Air liquide (chimie)
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L'air liquide est de l'air qui a été refroidi à des températures très basses (températures cryogéniques), de sorte qu'il s'est condensé en un liquide mobile bleu pâle[1]. Il est stocké dans des conteneurs spécialisés, tels que des bouteilles isothermes, pour l'isoler de la température ambiante. L'air liquide peut absorber rapidement de la chaleur et revenir à son état gazeux. Il est souvent utilisé pour condenser d'autres substances en liquide et/ou les solidifier, et comme source industrielle d'azote, d'oxygène, d'argon et d'autres gaz inertes grâce à un processus appelé séparation de l'air.
Propriétés[modifier | modifier le code]
L'air liquide a une densité d'environ 870 kg/m3. La densité d'un échantillon d'air donné varie en fonction de la composition de cet échantillon (par exemple, humidité et concentration en CO2). Étant donné que l'air gazeux sec contient environ 78 % d'azote, 21 % d'oxygène et 1 % d'argon, la densité de l'air liquide à composition standard est calculée par le pourcentage des composants et leurs densités liquides respectives (voir azote liquide et oxygène liquide). Bien que l'air contienne des traces de dioxyde de carbone (environ 0,03 %), le dioxyde de carbone se solidifie à partir de la phase gazeuse sans passer par la phase liquide intermédiaire et ne sera donc pas présent dans l'air liquide à des pressions inférieures à 5,1 atm.
Le point d'ébullition de l'air est -194,35 °C (78,8 °K), intermédiaire entre les points d'ébullition de l'azote liquide et de l'oxygène liquide. Cependant, il peut être difficile de maintenir une température stable lorsque le liquide bout, car l'azote s'évaporera en premier, laissant le mélange riche en oxygène et modifiant le point d'ébullition. Cela peut également se produire dans certaines circonstances en raison de la condensation de l’oxygène hors de l’atmosphère par l’air liquide[2].
L'air liquide commence à se solidifier à approximativement 60 °K (-212,2 °C), précipitant un solide riche en azote (mais avec une proportion notable d'oxygène dans le solide). À moins d'avoir précédemment combiné [traduction incertaine de accomodate] l'oxygène dans le solide, l'eutectique gèle à 50 °K.
Préparation[modifier | modifier le code]
Principe de production[modifier | modifier le code]
Les constituants de l’air étaient autrefois appelés « gaz permanents », car ils ne pouvaient pas être liquéfiés uniquement par compression à température ambiante. Un processus de compression augmentera la température du gaz. Cette chaleur est évacuée par refroidissement à température ambiante dans un échangeur de chaleur, puis détendue dans une chambre. La dilatation provoque une baisse de la température et, par échange thermique à contre-courant de l'air détendu, l'air sous pression entrant dans le détendeur est davantage refroidi. Avec suffisamment de compression, de débit et d'évacuation de la chaleur, des gouttelettes d'air liquide se forment, qui pourront ensuite être utilisées directement pour des usages à basse température.
Les principaux constituants de l'air ont été liquéfiés pour la première fois par les scientifiques polonais Karol Olszewski et Zygmunt Wróblewski en 1883.
Les dispositifs de production d'air liquide sont suffisamment simples pour être fabriqués par l'expérimentateur à l'aide de matériaux couramment disponibles.
Processus de fabrication[modifier | modifier le code]
Le procédé le plus courant pour la préparation de l'air liquide est le cycle Hampson-Linde à deux colonnes utilisant l'effet Joule-Thomson. L'air est alimenté à haute pression (> 75 atm) dans la colonne inférieure, dans laquelle il est séparé en azote pur et en liquide riche en oxygène. Le liquide riche et une partie de l'azote sont amenés en reflux dans la colonne supérieure qui fonctionne à basse pression (< 25 atm), où se produit la séparation finale en azote pur et en oxygène. Un produit argon brut peut être retiré du milieu de la colonne supérieure pour une purification ultérieure[3].
L'air peut également être liquéfié par le procédé de Claude, qui combine refroidissement par effet Joule-Thomson, expansion isentropique et refroidissement régénératif.
Application[modifier | modifier le code]
Dans les processus de fabrication, le produit d'air liquide est généralement fractionné en ses gaz constitutifs sous forme liquide ou gazeuse, car l'oxygène est particulièrement utile pour le soudage et le oxycoupage et pour un usage médical, et l'argon est utile comme protection contre l'oxygène dans le soudage à l'arc au tungstène sous gaz. L'azote liquide est utile dans diverses applications à basse température, étant non réactif aux températures normales (contrairement à l'oxygène) et bouillant à 77 °K (-196 °C).
Transport et stockage d'énergie[modifier | modifier le code]
Entre 1899 et 1902, un prototype d'automobile Liquid Air a été produite par une compagnie anglo-américaine, qui clamait qu'elle pouvait construire une voiture propulsée par de l'air liquide avec une autonomie de plus de 160 km.
Le 2 octobre 2012, l'Institution of Mechanical Engineers affirmait que de l'air liquide pouvait être un moyen de stockage de l'énergie. Cela est basé sur une technologie développée par Peter Dearman, inventeur indépendant du Hertfordshire en Angleterre, pour propulser les véhicules[4].
Références[modifier | modifier le code]
- Babbage, « Difference Engine: End of the electric car? », The Economist, (lire en ligne, consulté le )
- (en) W. L. F. Armarego et D. D. Perrin, Purification of Laboratory Chemicals, Butterworth-Heinemann, (ISBN 978-0750628396, OCLC 762966259, LCCN 97109714), p. 36
- « Air liquefaction, "Linde Air", rectification: into new markets with new research findings » [archive du ], The Linde Group (consulté le )
- (en-GB) « Liquid air 'offers energy storage hope' », BBC News, (lire en ligne, consulté le )
