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Simulation de la cristallisation

La simulation de fluide rend plud efficace l'industrie du sel et de la potasse​

Réduire les délais et les coûts de production

L'industrie du sel et de la potasse cherche continuellement à améliorer les techniques d'extraction et de production. Les logiciels modernes de simulation des fluides permettent d’identifier et développer le potentiel d'optimisation et aident à introduire des procédures opérationnelles innovantes.

La modélisation par simulation permet de mieux comprendre les processus de fonctionnement et assure un degré élevé de transparence dans la gestion des caractéristiques techniques et des mécanismes de cause à effet. Son application permet non seulement de sécuriser les technologies de production existantes, mais aussi de soutenir une augmentation durable de la compétitivité.

Le chlorure de potassium (KCl) est nécessaire en quantités énormes dans le monde entier. C’est un engrais minéral largement utilisé dans le secteur agricole. Il sert également de matière première dans de nombreux produits industriels, des plastiques aux produits pharmaceutiques. La demande est satisfaite par le sel de potasse naturel extrait des gisements souterrains.

Haute qualité et pureté requises

Pour répondre aux exigences élevées de qualité et de pureté, il est essentiel de séparer tous les minéraux associés indésirables (en particulier le chlorure de sodium - NaCl). Le processus de cristallisation est particulièrement adapté à la production de produits de très haute pureté. C'est pourquoi l'industrie du sel et de la potasse utilise cette technique de traitement particulière depuis de nombreuses années.

K+S AG, qui est l'un des plus grands fournisseurs mondiaux d'engrais et de sels industriels, a récemment mis en service une nouvelle mine près de la ville de Bethune, dans la province du Saskatchewan au Canada [1, 2]. En raison des conditions climatiques favorables dans cette région, cette nouvelle installation utilise un bassin de refroidissement (Fig. 1) pour récupérer le chlorure de potassium cristallin. Le principe de fonctionnement de l'étang est basé sur le refroidissement d'une solution saline dans un canal en méandres. D'une largeur de 500 m et d'une longueur de 600 m, le bassin a été conçu pour une production à haut volume.

Analyse des processus physiques par la simulation

Si les principes fondamentaux du système sont assez simples, les processus physiques sous-jacents sont dans leurs détails assez complexes et sont souvent difficiles à reconstituer intégralement par des moyens expérimentaux. C'est pourquoi K+S a choisi d'utiliser Ansys Fluent, un outil de haute performance conçu pour la simulation d'écoulement CFD (computational fluid dynamics).

Ce logicielle est capable de modéliser les effets qui se produisent au fur et à mesure que le processus se développe. Cela va de la simple simulation de l'écoulement et du couplage avec les champs de température à la modélisation de la cristallisation. En collaboration avec les spécialistes de la simulation de CADFEM, un modèle de calcul du processus de production réel a également été développé pour le bassin de refroidissement de Bethune, l'objectif étant ici d'illustrer les différentes options disponibles pour la simulation numérique.

Ce travail a commencé par un modèle de profil bidimensionnel du canal du bassin de refroidissement. Cette simulation en fonction du temps permet de répondre à un certain nombre de questions ; dont l'une sans doute la plus importante concerne la quantité de sel cristallisé produite. Cependant, elle peut également examiner diverses incertitudes relatives à la composition des sels cristallisés, le fluide en question étant obtenu par une technique spéciale appelée "extraction par solution" (Fig. 2).

Limite de saturation du chlorure de potassium

Cela implique l'injection d'eau douce chaude par un trou de forage dans la roche saline contenant de la potasse soluble, un processus qui crée des chambres remplies de solution saline appelées cavernes. Dans ce cas particulier, les cavernes peuvent se trouver jusqu'à 1 500 m sous la surface. Dans la deuxième phase de l'opération, la solution saturée est pompée jusqu'à la surface par un autre trou de forage, puis traitée plus avant, ce qui implique un transfert vers le bassin de refroidissement.

C'est là que le KCl est récupéré par le refroidissement de la solution mixte NaCl/KCl. La baisse de température amène progressivement la solution jusqu'à la limite de saturation du chlorure de potassium. Dès que ce point est dépassé, le KCl commence à cristalliser tandis que le NaCl reste en solution. Cela signifie que de petits cristaux de sel commencent à se former dans la solution liquide, et ceux-ci coulent ensuite au fond du bassin et constituent le produit final. Lorsqu'une quantité suffisante de cristaux s'est accumulée sur le fond du bassin, ils sont récupérés par une drague flottante, puis pompés vers l'usine de traitement pour le traitement final. Le sel est alors utilisé par exemple comme engrais.

Paramètres affectant la cristallisation

La cristallisation est un phénomène très complexe et dépend d'un certain nombre de paramètres. La cristallisation en elle-même implique un transfert de masse entre deux phases distinctes. Ansys Fluent est en mesure de modéliser ce processus en sélectionnant un modèle multi-phase approprié. Dans ce cas particulier, les composants dissous dans le fluide (NaCl et KCl) jouent un rôle décisif. Le processus de cristallisation est fortement influencé par la solubilité de ces deux substances.

La solubilité du KCl dépend fortement de la température, tandis que celle du NaCl est presque insensible aux changements de température. C'est la base de tout le processus de production. Les conditions climatiques et l'échange d'énergie qui en résulte avec le bassin de refroidissement ont donc un rôle clé à jouer dans l'opération. Afin de décrire correctement le bilan thermique, un certain nombre d'effets pertinents doivent être pris en compte, tels que l'enthalpie (chaleur de réaction) générée pendant le processus de cristallisation. D'autres paramètres importants sont la convection, le rayonnement et l'évaporation à la surface de l'eau. La figure 3 montre à titre d'exemple le flux de chaleur associé à ces trois contributions et leur relation avec la température.

L'exercice de simulation permet également d'étudier l'impact du sol environnant sur le comportement thermique du bassin de refroidissement. Afin d'obtenir l'image la plus précise possible du processus de cristallisation, K+S a spécifié des courbes de solubilité et des caractéristiques du fluide qui dépendent à la fois de la température et de la concentration. Celles-ci ont été mises en œuvre dans le cadre du processus de modélisation Fluent à l'aide d'UDF (fonctions définies par l'utilisateur). Les UDF sont capables d'étendre les capacités du logiciel afin de gérer les problèmes spécifiques des clients.

Influence de la température sur la solubilité

Divers attributs clés associés au système analysé, tels que l'interaction des propriétés du fluide, les conditions thermiques limites et les processus de cristallisation, ont été mis en œuvre à l'aide d'UDF. Le modèle qui a été créé peut par exemple étudier l'effet du changement des conditions climatiques sur la quantité de produit cristallisé obtenu. Dans le cycle des saisons, le bassin de refroidissement connaît une large gamme de conditions qui ont un impact sur la quantité et la qualité du produit.

Il est également intéressant d'étudier les fluctuations mensuelles de la température et leur influence sur la solubilité des composants. De plus, le système peut également être influencé par des variables telles que la vitesse moyenne du vent et l'humidité relative de l'air. Par exemple, en cas de vent fort, une plus grande quantité de chaleur est libérée à la surface du bassin, ce qui a un effet positif sur le processus de refroidissement. Le profil de température généré par le modèle, illustré à la figure 4, est représentatif d'un état climatique caractéristique.

Composition de la solution mélangée

Les modifications de la composition de la saumure peuvent également être étudiées virtuellement, ainsi que les différentes formes de profil et les niveaux de remplissage associés. En outre, le modèle a été étendu à la troisième dimension afin d'étudier la température et le comportement de l'écoulement de manière plus globale. En raison de l'incapacité d'un modèle 2D à capturer les tourbillons résolus en trois dimensions, le modèle 3D est bien adapté pour analyser le mélange turbulent et son impact sur la performance globale de la température.

Le degré de mélange, en d'autres termes la mesure dans laquelle un profil de température aussi constant que possible est maintenu de la surface de la solution jusqu'au fond du bassin, est particulièrement important pour la précipitation uniforme du produit cristallisé. La figure 5 illustre à titre d'exemple le profil de température à une profondeur choisie. Il est facile de voir à quel point la solution interagit avec l'environnement froid. Même à la fin de la première voie, on peut voir que la température a baissé de près de 15 °C.

Minimisation des délais et des coûts de production

En résumé, la simulation numérique présente de nombreux avantages en ce qui concerne la production de sels industriels et de matières premières pour les engrais. Les possibilités offertes vont de l'étude de toutes sortes de scénarios climatiques à l'analyse comparative de différents types de bassins.

Cela signifie que les différentes versions des projets de construction proposés peuvent être analysées et évaluées dès le début afin que la solution appropriée puisse être sélectionnée et optimisée dès la phase de planification. Cela concerne, par exemple, des mesures visant à augmenter le taux de mélange ou à modifier la composition et peut également impliquer des études d'autres sites d'exploitation potentiels.

Ces trois exemples illustrent comment la simulation contribue à améliorer l'efficacité de la production chez K+S, afin de réduire au minimum les dépenses, les délais et les coûts de production.


K+S Aktiengesellschaft
Thomas Radtke
thomas.radtke@k-plus-s.com
www.kpluss.com

© Images: K+S Aktiengesellschaft

Contact CADFEM

Account Manager

Première publication de ces articles

Cet article a été publié pour la première fois dans la revue GeoResources (3-2020).
Radtke, T. ; Ziegler, L. (2020) : Flow simulations for more efficiency in the potash and salt industry. Revue GeoResources (3-2020), pp. 58-60.
En ligne : www.georesources.net/download/GeoResources-Zeitschrift-3-2020.pdf.

Auteurs et références

Dr. Thomas Radtke est scientifique principal au centre d'analyse et de recherche de K+S, à Unterbreizbach, en Allemagne | Contact: thomas.radtke@k-plus-s.com
Lucas Ziegler, M.Eng., est ingénieur en calcul pour le développement professionnel chez CADFEM GmbH, Grafing b. München, Allemagne | Contact: lziegler@cadfem.de
[1] Elfferding, M.; Grommas, J.; Stax, R. (2015): Das K+S Legacy Projekt – Solution Mining auf Kali in Kanada. In: GeoResources Zeitschrift (4-2015), S. 36–46. En ligne:  www.georesources.net/download/GeoResources-Zeitschrift-4-2015.pdf
[2] Elfferding, M.; Grommas, J.; Stax, R. (2016): The K+S Legacy Project – solution mining for potash in Canada. GeoResources Journal (1-2016), pp. 42–51. En ligne: www.georesources.net/download/GeoResources-Journal-1-2016.pdf


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