Nous examinons deux grands procédés catalytiques en milieu hétérogène, utilisant des
mélanges gazeux et des catalyseurs solides. Le premier traite de la synthèse de l’ammoniac, le second décrit le procédé Fischer-Tropsch de fabrication d ’hydrocarbures. Pour
les réactions décrites, il est difficile d’établir un bilan stœchiométrique car de nombreux
produits secondaires sont formés.
1. La synthèse de l’ammoniac
L’ammoniac est l’un des cinq plus grands composés de base produits par l’industrie
chimique, avec environ 136 Mt/an (en 2008), pour une capacité totale de 160 Mt/an.
Plus des 2/3 de l’ammoniac produit servent à fabriquer des engrais azotés (nitrates). Une
partie importante est également utilisée sous forme d’urée et d ’explosifs. C ’est l’un des
plus anciens procédés catalytiques industriels et il fonctionne sur la même base depuis
1913, sous le nom de « procédé Haber-Bosch ». De nombreuses modifications ont été
apportées au fil du temps, portant sur le catalyseur et la pureté des réactifs. Nous en
exposons les aspects contemporains.
La synthèse a lieu selon la réaction équilibrée :
La catalyse hétérogène
N^ + 3H^
2NH.
( 1)
T J
O
c
rj
û
kD
O
rs]
>C L
O
U
L’une des principales difficultés consiste à obtenir des gaz aussi purs que possible.
L’azote provient de l’air, et l’hydrogène, initialement obtenu à partir de la réaction du
« gaz à l’eau » selon ;
CO + H p
CO^ + H,
est aujourd’hui préparé à partir du méthane :
CH^ -h n p ^ C O + U^
en utilisant des catalyseurs à base d’oxyde de nickel (NiO).
La réaction a lieu sous une pression de 15 à 25 MPa (1 MPa = 10^ Pa ~ 10 atmosphères) à une température comprise entre 300 et 500 °C. L’accroissement de pression
favorise le déplacement de l’équilibre ( 1) vers la formation de NH^.
La composition du catalyseur est complexe. Il est formé à partir de fer métallique
dispersé dans de la magnétite (oxyde de fer), en présence de calcium (Ca), d ’alumine
(AI2O2) et de potassium (K). On obtient ainsi une sorte d’éponge ayant une très grande
surface spécifique, favorisant le contact entre les gaz et le catalyseur.
• Synthèse de l’acide nitrique L’ammoniac est d ’abord oxydé en monoxyde d’azote,
en présence d ’un catalyseur constitué de rhodium (Rh) et de platine (Pt) :
4NH^ + ^^2 — ^ bH^O -i- 4NO
(2)
NO est ensuite oxydé en dioxyde d’azote : 2NO + 0 2 ^ 2NO2, puis :
3NO2 + H2O
2 HNO3 -h NO
(3)
L’acide nitrique est ensuite conservé en solution aqueuse.
374
mélanges gazeux et des catalyseurs solides. Le premier traite de la synthèse de l’ammoniac, le second décrit le procédé Fischer-Tropsch de fabrication d ’hydrocarbures. Pour
les réactions décrites, il est difficile d’établir un bilan stœchiométrique car de nombreux
produits secondaires sont formés.
1. La synthèse de l’ammoniac
L’ammoniac est l’un des cinq plus grands composés de base produits par l’industrie
chimique, avec environ 136 Mt/an (en 2008), pour une capacité totale de 160 Mt/an.
Plus des 2/3 de l’ammoniac produit servent à fabriquer des engrais azotés (nitrates). Une
partie importante est également utilisée sous forme d’urée et d ’explosifs. C ’est l’un des
plus anciens procédés catalytiques industriels et il fonctionne sur la même base depuis
1913, sous le nom de « procédé Haber-Bosch ». De nombreuses modifications ont été
apportées au fil du temps, portant sur le catalyseur et la pureté des réactifs. Nous en
exposons les aspects contemporains.
La synthèse a lieu selon la réaction équilibrée :
La catalyse hétérogène
N^ + 3H^
2NH.
( 1)
T J
O
c
rj
û
kD
O
rs]
>C L
O
U
L’une des principales difficultés consiste à obtenir des gaz aussi purs que possible.
L’azote provient de l’air, et l’hydrogène, initialement obtenu à partir de la réaction du
« gaz à l’eau » selon ;
CO + H p
CO^ + H,
est aujourd’hui préparé à partir du méthane :
CH^ -h n p ^ C O + U^
en utilisant des catalyseurs à base d’oxyde de nickel (NiO).
La réaction a lieu sous une pression de 15 à 25 MPa (1 MPa = 10^ Pa ~ 10 atmosphères) à une température comprise entre 300 et 500 °C. L’accroissement de pression
favorise le déplacement de l’équilibre ( 1) vers la formation de NH^.
La composition du catalyseur est complexe. Il est formé à partir de fer métallique
dispersé dans de la magnétite (oxyde de fer), en présence de calcium (Ca), d ’alumine
(AI2O2) et de potassium (K). On obtient ainsi une sorte d’éponge ayant une très grande
surface spécifique, favorisant le contact entre les gaz et le catalyseur.
• Synthèse de l’acide nitrique L’ammoniac est d ’abord oxydé en monoxyde d’azote,
en présence d ’un catalyseur constitué de rhodium (Rh) et de platine (Pt) :
4NH^ + ^^2 — ^ bH^O -i- 4NO
(2)
NO est ensuite oxydé en dioxyde d’azote : 2NO + 0 2 ^ 2NO2, puis :
3NO2 + H2O
2 HNO3 -h NO
(3)
L’acide nitrique est ensuite conservé en solution aqueuse.
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