SEPARATION ISENTROPIQUE DE L'AIR
L'air contient (en compositon molaire, ou pression partielle) 78% d'azote (N2), 21% d'oxygène (O2), 1% d'argon (Ar), un peu de vapeur d'eau, de CO2 et qq gaz rares que nous négligerons.
On s'intéresse essentiellement à la séparation de l'oxygène et de l'azote, et peu importe où va l'argon (probablement avec l'oxygène dans un procédé de séparation par liquéfaction: pour le séparer ensuite de l'oxygène on peut procéder par congélation).
applications: O2: combustion, soudure, oxygénation des fonds aquacoles; N2: conservation, fabrication d'ammoniac et d'engrais.

Evaluation du coût isentropique (exergétique minimal)
On considère que l'air est à P=1bar et T=300K. Dans ces conditions, le volume molaire est 25litres, et comme la masse molaire de l'air est 28.96g, la densité est r=1.16kg/m3 .
A. Calcul avec des données du CRC Handbook of Chemistry & Physics.
L'entropie de l'air est Sair=6.871J/g/K=199J/mol/K, celle de l'azote SN2=191.8J/mol/K=6.85J/g/K, celle de l'oxygène SO2=205.3J/mol/K=6.416J/g/K, celle de l'argon SAr=155J/mol/K=3.875J/g/K. L'entropie de l'air fractionné est Sfrac=0.78*SN2+0.21*SO2+0.01*SAr=194.3J/mol/K, soit une diminution de 4.73J/mol/K, correspondant à une exergie de 1420J/mol, 5.68e4J/m3, 15.8Wh/m3, et au travail de compression isotherme à Pfrac=1.77bar.
B. Pour vérifier, faisons le calcul différemment.
L'entropie molaire du gaz parfait s'exprime, à une constante additive près: S=Cp*ln(T)-R*ln(P), avec R=8.314J/mol/K et Cp=3.47*R pour l'air.
L'entropie est une grandeur extensive. On peut considérer que l'entropie d'1m3 d'air est la somme des entropies des composants dans 1m3 à leur pression partielle: Sair=Cp*ln(T)-R*SN2,O2,Ar[Pj*ln(Pj)]. On a donc Sfrac-Sair=R*SN2,O2,Ar[(Pj/P)*ln(Pj/P)]=8.314*(-0.194-0.328-0.046)=-4.719J/mol/K, à peu près la même chose qu'au calcul A, ce qui le confirme.

conséquences:
Cette compression à Pfrac=1.77bar est un coût très faible: on est loin des 200bars du procédé de liquéfaction de Linde (détente isenthalpique aux alentours du point critique). Mais c'est un coût de séparation et non de liquéfaction, plus élevé.
Les compresseurs d'air du commerce fournissent généralement 7bars. Si vous êtes fabricant de compresseur, construisez donc un séparateur: ce sera plus intelligent qu'un nouveau modèle de soufflette et surtout, ça se vendra mieux.


question?
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