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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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Matériaux utilisés pour l’appareillage
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3. Liquéfaction des gaz
De nombreux moyens peuvent être mis en œuvre pour la production du froid à très basse température ; on n’examinera ci-après que ceux couramment utilisés pour la liquéfaction des gaz. Dans la plupart des cas, le moyen de production frigorifique est retenu en fonction de l’application qui sera faite du froid produit. En conséquence, pour les très basses températures, on ne trouve que rarement dans le commerce des machines frigorifiques dont le but serait uniquement la production de froid. La seule exception notable est la machine Philips utilisée pour liquéfier de l’azote ou pour produire du froid pour la liquéfaction de l’hydrogène ou de l’hélium, mais sa taille est limitée (quelques dizaines de kilowatts de puissance mécanique mise en œuvre).
3.1 Production de froid par détente d’un gaz dans une vanne
Cette « détente libre » (par opposition à la « détente avec production de travail extérieur » quand elle est faite dans une machine) est accompagnée généralement d’un refroidissement. Rappelons que si le gaz est un « gaz parfait », il n’y a pas de refroidissement. La production frigorifique obtenue par simple détente, ou par effet Joule-Thomson, va donc dépendre de l’état d’imperfection du gaz. « L’imperfection » qui résulte de l’énergie potentielle d’attraction des molécules croît avec l’augmentation de la densité de molécules : l’effet Joule-Thomson sera d’autant plus important que la pression sera élevée et la température basse (figure 9).
HAUT DE PAGE3.1.1 Cycle de Joule-Thomson (J-T)
Effet Joule-Thomson
Il est défini, à une température et une pression données, par la différence des enthalpies, à cette température, du gaz à basse pression (théoriquement nulle : gaz parfait) et du gaz à la pression considérée. Dans la pratique, la basse pression est souvent la pression atmosphérique.
Prenons l’exemple d’un cycle J-T fonctionnant avec de l’azote à 200 bar, utilisé pour une production frigorifique à...
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