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Chapitre II Procédés de séparation et de purification des fluides cryogéniques

Chapitre II Procédés de séparation et de purification des fluides cryogéniques II. I.1 INTRODUCTION Les gaz de l’air, plus communément appelés « gaz industriels » font partie de notre vie quotidienne et concernent toutes les industries. Tout a commencé avec l’électrolyse de l’eau afin d’en extraire l’oxygène pour une utilisation médicale et alors la première clientèle était donc constituée de pharmaciens et cela s’est passait dans les années 1890. Peu de temps après 1895, deux méthodes développées en parallèle par CARLVAN LINDE et GEORGES CLAUDE ont abouti à la production industrielle d’air liquide puis des gaz qui le constitue (d’azote et d’oxygène...). II. I. 2 Généralités sur l’air II. I.2.1 Composition de l’air L'air est un mélange des gaz, constituants principalement en azote (78 %), oxygène (21 %) et de gaz inerte l'argon (0.9 %), le reste (0.1 %) se compose la plupart du temps de l'anhydride carbonique CO2 et d’autres gaz inertes néon, hélium, krypton et xénon. L’air peut être séparé dans ses composants par la distillation dans les unités spéciales. L'air est habituellement considère comme uniforme gaz (aucune variation ou fluctuation) avec des propriétés ramenées à une moyenne des propriétés de ses différents composants. Figure II-1 : Composition de l’air L’air sec est relativement uniforme en composition, avec les constituants primaires comme il est montré ci-dessous. L'air ambiant, peut avoir jusqu'à la teneur en eau environ de 5% (par le volume) et peut contenir un certain nombre d'autres gaz (habituellement des traces) qui sont enlevés à un ou plusieurs points dans la séparation d'air et le système de purification de produit. En plus des constituants déjà cités, l’air se compose de différents impuretés et contaminants:  La vapeur d’eau: qui se trouve à une teneur variable, suivant les conditions météorologiques, et sous plusieurs formes : vapeur, gouttelettes en suspension, particules de glace.  Des polluants : tels que les hydrocarbures (méthane, éthane, éthylène, propane……)  Des gaz acides : tel que H2, S2, SO2, HCl, SO3, CO2…, qui sont des agents corrosifs.  Bactéries et poussières La plupart de ces composants ont un effet inquiétant sur le processus et doivent être enlevées par des méthodes comme filtration et épuration par adsorption ou absorption. Figure II-2 : Points d'ébullition des gaz de l'air II. I.3 Généralités sur les composants de l'air (l'oxygène et azote) Comme nous avons vu, les deux composants les plus dominants sont l'Oxygène et l’Azote, nous allons détailler ci-après leurs propriétés ainsi que leurs applications. II. I.3.1 Propriétés et utilisations de L’oxygène L’oxygène est un gaz dans les conditions ordinaires (15°C et 1 bar), l’oxygène est un gaz indispensable à la vie, il est incolore, sans odeur, et sans saveur. A la pression atmosphérique pour des températures inférieures à – 183°C, c’est un liquide bleu pâle c’est un gaz très réactif et corrosif qui se combine directement à la plupart des éléments pour former des oxydes. L'oxygène tient son nom d'une erreur de la science naturelle ancienne. Au 18ème siècle, les pionniers de la chimie pensaient que ce gaz incolore et inodore était responsable de la formation des acides. C'est pourquoi, ils l'ont appelé Oxygenium (formateur d'acide), dérivé du mot grec oxys qui veut dire acide. II. II. Les produits de séparation de l’air et leur application a. L’Oxygène Propriétés physiques & chimiques : Formule chimique O2, Numéro atomique Z = 8 et sa Masse molaire est 31.9987 g / mole. Point d'ébullition : - 183 °C, Point de congélation : - 219 °C. L'oxygène liquide sous pression atmosphérique n'occupe que 1/854ème de son volume gazeux. L’oxygène est très réactif, il se lie avec presque tous les autres éléments. Il intervient dans la plupart des procédés de combustion et de corrosion. Extraction : Séparation d'air Ressources : 20,9 % dans l'air ; 50,5 % dans l'ensemble de l'atmosphère, l'hydrosphère, la biosphère et la lithosphère plus de la moitié, à savoir précisément 50,5 % des parties de notre planète accessibles à l'homme, sont composés d'oxygène. C'est le pourcentage de cet élément dans l'atmosphère, l'hydrosphère (les eaux) et la lithosphère jusqu'à une profondeur de 16 kilomètres. Rien que par sa masse, l'oxygène est ainsi l'élément de base le plus important de notre monde. D'ailleurs, dans l'espace, l'oxygène est le troisième élément après l'hydrogène et l'hélium, mais avec une fraction massique beaucoup moins importante que sur terre. Dans le système solaire, il représente environ 0,8 %. Le caractère réactif de l'oxygène est exploité par des entreprises industrielles qui cherchent à rendre leurs productions plus efficaces à moindres coûts : l'oxygène intervient dans la plupart des procédés industriels dans lesquels des combustions ou réactions chimiques jouent un rôle, depuis le recuit d'acier jusqu'au traitement d'eau. Principales applications de l’Oxygène La circulation sanguine, dans notre corps, absorbe l'oxygène de l'air dans nos poumons pour alimenter les cellules. Les fournisseurs de soins de santé emploient l'oxygène médical pour des patients dans la chirurgie et pour ceux qui ont des difficultés respiratoires. L'oxygène médical joue un rôle important en tant que gaz respirable. L'oxygène favorise la combustion, et réduisent l’émission des gaz tels que l'anhydride carbonique, l'oxyde d'azote ou l'oxyde de soufre. En utilisant l'oxygène enrichi, l'air augmente l'efficacité de production dans les applications de traitement d'acier, d'ergol combustible, le verre, l’industrie chimique et métallurgique. Les fabricants de l'aluminium, du cuivre et de l'or emploient l'oxygène pour enlever des métaux du minerai plus efficacement. Les industries chimiques et pétrolières combinent l'oxygène avec les hydrocarbures pour produire des produits tels que l'antigel, le plastique, les polymères, et le nylon. L'oxygène permet par exemple de faciliter le thermoformage et le raffinage du verre. L'industrie du papier utilise l'oxygène pour augmenter la blancheur de papier tout en réduisant le besoin d'autres produits chimiques de blanchiment. Les usines de traitement des eaux usées emploient l'oxygène pour donner aux procédés de traitement plus d’efficacité et aussi d'augmenter la capacité des bassins. Accélération des réactions d'oxydation dans différents secteurs et procédés ; augmentation des températures de procédés dans la métallurgie, l'industrie des céramiques et du verre ; accélération de procédés biologiques et biochimiques, par exemple dans le cadre du traitement d'eau usées (stations d'épuration biologique) ; ainsi que beaucoup d'autres applications encore. b. L’Azote L’azote est un gaz incolore, sans odeur et sans saveur. C’est le composant principal de l’air (78.08% en volume). A la pression atmosphérique, pour des températures à – 196°c ; c’est un liquide incolore, un peu plus léger que l’eau. L’azote ne peut entraîner ni la respiration, ni la combustion (gaz inerte), mais joue un rôle essentiel en tant qu’élément de la matière. C’est un gaz ininflammable. L’azote est livré soit gazeux sous pression dans des bouteilles, soit liquide à basse température sous sa propre pression de vapeur saturante. Son nom allemand (Stickstoff = matière étouffante) vient du fait qu'il est capable d'étouffer aussi bien des flammes que tout être vivant. Le nom scientifique Nitrogenium est dérivé du mot grec « nitros » qui veut dire nitrate de potassium, molécule à partir de laquelle l'azote était extrait avant l'invention de la séparation d'air. Propriétés physiques & chimiques Formule chimique N2, Numéro atomique Z=7, Masse molaire 28.0134 g/mole. Point d'ébullition : -196°C, Point de congélation : -210°C. En condensant, l'azote moléculaire neutre à l'odeur et au goût devient un liquide incolore. Il est extrêmement peu réactif, ne se dissout pratiquement pas dans l'eau et est ininflammable. Ressource: Présent à environ 78 % en volume, l'azote est le composant le plus important de l'air, 99 % de l'azote de la terre se trouvent dans l'air. La plupart des plantes consomment de l’azote à partir de composés présents dans les terres arables. C'est pourquoi, plus de 80% de la production d'azote mondiale (environ 40 millions tonnes par an) sont utilisés uniquement pour la fabrication d'engrais chimique. Principales applications de L'azote L'azote est un composant essentiel des aminoacides et, en tant que tel, un élément de base de toute forme de vie. Sans cet élément dont le symbole chimique est N, il n'y aurait pas de métabolisme, pas de protéines et pas d'ADN, ni pour les plantes ni pour les animaux ou les hommes. L'azote représente presque 2 kg du poids d'un adulte de 70 kg. De l'azote pur est entre autres utilisé pour gonfler les pneus des avions de sorte que les roues ne prennent pas feu lors du décollage et de l'atterrissage suite au fort développement de chaleur. L'azote fait aussi fonction de gaz propulseur, un gaz de protection (exemple l'emballage de produits alimentaires). L'azote liquide est utilisé en cryogénie comme moyen de refroidissement, par exemple pour stocker des produits alimentaires ou pour la surgélation rapide. D'autres domaines d'application de l'azote liquide sont le refroidissement du béton, la congélation des sols en génie civil ainsi que la cryochirurgie dans le domaine médical. L'exemple le plus connu pour cette dernière est la « cryoablation» de verrues (brûlure par un froid extrême). La majorité des industries emploient l'azote liquide et le gaz d'azote, l’azote rend aussi beaucoup de processus industriels plus sûrs et sécurisé pour les ouvriers et les uploads/Industriel/ chapitre-ii-procedes-de-separation-et-de-purification-des-fluides-cryogeniques 1 .pdf