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L'azote liquide, de formule chimique N₂, est un liquide incolore, inodore et non toxique obtenu par liquéfaction de l'azote par refroidissement profond. Il est largement utilisé dans la recherche scientifique, la médecine, l'industrie et la congélation alimentaire en raison de sa température extrêmement basse et de ses diverses applications. Comment se forme l'azote liquide ? Cet article répondra en détail à cette question sous plusieurs angles : l'extraction de l'azote, la méthode de séparation de l'air par refroidissement profond, le procédé de production d'azote liquide et ses applications pratiques.

Extraction d'azote

La production d'azote liquide nécessite d'abord l'obtention d'azote pur. L'azote est le principal composant de l'atmosphère terrestre, représentant 78 % du volume d'air. L'extraction de l'azote se fait généralement par séparation de l'air à froid profond ou par adsorption modulée en pression (AMP). La séparation de l'air à froid profond est la méthode industrielle la plus couramment utilisée. En comprimant et en refroidissant l'air, elle sépare l'oxygène, l'azote et d'autres composants gazeux à différentes températures. L'adsorption modulée en pression exploite les différentes propriétés d'adsorption des adsorbants pour différents gaz, permettant d'obtenir de l'azote de haute pureté grâce à un cycle d'adsorption et de désorption. Ces méthodes garantissent la pureté et la qualité de l'azote, matière première du processus de production d'azote liquide.

Méthode de séparation de l'air froid en profondeur

La méthode de séparation par air froid profond est l'une des étapes clés de la production d'azote liquide. Cette méthode exploite les différents points d'ébullition des gaz présents dans l'air pour liquéfier et évaporer progressivement l'azote, l'oxygène et d'autres composants gazeux. Le point d'ébullition de l'azote est de -195,8 °C, tandis que celui de l'oxygène est de -183 °C. En abaissant progressivement la température, l'oxygène est d'abord liquéfié et séparé des autres gaz, laissant le reste sous forme d'azote de plus grande pureté. Cet azote est ensuite refroidi en dessous de son point d'ébullition pour le liquéfier en azote liquide, principe fondamental de la formation de l'azote liquide.

Le processus de production d'azote liquide

Le processus de production d'azote liquide comprend plusieurs étapes principales : l'air est d'abord comprimé et purifié pour éliminer les impuretés telles que l'eau et le dioxyde de carbone ; il est ensuite pré-refroidi, généralement à environ -100 °C, afin d'améliorer l'efficacité de la séparation ; une séparation à froid profonde est ensuite réalisée, refroidissant progressivement le gaz jusqu'à sa température de liquéfaction pour obtenir de l'azote gazeux liquide. Dans ce processus, les échangeurs de chaleur et les tours de fractionnement jouent un rôle crucial pour assurer une séparation efficace des différents composants à des températures appropriées. Enfin, l'azote gazeux liquide est stocké dans des conteneurs isothermes spécialement conçus pour maintenir sa température extrêmement basse et éviter les pertes par vaporisation.

Défis techniques dans la formation d'azote liquide

La production d'azote liquide nécessite de relever plusieurs défis techniques. Le premier est le maintien d'un environnement à basse température, car son point d'ébullition est extrêmement bas. Pendant le processus de liquéfaction, il est nécessaire de maintenir une température inférieure à -195,8 °C, ce qui nécessite des équipements de réfrigération et des matériaux d'isolation performants. Ensuite, pendant le processus de refroidissement profond, il est impératif d'éviter une condensation excessive d'oxygène, car l'oxygène liquide possède de fortes propriétés oxydantes et présente des risques potentiels pour la sécurité. Par conséquent, lors de la conception, le processus de séparation azote-oxygène doit être contrôlé avec précision et des matériaux appropriés doivent être utilisés pour garantir la sécurité et la stabilité du système. De plus, le transport et le stockage de l'azote liquide nécessitent des vases Dewar spécialement conçus pour éviter l'élévation de température et les pertes par vaporisation.

Applications réelles de l'azote liquide

Les propriétés de l'azote liquide à basse température le rendent largement applicable dans divers domaines. En médecine, il est utilisé en cryochirurgie et pour la conservation des tissus, notamment pour la congélation des lésions cutanées et la conservation des échantillons biologiques. Dans l'industrie agroalimentaire, il est utilisé pour la congélation rapide des aliments, car son environnement à très basse température permet de congeler rapidement les aliments, réduisant ainsi les dommages à la structure cellulaire et préservant ainsi leur saveur et leurs nutriments d'origine. En recherche, l'azote liquide est largement utilisé dans les recherches sur la supraconductivité, les expériences de physique à basse température, etc., offrant un environnement expérimental à très basse température. De plus, dans la fabrication industrielle, il est utilisé pour le traitement des métaux, le traitement thermique et comme gaz inerte pour empêcher certaines réactions chimiques. Conclusion

La formation de l'azote liquide est un processus physique complexe, principalement réalisé grâce à des méthodes de séparation de l'air par grand froid et à des technologies de liquéfaction. La basse température de l'azote liquide lui confère un rôle majeur dans divers domaines tels que l'industrie, la médecine et la recherche. De l'extraction de l'azote gazeux à sa liquéfaction par grand froid, en passant par son application, chaque étape démontre la puissance des technologies avancées de réfrigération et de séparation. Dans la pratique, les techniciens doivent également optimiser en permanence le processus de production afin de réduire la consommation d'énergie et d'améliorer l'efficacité de la production d'azote liquide.

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