Travailler avec l'Azote

Propriétés

Production et approvisionnement

Le choix du type d'approvisionnement dépend de:
- du débit consommé
- de la pureté souhaitée
Le tableau suivant situe les domaines privilégié des différentes méthodes d'approvisionnement:

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                   Pureté  
m3/H           <98%      >98%
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1  à 5      ....bouteilles.....
5  à 10     ..réservoir cryo...
10 à 1000   membranes     PSA
>1000       .distillation cryo.
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L'approvisionnement en bouteilles, malgré un prix élevé au m3, conviendra aux applications nécessitant de faibles débits, intermittentes ou ponctuelles, parce que ne nécessitant que très peu d'investissement. Souvent le poste de distribution pourra être loué par le fournisseur de gaz.
Les bouteilles peuvent être groupées en cadres pour augmenter le volume de stockage.

L'approvisionnement en azote liquide stocké dans des réservoirs cryogéniques conviendra aux utilisations moyennes ou en secours d'un approvisionnement par canalisation ou d'une installation de séparation. Le réservoir est rempli périodiquement par le fournisseur de gaz.
Le matériel nécessaire, outre les capacités de stockage elles même comprend:
- un poste de dépotage du camion de livraison
- un vaporiseur
Il peut être loué par le fournisseur de gaz.

La production sur place au moyen d'unités de séparation par membrane, par absorption sur tamis moléculaires (PSA) ou par distillation cryogènique est réservé aux applications nécessitant les débits les plus importants.

Distillation cryogènique

Cette technique est réservée aux producteurs important d'azote et particulièrement aux fournisseurs de gaz industriels.
L'air préalablement liquéfié est fractionné à pression atmosphérique et à très basse température.

Adsorption sur tamis moléculaires

Cette technique encore appelée PSA (Pressure Swing Adsorption) utilise l'adsorption préférentielle de l'oxygène sur un tamis. La désorption du tamis est réalisée par variation de pression.
La partie essentielle d'une installation PSA est constituée de deux capacités fonctionnant en alternance et remplies de granulés d'absorbant appelé tamis moléculaire.
L'air préalablement comprimé à 8 ou 9 bars, filtré, séché (point de rosé <5°C), déshuilé (<0,005 mg/m3), traverse le lit d'adsorbant sur lequel l'oxygène est retenu. L'azote quant à lui traverse le lit et peut être utilisé tel quel.
Pendant qu'une capacité est en opération, l'autre est en régénération.
La régénération qui vise à extraire de l'adsorbant l'oxygène fixé, est faite en simplement décomprimant la capacité à la pression atmosphérique. Il s'en échappe un gaz riche en oxygène (30 à 35%) qui peut être rejeté à l'atmosphère.
Toutes les minutes environ le cycle est recommencé.
La consommation électrique d'une installation de production d'azote par PSA est de l'ordre de:
- 0,25 kWh/m3 d'azote d'une pureté de 95%
- 0,55 kWh/m3 d'azote d'une pureté de 99,9%

Séparation sur membrane

Le mécanisme de la séparation de l'oxygène et de l'azote de l'air par des membranes repose sur les différences de solubilité et de diffusion de ces composants vis à vis d'une mince membrane (<10µm).
Des unités modulaires de faible encombrement, utilisant des membranes en forme de fibre creuses, permettent de produire jusqu'à 500m3/h d'azote d'une pureté allant de 95% à 99,5%.

Utilisations

Protection incendie

Le stockage et la manipulation de produits inflammables est une source importante d'accidents industriels.
Les hydrocarbures gazeux ou les poussières de solides combustibles forment avec l'air des mélanges explosifs pour des concentrations dans l'air comprises entre 1 et 10%. Ces inflammations ou explosions nécessitent la présence d'oxygène et deviennent généralement impossibles pour des teneurs en oxygène inférieures à 8%.
C'est pourquoi l'azote pur ou bien de l'air appauvri en oxygène (<5%) est souvent utilisé pour l'inertage de capacités contenant des produits combustibles.

Protection de produits dégradables

L'oxygène de l'air peut réagir avec de nombreuses substances organiques d'origine végétale (produits agroalimentaires) ou industrielle (alcools, oléfines, ...) au cours du stockage, provoquant couleur, goût, impuretés, polymérisations, ....
L'un des moyens pour éviter ces dégradations est remplacer l'atmosphère environnant le produit par de l'azote. Pour éviter la dégradation de produits alimentaires, le teneur en oxygène doit généralement être <0,5%.

Inertage des capacités

L'inertage d'une capacité consiste en le remplacement d'un gaz indésirable (air, ou produit toxique) par un gaz inerte (azote par exemple).
Trois méthodes peuvent être appliquées:
- des cycles en pressions
- des cycles en dépression
- un balayage
Les cycles en pression ou en dépression sont les plus efficaces. Le principe est alternativement, de mettre en pression au moyen d'un gaz inerte puis de décomprimer à la pression atmosphérique (cycles en pressions), ou bien de faire le vide puis de rétablir la pression au moyen d'un gaz inerte (cycles en dépression).
Les poches les plus inaccessibles de la capacité sont ainsi traitées avec la même efficacité que le volume principal, ce qui est plus incertain par simple balayage.
Ces méthodes ne peuvent être appliquées que sur des capacités résistant au vide ou à la pression.

Le tableau ci-dessous donne le nombre de cycles en pression nécessaire pour inerter une capacité initialement remplie d'air:

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Pression         pour atteindre
  maxi         5% O2         0,5% O2
--------    -----------   ------------
1 bar eff        2             6
4 bars eff       1             3
10 bars eff                    2
50 bars eff                    1
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Le tableau ci-dessous donne le nombre de cycles en dépression nécessaire pour inerter une capacité initialement remplie d'air:

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  Vide    pour atteindre (% oxygène)
  maxi           5%           0,5%
--------    -----------   ------------
500 mbars        2             6
200 mbars        1             3
100 mbars                      2
 20 mbars                      1
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Pour les capacités ne supportant que de faibles pressions ou dépressions, le balayage est la seule méthode utilisable. Son principe est d'introduire un gaz inerte à une extrémité qui repoussera le gaz indésirable vers une autre extrémité d'où il s'échappera. Les zones mortes insuffisamment balayées laissant subsister des poches de gaz indésirables sont possibles.