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Procéder d’obtention de l’hélium Préparer par : GHAMI Ahmed OUALI Habib 5éme an

Procéder d’obtention de l’hélium Préparer par : GHAMI Ahmed OUALI Habib 5éme années ingéniera : génie mécanique Option : énergétique Sommaire Chapitre I : introduction a la cryogénie…………….. Historique Liquéfaction de l’air Hélium Définition d’hélium Découvertes scientifiques d’hélium Chapitre II : Épuration de l’hélium………………. Impuretés contenues dans l’hélium Dessiccation Dessiccation par condensation sous pression Dessiccation par adsorption à la température ambiante Élimination des gaz de l’air Adsorption à basse température Cryopiégeage Chapitre III :……………….. Liquéfaction de l'hélium Utilisation I- Introduction a la cryogénie La cryogénie est l'étude et la production des basses températures (inférieures à -150 °C ou 120 K) dans le but de comprendre les phénomènes physiques qui s'y manifestent. La limite de 120 K représente la limite à partir de laquelle les gaz de l'air se liquéfient. La cryogénie possède de très nombreuses applications notamment dans les secteurs alimentaire, médical, industriel, physique et de l'élevage. La cryogénie a ouvert beaucoup de possibilités comme :  la conservation des aliments à l'aide d'azote liquide,  la suspension du métabolisme,  l'étude de la supraconductivité (absence de résistance électrique),  l'étude de la superfluidité (absence de viscosité pour un liquide),  la transformation en une fine poudre de toutes sortes de matières,  la récupération de plus de 90% des gaz destructeurs de la couche d'ozone,  la création, à partir d'azote liquide, de toutes sortes de neiges,  Le transport sur de longues distances de gaz naturel à un coût réaliste,  Le traitement de certaines maladies de peaux comme les verrues. I.1-Historique I.2.2-Découvertes scientifiques de hélium L'évidence de l'hélium a été la première fois détectée dessus 18 août, 1868 comme ligne jaune lumineuse avec a longueur d'onde de 587.49 nanomètres dans spectre du chromosphere du Le soleil, par l'astronome français Pierre Janssen pendant un total éclipse solaire dans Guntur, L'Inde. On a au commencement assumé que cette ligne est sodium. Le 20 octobre de la même année, astronome anglais Lockyer normand a observé une ligne jaune dans le spectre solaire, qu'il a appelé le D3 ligne, parce qu’il était près du D connu1 et D2 lignes de sodium, et conclu qu'il a été provoqué par un inconnu d'élément au soleil sur terre. Lui et chimiste anglais Edouard Frankland a nommé l'élément avec le mot grec pour le soleil, ἥλιος (helios) Sur 26 mars 1895 Chimiste britannique William Ramsay hélium d'isolement sur terre en traitant le minerai cleveite (une variété de uraninite avec au moins 10% éléments de terre rare) avec le minerai acides. Ramsay recherchait l'argon mais, après séparation azote et l'oxygène du gaz libéré près acide sulfurique, noté une ligne lumineux-jaune qui a assorti le D3 ligne observée dans le spectre du soleil. Ces échantillons ont été identifiés comme hélium par Lockyer et physicien britannique William Crookes. Il a été indépendamment isolé dans le cleveite la même année par des chimistes Par Teodor Cleve et Abraham Langlet dans Upsal, Suède, qui a rassemblé assez du gaz pour déterminer exactement le son poids atomique. L'hélium a été également isolé par le géochimiste américain William Francis Hillebrand avant la découverte de Ramsay quand il a noté les lignes spectrales peu communes tout en examinant un échantillon du minerai uraninite. Hillebrand, cependant, a attribué les lignes à l'azote. Sa lettre des félicitations à Ramsay offre un cas intéressant de découverte et de proche-découverte en science. En 1907, Ernest Rutherford et Thomas Royds a démontré cela particules d'alpha sont l'hélium noyaux, en permettant aux particules de pénétrer le mur de verre mince d'un tube évacué, créant alors une décharge dans le tube pour étudier les spectres du nouveau gaz à l'intérieur. En 1908, l'hélium a été liquéfié la première fois par le physicien hollandais Heike Kamerlingh Onnes en refroidissant le gaz moins d'à un Kelvin. Il a essayé de solidifier il en réduisant plus loin la température mais a échoué, parce que l'hélium n'a pas a point triple la température où les phases gazeuses pleines, liquides, et sont à l'équilibre. Il a été solidifié la première fois en 1926 par son étudiant Willem Hendrik Keesom en soumettant l'hélium à 25 les atmosphères de la pression. En 1938, physicien russe Pyotr Leonidovich Kapitsa découvert cela helium-4 (a boson) a presque le non viscosité aux températures près zéro absolu, un phénomène maintenant appelé superfluidity. Ce phénomène est lié à Condensation de Bose-Einstein. En 1972, on a observé dedans le même phénomène helium-3, mais aux températures beaucoup plus près de zéro absolu, par les physiciens américains Douglas D. Osheroff, David M. Lee, et Robert C. Richardson. On pense le phénomène dans helium-3 pour être lié à l'appareillement de helium- 3 fermions pour faire bosons, dans l'analogie à Paires de tonnelier de la production d'électrons super conductivité. I.1.3 -La liquéfaction de l’hélium Dewar s’attaqua au problème dès 1901 mais n’a jamais réussi à liquéfier l’hélium. C’est le 10 juillet 1908. Que Kamerlingh Onnes réussit à obtenir 60 centimètre cube d’hélium liquide, grâce à son installation au Laboratoire de Leyde, au Pays Bas. Kamerlingh Onnes a écrit à ce sujet : " Cet essai effleurait les limites du possible. Il a commencé à 6heures du matin et était terminé à 9heures 30 du soir. A 6h30 du soir, quand nous avons vu pour la première fois l’hélium liquéfié, chacun de nous était à bout de forces .... Quand ce liquide presque immatériel s’est montré, ce fut un spectacle merveilleux. Nous ne nous en sommes pas aperçus dès le début ; nous n’avons constaté sa présence qu’au moment où le verre se remplissait. Sa surface se détachait du verre comme un couteau". I.2 –HELIUM I.2.1 -définition L'hélium est un gaz noble ou gaz rare, pratiquement inerte. De numéro atomique 2, il ouvre la série des gaz nobles dans le tableau périodique des éléments. Son point d'ébullition est le plus bas parmi les corps connus, et il n'existe sous forme solide qu'au-dessus d'une pression de 25 atm . Il possède deux isotopes stables : 4He, le plus abondant, et 3He. Ces deux isotopes, contrairement à la plupart des éléments chimiques, diffèrent sensiblement dans leurs propriétés, car le rapport de leurs masses atomiques est important. D'autre part, les effets quantiques, sensibles à basse énergie, leur donnent des propriétés très différentes. Le présent article traite essentiellement de l'4He. L'article hélium 3 compile les propriétés spécifiques de l'isotope 3He. L'hélium est, après l'hydrogène, l'élément le plus abondant de l'Univers. Actuellement, pratiquement tout l'hélium a été produit lors de la nucléosynthèse primordiale. Les autres origines sont discutées ci-après dans la sous-section abondance naturelle. Tableau périodique II -Épuration de l’hélium II.1- Impuretés contenues dans l’hélium Avant sa liquéfaction, l’hélium doit être débarrassé des impuretés qu’il contient afin qu’elles ne provoquent pas de bouchage des installations en se solidifiant au cours du refroidissement. Les principales impuretés contenues dans l’hélium dépendent de la provenance de celui-ci :  lorsque l’hélium a été extrait du gaz naturel, les impuretés qu’il contient sont essentiellement de l’eau, de l’azote, des hydrocarbures, du néon et de l’hydrogène ;  lorsque l’hélium à liquéfier provient de la récupération de vapeurs issues d’hélium liquide vaporisé dans des laboratoires, les impuretés qu’il contient sont alors principalement l’eau et les gaz de l’air. Si l’hélium a été recomprimé à haute pression à l’aide de compresseurs lubrifiés, il peut aussi contenir des hydrocarbures, de l’anhydride carbonique et du monoxyde de carbone, les deux derniers résultant d’une combinaison des hydrocarbures avec l’oxygène due à la température élevée atteinte pendant la phase de compression. II.1.2- Dessiccation La dessiccation est la première des opérations d’épuration. Le processus de compression, qui est le premier que subit l’hélium, est mis à profit pour séparer la majeure partie de l’eau. La dessiccation finale est généralement effectuée par adsorption à la température ambiante sur un adsorbant adéquat. Elle peut aussi, mais plus rarement, être effectuée par condensation et solidification à basse température. Figure 2 - Teneur en eau en fonction de la pression et de la température II.1.2.1- Dessiccation par condensation sous pression Ce processus est naturellement appliqué au cours de la compression de l’hélium, par exemple, pendant la phase de récupération. Après le refroidissement qui suit chaque étage de compression, de l’eau apparaît sous forme liquide. Il suffit de la séparer par gravité et par coalescence. Selon la pression et la température, la teneur en eau dans l’hélium est variable. Il est intéressant d’effectuer le refroidissement en aval du dernier étage de compression avec de l’eau la plus froide possible, ce qui permet, pour la pression de fonctionnement fixée par le procédé, d’avoir la teneur résiduelle en vapeur d’eau la plus faible. De même, dans le cas d’une récupération de l’hélium par stockage dans des capacités sous pression, il est bon de faire toujours fonctionner le compresseur de récupération à la pression maximale admise par le compresseur. La figure 2 indique les teneurs résiduelles de vapeur d’eau selon la température et la pression de l’hélium. La quantité d’eau qui est purgée sous forme liquide soulage d’autant la charge de travail du système de dessiccation final. II1.2.2 Dessiccation par adsorption à uploads/Geographie/ helium-2.pdf