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Synthèse chimiqueHaute températureÉchelle industrielleÉmetteur CO₂Prix Nobel

Procédé Ostwald

Oxydation catalytique de l'ammoniac (issu de Haber-Bosch) sur une grille de platine-rhodium pour produire l'acide nitrique. Couplé à Haber-Bosch, c'est le pilier de l'industrie des engrais et des explosifs.

Synthèses de molécules par réactions chimiques contrôlées

Réaction clé

4 NH₃ + 5 O₂ → 4 NO + 6 H₂O ; 2 NO + O₂ → 2 NO₂ ; 3 NO₂ + H₂O → 2 HNO₃ + NO

Conditions opératoires

Température: 850-950 (gauze) ; 30-50 (absorption)°C
Pression: 4-12bar
Catalyseur: Pt-Rh (90/10 ou 95/5) gauze tissée
Phase: gas + liquid

Schéma de fonctionnement

Schéma à venir

Comment ça marche

Le procédé Ostwald, breveté en 1902 par Wilhelm Ostwald (Nobel 1909), oxyde l'ammoniac en acide nitrique en trois étapes successives, toutes opérées dans une seule unité intégrée. Sa puissance vient de l'élégance du catalyseur : un simple « gauze » (grille tissée) en alliage platine-rhodium, exposé à un flux gazeux NH₃ + air, oxyde sélectivement NH₃ en NO sans le brûler en N₂. (1) Combustion catalytique : NH₃ et air sont mélangés (10 % NH₃ en volume) et passent sur la gauze Pt-Rh à 850-950 °C, sous 4-12 bar : 4 NH₃ + 5 O₂ → 4 NO + 6 H₂O. La sélectivité dépasse 95 % pour le NO ciblé contre 5 % vers N₂ + N₂O parasites. Le contact gauze-gaz dure < 1 milliseconde — au-delà, la cinétique reverse vers N₂. (2) Oxydation et absorption : les gaz sortants à 900 °C sont refroidis dans une chaudière de récupération (production de vapeur HP) puis passent dans une tour d'absorption en acier inox. Au refroidissement, NO + ½ O₂ → NO₂ (réaction lente à 30-50 °C), puis 3 NO₂ + H₂O → 2 HNO₃ + NO. Le NO formé en sous-produit retourne en haut de la tour pour être ré-oxydé. La tour fait 30-50 m de haut, 3-4 m de diamètre, contient 30-50 plateaux ou un garnissage structuré, et fonctionne sous pression (4-12 bar) pour favoriser la solubilité. (3) Concentration : l'acide sortant est dilué à ~60-65 % m/m. Pour les usages courants (engrais), c'est suffisant. Pour les usages techniques (explosifs, chimie organique), il faut concentrer à 98-99 % par distillation extractive avec H₂SO₄ ou Mg(NO₃)₂. Le procédé est globalement exothermique (ΔH = −906 kJ/mol pour la chaîne complète) et chaque tonne d'acide produit ~6 GJ de vapeur récupérable. Production mondiale ~75 Mt/an (2022), à ~80 % dédiée aux engrais (nitrates d'ammonium, urée nitrate). Le N₂O parasite (5-10 g par tonne d'acide), gaz à effet de serre 265× plus puissant que le CO₂, est devenu l'enjeu environnemental principal — d'où l'ajout systématique de catalyseurs de décomposition N₂O en aval.

Composants clés

Le rôle de chaque pièce maîtresse, et les éléments / composés qu'elle met en jeu.

Gauze (toile) Pt-Rh
Catalyseur d'oxydation sélective NH₃ → NO. Le cœur du procédé.
Tissage métallique fin (fils Ø ~75 µm) en alliage Pt-Rh (90/10 ou 95/5 selon la pression d'opération), monté en pile de 5-30 grilles superposées. Surface spécifique ~1 m²/g. Sélectivité > 95 % pour NO. Pertes de Pt par évaporation : ~0,1-0,3 g de Pt par tonne d'acide produite — récupérées en aval sur des grilles de Pd, qui captent ~80 % du Pt volatil.
Pt-Rh 90/10 ou 95/5 · 5-30 grilles · pertes Pt 0,1-0,3 g/t · récupération Pd
Voir aussi :nh3
Chaudière de récupération (gaz NO)
Refroidit les gaz NO de 900 °C à 200 °C en produisant de la vapeur HP.
Échangeur tubulaire en acier inox austénitique 304L ou 316L, conçu pour résister à la corrosion par les NOₓ humides. Vapeur produite ~40 bar / 380 °C. Refroidissement progressif pour éviter la condensation prématurée d'eau (qui dissoudrait NO en HNO₃ instable et provoquerait corrosion locale).
Inox 304L/316L · vapeur 40 bar / 380 °C · refroidissement contrôlé
Tour d'absorption NO₂
Convertit les NOₓ refroidis en HNO₃ par contact contre-courant avec de l'eau.
Tour cylindrique 30-50 m de haut, 3-4 m de diamètre, en acier inox, pressurisée à 4-12 bar. Plateaux à clapets ou garnissage structuré (Sulzer Mellapak™) pour maximiser le transfert NOₓ/H₂O. Eau introduite en haut, gaz NOₓ en bas, acide concentré sortant en bas (60-65 % m/m). Refroidissement par serpentins externes pour rester < 50 °C (la solubilité de NO₂ chute exponentiellement avec T).
30-50 m · 4-12 bar · acide sortant 60-65 % · cooling externe
Voir aussi :hno3
Catalyseur d'abattement N₂O
Décompose le N₂O parasite (gaz à effet de serre puissant) avant rejet à l'atmosphère.
Lit catalytique secondaire (Fe-zéolite ou oxyde mixte Co-Ce-Al) installé en aval de la gauze, à 800-900 °C. Décompose 2 N₂O → 2 N₂ + O₂ avec une efficacité 90-99 %. Devenu obligatoire en UE et au sein du protocole Kyoto (chaque tonne de N₂O évitée vaut 265 t CO₂-eq de crédits carbone). Exemple : Yara Porsgrunn a éliminé > 30 kt N₂O/an dès 2009.
Fe-zéolite ou Co-Ce-Al · 800-900 °C · efficacité 90-99 %

Principes physico-chimiques

Les lois fondamentales qui rendent ce procédé possible — et les contraintes qu'elles imposent.

Sélectivité par contact court (millisecond chemistry)
Sur la gauze Pt-Rh, deux réactions concurrentes consomment NH₃ : oxydation en NO (souhaitée) et combustion en N₂ (parasitique, irréversible). À 900 °C, la cinétique vers NO est plus rapide pendant la première milliseconde de contact, puis le NO commence à se réduire en N₂. La gauze fine (peu de masse, peu de volume) garantit un temps de séjour < 1 ms — c'est la raison du choix d'une grille tissée plutôt que d'un lit fixe granulé.
S'applique aux composants :gauze-pt-rh
Cascade d'oxydation gaz/liquide
Trois équilibres se succèdent dans la tour d'absorption : NO + ½ O₂ ⇌ NO₂ (gaz, lente), 2 NO₂ ⇌ N₂O₄ (gaz, rapide), 3 NO₂ + H₂O → 2 HNO₃ + NO (interface gaz/liquide). Le NO régénéré remonte et reboucle. La pression élevée (4-12 bar) accélère les trois étapes. C'est l'art de l'ingénieur de bien dimensionner les hauteurs et les températures pour minimiser les pertes en NOₓ.
S'applique aux composants :tour-absorption-no2

Composés impliqués

Réactif

4NH₃Ammoniac

Produit

4HNO₃Acide nitrique

Production mondiale

75 Mt/an

2022

Applications principales

Engrais (nitrate d'ammonium NH₄NO₃, urée-nitrate)80 %
Explosifs (TNT, nitroglycérine, ANFO)8 %
Chimie organique (nitration aromatique)6 %
Métallurgie (passivation, gravure), divers6 %

Le N₂O fugitif et le coût du Pt

Avant l'abattement systématique (post-2005), une usine HNO₃ émettait 6-15 g de N₂O par tonne d'acide — soit ~5 % des émissions de N₂O d'origine humaine au niveau mondial. Avec abattement secondaire, c'est tombé à < 0,5 g/t — un des succès climatiques industriels les plus rapides du XXIᵉ siècle. Reste l'enjeu Pt : ~150 t de Pt sont immobilisés dans les gauzes mondiales, avec ~30 t de pertes par évaporation par an dont seules 24 sont récupérées par les grilles de Pd. Le procédé reste structurellement dépendant des cours du platine.

Catalyseurs d'abattement N₂O secondaire (Fe-zéolite) — −95 % d'émissions
Grilles de récupération Pd en aval — +5-10 % de Pt récupéré
Optimisation pression / sélectivité (procédés mono- et duo-pression)
Couplage HNO₃ vert avec NH₃ vert (Haber-Bosch électrolytique)

Procédés similaires ou concurrents

Procédés industriels apparentés — autre voie chimique, autre filière technologique.

haber-bosch
Source amont obligatoire — l'NH₃ d'Ostwald vient à 100 % de Haber-Bosch.

Histoire et découverte

Année de découverte1902

Première mise en service industrielle1908

Wilhelm Ostwald· Allemagne

Prix Nobel : 1909

Procédés