Synthèse industrielle de l’acide sulfirique I. INTRODUCTION I.1. Définition L'acide sulfurique de formule H2SO4 est un produit industriel de première importance, qui trouve de très nombreuses applications dans les industries chimiques, sa préparation peut être considérée comme l'industrie de base de la chimie minérale. Sa production dépassait déjà 10 Mt (millions de tonnes) au début du XXe siècle, atteignait 38 Mt en 1955, 160Mt en 1990 et 180Mt à nos jours. L’acide sulfurique est produit principalement à partir du dioxyde de soufre, suivant deux procédés : procédé dit « de contact » procédé dit « des chambres de plomb ». I.2. Dénomination L’acide sulfurique peut également s’appeler : Trioxyde de soufre (sous sa forme solide) Oléum (acide sulfurique anhydre saturé en trioxyde de soufre) Acide sulfurique (sous sa forme liquide aqueuse) Vitriol ou huile de vitriol (en raison de son aspect vitreux) « Acide de batterie » Sulfate de dihydrogène I.3.Utilisation Les applications de l'acide sulfurique dans l'industrie sont nombreuses et diverses car le soufre intervient dans de nombreuses fabrications. Comme domaines, on peut citer : Production de l’acide phosphorique les engrais minéraux (superphosphate) la préparation des métaux le raffinage du pétrole les détergents, les insecticides et fongicides les colorants les matières plastiques Dioxyde de soufre (S02) C'est un gaz sans couleur et ininflammable avec une odeur pénétrante qui irrite les yeux et les voies respiratoires. Il réagit sur la surface d'une variété de particules en suspension solides, il est soluble dans l'eau et peut être oxydé dans les gouttelettes d'eau portées par le vent. Le dioxyde de soufre provient principalement de la combustion des combustibles fossiles (charbons, fuels, …), au cours de laquelle les impuretés soufrées contenus dans les combustibles sont oxydées par l’oxygène de l’air O2 en dioxyde de soufre SO2. Ce polluant gazeux est ainsi rejeté par de multiples petites sources (installations de chauffage domestique, véhicules à moteur diesel, …) et par des sources ponctuelles plus importantes (centrales de production électrique ou de vapeur, chaufferies urbaines, …). Certains procédés industriels produisent également des effluents soufrés (production d’acide sulfurique, raffinage de pétrole, métallurgie des métaux non ferreux, …). La combustion du charbon est la plus grande source synthétique de dioxyde de soufre représentant environ 50% des émissions globales annuelles, avec la brûlure de pétrole représentant 2530% en plus. Les volcans sont la source naturelle la plus commune de dioxyde de soufre II.1. Principe du procédé de fabrication Aujourd'hui, la production en grand d'acide sulfurique est réalisée presque exclusivement selon le procédé de contact qui consiste à faire passer des gaz chargés d'anhydride sulfureux sur un catalyseur au vanadium. Le processus de fabrication de l'acide sulfurique se résume principalement en trois phases, la combustion, l’oxydation et l’absorption : Première étape : fabrication de SO2(Production de l’anhydride) . Par combustion, entre 900 et 1100°C, de soufre liquide est pulvérisé en fines gouttelettes dans de l'air sec en excès : S(l) + O2(g) ————> SO2(g) H°r, 298K = - 297 kJ/mole (1) La combustion du soufre s'effectue sans imbrûlés grâce à un excès d'air préalablement séché. La composition volumique des gaz à la sortie des fours est la suivante : 12 % de SO2 10% de O2 78% de N2 L'oxydation du soufre est une réaction très exothermique. La récupération de cette chaleur se fait à travers une chaudière Deuxième étape : formation de SO3 par le procédé de contact (conversion du S02 en SO3). L’anhydride sulfurique est obtenu par oxydation de l’anhydride sulfureux SO2 dans un convertisseur contenant un catalyseur dont le principe actif est le pentoxyde de vanadium (V2O5). La réaction correspondante est la suivante : SO2 + 1/2 O2 <=====> SO3 H°r,298K = - 99 kJ/mole (2) L'oxydation est fortement exothermique, la réaction amorcée à environ 430°C atteint rapidement 600°C. Avant introduction dans le lit suivant, le gaz formé est refroidi à 430°C. Environ 60 % de cette énergie est utilisée pour produire de la vapeur d'eau. La réaction étant équilibrée, le taux de conversion, exprimé en % mesure le rapport du nombre de molécule de SO3 formées au nombre de molécule de SO2 présentes le gaz d’alimentation de convertisseur. Pour un mélange réactionnel de composition donnée, à une pression donnée, le plan (taux de conversion, température) est divisé en deux par une courbe dite d’équilibre le long de laquelle la vitesse de la réaction est nulle. A gauche de la courbe se situe le domaine d’oxydation de SO2 et à droite de la courbe le domaine de décomposition de SO3. Troisième étape : formation de H2SO4(absorption du SO3). La fabrication de l’acide sulfurique résulte de l’absorption de l’anhydride sulfurique SO3 gazeux suivant la réaction : SO3 + H2O ————> H2SO4 H°r,298K = - 132,4 kJ/mole (3) SO3 se dissolvant difficilement dans H2O, H2SO4 est formé par augmentation de la concentration de solutions de H2SO4 à 98,5 % en donnant des oléums. L'acide commercial à 78, 96 ou 98 % est obtenu par dilution des oléums formés. Les unités de production ont des capacités qui peuvent atteindre 2 500 t/jour Fabrication et aspects environnementaux. 1/ Fabrication : Le processus de préparation de l'acide sulfurique dépend du soufre et des sulfates, qui sont utilisés comme matières premières. Il a également besoin d'une grande pureté en raison de l'activité chimique intense de l'acide. L'acide sulfurique peut être préparé en laboratoire ou à l'échelle industrielle. L'acide sulfurique est préparé industriellement de deux manières, à savoir le procédé de la chambre de plomb et le procédé de contact 2/ aspects environnementaux : L’acide sulfurique provoque des brûlures de la peau et des lésions oculaires graves avec risque de perte de la vue. Les risques sont d’autant plus importants que l’acide est concentré. Il peut irriter les voies respiratoires. En cas d’ingestion il peut entraîner des lésions de la bouche, de l’œsophage et du tube digestif. Il y a risque de perforation pour l’œsophage et l’estomac. Les pluies acides qui résultent de l'acide sulfurique endommagent les cultures agricoles. Comme pour l'homme, la dose létale d'acide sulfurique est de 4 à 5 centimètres cubes et entraîne la mort après 12 à 48 heures d'utilisation en raison d'un choc nerveux et sanglant. résultant d'une douleur brûlante ou d'une déshydratation résultant de vomissements répétés, ce qui peut entraîner une déformation du corps humain L’acide sulfurique réagit violemment avec l’eau avec un dégagement de chaleur important qui peut localement porter l’eau à ébullition. Cela peut se produire lorsque de l’eau est versée sur de l’acide concentré. L’eau étant moins dense que l’acide, la réaction se produit en surface et peut entraîner des projections d’acide. Pour cette raison, pour diluer de l’acide sulfurique, il faut toujours verser l’acide dans l’eau et non l’inverse. L’acide, plus dense, sa densité par rapport à l’eau est de 1,84, coule au fond du récipient et la réaction exothermique a lieu au sein du liquide au lieu de sa surface et les projections sont évitées. Il réagit également violemment avec de nombreux composés et en particulier avec les cristaux de permanganate de potassium. Pour préparer une solution acide de permanganate de potassium, il faut au préalable dissoudre les cristaux de permanganate dans l’eau puis ensuite introduire l’acide sulfurique. Ne jamais mettre en contact les cristaux de permanganate avec l’acide concentré, il y a risque d’explosion violente. Conclusion : L’acide sulfurique est un produit industriel de première importance, qui trouve de très nombreuses applications : en fait pratiquement tout produit manufacturé a rencontré l’acide sulfurique dans son élaboration. La production annuelle mondiale dépasse les 180 Mt. Elle a progressé de plus de 25 % en Asie au cours des deux dernières décennies, confirmant ainsi son emploi comme indicateur économique.
