Kitabı oku: «Évolution des procédés - la séparation de l'air atmosphérique en ses éléments, l'oxygène et l'azote»
Raoul Pictet
Évolution des procédés - la séparation de l'air atmosphérique en ses éléments, l'oxygène et l'azote
Publié par Good Press, 2022
EAN 4064066335533
Table des matières
PREMIÈRE PARTIE
INTRODUCTION
CHAPITRE I
CHAPITRE II
Départ des opérations.
CHAPITRE III
Dimensions de la colonne à rectifier
Pertes dues au rayonnement et à la conductibilité
Influence de l’humidité de l’air et de l’acide carbonique
CHAPITRE IV
Récapitulation des résultats numériques obtenus par le procédé de rectification
CHAPITRE V
CHAPITRE VI
CHAPITRE VII
CHAPITRE VIII
CHAPITRE IX
Débit du compresseur
Variations de la pression
Discussion relative aux sur faces de l’appareil
CHAPITRE X
CHAPITRE XI
NOUVEAU PROCÉDÉ POUR LA FABRICATION COTINUE DU GAZ A L’EAU PAR Raoul PICTET 1914
CHAPITRE I
CHAPITRE II
CHAPITRE III
CHAPITRE IV
CHAPITRE V
Théorie du Nouveau Procédé
CHAPITRE VI
CHAPITRE VII
ÉTUDE CRITIQUE DU PHOCÉDÉ APPELÉ LA RÉTROGRADATION UTILISÉ ET BREVETÉ PAR G. CLAUDE
CHAPITRE I
CHAPITRE II
CHAPITRE III
CHAPITRE IV
CHAPITRE V
Le phénomène de la Rétrogradation.
CHAPITRE VI
CHAPITRE VII
CHAPITRE VIII
DEUXIÈME PARTIE
CHAPITRE I
CHAPITRE II
CHAPITRE III
CHAPITRE IV
CHAPITRE V
CHAPITRE VI
CHAPITRE VII
CHAPITRE VIII
TROISIÈME PARTIE
CHAPITRE I
CHAPITRE II
CHAPITRE III
CHAPITRE IV
Préliminaires
Aéroplanes ou ballon dirigeable
Etat actuel des ballons dirigeables
Conclusions premières
CHAPITRE V
Le volume minimum de l’hydrogène
Les dispositions spéciales du nouveau dirigeable
Les propriétés de l’azote pur
CHAPITRE VI
Volume de l’azote
La stabilité automatique
Du rôle prépondérant de l’azote dans la diffusion de l’hydrogène
CHAPITRE VII
CHAPITRE VIII
CHAPITRE IX
Trajet à faible vitesse, ses avantages
Les moteurs pour manœuvres de bord
CHAPITRE X
Mise en roule
Arrivée
Descente
Atterrissage
Ravitaillement
Les manœuvres pendant l’orage et les ouragans
Les brusques changements de température
CHAPITRE XI
CHAPITRE XII
CHAPITRE XIII
PREMIÈRE PARTIE
Table des matières
L’OXYGÈNE ET SES EMPLOIS INDUSTRIELS
INTRODUCTION
Table des matières
Depuis les belles découvertes de la fin du XVIIIe siècle qui ont permis d’étudier, en l’isolant, le gaz oxygène, l’importance de ce gaz dans tous les phénomènes cosmiques n’a fait que grandir.
Toutes les combustions, toutes les flammes utilisées dans l’industrie, toutes les respirations amenant la vie, l’alimentant, vivifiant les organismes des animaux sous la forme des combustions lentes, sont uniquement la résultante de l’action de l’oxygène transformant les molécules constituant les animaux en d’autres corps chimiques, tantôt plus complexes, tantôt plus simples selon la place de l’étape traversée par l’être vivant entre sa naissance et sa mort.
Ce gaz oxygène est donc un facteur puissant de chaleur, de vie, de transformation des corps sur la terre.
Il y a par ce fait un intérêt spécial à pouvoir produire ce gaz en grandes quantités, surtout pour qu’on l’obtienne à très bas prix afin d’en généraliser l’emploi dans tous les domaines de l’industrie, de l’hygiène, de la thérapeutique et tout spécialement pour rendre possible les synthèses immédiates de ce gaz soit avec l’azote, soit avec l’hydrogène.
Ces deux synthèses sont déjà réalisées d’une façon embryonnaire, dans une période de débuts, mais l’éclosion normale de ces procédés ne peut pas prendre le développement que l’on en peut attendre sans l’abondance et le bon marché de ces gaz amenés à la pureté suffisante.
On sait que les salpêtres du Chili marchent vers le déclin et que c’est uniquement aux produits synthétiques des azotates et des ammoniaques que l’on peut utilement s’adresser pour donner à l’agriculture de toutes les contrées l’aliment nécessaire, urgent pour permettre aux récoltes de nourrir les populations des villes, en employant, sans grands frais de transport, les cultures intensives dans leurs abords immédiats.
Ce que nous venons de dire prouve que les deux gaz, constituants de l’air atmosphérique, marchent de pair dans l’importance capitale de leurs emplois dans la civilisation contemporaine.
Le problème de la séparation de l’air atmosphérique en ses éléments répond donc à une demande énorme, pressante.
L’étude critique des procédés employés actuellement, ainsi que les théories physiques sur lesquelles ils reposent, demandent à être passées au crible d’une analyse exacte et minutieuse pour pouvoir préciser les progrès accomplis et les limites dans lesquelles les vues scientifiques, autorisent de nouveaux espoirs ou au contraire mettent un mur aux possibilités expérimentales, en établissant des barrières naturelles et logiques aux désirs légitimes et aigus de l’époque actuelle.
Nous décrirons donc d’une façon sommaire les procédés employés jusqu’ici pour séparer l’air en ses éléments, et nous nous étendrons un peu sur les caractères distinctifs et essentiels du procédé de liquéfaction de l’air atmosphérique, et de rectification de l’air liquide en insistant sur le complément fondamental de ce procédé, soit la régénération du liquide obtenu une première fois au moyen d’appareils spéciaux provoquant la liquéfaction de l’air et en fournissant de grandes quantités en remplacement de celles qui disparaissent.
Lorsque ces appareils apparus dès 1877, perfectionnés successivement pendant 22 ans, ont permis de doter l’industrie annuellement de plusieurs millions de mètres cubes d’oxygène pur, rien qu’en Allemagne, je me suis aperçu qu’une modification fondamentale dans la théorie et la construction des appareils s’imposait, j’ai remplacé le procédé de rectification et de régénération de l’air liquide, par le procédé du moindre effort, celui de la dissolution de l’oxygène dans l’azote liquide pur et l’application simultanée de la régénération de l’azote liquide pur par l’application de la distillation fractionnée.
Grâce à cette modification fondamentale, dont l’interprétation est facile après l’examen critique du procédé de rectification, on constate que la puissance motrice ou l’énergie nécessaire pour l’obtention de l’oxygène et de l’azote, est réduite à moins du quart du travail mécanique réclamé par le procédé dit de rectification.
On constate en plus qu’avec le nouveau procédé datant de 1912, on obtient avec un seul compresseur un azote chimiquement pur dès le début des opérations et dé l’oxygène à tous les degrés de pureté auquel on désire l’utiliser. Ces avantages découlent spontanément de la nouvelle théorie servant de base fondamentale au procédé de dissolution.
Nous donnerons à ce nouveau procédé le développement analytique qu’il comporte en le comparant, phase par phase, avec le procédé ancien décrit pour la première fois en 1899.
Par l’utilisation immédiate de ce procédé nouveau de dissolution le prix de l’oxygène est devenu si minime, que le gaz pénètre partout dans la grande industrie; on peut aujourd’hui l’employer pour les hauts fourneaux, la fusion des quartz et terres réfractaires, le traitement des minerais de tous les métaux difficilement fusibles comme les fers au titane, les minerais de vanadium, de nickel, de platine, d’iridium, de volfram, etc., etc.
L’éclairage au moyen de l’oxygène devient le plus brillant, le plus économique et celui dont la puissance et l’éclat se rapproche incontestablement le plus de celui du jour, de celui du soleil!
Les domaines des synthèses chimiques ouvrent leurs portes à deux battants devant l’azote et l’oxygène purs et à bas prix!
Nous terminerons cette étude générale de procédés concernant spécialement l’obtention de l’oxygène et de l’azote par l’exposé d’un nouveau procédé pour obtenir deux qualités de gaz hydrogène: La première le gaz «In Coelo» servant par la parfaite pureté de cet hydrogène à satisfaire les besoins de l’aérostation et ceux spéciaux du traitement chimique des graisses et des synthèses ammoniacales. La seconde, le Vulcan Gaz soit un mélange d’hydrogène pur, d’oxyde de carbone et de méthane.
Ce «Vulcan Gaz» est destiné à toute l’industrie métallurgique, aux soudures autogènes pour remplacer très avantageusement l’acétylène. On coupera les tôles de fer et d’acier avec une remarquable facilité sans durcir en aucune façon les surfaces coupées, chose impossible avec l’acétylène, gaz endothermique.
Nous appuyerons dans cette deuxième partie de notre étude sur les lois de thermodynamique qui président à la décomposition des hydrocarbures et aussi aux différences systématiques des plus importantes dans les usages métallurgiques de l’acétylène et du Vulcan Gaz.
L’application de l’hydrogène dans ses deux formes et des considérations générales sur les synthèses des trois gaz oxygène, azote et hydrogène termineront cette étude.
Raoul PICTET.
Mars 1914.
CHAPITRE I
Table des matières
Les origines de la liquéfaction de l’air atmosphérique. — Son état actuel.
C’est en 1877 que les gaz permanents disparurent. Coup sur coup l’oxygène, l’azote, l’oxyde de carbone, l’éthylène furent liquéfiés et ramenés dans la voie commune à toutes les vapeurs qui se liquéfient.
Deux méthodes à cette époque marchaient de front:
La méthode dite des cascades de températures que j’employai spécialement pour obtenir et conserver de très basses températures.
Dans ce système on utilise un premier liquide volatil permettant d’atteindre une température déjà basse, comme on opère dans une machine frigorifique à compression. J’employai l’acide sulfureux anhydre SO2, qui jouit de propriétés exceptionnelles dans la pratique, tout spécialement par le fait qu’on supprime tout graissage. Ainsi, les canalisations restant toujours propres et sans aucune trace de graisse, les congélations accidentelles n’obstruent aucune communication entre les organes de la machine; le fonctionnement régulier et continu est assuré.
On se sert de ce premier abaissement de température pour condenser dans le réfrigérant de la machine frigorifique les vapeurs d’un liquide volatil plus actif, le protoxyde d’azote, ou l’éthylène.
Cette deuxième machine frigorifique ne se met en marche normale qu’après la première et permet d’atteindre dans le deuxième réfrigérant une température très basse, environ — 140° à — 150°, si l’on utilise un compresseur Compound faisant un grand vide dans le réfrigérant.
En opérant de la même façon avec un troisième liquide volatil, qui peut être déjà l’air atmosphérique ou l’azote pur, ou l’oxyde de carbone, et en condensant dans le deuxième réfrigérant ces gaz déjà réfractaires, on atteint les températures très basses de — 190° à — 230°. C’est en opérant une quatrième fois avec le gaz hydrogène agissant dans une quatrième machine frigorifique que l’on peut, comme le fit l’illustre Kamerlin-Onnes, liquéfier l’hélium et atteindre le pôle physique de — 270°, soit trois degrés de la température absolue. Cette méthode des cascades de températures est la plus logique et la plus fertile des méthodes pour descendre dans les régions froides! Elle a comme inconvénient le coût très grand des appareils et force les opérateurs à apporter une attention soutenue dans la surveillance des manœuvres et des conditions de marche.
C’est cette méthode que j’ai utilisée dans mon grand laboratoire de Berlin dès 1891 pour liquéfier de grandes quantités d’air liquide.
En 1894, le professeur Kamerlin-Onnes l’employa dans son institut de Leiden où il s’est illustré par ses beaux travaux.
La seconde méthode est dite: liquéfaction par voie dynamique et par l’emploi de la détente.
Ce fut M. Cailletet qui en fit le premier usage pour obtenir de très basses températures pendant un instant fort court.
On comprime une masse de gaz dans un tube très résistant en verre et l’on refroidit cette masse gazeuse comprimée par le mercure.
En ouvrant plus ou moins brusquement une vanne de dégagement la masse gazeuse se détend comme un ressort et chasse le mercure au dehors.
Le travail produit par cette projection du mercure absorbe de la chaleur et la masse gazeuse subitement refroidie se condense partiellement sous forme d’un brouillard qui, très rapidement, disparaît.
Cette méthode est suffisante pour prouver que le gaz s’est transformé en un mélange de fines gouttelettes tenues en suspension dans le gaz restant, mais est absolument incomplète pour étudier les propriétés elles-mêmes du liquide produit.
Ce n’est qu’en 1895 que le professeur von Linde eut la très ingénieuse idée de rendre la détente de l’air continue. L’abaissement de température obtenu est utilisé par un échangeur pour refroidir l’air comprimé qui se rend à la vanne de sortie.
Ainsi l’air qui s’échappe au dehors est de plus en plus froid et, dans son appareil simple et peu coûteux, von Linde utilise la formule de Joule-Thomson qui précise l’abaissement du gaz sortant en raison de la pression qu’il supporte avant et après la détente et en fonction également de sa température avant la détente.
L’appareil que von Linde décrit, dans son brevet de 1895, a été salué avec un grand enthousiasme, car il a permis l’obtention de l’air liquide dans tous les laboratoires des universités.
En même temps Hampson faisait une invention analogue, construisait un appareil plus simple encore et plus pratique et qu’ou utilise partout aujourd’hui dans les laboratoires à cause de son fonctionnement plus sûr et surtout plus rapide que celui de von Linde. En dix minutes on obtient très facilement quelques centigrammes d’air liquide avec une machine de huit à dix chevaux.
Ces appareils réclament des pressions de 150 à 200 atmosphères, que l’on ne peut obtenir qu’avec des compresseurs spéciaux de construction délicate.
Dans son brevet de 1895 von Linde indique comme une conséquence accessoire de l’obtention de l’air liquide la possibilité d’obtenir avec cet air liquide produit, de l’oxygène à un degré de pureté relativement faible.
Tout l’appareil produisant l’oxygène reçoit de l’air comprimé à 200 atmosphères et cet air comprimé, après son passage dans les appareils en fonctionnement, se rend, toujours sous la même pression, au-dessus de la vanne de réglage destinée à produire l’air liquide.
Il est donc évident que von Linde n’a eu aucune idée quelconque de la possibilité, à cette époque, de régénérer sous faible pression l’air liquide produit en même temps qu’on le distille pour en extraire l’oxygène.
La formule de Joule-Thomson ne s’applique qu’aux gaz non liquéfiés, gaz qui traversent la vanne de décharge, et nullement aux liquides volatils eux-mêmes.
Outre cela, comme von Linde utilise dans son appareil deux compresseurs Compound, l’un à 6 atmosphères, l’autre à 200 atmosphères, il aurait pris l’air comprimé dans la canalisation du compresseur de 6 atmosphères pour la régénération de son air liquide et nullement à la plus haute pression de 200 atmosphères. En aucun cas il n’aurait conduit l’air sortant sous pression des appareils à oxygène au-dessus de la vanne de réglage, mais bien au-dessous et directement dans le réservoir d’air liquide.
Si j’insiste sur ces points essentiels, c’est qu’en 1902 von Linde s’est aperçu que la récupération de l’air liquide sous faible pression est un facteur indispensable à l’obtention de l’oxygène à bas prix, et alors seulement, il a modifié son appareil pour se rapprocher singulièrement du mien de 1899, de trois ans plus ancien! Il est vrai qu’en 1900, M. von Linde avait déjà dans une publication attaqué ouvertement, comme étant le mouvement perpétuel, la possibilité de faire fonctionner normalement mon système, tout en récupérant l’air liquide sous une pression constante de 2 à 3 atmosphères! C’est ainsi qu’il critiquait mon procédé dont il est subitement devenu le fervent disciple en 1902!
J’appuie sur ces faits qui deviennent absolument péremptoires lorsqu’on lit mon brevet de 1899 et celui de von Linde de 1902, parceque dans la critique qui va suivre sur les dispositions des appareils et les lois physiques qui régissent les procédés d’obtention de l’oxygène par la méthode de rectification de l’air atmosphérique liquide, je serai obligé de mettre ces deux systèmes, le mien de 1899 et celui de von Linde de 1902, sur le même plan.
Avant d’entrer dans l’exposé des appareils de rectification de l’air liquide de divers systèmes, il est nécessaire de compléter l’historique des procédés utilisés pour l’obtention de l’air liquide en grandes quantités et à bas prix.
C’est en 1852 que Werner Siemens, le fondateur de la grande maison Siemens et Halske de Berlin, eut l’idée d’utiliser la détente de l’air comprimé dans un moteur. Sa théorie était excellente, mais l’application hérissée de difficultés!
La détente adiabatique de l’air s’exerçant dans un cylindre en poussant un piston produit beaucoup de travail mécanique transmis au dehors par le volant du moteur; la chaleur transformée en énergie abaisse énergiquement la température de l’air qui se détend et par là de la matière même du piston et des parois du cylindre.
Cet abaissement de température étant utilisé pour refroidir l’air comprimé, avant sa détente, l’air qui passe sous le piston avant la détente est déjà à une température plus basse qu’au début.
A chaque coup de piston le moteur enlève encore de la chaleur, sous forme d’énergie communiquée au dehors en travail extérieur, aussi l’abaissement de température va-t-il constamment en augmentant.
Bientôt le cylindre est à — 80°, ou — 100°. A ces basses températures toutes les huiles de graissage sont congelées et les presse-étoupe sont si durs et si résistants aux passages des tiges qui les traversent, que toute la machine grippe et que tous les résultats que les équations de thermodynamique faisaient concevoir comme imminents, naturels se classant par ordre d’apparition, devenaient matériellement irréalisables, les conditions de leur formation étant de fait impossibles à conserver normales.
Soit Werner Siemens, soit Ernest Solvay en 1884 durent renoncer à cette méthode pour l’obtention d’air liquide, uniquement à cause des conditions mécaniques insuffisamment préparées et étudiées.
Le principe était parfait.
En 1894 Kamerlin-Onnes fabriquait 8 à 10 litres d’air liquide par heure avec l’emploi des cascades de température.
En 1896 je fabriquai près de 120 litres d’air liquide à l’heure à l’Exposition nationale Suisse de Genève, toujours avec l’emploi de la même méthode, très dispendieuse comme prix des appareils, mais assez économique comme emploi de la force motrice.
Je disposais de deux compresseurs montés en Compound pour le premier abaissement de température à — 89° par l’emploi de l’anhydride sulfureux SO2’.
Ces deux compresseurs employaient 16 chevaux. Le second cycle était établi par deux compresseurs Compound aspirant et comprimant les vapeurs de protoxyde d’azote.
Ces deux compresseurs employaient 52 chevaux. Au moyen des échangeurs d’échappement nous envoyions dans l’air de la salle sous forme d’un jet pulvérisé 120 kilos d’air liquide. Ces 120 kilos d’air liquide provenaient d’un compresseur à trois étages comprimant 110 mètres cubes d’air à 50 et 60 atmosphères, lequel consommait le travail de 25 à 28 chevaux.
Nous avions ainsi au moyen de ces sept compresseurs opérant simultanément un rendement d’environ 120 kilos d’air liquide avec 96 chevaux effectifs, soit environ 1k,2 par cheval-heure.
Ce résultat n’est atteint encore aujourd’hui par aucun autre système.
En 1902, M. Georges Claude, de Paris, construisit un moteur graissé avec des éthers de pétrole ou du pentane, liquide qui devient visqueux et pâteux vers — 190°, température de liquéfaction de l’air atmosphérique.
A la même date j’essayai simultanément différents moteurs pour le même objet.
Je construisis déjà en 1901 une turbine à gaz dont les ailettes avaient des courbes directrices spécialement calculées pour des courants d’air refroidis à — 180° et chassés à la pression de 60 atmosphères.
Ces turbines étaient dépourvues de presse-étoupes et de pistons, les frottements étaient réduits aux billes de friction qui soutenaient l’axe de rotation de la turbine.
Nous avons obtenus avec ces turbines essayées sous toutes les formes des résultats insuffisants.
En 1892 nous avons repris les moteurs à pistons complètement transformés:
Ils sont devenus à simple effet.
Ils n’ont plus eu de presse-étoupes.
Ils n’ont plus reçu aucun graissage autre que celui de l’air liquide lui-même et lui seul.
J’avais remarqué en 1874 que mes machines à acide sulfureux anhydre fonctionnaient admirablement sans autre graissage que l’acide sulfureux lui-même, et cette observation nous a tout naturellement conduit à la solution cherchée.
M. G. Claude a étudié la température à laquelle on doit faire l’introduction de l’air comprimé et refroidi dans le cylindre du moteur pour obtenir le maximum de rendement.
J’ai surtout dans mon moteur adiabatique cherché les dispositions mécaniques qui permettent de régler les admissions et assurent une marche permanente et régulière qui seule autorise de bons rendements en air liquide.
Avec ces moteurs adiabatiques, qui ne sont que la réalisation mécanique des vues de Werner Siemens, on obtient couramment 500 à 800 grammes d’air liquide par heure, rendement très inférieur, comme on le voit, à celui des cascades de températures.
Pour de petites installations le rendement baisse beaucoup et ne dépasse pas souvent 200 grammes par cheval-heure.
Lorsqu’on comprime 1000 mètres cubes d’air à l’heure à 50 atmosphères, nous pouvons obtenir 175 à 180 kilos d’air liquide à l’heure.
Tel est l’état actuel de la fabrication de l’air liquide qui sert de matière première à tous les systèmes pour l’obtention de l’oxygène et de l’azote par la séparation méthodique de l’air atmosphérique en ses éléments.
CHAPITRE II
Table des matières
Obtention de l’oxygène par le procédé dit de rectification
Nous allons dans ce chapitre faire un examen théorique très serré des trois systèmes utilisés en pratique aujourd’hui, lesquels dérivent tous du procédé de 1899 avec des variantes trop faibles pour pouvoir les séparer l’un de l’autre.
Afin d’éviter des longueurs, nous représentons ces trois systèmes dans un dessin schématique unique.
Les trois systèmes sont ceux-ci:
1° 1899. Séparation de l’air atmosphérique en ses éléments (Raoul Pictet).
2° 1902. Séparation de l’air atmosphérique en ses éléments (von Linde).
3° 1903. Séparation de l’air atmosphérique en ses éléments (G. Claude).
Pour bien faire comprendre ces trois procédés qui paraissent identiques par leur titre, mais ne diffèrent que par le nom des inventeurs et la date des brevets déposés, il nous faut exposer la théorie de base du procédé de rectification employé dans ces trois systèmes.
Dès l’année 1896 où j’avais obtenu de très grandes quantités d’air liquide, je me suis occupé à imaginer un appareil permettant la transformation intégrale et continue de l’air liquide en ses éléments. J’avais déjà. en 1895, fait construire une petite colonne à plateaux par la maison Escher Wyss, de Zurich. Cette colonne ne put pas être mise en fonction régulière pour répondre à la solution du problème, car elle n’était pas basée sur la régénération continue de l’air liquide. Elle était comme l’appareil de von Linde de 1895, à marche discontinue et épuisait vite sa provision d’air liquide.
C’est en allant en Amérique du Nord, en 1898, que sur le bateau, je conçus pour la première fois un système précis pour la régénération intégrale de l’air liquide et la séparation méthodique de ses éléments azote et oxygène.
Voici les vues générales de ce procédé qui ont servi de base au brevet de 1899, déposé à New-York, en décembre, et qui fut le premier en date dans ce domaine.
Etablissons d’abord les phénomènes et les lois physiques qui sont nécessaires pour construire tout appareil destiné à la séparation des liquides mélangés en leurs constituants.
Nous trouvons ces lois et ces préceptes dans deux brevets de 1880 et 1881 qui protègent une série de dispositions de colonnes à rectifier l’alcool sous basses températures ainsi que la séparation des liquides mélangés, quelle que soit du reste leur nature, ou leur pouvoir volatil.
Les mélanges d’alcool et d’eau se séparent d’une façon à peu près complète par une rectification obtenue bien au-dessous des températures normales, lesquelles à cette époque étaient + 79°, 5 et + 100°.
Au moyen d’appareils frigorifiques et du vide, j’obtenais un coulage abondant d’alcool presque chimiquement pur en faisant couler de l’alcool condensé au haut d’une colonne par un réfrigérant spécial.
Les vapeurs d’eau et d’alcool montaient de bas en haut se dégageant des flegmes chauffés à — 10° ou — 15° par un courant d’eau ordinaire entrant à + 15° et sortant à + 2° ou + 3°. L’alcool condensé dans le réfrigérant du haut de la colonne et sous très faible pression, descendait sur des plateaux à surface contre lesquels les vapeurs montantes se condensaient partiellement en ramenant dans la caillebasse du bas de l’eau, les huiles et toutes les impuretés.
L’alcool pur se vaporisait sur ces plateaux et remontait dans le haut de la colonne où la température de condensation oscillait à volonté selon les qualités d’alcool que l’on voulait obtenir, entre — 30° et — 100° centigrades.
Une partie de cet alcool retombait dans la colonne, l’autre partie était condensée mais servait au coulage industriel comme rendement utile.
Ces procédés utilisés sur une grande échelle aujourd’hui dans les appareils à distiller dans le vide, précisaient d’une façon absolue les lois physiques et la construction des colonnes à rectifier les liquides mélangés.
Comme le chauffage de la colonne était obtenu par un courant d’eau, ou un échappement de vapeur, je n’avais nullement indiqué alors en 1880 la possibilité de chauffer la caillebasse et les plateaux de la colonne avec les vapeurs mêmes des mélanges liquides!
C’est là le point nouveau qui m’apparut comme la base nécessaire de la récupération de l’air liquide lorsque je voulus appliquer au mélange de l’azote et de l’oxygène liquide les lois de mes brevets de 1880.
Pour bien faire entendre l’importance capitale de ce principe voici la série des phénomènes que comporte le cycle complet de la transformation de l’air atmosphérique liquide en ses éléments.
Nous prenons un volume de 100 mètres cubes d’air atmosphérique, supposé pour simplifier, absolument pur sans vapeur d’eau, sans acide carbonique, et composé de 21 parties d’oxygène et de 79 parties d’azote.
Nous comprimons cet air à une pression de 5 atmosphères; le travail consommé élève la température de l’air. On emporte, par un courant d’eau froide qui baigne le serpentin de sortie de l’air comprimé la chaleur ainsi engendrée.
Nous avons donc à la température normale de + 15° une masse d’air sous pression de 5 atmosphères.
Nous abaissons la température de + 15° à — 195°. Il faut enlever à cette masse d’air une quantité de chaleur représentée par la chaleur spécifique de l’air, multipliée par le volume, multipliée par l’écart de température.
Soit A cette quantité de chaleur.
Il faut enlever à cette masse d’air sa chaleur de liquéfaction, car à — 195° l’air liquide bout sous la pression atmosphérique. Soit B cette quantité de chaleur latente de liquéfaction.
On conçoit donc que si la masse d’air de 100 mètres cubes est comprimée dans un serpentin sous la pression de 5 atmosphères et qu’au travers des parois de ce serpentin on soutire d’abord A calories et aussi B calories, tout l’air constituera une masse d’air liquide à l’intérieur du serpentin.
Admettons maintenant que l’on ait posé une vanne de réglage à l’extrémité du serpentin et qu’en l’ouvrant on laisse échapper l’air liquide qui se trouve à l’intérieur, de telle façon que l’air liquide sortant, noie le serpentin d’où il s’échappe.
Il suffit de développer dans un cylindre ce serpentin dont les spires terminales pénétrent par le bas. L’air liquide s’échappant viendra de lui même noyer progressivement les spires superposées.
Admettons que nous ayons ainsi rempli le bas du cylindre d’une certaine quantité d’air liquide et qu’on règle la vanne d’échappement de l’air liquide de telle sorte que l’air comprimé à cinq atmosphères arrivant par le serpentin soit de même poids dans l’unité de temps que le poids d’air liquide qui sort par la vanne de réglage; on aura ainsi constitué un état de régime qui pourrait durer indéfiniment si la chaleur ambiante de la salle n’était pas une cause incessante d’apport de calories dans cet appareil refroidi à — 195°.
Supposons donc l’enveloppe protectrice de cet appareil parfaite, il devient évident que 100 mètres cubes d’air pur à + 15° comprimés à 5 atmosphères descendront du haut du cylindre vers le bas contre un courant de 100 mètres cubes d’air pur qui le réchaufferont de — 195° à + 15°. En descendant la masse d’air cédera A calories et la masse montante d’air pur équivalente comme volume se réchauffant de — 195° à + 15° absorbera A calories.
Ces changements de température s’effectuent dans des masses d’air identiques et sous pression constante pendant qu’ils s’opèrent.
Outre cela, 100 mètres cubes d’air se liquéfiant à — 195° cèdent leur chaleur latente de condensation à 100 mètres cubes d’air pur liquéfiés qui se vaporisent autour du serpentin au fond du cylindre.
Chacun de ces changements d’état absorbe et cède B calories.
Si nous admettons que la surface du serpentin noyée dans l’air liquide soit presqu’infinie, et la conductibilité du métal soit parfaite, la plus légère surpression de 
d’atmosphère suffira pour amener la complète liquéfaction de l’air à l’intérieur du serpentin et sa revaporisation à l’extérieur. On pourra faire passer B calories avec une différence de température de 
ou 
de degré, correspondant à la différence des tensions maxima des vapeurs de l’air liquide que l’on comprime légèrement à l’intérieur, tandis que la pression atmosphérique est maintenue à l’extérieur.
On verra ainsi deux courants d’air, l’un entrant, l’autre sortant de l’appareil et ayant chacun la même pression et la même température.
Aucune séparation des constituants de l’air liquide n’aura eu lieu.
Que faut-il donc ajouter à cet appareil si simple pour obtenir deux courants différents de gaz sortants tandis qu’un seul courant d’air entrant les alimentera tous les deux?
Un des courants sortants doit être l’oxygène, l’autre courant sortant sera l’azote.
Il faut se servir de la loi fondamentale des tensions des vapeurs des liquides mélangés, loi qui caractérise l’état liquide des constituants du mélange et la nature des vapeurs qu’ils émettent.
Voici d’abord quelques faits précis:
Prenons dans une sphère de verre, munie de robinets, 46 volumes d’oxygène pur liquide et 54 volumes d’azote pur liquide.
Agitons ces liquides pour les dissoudre et les mélanger intimément et refroidissons cette ampoule jusqu’à ce que la tension des gaz dans la sphère soit exactement la pression atmosphérique. Un petit manomètre attenant à la sphère nous prouve que nous avons obtenu ce résultat lorsque le liquide est refroidi à environ — 192°.
Nous prélevons dans une éprouvette, un peu des vapeurs qu’émet le mélange à cette température de — 192°. Nous trouvons que ces vapeurs n’ont nullement la composition du mélange d’où elles proviennent.
L’analyse nous donne 21 % d’oxygène et 79% d’azote.
Donc par le fait uniquement de l’état liquide et des forces physiques de dissolution mises en jeu, l’oxygène est retenu dans le liquide et la proportion de l’oxygène gazeux tombe de 46 % à 21 %, donc à moins de la moitié de sa valeur dans le mélange.
L’azote au contraire passe de 54 % à 79 %.
On peut agiter autant qu’on le veut le mélange, les vapeurs restent en équilibre stable avec un liquide dont la teneur est très différente. Voilà le fait capital sur lequel repose tout procédé de séparation par rectification des mélanges liquides.
Continuons encore:
Prenons 21 volumes d’oxygène et 79 volumes d’azote qui sont émis simultanément par un mélange liquide de 46 volumes d’oxygène et de 54 volumes d’azote. Liquéfions ces 21 parties d’oxygène, ces 54 parties d’azote et mélangeons ces liquides dans la même ampoule. Pour obtenir que la tension des vapeurs de ce mélange soit égale à la pression atmosphérique, nous constatons d’abord qu’il faut le refroidir à — 195° centigrades.
Nous utilisons l’éprouvette pour cueillir un peu des vapeurs émises par ce mélange et nous voyons que ces vapeurs détiennent 7 % d’oxygène et 93 % d’azote.
Le volume de l’oxygène est tombé de 21 % dans le liquide, à 7 % dans les vapeurs.
Pour l’azote le volume a passé de 54 % à 93%.
La température d’ébullition du mélange dans le premier cas était — 192°, maintenant — 195°.
Continuons encore:
Nous prenons 7 % d’oxygène en volume émanant de ce mélange et les liquéfions.
Nous prenons 93% d’azote en volume et les liquéfions.
Nous mélangeons ces deux quantités d’oxygène et d’azote liquides dans l’ampoule et nous recommençons les observations.
Le point d’ébullition de ce mélange est descendu à — 195°,4.
L’analyse des vapeurs nous donne 2,8 % d’oxygène et 97,2 °/% d’azote.
Si nous continuons comme précédemment, le prochain mélange liquide contenant 2,8 d’oxygène et 97,2 d’azote bout à — 195°,5 et donne 0,5 % d’oxygène et 99,5 d’azote.
Le mélange suivant donne 0,08 % d’oxygène et 99,92% d’azote.
La température d’ébullition de ces derniers mélanges est celle de l’azote liquide pur à quelques millièmes de degrés près, soit — 195°,5.
Si maintenant, au contraire de ce que nous avons fait dans la série d’expériences précédentes, nous forçons les doses d’oxygène liquide contenues dans l’ampoule, nous trouvons que la température s’élève progressivement jusqu’à — 182°,5 point d’ébullition de l’oxygène liquide, mais qu’à cette température les plus petites traces d’azote dans le liquide ont déjà une influence des plus marquées dans la température du liquide, mélange des deux liquides azote et oxygène, et que le pourcentage de l’azote dans les vapeurs dépasse de beaucoup son pourcentage dans le liquide.
L’azote gazeux se dégage donc dans tous les cas et quelle que soit sa teneur dans un mélange quelconque d’oxygène et d’azote liquides plus rapidement que proportionnellement à la valeur relative de son pourcentage dans le mélange qui se vaporise.
Comment utiliser ces constatations capitales pour la séparation méthodique de l’oxygène et de l’azote de l’air atmosphérique dans notre appareil cylindrique contenant un serpentin dans le bas?
Nous représentons dans la figure 1 (Pl. I) cet appareil schématique et voici sa théorie et comment son agencement permet la solution du problème.
Tout l’appareil est constitué par une colonne verticale contenant de 80 à 100 plateaux superposés, assez voisins les uns des autres.
Ces plateaux sont construits exactement comme le sont ceux de nos brevets de 1880-1881, spécialement destinés aux opérations de rectification des liquides mélangés.
On peut les faire percer de tout petits trous permettant aux vapeurs de passer de bas en haut au travers d’une mince couche de liquide qui s’y trouve, sans que le liquide puisse fuir par ces petites ouvertures retenu par les forces capillaires, aidées d’une légère contre-pression des gaz qui cherchent leur orifice d’écoulement au haut de la colonne et sont ainsi forcés de surmonter la pression faible de chaque plateau.
Ces plateaux peuvent être à calottes. Les gaz sont obligés en traversant ces calottes de barbotter dans le liquide de chaque plateau.
Enfin, et c’est là un fait très important, ces plateaux peuvent agir seulement comme surface par écoulement libre de plateau à plateau. Le liquide tombant du haut de la colonne est forcé de mouiller la surface de ces plateaux au contact desquels passent, en remontant, tous les gaz ou vapeurs venant du bas de la colonne.
Ces trois formes de plateaux sont décrites très complètement dans les brevets vieux de 34 ans!
Tous les plateaux à calottes et les plateaux perforés possèdent des trop-pleins permettant au liquide, tombant du haut de la colonne sur le plateau supérieur, de descendre automatiquement et sans contre-pression gênante jusqu’au bas de la colonne, dans le réservoir terminal où se trouve le serpentin.
Cette disposition très visible et compréhensible dans la figure 1 nous permet d’expliquer maintenant le fonctionnement, dès le début des opérations, pour atteindre progressivement l’état de régime.
Dans la figure 1 nous représentons en D un compresseur ordinaire quelconque pouvant comprimer, dans l’exemple particulier numérique que nous choisissons, 500 mètres cubes d’air atmosphérique à l’heure sous une pression de 5 atmosphères.
Cette compression va produire une certaine quantité de chaleur que nous enlevons par un courant d’eau. Le serpentin refroidisseur n’est pas représenté dans la figure pour éviter toute complication inutile aux faits essentiels qui nous occupent.
Ces 500 mètres cubes d’air, comprimés à 5 atmosphères passent dans un échangeur normal, dans lequel les 500 mètres cubes d’air sortant sous forme de deux courants froids, l’un d’oxygène l’autre d’azote, échangent leur température avec les cinq cents mètres cubes d’air comprimés entrant.
Un de ces courants sera le courant d’oxygène, l’autre un courant d’azote mélangé avec un peu d’oxygène.
Cet échangeur ne fait pas non plus partie de ia figure 1 car il est accessoire pour la présentation des phénomènes essentiels de la rectification.
Au sortir de l’échangeur les 500 mètres cubes d’air comprimés à 5 atmosphères et refroidis près du point de leur liquéfaction par leur passage au travers de l’échangeur, arrivent en E, au bas de la colonne dans le serpentin EEE.
Au sortir du bas de la colonne le serpentin E s’élève jusqu’au haut de la colonne et l’on voit une vanne F qui est placée sur ce tube E.
Après la vanne F le tube continue, traverse le dôme de la colonne et laisse couler le liquide qu’il contient sur le plateau supérieur G.
Le liquide descend de là de plateau en plateau et coule jusqu’en bas.
Deux tubes de sortie des gaz se voient sur la colonne, l’un en K, sert à laisser échapper l’oxygène qui traversera d’abord l’échangeur puis se rendra de là au gazomètre alimentant le remplissage des bonbonnes ou les emplois immédiats de l’industrie.
L’autre tube de sortie est tout en haut en H et permettra à l’azote, associé à un peu d’oxygène, de s’échapper au dehors après avoir aussi traversé l’échangeur.
Ces dispositions fort simples sont très exactement représentées dans la figure 1 où la suppression du réfrigérant de la compression et de l’échangeur ne modifie en rien les explications qui vont suivre, et que nous allons exposer avec une scrupuleuse précision.
Départ des opérations.
Table des matières
Nous avons décrit dans notre premier chapitre les différentes méthodes par lesquelles on peut se procurer de l’air liquide.
Donc adoptons une quelconque de ces méthodes et en produisant une certaine quantité d’air liquide, nous l’introduisons dans la colonne par un orifice quelconque du dôme (non représenté sur le dessin).
Tout l’appareil se refroidira progressivement, et, peu à peu, prendra la température de — 195°, soit celle de l’air liquide bouillant sous la pression atmosphérique.
Lorsque ce premier résultat est atteint, on continue de laisser entrer de l’air liquide qui, descendant sur les plateaux, remplira peu à peu le réservoir BBB du bas où se trouvent les spires E E du serpentin.
C’est au moment où ce réservoir BB sera plein d’air liquide que débutent les opérations de la mise en marche du procédé de rectification de l’air liquide.
Nous mettons en marche la compression de 500 mètres cubes à l’heure en tenant la vanne F de sortie fermée.
Dès le premier coup de piston la pression de l’air dans le serpentin E s’élève, mais aussi dès le premier coup de piston une petite quantité d’air s’est liquéfiée, conséquence de cette augmentation de pression, dans les spires du serpentin baigné par l’air liquide.
Au même moment la chaleur latente de l’air qui s’est liquéfié traverse les parois, parfaitement conductrices du serpentin, et force une même quantité d’air liquide contenue dans le réservoir à prendre l’état gazeux par ébullition du liquide.
Ces vapeurs provenant de l’air liquide contiennent 7 % d’oxygène et 93 % d’azote.
Ces vapeurs traversent sans aucun changement quelconque les 82 plateaux N N N de la colonne chargés d’air liquide. (Il y a un à deux centimètres d’air liquide dans chaque plateau.) En effet les vapeurs sont identiques à celles qu’émet un liquide identique remplissant chaque plateau.
Au bout d’un temps très court le liquide remplissant le réservoir du bas B perdant 7 % d’oxygène et 93 % d’azote à l’état gazeux, alors qu’il est composé de 21 % d’oxygène et de 79 % d’azote, va s’enrichir en oxygène; son liquide aura progessivement 22, 25, 30 % d’oxygène et relativement 78, 75, 70 % d’azote.
Les vapeurs que vont émettre ces mélanges progressifs de plus en plus riches en oxygène ne resteront pas les mêmes qu’au début de l’opération.
L’oxygène contenu dans les vapeurs passera de 7, 9, 11 à 20 %, etc., tandis que l’azote sera de plus en plus pauvre en oxygène.
Le premier plateau du bas contenant de l’air liquide va donc être traversé par des vapeurs ayant plus de 7% d’oxygène, supposons 10 % par exemple.
Ce liquide retiendra instantanément 3 % d’oxygène des gaz qui le traversent tandis que l’azote des vapeurs venant d’en bas n’ayant que 90% de valeur se chargera de 3 % d’azote pris au liquide du premier plateau.
D’après la loi d’Avogadro chaque molécule d’oxygène chassera par sa dissolution dans le liquide une molécule de gaz dont la chaleur latente équivaut à la sienne.
Ainsi le plateau 1 sera chauffé par l’oxygène en excès, venant d’en bas, que son liquide absorbera.
Il abandonnera un volume égal d’azote, pas pur, mais associé à 7 % d’oxygène du volume qui quitte le plateau pour se joindre aux gaz montant.
L’azote du bas aura toujours en entrant dans le plateau au-dessus du précédent une tension inférieure à la tension de l’azote dans les vapeurs émises par le plateau qui lui est superposé.
Ainsi l’azote traversera les 82 plateaux jusqu’au haut de la colonne en augmentant constamment son volume et en ne se condensant jamais sur aucun plateau.
L’oxygène seul se condensera de plateau en plateau et sera la seule source de chaleur (par sa dissolution et sa liquéfaction dans les liquides superposés des plateaux) fournie à la colonne. Cette chaleur forcera l’azote à se gazifier et le refoulera progressivement de bas en haut dans les plateaux N N N de la colonne.
Cette conclusion, qui découle comme un résultat inattaquable de tout ce qui précède, donne la clef de tous les résultats numériques consacrés par la pratique.
En effet, continuons l’analyse serrée des phénomènes:
Le compresseur comprime 500 mètres cubes d’air à l’heure, il liquéfie en totalité cette masse d’air dans le réservoir BB du bas de la colonne.
Cet air liquide monte jusqu’à la vanne de réglage F et là sort impétueusement sur le premier plateau G d’où il se déverse progressivement de haut en bas contre le courant de vapeurs montantes.
Ce liquide qui se déverse sur le premier plateau contient 21 % d’oxygène, 79 % d’azote. Il faut donc à tout prix chasser ces 79 % d’azote pendant la descente du liquide du haut en bas de la colone pour pouvoir récolter de l’oxygène ayant 98 % de pureté environ.
Or 79 % de 500 mètres cubes représentent 395 mètres cubes d’azote pur.
On veut fournir de l’oxygène à 98 %.
On sait que l’oxygène qui part avec l’azote au haut de la colonne est celui qui est représenté par le volume de l’azote multiplié par 7 % (et une petite fraction).
Donc nous perdons 395 × 7 % = 28 mètres cubes d’oxygène pur. Si nous retranchons de la totalité de l’oxygène contenu dans 500 mètres cubes d’air, 28 mètres cubes d’oxygène perdus forcément avec l’azote qui se dégage au haut de la colonne, on constate qu’avec le procédé de rectification, appliqué dans toute son intégrité, il n’est possible d’extraire que:
105 mètres cubes d’oxygène contenus dans 500 mètres cubes d’air — 28 mètres perdus, donc 77 mètres cubes d’oxygène, et pas davantage!
Pour obtenir ces 77 mètres cubes d’oxygène dans le gazomètre il nous a fallu envoyer dans la colonne un volume de vapeurs, sortant du réservoir terminal inférieur BB, égal au volume total de l’azote liquide (vaporisé) tombant sur le plateau supérieur et que nous transformons en vapeurs par suite de la chaleur dégagée par la dissolution et liquéfaction de l’oxygène gazeux dans le liquide des plateaux et en plus le volume de l’oxygène lui-même contenu dans l’air liquide.
Il nous faut donc chasser sous forme d’oxygène gazeux sortant du réservoir BB 500 mètres cubes d’oxygène dans la colonne.
Dès le bas de la colonne 77 mètres cubes d’oxygène gazeux sont conduits à l’échangeur et de là au gazomètre d’où on les utilisera pour les besoins de l’industrie.
Les 423 mètres cubes d’oxygène restant continuent leur route et sont progressivement échangés par absorption successives en 395 mètres cubes d’azote et 28 mètres cubes d’oxygène qui n’ont pu être gardés dans les plateaux inférieurs.
Chaque plateau retient une partie de l’oxygène qui lui arrive par en bas et restitue en compensation un volume égal d’azote gazeux qui s’ajoute à l’azote des premiers plateaux inférieurs.
On constate donc que de plateau en plateau la température d’ébullition des liquides qui s’y trouvent augmente progressivement en raison du mélange spécial qui se forme par l’apport simultané du liquide tombant du haut de la colonne, et dont une grande quantité s’évapore par changement d’état en chemin, et l’apport de l’oxygène gazeux retenu par ce liquide, toujours plus riche en azote que le liquide du plateau qui lui est immédiatement inférieur.
C’est l’excès de l’oxygène gazeux absorbé dans un plateau par rapport au volume d’oxygène que débite le même plateau, avec l’azote qui s’en échappe, qui est la seule, l’unique cause de chaleur qui chasse l’azote du liquide tombant au sommet de la colonne sur le plateau du haut et cela sous la forme d’air liquide.
Le volume du liquide, soit les 500 mètres cubes d’air totalement liquéfiés, perd en tombant à chaque plateau un petit poids d’azote liquide et gagne un petit poids d’oxygène liquide; ces petites masses d’azote perdu et d’oxygène gagné représentent par la loi d’Avogadro des volumes identiques.
Ainsi le trop-plein du deuxième plateau inférieur de la colonne déverse 500 mètres cubes d’oxygène liquéfié et ce sont ces 500 mètres cubes d’oxygène qui passent constamment de l’état liquide à l’état gazeux dans le bas du réservoir BB terminant la colonne.
Telle est la marche normale du procédé de séparation de l’air atmosphérique par voie de rectification.
Une fois cette théorie bien comprise jusque dans ses moindres détails, nous allons discuter les résultats numériques et montrer tout ce qu’on peut en attendre comme avantages industriels pratiques.
Peut-on obtenir de l’azote pur? Quelle est la limite de la pureté possible? La force motrice croît-elle avec la pureté ? La pureté de l’oxygène est-elle plus ou moins coûteuse que la pureté de l’azote?
Nous discuterons ces problèmes pour comparer ensuite utilement le procédé de dissolution avec celui de rectification.
CHAPITRE III
Table des matières
Discussion du procédé dit par rectification
Dès que la théorie d’un procédé est fixée, et cela sur des lois immuables de la physique, il est loisible de préciser les limites des avantages qui en découlent et de voir le prix qu’il faut mettre pour obtenir dans notre cas actuel de l’oxygène pur et de l’azote pur.
Restons encore dans l’idée d’appareils parfaits.
Nous avons constaté qu’avec 500 mètres cubes d’air atmosphérique nous devons les comprimer à 5 atmosphères pour les liquéfier totalement et qu’en les laissant tomber du haut en bas d’une colonne à plateaux, on peut en retirer 77 mètres cubes d’oxygène pur et, par le haut de la colonne, 423 mètres cubes d’un mélange de 7 % d’oxygène et de 93 % d’azote, gaz presque sans valeur industrielle.
Une correction s’impose immédiatement dans nos calculs. Elle provient de ce fait: la température du réservoir du bas de la colonne est — 182°, celle du point d’ébullition de l’oxygène liquide.
La température du plateau du haut de la colonne est — 195°, donc 13° plus basse que celle du bas.
Les 500 mètres cubes d’air liquide qui proviennent du changement d’état gazeux en liquide dans le serpentin du bas, vont donc arriver à la vanne de réglage F à la température de — 182°.
Là la vanne s’ouvre et le liquide qui s’échappe, selon les lois bien connues, va prendre spontanément la température de — 195° en s’évaporant partiellement mais instantanément.
Si nous adoptons pour la chaleur spécifique de l’air liquide la valeur, encore pas très exactement connue, de 0,47 calorie, la chaleur qu’il est nécessaire d’ôter pour obtenir cet abaissement de température obligatoire sera de:
500m’ × 1k,293 × 13° × 0°,47 = 3950 calories.
C’est la quantité de chaleur qui doit être enlevée par heure.
Comme cette transformation de liquide en gaz est tout-à-fait instantanée elle s’effectue au détriment du liquide qui arrive sur le premier plateau G du haut de la colonne.
On admet 55 calories pour la chaleur latente de l’air liquide; on trouve alors que le poids d’air liquide qui disparait en se transformant instantanément en un gaz contenant 7 % d’oxygène et 93 % d’azote est de: 71k82, d’air liquide.
Ces gaz ne seront utiles que dans l’échangeur d’azote, mais n’apporteront aucune quantité d’oxygène au gazomètre.
Voilà un point bien important.
En effet 500 mètres cubes d’air pèsent 646k,5 et 71k82, d’air liquide perdus pour le travail utile représentent:
Ainsi cette première correction nous fait voir que, au lieu de récolter 77 mètres cubes d’oxygène pur, nous n’en récolterons effectivement que:
Voilà donc le rendement théorique maximum du système dit de rectification: en travaillant et comprimant à 5 atmosphères 500 mètres cubes d’air à l’heure, il faudra renoncer à en obtenir plus de 68m,45 cubes d’oxygène pur. Ici encore nous remarquons que l’air liquide perdant déjà près de 10 % de son poids contient un peu plus d’oxygène dans la partie restante et abandonne des vapeurs dès le deuxième plateau ayant un peu plus de 7 %d’oxygène.
Notre résultat est donc forcé en donnant le rendement de 68m,45 cubes d’oxygène par heure.
Dimensions de la colonne à rectifier
Table des matières
D’après ce que nous venons de voir la colonne à rectifier reçoit du liquide par le haut et des gaz par le bas. L’azote traverse les plateaux de bas en haut sans se liquéfier ni se dissoudre dans aucun plateau, mais l’oxygène se dissout progressivement de plateau en plateau et le liquide contenu dans les plateaux est mécaniquement entraîné vers le bas par le déversement continu d’environ 646 à 650 litres d’air liquide par heure.
Tout l’oxygène qui enrichit le liquide de chaque plateau est rapidement accumulé au bas de la colonne dans le réservoir B.
De ce réservoir s’élèvent constamment 500 mètres cubes d’oxygène pur.
Dès le départ du gaz oxygène hors du réservoir BB on sait que 68,45 mètres cubes d’oxygène vont sortir par le tube K, traverser les échangeurs et se rendre au gazomètre d’où on les utilisera pour les besoins industriels.
Il reste 431,55 mètres cubes d’oxygène qui remonteront la colonne contre le courant d’air liquide apporté par le tube E après avoir traversé la vanne F.
Les gaz se mêleront au haut avec les vapeurs de l’air liquide dont la température passe subitement de — 182° à — 195° et l’on récolte dans le tube H de sortie des gaz au haut de la colonne:
Si l’on ajoute à ces 431,55 mètres cubes de gaz mélangés les 68,45 mètres cubes d’oxygène récoltés dans le gazomètre on retrouve, ce qui est naturel, les 500 mètres cubes d’air travaillés dans notre exemple numérique.
Tel est le résultat précis de cette étude.
Pour laisser passer cette masse gazeuse constante de 431,55 mètres cubes de vapeurs par heure sans exagération de vitesse, sans boursoufflement des mousses sur les plateaux, il ne faut pas dépasser une vitesse de 2 mètres par seconde au maximum pour les gaz qui traversent les calottes des plateaux NNN.
On arrive ainsi à donner à la calotte une hauteur de 4 mètres et demi et un diamètre de 400 millimètres, avec 82 plateaux N équidistants dans la colonne. Ces conditions mécaniques découlent forcément du principe de rectification. En particulier le nombre des plateaux de 82 s’impose comme un minimum si l’on veut obtenir un bon rendement et retenir l’oxygène qui s’échappe du réservoir du bas de la colonne et ne pas en laisser perdre plus de 7 % dans l’azote.
Comme la chaleur apportée à chaque plateau n’est produite que par le poids de l’oxygène fixé par dissolution, le nombre de plateaux est un nombre rigide, invariable, selon la pureté de l’oxygène que l’on veut obtenir et la perte minimale qu’il convient de fixer pour la quantité d’oxygène perdue avec l’azote qui part.
Cette inéluctable condition caractérise les appareils bâtis sur la rectification des liquides mélangés.
Pertes dues au rayonnement et à la conductibilité
Table des matières
Comme l’appareil fonctionne dans une salle où règne une température normale de +15° environ, la chaleur ambiante tend toujours à pénétrer dans les appareils froids, quelles que soient du reste leur protection et l’épaisseur des parois calorifuges.
Les échangeurs, moins froids que la colonne, l’entourent et l’on fait son possible pour obtenir la meilleure isolation.
Nos expériences nous montrent que pour traiter 500 mètres cubes à l’heure d’air atmosphérique il faut compter sur l’introduction de 32 litres d’air liquide par heure dans la colonne pour maintenir le régime constant. Avec cet appareil régulier on compense très exactement les insuffisances d’isolement et le résultat incomplet des échangeurs de température.
Ces 32 litres d’air liquide introduits au haut de la colonne A permettent de recueillir cinq à cinq mètres cubes et demi d’oxygène pur en plus des 68,45 déjà récoltés. Ce volume d’oxygène se dégage des 32 litres d’air liquide ajoutés comme l’oxygène dégagé de l’air liquide obtenu dans le serpentin E.
La chaleur qui fait vaporiser ces 32 litres d’air liquide est entrée directement de la chambre des machines au cœur des appareils et s’inscrit comme équivalente à la chaleur latente de vaporisation de cette masse liquide auxiliaire.
Il est clair qu’on pourra peu à peu diminuer dans une certaine mesure cette quantité d’air liquide qu’il faut fabriquer constamment à côté des appareils à rectifier uniquement pour maintenir l’état de régime normal dans la colonne en parant aux apports de la chaleur ambiante.
On pourra augmenter l’épaisseur des parois protectrices, trouver des substances dont l’action préservatrice par leur mauvaise conductibilité soient plus avantageuses les unes que les autres.
A l’heure qu’il est une colonne travaillant 500 mètres cubes, doit compter avec un apport horaire de 30 à 35 litres d’air liquide, résultat expérimentalement constaté maintes fois.
Influence de l’humidité de l’air et de l’acide carbonique
Table des matières
Un point très important est très délicat dans le fonctionnement régulier des appareils rectificateurs de l’air liquide réside dans la nécessité absolue d’enlever à l’air atmosphérique comprimé toute son humidité, sans quoi les obstructions sont imminentes et arrêtent totalement la marche de l’appareil. L’acide carbonique bien que contenu à raison de trois dix millièmes (0,0003) dans l’air normal, doit être prudemment capté avant que l’air ne se liquéfie dans des tubes étroits, ou retenu dans des filtres ad hoc dès sa liquéfaction.
En réduisant l’air liquide au 
de son volume initial pendant sa liquéfaction, on oblige la totalité de l’acide carbonique à se transformer en une poussière neigeuse entraînée dans le courant de l’air liquide. Ce n’est qu’au moment où cette considérable réduction du volume des gaz s’opère que la tension des vapeurs d’acide carbonique permet ce changement d’état.
Les opérations nécessitées par l’enlèvement scrupuleux de l’humidité de l’air, environ 14 à 15 grammes d’eau par mètre cube d’air, et de l’acide carbonique sont des charges constantes portées par le procédé de rectification. Elles sont inéluctables et assez onéreuses.
CHAPITRE IV
Table des matières
Travail consommé pour la rectification de 500 mètres cubes d’air atmosphérique
Maintenant que le procédé de rectification de l’air liquide a été exposé dans ses moindres détails, nous pouvons chercher quel est le travail normal exigé pour le maintien en régime des appareils de rectification.
Nous avons d’abord le compresseur d’air obligé de comprimer à 5 atmosphères 500 mètres cubes d’air pour les liquéfier totalement dans le serpentin noyé à — 182° dans de l’air liquide.
Ce compresseur doit être de premier ordre comme construction et muni de surfaces refroidissantes aussi parfaites que possible ainsi que de serpentins refroidisseurs des gaz une fois comprimés.
Les diagrammes obtenus sur des compresseurs à marche pas trop rapide et en parfait état de fonctionnement, nous ont fourni les nombres: 48 chevaux, 51 chevaux, 53 chevaux et 47 chevaux. La température des gaz à la sortie de la compression est presque constamment légèrement supérieure à 100°.
Nous adoptons 50 chevaux comme le travail en marche normale.
Pour maintenir l’état de régime il nous faut apporter 32 litres d’air liquide par heure.
D’après ce que nous avons dit dans les chapitres précédents nous pouvons admettre qu’un cheval heure donne avec de bons appareils pour fabriquer l’air liquide, 500 grammes d’air liquide par heure.
Les 32 litres d’air liquide occupant ainsi 64 chevaux d’une façon continue.
Nous admettons volontiers que ces deux estimations du travail continu: le compresseur d’air alimentant la liquéfaction de l’air d’une façon continue à 5 atmosphères de pression et la production de 32 litres d’air liquide, peuvent être, selon les cas, un peu différentes, tantôt en plus tantôt en moins, mais ces chiffres fournis par de nombreuses expériences soignées sont bien près de la réalité pratique.
Récapitulation des résultats numériques obtenus par le procédé de rectification
Table des matières
Voyons l’addition du travail nécessaire au traitement de 500 mètres cubes d’air à l’heure et des quantités d’oxygène et d’azote obtenus.
On peut dans des conditions spéciales économiser le travail de la machine frigorifique, mais l’expérience pratique nous a démontré son utilité incontestable. Elle assure la deshydratation absolue de l’air et augmente sensiblement le rendement en air liquide de l’appareil à liquéfaction.
Sans machine frigorifique il faut une double installation pour la rectification de l’air liquide à cause des obstructions certaines après une marche de faible durée.
Pendant qu’un appareil se réchauffe l’autre fonctionne.
Le travail fourni par ces 126 chevaux permet de récolter dans le gazomètre un volume de:
Dans ces conditions normales chaque mètre cube d’oxygène pur réclame: 1,70 cheval-heure.
Il est difficile d’apporter une grande économie dans le travail des machines tel que nous l’avons décrit.
On constate que sur 105 mètres cubes d’oxygène contenus dans 500 mètres cubes d’air, les lois physiques utilisées pour les extraire par rectification ne permettent d’en obtenir effectivement que 73,95 par heure.
Outre cela la liquéfaction par heure de 32 litres d’air liquide oblige la compression, la deshydratation et l’enlèvement de l’acide carbonique d’une masse d’air égale à environ 350 mètres cubes à l’heure.
Cela porte à 850 mètres cubes d’air à l’heure la masse de gaz que l’on doit travailler, soit par liquéfaction directe sous haute pression de 60 à 200 atmosphères selon les cas, soit par compression à cinq atmosphères pour alimenter la colonne à rectification.
CHAPITRE V
Table des matières
Appareil à rectification Coumpound
Dans son article de 1900 (août), von Linde a prétendu que mon système de 1899 était incapable de produire de l’azote pur.
J’ai répondu dans le même numéro qu’en utilisant des appareils Compound, c’est-à-dire en travaillant les gaz obtenus par un appareil rectificateur et séparateur des éléments de l’air, de la même façon qu’on a travaillé l’air atmosphérique, on pouvait obtenir de l’azote aussi pur qu’on le voulait.
Je n’ai cependant pas pris de brevet pour cette invention, car répéter les mêmes opérations sur les gaz sortant avec un deuxième appareil identique au premier, me paraît une chose si simple et enfantine qu’on ne saurait y voir une invention!
En 1902 et 1903 von Linde dépose son brevet sur l’appareil Compound.
Il est évident que le but de l’appareil rectificateur Compound ne vise pas la production plus grande de l’oxygène, il ne s’adresse qu’à l’amélioration de la pureté de l’azote.
Puisque nous allons, dans un appareil Compound, utiliser un appareil en tout semblable à celui que nous avons décrit, il va s’y passer les mêmes séries de phénomènes physiques.
Au lieu de comprimer de l’air atmosphérique nous comprimerons les gaz sortant de la colonne par le haut. Nous savons que par le haut s’échappent:
Il faut donc liquéfier ces 443,2 mètres cubes de gaz, les comprimer à 5,5 atmosphères, car il n’y a que 7% d’oxygène dans ce mélange au lieu de 21 % comme dans l’air. On laissera jaillir au haut de la colonne le liquide ainsi obtenu et ce liquide ne donnera que 2,8% d’oxygène au lieu de 7% dans le premier appareil. Par contre le liquide formé dans le serpentin noyé dans l’oxygène à — 182° développe instantanément sur le plateau du haut une grande quantité de gaz pour abaisser sa température à — 195°,5, et de ce fait seul le titre l’oxygène dans le plateau supérieur de la colonne remonte un peu au-dessus de 2,8 % d’oxygène.
Le maximum de pureté de l’azote que l’on peut donc obtenir avec le premier appareil Compound sera de 97,2 %. C’est déjà de l’azote assez pur, mais pas assez pur pour certains besoins industriels pour lesquels les traces d’oxygène sont déjà du poison.
Le travail de compression qu’exige l’appareil Compound est très voisin du travail absorbé par le premier appareil.
Ici encore la colonne n’est chauffée dans ses plateaux que par des vapeurs d’oxygène qui viennent d’en bas.
Or il faut envoyer dans la colonne dès le bas 423 mètres cubes d’oxygène dont 35,35 mètres cubes ne seront pas retenus et seront comprimés et liquéfiés à nouveau dans l’appareil Compound avec les 414,2 mètres cubes d’azote.
Il faudra donc chasser simultanément au bas de la colonne à rectifier:
Ainsi la colonne d’en bas laissera passer à l’état gazeux 837,2 mètres cubes d’oxygène à retenir par dissolution entre les deux colonnes rectificatives placées l’une au-dessus de l’autre.
Le seul avantage obtenu avec cette énorme augmentation du prix du matériel, du prix du travail de compression, c’est qu’on gagnera de 4 à 5 mètres cubes d’oxygène en plus et qu’on retirera du haut de la colonne un volume de 416 mètres cubes d’azote ayant 2,8 % d’oxygène. Ce procédé donne évidemment de l’azote plus pur que sans l’emploi de l’appareil Compound mais il est encore primitif.
Tous ces rendements sont également modifiés par l’énorme apport de la chaleur ambiante dans des appareils à surface extérieure colossale.
Ce facteur prend des proportions excessives aux moindres temps d’arrêt dans le fonctionnement constant des appareils.
CHAPITRE VI
Table des matières
Considérations générales sur tous les appareils utilisant le procédé de rectification
Tout ce que nous venons de dire dans les chapitres qui précèdent s’applique à tous les systèmes connus à ce jour:
A l’appareil Pictet, de 1899.
A l’appareil von Linde, de 1902.
A l’appareil G. Claude, de 1902-1903.
A l’appareil Lachmann, de 1903, etc., etc.
Nous donnons à la fin de cette étude une critique du principe dit de la rétrogradation employé par M. Claude, c’est comme on le verra une addition intéressante au principe de rectification.
Tous ces appareils ont deux points communs essentiels: Ils récupèrent l’air liquide en évaporant l’air liquide d’abord et dès le début des opérations, et en chauffant ensuite toute la colonne à plateaux uniquement par des vapeurs d’oxygène qui chassent l’azote liquide lequel tombe sur le plateau supérieur de la colonne.
Ce caractère est général et sans exception.
En lisant les brevets de ces inventeurs on verra que la base essentielle de leurs procédés est la récupération continue de l’air liquide par la liquéfaction de l’air gazeux comprimé dans l’oxygène liquide pur, dont les vapeurs chauffent les plateaux superposés.
Nous pensons que ces observations générales, faites sur l’ensemble des procédés en activité aujourd’hui dans l’industrie, suffisent pour éclairer et guider le lecteur.
Un point caractéristique également rapproche tous ces procédés, c’est que sans exception ils abandonnent l’azote chargé de 7% d’oxygène à la sortie des appareils.
Les appareils Compound seuls font exception, mais nous avons vu dans quelles désastreuses conditions économiques ils fonctionnent.
En somme, le problème de la rectification de l’air atmosphérique liquéfié pour le séparer en ses éléments, est associé à la perte inéluctable d’environ un tiers de la quantité totale de l’oxygène contenu dans l’air liquéfié, et à une qualité d’azote sans valeur industrielle à moins d’employer un appareil Compound.
Nous n’entrerons pas ici dans la discussion des antériorités, ni des caractéristiques secondaires des systèmes qui tous, sans exception, ont pris dans les brevets 1899 les bases essentielles de leur valeur.
Nous y reviendrons plus tard.
CHAPITRE VII
Table des matières
Séparation de l’air atmosphérique en ses éléments par le procédé dit de dissolution
Comme nous l’avons vu dans tous les procédés de rectification de l’air liquide, nous sommes contraints de liquéfier la totalité de l’air contenant l’oxygène que nous voulons extraire et en plus nous sommes obligés de perdre au dehors le tiers de cette quantité d’oxygène sans pouvoir la retenir.
Dans un seul brevet, celui de Lachmann, on voit apparaître l’idée de ne liquéfier qu’une partie de l’air atmosphérique en envoyant l’autre partie dans la colonne à rectifier.
Mais la perte du tiers de l’oxygène est là, également fatale car la colonne n’est chauffée dans ses plateaux superposés que par les vapeurs d’oxygène qui viennent du bas.
Voici comment j’ai été amené progressivement à trouver ce nouveau moyen pour décomposer l’air dans ses éléments:
En 1912 j’ai trouvé une solution totale du problème de la séparation méthodique de l’air dans ses éléments par la méthode de dissolution qu’on peut aussi appeler la méthode du moindre effort.
Pourquoi chauffer la colonne à rectifier par des vapeurs d’oxygène?
C’est franchement ridicule!
Nous liquéfions quatre parties d’azote et une partie d’oxygène en liquéfiant l’air. Or, l’azote liquide doit être chassé pour le forcer à abandonner l’oxygène. Il faut donc chasser quatre parties d’azote liquides pour n’obtenir qu’une partie d’oxygène, c’est fou!
Nous liquéfions tout l’air atmosphérique dans le réservoir de la colonne à rectifier et là règne la température la plus élevée de l’appareil.
L’oxygène liquide bout à — 182°, l’azote ou les dissolutions de l’azote et de l’oxygène s’échelonnent entre — 182° et — 195°,5. Pourquoi provoquer la liquéfaction de l’air dans la partie de l’appareil qui nécessite la plus haute pression? C’est absurde!
En analysant un à un les phénomènes nécessaires à la séparation de l’air en ses éléments je trouvai ceci:
Il suffit de liquéfier de l’azote pur en suffisante quantité pour absorber par dissolution une certaine quantité d’oxygène contenue dans une masse d’air.
L’azote de l’air n’a nullement besoin d’être liquéfié puisqu’il traverse tous les plateaux successifs sans être retenu, par principe même.
Pourquoi ne pas se servir des plateaux superposés pour refroidir le liquide condensé dans lé serpentin et aider à sa liquéfaction? Comme je l’avais fait du reste dans l’appareil de 1899.
En réfléchissant à ces choses le système par dissolution, d’une simplicité parfaite, m’est apparu dans son ensemble et je vais le décrire, m’étonnant qu’il m’ait fallu dix ans pour le trouver!
La figure 2, Pl. I, représente l’appareil opérant d’après le principe de dissolution.
A première vue et en le comparant à la figure 1 il semble qu’il lui soit presque identique!
Mais son fonctionnement est tellement différent, est bâti sur un ensemble de phénomènes physiques si radicalement dissemblables, qu’on ne saurait les rapprocher autrement que par la simple analogie des figures extérieures.
Un compresseur D de 150 mètres cubes à l’heure n’aspire que des gaz provenant du haut d’une colonne AAA.
Voilà déjà un point fondamental nouveau et qui domine le problème.
Ce compresseur n’aspire aucune quantité d’air atmosphérique, il ne reçoit que les gaz arrivant par le dôme de la colonne GG.
Cette colonne présente les particularités suivantes: Un serpentin qui la traverse de bas en haut est destiné à recevoir les gaz comprimés par le compresseur D après qu’ils ont perdu la chaleur de compression et qu’ils ont été refroidis dans un échangeur recevant les gaz qui s’échappent froids de la colonne.
Ce serpentin E se déroule en spirales qui remplissent d’abord le réservoir BB du bas de la colonne.
Ce serpentin EE continue sa route et donne une ou deux anses annulaires dans chaque plateau NN de cette colonne en tapissant le bas de chaque plateau ainsi qu’on peut le voir dans les plateaux NNN de la figure 2, Pl. I (le serpentin est représenté en coupe).
Ce serpentin E, après avoir atteint le plateau supérieur M, se termine par une vanne de réglage F qui permet de régler l’écoulement des liquides, condensés sous pression dans le serpentin, sur le plateau supérieur de la colonne M dans le dôme GG.
Cette colonne ne possède qu’un nombre restreint de plateaux, de 12 à 18 selon les cas et l’importance de la production des appareils.
Au bas de la colonne en K et juste au-dessus du réservoir terminal BB se trouve le dégagement de l’oxygène pur en KK muni d’une flèche indiquant la sortie de l’oxygène.
Un peu plus haut en II un gros tube permet l’introduction d’un courant d’air sec, refroidi par le jeu d’un échangeur en contre-courant des gaz sortant de la colonne.
Un simple ventilateur pouvant donner un courant d’air de 20 à 25 centimètres d’eau de pression, suffit pour actionner cet appareil et lui permettre d’envoyer 500 mètres cubes d’air sec et refroidi, à l’heure, par le tube II entre les plateaux de la colonne NN.
La figure 2 ne représente pas l’échangeur, ni le ventilateur qui peuvent affecter une forme quelconque. Chaque plateau de la colonne est relié à celui qui se trouve au-dessous par un trop-plein LL. Nous n’avons indiqué ces trop-pleins qu’aux plateaux 1, 2 et 3 du haut et dans les 3 derniers du bas; mais ces trop-pleins existent entre tous les plateaux de la colonne sans exception.
Telle est la description sommaire, mais suffisante de l’appareil.
Les opérations de mise en marche et l’arrivée au régime nous permettront de décrire toute la théorie du procédé par dissolution pour la séparation continue de l’air atmosphérique en ses éléments.
Mise en marche. — Nous commençons par remplir tous les plateaux de la colonne AA avec de l’air liquide obtenu par un des procédés quelconques décrits précédemment.
Nous poussons le remplissage jusqu’à ce que le réservoir du bas BB soit entièrement rempli ainsi que tous les plateaux NN.
La colonne AA toute entière ainsi que tous les accessoires, les tubulures, le serpentin, les trop-pleins et les matières isolantes entourant la colonne et les tuyauteries reliant l’échangeur avec la colonne, sont à la température de — 195° au moment où s’achève le remplissage de la colonne avec de l’air liquide.
Ce résultat obtenu, on ferme les deux tubulures du bas KK et II, dont l’une amène le courant d’air entre les plateaux et l’autre permet à l’oxygène qui sortira de l’appareil d’aller remplir le gazomètre après avoir traversé l’échangeur.
Ce même échangeur recevra aussi les gaz qui sortiront de la colonne au haut du dôme en HH.
Donc après avoir fermé K et I nous mettons en fonctionnement le compresseur dont le débit est de 150 mètres cubes à l’heure.
Nous savons que les gaz qui se dégagent de l’air liquide contiennent 7 % d’oxygène et 93 % d’azote.
Donc les gaz aspirés par le tube CC et refoulés par le compresseur vont entrer dans le serpentin en EE au bas de la colonne sous une faible pression, dès le premier coup de piston du compresseur.
Cette légère surpression des gaz comprimés entrainera instantanément la liquéfaction d’une certaine masse de gaz dans l’intérieur du serpentin.
Immédiatement aussi cette liquéfaction intérieure déterminera sur les surfaces extérieures de ce même serpentin l’ébullition d’une certaine masse égale en poids d’air liquide.
A chaque coup de piston l’opération recommence et une nouvelle masse de gaz se liquéfiera dans le serpentin E et provoquera l’ébullition et la distillation d’une masse équivalente de liquide baignant le serpentin EE.
Comme chaque quantité de gaz formés autour du serpentin est rigoureusement égale, par la loi d’Avogadro, à la masse gazeuse liquéfiée, et que cette masse gazeuse liquéfiée est absolument identique à l’apport de gaz à chaque coup de piston, la pression des gaz dans la colonne sera constante.
Il se forme autant de vapeur que la compression en aspire à chaque coup et le liquide formé s’accumule peu à peu dans le serpentin EE dans toute sa longueur.
Lorsque le serpentin E est plein, on ouvre la vanne et on laisse le liquide s’échapper au dehors dans le dôme G sur le premier plateau de la colonne M.
Dans cet exposé théorique, nous admettons que la surface des appareils est complètement protégée contre l’apport de la chaleur ambiante extérieure.
Dès que le serpentin E a été rempli et que l’on a ouvert la vanne de réglage F de la sortie, on analyse la teneur des gaz qui sortent du serpentin sur le premier plateau M, du haut de la colonne en GG et les gaz qui peuvent sortir du tube K du bas de la colonne A en entr’ouvrant la vanne de sortie.
Voici alors ce que l’on constate:
1° Tant que le serpentin E de la colonne n’est pas plein de liquide, la pression de liquéfaction intérieure est très faible.
2° La qualité des gaz aspirés par le compresseur reste très sensiblement la même contenant 7 % d’oxygène et 93% d’azote.
Au moment où le serpentin E est plein on constate que le compresseur a fonctionné exactement trois minutes.
Pendant ces trois minutes, le compresseur a envoyé 7,7 mètres cubes de vapeur contenant 7 % d’oxygène et 93 % d’azote trouvés à l’analyse.
Or le serpentin a environ 25 mètres de longueur et 4 centimètres carrés de section.
Son volume intérieur est de 10 litres.
Ces 10 litres seront pleins de liquide lorsque le poids du liquide sera de 10 kilos environ, la densité de l’azote liquide se rapproche de 1 à ces basses températures de — 195°.
En comprimant 7,7 mètres cubes de gaz dont la densité est voisine dans le compresseur de 1,3 gramme par litre, le poids du liquide sera très voisin de 10 kilos, suffisants pour remplir complètement tout le serpentin EE d’un bout à l’autre.
Or après trois minutes de marche régulière on peut constater brusquement en quelques secondes que les gaz aspirés par le compresseur passent subitement à 2,8 % d’oxygène et 97,2 % d’azote.
En effet les gaz aspirés par le compresseur dans les 3 minutes de fonctionnement ont été les gaz émanant de l’air liquide.
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