Concentration d'acide HCl supérieure au point azéotropique

Introduction

Le système HCl/eau forme un azéotrope à pression atmosphérique à environ 108°C pour une concentration en HCl de 20,2 % en poids.
Si la concentration en acide est inférieure à celle dans le mélange azéotropique, l'acide peut être concentré, à cette pression, uniquement jusqu'au point azéotropique. Une concentration additionnelle exige des procédures spéciales.

Les options technologiques suivantes ont été réalisées :

• Technologie de rectification extractive (ajout d'un agent extractif)
• Technologie de pressions duales (variation de pression du système)
• Combinaison des deux technologies

Toutes les technologies peuvent aussi être employées pour la production de HCl gazeux.

Technologie de rectification extractive

Présentée à la suite, la rectification extractive est la technologie la plus répandue pour dépasser le point azéotropique. Cette technologie supprime le point azéotropique et augmente la volatilité relative du HCl. Elle passe par l'ajout d'un troisième ingrédient : un agent extractif présentant de fortes propriétés hygroscopiques. Dans la colonne, l'agent d'extraction capture l'eau alimentée et sort de la colonne par le fond. L'acide chlorhydrique à concentration élevée ou même le HCl gazeux peut alors être produit en haut de la colonne de rectification extractive. Par la suite, l'agent extractif est libéré de l'eau dans un évaporateur et recyclé dans le processus de rectification extractive.

Technologie de rectification extractive

Agent extractif

Un agent extractif approprié doit présenter les propriétés physiques suivantes.
L'agent

• doit accroître la volatilité relative du HCl par rapport à l'eau ;
• devrait être soluble avec les composants de l'acide alimenté sur toute la plage de concentration ;
• devrait présenter un point d'ébullition élevé par rapport aux composants de l'acide alimenté ; et
• devrait, enfin, assurer une séparation rentable en termes de consommation d'énergie.

L'acide sulfurique et les solutions aqueuses concentrées de chlorures métalliques, ainsi le MgCl₂ et le CaCl₂, sont des exemples d'agents d'extraction appropriés pour concentrer l'acide chlorhydrique.

Préconcentration et purification avant la rectification extractive

Plus la teneur en eau dans l'alimentation pour la rectification extractive est basse, plus la quantité d'agent extractif nécessaire à ajouter est faible et plus la consommation d'énergie ainsi que l'investissement pour l'étape de recyclage de l'acide sulfurique sont faibles.  De ce fait, une préconcentration de l'alimentation installée en amont de la rectification extractive peut se révéler avantageuse. D'autres étapes sont souvent réalisées en combinaison avec la concentration du HCl. Il s'agit notamment de l'extraction du fluor et des composants à point d'ébullition élevé ainsi que des processus de débromation. L'illustration suivante présente une telle préconcentration du HCl avec extraction des composants à point d'ébullition élevé ou des sels précipités, suivie d'une débromation au chlore et d'une rectification extractive à l'acide sulfurique afin de produire de l'acide chlorhydrique concentré pur.

Rectification extractive combinée avec préconcentration et purification
 

Technologie de pressions duales

En alternative à la rectification extractive, nous trouvons la technologie de pressions duales qui tire parti du fait que la composition du mélange HCl/eau azéotropique dépend de la pression. En d'autres termes, il y a plus de HCl dans l'azéotrope à basse pression p1 que dans l'azéotrope à pression supérieure p2 - (HCl azéo p2) < (HCl azéo p1). De ce fait, il devient possible de dépasser le point azéotropique en combinant 2 étapes de rectification à 2 pressions différentes.  Le principe de la technologie de pressions duales est exposé à la suite.

Au départ, le mélange de HCl aqueux est traité par rectification à pression inférieure à la pression atmosphérique. Ainsi, le mélange azéotropique (HCl azéo.p1) pour cette pression basse est généré comme produit au fond - l'eau est le produit au sommet. Le produit au fond est alimenté dans une seconde colonne exploitée à une pression supérieure à la pression atmosphérique. Dans la seconde colonne, le mélange azéotropique (HCl azéo p2) est aussi le produit au fond mais, en l'occurrence, ce produit est de l'acide chlorhydrique à la concentration voulue (HCl>azéo p2). La sortie du fond de la seconde colonne procure une concentration de HCl (HCl azéo p2) inférieure à la composition azéotropique du produit du fond de la première colonne du fait de l'élévation de pression dans le système. En conséquence, le produit du fond de la seconde colonne peut être recyclé dans la première colonne.

La plage de pression de 100mbar à environ 3 bars est techniquement envisageable. Cependant, dans cet intervalle de pression, le changement de composition du point azéotropique est marginal de sorte qu'une foule d'énergie est exigée par les 2 évaporateurs pour une seule séparation de distillation du fait des taux de reflux élevés nécessaires dans les deux colonnes.

Technologie de pressions duales

Combinaison des technologies de rectification extractive et de pressions duales

Le processus à pressions duales peut aussi être associé à une rectification extractive. Cela peut se révéler avantageux si l'agent extractif (AE) ne réduit pas la volatilité de l'eau et pousse l'azéotrope dans le même sens que la pression réduite. Le chlorure d'ammonium est un exemple de ce type d'agent extractif. Par contraste avec la rectification extractive susmentionnée, l'eau n'est donc pas capturée par cet agent d'extraction mais le chlorure d'hydrogène abandonne la colonne avec l'agent extractif. L'illustration 4 présente le diagramme d'une telle technologie combinée de concentration de l'acide chlorhydrique.

Description de ce processus à pressions duales amélioré

L'acide alimenté est préchauffé en W4 puis mélangé avec l'agent extractif et ensuite libéré dans le récipient de revaporisation B1. La vapeur et le liquide résultants sont alimentés dans la colonne de vide K1. Le mélange est rectifié dans la colonne de vide K1. De la sorte, en principe, de l'eau peuple le haut de la colonne et un mélange ternaire d'agent d'extraction, d'eau et d'acide chlorhydrique abandonne le fond de la colonne K1.

Ce mélange est fourni par la pompe P1 à la colonne pressurisée K2. Dans la colonne K2, l'acide chlorhydrique est séparé de l'agent extractif qui sort de la colonne K2 comme produit de fond recyclé par la pompe P4 et mélangé à nouveau avec le flux d'alimentation.  L'acide chlorhydrique supérieur au point azéotropique sort de la colonne K1 et est condensé dans l'échangeur thermique W1 qui sert de chauffage pour la colonne. K1

Avantage

Un tel processus combiné devient intéressant si, du fait de l'ajout de l'agent extractif, les conditions de service en termes de températures dans l'échangeur thermique W1 permettent son usage comme évaporateur pour la colonne K1 et comme condensateur pour K2. L'idée est d'économiser une quantité élevée d'énergie par comparaison avec le seul processus à pressions duales décrit auparavant.