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1 - RÉACTIONS CATALYTIQUES D’OXYDATION

2 - CONVERSION DU GAZ NATUREL EN COMBUSTIBLE LIQUIDE

  • 2.1 - Production du gaz de synthèse par reformage du méthane
  • 2.2 - Réaction Fischer Tropsch (FT)
  • 2.3 - Synthèse du méthanol

3 - INDUSTRIE DU RAFFINAGE

  • 3.1 - Craquage catalytique
  • 3.2 - Isomérisation
  • 3.3 - Reformage
  • 3.4 - Hydrocraquage
  • 3.5 - Réaction de déshydrogénation

4 - HYDROGÉNATION DES HUILES

5 - INDUSTRIE POUR LA CHIMIE MINÉRALE

  • 5.1 - Synthèse de l’ammoniac
  • 5.2 - Synthèse de l’acide nitrique
  • 5.3 - Synthèse de l’acide sulfurique

6 - DÉPOLLUTION

| Réf : J1255 v1

Industrie pour la chimie minérale
Catalyse hétérogène dans les procédés industriels

Auteur(s) : Claude NACCACHE

Date de publication : 10 juin 2005

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RÉSUMÉ

Les procédés chimiques ont très souvent recours à la catalyse hétérogène, pour augmenter les vitesses de transformation, améliorer la sélectivité de la réaction et accroître la productivité. Les solutions offertes par la catalyse sont pourtant bien plus ambitieuses, elles peuvent contribuer également à des économies d’énergie, de matières premières et d’investissement. Après une présentation du principe des réactions catalytiques, cet article illustre l’utilisation du procédé catalyse avec des applications dans divers secteurs : conversion du gaz, raffinage, chimie minérale, dépollution.

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Auteur(s)

INTRODUCTION

L a catalyse hétérogène est la pierre angulaire de l’industrie chimique. En effet près de 80 % des procédés que l’industrie chimique a mis en œuvre font appel à la catalyse hétérogène. Par exemple, la transformation du charbon ou du gaz naturel en produits à plus haute valeur ajoutée nécessite l’utilisation de catalyseurs. L’industrie du raffinage n’aurait pas connu l’essor actuel sans la découverte de catalyseurs de craquage des hydrocarbures pour la production d’essences. Une meilleure formulation et une meilleure composition des essences (meilleur indice d’octane) ont été rendues possibles à la suite du développement de catalyseurs d’isomérisation et d’aromatisation des paraffines. Les procédés catalytiques ainsi développés dans l’industrie du raffinage ont un impact considérable tant sur l’économie que sur la meilleure utilisation des matières premières. Un autre exemple, de la dynamique générée par la catalyse dans notre société, est fourni par la préparation industrielle de l’ammoniac à partir de l’azote de l’air et de l’hydrogène. La découverte que des composés minéraux tel que le fer, agissant comme catalyseurs, permettaient la production d’ammoniac à une échelle industrielle a eu des effets positifs considérables sur l’agriculture en contribuant au développement d’engrais minéraux. L’acide sulfurique, essentiel pour le traitement de la laine, pour la fabrication de molécules chimiques clés pour la fabrication d’engrais, est produit à grande échelle grâce à des procédés catalytiques. Le développement de matériaux synthétiques tels que les fibres, les polymères, qui n’existent pas à l’état naturel et qui ont révolutionné le vingtième siècle a été rendu possible par la découverte de catalyseurs de synthèse des monomères et de catalyseurs de polymérisation. La pollution atmosphérique due aux émissions des gaz industriels et des pots d’échappement automobile a partiellement été traitée par l’utilisation de catalyseurs de postcombustion à base de métaux nobles. Les polluants (hydrocarbures non brûlés, CO, NO) sont convertis en CO2 et H2O dans le pot catalytique.

La catalyse en augmentant substantiellement la vitesse des transformations chimiques et en améliorant la sélectivité de la réaction vers le produit recherché accroît considérablement la capacité de production des unités industrielles. Cette augmentation de productivité, grâce à la catalyse, permet de diminuer les dimensions des unités de production, d’où une économie dans l’investissement et de matières premières. L’importance de la catalyse sur notre société est non seulement basée sur son impact économique mais aussi sur son impact dans la production d’une très large gamme de produits de nos jours nécessaires et qui améliorent notre qualité de vie. Des sources d’énergie alternatives ont vu un développement rapide par des procédés catalytiques, la protection de notre environnement est améliorée par des procédés basés sur la catalyse. Les possibilités que la catalyse ouvrent, pour améliorer les procédés chimiques, sont grandes. La catalyse devrait permettre de trouver des solutions ingénieuses pour élaborer plus efficacement (économie de matières premières, d’énergie, d’investissement) les molécules chimiques que nous utilisons.

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VERSIONS

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-j1255


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5. Industrie pour la chimie minérale

L’industrie minérale a considérablement bénéficié du développement de la catalyse hétérogène pour augmenter sa productivité et son efficacité dans la fabrication de matières premières essentielles à notre société. L’industrie chimique dispose de nos jours de procédés catalytiques hétérogènes pour la fabrication d’ammoniac, d’acide nitrique, d’acide sulfurique qui trouvent de nombreuses applications dans l’industrie des engrais, dans l’industrie pétrolière et dans l’industrie de spécialité de composés organiques.

5.1 Synthèse de l’ammoniac

Environ 80 % de la production de NH3 sert à la fabrication d’engrais (sulfate et nitrate d’ammonium) et 10 % à la production d’acide nitrique. La fabrication du nylon consomme environ 7 % de la production.

  • En l’absence de catalyseur, l’azote et l’hydrogène peuvent se combiner pour former l’ammoniac, cependant la vitesse de réaction est infinitésimale :

    En l’absence de catalyseur, la rupture des liaisons N—N et H—H pour former les atomes réactifs d’azote et d’hydrogène nécessite une très grande énergie. La concentration des entités réactives est très faible et la probabilité de rencontre de ces atomes est négligeable. La formation spontanée d’ammoniac dans un mélange N2—H2 à température inférieure à 773 K est donc négligeable. En présence d’un catalyseur, les molécules d’azote et d’hydrogène sont dissociées par adsorption sur la surface du solide. Il en résulte une concentration superficielle d’atomes N et H adsorbés, lesquels par interaction produisent NH3 . Les sites actifs de la surface du catalyseur facilite la rupture des liaisons N—N et H—H ce qui diminue l’énergie d’activation de formation de NH3 et conduit à une vitesse de réaction relativement grande même à température modérée. Les catalyseurs actifs pour la synthèse de NH3 à partir de ses éléments doivent adsorber N2 et H2...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - HAGEN (J.), HAWKINS (S.) -   Industrial Catalysis.  -  Wiley-VCH (1999).

  • (2) - WIJNGAARDEN (K.R.), WESTERTERP -   Industrial Catalysis.  -  Wiley-VCH (1998).

  • (3) - THOMAS (J.M.), THOMAS (W.J.) -   Principles and Practice of Heterogeneous Catalysis.  -  Wiley (1997).

  • (4) - FARRAUTO (R.J.), BARTHOLOMEW (C.H.) -   Fundamentals of Industrial Catalysis.  -  Kluwer (1997).

  • (5) - BHADURI (S.), MUKESH (D.) -   Homogeneous Catalysis, Mechanisms and Industrial Applications.  -  Wiley (2000).

  • (6) - TOPSOE (H.), CLAUSEN (B.S.), MASSOTH (F.E.) -   Hydrotreating Catalysis.  -  Science and Technology, Springer Verlag (1996).

  • (7)...

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