Les principaux types d’engrais : aperçu de leurs process chimiques.

L’industrie des engrais transforme les matières premières en trois principaux types d’engrais : l’azote (ammoniac), le phosphore et le potassium. Ces diverses applications nécessitent des procédés chimiques avec un contrôle précis et une surveillance exacte de la température, de la pression, du niveau et du débit.

La population mondiale devrait atteindre 10,9 milliards d’habitants d’ici la fin du siècle. Cette pression pousse les producteurs à augmenter le rendement des cultures, ce qui constitue une approche plus écologique de la production alimentaire que la déforestation. Si l’on ajoute à cela la demande de biocarburants, dont une grande partie provient actuellement des cultures, il apparaît clairement que les besoins en engrais chimiques sont plus importants que jamais.

Chaque année, l’industrie des engrais transforme des millions de tonnes de matières premières – air, gaz naturel et minerais extraits – en produits qui fournissent aux plantes trois nutriments essentiels : l’azote, le phosphore et le potassium.

Trois grandes catégories d’engrais

1. Les engrais à base de nitrate
Les engrais à base d’azote, le groupe le plus grand et le plus important, sont fabriqués en plusieurs étapes. Les matières premières sont l’azote de l’air et l’hydrogène du gaz naturel/méthane (CH4). Lorsqu’ils sont mélangés à haute température et sous pression, le produit qui en résulte est l’ammoniac (NH3). Ce produit intermédiaire est oxydé pour produire de l’acide nitrique (HNO3), ce qui donne les engrais minéraux que sont le nitrate d’ammonium (AN) et, mélangé au CO2, l’urée. Un troisième type d’engrais azoté est le nitrate d’ammonium et d’urée (UAN), obtenu en mélangeant du nitrate d’ammonium, de l’urée et de l’eau.

2. Les engrais phosphorés
Ce groupe d’engrais provient de la roche phosphatée, un minerai exploité. Lorsque le concentré de phosphate est traité à l’acide sulfurique (H2SO4), il devient soit du superphosphate simple (SSP), soit de l’acide phosphorique. Cet acide est mélangé à de l’ammoniac pour produire du phosphate monoammonique (MAP) ou du phosphate diammonique (DAP). L’engrais triple superphosphate (TSP) peut être fabriqué en concentrant l’acide phosphorique ou en concentrant davantage le phosphate.

3. Les engrais potassiques
Cet engrais est également dérivé d’un minerai exploité : la roche potassique, un amalgame de carbonate de potassium et de sels de potassium. Le processus de fabrication des engrais potassiques commence par la concentration de la potasse, puis son traitement pour obtenir une solution de chlorure de potassium. Cette solution donne du muriate de potasse (MOP), du nitrate de potassium (KN) mélangé à de l’acide nitrique et du sulfate de potasse (SOP) mélangé à de l’acide sulfurique.

Les défis des procédés dans l’industrie des engrais

Tout au long des différents process, la production d’engrais nécessite un contrôle et une surveillance précis des températures et des pressions élevées, ainsi que du niveau et du flux des matières premières et des catalyseurs. De plus, les engrais et les catalyseurs étant caustiques, les instruments de mesure doivent être capables de résister aux milieux et aux conditions difficiles.

Chaque process présente des défis spécifiques. Au cœur de la production d’engrais se trouve la demande de sécurité, de fiabilité et d’efficacité.

Les défis de la production d’ammoniac.

Engrais à base d’azote : procédé de production de gaz de synthèse et d’ammoniac à partir de gaz naturel

La plupart des fabricants d’ammoniac utilisent aujourd’hui le procédé Haber-Bosch, qui nécessite des pressions extrêmement élevées, des températures modérément élevées et des catalyseurs pour provoquer une réaction chimique. L’un des principaux défis consiste à trouver le bon équilibre entre la pression et la température afin d’augmenter la cinétique de la réaction entre l’azote et l’hydrogène pour atteindre la conversion d’ammoniac visée.

Une méthode de plus en plus populaire pour obtenir de l’ammoniac, en raison de sa nature renouvelable, est le traitement électrochimique par électrolyse. Selon le type d’électrolyte utilisé, ce procédé implique également des conditions de température et de pression moyennes à élevées pour la conversion de l’ammoniac.

Les défis de la production d’acide phosphorique.

L’acide phosphorique est fabriqué selon deux procédés. Le procédé « humide » donne un acide de moindre pureté. Cependant, cet acide plus faible est couramment utilisé comme engrais sans qu’il soit nécessaire de le traiter davantage ou de le soumettre à une réaction thermique pour produire un acide plus pur.

Dans le procédé humide, de l’acide sulfurique concentré est ajouté à la roche phosphatée dans une série de réacteurs bien agités, suivi d’une filtration pour séparer les sous-produits. Enfin, l’évaporation augmente la concentration d’acide phosphorique pour produire un engrais de qualité commerciale. L’un des principaux défis du procédé humide est la nature hautement corrosive de l’acide sulfurique utilisé dans la réaction.

L’autre méthode de fabrication de l’acide phosphorique est le procédé thermique. Le phosphore est brûlé dans l’air à une température d’environ 1500°C à 2700°C, suivi d’une hydratation directe à la vapeur pour obtenir de l’acide phosphorique d’une concentration d’environ 85 %. Les phosphates, les sels de l’acide phosphorique, peuvent être traités ultérieurement en combinaison avec de l’ammoniac pour obtenir différents composés fertilisants. L’un des principaux défis du procédé thermique réside dans les conditions extrêmement corrosives créées pendant la production.

Les défis de la production de chlorure de potassium

Les engrais potassiques sont obtenus à partir de minerais exploités. Tout d’abord, les minerais de potassium sont injectés avec de l’eau chaude pour créer la saumure utilisée comme matière première. Vient ensuite une étape d’évaporation à l’aide d’un thermocompresseur, suivie d’une série de cristallisations à température et pression progressivement plus basses pour récupérer le chlorure de potassium, le produit intermédiaire clé. L’un des plus grands défis de la production de KCl est de maintenir des profils de pression et de température précis pour l’efficacité du système. Le débit d’eau est également un paramètre important à contrôler, car il garantit la pureté du produit et la taille des grains.

Les producteurs d’engrais redoublent d’efforts pour améliorer leurs performances afin de devenir une industrie plus sûre, plus fiable et plus respectueuse de l’environnement. Cet objectif ne pourra être atteint qu’avec une instrumentation innovante et performante pour le contrôle des process.

WIKA, la pression et la température sur-mesure