Le DAP, ou phosphate diammonique, est l'un des engrais phosphatés les plus commercialisés au monde, et son procédé de production est l'un des plus spécifiques du secteur. Contrairement à la granulation NPK par vapeur ou par suspension, qui mélange les nutriments par un processus physique contrôlé, la production de DAP exige la gestion en temps réel d'une réaction chimique exothermique. Les propriétés de la suspension de phosphate d'ammonium obtenue (densité, viscosité, température et rapport de neutralisation) déterminent directement le succès de la granulation ultérieure.
Nous allons passer en revue l'intégralité de la chaîne de production, depuis la réception des matières premières jusqu'au produit fini, en abordant la chimie et les décisions d'ingénierie à chaque étape qui déterminent les performances de l'usine.
Préparation des matières premières
Les deux principales matières premières utilisées dans la production de DAP sont l'acide phosphorique et l'ammoniac anhydre (ou aqueux). La qualité et la concentration de l'acide phosphorique constituent l'une des variables les plus importantes du procédé, car elles influencent toutes les étapes de transformation.
L'acide phosphorique utilisé dans production de DAP de qualité engrais L'acide sulfurique est généralement produit par voie humide (WPA), en faisant réagir du phosphate naturel avec de l'acide sulfurique. L'acide sulfurique commercial est généralement fourni avec une concentration en P₂O₅ d'environ 40 à 541 Tp/3 en poids, selon la source et le degré de concentration appliqué. Les impuretés présentes dans l'acide sulfurique, notamment le fer, l'aluminium, le magnésium et les composés fluorés provenant du phosphate naturel, influent sur les propriétés de la suspension, le comportement à la granulation et l'analyse du produit final. Les installations utilisant de l'acide sulfurique doivent établir le profil d'impuretés de l'acide et vérifier sa compatibilité avec les paramètres de conception de l'installation avant la mise en service.
L'ammoniac est généralement stocké sous forme liquide sous pression (ammoniac anhydre) et vaporisé ou dosé sous forme liquide dans le système réactionnel. L'ammoniac aqueux (hydroxyde d'ammonium, généralement 20 à 25 g/L de NH₃ en masse) est une alternative qui évite le stockage sous pression, mais introduit une quantité d'eau supplémentaire importante dans le procédé, augmentant ainsi la charge de séchage en aval. Le choix entre ammoniac anhydre et aqueux dépend de la logistique du site, des infrastructures disponibles et du rapport coût-efficacité de l'énergie de séchage par rapport à la complexité de la manipulation de l'ammoniac.
Dosage et contrôle du ratio d'alimentation
L'acide phosphorique et l'ammoniac sont dosés indépendamment dans le système de réaction. Le maintien du rapport molaire correct entre les deux réactifs est l'étape de contrôle la plus importante dans la production de DAP ; elle détermine la chimie du produit, les propriétés de la suspension et la stabilité du circuit de granulation. Le système de dosage des réactifs doit être gravimétrique et précis, capable de maintenir le rapport cible avec une grande précision même en cas de variations de la concentration d'acide ou de la pression d'alimentation en ammoniac. Les exigences de précision du dosage des réactifs sont traitées plus en détail dans l'article associé sur le contrôle du rapport de neutralisation.
La phase de réaction
L'étape chimique centrale est la neutralisation exothermique de l'acide phosphorique par l'ammoniac :
2NH3 + H3PO4 → (NH4)2HPO4
Cette réaction est fortement exothermique. La chaleur dégagée élève la température de la suspension réactive et provoque l'évaporation de l'eau, ce qui concentre le produit et réduit la charge de séchage en aval, à condition toutefois que la chaleur soit correctement gérée. Une perte de chaleur excessive lors de la réaction, ou une dilution trop importante due à une faible concentration d'acide ou à des ajouts d'eau, diminue l'efficacité de la chaleur de réaction et augmente la charge thermique du séchoir.
Les installations industrielles de DAP peuvent utiliser un préneutralisateur, un réacteur tubulaire ou une combinaison des deux pour réaliser la réaction.
Dans le procédé de préneutralisation, l'acide phosphorique et l'ammoniac sont introduits en continu dans un réacteur agité. Le préneutraliseur fonctionne généralement à un rapport de neutralisation, le rapport molaire ammoniac/acide phosphorique (N/P), inférieur à la stœchiométrie requise pour le DAP pur (2,0 mol/mol). Dans la production conventionnelle de DAP, le rapport N/P du préneutraliseur se situe souvent entre 1,4 et 1,8, selon la conception du procédé et les propriétés de l'acide. La suspension sortant du préneutraliseur à ce rapport intermédiaire est pompable et transférée vers l'ammoniaceur-granulateur, où de l'ammoniac supplémentaire est ajouté pour achever la réaction et atteindre la composition cible du produit. Le fonctionnement du préneutraliseur en dessous de la stœchiométrie permet de maintenir la suspension dans un état physique gérable, évitant ainsi une cristallisation prématurée ou une viscosité excessive.
Dans le procédé en réacteur tubulaire, l'acide phosphorique et l'ammoniac réagissent rapidement à l'intérieur d'un réacteur tubulaire compact. La chaleur de la réaction est exploitée de manière très efficace : le temps de séjour dans le réacteur est court, la température augmente rapidement et la suspension ou le produit fondu résultant, déversé dans le granulateur, transporte une importante quantité de chaleur. Ceci permet de réduire l'humidité avant la granulation et les besoins en séchage par rapport au procédé avec préneutralisation. Les systèmes en réacteur tubulaire sont parfaitement adaptés aux installations conçues pour un débit élevé et une faible consommation d'énergie, mais ils nécessitent un contrôle plus précis des conditions de réaction afin d'éviter le colmatage du réacteur.
Les configurations combinées, où un préneutralisateur et un réacteur tubulaire sont utilisés avec l'alimentation répartie entre eux, permettent une flexibilité accrue dans la gestion du bilan thermique et des propriétés de la suspension.
Granulation
La suspension de phosphate d'ammonium issue de la phase de réaction est acheminée vers un ammoniateur-granulateur à tambour rotatif. Cette machine remplit simultanément deux fonctions : elle crée l'environnement mécanique nécessaire à la formation des granules (croissance en cascade, en culbutage et en couches) et permet l'introduction d'ammoniac supplémentaire dans le lit granulaire afin de parachever la réaction de neutralisation amorcée dans le préneutraliseur.
La formation des granules dans le procédé DAP suit le même mécanisme de croissance par couches que les autres procédés de granulation en tambour : les fines et le produit recyclé servent d’ensemencement, la suspension est distribuée sur le lit par des buses de pulvérisation ou par la sortie du réacteur tubulaire, et les granules croissent à travers des couches successives de suspension lors de leur passage dans le tambour. Le taux de recyclage, c’est-à-dire le rapport entre les matières non conformes recyclées et le produit conforme, est généralement plus élevé dans la granulation DAP que dans certains procédés NPK, souvent de l’ordre de 3:1 à 5:1, selon les propriétés de la suspension et les paramètres de granulation. Cette charge de recyclage plus élevée reflète la plage de fonctionnement plus étroite de la granulation DAP et l’importance de maintenir un lit bien ensemencé.
Les principaux paramètres contrôlés lors de la granulation comprennent le débit d'alimentation de la suspension, sa température et sa densité, le taux d'ajout d'ammoniac, la vitesse de rotation et le facteur de remplissage du tambour, ainsi que la charge circulante totale. Ces paramètres interagissent étroitement ; une variation de la densité de la suspension influe par exemple sur l'humidité du lit et, par conséquent, sur le taux d'ajout d'ammoniac optimal. Maintenir une granulation stable exige donc une approche de contrôle qui prenne en compte ces interactions plutôt que de gérer chaque paramètre indépendamment.
Séchage
Les granulés humides sortant du granulateur contiennent une humidité résiduelle qui doit être éliminée afin de garantir la stabilité du produit lors du stockage et de la manutention. Le séchage est effectué dans un séchoir à tambour rotatif. Pour les produits DAP, le taux d'humidité cible en sortie est généralement inférieur à 11 TP3T en poids, bien que des spécifications plus strictes puissent s'appliquer aux produits destinés à l'exportation ou au DAP destiné à être utilisé dans des opérations de mélange ultérieures où l'humidité de surface peut avoir un impact. mélange performance.
DAP séchage des granulés La gestion de la température est essentielle. La température de décomposition du phosphate diammonique devient significative au-delà de 70 °C environ pour le produit lui-même. Cependant, la température des gaz à l'entrée du séchoir peut être nettement supérieure, car le gaz entre en contact avec le produit humide à l'extrémité d'alimentation, où le refroidissement par évaporation limite la température du produit. Le choix d'une configuration de séchoir à co-courant ou à contre-courant influe directement sur le contrôle de la température du produit : le séchage à co-courant, où le gaz chaud et le produit humide pénètrent par la même extrémité, offre une protection naturelle contre la surchauffe du produit, car le refroidissement par évaporation à l'extrémité d'alimentation limite la température des granulés, même à des températures d'entrée de gaz élevées.
Refroidissement
Les granulés séchés sortent du séchoir à température élevée et doivent être refroidis à une température proche de la température ambiante avant toute manipulation, stockage et expédition. Le refroidissement est généralement effectué dans un refroidisseur à tambour rotatif ou un refroidisseur à lit fluidisé. Le produit refroidi doit être à une température suffisamment inférieure au point de rosée ambiant pour éviter la condensation en surface et l'agglomération lors des manipulations ultérieures.
Dépistage et classification par taille
Le produit refroidi passe à travers un crible vibrant à plusieurs étages qui le sépare en trois fractions : les particules surdimensionnées (au-dessus du seuil de coupure supérieur, généralement autour de 4 à 5 mm pour le DAP granulaire, selon les spécifications cibles), les particules conformes (généralement de 2 à 4 mm pour les granulés standard, bien que les spécifications varient selon le marché) et les fines sous-dimensionnées (en dessous du seuil de coupure inférieur). Les particules surdimensionnées et sous-dimensionnées sont recyclées vers le granulateur comme amorces, les particules surdimensionnées après passage dans un concasseur qui les réduit à la granulométrie cible. Les particules conformes sont ensuite stockées, enrobées (le cas échéant) et expédiées.
Les fractions recyclées issues du tamis, combinées à la suspension fraîche, déterminent le bilan matière du circuit de granulation. Le maintien de cet équilibre, dans les limites des paramètres de conception, est essentiel au fonctionnement du procédé de production de DAP et constitue le principal indicateur de la bonne marche de l'installation.
Ceylan Machine & Process conçoit et réalise des installations de production d'engrais DAP et MAP clés en main, couvrant l'intégralité du processus, de la réaction à la granulation, en passant par le séchage et le tamisage. Pour toute question technique ou pour discuter de vos besoins, contactez notre équipe d'ingénieurs.
