LES GAZ LIQUÉFIÉS DANS L’INDUSTRIE

Applications actuelles. — Il y a plus de 7s ans que Faraday a liquéfié les premiers gaz, et il n’en est plus aucun aujourd’hui qu’on ne sache transformer en liquide statique par des procédés de laboratoire ; mais, au point de vue industriel, ces nouveaux liquides n’ont reçu jusqu’ici que peu d’applications. Quelques-uns seulement se trouvent dans le commerce, enfermés dans des tubes d’acier de résistance suffisante.

Le chlorure de méthyle, extrait par distillation des vinasses de betteraves (procédé Vincent), est employé comme réfrigérant (machine Vincent) et comme anesthésique : il sert aussi à extraire les parfums des plantes odoriférantes et à transformer le violet de Paris en vert lumière.

L ’anhydride sulfureux, préparé par l’action du soufre sur l’acide sulfurique (procédé Melsens), est employé par M. Pictet pour la fabrication de la glace. Il est souvent remplacé pai le mélange liquéfié d’anhydrides sulfureux et carbonique obtenu par le charbon de bois et l’acide sulfurique. L’acide sulfureux liquide est vendu dans des siphons à eau de Seltz. Il est employé dans les laboratoires et sert en outre de réfrigérant et de désinfectant.

Le froid produit par l’évaporation de Y ammoniac liquéfié est utilisé dans les machines à compression de Fixary et dans les machines à affinité de F. Carré et de Rouart frères.

Le chlore liquide est dû à l’éloctrolyse d’une solution de chlorure de magnésium et de chlorure alcalin : il est surtout employé dans les laboratoires.

L 'anhydride carbonique peut être produit par plusieurs procédés : on se sert quelquefois d’un appareil continu semblable à ceux des laboratoires ; on peut utiliser aussi le gaz qui se dégage des fours à châux ou qui résulte de la fermentationalcoolique.A l’Ecoledebrasserie de Munich, on emploie des cuves fermées hermétiquement : des tuyaux conduisent l’acide carbonique dans un gazomètre ; une pompe l’aspire à travers une colonne desséchante de chlorure de calcium et le refoule dans un laveur à acide sulfurique concentré suivi d’un serpentin entouré d’eau froide. Un autre compresseur reprend ce gaz, le fait passer dans un filtre en coton et l’envoie se liquéfier, sous une pression de 70 atmosphères, dans des bouteilles en fer forgé plongées dans l’eau froide. On obtient 1,5 kg de liquide par hectolitre de bière. L’acide carbonique liquide est vendu en cylindres contenant 2, 4 ou 8 kg de liquide. Il est employé notamment pour la fabrication des boissons gazeuses et pour exercer dans les tonneaux de bière une pression qui fait monter le liquide de la cave à l’étage où on doit le débiter ; il est encore utilisé dans les machines réfrigérantes de Windhausen.

Signalons encore les tentatives faites pour appliquer à

l’éclairage Y acétylène liquide, préparé par la réaction de l’eau sur lecarbure de calcium. MM.Dickerson etSuckert, M. Pictet ont imaginé des appareils spécialement disposés pour la fabrication de ce gaz liquéfié. Malheureusement ce liquide ne peut pas actuellement être manipulé sans danger. Nous rappellerons à ce propos le récipient de sûreté, imaginé par M. Fournier pour les gaz comprimés ou liquéfiés.

Premiers essais de liquéfaction industrielle des gaz permanents.— Au point de vue de la production du froid, la liquéfaction des gaz permanents, produite par des procédés purements industriels, serait d’un très grand intérêt ; il est évident que, parmi ces corps, c’est l’air atmosphérique, si facile à obtenir, qui devrait être préféré.Mais les perfectionnements apportés jusqu’ici aux appareils de laboratoire consistent à fractionner et faciliter le refroidissement en utilisant tour à tour l’évaporation de deux ou trois liquides de plus en plus volatils. On réalise ainsi une combinaison de deux ou trois machines à froid à évaporation. On comprend sans peine que l’installation et l’emploi de telles machines entraînent des frais et des complications qui les rendent inacceptables pour l’industrie. Il faut, dans ce cas, des procédés plus simples et moins coûteux; la question, étudiée à plusieurs reprises, vient enfin d’être enfin résolue.

Dès 1857, W. Siemens déposait une description provisoire de brevet relative à cette application. « L’invention se rapporte au refroidissement par l’expansion de l’air ou de fluides élastiques. L’air est d’abord comprimé dans un cylindre ou une pompe, ce qui élève sa température : il est ensuite refroidi, à l’état comprimé, puis on le fait détendre dans un cylindre ou dans une machine quelconque disposée à cet effet, ce qui abaisse sa température. L’air ainsi refroidi est conduit dans un échangeur, où il refroidit l’air comprimé qui arrive en sens inverse. Le principe de l’invention consiste à produire un effet accumulé ou un abaissement indéfini de la température.»

Siemens se proposait donc d’employer une machine à air

froid, combinée avec un échangeur dans lequel l'abaissement de température dû à la détente adiabatique du gaz dans le cylindre serait transmis à l’air comprimé destiné à la détente suivante, de manière à abaisser progressivement les températures limites du cycle dans le cylindre de détente.

Ce principe à été repris par plusieurs inventeurs : ainsi, M. Solvay a fait breveter, en 1885, un appareil analogue, « pour la production des températures extrêmes », qui devait «produire du froid pour liquéfier les gaz et spécialement l’air atmosphérique. » M. Hampson a imaginé aussi, en 1895, un appareil dans lequel « le cycle usuel de compression, de refroidissement et d’expansion est modifié en utilisant tout le gaz, après son expansion, pour ramener aussi près que possible de sa propre température le gaz comprimé qui est sur le point de se détendre. »

Il semble bien peu probable que des appareils fondés sur ce principe puissent donner des résultats satisfaisants. En effet, aux basses températures qu’il s’agit d’atteindre, tous les corps étrangers, eau, acide carbonique, résidus de matières lubrifiantes, etc., sont devenus solides : dans ces conditions, la simple manœuvre d’un robinet devient déjà bien difficile ; il est vraisemblable que le fonctionnement d’un cylindre d’expansion avec ses organes de distribution serait à peu près impossible. En outre, on ne pourrait pas assurer au cylindre et à son mécanisme une protection efficace contre le réchauffement. D’ailleurs, M. Solvay disait, en 1895, dans une communication à l’Académie des Sciences : « Le maximum d’abaissement de la température auquel je réussis à arriver ainsi fut de — 95°, les causes de déperdition du froid produit l’emportant ensuite sur la puissance de production. »

Machine de Linde. — A la fin de mai 1895, M. Linde a fait connaître une solution simple et économique du problème de la liquéfaction de l’air par grandes quantités.

La machine employée, formée seulement d’un compresseur d’air et de deux échangeurs de température, n’utilise pas d’autre procédé de refroidissement que la détente du

gaz lui-même. Cependant son principe est tout différent de .celui de l’appareil de M. Cailletet : dans ce dernier, le gaz, en se dilatant, accomplit un travail extérieur ; dans la machine de M. Linde, il ne se produit au contraire qu’un travail interne. Si l’air était un gaz parfait, suivant exactement les lois de Mariotte et de Joule, une telle détente ne produirait aucune variation de température; mais, comme il n’en est pas ainsi, on obtient un refroidissement indépendant de l’énergie du jet et donné, d’après Thomson et Joule, par la formule

t = 0,276 (pi — pu) [—)

où pi — p 2 représente la différence de pression en atmosphères et T la température absolue du gaz.

Le refroidissement est d’abord très faible (un quart de degré par atmosphère), mais on augmente l’effet produit en combinant, comme l’avait proposé Siemens, l’action de plusieurs écoulements successifs. On refroidit ainsi le gaz progressivement jusqu’à ce que sa température soit descendue au-dessous du point critique et que la liqué¬

faction se produise.

On pourrait craindre que le travail exigé par la compression de l’air prit des proportions démesurées; mais il faut remarquer que ce travail ne dépend pas de p \

p 1 — p 2 , mais seulement du rapport ——, et l’on peut p 2

maintenir ce rapport petit, même pour une grande valeur

de la différence pi —p 2, en ne laissant pas le gaz se détendre jusqu’à la pression atmosphérique. Ainsi, en prenant pour pi et p% 220 et 20 atmosphères, on a

—— = 11 et pi — p 2 = 200.

La figure 16 montre la disposition schématique de l’appareil. L’air est d’abord amené à la pression pi par un compresseur C, puis il perd la chaleur gagnée pendant la compression dans un réfrigérant R, où circule un courant d’eau. Si l’on fait alors passer ce gaz dans un robinet de

réglage r, de façon qu’il se détende de p\ à pi , le refroidissement t, indiqué par la formule précédente, se produit. Pour transmettre àl’air qui va se détendre l’abaissement de température ainsi obtenu et pour produire par ce moyen un nouveau refroidissement, on a intercalé, entre le robinet r et le réfrigérant R, un échangeur formé de deux tuyaux de cuivre concentriques : l’air comprimé se rend au robinet r par le tube central et le gaz détendu remonte par l’espace annulaire; les deux tuyaux sont en-

Fig. 16. — Disposition schématique de la machine Linde pour la liquéfaction de l’air.

roulés en spirale et très bien isolés, entre les sphères et à l’extérieur, avec de la laine brute.

Quand l’appareil est en marche, l’air se refroidit de ti à h dans le serpentin intérieur, puis de ti à h en traversant le robinet de détende ; en passant dans l’espace annulaire, il prend de la chaleur à l’air comprimé et retourne au compresseur à une température U , d’autant plus voisine de t\ que la machine fonctionne mieux. Comme la différence #2 - h est toujours égale à t, les températures s’abaissent graduellement jusqu’à ce que

l’équilibre s’établisse, grâce à la chaleur dégagée par la liquéfaction. Le régime permanent est alors atteint et l’air, à mesure qu’il se liquéfie, se réunit dans le récipient G. Un second compresseur introduit dans le circuit, par A, le gaz nécessaire pour remplacer celui qui s’est liquéfié.

La Société des appareils Linde construit, pour les laboratoires, une machine formée d’un compresseur à deux cylindres et d’un appareil à contre-courant, fondé sur le principe que nous venons d’indiquer et constitué par trois serpentins concentriques en cuivre. L’air se détend

Fig. 17. — Appareil de M. Tripler {schéma).

de 200 à 16 atmosphères en traversant un premier robinet et retourne par le second serpentin au petit cylindre du compresseur, qui le comprime de nouveau à 200 atmosphères, pour lui faire recommencer le même cycle. Une partie du gaz détendu à 16 atmosphères, 5 0/0 environ, se liquéfie lorsque la machine a pris son régime normal ; le reste s’échappe dans l’atmosphère parle troisième serpentin.

On injecte constamment de l’eau dans la conduite d’aspiration du compresseur à basse pression, pour réduire l'influence des espaces nuisibles et pour abaisser la tem-

pérature finale de la compression. Cette eau, ainsi que la vapeur contenue dans l’air aspiré, sont retenues dans un séparateur et dans un serpentin refroidi par un mélange de glace et de chlorure de calcium.

Cette machine produit un cm 3 d’air liquide par 3 chevaux-heure.

M. Linde étudie actuellement un appareil de laboratoire qui ne pèsera que 2 kg et qui donnera de l’air liquide 8 à J2 minutes après la mise en marche.

Les machines industrielles fournissent jusqu’à 60 kg d’air liquide par heure.

Appareil de M. Tripler. — Un autre inventeur, M. Tripler, de New-York, liquéfie également l’air par détente et revendique la priorité pour cette méthode, qu’il aurait, d’après The Iron Age, fait breveter en Angleterre depuis 1893. L’air, puisé sur le toit de l’édifice, traverse d’abord un laveur (fig. 77), qui le purifie et le sature d’humidité, puis un système de trois compresseurs placés en tandem, qui l’amènent successivement à des pressions de 4,7, de 29 et enfin de 145 à 180 kg. Après chacune de ces opérations, il est refroidi par un courant d’eau. Au sortir du dernier réfrigérant, l’air, ramené à la température ambiante, se rend à un séparateur qui lui enlève les poussières, les traces d’huile, etc., puis à des tubes accumulateurs et enfin aux appareils de liquéfaction. Ceux-ci, au nombre de deux, et placés en série, se composent de batteries de tuyaux disposées dans plusieurs cylindres concentriques et terminées par une soupape de détente. L’air à haute pression traverse cette soupape, se trouve ramené, dans la chambre de détente, à une pression voisine de la pression atmosphérique et, ainsi refroidi, suit en sens contraire la surface extérieure des tuyaux. Au bout d’un quart d’heure, on commence à recueillir l’air liquéfié. L’appareil de M. Tripler fournit de 9 à 13 litres de liquide par heure : il paraît un peu plus compliqué que celui de M. Linde.

Appareil de M. Hampson. — Enfin, le D r Hampson revendique également la priorité pour l’emploi d’une

méthode analogue. Son appareil, breveté le 23 mai 1895, fut essayé à l’usine d’oxygène de Brin, à Londres le 21 mars 1896.

L’air parcourt successivement trois spirales de cuivre concentriques. Il entre en A (fig. 19), sous une pression de 120 atmosphères, pénètre en B dans la spirale extérieure, qui s’enroule dans l’espace annulaire YZ, passe parCDdans la seconde spirale, disposée dans l’espace VX, puis par EF dans la spirale intérieure, entourée d’un manchon de verre où l’on a fait le vide, comme dans les récipients de M. Dewar décrits plus loin. Les deux premiers serpentins sont séparés par une cloison cylindrique verticale; les sphères du troisième sont isolées par une feuille de cuivre plate s’enroulant en hélice. Lorsque le gaz arrive à l’extrémité inférieure du dernier serpentin, il s’échappe, en se détendant brusquement, à travers un petit orifice h constitué par des lames en biseau très rapprochées. Ainsi refroidi par la détente, il traverse successivement les compartiments concentriques où sont logées les trois spirales, de H jusqu’en Q, et s’échappe par R. Lorsque le régi-

me permanent est établi, le gaz liquéfié se réunit au-dessous de h.

La figure 18 montre le détail de l’orifice de détente. L'appareil a 70cm de hauteur et 17,5 cm de diamètre; lorsqu’il est suffisamment refroidi, c’est-à-dire après environ une demi-heure, il donne un peu moins de 2 cm 3 de gaz liquéfié par minute.