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Université Hassiba Benbouali Chlef Faculté de Technologie Département de Génie

Université Hassiba Benbouali Chlef Faculté de Technologie Département de Génie des Procédés (UED 3.2) 3eme Année Licence Présenté par : Dr. Baraka Oussama Année Universitaire : 2020-2021 ~ 1 ~ Titre Page Table des matières 1 Table des figures 4 Table des Tableaux 6 Préambule 7 Chapitre I : La technologie du vide 8 I.1. Définition de la cryogénie. 9 I.2. Historique de la cryogénie. 9 I.3. Les domaines d’applications. 10 I.4. Technologie du vide. 11 I.5. Définition du vide. 11 I.6. Limites des domaines du vide. 11 I.6.1. La pression. 11 I.6.2. La densité moléculaire. 11 I.6.3. La théorie cinétique des gaz. 12 I.6.4. Le libre parcours moyen. 15 I.6.5. Les domaines du vide. 15 I.7. Applications du vide. 17 I.8. Faire le vide. 18 I.8.1. Qu'est qu'il faut faire. 18 I.8.2. Comment faire. 18 I.8.3. Installation du vide. 19 I.8.4. La charge de gaz à évacuer. 19 I.9. Les principaux types de pompes. 21 I.9.1. Selon leur principe de fonctionnement. 21 I.9.2. Selon le régime de vide. 21 I.10. Les principaux types de pompes. 22 I.10.1. Pompes à palettes. 22 I.10.2. Pompes à palettes sèches. 23 I.10.3. Pompes à membrane et pistons. 23 I.10.4. pompes à spirales. 24 I.10.5. Pompes à becs ou griffes. 25 I.10.6. Pompes birotors synchrones. 26 I.10.7. Pompes à diffusion. 26 I.10.8. Pompes turbomoléculaires. 27 I.10.9. Pompes à sublimation. 28 I.10.10. Pompes ioniques. 29 I.10.11. Getters non evaporables. 30 I.10.12. Pompes cryogéniques. 30 Chapitre II : Procédés de séparation et de purification des fluides cryogéniques 32 II.1. introduction. 33 II.2. Les mélanges. 33 II.3. Techniques de séparation des fluides. 33 II.3.1. Purification. 33 ~ 2 ~ II.3.2. Chromatographie. 33 II.3.3. Évaporation. 34 II.3.4. La filtration. 34 II.3.5. Centrifugation. 35 II.3.6. Le raffinage. 35 II.3.7. L'absorption. 36 II.3.8. L'adsorption. 36 II.3.9. L'osmose inverse. 37 II.3.10. Cristallisation. 37 II.3.11. Sublimation. 38 II.4. Procédés de séparation – Rectification. 38 II.4.1. La distillation. 38 II.4.2. Différents types de distillation. 39 II.5. La détente de Joule-Thomson. 45 II.5.1. Introduction. 45 II.5.2. Étude de la détente de Joule-Thomson. 45 II.5.3. Cas d’un gaz parfait. 48 II.5.4. Cas d’un gaz de Joule. 48 II.5.5. Cas d'autre fluide : Température d’inversion. 48 II.5.6. Applications. 49 II.6. Les technologies de séparation de l’air. 50 II.6.1. Généralités sur l’air. 50 II.6.1.1. Composition de l’air. 50 II.6.1.2. Points d'ébullition des composants de l'air. 51 II.6.2. Propriétés et utilisations de L’oxygène. 52 II.6.3. Propriétés et utilisations de L’Azote. 52 II.6.4. Propriétés et utilisations de L’Argon. 53 II.6.4. Les étapes de base de la séparation cryogénique de l'air. 53 Chapitre III : Procédés de liquéfaction des gaz 56 III.1. Rappel thermodynamique. 57 III.1.1. Les diagrammes thermodynamiques du corps pur. 57 III.1.2. Premier principe de la thermodynamique appliqué à un système ouvert. 58 III.1.3. Bilan énergétique des systèmes ouverts en régime permanent. 59 III.1.4. Application pour quelques machines en régime permanent. 59 III.1.4.1. Compresseur et pompe. 59 III.1.4.2. Turbine. 60 III.1.4.3. Echangeur de chaleur. 60 III.1.4.4. Le séparateur. 61 III.1.4.5. Adsorbeur à tamis moléculaire. 61 III.1.4.6. Vanne de détente. 61 III.1.4.7. Colonne de distillation. 62 III.2. La liquéfaction des gaz. 62 III.2.1. Principe. 62 III.2.2. Cycle de Linde. 62 III.2.2.1. Principe de fonctionnement. 62 III.2.2.2. Bilan enthalpique. 64 III.2.3. Cycle de liquéfaction avec travail extérieur : cycle de Brayton inverse. 64 ~ 3 ~ III.2.4. Cycle de Claude. 65 III.2.4.1. Principe de fonctionnement. 65 III.2.4.2. Bilan enthalpique. 66 III.2.5. Paramètres de performance d’un système de liquéfaction. 66 III.3. Principe de la réfrigération. 67 III.3.1. Principe. 67 III.3.2. Cycle en cascade. 68 III.3.3 Fluides frigorifiques. 69 Chapitre IV : Applications cryogéniques 70 IV.1. La supraconductivité. 71 IV.1.1. Mise en évidence expérimentale de la supraconductivité. 71 IV.1.2. Définition. 71 IV.1.3. Fermions et bosons. 71 IV.1.4. Modèle BCS pour la supraconductivité. 72 IV.1.5. Effet Meissner. 73 IV.1.6. Classification des supraconducteurs. 73 IV.1.7. Matériaux supraconducteurs. 75 IV.1.8. Applications de la supraconductivité. 75 IV.2. La cryogénie alimentaire. 76 Références. 78 ~ 4 ~ N° de figure Titre Page Figure I.1 Histoire de la cryogénie . 10 Figure I.2 La loi de distribution des vitesses de Maxwell. 13 Figure I.3 Les vitesses (la plus probable, moyenne et quadratique). 14 Figure I.4 La loi de distribution des vitesses de Maxwell et la température. 15 Figure I.5 Les domaines du vide et leurs applications. 17 Figure I.6 Les différents régimes. 18 Figure I.7 Comment faire le vide. 18 Figure I.8 Installation du vide. 19 Figure I.9 La charge de gaz à évacuer. 20 Figure I.10 les principaux types de pompes Selon leur principe de fonctionnement. 21 Figure I.11 les principaux types de pompes. 22 Figure I.12 Pompes à palettes. 23 Figure I.13 Pompes à membrane et pistons. 24 Figure I.14 pompes à spirales. 25 Figure I.15 Pompes à becs ou griffes. 25 Figure I.16 Pompes birotors synchrones. 26 Figure I.17 Pompes à diffusion. 27 Figure I.18 Pompes turbomoléculaires. 28 Figure I.19 Pompes à sublimation. 28 Figure I.20 Pompes ioniques. 29 Figure I.21 Getters non evaporables. 30 Figure I.22 Pompes cryogéniques (bain d’hélium). 31 Figure I.23 Pompes cryogéniques (cryogénérateur). 31 Figure II.1 Schéma du principe de séparation de la chromatographie d'exclusion. 34 Figure II.2 Schémas de principe évaporation simple. 34 Figure II.3 Schémas de principe filtration par aspiration. 35 Figure II.4 Schémas de principe centrifugation. 35 Figure II.5 Schémas de principe le raffinage du pétrole. 36 Figure II.6 Différence entre l'absorption et adsorption. 36 Figure II.7 Schémas de principe d'osmose inverse. 37 Figure II.8 Schémas de principe de Cristallisation. 37 Figure II.9 Schémas de principe de Sublimation ( Le diiode se sublimera à 187 °C). 38 Figure II.10 Colonne à plateaux et agrandissement d’une partie de deux plateaux. 39 Figure II.11 Schéma de distillation simple. 39 Figure II.12 Schéma de colonne binaire. 40 Figure II.13 Colonnes binaires d’épuisement et de concentration. 41 ~ 5 ~ Figure II.14 Colonnes complexes. 42 Figure II.15 Fractionnement de pétrole brut. 42 Figure II.16 Schéma de distillation extractive. 43 Figure II.17 Colonne de distillation extractive (pour acétate de méthyle). 44 Figure II.18 Schéma de distillation discontinue. 44 Figure II.19 Schéma des vannes de détente de joule – Thomson. 45 Figure II.20 Dispositif utilisé pour la détente de Joule - Thomson. 45 Figure II.21 Le diagramme (T, P). 49 Figure II.22 Composition de l’air. 50 Figure II.23 Points d'ébullition des gaz de l'air. 51 Figure II.24 Les étapes de bases de séparation cryogénique de l’air. 55 Figure II.25 Fonctionnement du processus principal d’une séparation cryogénique de l’air. 55 Figure III.1 les allures des principales transformations du corps pur en coordonnées de Clapeyron. 57 Figure III.2 Le diagramme entropique. 58 Figure III.3 Le diagramme enthalpique. 58 Figure III.4 Système ouvert à plusieurs entrées (i) et sortie (j). 59 Figure III.5 (a) Compresseur et (b) pompe. 59 Figure III.6 Turbine. 60 Figure III.7 Echangeur de chaleur. 60 Figure III.8 Le séparateur. 61 Figure III.9 Adsorbeur à tamis moléculaire. 61 Figure III.10 Vanne de détente. 61 Figure III.11 Colonne de distillation. 62 Figure III.12 Cycle de Linde : (a) diagramme P-V (b) diagramme T-S. 63 Figure III.13 Cycle de Linde. 63 Figure III.14 Comparaison des cycles de Linde et de Brayton inverse - diagramme T-S-. 64 Figure III.15 Comparaison des cycles de Linde et de Brayton inverse. 65 Figure III.16 Cycle de Claude : Diagramme T-S. 65 Figure III.17 Cycle de Claude. 66 Figure III.18 Cycle de réfrigération (b) Diagramme enthalpique. 67 Figure III.19 Cycle en cascade pour production de froid à – 196 °C. 68 Figure IV.1 Différence de la variation de la résistance en fonction de la température pour deux métaux un supraconducteur et un autre non supraconducteur. 71 Figure IV.2 (a) métal non supraconducteur et (b) Réseau de matériau supraconducteur (c) Formation des paires de Cooper à très basse température dans un métal. 72 Figure IV.3 l'apparition de la bande interdite. 72 Figure IV.4 Effet Meissner dans une sphère supraconductrice refroidie dans un champ magnétique uniforme, au dessous de la température critique les lignes de champ sont éjectés de la sphère. 73 Figure IV.5 Diagramme de phase d'un supraconducteur (a) type I et (b) type II. 74 Figure IV.6 Courbes d’aimantation en fonction du champ appliqué d’un supraconducteur de type I ou de type II . 74 Figure IV.7 Le nettoyage cryogénique (a) nettoyage des réservoirs (b) nettoyage mélangeur (c) enlèvement des résidus sucrés. 77 ~ 6 ~ N° de Tableaux Titre Page Tableau I.1 Température d’ébullition de différents gaz à pression atmosphérique. 9 Tableau II.1 Les familles des adsorbants. 37 Tableau III.1 Point d’ébullition et le travail idéal de liquéfaction de quelques gaz. 67 Tableau IV.1 Valeurs des températures critiques et champs critiques pour quelques supraconducteurs. 75 ~ 7 ~ Ce document est destiné aux étudiants de la troisième année des filières scientifiques et techniques. Il présente le module suivant Procédés Cryogénique'' à travers quatre chapitres. La température est liée à l'agitation des molécules qui constituent un système physique. A l’état naturel, lorsque deux corps sont mis en contact, ils peuvent échanger de l'énergie (sous forme de chaleur). Pour quantifier cette agitation, les chercheurs utilisent une grandeur appelée la température. L’unité de uploads/Litterature/ cours 4 .pdf