LC24 :Optimisation d’un procédé chimique
Bibliographie
- FOSSET, Chimie tout-en-un PSI/PSI*, DUNOD
- FOSSET, enthalpie de dissolution de l’acide benzoïque
Niveau
CPGE
Prérequis
- Thermochimie (notion d’enthalpie libre de réaction, critère d’évolution)
- Constante d’équilibre et quotient de réaction
- Notion de paramètre intensif et extensif
Introduction
En industrie comme en laboratoire on est souvent amené à faire des synthèse d’espèce chimique. Un exemple en industrie est l’ammoniac (NH3) qui est le gaz le plus produit, il est utilisé comme source d’engrai ou d’explosif notamment. Toutes ces applications mettent en évidence la nécessité de produire l’ammoniac en grande quantité et donc d’optimiser sa production. Ce sont ces critères de rendement que nous allons étudier au cours de cette leçon, nous allons essayer de comprendre comment optimiser thermodynamiquement la réaction.
I. Equilibre et paramètres d’équilibre
1) Critère d’évolution
On rappelle le critère d’évolution : ΔrGdξ<0.
De plus on a l’expression de ΔrGd& en fonction de K° et Q. On en déduit le sens d’évolution qui avait été vu en première année de CPGE quand on compare Q et K°.
Transition : Le but est d’arriver à favoriser la formation des produits et ainsi améliorer que le rendement. Il faut donc jouer sur le déplacemenet d’équilibre. Pour cela, il faut jouer sur les paramètres d’équilibre. On peut voir cela sur la synthèse de l’ammoniac : 3H2+N2->2NH3 (Procédé Haber-Bosch).
2) Paramètres influençant la position d’équilibre
Pour jouer sur le déplacement d’équilibre, il faut jouer sur le signe de ΔrGd&. C’est à dire diminuer Q (augmenter la quantité de réactif) ou augmenter K (jouer sur la température puisque l’on sait que cette constante ne dépend que de ce paramètre).
Il faut jouer sur les facteurs d’équilibre (définir).
Est-ce que l’on peut les fixer arbitrairement ? Non.
L’opérateur n’a qu’un choix limité de paramètres intensifs indépendants sur lesquels il peut jouer pour déplacer l’équilibre. En effet on peut le voir sur un équilibre liquide/vapeur (H2O(l)=H20(g)), on ne peut pas fixer arbitrairement la température et la pression.
Pour savoir le nombre de paramètres sur lesquels on peut jouer, on définit un nouvel outil : la variance.
Def de la variance et on donne la méthode pour calculer la variance [FOSSET, p.174].
Ex : On la calcule pour le cas de la synthèse de l’ammoniac.
Transition : On vient de voir sur quels facteurs l’on pouvait jouer pour déplacer l’équilibre. Maintenant, il nous reste à comprendre l’influence de leur variation sur le déplacement de l’équilibre.
II. Déplacement d’équilibre
Dans le procédé Haber-Bosch (procédé de synthèse de l’ammoniac), une pression se situant entre 15 et 25 MPa et à une température variant de 300 à 550 °C.
1) Influence de la température
On donne la loi de van’t Hoff. On peut dire comment varie K en fonction de la température pour une réaction exoT ou endoT.
On dit qu’une augmentation de T déplace l’équilibre dans le sens endoT.
Pour le procédé Haber-Bosch : ΔrH° = -45,9 kJ mol−1 à 25 °C, c’est une réaction exothermique, donc a priori il faudrait travailler à basse température mais on ne le fait pas pour des questions de cinétique.
Manip : Acide benzoïque, on vérifie la loi de van’t Hoff.
2) Influence de la pression
On écrit le Q de la réaction de synthèse de l’ammoniac. On met en évidence que la pression est au dénominateur. Donc augmenter la pression, diminue Q donc déplace l’équilibre dans le sens direct.
On peut montrer une vidéo du gaz roux.
Donc pour cette manip là, il est intéressant de travailler à haute pression. Il faut toujours revenir au calcul de Q pour voir quelle va être l’influence de la pression.
3) Composition initiale du système
On a pu voir que la variance est de 3, et jusqu’ici on a fixé que 2 degrés de liberté. Il nous reste à en fixer un. On peut fixer les fractions molaires.
Transition : Pour certaine réaction comme l’estérification on ne peut pas jouer sur la pression et la température. En effet c’est une réaction athermique et il n’y a pas de gaz qui intervient dans la réaction. On doit donc trouver d’autres méthodes et une utilisée est l’extraction d’un sous-produit de la réaction.
4) Extraction d’un sous-produit
On écrit Q de la réaction. On montre que si on enlève l’eau Q<K donc on va avoir un déplacement d’équilibre dans le sens direct. Et ça c’est quelque chose que l’on peut faire avec un Dean-Stark (on peut ramener le Dean-Stark durant la leçon).
Conclusion
On conclue sur le fait que l’on cherche à avoir un rendement le plus important possible mais ce n’est pas le seule facteur qui intéresse les industriels la cinétique vient également rentrer en compte et il faut faire des compromis notamment avec la température et catalyse.