CONTRÔLE INDUSTRIEL et RÉGULATION AUTOMATIQUE

L’AMMONIAC : FABRICATION ET ACHEMINEMENT

L’ammoniac, de formule chimique NH3, sert le plus souvent à produire des engrais azotés, tels que l’urée ou le nitrate d’ammonium. Il est également utilisé dans la fabrication de polymères, d’explosifs, ou encore comme solvant ou fluide réfrigérant. Le procédé Haber- Bosch est un procédé de fabrication de l’ammoniac mis au point au début du XXème siècle qui est toujours très largement utilisé aujourd’hui. Ce procédé utilise du diazote et du dihydrogène gazeux comme réactifs, ainsi qu’un catalyseur à base de fer. La production mondiale d’ammoniac était de 137 millions de tonnes en 2012.

Synthèse de l’ammoniac

 
La synthèse de l’ammoniac est une transformation limitée dont l’équilibre chimique a pour équation :N2(g) + 3 H2(g) = 2 NH3(g)
Enthalpies standard de formation du diazote, du dihydrogène et de l’ammoniac à P° = 1 bar et  T = 298 K

Données relatives à la toxicité de l’ammoniac :

1ppm (1 partie par million) représente, en mL, le volume d’ammoniac présent dans un volume
total de 1 m3.
Q1. Donner l’expression de l’enthalpie standard DrH° de la réaction de synthèse de l’ammoniac à 298 K en fonction des enthalpies standards de formation des constituants. Faire l’application numérique.
Q2.      Donner la signification du signe obtenu pour DrH° ?
Q3.      Exprimer la constante d’équilibre K° de la synthèse de l’ammoniac en fonction des pressions partielles des différents constituants.
Q4. On donne ci-après un tableau indiquant la valeur de K° en fonction de la température. Faut-il travailler à haute ou basse température pour obtenir un rendement élevé en ammoniac ? Justifier la réponse.

Q5.      Quelle est l’incidence, du point de vue cinétique, du choix proposé à la question précédente ?
Q6.      Comment remédie-t-on à ce problème dans le procédé Haber-Bosch ?
Q7.      Quelle est l’influence d’une augmentation de pression, à température constante, sur le rendement de la synthèse ? Justifier.
Une fuite a lieu dans une pièce de stockage contenant une bonbonne d’ammoniac gazeux. Le débit de la fuite est de 37,5 mL.h-1. Au moment de la détection de la fuite et de l’intervention pour la réparer, on estime qu’il s’est écoulé 24 h pendant lesquelles de l’ammoniac gazeux s’est dégagé. Les dimensions de la pièce de stockage sont les suivantes :

• longueur : 4 m
• largeur : 3 m
• hauteur sous plafond : 2,5 m

Q8.      Y-a-t-il un danger pour le technicien de maintenance chargé de la réparation ? Justifier par un calcul.

Obtention du dihydrogène nécessaire pour fabriquer l’ammoniac

La plus grande partie du dihydrogène nécessaire pour la synthèse de l’ammoniac est produite par vaporeformage du méthane, de formule CH4 et appelé couramment gaz naturel. L’utilisation d’un catalyseur au nickel est nécessaire. La fabrication de l’ammoniac consomme de 3 à 5 % de la production mondiale de gaz naturel.
L’équation de la réaction du vaporeformage du méthane est donnée ci-dessous : CH4(g) + H2O(g) = CO(g) + 3 H2(g)                       DrH° = 209 kJ.mol-1
Le volume molaire de gaz sera pris égal à 24,4 L.mol-1.
Masses molaires : M(H) = 1,0 g.mol-1 ; M(C) = 12,0 g.mol-1 ; M(O) = 16,0 g.mol-1
Q9.      Montrer que l’énergie thermique nécessaire pour produire 1 m3 de dihydrogène par la réaction de reformage vaut Qh = 2,86 x 106 J.
Q10. L’énergie nécessaire à la réaction de vaporeformage est généralement fournie par combustion d’une partie du méthane. Écrire l’équation de combustion complète du méthane, les réactifs et produits étant tous à l’état gazeux.
Q11. Déterminer la quantité de matière de méthane consacrée à la combustion, nécessaire pour fabriquer 1 m3 de dihydrogène par vaporeformage sachant que l’enthalpie standard de combustion du méthane vaut DcH°(CH4) = – 890 kJ.mol-1 (on fera l’approximation que cette enthalpie de réaction ne dépend pas de la température).
Le monoxyde de carbone produit par le reformage est un poison pour le catalyseur. Il faut
donc l’oxyder intégralement en dioxyde de carbone au fur et à mesure de sa formation.
Q12.  Pour 1 m3 de dihydrogène produit, quelle masse de monoxyde de carbone doit être oxydée ?