Présentation
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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4. Matériaux utilisés pour l’appareillage
4.1 Métaux et alliages et leur assemblage
Certains métaux purs ou alliés perdent leur résilience aux basses températures ; de ductiles, ils deviennent fragiles. La ductilité peut décroître progressivement avec l’abaissement de la température, parfois à partir de 0 oC. Le changement de ductilité peut aussi être brutal ; c’est le cas des aciers ordinaires vers – 20 oC.
HAUT DE PAGE4.1.1 Métaux dépourvus de zone de transition de ductilité
Citons les plus utilisés en cryogénie :
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le cuivre et ses alliages : cuivre 99,5 % ; cupro-aluminium (Cu91 Al9) ; cupro-nickel (Cu70 Ni30 et Cu90 Ni10) ; bronzes ; cupro-manganèse ; cupro-silicium ;
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l’aluminium et ses alliages :(selon les désignations NF)
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série 1 000 : tous les aluminiums, de 98 à 99,99 % de pureté,
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série 3 000 : alliages au manganèse, p. ex. 3 003 (AM 1),
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série 5 000 : alliages au magnésium, p. ex. 5 052 (AG 3), 5 086 (AG 4 MC),
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série 6 000 : alliages au magnésium et au silicium (6 060-6 061) ;
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le nickel et ses alliages : Monel et Inconel
On notera dans ces listes l’absence de nombreux alliages connus de cuivre ou d’aluminium, en principe dépourvus de zone de changement de ductilité dans le domaine de température concerné, mais dont les conditions de traitements thermiques ou mécaniques lors de leur production ou en fabrication peuvent induire des précipitations intergranulaires ou intragranulaires conduisant à un affaiblissement de la tenue à la corrosion et de la ductilité.
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les aciers inoxydables austénitiques : ce sont des aciers auxquels on a ajouté du chrome (qui leur procure le caractère d’inoxydabilité) et du nickel principalement, pour l’obtention de la structure austénitique. Les plus utilisés en cryogénie sont, en désignations AISI, les nuances 304 (en épaisseur supérieure à 5 mm), 304 L, 321, 304 LN,...
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