Le procédé Haber Bosch

Partie 2. Analyse des blocs 1 et 2 : reformage du méthane

La production industrielle du dihydrogène par reformage catalytique du méthane représente 76 % du H2 utilisé pour la synthèse de l’ammoniac. La définition des conditions de fonctionnement d’un four de reformage s’appuie sur le réactions suivantes, en phase homogène gazeuse :

CH4gaz+H2Ogaz ⇄ COgaz+3 H2gaz (1)
COgaz+H2Ogaz ⇄ CO2gaz+H2gaz (2)

1.Calculez les variations d’enthalpie standard de ces deux réactions, notées \( \Delta _1 H_{298}^0 \)  et \( \Delta _2 H_{298}^0 \).

2.Quelle est qualitativement l’influence de l’augmentation de température à pression constante et en système fermé pour l’équilibre (1) seul ? Pour l’équilibre (2) seul ?

3.Quelle est qualitativement l’influence d’une augmentation de pression à température constante et en système fermé pour l’équilibre (1) seul ? Pour l’équilibre (2) seul ?

Une expérience est réalisée sous une pression constante de 33 bar, avec initialement :

  • 3 moles d’eau
  • 1 mole de méthane

À l’équilibre, la pression partielle de CH4 est alors de 4,8 bars et celle de CO2 de 1,4 bar.

4.À partir d’un tableau d’avancement, déterminer x, le nombre de moles de méthane ayant disparu, et y, le nombre de moles de CO2 produit. x et y seront calculés avec une précision de trois décimales.

5.Calculez les pressions partielles des autres gaz à l’équilibre. Calculez la proportion de CO et confirmez le fait que l’on puisse simplifier le double équilibre précédent en ne considérant que la réaction (3).

Dans la suite, nous considérons uniquement l’équilibre décrit par la réaction (3).

CH4gaz+2 H2Ogaz ⇄ CO2gaz+4 H2gaz (3)

Les conditions de fonctionnement du four de reformage sont les suivantes :

  • T = 760 °C
  • P = 33 bars,
  • Charge initiale de gaz naturel dans un rapport molaire $$ \frac{H_2O}{CH_4}=3 $$

6.Calculez l’enthalpie libre standard \( \Delta _3 G^{\circ}_T \) à 760 °C, puis la constante d’équilibre \( K^{\circ}_3\) à cette température sachant que \( \Delta _3 H^{\circ}_{1033  K} = 217,5  kJ \cdot mol^{-1}\) et \( \Delta _3 S^{\circ}_{1033 K} = 261,66  J \cdot K^{-1}\).

7.Justifiez, par un raisonnement qualitatif, l’intérêt de travailler avec un excès de vapeur d’eau.

À l’équilibre, le pourcentage molaire en méthane dans le mélange gazeux sortant du four est de 8 %.

8.Calculez le rendement de synthèse de H2 par la réaction de reformage du méthane.

Données :


État physique
 \( \Delta _f H_{298}^0 (kJ \cdot mol^{-1}) \)
 \( S_{298}^0 (J \cdot K^{-1} \cdot mol^{-1}) \)
CH4
- 74,9
 186,3
H2O
- 241,8
 188,7
CO2
 Gaz
 - 393,5
 213,8
H2
 0,0
 130,7
CO2
 - 110,5
 197,7

Tableau 3 : Données thermodynamiques relative au reformage du méthane (bloc 1).