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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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Liquéfaction des gaz
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2. Techniques de séparation des gaz
2.1 Séparation par perméation
Cette technique, de mise en œuvre récente, utilise des membranes dites semi-perméables, qui ont la propriété d’être traversées plus facilement par certaines molécules que par d’autres (perméation sélective ). La sélectivité n’est pas uniquement fonction de la taille des molécules, qui joue cependant un rôle majeur quand les tailles sont très différentes : cas de l’obtention d’hydrogène pur à partir de mélanges contenant N2 , CH4 , CO, Ar, etc. L’hydrogène qui a traversé la membrane constitue le perméat ; sa pureté peut atteindre 99,9 %.
La figure 2 montre des éléments constitutifs du cœur de l’équipement pour la réalisation d’un procédé mis en œuvre par L’Air Liquide. Ces éléments sont constitués de millions de fibres creuses en polyaramide, fines comme des cheveux. Les gaz « rapides » diffusent de façon préférentielle à travers la membrane, s’écoulent à l’intérieur de la fibre creuse et sont collectés pour constituer le perméat. Les gaz « lents » s’écoulent autour des parois des fibres et constituent le résidu. Les fibres en grandes longueurs sont tressées et enroulées sur un noyau ; leurs extrémités sont enrobées dans un manchon en résine époxyde qui est ensuite tronçonné, réalisant ainsi la plaque tubulaire qui permet de collecter le perméat. Le gaz à traiter s’écoule à l’extérieur des fibres comme le ferait le fluide, côté virole, d’un échangeur tubulaire : le gaz brut entre à une extrémité de la virole, le résidu sort à l’autre extrémité.
Le classement des gaz (pour ce type de membrane), du plus « rapide » au plus « lent », est le suivant :
L’utilisation de...
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