : il ne peut y avoir d’ADN sans phosphore. Environ 1% du poids d’un être humain est
composé de phosphore, entretenu par les aliments absorbés et se fixant, notamment, dans les
cellules, où il sert de support à l’énergie, et dans les os et les dents.

>>Environ 85% de l’utilisation des phosphates concernent la production d’engrais, le
reste étant à usage industriel et d’additifs alimentaires.

>>Les principales réserves de minerai de phosphate dans le monde proviennent de
dépôts sédimentaires des bassins océaniques préhistoriques, où la vie marine prospérait.
Elles sont estimées à plusieurs siècles d’exploitations pour le Maroc, détenteur des
premières réserves mondiales.

>>Au-delà de l’eau et du rayonnement solaire, les plantes ont un besoin vital de trois
composants essentiels à leur développement harmonieux : l’azote (N), le phosphore (P) et le
potassium (K). Les terres arables contiennent naturellement, dans des proportions très
variables, ces trois éléments. Jusqu’aux premières décennies du XXe siècle, la croissance de
la production agricole ne nécessitant pas d’apports importants de ces éléments (au-delà du
séculaire fumier). Entre 1900 et 2000, la production agricole mondiale a augmenté de 600%.
Désormais, entre 40 et 60% de la production agricole mondiale nécessitent l’utilisation des
engrais ternaire NPK (à base d’azote, phosphore et de potassium).

>>Le phosphate, dans l’état actuel des connaissances scientifiques est l’une des rares
matières premières au monde insubstituable.

>>Le phosphate, comme la potasse (surtout pour les sols bien dotés), ne nécessite pas
d’application sur les champs cultivés aussi régulière que les engrais azotés pour assurer les



besoins des plantes, d’où une forte sensibilité de la demande en phosphates à la conjoncture
économique et agricole.

C'est pourquoi l'OCP diversifie ses produits afin de viser tous les domaines.

II.3.Diversification des produits de l’OCP

L’OCP offre une large gamme de produits adaptée à la diversité des sols et des
variétés végétales [2].

Les produits commercialisés

 Phosphate
 Acide phosphorique marchand (H3PO4)
 Acide phosphorique purifié (APP)
 Di-Ammonium Phosphate (DAP)
 Triple Super Phosphate (TSP)
 Mono-Ammonium Phosphate (MAP)

Les produits en développement

 Engrais spéciaux
 Liquiphos 40 : Formulation ternaire riche en phosphate répondant à des besoins
importants en phosphore des cultures maraichères et arboricoles. Utilisé en fertigation et
permettant aussi le débouchage des goutteurs grâce à son action acidifiante.
 Liquiphos 30 : Formulation équilibrée et acidifiante, destinée à la fertigation des
cultures maraichères et arboricoles à différents stades de croissance.
 Agrimap : Engrais acidifiant destiné aux stades de démarrage et de croissance,
riche en phosphore et en azote ammoniacal.
 NPK : Trois formules régionales d’engrais NPK destinées à soutenir la
productivité du blé dans les régions : Gharb/Saiss, Chaouia/Tadla et Doukkala.
 Compléments d’aliment pour bétail et volaille
 Phosphate monocalcique (MCP)
 Phosphate bicalcique (DCP)



Pour procéder à la fabrication de tous ces éléments, l'OCP doit être bien organisé, et
ceci en étant divisé en plusieurs divisions qui sont-elles mêmes composées de différents
services et ateliers, l’ensemble de ces parties constitue le pôle industriel du groupe dont fait
partie l’usine Maroc Phosphore Safi.

III. Description du Pôle Industriel : Maroc Phosphore Safi

Premier site chimique du Groupe OCP, le complexe de Safi a démarré en 1965 pour
valoriser les phosphates de Gantour (région de Yousoufia). Il se compose de quatre
divisions: Maroc Chimie, Maroc Phosphore I, Maroc Phosphore II et la division
infrastructure portuaire qui assure l’importation des matières premières et l’exportation des
produits finis.

III.1. Maroc Chimie (IDS/PC)

La division Maroc Chimie, créée en 1965, est destinée à la valorisation des phosphates
et la production de l’acide phosphorique et les engrais TSP. Elle se compose de deux ateliers
de fabrication d'acide sulfurique, deux ateliers de fabrication d'acide phosphorique et trois
unités d’engrais.

III.2. Maroc Phosphore I (IDS/PP)

Pour faire face à la concurrence mondiale, la division Maroc Phosphore I s’engage à
satisfaire les exigences de ses clients en termes de qualité, quantité et délais, elle produit
deux qualités d’acide phosphorique : normal et désulfaté.

MPI comporte quatre ateliers principaux :

 Atelier énergie et fluides
 Cet atelier traite l’eau douce (eau de barrage) avec une capacité de 1.000 m3/h ;
 Station de pompage d’eau de mer d’une capacité de 18.000 m3/h ;
 Trois groupes turboalternateurs de puissance 43.2 MW.
 Atelier sulfurique
Il a été mis en place pour produire l’acide sulfurique nécessaire à l’attaque du
phosphate. Il est constitué de :



 Une unité de fusion et de filtration de soufre de capacité 536 t/h ;
 Quatre lignes de production d’acide sulfurique de capacité unitaire 1.500 t/j.
 Atelier phosphorique
Il dispose de quatre lignes : A, B, D et F dont le rôle est la production de l’acide
phosphorique, selon deux procédés différents:
 Nissan (lignes A, B, D) ;
 Rhône-Poulenc (ligne F).

La division comporte aussi un parc de stockage d’acide phosphorique et une unité
d’expédition du produit fini (trains).
L’ensemble des ateliers de Maroc Phosphore I est schématisé dans la figure 1.1:

Energie ONE

Fuel
Centrale
Traitement
Eau thermique
douce des eaux

Eau de
mer

Atelier Production
soufre liquide et
Stockage acide
acide sulfurique
Soufre phosphorique

Atelier production
acide

Phosphate phosphorique

Figure 1.1 : Schéma de Maroc Phosphore I



III. 3. Maroc Phosphore II (IDS/PM)
Cette entité a pour rôle de valoriser le phosphate humide provenant de Benguerir. Pour
cela, elle dispose d’une laverie de phosphate, de deux ateliers sulfurique et phosphorique
ainsi que d’une centrale électrique.

III.4. Infrastructure portuaire de Safi (IDS/PI)

Cette division, située au niveau du port, a pour activité la réception des matières
premières et le chargement du phosphate et ses dérivés destinés à l’exportation.

 Matières importées : soufre solide.
 Produits exportés : L’acide phosphorique, les engrais TSP et le phosphate brut.
Comme indiqué précédemment, la production de l'acide phosphorique dans la
division MPI suit soit le procédé Nissan soit le procédé Rhône-Poulenc, la différence entre
ces deux procédés repose sur le matériel utilisé ainsi que les étapes suivies.

IV.Procédés de fabrication de l'acide phosphorique
IV.1. Procédé Nissan

Dans le procédé Nissan, nous faisons intervenir les étapes suivantes :

 Broyage ;
 Réaction-Filtration-Désulfatation ;
 Concentration d’Acide Phosphorique (CAP) ;
 Stockage d’acide phosphorique.

 Broyage
Le phosphate provenant de Youssoufia est stocké dans le hall de stockage. Il est
ensuite soutiré à travers trois tunnels pour être transporté par des bandes alimentant les
lignes A, B et D. Ensuite, il alimente une trémie ayant une forme cylindrique à fond
conique. Par le biais d’une bascule intégratrice, le phosphate est acheminé vers le broyeur.
Le phosphate brut est repris du tube broyeur à l’aide de l’air de circulation produit par le
ventilateur exhausteur et séparé en fonction de la granulométrie dans le séparateur
dynamique. L’excès d’air du circuit de broyeur est dirigé vers les filtres à manches pour
récupérer les fines particules ayant échappées au cyclonage (figure 1.2).



Figure 1.2 : Schéma de l’unité broyage

 Réaction /Filtration/Désulfataion

Réaction

L’unité de réaction d’acide phosphorique (figure 1.3) est conçue pour l’attaque du
phosphate par l’acide sulfurique par voie humide. Chaque ligne comporte les équipements
suivants : deux pré-mélangeurs, deux digesteurs, quatre cristalliseurs et un laveur Korting.

Figure 1.3: Schéma de l’unité réaction



Pré-mélangeurs: C'est un réacteur bien agité de capacité de 10 m3 qui contient la
bouillie composée du phosphate broyé, de l'acide sulfurique concentré à 98% et de l'acide de
retour H3PO4 à 20% en P2O5. Son rôle est de transformer le phosphate tricalcique en
phosphate monocalcique selon la réaction suivante :
Ca3(PO4)2 + 4H3PO4 3 Ca(H2PO4)2

Durant cette réaction la température s'élève à 85°C.

Digesteurs: Ce sont deux cuves agitées et identiques de capacité de 100 m3 dans
lesquelles se déroulent les réactions suivantes :

Les réactions principales :

Ca3(PO4) + 4H3PO4 3Ca(H2PO4)2
Ca(H2PO4)2 + H2SO4 + ½ H2O 2H3PO4 + (CaSO4, ½ H2O)

Les réactions secondaires:

CaCO3 + H2SO4 + ½ H2O (CaSO4, ½ H2O) + CO2 + H2O
H2SiF6 2HF + SiF4
(CaSO4, ½ H2O) + 3/2H2O (CaSO4, 2H2O)
SO3 + H2O H2SO4

La température de la bouillie est de 90°C dans la première cuve et 95° dans la
deuxième et le temps de séjour de la bouillie dans ces deux cuves est d’environ 50 min.
Laveur Korting: Les gaz produits lors de la réaction sont éliminés du digesteur grâce
à une dépression créée par l'eau de mer, cette dernière sert aussi au lavage de ces gaz et cela
se fait dans le laveur Korting. Les gaz aspirés subissent une douche par l'eau de mer, ceux
qui sont solubles dans l'eau sont rejetés dans la mer alors que ceux qui ne le sont pas sont
saturés par l'eau et rejetés dans l'atmosphère.
Cristalliseurs: La bouillie qui sort de la deuxième cuve de digestion est composée
essentiellement d'acide phosphorique, d'acide sulfurique et de gypse sous forme semi-
hydratée (CaSO4, ½ H2O). A ce stade, s'effectue la transformation de l’hémi-hydrate en
dihydrate par refroidissement de la bouillie avec l'air apporté à l'aide d'un ventilateur. La



cristallisation se fait dans quatre cuves appelées cristalliseurs de capacité identique et égale à
750 m3, les cuves sont agitées, disposées en série, reliées par des rigoles et destinées à
refroidir la bouillie pour favoriser la formation du gypse dihydrate.

La température dans les cristalliseurs est :
- Cristalliseur I : 65°C
- Cristalliseur II : 60°C
- Cristalliseur III : 57°C
- Cristalliseur IV : 55°C
La bouillie passe environ 2h30min dans chacun des cristalliseurs.

Filtration

Le but de la filtration est la séparation de la phase liquide (acide) et de la phase solide
(gypse ou gâteau).
La bouillie sortante du quatrième cristalliseur est dirigée vers un distributeur à l'aide
d'une pompe pour être acheminée par gravité vers le filtre UCEGO (figure 1.4).

Figure 1.4 : Schéma de l’unité filtration



Filtre UCEGO: C'est un filtre de forme ronde, il représente l'élément le plus
important de l'installation, il nous permet de connaître le rendement en P2O5 du procédé. Le
filtre est constitué d'un plateau mobile qui renferme plusieurs tuyaux collecteurs pour les
filtrats provenant de la table filtrante et d'un plateau fixe qui comprend des compartiments
dans lesquels nous recueillons les différents filtrats. La table du filtre est constituée de six
secteurs :
 Pré secteur ;
 Secteur acide fort ;
 Secteur acide moyen ;
 Secteur acide faible ;
 Lavage des toiles ;
 Extraction du gypse.
o Pré-secteur : La bouillie tombe directement sur les toiles filtrantes, la zone où il n’y a
pas encore formation du gâteau, le filtrat plein du solide passe pour rejoindre l’acide
de retour.
o Secteur acide fort : A ce stade, le filtrat recueilli a une teneur de 30% en P2O5, nommé
acide fort, est aspiré vers le séparateur d’acide puis repris par une pompe et envoyé
vers le stockage.
o Secteur acide moyen : Le gâteau formé après filtration de l’acide fort contient des
quantités importantes de P2O5, c’est pour cela le lavage du gâteau est indispensable.
Le lavage est réalisé à contre-courant par l’acide faible (6 à 8%).Le filtrat, après cette
opération, enrichi jusqu’à une teneur de 18 à 20% en P2O5, est mélangé avec l’acide
du pré-secteur puis repris par une pompe et renvoyé vers le pré-mélangeur.
o Secteur acide faible : Le gâteau du gypse contient toujours de P2O5, un deuxième
lavage est fait par l’eau gypseuse. Cette opération permet d’extraire le maximum
d’acide produit. Le filtrat obtenu contient 6 à 8% en P2O5 est refoulé vers le premier
lavage.
o Extraction du gypse : L’évacuation du gypse est effectuée en continu par un dispositif
d’extraction constitué d’une vis sans fin, faisant tomber le gâteau dans un entonnoir à
gypse où il est entraîné par l’eau de mer, puis évacué vers l’égout.
o Lavage toiles : La couche mince du gypse qui n’a pas été extrait par la vis, est lavée
par l’eau filtrée.



o Séchage toiles : Après l’opération de lavage, l’eau est renvoyée vers le bac d’eau
gypseuse.

Désulfatation
Une certaine teneur en acide sulfurique libre dans la bouillie du phosphate est
nécessaire pour le processus de cristallisation du gypse et d’hydratation des cristaux.
L’expérience montre qu’un excès en acide sulfurique libre de 3 à 4% dans le filtrat de la
bouillie garantit une hydratation optimale, une croissance parfaite des cristaux et un degré
d’attaque important. Du fait que la concentration du filtrat d’acide 30% en P2O5 à 54% en
P2O5 augmente forcément la teneur en acide sulfurique d’environ 6 à 7%, une désulfatation
est nécessaire. Cette dernière consiste en la réduction de l’acide sulfurique libre dans l’acide
phosphorique et elle est effectuée actuellement, après la filtration, dans un réacteur à l’aide
du phosphate broyé. L’acide désulfaté passe par la suite dans un décanteur pour être clarifié.

N.B : Il est à noter qu’auparavant la désulfatation s’est effectuée avant la filtration.

 Unité concentration d’acide phosphorique

La concentration consiste à augmenter la teneur de l’acide en P2O5 de 30% à 54% ou
de 54% à 60% en faisant évaporer une quantité d’eau contenue dans l’acide 30% ou 54%.
L’ébullition se fait dans un bouilleur sous vide à 80 mm Hg et à une température de 80°C.
La dépression est créée par une unité à vide qui est constituée principalement d’éjecteurs et
de laveurs.

Description du circuit acide dans un échelon: Une pompe de circulation refoule
l’acide à travers une pipe vers l’échangeur pour le chauffer, puis il pénètre tangentiellement
dans le bouilleur pour favoriser la séparation gaz liquide. Sous une dépression de 80 mm Hg,
la température d’ébullition d’eau devient seulement 80°C, la vapeur d’eau et les gaz sont
aspirés par l’unité à vide.

Dans les deux premiers échelons, l’acide produit a une teneur de 46% en P2O5, pour le
concentrer jusqu’à 54% nous le faisons passer dans le troisième échelon.

Les trois échelons constituent une ligne de concentration, ils sont identiques et
fonctionnent sous le même principe. Chaque échelon (figure 1.5) est équipé d’un bouilleur,



d’une pipe, d’un échangeur et de trois pompes : pompe de circulation, pompe à condensat et
pompe transporteuse.

Incondensable Grand laveur
Eau de mer (Condenseur)
Vapeur Coude DN 900
4,5 bars

Colonne DN 900

GAZ
2 petits
laveurs

Pot
Bouilleur
Conduites Conduite
500
DN 100

Coude 800

Comp. 800

Porte
visite
Cône
inclinée
supérieur
Entrée
Vapeur
Garde hydraulique 0,75 bar
Échangeur de
chaleur
ACP produit 54 ou 58% Colonne 800 Sortie
condensat
Compensateur
Appoint ACP 30 ou 52% Cône
DN 600 DN 800 inférieur

Pompe de circulation

Pipe

Figure 1.5 : Schéma d’un échelon de concentration



 Description de l’unité à vide :

Elle a pour but le lavage des gaz issus de la concentration et la création d’une
dépression au niveau du bouilleur pour diminuer la température d’ébullition d’eau. Elle est
constituée de:

Un grand laveur : Dans lequel l’eau de mer entre tangentiellement pour la création
d’une dépression qui va aspirer les gaz au niveau du bouilleur.

Deux petits laveurs : Les gaz, qui ne sont pas lavés par le grand laveur, sont
introduits par des éjecteurs. L’eau de mer qui entre du haut du petit laveur va absorber une
partie des gaz, l’autre partie sera éjectée dans un pot pour le lavage final.

Un pot: C’est une petite cuve dont le but est le lavage final et la diminution du bruit
des gaz.

Quatre éjecteurs : Leur but est d’augmenter la vitesse d’entraînement des gaz et de
créer par conséquent une dépression très importante au niveau du bouilleur.

Garde hydraulique: Elle rassemble l’eau de lavage issue des quatre appareils afin de
la mélanger avec le gypse (résultat de la filtration) pour faciliter son écoulement vers la mer.

 Unité stockage/expédition

Stockage d’acide phosphorique: La concentration entraîne un accroissement de la
teneur en matière solide avant que l'acide ne soit introduit dans les réservoirs de stockage, la
teneur en matière solide doit être abaissée en dessous de 0,5% par une clarification
appropriée. Les matières solides qui se déposent sont transportées sous forme de boue qui
est ramenée vers les digesteurs de la réaction. Le refroidissement de l'acide clarifié chaud est
effectué dans deux échangeurs de chaleur installés en série et refroidis à l'eau de mer.
L'acide refroidi est stocké dans deux réservoirs froids, un système de raclage et des pompes
de circulation y empêchent un dépôt de matière solide.

L’unité de stockage est schématisée dans la figure 1.6 :



ACP 58% Clarifié vers Stockage final ACP 54% Clarifié Froid vers Stockage final
U33
Arrivée Bac à boues
boues Boues
04DT03 04AT03 04BT03 des vers RF
bacs
5 000 m3 5 000 m3 5 000 m3
Bâtiment Administratif

ACP 54% Froid Clarifié
ACP 58% Froid
Clarifié

03BT05 03AT05 04AT02 04BT02 04DT02 03DT03

1 500 m3 1 500 m3 1 500 m3 1 500 m3 1 500 m3 1 500 m3

ACP 58% Froid

Refroidisseurs

ACP 58%
Chaud

03DT05 04DT01 04AT01
Vue
04BT01 03AT03 03BT03
panoramique :
1 500 m3 1 500 m3 1500 m3 1500 m3 1 500 m3 1 500 m3
OCP SAFI

Arrivée ACP 58% ACP 52%Vers échelon Arrivée ACP 52% Arrivée ACP 30%
Produit par l'échelon de ACP 30%
produisant ACP 58% Produit par l'échelon de concentration
concentration Vers les unités de
concentration
Produit par les lignes Réaction Filtration

Figue1.6 : Schéma du stockage de l’acide phosphorique

Expédition d’acide phosphorique: Elle est composée de deux voies ferrées de
chargement. Chaque voie est munie de 3 lignes A, B, D. Chaque ligne est constituée d’une
jupe de raccordement avec les sous rames. Le chargement se fait par gravite et à partir de
Maroc Phosphore II et Maroc Chimie le chargement se fait par des pompes. Il y a 2-3 rames
/ poste, la rame se compose de 17 à 19 wagons.

Le schéma de l’expédition est illustré dans la figure 1.7 :



U33

04XT04 OU

04XT05

Rampe principale d'alimentation DN 400

Vanne à papillon DN Vanne à papillon DN
Débitmètre
200 200 LD
Vanne pneumatique Vanne DN 50 de Vanne DN 200
Flexibl désaérage
Vanne Flexible
e Jupe Trou DN 250 Vanne DN 50
Jupe Jupe LA raccordement
LD d'homm de désaérage
LB citernes
e d'alime
Machine Citern
ntation
e
Vanne de vidange DN 80

Figure 1.7 : Schéma de l’expédition de l’acide phosphorique

IV.2. Procédé Rhône-Poulenc

Le procédé Rhône-Poulenc est reconnu mondialement (utilisé dans 26 pays). Au
Maroc, il est utilisé en dix unités dont deux à Safi et huit à Jorf Lasfar. Maroc Phosphore I
dispose d’une ligne de production d’acide phosphorique selon ce procédé.
Cette ligne dispose des unités suivantes : l'unité broyage, l'unité réaction, l'unité
filtration et l'unité de concentration.

 Unité broyage
Le broyage est une opération qui consiste à fragmenter le phosphate en petits grains de
granulométrie de 400µm et d’augmenter sa surface d’attaque qui a une influence importante
sur le rendement de la réaction.

 Unité réaction
Le phosphate broyé est mis en réaction avec H2SO4 et l’acide de retour (acide
phosphorique moyen de18 à 22% en P2O5) en milieux aqueux à une température de 78 à
80°C. La réaction d’attaque s’effectue dans une cuve d’attaque munie d’un agitateur central
(figure 1.8).
Cette réaction est exothermique, un refroidissement s'impose pour éviter toute
formation de semi-hydrate au-delà de 80°C. Opération assurée par un balayage de l'air à la
surface libre de la cuve. L'échange thermique est réalisé par contact direct entre l'air frais et



la bouillie projetée en gouttelettes par des agitateurs à double vis hélicoïdale. La chute des
gouttelettes casse mécaniquement les mousses qui se forment à la surface. Les gaz résultant
de la réaction sont aspirés par un ventilateur d'assainissement à travers un venturi et une tour
cyclonique. La bouillie obtenue dans le réacteur est transférée par débordement dans la cuve
de passage.

Figure 1.8: Schéma de l’unité de réaction du procédé Rhône-Poulenc

 Unité filtration
Le but de la filtration est de séparer l'acide phosphorique produit lors de l'attaque du
gypse, ceci se fait sur un filtre BIRD-PRAYON. Ce dernier est composé de plusieurs
secteurs:
Le pré secteur : il est prévu pour éviter la dilution de l'acide produit par l'eau
d'imprégnation des toiles. L'acide venant du pré-secteur est mélangé avec l'acide moyen.

Le secteur d'acide fort : alimenté par la bouillie venant de la cuve de passage par
l'intermédiaire des nacelles qui répartissent le liquide sur toute la surface.

Le secteur d'acide moyen: le solide sortant du secteur fort contient une quantité
importante de P2O5 ce qui représente une perte considérable en P2O5 si nous pouvions



effectuer un lavage efficace du gâteau par l'acide faible, l'acide moyen résultant est envoyé
vers la cuve d'attaque.

Le secteur d'acide faible et d'essorage: Le gâteau subit un lavage à l'eau gypseuse
pendant son parcours dans ce secteur. L'acide produit est alors un acide faible qui sert au
premier lavage.

Le secteur de lavage de toiles: Le gypse sortant de secteur faible est évacué dans la
trémie à gypse. Celui-ci est mélangé avec de l'eau de mer et est acheminé vers la mer.

 Unité concentration
La concentration Rhône-Poulenc consiste en un chauffage indirect de l'acide suivi
d'une évaporation sous vide, c’est le même principe que celui des lignes Nissan. Ceci est
réalisé dans deux échelons de concentration CAP X et Y.

V. Conclusion

Cette description du groupe OCP et ses activités nous a permis d'une part d'avoir une
idée générale sur le rôle des différentes unités de production de l'acide phosphorique au sein
de la division MP1 et d’autre part de donner au lecteur une vision claire sur le procédé de
fabrication afin qu’il puisse mieux suivre notre travail.

Le prochain chapitre concernera une étude bibliographique qui portera sur tous les
éléments nécessaires pour traiter l'ensemble du sujet.



CHAPITRE 2

Etude bibliographique



I. Introduction

L’objectif de notre sujet est la réduction des sulfates libres (%H2SO4) présents dans
l'acide phosphorique et qui sont des impuretés comme beaucoup d'autres présentes dans cet
acide, c'est pourquoi ce chapitre contiendra une présentation de différentes impuretés y
compris les sulfates libres existants dans la roche de phosphate et l’acide phosphorique, ainsi
que les différentes opérations nécessaires à la réduction ou voir même la suppression de ces
impuretés.

II. Composition et impuretés du phosphate et de l'acide phosphorique
II.1.Composition du phosphate et de l'acide phosphorique

Les analyses des différents essais au laboratoire central de Maroc Chimie, pour la
période de 01 Janvier 2012 au 15 Février 2012, nous ont permis d’estimer les teneurs en
éléments essentiels dans l’acide produit et le phosphate brut G10 (Phosphate de Youssoufia)
utilisé actuellement par Maroc Phosphore I. Les différents résultats sont donnés dans le
tableau 2.1 :

Phosphate G10 Acide 30%P2O5 Acide 54%P2O5
Elément Acide 30%P2O5
(brut) clarifié
CaO (%) 48 - - -
H2O(%) 4 - - -
CO2 (%) 5,80 - - -
SiO2 (%) 7,57 - - -
H2SO4 (%) - 2,48 2,20 3,09
MgO (%) 0,62 0,74 - 1,51
Cd (ppm) 8,40 - - -
M.org (%) 2,06 - - -

- : Non communiqué

Tableau 2.1: Composition représentative du phosphate brut G10 et de ses acides
30% et 54% P2O5



II.2.Impuretés dans l'acide phosphorique

L’acide phosphorique produit contient une grande variété d’impuretés qui nécessite
des traitements physico-chimiques pour éliminer les plus nuisibles. Afin de connaître ces
impuretés, nous présentons tout d’abord la composition de différentes qualités de phosphate
brut traitées au niveau de Maroc Phosphore I (tableau 2.2).

Elément Y1 design Y1 exploitation Y2 Y23 Y21 Y1C
CaO (%) 51,77 51,02 53,89 52,63 51,97 50,40
SO3 (%) 1,47 1,58 2,38 2,55 1,82 1,59
CO2 (%) 5,88 5,89 3,69 3,89 4,74 5,11
F - (%) 4,15 3,92 4,02 3,92 4,17 3,46
SiO2 (%) 2,94 3,81 1,14 3,64 3,82 5,34
MgO (%) 0,3 0,56 0,49 0.74 0,65 0,63
Al2O3 (%) 0,49 0,45 0,29 0,32 0,4 0,48
Na2O (%) 0,77 -- -- -- 0,94 1,04
K2O (%) 0,08 -- -- -- 0,07 0,06
Cl - (ppm) 250 240 235 240 300 --
%M.org 0,01 2,08 0,25 0,36 -- 0,15
%Humidité 1,1 2,47 1,14 0,24 0,43 1,5
Cd (ppm) -- -- -- -- -- 12,58
As (ppm) -- -- -- -- -- 6,37

Tableau 2.2: Analyse des impuretés des différentes qualités du phosphate brut de
Youssoufia

Depuis le démarrage de l’atelier Nissan, les principales qualités de phosphates utilisées
sont : Y1, Y2, Y23, Y21 et Y1C [3].

 Le phosphate Y1 de design :

L’atelier Nissan est destiné à la production de l’acide phosphorique concentré 30%
P2O5 à partir du phosphate clair de Youssoufia Y1.



 Le phosphate Y1 d’exploitation :

Le phosphate Y1 d’exploitation, utilisé de 1976 à 1989, a un comportement différent
de celui du design suite à des écarts enregistrés au niveau de certains éléments constitutifs,
notamment : P2O5 et CaO.

L’exploitation de cette qualité a connu des difficultés de fonctionnement du procédé
de la désulfatation comme le bouchage des cônes des décanteurs et les problèmes des
pompes à vis utilisées pour le soutirage des boues.

 Le phosphate Y2:

Ce phosphate est utilisé suite à l’épuisement du phosphate Y1. Cette qualité est
calcinée et difficilement broyable, en plus, ce phosphate a une faible réactivité en
comparaison avec le phosphate Y1 utilisé auparavant.


Pour corriger le phosphate Y2 notamment en % SiO2, en % Al2O3 et en % Fe2O3, des
investigations ont été envisagées en vue de remplacer Y2 par un autre phosphate permettant
d’améliorer les performances de la réaction filtration. Les investigations ont abouti à
l’utilisation d’une nouvelle qualité dite Y23 (qualité obtenue en mélangeant 90% du
phosphate Y2 et 10% de la couche C3 de Benguerir).


Compte tenu des difficultés présentées par le phosphate Y23 et particulièrement
l’encrassement des équipements et circuits, le pôle chimie de Safi, les responsables de
Maroc Phosphore I et le pôle mine de Youssoufia ont mis au point un nouveau phosphate
permettant d’améliorer la productivité des lignes et d’éviter les problèmes cités. Ce
phosphate est obtenu en faisant un mélange des phosphates Y2 et Y1 (60% Y2 et 40% Y1).
Cette qualité est utilisée depuis 2001.

 Le phosphate Y1C:

Depuis la fin de l’exercice 2005, le phosphate Y1C est utilisé au niveau des unités de
réaction de MPI, ce phosphate est composé du phosphate clair et du phosphate clair calciné.



Les impuretés citées précédemment au niveau de l'acide peuvent provenir de diverses
sources et ont des influences différentes comme le montre le paragraphe ci-après.

III. Sources et influences des impuretés dans l'acide phosphorique
III.1.Sources d’impuretés de l’acide phosphorique

 Sources primaires

Les études effectuées sur les impuretés de l’acide phosphorique montrent que la roche
de phosphate naturel est leur principale source. En effet, cette roche est constituée en
proportions variables par un mélange complexe formé d’une cinquantaine d’éléments
chimiques tels que la fluoropatite, quartz SiO2, carbone sous forme de CaCO3 et de matières
organiques, métaux et d’autres substances comme : CaO, SO3, SiO2, Al2O3, K2O, Na2O,
CO2, etc.

 Sources secondaires

Ces impuretés ont pour origine soit les additifs chimiques tels que : les dispersants, les
antimoussants, les agents de floculation et de conditionnement, soit l’acide sulfurique et
l’eau de procédé qui introduisent de faibles quantités d'impuretés tel que : Fe, Al, Si, etc.

Nous citons aussi la corrosion, l’abrasion et l’érosion des équipements qui introduisent
essentiellement le fer comme impureté.

III.2. Influence des impuretés de l’acide

La présence des impuretés dissoutes dans l’acide phosphorique a des effets néfastes
sur sa qualité. Toutefois ces impuretés peuvent avoir des effets bénéfiques sur le procédé de
fabrication d’acide phosphorique. Le tableau 2.3 résume l’effet des principales impuretés
contenues dans l’acide phosphorique :



Afin d'éliminer les impuretés nuisibles dans l'acide phosphorique, nous procédons par
la purification de l'acide qui consiste en des opérations physico-chimiques qui réduisent ou
suppriment ces impuretés.

IV. Purification de l'acide phosphorique
IV.1.Raisons de la purification de l’acide phosphorique

L’utilisation de l’acide phosphorique dans les différents domaines exige des qualités
d’acide qui respectent les normes en vigueur dans chaque domaine. C’est ainsi que :

 Pour les engrais solides, sauf exception, nous ne purifions pas l’acide.
 Pour les engrais liquides (ou en suspension), nous devons éviter les précipités
dans la fabrication (en particulier des solutions de polyphosphate d’ammonium). Il
faut donc enlever la grande partie des impuretés fluorées et métalliques.
 Pour les détergents, nous devons éliminer la mauvaise couleur. Dans ce cas il est
recommandé de purifier le phosphate et l’acide.
 Pour les usages techniques, telle que la métallurgie, nous devons utiliser un acide
bien purifié en métaux, dont notamment le plomb.
 Pour l’agro-alimentaire et pour les usages pharmaceutiques, nous devons avoir un
acide très pur.

IV.2.Procédés de purification d’acide phosphorique à l’OCP

L’élimination des impuretés se fait par différentes opérations physico-chimiques de
traitement d’acide phosphorique :

 La décadmiation : elle consiste à réduire la teneur en Cd par ajout d’acide
sulfurique à 98% H2SO4 ;
 La défluoration : l’objectif de cette opération est la réduction de la teneur en fluor
par ajout de la silice ;
 La désarséniation : elle consiste en la précipitation de l’arsenic sous forme de
sulfure. L’agent de précipitation utilisé est une solution d’hydrosulfite de sodium
(Na, HS) ayant un titre en NaHS de 30% poids. Cette solution est préparée par
dissolution de NaHS solide dans l’eau.



 La désulfatation : elle est réalisée dans un réacteur agité qui est chauffé à 90°C, elle
consiste à réduire la teneur en acide libre (%H2SO4) par l’ajout de phosphate broyé.
Cette désulfatation est suivie d’une opération de décantation qui consiste à séparer
l’acide désulfaté des boues formées après l’ajout de phosphate.

IV.3.Décantation

La décantation est une opération unitaire, parmi les techniques de séparation liquide-
solide, basée sur le phénomène de sédimentation, qui consiste à séparer d’un liquide les
particules en suspension en utilisant les forces gravitaires. Les procédés mis en œuvre
diffèrent selon que nous recherchons seulement à augmenter la concentration des solides
(épaississage) ou que nous visons à obtenir un liquide clair à partir d’une suspension diluée
(clarification).

La sédimentation est réalisée sur différents types de matières solides en suspension,
parmi lesquelles nous pouvons distinguer deux comportements opposés : celui des particules
grenues, qui décantent indépendamment les unes des autres, et celui des particules plus ou
moins floculées, qui ont des vitesses de chute variables, en fonction de la taille des flocs et
de leur abondance [5].

La théorie de la décantation et la procédure de dimensionnement des appareils tiennent
compte de ces considérations.

IV.3.1.Théorie de décantation

Il existe plusieurs théories de décantation dont la plus connue est la théorie de Kynch.

IV.3.2.Théorie de Kynch

En 1952, Kynch proposa la théorie suivante : la vitesse de chute de particules rigides
en sédimentation libre ne dépend que de la concentration locale en solide de la suspension.
Elle est une fonction décroissante de la concentration en solide. Les particules de même
dimension, de même forme et de même masse volumique sont équitombantes et leur
concentration est uniforme pour chaque niveau de la colonne de sédimentation.



Ainsi, à partir des essais en éprouvette, Kynch traça le diagramme (h, t) (figure 2.1)
en mesurant la concentration des matières en suspension dans l’éprouvette dans les
différents temps.

Figure 2.1: Courbe de sédimentation (h,t)

A t0 l’éprouvette, de hauteur h0, est remplie de la suspension initiale de concentration
en matières solide C0. Dès que les particules commencent à sédimenter, à un certain temps
t1, nous visualisons l’apparition d’une interface de hauteur h1 entre la phase liquide et la
phase solide. Cette interface descend au fur et à mesure jusqu’à atteindre une hauteur limite
h3. Avec cette courbe, Kynch a défini quatre phases de décantation.

Phase AB : phase de décantation GRENUE

La décantation des particules discrètes est caractérisée par conservation de leurs
propriétés physiques initiales (forme, dimension, densité) au cours de leur chute. La vitesse
de chute est indépendante de la concentration en solide c'est pour cette raison que nous
pouvons appliquer la loi de stocks pour déterminer cette vitesse. Pour qu'une particule chute
il faut que sa vitesse augmente jusqu'à ce que les forces de décantation (poids) équilibrent
les forces de frottement. Considérons les forces agissantes sur une particule isolée dans un
liquide :

Figure 2.2 : Forces agissantes sur la particule



D’après la figure 2.2, la particule en suspension est soumise à trois forces: G, la
pesanteur : F, la réaction I: l'inertie.

Phase BC : phase de sédimentation diffuse ou de coalescence (flocon)

Ce type de décantation est caractérisé par l’agglomération des particules, c'est la phase
de sédimentation diffuse ou de coalescence, c'est une partie rectiligne qui traduit une vitesse
de chute constante. Les propriétés physiques de ces particules (formes, dimensions, densité)
sont donc modifiées et la concentration initiale de matières en suspension C0 a un rapport
avec la vitesse de chute. Nous trouvons ce type de décantation dans les décanteurs de
traitement des eaux et dans les décanteurs secondaires des usines d'épuration.

Phase CD: phase de décantation freinée

Elle est relative à une décantation globale d'un ensemble de particules qui ont une
concentration très élevée, ce qui entraîne la formation d'une couche de particules suspendue
en matières en suspension, c'est la sédimentation en piston, à ce stade nous assistons à un
ralentissement de la vitesse de chute des particules. Ce type de décantation existe dans la
partie profonde du décanteur.

Phase DE : phase de décantation en compression des boues

Au point D de la courbe, les particules sont très proches les unes par rapport aux
autres, elles entrent en contact et exercent une compression et reposent sur les couches
inférieures, dans cette zone, le phénomène de consolidation est relativement lent, ce qui
entraîne une vitesse de chute presque nulle.

Remarque : Il faut noter que la transition entre les différentes phases se fait de
manière continue et le classement qui vient d’être proposé constitue une simplification pour
mieux les caractériser.

Après avoir parlé de la théorie de décantation, nous allons présenter dans le
paragraphe suivant les types de suspensions rencontrés dans la décantation.

IV.3.3.Types de suspensions en décantation

Selon la concentration en volume des solides, nous distinguons deux types de
suspension :



 Suspensions diluées

Lorsque la concentration en volume des solides en suspension est inférieure à 0,5 %,
nous considérons que les particules sont suffisamment éloignées les unes des autres et que,
de ce fait, chacune d’entre elles sédimente comme si elle était isolée dans le liquide

 Suspensions concentrées

Dès que la concentration volumique en solides devient élevée (> 0,5 %), les
interactions entre particules ne sont plus négligeables. Les particules adhèrent entre elles et
la masse décante en piston avec une interface nette entre les boues et le liquide surnageant.

Théoriquement, pour calculer la vitesse de sédimentation, il faut faire intervenir la
masse volumique et la viscosité équivalente de la suspension.

IV.3.4.Vitesse de sédimentation des particules dans un liquide

La théorie de la sédimentation de solides fins dans un liquide, qui obéit à la loi de
Stokes, montre que la vitesse de chute d’une particule est proportionnelle à la différence des
masses volumiques entre la particule et le liquide et au carré de la dimension de la particule.

La loi de Stocks, en régime laminaire, s’écrit Ulim = 0,545. (sf).f1.d2

Avec Ulim : vitesse limite de chute

f,s : les masses volumiques du fluide et solide respectivement

f : viscosité dynamique du fluide

d : diamètre d’une particule sphérique

En conséquence, tout phénomène susceptible d’augmenter le diamètre des particules
favorise la sédimentation de façon très significative, de sorte que la floculation est devenue
une partie intrinsèque de la sédimentation. La plupart des matériaux en suspension dans un
liquide sont naturellement floculés et, de ce fait, peuvent être concentrés par sédimentation.

IV.3.5.Exemples des équipements de décantation

Il existe plusieurs types des équipements de décantation dont le choix tient compte de
plusieurs considérations, notamment de la concentration de la suspension (suspension



diluée, suspension concentrée), de la dimension et de la nature des particules (particules
grenues, floculées...), de la fonction recherchée (clarification, épaississage), des débits à
traiter, etc. Dans ce paragraphe nous allons présenter deux types de décanteurs : Les
décanteurs circulaires classiques pour mieux comprendre le mécanisme de décantation à
l’échelle industrielle et les décanteurs à contact de boues comme ceux utilisés dans MPI.

 Décanteurs circulaires classiques

Les décanteurs circulaires classiques (figure 2.3) comportent plusieurs éléments:

Figure 2.3: Schéma d’un décanteur circulaire classique

- Une cuve avec une goulotte périphérique pour recueillir la surverse, qui est évacuée
par débordement, et un orifice central ménagé à sa base pour évacuer les sédiments ;

- Une chambre d'alimentation consistant en un cylindre recevant la pulpe à traiter. Elle
peut être pourvue de dispositifs servant à la floculation ;

- Un mécanisme de raclage, dont le rôle est d'entraîner les solides décantés vers
l'orifice d'évacuation par un mouvement de rotation lent des râteaux. Le mécanisme de
raclage est entraîné par une tête de commande située sur la colonne centrale ou sur une



poutre reposant sur la cuve, ou encore par un chariot roulant sur le bord de la cuve, qui
entraîne une poutre dans un mouvement circulaire communiquant elle-même le mouvement
de rotation à la colonne centrale.

 Décanteurs à contact de boues

L'obstacle majeur à une bonne décantation est la mauvaise floculation des particules
(trop faible, ou trop forte d'où une viscosité élevée).

Le principe de ces appareils vise à favoriser la formation de particules plus grosses,
qui décantent plus rapidement, en mélangeant des boues déjà décantées à la suspension à
décanter, nous distinguons quatre types de décanteurs à contact de boues :

 Le décanteur à lit de boues, qui fait circuler le liquide de bas en haut à travers
la masse de boue formée par floculation. Nous récoltons en surface le liquide
clarifié par son passage à travers le lit de boues.
 Le décanteur lamellaire, fonctionne selon le même principe que le précédent
mais la présence des compartiments lamellaires augmente la surface de
décantation considérablement et permet des installations plus compactes.
 Le décanteur à recirculation de boues, où les boues sont recyclées. Après
prélèvement du liquide clarifié, elles sont mélangées avec la nouvelle
suspension à traiter avant d'être à nouveau laissées en décantation. Ce
décanteur est le même utilisé au niveau de l’atelier phosphorique de MP1
 Le décanteur-épaississeur, qui est composé d'un décanteur à recirculation de
boues externes et d'un système de décantation lamellaire. Les boues extraites
sont déshydratées sans épaississeur intermédiaire [6].

V. Conclusion

Cette revue de littérature nous a permis de mettre l’accent sur les différentes
impuretés susceptibles de nuire à la qualité de l’acide phosphorique parmi lesquelles les
sulfates libres. Par la suite, nous avons abordé l’opération de désulfatation-décantation qui
permet d’éliminer les sulfates libres et les boues pour avoir un acide désulfaté et clarifié, et
qui servira de base pour le chapitre suivant.



CHAPITRE 3

Bilan matière autour de l’unité désulfatation

&

Capacité maximale de désulfatation



I.Introduction

Afin de satisfaire les exigences des clients au niveau de la qualité de l'acide
phosphorique produit, l'OCP utilise différentes opérations physico-chimiques pour traiter les
éléments nuisibles à la conformité de l'acide. L'un des éléments les plus importants est le
taux de sulfates (%H2SO4) présent dans l'acide phosphorique et qui ne doit pas dépasser une
teneur de 2.5% pour un acide concentré à 30% en P2O5, c'est pourquoi nous procédons à
une opération de désulfatation qui consiste à ajouter du phosphate à l'acide phosphorique
produit afin de diminuer ce taux de sulfates pour atteindre une valeur inférieure à 2.5%.

Au niveau de l'unité de désulfatation de MP1, nous ajoutons des quantités du
phosphate d’une manière non précise jusqu'à obtenir un taux de sulfates acceptable, sauf
que nous générons des pertes au niveau de la quantité de phosphate utilisée car nous ne
pouvons pas être sûrs que la totalité du phosphate a réagi. C'est la raison pour laquelle nous
allons établir un bilan matière autour de l'unité désulfatation afin de connaître la quantité
exacte de phosphate à ajouter pour répondre aux exigences demandées en taux de sulfates.

II.Bilan matière (B.M)

La désulfatation s’effectue par l’ajout du phosphate dans un réacteur équipé d’un
agitateur et alimenté tangentiellement par l’acide phosphorique arrivé du filtre, ce qui
produit un mélange d’acide phosphorique et de phosphate finement broyé qui sera acheminé
vers un décanteur afin de séparer les boues de l’acide désulfaté, cet acide sera transféré vers
un bac tampon afin d’être envoyé vers le stockage (figure 3.1).
Phosphate broyé

H3PO4

Réacteur

Décanteur
H3PO4 clarifié vers
stockage

Boues

Figure 3.1: Unité désulfatation



L’atelier de fabrication d’acide phosphorique dispose de quatre lignes : A, B, D et F,
selon deux procédés : Nissan (Lignes A, B, D) et Rhône-Poulenc (ligne F).

Les lignes pouvant être désulfatées sont les lignes B et D en raison de leur proximité
de l’unité de désulfatation, par contre les deux autres lignes sont en marche normale. Le
mélange des quatre lignes doit avoir un taux de sulfates aux environs de 2,2 % pour être
conforme aux exigences des clients qui demandent un taux de sulfates (≤ 2,5%) pour un
acide phosphorique de concentration 30% en P2O5, donc les possibilités que nous pouvons
étudier sont la désulfatation d’une seule ligne (B ou D) ou bien la désulfatation des deux
lignes en même temps (B et D). Pour cela il faut calculer dans les deux cas le taux de
sulfates requis et le débit de phosphate nécessaire pour réaliser cette opération et aboutir au
bilan matière recherché.

II.1.Calcul du taux de sulfate requis

 Désulfatation d’une seule ligne :
En marche normale, l’acide phosphorique produit contient un pourcentage de 2.8% en
H2SO4, donc il faut calculer le taux de sulfates nécessaire pour désulfater une seule ligne et
avoir un mélange avec un taux de sulfates de 2.2%.

Soit :

- QM : le débit massique du mélange des 4 lignes de production.

- QA, QB, QD, QF : les débits massiques respectivement des lignes A, B, D et F.

- x, y, z, t : les taux de sulfates respectivement dans les lignes A, B, D et F.

- Supposons que la ligne désulfatée est la ligne D.

- Le débit massique journalier des quatre lignes est identique et égale à 1786
tonnes de H3PO4.

( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( )



( ) ( ) ( ) ( )

A.N : z = 0.4%

 Désulfatation de deux lignes :
Dans ce cas, nous introduisons le mélange des deux lignes (B et D) dans le réacteur.

Soit:

- QC : Débit du mélange des deux lignes B et D.

- QA, QF : les débits massiques respectivement des lignes A, F.

- x, z, t : les taux de sulfates respectivement dans les lignes A, (B + D) et F.

( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

A.N: z = 1.6%

II.2.Calcul du débit de phosphate requis

 Désulfatation d’une seule ligne :

Les réactions mises en jeu au niveau du réacteur sont les suivantes :

CaO(Phosphate) + H2SO4 + H2O CaSO4, 2 H2O

H2SO4 SO42- + 2H+

Donc: n(CaO) = n(H2SO4)



( ) ( )
( ) ( )

( ) ( )
( ) (1)
( )

Pour calculer le débit d’H2SO4, nous utiliserons la conversion des sulfates en se
basant sur le débit d’H3PO4 : m(H3PO4) = 80.12 t/h

Conversion = masse réagie du réactif / masse du réactif dans l’alimentation (2)

( ) ( )
Conversion =
( )

A.N: Conversion = 86%

(2)  m(H2SO4) Réagie = Conversion * m(H2SO4) Alimentation

Or, l’acide phosphorique contient 2.8% d’H2SO4 (m(H2SO4) Alimentation = 2.8% *m(H3PO4))

Donc: m(H2SO4) Réagie = 86% * 2.8% *m(H3PO4) m(H2SO4) = 1.92 t/h

(1)  m(CaO) = m(CaO) = 1.09 t/h

D’après les analyses du phosphate sec du mois de janvier et février (Cf. chapitre 2), le
phosphate utilisé a une teneur moyenne en CaO de 48%.

Donc : m(CaO) = 0.48 * m(phosphate sec)

m(phosphate sec) = m(CaO)/0.48 m(phosphate sec) = 2.27 t/h

Cependant, le phosphate utilisé est humide avec un taux d’humidité de 4%.

Donc le débit nécessaire est de: m(phosphate humide) = m(phosphate sec) / (1-0.04)

A.N : m(phosphate humide) = 2.36 t/h



Donc, pour diminuer le taux de sulfates d’une ligne de production d’acide phosphorique
avec un débit de 80.12 t/h, d’une teneur en sulfates de 2,8% à 0,4%, nous devons introduire
une quantité de phosphate égale à 2.36 t/h.

 Désulfatation de deux lignes :

Les réactions mises en jeu conduisent à l’équation :

( ) ( )
( ) (1)
( )

De la même manière que précédemment, nous utiliserons la conversion pour
determiner le debit d’H2SO4 (m(H3PO4) = 160.24 t/h).

 Conversion = 43%

Donc: m(H2SO4) Réagie = 43% * 2.8% *m(H3PO4) m(H2SO4) = 1.92 t/h

Tout calcul fait :
m(phosphate humide) = 2.36 t/h

Donc, pour désulfater deux lignes de production d’acide phosphorique avec un débit
de 160.24 t/h d’une teneur en sulfates de 2,8% jusqu’à 1,6%, Nous devons introduire une
quantité de phosphate égale à 2.36 t/h.

Le tableau 3.1 récapitule les résultats obtenus :

Nombre de lignes m (H3PO4) % H2SO4 à %H2SO4 à la Débit de
désulfatées (t/h) l’entrée sortie phosphate (t/h)
1 ligne 80.12 2.8 0.4 2.36
2 lignes 160.24 2.8 1.6 2.36

Tableau 3.1: Résumé du calcul des taux de sulfates et débits de phosphate

En se basant sur ces résultats, nous pourrons établir un bilan matière autour de l'unité
désulfatation.


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