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Auteur(s)
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Pierre PETIT : Ingénieur de l’École Nationale Supérieure d’Électrotechnique et d’Hydraulique de Grenoble, Docteur 3 e cycle en Thermodynamique - Ancien Adjoint du Directeur Technique de l’Ingénierie de l’Air Liquide - Consultant en cryogénie - Président de la Commission A3 (liquéfaction et séparation des gaz) de l’Institut International du Froid - Professeur à l’École Polytechnique Féminine (Fondation EPF)
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Lire l’articleINTRODUCTION
De nombreuses méthodes peuvent être utilisées pour la séparation des mélanges gazeux, certaines sans changement d’état, soit à l’ambiante, soit à plus basse température. Cependant, les plus employées dans l’industrie font appel à la liquéfaction, donc aux basses températures ; c’est le cas de la distillation et de la condensation fractionnée.
Une partie des produits de la séparation peut être demandée à l’état liquide. On combine alors séparation et liquéfaction dans une même unité.
Dans d’autres cas, la liquéfaction est une fin en soi ; c’est le cas du gaz naturel, pour son transport par voie maritime, et aussi de l’hydrogène pour son utilisation comme carburant de fusées (Ariane…).
De nombreuses techniques s’appuyant sur certaines propriétés physiques ou physico-chimiques des constituants de mélanges gazeux peuvent être mises en œuvre pour les séparer. Parmi celles-ci, nous développerons les plus utilisées industriellement : perméation, adsorption, absorption, distillation et condensation fractionnée.
En ce qui concerne les applications de ces techniques, nous ne décrirons que les installations ayant un caractère industriel, par opposition à celles que l’on rencontre plutôt dans les activités de recherche (comme c’est souvent le cas encore pour des températures inférieures à 4 K) et aussi par opposition aux installations de petite taille.
Les sujets traités sont les suivants :
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les gaz de l’air (oxygène et azote) : appareils de séparation d’air, avec ou sans production à l’état liquide d’une partie des composants ;
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le gaz naturel : unités de liquéfaction et chaînes de transport ;
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l’ammoniac : unités de production de gaz de synthèse de l’ammoniac utilisant le lavage à l’azote liquide ;
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les mélanges de H2 , CO, CH4 … (dont les gaz de purge des unités d’ammoniac), essentiellement pour la production d’hydrogène, de monoxyde de carbone et de méthane ;
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la liquéfaction de l’hydrogène et de l’hélium.
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Techniques de séparation des gaz
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1. Gaz concernés
On appelle gaz « tout corps qui se présente à l’état de fluide expansible et compressible (état gazeux) dans les conditions de température et de pression normales » [Robert, 1990].
Un gaz permanent est « un gaz qui ne peut se liquéfier par simple augmentation de pression » [Larousse, 1972], sous-entendu à température ordinaire, c’est-à-dire sans application de froid. Dans un langage plus scientifique, on dirait : tout gaz dont la température critique est inférieure à l’ambiante. Il faut toutefois préciser où l’on situe la température ambiante. L’examen du réseau des courbes de pression de vapeur des gaz (figure 1) montre qu’à l’exception de l’ozone (molécule qu’il est difficile de rencontrer à l’état pur en raison de son instabilité) aucun gaz n’a son point critique dans la zone des températures comprises entre – 64 oC (Kr) et + 10 oC (C2H4) (tableau 1). Si l’on situe le seuil inférieur de la température ambiante dans cette zone, le krypton est le premier des gaz à se classer dans la catégorie des « gaz permanents ».
Dans cet article, il sera essentiellement question de « gaz permanents », purs ou en mélange. Il sera cependant fait mention de quelques gaz ou mélanges de gaz qui, sous pression, peuvent être obtenus à l’état liquide à des températures relativement basses (comprises entre + 10 et + 40 oC), et aussi de gaz ou mélanges de gaz qui, sous pression, demeurent liquides jusqu’à des températures de l’ordre de + 100 oC. Ces derniers sont parfois appelés « gaz liquides » (propane, butane, ammoniac…).
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Dix corps purs (cf. figure 1) répondent à la définition précédemment donnée des gaz permanents :
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sept corps simples : He, H2 , Ne, N2 , Ar, O2 , Kr ;
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trois corps composés : CO, CH4 , NO.
On ajoutera trois mélanges de gaz qui concernent tout particulièrement le domaine industriel : l’air, le gaz naturel (GN) et le gaz de synthèse...
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