Présentation
Auteur(s)
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Victor KAISER : Docteur-Ingénieur de l’École polytechnique fédérale de Zürich - TECHNIP France
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Ermanno FILIPPI : Docteur en Génie chimique - Ammonia Casale SA
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Henri Dominique LÉGER : Heurtey Industries
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Pierre LESUR : Société chimique de la Grande Paroisse
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Lire l’articleINTRODUCTION
La synthèse de l’ammoniac est l’un des procédés catalytiques les plus importants, au même titre que la synthèse de l’acide sulfurique. En effet, ces deux procédés sont à la base de l’industrie des engrais azotés, dont l’intérêt pour l’économie mondiale est bien établi. L’autosuffisance récente en céréales de pays comme l’Inde ou l’Indonésie n’a pu être atteinte que par le développement progressif de l’industrie des engrais chimiques.
Le coût de production dépend essentiellement du prix du gaz naturel (matière première et énergie), la consommation totale étant comprise entre 30 et 40 GJ par tonne d’ammoniac produit.
Le calcul et l’optimisation du réacteur d’ammoniac revêt une importance de premier ordre dans l’étude d’ensemble d’une telle unité de production. Des développements récents dans le domaine des catalyseurs et de la technologie ont été menés à bien sous l’impulsion du prix croissant de l’énergie.
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VERSIONS
- Version archivée 1 de déc. 1986 par Victor KAISER, Henri DOMINIQUE LÉGER, Pierre LESUR
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Calcul des réacteurs industrielsArticle inclus dans l'offre
"Opérations unitaires. Génie de la réaction chimique"
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1. Aspects fondamentaux de la réaction de synthèse
1.1 Bases thermodynamiques
L’histoire de la synthèse de l’ammoniac remonte à la découverte par Haber en 1909 de l’effet catalytique du fer sur la synthèse directe à partir d’hydrogène et d’azote. Très vite, sous l’impulsion de Bosch, le procédé était rendu industriel. Déjà en 1920, un réacteur ayant une capacité de 50 t/j était mis en service par la société BASF à Ludwigshafen [1].
Aujourd’hui fonctionnent des capacités unitaires atteignant 1 800 t/j et la production mondiale approche 140 Mt par an (la production en France a été de l’ordre de 1,6 Mt en 1997).
La réaction de synthèse de l’ammoniac, du point de vue de la thermodynamique des équilibres, est un aspect fondamental dans le dimensionnement du réacteur. Ses caractéristiques délimitent assez étroitement le domaine de température (640 à 800 K) et de pression (8 à 30 MPa) de la synthèse industrielle.
Si, dans le passé, le calcul des compositions à l’équilibre posait quelques problèmes en raison de la non-idéalité du mélange de gaz à haute pression, il n’en est plus de même aujourd’hui.
En effet, l’équation d’état de Soave-Redlich (cf. articles Thermodynamique chimique, dans ce traité) permet un calcul précis des propriétés P, V, T (pression, volume, température) et de l’équilibre chimique des mélanges hydrogène-azote-ammoniac en tenant compte, bien entendu, des inertes (gaz non réactifs) tels que méthane et argon, présents dans le mélange (tableau 1). Ces calculs sont effectués par des programmes d’ordinateur, faisant souvent partie de simulateurs de schémas plus généraux [2].
Il est néanmoins utile de connaître avec précision la définition du calcul de l’équilibre chimique et d’avoir une vue globale des conditions d’équilibre. Cela permet des réflexions intéressantes pour la conduite de la réaction et servira d’illustration pour la suite de l’exposé. Dans ce but, le tableau 2 présente les données thermodynamiques de base de la réaction.
Le tableau 3 donne la définition des constantes d’équilibre...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - The design of ammonia converters - (La conception des réacteurs d’ammoniac). Nitrogen (GB) 140 novembre-décembre 1982 p. 30-7.
-
(2) - Programme Syngas. - 1982 Département Procédés Technip.
-
(3) - BOUDART (M.) - Kinetics of chemical processes - (Cinétique des procédés chimiques). 1968 Prentice Hall.
-
(4) - TEMKIN (M.), MOROZOV (N.M.), SHAPATINE (E.N.) - * - Kinetics and Catalysis (USA) 4 1963 p. 565.
-
(5) - SLACK (A.V.), RUSSEL JAMES (G.) - Ammonia - (Ammoniac). III, chapitre 7 1977 M. Dekker Inc.
-
(6) - DYSON (D.C.), SIMON (J.M.) - A kinetic expression with diffusion correction for ammonia synthesis on industrial catalyst - (Une expression cinétique avec correction de diffusion pour la synthèse de l’ammoniac sur catalyseur industriel). Industrial...
ANNEXES
Liste non exhaustive
Ammonia Casale SA. http://www.casale.ch/ammonia
PEC-Rhin SA. http://www.basf.fr/nos_societes/pec-rhin_sa
Société chimique de la Grande Paroisse (SCGP).
Haldor Topsoe AS. http://www.haldortopsoe.com
BASF AG.
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