Procédé de contact
# Procédé de contact

Le procédé de contact est le mode de production industrielle d'acide sulfurique concentré actuellement le plus employé dans le monde. Il consiste essentiellement à catalyser, aujourd'hui par du pentoxyde de vanadium $V_2O_5,$ l'oxydation de dioxyde de soufre $SO_2$ en trioxyde de soufre $SO_3$ et à récupérer ce dernier dans l'acide sulfurique $H_2SO_4$ pour former un oléum à forte teneur en acide disulfurique $H_2S_2O_7,$ lequel donne deux molécules d'acide sulfurique par hydratation.

## Historique

Le procédé a été développé initialement en 1831 par Peregrine Phillips pour remplacer le procédé des chambres de plomb, il utilisait du platine comme catalyseur. En 1921, Eugen de Haen met au point les catalyseurs à base d'oxyde de vanadium, moins chers que le platine, qui sont toujours utilisés aujourd'hui.

## Procédé de contact

Ce procédé se décompose en trois étapes :

* purification du dioxyde de soufre $SO_2,$
* oxydation du dioxyde de soufre en trioxyde de soufre $SO_3$ à l'aide de pentoxyde de vanadium $V_2O_5,$
* conversion du trioxyde de soufre en acide sulfurique $H_2SO_4.$

### Purification du dioxyde de soufre

La purification du $SO_2$ est nécessaire pour éviter l'empoisonnement du catalyseur de l'étape n° 2 par des impuretés ou des poussières, le gaz doit aussi être parfaitement sec. Les étapes de purification dépendent de l'origine du $SO_2:$ combustion de soufre ou de $H_2S,$ grillage de sulfures. On utilise en général un filtre électrostatique pour capturer les poussières, puis une tour de lavage par de l'acide sulfurique concentré qui absorbe l'humidité.

### Oxydation en trioxyde de soufre par le pentoxyde de vanadium(V)

On utilisait autrefois comme catalyseur du platine plutôt que du vanadium, un peu moins efficace, mais le platine est plus cher et est plus facilement inhibé par des impuretés. Le mécanisme de la réaction d'oxydation catalysée par le pentoxyde de vanadium $V_2O_5$ est le suivant :

    a) 2 $SO_2$ + 4 $V^{5+}$ + 2 $O^{2−}$ → 4 $V^{4+}$ + 2 $SO_3,$
    b) 4 $V^{4+}$ + $O_2$ → 4 $V^{5+}$ + 2 $O^{2−},$

la réaction globale s'écrivant :

    2 $SO_{2(g)}$ + $O_{2(g)}$ $\rightleftharpoons$ 2 $SO_{3(g)}$ : ΔH = −197 kJ $mol^{−1}.$

On atteint 96 % de rendement chimique avec $V_2O_5$ en maintenant une température de 450 °C et une pression de 100 à 200 kPa ; le catalyseur ne sert qu'à optimiser la cinétique de la réaction, mais n'en déplace pas l'équilibre.

Le catalyseur $V_2O_5$ forme un complexe $[(VO)_2O(SO_4)_4]^{4−}$ avec $SO_2$ au cours de la réaction :

### Addition à de l'acide sulfurique pour former un oléum

Le trioxyde de soufre est ensuite refroidi dans un échangeur thermique et recueilli dans une tour d'absorption où il est dissous dans de l'acide sulfurique concentré afin de produire de l'oléum :

    $H_2SO_{4(l)}$ + $SO_{3(g)}$ → $H_2S_2O_{7(l)},$

qui peut être ensuite hydraté pour libérer de l'acide sulfurique, avec un rendement moyen de 30 % :

    $H_2S_2O_{7(l)}$ + $H_2O_{(l)}$ → 2 $H_2SO_{4(l)}.$

## Procédé DCDA

L'une des difficultés de ce procédé est liée à trois phénomènes:

* la réaction est fortement exothermique comme indiqué dans le paragraphe précédent,
* même avec un catalyseur, il faut une température relativement élevée pour que la vitesse de réaction soit assez élevée pour obtenir un bon rendement de conversion,
* plus la température est élevée, plus l'équilibre 2 $SO_{2(g)}$ + $O_{2(g)}$ = 2 $SO_{3(g)}$ est favorisé dans le sens inverse.

Donc l'avancement de la réaction, en augmentant la température et le quotient réactionnel, atteint rapidement une limite correspondant à l'équilibre.

Pour pallier ce problème, le procédé de « double contact double absorption » (DCDA) est une amélioration du procédé de contact consistant à faire passer le $SO_2$ successivement dans deux unités successives constituées chacune d'un convertisseur catalytique au $V_2O_5$ suivi d'une tour d'absorption dans $H_2SO_4$ :

* Le $SO_2$ est oxydé en $SO_3$ par $V_2O_5$ dans le premier convertisseur catalytique.
* Le mélange gazeux $SO_2-SO_3$ circule à travers la première tour d'absorption au $H_2SO_4$ où $SO_3$ est absorbé sous forme de $H_2S_2O_7$ tandis que $SO_2$ traverse la tour sans réagir.
* Le $SO_2$ qui a traversé la première tour est refroidi puis oxydé en $SO_3$ dans le second convertisseur catalytique.
* Le mélange gazeux $SO_2-SO_3$ issu du second convertisseur circule à travers la seconde tour d'absorption où $SO_3$ est absorbé sous forme de $H_2S_2O_7.$

Les étapes d'absorption permettent d'éliminer le trioxyde de soufre dans le mélange réactionnel, ce qui diminue le quotient réactionnel et favorise la réaction dans le sens direct. De plus, chaque convertisseur catalytique est constitué de quatre lits de catalyseurs successif. Entre chaque lit, le refroidissement des gaz permet de garder une température pas trop élevée, ce qui évite de déplacer l'équilibre dans le sens inverse. Cette façon de procéder conduit à un rendement chimique global pouvant atteindre 99,8 % de conversion de $SO_2$ en $SO_3.$

