Cryogénie
Azote liquide : caractéristiques, production et application
Établissements médicaux, constructeurs automobiles, usines agro-alimentaires et bien plus encore. Presque toutes les industries cryogéniques utilisent de l’azote liquide dans une certaine mesure. Ce liquide cryogénique est non seulement abordable, mais aussi très polyvalent.
Mais qu’est-ce que l’azote liquide exactement ? Pourquoi est-il si populaire et quelles sont ses principales applications ? Lisez la suite pour obtenir des réponses détaillées à ces questions.
Qu'est-ce que l'azote liquide ?
L’azote liquide se forme lorsque l’azote est refroidi à des températures bien inférieures à zéro. Ce liquide incolore a une densité de 806,59 kg/m³ à la pression atmosphérique et une capacité énergétique de 199,32 kJ/kg. Sous son état liquide, il est très similaire à l’eau, pourtant, l’écart de température important produit un brouillard blanc issu de la condensation de la vapeur d’eau lorsqu’il est exposé à l’air ambiant.
Le développement de l’azote liquide remonte à la fin du XIXe siècle, lorsque des scientifiques tels que Carl von Linde et James Dewar sont activement impliqués dans la liquéfaction de différents gaz. Leurs travaux ont jeté les bases de la cryogénie moderne.
Aujourd’hui, l’azote liquide est utilisé pour une grande variété d’applications. Pensez au refroidissement de matériaux biologiques ou d’aliments, à la réalisation d’actes médicaux, à la rétraction à froid de pièces automobiles (technologie « shrink fit », en anglais) et au refroidissement lors d’expériences scientifiques.
Température de l’azote liquide
L’azote liquide est-il vraiment froid ? Le point d’ébullition de l’azote à pression ambiante normale est de -196°C. À cette température, la substance se transforme donc du gaz au liquide. Que se passe t-il lorsque la température remonte ? Le gaz se forme à nouveau et la forme liquide disparaît.
Production de l’azote liquide
La production d’azote liquide a lieu dans des installations dites de séparation de l’air et comprend généralement les étapes suivantes :
- Purification : Au cours de la première phase, l’air est filtré pour éliminer le CO2, la poussière et l’eau qui peuvent interférer avec le processus de liquéfaction.
- Compression et refroidissement: L’air est ensuite comprimé et refroidi selon un principe de compression et d’expansion des gaz à plusieurs étapes. Pendant les phases de compression, la chaleur est évacuée et lors de l’expansion, le gaz se refroidit. Ce principe est similaire à celui d’un réfrigérateur ordinaire, mais beaucoup plus efficace et performant.
- Condensation: Un refroidissement supplémentaire permet d’atteindre des températures où l’argon (Ar) et l’oxygène (O2) se condensent d’abord et deviennent liquides, puis sont séparés du flux d’air. En abaissant un peu plus la température à -196°C, l’azote se transforme également en liquide.
Les deux seuls gaz qui ne sont pas filtrés de l’air sont l’hydrogène (H2) et l’hélium (He). Ceux-ci restent sous forme gazeuse, car le gaz est encore trop chaud à ce stade pour devenir liquide.
Stockage de l’azote liquide
Après la production d’azote liquide, le liquide cryogénique doit être stocké en toute sécurité. Cela peut se faire de plusieurs manières:
- Dans de grands réservoirs pour le stockage à long terme.
- Dans des conteneurs ou des Dewars pour le stockage de petites quantités ou pour le transport.
Dans le stockage de l’azote liquide, une chose est cruciale : la chaleur doit être maintenue hors du réservoir, du Dewar ou de la ligne de transfert autant que possible. Si le liquide cryogénique chauffe, du gaz se forme. La formation de gaz entraîne une augmentation de la pression dans le système et, si le gaz peut s’évaporer, une perte d’approvisionnement. Et si le gaz ne peut pas sortir du système, que se passe t-il ? La pression augmente alors considérablement, et cela peut devenir dangereux.
Isolation sous vide
La solution ultime pour stocker et transporter l’azote liquide en toute sécurité et à la bonne température est l’isolation sous vide. Cette technique crée un vide entre les doubles parois des cuves de stockage ou des lignes de transfert. Lorsque le vide est associé à une combinaison multicouche de feuilles d’aluminium et de papier de verre, la perte de chaleur est presque complètement bloquée.
Vous souhaitez en savoir plus sur cette technique ? Dans ce cas, lisez notre page consacrée à la technologie du vide.
Application de l’azote liquide
L’azote liquide est un gaz polyvalent utilisé dans de nombreuses industries diverses en raison de sa température extrêmement basse et de son inertie. Voici cinq exemples connus d’application de l’azote liquide:
- Congélateur à azote liquide pour aliments: Ces congélateurs cryogéniques (par exemple les congélateurs tunnel ou les congélateurs à spirale) utilisent de l’azote liquide pour refroidir et congeler rapidement les aliments.
- Bac de refroidissement: Dans la production de denrées alimentaires et dans les processus industriels, un bac de refroidissement rempli d’azote liquide est utilisé pour refroidir rapidement des matériaux ou des équipements en immergeant le produit dans l’azote.
- Station de remplissage: Les stations de remplissage sont cruciales tant dans le secteur médical que dans les laboratoires de recherche pour prélever facilement et de manière contrôlée de petites quantités d’azote liquide dans un grand réservoir de stockage.
- Cryosauna: Dans le secteur du bien-être et du sport, les cryosaunas à vapeur d’azote liquide sont utilisés pour les traitements de cryothérapie.
- Chambre d’essai : Les chambres d’essai d’azote liquide sont utilisées dans la technologie et les sciences des matériaux pour tester les performances et la durabilité des matériaux et des dispositifs à des températures extrêmement basses.
Les cinq applications cryogéniques ci-dessus ne sont que quelques-unes des possibilités offertes par l’azote liquide. Une application nécessite-t-elle un froid extrême ? Il y a alors de fortes chances que l’azote liquide offre le potentiel requis.
Dangers et sécurité
Comme toute substance extrêmement froide, l’azote liquide présente également certains dangers et risques:
- Expansion à l’évaporation: L’azote liquide se dilate fortement lors de l’évaporation, ce qui peut entraîner une accumulation de la pression et un risque d’explosion dans les espaces clos.
- Risque d’étouffement: L’azote gazeux est inodore et peut déplacer l’oxygène, créant un risque d’étouffement dans les zones mal ventilées.
- Brûlures par le froid: Le contact direct avec l’azote liquide peut provoquer de graves brûlures.
- Formation d’oxygène liquide: En raison de la surface extrêmement froide des sections de tuyauterie mal isolées, de l’oxygène liquide peut se former spontanément. Cela peut augmenter le risque d’incendie.
- Erreurs: Des erreurs peuvent se produire, mais lorsqu’il s’agit de substances dangereuses, elles peuvent avoir de graves conséquences.
Heureusement, les dangers peuvent être atténués efficacement par des mesures de sécurité appropriées. Veillez à une protection individuelle, une ventilation adéquate, une inspection régulière des conteneurs de stockage et une formation appropriée à la manipulation du liquide cryogénique.
Infrastructures d’azote liquide Demaco
Qu’y a-t-il de plus important que la formation et l’air frais ? De bonnes infrastructures. Par exemple, utilisez un évent de gaz ou dégazeur pour éliminer les bulles de gaz et isoler une infrastructure sous vide autant que possible.
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