Le procédé Haber Bosch

Partie 1. Analyse du bloc 3 du procédé Haber-Bosch

1.Écrivez l’équation de la réaction de synthèse chimique industrielle de l’ammoniac, en fixant un coefficient stœchiométrique de 1 pour le diazote. En se plaçant dans le cadre de l’approximation d’Ellingham, établissez l’expression de la constante d’équilibre, notée K°1(T), en fonction de la température T.

Étude des conditions expérimentales :

a.Proposez une explication de l’évolution isobare du taux de conversion théorique en fonction de la température. Qu’est-ce qui pourrait expliquer que l’on ne travaille pas à 200 °C ? (voir Tableau 1)

b.Justifiez le choix d’une pression élevée par un raisonnement sur le quotient de réaction \(Q\) et donc sur \( \Delta \)rG.

c.Justifiez le choix de limiter la présence de gaz inerte. Vous justifierez votre réponse par un raisonnement sur le quotient de réaction \(Q\) et donc sur \( \Delta \)rG.

2.Calculez le taux de conversion théorique \(r\) de la synthèse à 500 °C et 300 bar pour une alimentation en réactifs en réactifs en conditions stœchiométriques, sans gaz inerte.

3.Compte tenu du taux de conversion calculé à la question 3), combien de moles de H2 sont nécessaires pour produire une tonne de NH3 ?

4.La réaction n’est pas totale, une grande partie du diazote et du dihydrogène entrant dans le réacteur se retrouve à la sortie. D’après la Figure 1, que deviennent ces gaz ?

5.Même si le taux de conversion de la réaction de synthèse de l’ammoniac n’est pas de 100 %, le procédé Haber-Bosh permet de convertir 98 % de H2 entrant. Combien de moles de H2 sont finalement nécessaire pour produire une tonne de NH3 ?

Données :


P = 10 bar
 P = 100 bar
 P = 200 bar
 P = 300 bar
T = 200 °C
 70,8
 90,4
 93,1
 94,4
T = 400 °C
 13,3
 51,6
 63,5
 69,5
T = 500 °C
 5,2
 31,2
 44,3
T = 700 °C
 1,2
 10,7
 18,6
 24,6

Tableau 1 : Taux de conversion théorique (en %) de la synthèse de NH3 pour une transformation se faisant dans les proportions stœchiométriques à P et T pour 1 cycle dans le réacteur.

N2 H2 NH3
État physique Gaz
\( \Delta _f H_{298}^0 (kJ \cdot mol^{-1}) \) 0 0 -46,3
\( S_{298}^0 (J \cdot K^{-1} \cdot mol^{-1}) \)
 191,5
 130,6
 192,3

Tableau 2 : Données thermodynamiques relatives à la synthèse de l’ammoniac (Bloc 3).