Distillation [PDF]

Zitiervorschau

Table des matières Objectifs 

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Introduction générale 

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I - Équilibres liquide/valeur 

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II - Bilans sur une colonne à distiller 

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III - Méthode de McCABE et THIELE pour la détermination du nombre d'étages théorique  11 IV - Technologies pour la distillation continue 

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Conclusion générale 

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Bibliographie

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Objectifs L'objectif de ce module est de vous faire découvrir la distillation industrielle et de vous apprendre à effectuer un pré-dimensionnement de colonne par la méthode de McCABE & THIELE.

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Introduction générale La vidéo suivante présente le principe de la distillation et le fonctionnement général d'une colonne à distiller industrielle : https://youtu.be/5EKfase2cEU La distillation est l'opération de séparation la plus répandue dans le monde industriel. Bien que peu efficace d'un point de vue énergétique, elle est simple et présente généralement peu de risque, c'est pourquoi elle est si largement répandue. Il s'agit d'une opération de transferts de matière et de chaleur couplés. Le principe de la distillation repose sur la formation de vapeur plus riche en composé le plus volatil, puis la condensation de cette vapeur.

la distillation au laboratoire La distillation dite flash comporte un étage. En toute rigueur on devrait parler de rectification lorsqu'il y a plusieurs étages, mais on parle en pratique bien volontiers de distillation dans tous les cas. On peut réaliser la distillation industrielle de manière continue ou discontinue. On se focalisera dans ce module sur la distillation continue. On se limitera également ici au cas de la distillation binaire, c'est-à-dire la séparation de seulement deux constituants.

4 Marie DEBACQ

la distillation continue industrielle Pour que la distillation puisse être réalisée dans de bonnes conditions, il est recommandé : d'avoir une volatilité relative des deux constituants suffisante (de préférence

, où

est la pression de vapeur saturante du composé le plus volatil et est la pression de vapeur saturante du composé le moins volatil ; de travailler avec des débits importants (typiquement supérieurs à 100 kg h-1) ; et sur des composés chimiquement et thermiquement stables, ne présentant aucun risque d'explosion.

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Équilibres liquide/valeur

Équilibres liquide/valeur

I

La vidéo suivante présente deux des diagrammes d'équilibres couramment utilisés pour étudier la distillation : https://youtu.be/09g3Q3ATeco

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Équilibres liquide/valeur

Graphique 1 représentation des équilibres liquide/vapeur

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Équilibres liquide/valeur

Graphique 2 courbes d'équilibres liquide/vapeur et diagrammes isobares pour un système idéal ou à azéotrope

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Bilans sur une colonne à distiller

Bilans sur une colonne à distiller

II

La vidéo suivante présente la manière d'établir les bilans de matière et de chaleur sur une colonne à distiller fonctionnant en continu : https://youtu.be/VO-hCKZ73EU

Notion fondamentale : bilans de matière et de chaleur sur une colonne à distiller On écrit donc les bilans sur une colonne à distiller fonctionnant en continu comme suit : bilan matière global : bilan en composé le plus volatil : bilan de chaleur : où ,

et

, et distillat ; ,

et et

sont respectivement les débits totaux à l'alimentation, au résidu et au distillat ; sont respectivement les titres en composé le plus volatil à l'alimentation, au résidu et au sont respectivement les enthalpies à l'alimentation, au résidu et au distillat ;

sont respectivement les flux de chaleur à fournir au rebouilleur et à évacuer au condenseur.

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Bilans sur une colonne à distiller

débits globaux et flux de chaleur pour une colonne à distiller

Définition : taux de reflux On définit le taux de reflux pour une colonne à distiller fonctionnant en continu, comme le rapport entre le débit liquide renvoyé vers la colonne après le condenseur et le débit de distillat produit

:

.

La vidéo suivante définit le taux de reflux et montre comment on peut en déduire le flux de chaleur à évacuer au condenseur, puis le flux de chaleur à fournir au rebouilleur : https://youtu.be/l86AxzTDfXU

Remarque : massique ou molaire Tant que l'on garde un système cohérent (débits totaux, titres en composé le plus volatil et enthalpies), il est possible de travailler en distillation en molaire aussi bien qu'en massique.

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Méthode de McCABE et THIELE pour la détermination du nombre d'étages théorique

Méthode de McCABE et THIELE pour la détermination du nombre d'étages théorique

III

Notion fondamentale : étage théorique Un étage théorique est une portion (souvent fictive) de l'espace, dont les flux sortants sont à l'équilibre thermodynamique. La vidéo suivante présente, dans le cas de la distillation, la très importante notion d'étage théorique : https://youtu.be/DmsgmNwm3Po La méthode de McCABE & THIELE permet de déterminer graphiquement le nombre d'étages théorique (NET) d'une colonne à distiller. 1. On commence par positionner sur la première bissectrice les points correspondants aux teneur en composé le plus volatil dans le distillat, dans l'alimentation et dans le résidu. 2. Puis on trace la droite d'enrichissement, dont la pente est égale à et la droite d'alimentation, dont la la pente dépend de l'état physique de cette alimentation. 3. Ensuite on trace la droite d'appauvrissement à partir de l'intersection entre les deux droites précédentes. 4. Enfin on dessine et on compte les gradins. La vidéo suivante montre d'où provient la méthode de détermination du nombre d'étages théorique (NET), dite méthode de McCABE & THIELE : https://youtu.be/WKyD8xaMCe8

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Méthode de McCABE et THIELE pour la détermination du nombre d'étages théorique

colonne à distiller à annoter

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Méthode de McCABE et THIELE pour la détermination du nombre d'étages théorique

Graphique 3 construction de McCABE & THIELE pour une colonne à distiller fonctionnant en continu avec une alimentation sous forme liquide bouillant

Remarque : hypothèses de LEWIS Les hypothèses de LEWIS sont les suivantes : la colonne est adiabatique ; la chaleur de mélange des deux constituants du binaire est nulle ; les enthalpies de vaporisation de ces deux constituants sont proches. Comme cela est expliqué relativement en détails ici, les hypothèses de LEWIS conduisent au fait que le débit total de liquide n'est pas modifié lors de la traversée d'un plateau (par contre sa composition change) ; il en va de même pour le débit total de vapeur. Cette simplification remarquable conduit à l'existence des droites opératoires (droite d'enrichissement et droite d'appauvrissement). Sans ces hypothèses, ce ne serait pas des droites.

NET à reflux total ou à reflux minimum À reflux total, on obtient le nombre minimum d'étages théoriques mais la production de distillat est nulle. Au contraire, au taux de reflux minimum (donc pour la production maximale de distillat), il faudrait un nombre d'étages infini pour réaliser l'opération. Dans la vidéo suivante, on discute du nombre d'étages théorique des colonnes à distiller et on présente les notions de nombre minimum d'étages théoriques et de taux de reflux minimum : https://youtu.be/-DDQtD_HsRE

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Méthode de McCABE et THIELE pour la détermination du nombre d'étages théorique

Graphique 4 construction de McCABE & THIELE à reflux total

Graphique 5 construction de McCABE & THIELE à reflux minimum

Méthode : pré-dimensionnement Pour réaliser le pré-dimensionnement d'une colonne à distiller fonctionnant en continu, il faut : 1. 2. 3. 4. 5.

déterminer graphiquement le NET minimum (à reflux total) ; déterminer graphiquement le (correspondant à un NET infini) ; calculer le taux de reflux opératoire, généralement = 1,2 à 1,5 ; déterminer graphiquement NET ; estimer la hauteur de colonne la à l'aide de la HEPT (hauteur équivalente à un plateau théorique) dans le cas des colonnes garnies ou à partir de l'efficacité de plateau pour les colonnes à plateaux.

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Méthode de McCABE et THIELE pour la détermination du nombre d'étages théorique

La vidéo suivante présente la méthode de pré-dimensionnement d'une colonne à distiller : https://youtu.be/-8O6-MvSG_U

Pour aller plus loin Ce simulateur en ligne permet d'expérimenter la distillation de quelques mélanges binaires classiques.

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Technologies pour la distillation continue

Technologies pour la distillation continue

IV

L'animation 3D suivante montre en détail le fonctionnement d'une colonne à distiller : https://youtu.be/I70jgRpf80o

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Technologies pour la distillation continue

Conclusion générale vidéo : https://youtu.be/pCf1kc7kItg

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Ressources annexes

Bibliographie Jimmy L. HUMPHREY "Procédés de séparation - Techniques, sélection, dimensionnement", Ed. Dunod, Paris, 2001 J.D. SEADER "Separation process principles", Ed. Wiley, New-York, 1998 Robert E. TREYBAL "Mass transfer operations" 3rd edition, Ed. McGraw-Hill, New-York, 1980

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