Extraction Et Raffinage: Soufre | Hackaday

Quand vous pensez au tableau périodique, certains éléments ont juste une ambiance totalement non scientifique, mais néanmoins indéniable. Les métaux précieux comme l’or et l’argent en sont des exemples évidents, associés comme ils l’ont toujours été à la richesse des rois. Le cuivre et le fer sont des métaux robustes de la classe ouvrière, chacun digne d’avoir des âges entiers de l’industrie humaine portant son nom, le silicium formant désormais l’épine dorsale de notre ère de l’information actuelle. Le carbone constitue la chimie de la vie elle-même et alimente presque tous les efforts humains, et aucun d’entre nous n’irait très loin sans oxygène.

Mais qu’en est-il du soufre ? Personne ne semble beaucoup penser au soufre pauvre, et quand ils le font, cela a tendance à être désobligeant. Le soufre met la puanteur dans les œufs pourris, nous menace lorsqu’il jaillit de la bouche des volcans et peut devenir une menace mortelle lorsqu’il est utilisé pour fabriquer de la poudre à canon. Le soufre semble être quelque chose de plus associé aux processus nocifs et aux usines sombres du début de la révolution industrielle, et non à un composant de notre monde moderne de haute technologie.

Et pourtant, malgré sa réputation malodorante et de faible technicité, il existe en fait peu de processus industriels qui ne dépendent pas d’une manière ou d’une autre de quantités massives de soufre. Le soufre est un ingrédient essentiel dans les processus qui constituent la base de presque toutes les industries, de sorte que sa production est généralement une question de sécurité nationale et économique, ce qui est étrange étant donné que presque tout le soufre que nous utilisons est récupéré à partir des déchets d’autres processus industriels.

C’est toujours de l’huile

Le soufre est l’un de ces éléments qui est remarquablement abondant dans l’univers et bien qu’il se produise dans son état élémentaire, il se trouve plus généralement sous forme de composé avec quelque chose d’autre. C’est grâce à la capacité du soufre à former plus de 30 allotropes, ou différentes formes dans le même état physique, et à la large gamme de réactions chimiques auxquelles il participe – il y a un sulfure ou un sulfate de presque tous les autres éléments du tableau périodique, sauf pour ces gaz nobles prétentieux.

Sur Terre, le soufre se trouve généralement dans les minéraux sulfurés, où un atome avec une charge positive se lie à un ou plusieurs atomes de soufre chargés négativement. Les exemples incluent la chalcocite (sulfure de cuivre), la galène (sulfure de plomb), le cinabre (sulfure de mercure) et la pyrite (sulfure de fer). Les sulfates, où le soufre et l’oxygène se lient à un cation, sont également courants; le gypse utilisé pour fabriquer les plaques de plâtre et les tuyaux en PVC est le sulfate de calcium, par exemple.

L’abondance de minéraux sulfurés et sulfatés et le fait que, généralement, tout ce à quoi le soufre est lié dans ces minéraux est précieux en soi, signifie que le soufre peut être récupéré en tant que sous-produit des opérations de fusion, en particulier de la fusion du plomb, du cuivre, et les minerais de zinc. Nous avons couvert la fusion du cuivre en profondeur; le processus de base est le même pour la plupart des fusions de minéraux sulfurés et utilise la chaleur pour chasser les sulfures. À une époque moins respectueuse de l’environnement, et lorsqu’il existait d’autres sources de soufre moins chères, les gaz de combustion chargés de soufre étaient simplement évacués, entraînant une série de réactions dans l’atmosphère qui ont abouti à la chute d’acide sulfurique du ciel – les pluies acides.

Cependant, la récupération du soufre à partir des gaz de combustion des fonderies ne représente qu’une petite fraction de la production actuelle de soufre – seulement environ 7 % aux États-Unis à l’heure actuelle. La majorité de la production de soufre dans le monde provient du raffinage du pétrole ou de la production de gaz naturel, où les sulfures sont des contaminants qui doivent être éliminés. Nettoyer les sulfures des gaz « acides » – soi-disant parce qu’ils sont à la fois acides et malodorants grâce au sulfure d’hydrogène (H2S) – est le travail d’un traiteur d’amines ou d’un édulcorant. Les agents de traitement aux amines sont utilisés dans toutes sortes de procédés industriels ; nous les avons rencontrés lorsque nous avons discuté de la façon dont l’hélium est raffiné à partir du gaz naturel. Le traitement aux amines repose sur la capacité des solutions d’amines, comme la monoéthanolamine (MEA) et la diéthanolamine (DEA) à réagir avec les gaz acides, comme H2S et CO2, et les rendre plus solubles dans la solution de lavage que dans le gaz de procédé. La solution d’amine riche en sulfure est ensuite bouillie pour éliminer les sulfures et régénérer l’amine pour la réutiliser. Le processus rend le gaz acide entrant suffisamment propre pour être libéré dans l’atmosphère, ainsi qu’un apport de H2S, qui peut ensuite être transformé en soufre élémentaire.

Aigre à sucré

Le sulfure d’hydrogène extrait du gaz acide est très toxique pour l’homme et particulièrement dangereux car, à des concentrations suffisamment élevées, il paralyse les nerfs olfactifs. les personnes qui y sont exposées quelques minutes pensent que le gaz s’est dispersé et que le danger est écarté car elles ne sentent plus la puanteur de l’œuf pourri. Bien qu’il ait certaines utilisations industrielles, la plupart du sulfure d’hydrogène est converti en soufre élémentaire, qui est beaucoup plus facile à stocker et à transporter. Le processus principal utilisé pour convertir H2S au soufre élémentaire est le procédé Claus, du nom du chimiste allemand Carl Friedrich Claus, qui l’a inventé en 1883.

Le procédé Claus est un procédé en deux parties : une étape thermique, où le sulfure d’hydrogène est brûlé dans une atmosphère d’oxygène, et une étape catalytique qui augmente le rendement en soufre. L’étape thermique est extrêmement exothermique et se déroule à l’intérieur de ce qu’on appelle un four Claus, qui est une chambre solide doublée d’un matériau réfractaire pour résister à des températures supérieures à 1 050 °C, nécessaires pour brûler les produits indésirables qui obstrueront l’aval. lit catalytique. La réaction globale de l’étape thermique ressemble à ceci :

bf 2 H_{2}S + 3 O_{2} rightarrow 2 SO_{2} + 2 H_{2}O

bf 2 H_{2}S + SO_{2} rightarrow 3 S + 2 H_{2}O

En raison des températures élevées à l’intérieur du four Claus, le soufre produit par l’étape thermique est une vapeur. L’étape thermique est responsable de l’essentiel de la production de soufre, environ 60 à 70 %. Pour augmenter le rendement, la vapeur riche en soufre issue de l’étape thermique est introduite dans une série de réchauffeurs et de convertisseurs catalytiques. Les réchauffeurs sont utilisés pour s’assurer que la vapeur de soufre ne se condense pas dans un liquide, tandis que le sulfure d’hydrogène et le dioxyde de soufre restants de l’étape thermique réagissent sur des lits mixtes de catalyseur d’alumine et de titane pour produire plus de vapeur de soufre, ainsi que de l’eau, essentiellement en répétant la deuxième étape de la réaction ci-dessus pour essorer le dernier petit morceau de soufre de la matière première. Le gaz résiduaire de l’unité de récupération du soufre (SRU), comme l’équipement de procédé Claus est collectivement connu, doit encore être lavé avant d’être rejeté, mais en général, environ 95 à 99,9 % du soufre dans la charge d’alimentation est récupéré sous forme de soufre élémentaire.

Bonbons au citron interdits

Jusqu’à présent, tous les procédés utilisés ont été à des températures suffisamment élevées pour que le soufre élémentaire soit en phase gazeuse. Mais à ce stade, la condensation de la vapeur dans un liquide facilite la manipulation. Le soufre est un liquide visqueux rouge-orange foncé à 125°C, une température facile à atteindre et à maintenir industriellement, ce qui signifie que le soufre liquide peut être pompé autour des usines dans des conduites chauffées et isolées. Le soufre liquide peut même être expédié sur de courtes distances dans des camions-citernes isolés, mais pour stocker et transporter une grande quantité de soufre, il doit être reconverti en solide.

Le soufre solide est assez facile à fabriquer. Le soufre liquide chaud est pompé dans une machine appelée rotoformeuse, qui est essentiellement un gros cylindre perforé. Le soufre liquide s’écoule des trous lorsque le cylindre tourne et est extrudé sur une bande transporteuse en acier sous forme de petits points liquides. L’eau pulvérisée sur la face inférieure de la ceinture refroidit le soufre, qui se solidifie en petits morceaux jaunes qui ressemblent à des gouttes de citron. En fait, ces petites pépites de soufre sont appelées « pastilles », en clin d’œil à leur allure confiserie. Une ligne de rotoformeuse peut fabriquer plusieurs tonnes de pastilles par jour, et le soufre est empilé dans les montagnes avant d’être chargé sur des cargos en vrac ou des trains pour l’expédition.

Le roi des produits chimiques

Mais à quoi servent tous ces trucs ? Le soufre élémentaire a de nombreuses utilisations industrielles – la vulcanisation du caoutchouc pour les pneus vient à l’esprit – mais la majorité du soufre est transformée en un seul produit extrêmement utile : l’acide sulfurique. Environ 256 millions de tonnes d’acide sulfurique ont été fabriquées en 2020; certaines estimations évaluent la demande future à 400 millions de tonnes par an. La plupart de l’acide sulfurique entre directement dans la fabrication d’engrais, où il est utilisé pour dissoudre les minéraux phosphatés en acide phosphorique, la matière première des engrais phosphatés. L’acide sulfurique est également utilisé pour fabriquer des colorants, des produits pharmaceutiques, des plastiques, des encres, des explosifs et, bien sûr, des batteries de voiture. Il est connu comme « le roi des produits chimiques » pour de très bonnes raisons.

L’acide sulfurique est fabriqué dans un processus qui ressemble à une version inverse des réactions utilisées pour l’éliminer du gaz naturel et du pétrole brut. Il existe deux procédés principaux, le procédé par contact et le procédé à l’acide sulfurique par voie humide. Les deux sont très similaires et commencent par brûler du soufre élémentaire dans une atmosphère d’oxygène pour créer du dioxyde de soufre (SO2), puis en poursuivant l’oxydation des produits par passage sur un catalyseur d’oxyde de vanadium(V). Cela ajoute un autre oxygène et produit du trioxyde de soufre (SO3), qui est ensuite converti en acide sulfurique, ou H2ALORS4:

bf S + O_{2} rightarrow SO_{2}

bf 2 SO_{2} + O_{2} rightleftharpoons 2 SO_{3}

bf SO_{3} + H_{2}Orightarrow H_{2}SO_{4}

Soufre Sans Carbone ?

Le statut royal de l’acide sulfurique dans le monde de la chimie n’est pas seulement honorifique – c’est vraiment une indication de la puissance industrielle d’une nation. Sans acide sulfurique, la plupart des processus industriels dans le monde s’arrêteraient rapidement, laissant l’humanité affamée, nue, malade et sans eau potable. Donc, un approvisionnement continu en soufre, et donc en soufre, est essentiel pour maintenir le bon fonctionnement de la vie telle que nous la connaissons.

Mais, comme la production de soufre est devenue si étroitement liée à la production de combustibles fossiles, nous sommes potentiellement confrontés à un avenir où le soufre se raréfiera grâce à la décarbonisation. Il existait des méthodes d’extraction du soufre avant que l’industrie pétrolière ne fasse du soufre essentiellement un sous-produit libre; la méthode Frasch utilisait de la vapeur à haute pression injectée dans des trous de forage creusés dans des formations naturelles où d’anciens microbes réduisaient le soufre environnemental et laissaient d’énormes dépôts de soufre élémentaire. Mais cette méthode est beaucoup plus coûteuse que les méthodes actuelles de récupération du soufre et a un coût environnemental élevé qui pourrait être difficile à avaler.

Une chose est sûre, cependant : pour que la société industrielle moderne perdure, le soufre doit couler. Comment il est extrait en toute sécurité et à moindre coût dans un monde décarboné sera un défi d’ingénierie intéressant.