Procédé Solvay

Réaction clé

Conditions opératoires

Température

30-60 (carbonatation) ; 200 (calcination NaHCO₃) ; 1000 (four à chaux)°C

Pression

1-3bar

Catalyseur

NH₃ (porteur recyclé à >99 %)

Phase

liquid + solid + gas

Schéma de fonctionnement

Comment ça marche

Composants clés

Le rôle de chaque pièce maîtresse, et les éléments / composés qu'elle met en jeu.

• Four à chaux

  Calcine le calcaire pour fournir le CO₂ et la chaux vive nécessaires au reste du procédé.

  Four vertical à cuve (~25 m de haut) ou four rotatif, alimenté en calcaire et combustible (coke, gaz naturel) à 900-1100 °C. Produit deux flux : CO₂ chaud (~40 %) envoyé à la tour Solvay et CaO solide envoyé au régénérateur d'ammoniac. C'est le poste le plus émetteur en CO₂ direct du procédé.

  900-1100 °C · CO₂ ~40 % · CaO chaud

  Voir aussi :caco3caoco2

• Tour d'absorption d'ammoniac

  Sature la saumure (NaCl) avec de l'ammoniac avant la carbonatation.

  Tour à plateaux ou à garnissage où la saumure descend à contre-courant d'un flux d'NH₃ gazeux issu du régénérateur. La saumure ammoniacale sortante contient ~80 g/L de NH₃ et est refroidie à 10-15 °C avant d'entrer dans la tour Solvay (la solubilité du NaHCO₃ diminue à froid, ce qui aide la précipitation).

  Contre-courant · ~80 g/L NH₃ · refroidissement à 10-15 °C

  Voir aussi :nh3nacl

• Tour Solvay (carbonatation)

  Réacteur clé du procédé — fait précipiter NaHCO₃ par injection de CO₂ dans la saumure ammoniacale.

  Tour cylindrique de 20-25 m de haut, refroidie par serpentin externe. La saumure ammoniacale entre par le haut, le CO₂ par le bas. Au cours de la descente, NaHCO₃ précipite progressivement et la suspension est extraite par le bas. Conversion typique du Na : ~75 %. Le rendement est limité par la solubilité résiduelle de NaHCO₃ et par les pertes en NH₃ — la cinétique de la précipitation gouverne la productivité.

  20-25 m · contre-courant · conversion Na ~75 % · cooling externe

  Voir aussi :nahco3nh3co2

• Calcinateur du bicarbonate

  Décompose NaHCO₃ filtré en Na₂CO₃ pur, libérant CO₂ et H₂O réutilisés.

  Four rotatif horizontal à 200 °C ou « steam dryer » (chauffage indirect par vapeur). Le CO₂ recueilli est compressé et réintroduit dans la tour Solvay — c'est la seconde source interne de CO₂. Le Na₂CO₃ obtenu est dit « light soda » (densité 0,5) et peut être densifié en « dense soda » par hydratation/calcination.

  200 °C · four rotatif ou steam dryer · CO₂ recyclé

  Voir aussi :nahco3na2co3

• Régénérateur d'ammoniac

  Récupère NH₃ du NH₄Cl résiduel par traitement à la chaux, fermant la boucle catalytique.

  Colonne de distillation où la solution résiduelle (NH₄Cl + NH₄HCO₃) est mise en contact avec du lait de chaux Ca(OH)₂ chaud (~100 °C). L'ammoniac volatil est strippé par la vapeur d'eau, recompressé et renvoyé à la tour d'absorption. Le résidu liquide CaCl₂ + H₂O est rejeté. Pertes typiques d'NH₃ : ~3 kg/t Na₂CO₃ — décisives pour l'économie du procédé.

  Colonne de strippage à la vapeur · pertes NH₃ ~3 kg/t Na₂CO₃

  Voir aussi :nh3ca-oh-2cacl2

Principes physico-chimiques

Les lois fondamentales qui rendent ce procédé possible — et les contraintes qu'elles imposent.

• Catalyseur stœchiométrique recyclé

  L'ammoniac est utilisé en quantités stœchiométriques (pas catalytiques au sens strict) mais entièrement régénéré en fin de cycle. C'est ce qui distingue Solvay du procédé Leblanc qu'il a remplacé : Leblanc consommait l'acide sulfurique et générait HCl + Na₂S déchets, Solvay ne consomme que NaCl + CaCO₃ et ne produit que CaCl₂ comme déchet.

  S'applique aux composants :regenerateur-nh3

• Précipitation sélective

  À 10-15 °C en présence de NH₄Cl, NaHCO₃ devient le moins soluble des sels du système (effet d'ion commun pour HCO₃⁻ et baisse de solubilité avec la T). C'est ce gradient de solubilité qui permet d'isoler le bicarbonate sans devoir évaporer le solvant — économie d'énergie majeure du procédé.

  S'applique aux composants :tour-solvay

Composés impliqués

Le déchet CaCl₂ et l'empreinte CO₂

• Récupération de chaleur des fours à chaux (préchauffage saumure)
• Valorisation CaCl₂ en saumure de forage pétrolier
• Substitution partielle par carbonate naturel (Wyoming, Turquie)
• Intégration avec capture CO₂ industrielle (CO₂ devient input plutôt qu'émission)

Procédés similaires ou concurrents

Procédés industriels apparentés — autre voie chimique, autre filière technologique.

• haber-bosch

  Source de l'ammoniac d'appoint — les pertes Solvay (~3 kg NH₃/t) sont compensées par de l'NH₃ Haber-Bosch.

Histoire et découverte