Etude de la synthèse de zéolithe dans l'usine de production de Prayon Engis

Abstract

Le but de ce TFE était d’étudier les conditions de synthèses de la zéolithe X (structure FAU) à Zéoline (usine de production de Prayon) situé à Engis. La fabrication de la zéolithe y est réalisée en mélangeant une solution de silicate de sodium et une solution d’aluminate de sodium. Lors du mélange de ces solutions, on obtient un précipité amorphe qui cristallisera par chauffage en quelques heures. La structure cristallographique se développant dans la matière amorphe, il est important de maitriser sa composition. Lors de certaines campagnes de production, de la zéolithe A (structure LTA) se formait. L’objectif de ce TFE était de déterminer pourquoi cette phase indésirable se développait dans le cristallisoir. Ce TFE s’est déroulé en trois étapes : recherches bibliographiques sur les mécanismes de synthèse des zéolithes, développement d’un mode opératoire et essais au laboratoire, enfin une étude de l’écoulement dans le cristallisoir a été réalisée. Il ressort de ce travail qu’il existe deux causes possibles pour l’apparition de zéolithe A dans le cristallisoir : - Si le cristallisoir contient un résidu de zéolithe A d’un batch précédent (ce qui est le cas car les cristallisoirs ne sont pas lavés), la zéolithe A présente va avoir pour effet de diriger la cristallisation vers la structure LTA au détriment de la structure FAU. - L’étude de l’écoulement montre que le mélange dans le cristallisoir n’est pas optimal. La réaction de précipitation a lieu en quelques secondes alors que le temps d’homogénéisation est d’environ 40 secondes. Si des hétérogénéités de concentrations locales sont présentes, alors la matière amorphe précipite avec une composition défavorable à la formation de la zéolithe X.

The goal of this master’s thesis was to study the synthesis conditions of the type X zeolite (FAU structure) at the Zéoline production plant (owned by Prayon) located at Engis. The production of zeolites is done by mixing a solution of sodium silicate with a solution of aluminum silicate. When the two solutions are mixed, an amorphous precipitate is formed. This precipitate is then heated up to be crystallized. Since the crystallographic structure is formed inside the amorphous phase, its composition must be precise in order to obtain the desired structure. In some production batches, type A zeolites (LTA structure) have developed. The goal of this master’s thesis was to determine why this unwanted structure could appear inside the reactors. This work was accomplished in three steps: bibliographic researches, developing a scale down version of the industrial process and conducting experiments in the lab, finally a study of the flow inside the reaction vessel was performed. There are two possibilities that can explain why type A zeolite develops in the reaction vessel: - If a residue of type A zeolites are present inside the vessel during the crystallization of type X zeolite (which is the case because the vessel is not cleaned between batches), the type A zeolite will influence the formation of the crystalline structures. More type A zeolite will develop instead of the wanted type X. - The flow study showed that the mixing of the reactants is not optimal. Since the precipitation reaction is faster than the characteristic mixing time, heterogeneities can lead to local concentration gradients which will be present inside the amorphous precipitate. Since the composition is not favorable to type X zeolite, the A type zeolite will develop.