Acide phosphorique par voie humide

L'acide phosphorique par voie humide désigne la production d'acide phosphorique (H3PO4) par décomposition de minéraux phosphatés au moyen d'un acide minéral. Contrairement à la voie thermique, qui part du phosphore élémentaire obtenu par réduction électrothermique de la roche phosphatée, la voie humide procède directement à l'attaque acide du minerai. Dans l'Union européenne, cette filière représente environ 95 % de la production totale d'acide phosphorique^[1]. La préférence pour la purification par extraction au solvant plutôt que pour la voie thermique s'explique par les coûts énergétiques^[1]. L'acide sulfurique constitue l'agent d'attaque privilégié en raison de son volume de production ; l'acide nitrique ou l'acide chlorhydrique ne trouvent qu'une application marginale^[1].

Principales variantes de procédé

L'attaque par H2SO4 donne naissance à plusieurs technologies différenciées principalement par la forme cristalline du sulfate de calcium coproduit. Le procédé dihydraté (DH) cristallise le gypse sous forme de dihydrate (CaSO4·2H2O) et constitue la technique la plus répandue. Il délivre une solution d'acide relativement diluée, titrant 26 à 32 % de P2O5, et présente un rendement en P2O5 de 94 à 96 %^[2]. Le procédé hémihydraté (HH) forme du sulfate de calcium semi-hydraté (CaSO4·0,5H2O). Des procédés de recristallisation combinent plusieurs étapes pour améliorer le rendement. Les techniques de double filtration ou de repulpation permettent de réduire les pertes de P2O5 contenues dans le gypse filtré^[3]. Une version modifiée du procédé dihydraté, avec double attaque et allongement du temps de séjour, atteint un rendement moyen supérieur à 97,5 %^[2].

Consommations et rendements

La fabrication d'une tonne de P2O5 par voie humide consomme généralement de 2,6 à 3,5 tonnes de roche phosphatée selon la composition du minerai^[4]. L'acide sulfurique requis se situe dans une fourchette de 2,4 à 2,9 tonnes par tonne de P2O5^[4]. Pour l'eau de procédé, une installation donnée utilise 3,6 à 4 mètres cubes par tonne de P2O5, hors eau de laveur ; d'autres configurations consomment 4 à 7 mètres cubes selon la concentration de l'acide faible obtenu au filtre^[4]. Les installations existantes doivent viser un rendement en P2O5 de 94,0 à 98,5 %, tandis que les unités neuves doivent atteindre 98,0 % au minimum, de préférence par recristallisation avec double filtration^[3]. Selon le document de référence européen, la concentration commerciale principale de l'acide se situe à 52-54 % de P2O5^[5].

Coproduits et environnement

Le principal sous-produit du procédé est le phosphogypse, sulfate de calcium issu de la réaction, qui se présente sous forme de dihydrate ou d'hémihydrate selon la technologie retenue. Ce matériau, contenant encore des traces de P2O5 et d'impuretés métalliques issues de la roche, fait l'objet d'un stockage spécifique. Le recyclage des eaux de drainage du tas de phosphogypse vers le procédé constitue une pratique courante dans l'industrie^[2]. Les émissions de P2O5 dans l'atmosphère sont maîtrisées par séparateurs d'entraînement, notamment sur refroidisseurs à détente sous vide et évaporateurs sous vide, ainsi que par des pompes à anneau liquide avec recyclage du liquide de joint^[3]. La sélection de la roche phosphatée et le broyage préalable influencent directement les performances du procédé et la qualité de l'acide obtenu^[3].

Intégration dans la chaîne des phosphates

L'acide phosphorique par voie humide constitue l'intermédiaire incontournable des principaux engrais phosphatés. Le DAP (18 % N, 46 % P2O5), le MAP (11 % N, 52 % P2O5) et le TSP (46 % P2O5) en dérivent tous, par réaction avec l'ammoniac ou la roche phosphatée^[6]. En 2023, la production mondiale de roche phosphatée s'est élevée à 216 Mt, dont 30 Mt exportées ; la production d'acide phosphorique a atteint 85 Mt^[6]. Aux États-Unis, plus de 95 % de la roche phosphatée extraite alimente la production d'acide phosphorique par voie humide et d'acide superphosphorique, eux-mêmes transformés en engrais ammoniacaux phosphatés granulés ou liquides et en compléments alimentaires animaux ; environ 25 % de l'acide produit sont exportés sous forme de DAP, MAP, acide marchand ou autres produits phosphatés^[7]. L'acide purifié par extraction au solvant sert à la fabrication de phosphates alimentaires et de phosphates industriels (sels de sodium, potassium, calcium, ammonium), bien que cette voie soit aujourd'hui peu représentée en Europe^[8].