Читать книгу Évolution des procédés - la séparation de l'air atmosphérique en ses éléments, l'oxygène et l'azote - Raoul Pictet - Страница 10
ОглавлениеDiscussion du procédé dit par rectification
Dès que la théorie d’un procédé est fixée, et cela sur des lois immuables de la physique, il est loisible de préciser les limites des avantages qui en découlent et de voir le prix qu’il faut mettre pour obtenir dans notre cas actuel de l’oxygène pur et de l’azote pur.
Restons encore dans l’idée d’appareils parfaits.
Nous avons constaté qu’avec 500 mètres cubes d’air atmosphérique nous devons les comprimer à 5 atmosphères pour les liquéfier totalement et qu’en les laissant tomber du haut en bas d’une colonne à plateaux, on peut en retirer 77 mètres cubes d’oxygène pur et, par le haut de la colonne, 423 mètres cubes d’un mélange de 7 % d’oxygène et de 93 % d’azote, gaz presque sans valeur industrielle.
Une correction s’impose immédiatement dans nos calculs. Elle provient de ce fait: la température du réservoir du bas de la colonne est — 182°, celle du point d’ébullition de l’oxygène liquide.
La température du plateau du haut de la colonne est — 195°, donc 13° plus basse que celle du bas.
Les 500 mètres cubes d’air liquide qui proviennent du changement d’état gazeux en liquide dans le serpentin du bas, vont donc arriver à la vanne de réglage F à la température de — 182°.
Là la vanne s’ouvre et le liquide qui s’échappe, selon les lois bien connues, va prendre spontanément la température de — 195° en s’évaporant partiellement mais instantanément.
Si nous adoptons pour la chaleur spécifique de l’air liquide la valeur, encore pas très exactement connue, de 0,47 calorie, la chaleur qu’il est nécessaire d’ôter pour obtenir cet abaissement de température obligatoire sera de:
500m’ × 1k,293 × 13° × 0°,47 = 3950 calories.
C’est la quantité de chaleur qui doit être enlevée par heure.
Comme cette transformation de liquide en gaz est tout-à-fait instantanée elle s’effectue au détriment du liquide qui arrive sur le premier plateau G du haut de la colonne.
On admet 55 calories pour la chaleur latente de l’air liquide; on trouve alors que le poids d’air liquide qui disparait en se transformant instantanément en un gaz contenant 7 % d’oxygène et 93 % d’azote est de: 71k82, d’air liquide.
Ces gaz ne seront utiles que dans l’échangeur d’azote, mais n’apporteront aucune quantité d’oxygène au gazomètre.
Voilà un point bien important.
En effet 500 mètres cubes d’air pèsent 646k,5 et 71k82, d’air liquide perdus pour le travail utile représentent:
Ainsi cette première correction nous fait voir que, au lieu de récolter 77 mètres cubes d’oxygène pur, nous n’en récolterons effectivement que:
Voilà donc le rendement théorique maximum du système dit de rectification: en travaillant et comprimant à 5 atmosphères 500 mètres cubes d’air à l’heure, il faudra renoncer à en obtenir plus de 68m,45 cubes d’oxygène pur. Ici encore nous remarquons que l’air liquide perdant déjà près de 10 % de son poids contient un peu plus d’oxygène dans la partie restante et abandonne des vapeurs dès le deuxième plateau ayant un peu plus de 7 %d’oxygène.
Notre résultat est donc forcé en donnant le rendement de 68m,45 cubes d’oxygène par heure.
Dimensions de la colonne à rectifier
D’après ce que nous venons de voir la colonne à rectifier reçoit du liquide par le haut et des gaz par le bas. L’azote traverse les plateaux de bas en haut sans se liquéfier ni se dissoudre dans aucun plateau, mais l’oxygène se dissout progressivement de plateau en plateau et le liquide contenu dans les plateaux est mécaniquement entraîné vers le bas par le déversement continu d’environ 646 à 650 litres d’air liquide par heure.
Tout l’oxygène qui enrichit le liquide de chaque plateau est rapidement accumulé au bas de la colonne dans le réservoir B.
De ce réservoir s’élèvent constamment 500 mètres cubes d’oxygène pur.
Dès le départ du gaz oxygène hors du réservoir BB on sait que 68,45 mètres cubes d’oxygène vont sortir par le tube K, traverser les échangeurs et se rendre au gazomètre d’où on les utilisera pour les besoins industriels.
Il reste 431,55 mètres cubes d’oxygène qui remonteront la colonne contre le courant d’air liquide apporté par le tube E après avoir traversé la vanne F.
Les gaz se mêleront au haut avec les vapeurs de l’air liquide dont la température passe subitement de — 182° à — 195° et l’on récolte dans le tube H de sortie des gaz au haut de la colonne:
Si l’on ajoute à ces 431,55 mètres cubes de gaz mélangés les 68,45 mètres cubes d’oxygène récoltés dans le gazomètre on retrouve, ce qui est naturel, les 500 mètres cubes d’air travaillés dans notre exemple numérique.
Tel est le résultat précis de cette étude.
Pour laisser passer cette masse gazeuse constante de 431,55 mètres cubes de vapeurs par heure sans exagération de vitesse, sans boursoufflement des mousses sur les plateaux, il ne faut pas dépasser une vitesse de 2 mètres par seconde au maximum pour les gaz qui traversent les calottes des plateaux NNN.
On arrive ainsi à donner à la calotte une hauteur de 4 mètres et demi et un diamètre de 400 millimètres, avec 82 plateaux N équidistants dans la colonne. Ces conditions mécaniques découlent forcément du principe de rectification. En particulier le nombre des plateaux de 82 s’impose comme un minimum si l’on veut obtenir un bon rendement et retenir l’oxygène qui s’échappe du réservoir du bas de la colonne et ne pas en laisser perdre plus de 7 % dans l’azote.
Comme la chaleur apportée à chaque plateau n’est produite que par le poids de l’oxygène fixé par dissolution, le nombre de plateaux est un nombre rigide, invariable, selon la pureté de l’oxygène que l’on veut obtenir et la perte minimale qu’il convient de fixer pour la quantité d’oxygène perdue avec l’azote qui part.
Cette inéluctable condition caractérise les appareils bâtis sur la rectification des liquides mélangés.
Pertes dues au rayonnement et à la conductibilité
Comme l’appareil fonctionne dans une salle où règne une température normale de +15° environ, la chaleur ambiante tend toujours à pénétrer dans les appareils froids, quelles que soient du reste leur protection et l’épaisseur des parois calorifuges.
Les échangeurs, moins froids que la colonne, l’entourent et l’on fait son possible pour obtenir la meilleure isolation.
Nos expériences nous montrent que pour traiter 500 mètres cubes à l’heure d’air atmosphérique il faut compter sur l’introduction de 32 litres d’air liquide par heure dans la colonne pour maintenir le régime constant. Avec cet appareil régulier on compense très exactement les insuffisances d’isolement et le résultat incomplet des échangeurs de température.
Ces 32 litres d’air liquide introduits au haut de la colonne A permettent de recueillir cinq à cinq mètres cubes et demi d’oxygène pur en plus des 68,45 déjà récoltés. Ce volume d’oxygène se dégage des 32 litres d’air liquide ajoutés comme l’oxygène dégagé de l’air liquide obtenu dans le serpentin E.
La chaleur qui fait vaporiser ces 32 litres d’air liquide est entrée directement de la chambre des machines au cœur des appareils et s’inscrit comme équivalente à la chaleur latente de vaporisation de cette masse liquide auxiliaire.
Il est clair qu’on pourra peu à peu diminuer dans une certaine mesure cette quantité d’air liquide qu’il faut fabriquer constamment à côté des appareils à rectifier uniquement pour maintenir l’état de régime normal dans la colonne en parant aux apports de la chaleur ambiante.
On pourra augmenter l’épaisseur des parois protectrices, trouver des substances dont l’action préservatrice par leur mauvaise conductibilité soient plus avantageuses les unes que les autres.
A l’heure qu’il est une colonne travaillant 500 mètres cubes, doit compter avec un apport horaire de 30 à 35 litres d’air liquide, résultat expérimentalement constaté maintes fois.
Influence de l’humidité de l’air et de l’acide carbonique
Un point très important est très délicat dans le fonctionnement régulier des appareils rectificateurs de l’air liquide réside dans la nécessité absolue d’enlever à l’air atmosphérique comprimé toute son humidité, sans quoi les obstructions sont imminentes et arrêtent totalement la marche de l’appareil. L’acide carbonique bien que contenu à raison de trois dix millièmes (0,0003) dans l’air normal, doit être prudemment capté avant que l’air ne se liquéfie dans des tubes étroits, ou retenu dans des filtres ad hoc dès sa liquéfaction.
En réduisant l’air liquide au de son volume initial pendant sa liquéfaction, on oblige la totalité de l’acide carbonique à se transformer en une poussière neigeuse entraînée dans le courant de l’air liquide. Ce n’est qu’au moment où cette considérable réduction du volume des gaz s’opère que la tension des vapeurs d’acide carbonique permet ce changement d’état.
Les opérations nécessitées par l’enlèvement scrupuleux de l’humidité de l’air, environ 14 à 15 grammes d’eau par mètre cube d’air, et de l’acide carbonique sont des charges constantes portées par le procédé de rectification. Elles sont inéluctables et assez onéreuses.
