Chemistry Labs

Chimie industrielle et appliquée

Production de H₂SO₄, NH₃ (Haber–Bosch), HNO₃, NaOH

Quatre voies industrielles fondamentales montrent comment équilibre, catalyse, séparation et recyclage s’articulent dans la fabrication chimique continue.

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IntuitionDes réactions aux schémas de procédé

Une usine ne se résume pas à un grand réacteur. Préparation des charges, échange thermique, conversion catalytique, récupération des produits et recyclage doivent fonctionner comme un système couplé. Ces quatre voies rendent cette approche concrète.

ScolaireBases scolaires : équilibrer et conserver

Équilibrer une équation industrielle exprime la conservation des atomes, mais ne décrit pas tout le procédé. La synthèse de l’ammoniac consomme par exemple trois moles d’hydrogène par mole d’azote ; une usine doit aussi purifier les charges, évacuer la chaleur et séparer le produit.

UniversitaireProcédé de contact : acide sulfurique

Le soufre est brûlé en SO₂, puis oxydé en SO₃ sur un catalyseur au vanadium. Cette oxydation exothermique limitée par l’équilibre exige des lits catalytiques étagés et un refroidissement intermédiaire. L’absorption du SO₃ dans l’acide concentré évite l’aérosol difficile à maîtriser qu’entraînerait une hydratation directe.

2 SOX2+OX2⇌2 SOX3,SOX3+HX2O→HX2SOX4\ce{2SO2 + O2 <=> 2SO3},\qquad \ce{SO3 + H2O -> H2SO4}

UniversitaireHaber–Bosch : synthèse de l’ammoniac

L’azote et l’hydrogène purifiés réagissent sur un catalyseur à base de fer sous pression et à température élevée. La synthèse étant exothermique, une température plus basse favorise le rendement d’équilibre, tandis qu’une température plus élevée accélère son établissement. Le procédé arbitre entre ces effets, condense l’ammoniac et recycle les gaz non convertis.

NX2+3 HX2⇌2 NHX3,Qp=pNHX32pNX2pHX23\ce{N2 + 3H2 <=> 2NH3},\qquad Q_p=\frac{p_{\ce{NH3}}^2}{p_{\ce{N2}}p_{\ce{H2}}^3}

Définition: Pourquoi le recyclage est essentiel

Il n’est pas nécessaire de convertir toute la charge en un seul passage. Séparer le produit et renvoyer les réactifs non consommés améliore l’utilisation globale sans supposer une conversion complète à l’équilibre en une passe.

UniversitaireProcédés Ostwald et chlore-soude

Le procédé Ostwald oxyde l’ammoniac en monoxyde d’azote sur une toile platine-rhodium, puis oxyde NO en NO₂ et l’absorbe dans l’eau pour former l’acide nitrique. L’électrolyse de saumure produit du chlore à l’anode et de l’hydrogène avec de la soude dans le compartiment cathodique ; les cellules à membrane limitent leur mélange.

4 NHX3+5 OX2→4 NO+6 HX2O;2 NO+OX2→2 NOX2;2 NaCl+2 HX2O→2 NaOH+ClX2+HX2\ce{4NH3 + 5O2 -> 4NO + 6H2O};\quad \ce{2NO + O2 -> 2NO2};\quad \ce{2NaCl + 2H2O -> 2NaOH + Cl2 + H2}

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Références

  • Shreve's Chemical Process Industries · George T. Austin, 1984
  • Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry: Ammonia · Ullmann's Editorial Board, 2012
  • The Catalytic Oxidation of Ammonia · R. J. Schoen, 1948
  • Chemistry and Technology of the Chlor-Alkali Industry · T. F. O'Brien, T. V. Bommaraju, F. Hine, 2005