TP Distillation [PDF]

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1. Introduction La distillation est une technique extrêmement ancienne. De nos jours, elle est la méthode la plus courante pour la séparation du mélange, est devenue actuellement une opération unitaire indispensable car elle est la base de toutes les industries chimiques. La distillation est un procédé de séparation qui exploite la différence de volatilité entre les constituants du mélange à purifier , sous l'effet de la chaleur (bouilleur) à porter le mélange à ébullition, il s'établit un équilibre entre les deux phases liquide et vapeur, qui sont recueillis à des compositions différentes: une fraction légère de température d’ébullition est plus élevée appelée : ‘distillat’ et une fraction lourde de température d’ébullition est moins élevée

appelée : ‘résidu’, on parle alors de distillation simple ou

flash qui peut être vue comme opération qui se passe au niveau de chaque plateau d'une colonne de distillation. Il y aura donc une augmentation en concentration du composé le plus volatil dans le mélange condensé. Cette distillation peut également être appelée distillation fractionnée ou rectification. par conséquent nous nous limitons à introduire dans ce qui suit le principe de la distillation, description d'unité et lefonctionnement des colonne de distillation et ses bilans globaux ainsi que la modélisation et le contrôle de fonctionnement .

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2. But de la distillation  Élimination d'un produit en cours de réaction chimique.  Isolement de plusieurs composés obtenus après réaction chimique.  Élimination d'un solvant.  Isolement d'un composé naturel.  Purification d'un composé.

3. Principe Le principe de fonctionnement d’une colonne de rectification consiste à déplacer à pression constante, les équilibres de phases à l’aide d’un gradient de température créé par une source froide (le condenseur ) qui génère un flux de liquide froid descendant dans la colonne et une source chaude (bouilleur ), générant un flux montant de vapeur chaude Pour assurer le transfert de chaleur et de matière, des éléments de contact sont placés à l’intérieur d’une virole. Ils sont constitués soit par des plateaux dont le principe de base est de mettre en contact le flux de vapeur montant vers la tête de la colonne et la phase liquide se trouvant à la surface de l’aire active du plateau, soit par des garnissages dispersant les deux phases et assurant une bonne surface d’échange. A chaque contact la vapeur s’enrichit en constituants légers et le liquide se concentre en produits lourds. Le bouilleur fonctionne à l’aide d’un fluide extérieur (vapeur, huile chaude). Le condenseur travaille dans des conditions différentes, selon que l’on cherche à obtenir une coupe légère, distillat sous forme liquide ou sous forme vapeur.

4. La distillation peut être classée en différentes catégories selon:  La composition du mélange : Les deux types de distillations sont 1) La distillation binaire : Le mélange est séparé en deux produits liquide seulement. 2) La distillation multi-composante : C'est une distillation commerciale où le mélange est séparé en plusieurs produits liquides, comme le raffinage du pétrole.

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 Le mode de traitement:La distillation peut être effectuée d'une manière continue ou discontinue, sous vide avec une colonne à plateaux ou à garnissage 1) Distillation continue: Le mélange liquide à traiter est introduit en permanence sur le plateau d'alimentation de la colonne. Le produit le plus volatil est extrait continuellement en tête de colonne (distillat) alors que le produit le moins volatil est éliminé sans interruption en pied de colonne (résidu). La plupart des distillations sont conduites en mode opératoire continu, adapté pour les forts tonnages des industries de la chimie lourde et pétrochimique. 2) Distillation discontinue ou (distillation batch) : Le mélange liquide à traiter est introduit dans le bouilleur de façon transitoire. Pendant la distillation, la composition du distillat peut varier et le distillat est souvent séparé en plusieurs fractions. L'opération discontinue présente l'avantage de pouvoir séparer plusieurs produits avec un appareillage relativement simple mais l'inconvénient d'être grosse consommatrice en temps et en énergie . Elle est utilisée pour les produits à forte valeur ajoutée dans l’industrie pharmaceutique, agroalimentaire, régénération de solvant. 3) Distillation sous vide: Certains produits sont trop peu volatils à pression ambiante ou se décomposent avant de s'évaporer du fait de leur haut point d'ébullition. Dans ce cas, la pression de l'installation est réduite à l'aide d'une pompe à vide afin de réduire le point d'ébullition.

5. Description de la colonne de distillation: La colonne de distillation est un appareil cylindrique vertical, se constituée de trois zones: 1) Zone d'alimentation ou flash:c'est la zone d'injection la charge chauffée. 2) Zone de rectification:elle assurant un contact intime entre une phase vapeur et un reflux liquide. Le nombre de plateaux dépend de la nature de la charge à traiter 3) Zone d'épuisement:dans cette zone s'accumule la partie la plus lourde

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Figure1 : Schéma d’une colonne de distillation

6. Unité de distillation elle comprend trois systèmes distincts : 6.1.Bouilleur : Un système de vaporisation partielle des fonds de colonnes de distillation afin d’engendrer la phase vapeur qui assurera le fractionnement dans la section d’épuisement. La quantité vaporisée s’appelle le taux de rebouillage. La plupart des rebouilleurs sont des appareils construits selon le même principe que les échangeurs à faisceau de tubes et à calandre. Dans certains cas spéciaux on pourra avoir des échangeurs à plaques soudées ou des échangeurs en graphite. On distingue ainsi deux grandes classes d’appareils:  Rebouilleurs à circulation naturelle: 

Kettle (rebouilleur à faisceau immergé)



Thermosiphon vertical



Thermosiphon horizontal



Rebouilleur interne de colonne

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 Rebouilleur à circulation forcée: 

Rebouilleur horizontal



Rebouilleur vertical 

Rebouilleur à film tombant

Il existe trois types de rebouilleurs différenciés par leur type de chauffe : 

Électrique.



Vapeur.



À récupération.

6.2.Condenseur: Un système de condensation en tête de colonne, on distingue le condenseur total et le condenseur partiel: a) Condenseur total : Toutes les vapeurs sont condensées en un liquide se séparant ensuite entre reflux et distillat (refroidi dans un échangeur avant stockage). Le distillat en liquide est facile à

transporter et à stocker. Un condenseur total n'est

plus un étage de séparation. b) Condenseur partiel : C’est un étage d'équilibre qui effectue une séparation. Seule une fraction des vapeurs condensées constitue le reflux, l’autre partie passe dans un condenseur réfrigérant est constitue le distillat. 6.3.Colonne de fractionnement: La colonne de fractionnement est la partie essentielle d’une unité de rectification. Son rôle est d’assurer le meilleur contact possible entre la vapeur montante et le liquide descendant, sans toutefois donner lieu à une différence de pression . Selon les conditions, la composition du mélange, le volume, la miscibilité du mélange et le nombre de constituants, on choisit un mode opératoire, continu ou discontinu, qui conditionne la technologie et qui doit être retenue . se compose de colonnes de fractionnement assurant un contact intime entre une phase vapeur et un reflux liquide. Ce contact peut s'effectuer par l'utilisation de colonnes à plateaux ou à garnissages.

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6.3.1.Colonne à plateaux : Les plateaux sont des chicanes horizontales en forme de plaques qui sont placées les unes sur les autres à des distances déterminées à l’intérieur de la colonne. sur chaque plateau se trouve une couche de liquide de hauteur limitée qui est traversée par la vapeur montante. La hauteur d’une colonne à plateaux dépend du nombre de plateaux et de l’espace entre les plateaux . On trouve dans l’industrie plusieurs types de plateaux -

Plateau à calottes.

-

Plateau perforé à déversoir

-

Plateau à clapets

- Plateau sans déversoirs -

Plateau à jet directionnel Figure2 : Colonne à plateaux

6.3.2.Colonne à garnissage : Le garnissage est une partie des utilisé en chimie et génie chimique qui permet d'augmenter la surface de contact entre la phase liquide et la phase gazeuse, améliorant ainsi les échanges entre les phases pour un volume de colonne donné. Le garnissage peut être de 2 types : a. Garnissage en vrac: est constitué d'un volume rempli de petits éléments possédant des formes particulières et adaptées aux conditions de distillation. ce type de garnissage est métallique, même si pour des questions de poids on trouve des anneaux en plastique ou en cas de gaz/liquide corrosif, en céramique. Figure3 : Colonne à garnissage

b. Garnissage structuré:Un garnissage structuré est une structure tridimensionnelle le plus souvent métallique et modulaire. Ce type de garnissage permet d'atteindre des surfaces relatives élevées de l'ordre

100-700 m2/m3 pour des porosités supérieures à 0,9.

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7. La différence entre les colonnes à plateaux et à garnissages: Le tableau ci-dessous présente une comparaison récapitulative entre les deux colonnes essentielles: Tableau 1 : Comparaison entre colonne à plateaux et à garnissages Type de colonne

A plateaux

A garnissages

Coût

Coût élevé

A moindre coût

Rétention

Élevé

Faible

Perte de charge

faible

élevé

Nombre d'étages

grand

petite

8. Types de distillation au laboratoire:on connaît 04 Types, qui sont 1) Distillation parfaite (TBP) (TrueBoiling Point) : C'est une distillation avec rectification, elle s'effectue dans une colonne à garnissage et fonctionne avec un Taux de reflux bien déterminé au sommet de la colonne. 2) Distillation ASTM (Américain society for Testing Materials): Sont utilisée pour fournir les spécifications distillatoires des produits pétroliers, plus précise que TBP est très longue (24heures). 3) Distillation progressive simple : Ce type on opère dans ballon, placé dans un bain chauffant de telle sorte que la température soit toujours la même en phase liquide lit et phase vapeur. 4) Distillation par la méthode de flash: Cette distillation est caractéristique de celle à l'échelle industriel. la charge chauffée à une température donnée dans un Four sous pression P entre dans la colonne où se divise en deux phases liquide et vapeur.

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Pilote de distillation

Photo1 : pilote de distillation dans laboratoire USTO, MB

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Schéma de l’installation

Figure4 : Schéma de l’installation de pilote

9. Définition de quelques appareils: 

La pompe:

Les pompes sont les chevaux de trait de l'industrie et sont utilisées dans de nombreuses applications différentes dans un large éventail d'industries. Les principaux types de pompes utilisées dans l'industrie chimique sont: Pompes centrifuges (Une pompe à vide) ; Pompes à déplacement positif ; Pompes à diaphragme , Pompes à turbine. 

La vanne :

Une vanne est un dispositif destiné à contrôler (stopper ou modifier) le débit d'un fluide liquide, gazeux, pulvérulent ou multiphasique, en milieu libre (canal) ou en milieu fermé (canalisation). Les types de vannes: 9

* La vanne de décharge: est une vanne destinée à éliminer un excédent d'eau. * La vanne de chasse : sert à vider complètement un réservoir. * La vanne de compensation: sert à ajuster la différence de pression entre deux compartiments, souvent de l'air sous pression et l'air extérieur. * La vanne de garde: est une vanne de sécurité destinée à isoler un dispositif normalement alimenté en fluide de sa conduite d'alimentation, pour l'entretien du dispositif ou en cas d'incident. * Les vannes d'amont et les vannes d'aval : permettent respectivement de remplir et de vider une écluse afin d'équilibrer le niveau d'eau. * La vanne police : est une vanne 1/4 de tour permettant la fermeture rapide des tuyauteries de petits et moyens diamètres. 

Capteur de température:

Au départ la température a un lien avec la sensation de chaud et de froid. Par ailleurs les premiers thermoscopes étaient gradués en très chaud, chaud, tempéré, froid, très froid. Mais très vite nous pouvons voir les limites de cette notion. 

Capteur de pression :

Par conséquent, un capteur de pression est un instrument composé à la fois d'un élément sensible à la pression pour déterminer la pression réelle appliquée au capteur et de certains composants pour convertir cette information en un signal de sortie. 

Le débit mètre

Est un appareil destiné à mesurer le débit d'un fluide, liquide ou gazeux. Il existe plusieurs types de débitmètre Selon le niveau du débit et la nature du fluide

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10.Approche de simulation : La simulation : est définie comme étant la représentation d'un phénomène physique à l'aide de modèles mathématiques simples permettant de décrire son comportement, autrement dit, la simulation permet de représenter les différents phénomènes : transfert de matière et de chaleur, se dans les différentes opérations unitaires par modèles thermodynamiques, qui traduisent leur comportement par l'intermédiaire de résolution des équations analytiques. Le modèle thermodynamique : est composé par une série d'équations développées dans l'objectif de décrire le comportement d'un système en évolution (opération unitaire : séparation de phases, fractionnement de composants, compression, détente, échange de chaleur ...etc,), ce sont des équations de conservation de masse, d'énergie et de quantités de mouvement, ces équations peuvent être algébrique ou différentielles. Le simulateur peut être utilisé lors de la conception d'un procédé industriel afin de : 

Etablir les bilans de matière et d'énergie



Dimensionner les équipements de ce procédé

Ou bien dans le suivi des procédés déjà existants afin de : 

Réajuster les paramètres de fonctionnement dans le cas de changement de composition

de l'alimentation ou les conditions de fonctionnement d'un certain équipement. 

Déterminer les performances des équipements.

-Les simulateurs existants tels que Aspen Plus, Chem CAD, HYSYS, PRO II sont les plus vendus et qui deviennent de plus en plus indispensables pour concevoir de nouvelles unités et pour optimiser les procédés industriels qui fonctionnent parfois loin de leur optimum. Cela dit, le simulateur HYSYS est le plus performant simulateur utilisé dans l'industrie pétrolière.

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11.Equilibres de phases : Comme toute autre opération unitaire du génie des procédés, la distillation est régit par les lois d’équilibres entre phases dont les plus percutentes sont les équilibres liquidevapeurs accompagnés le plus souvent des équilibres liquide-liquide-vapeurs 10.1. Equilibre Liquide-Vapeur : Recontrépresquetoutaulongdelacolonnedepuisl’alimentationjusqu’ausoutiragedesproduits,ceté quilibreestquantifiéparlesparamètressuivants:

10.2. Equilibre Liquide-Liquide-Vapeur : Rencontré souvent dans dans le ballon de reflux de la colonne à distiller, l’équilibre liquideliquide-vapeur se produit soit par les déviations de l’idéalité des tensions de vapeur des constituants du mélange ou par l’atteinte de la limite de solubilité des différents constituants [20]. Dans certains cas, il occassionne la présence des distillations hétéroazéotropiques dans l’industrie du raffinage du pétrole. Comme dans les équilibres liquide-liquide, le potentiel chimique pour un constituant donné peut s’écrire comme suit:

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12.Mise en œuvre de la colonne : 11.1. Fonctionnement des colonnes de distillation : a. Engorgement : La remontée de liquide dans les déversoirs est due à la somme de deux deltaP précédentes, traduites en hauteur de liquide. Au-delà d'une certaine deltaP, le niveau dans le déversoir atteint le plateau supérieur, qui ne peut plus se vider. Son épaisseur de liquide augmente, ce qui accroît encore la deltaP. On parle alors d'engorgement de la colonne. L'origine peut-être une perte de charge vapeur trop élevée (chauffe trop forte), une perte de charge liquide (débit liquide trop fort, hauteurs sous déversoirs trop faibles, dégâts internes sur la colonne), généralement les deux. b. Moussage : La mousse est produite par le barbotage de la vapeur dans le liquide. L’utilisation de colonne à garnissage minimise le moussage (contact vapeur-film liquide). c. Encrassement :Quand le système renferme des particules en suspension, l’utilisation de colonnes à plateaux est conseillée car si une colonne à garnissage est utilisée, on aura une accumulation de solides dans les espaces vides qui empêcheront le liquide de circuler librement. d. Milieu corrosif : Dans ce cas, il vaut mieux utiliser une colonne à garnissage (avec un remplissage en céramique) qu’une colonne à plateaux avec métal résistant à la corrosion (prix, fabrication, mise en œuvre). 11.2.Influence de reflux : a. Reflux total : A reflux total, comme dans la méthode de McCabe et Thiele en distillation binaire, le nombre de plateaux de colonne est minimal. La relation utilisée reliant ces deux grandeurs tout en tenant compte des fluctuations de volatilité le long de la colonne est celle de Winn décrite cidessous:

Avec : b. Reflux minimal :A reflux minimal, le nombre de plateaux est infini et cette condition de travail est improbable.La relation de Underwood estime le reflux minimal par l’expression suivante: 13

avec : 11.3.Plateaux :  Plateaux à courants croisés :Ce sont les plus répandus et ils se caractérisent par la présence d’un barrage et d’un déversoir. Permettant d’imposer une rétention liquide

Figure 5: Plateaux à courants croisés  Plateaux à contre-courant :Utilisés principalement en cas de fluide encrassant et/ou contenant du solide susc eteptible de se déposer. Il s’agit d’un plateau perforé, sans barrage ni déversoir dont le diamètre pouvant aller de 20 à 50 mm.

Figure 6: Plateaux à contre-courant 11.4. Grandeurs et corrélations intervenant dans le dimensionnement d’un plateau : a. Capacité : On recherche une capacité élevée pour la vapeur et ou pour le liquide suivant la demande. De même, on recherche la flexibilité et l’adaptation aux hautes et faibles fluctuations des charges liquide et vapeur b. Pertes de charge :Une perte de charge faible est nécessaire pour réduire le gradient de Température entre le sommet et le fond de la colonne (on chauffe moins en fond de 14

colonne).Une perte de charge élevée est généralement associée à un dimensionnement non économique. c. Efficacité :Une efficacité élevée est l’objectif premier de la performance du plateau. Plus le contact est meilleur sur un intervalle de capacité assez grand, plus l’efficacité sur cet intervalle sera élevée.

13.Le contrôle de fonctionnement d’une colonne: Pour surveiller une colonne de distillation fonctionnant en continu, ce rôle d'information revient aux appareils de mesure . Les principales variables à réguler sont : 1. Qualité du distillat et du résidu : sont les paramètres les plus importants dans une colonne de distillation. Elle doit être maintenue d’une manière constante dans la mesure du possible. Le contrôle d’une installation est effectué soit par des mesures en continu de propriétés physiques (masse volumique, viscosité, indice de réfraction, résistivité, pH), soit par des analyses discontinues, le plus souvent par chromo graphie en phase vapeur, toutes les 1 à 10 min. Si la qualité des produits résultante (attendue) ne respecte pas le cahier des charges demandé (produits hors normes) le problème devra être signalé et une réduction du débit d'alimentation peut être effectué, ou bien l’expédition de ce produit hors norme sera acheminé vers un autre réservoir de stockage. 2. Débits : La connaissance des débits d'alimentation et l’un des débits de soutirage permet établir le bilan massique de la colonne, mais il est préférable de les connaître tous. Les débits internes sont moins essentiels que les débits externes, mais leur connaissance permet de mieux cerner le fonctionnement de la colonne. 3. Niveaux: Le ballon de résidu et de reflux jouent le rôle d’accumulateur de liquide, afin de donner à l’unité une certaine flexibilité de fonctionnement dans l’hypothèse d’une défaillance possible du matériel (pompe, instrument, vanne, etc.) . Généralement munies de deux alarmes de niveau :

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- une alarme de niveau baspour éviter de faire caviter les pompes, - une alarme de niveau haut pour éviter de noyer les plateaux inférieurs de la colonne, le rebouilleur ou le condenseur. 4. Chauffage et refroidissement de la distillation : La connaissance du débit et de la pression de condensation permet de calculer le débit de chaleur en pied de colonne. Si l'on chauffe par un fluide thermique, il faut connaître son débit et ses températures d'entrée et de sortie. Une mesure de la chaleur échangée au niveau du condenseur (débit d'eau et de températures) permet de boucler le bilan thermique de la colonne si l'on connaît, en outre, les températures de l'alimentation, du résidu et du distillat. a). Chauffage en fond de colonne : Dans une colonne de distillation, la température la plus basse est celle du ballon de reflux, la plus haute est celle du rebouilleur ; elle croît de la tête vers le fond de la colonne. b). Refroidissement en tête de colonne : En fonctionnement normale, la température du sommet de la colonne est maintenue plus basse que la température du plateau d’alimentation. La température dans la section décroît donc en remontant de plateau à plateau à partir de l’entrée. Par conséquent, la vapeur arrivant sur chaque plateau se refroidit, se condense partiellement et donne une certaine quantité de liquide, riche en produit lourd, le plus facilement condensable. 5. Pression : La pression dans une colonne de distillation est un paramètre essentiel de son fonctionnement. Le choix de la pression de la colonne dépend de la température opérationnelle adoptée. La pression est d’autant plus élevée que la température est haute. a). Pression de marche :La pression en tête de colonne est un paramètre essentiel du fonctionnement de celle-ci. b). Pression différentielle de la colonne : C'est un paramètre simple à mesurer, qui permet d'apprécier le fonctionnement hydrodynamique de la

colonne. Une perte de charge trop

élevée annonce un engorgement ou un encrassement excessif de l'équipement interne. 16

6. Températures à différents niveaux: Les produits à séparer ont des températures d'ébullition différentes de plus de 5 °C, la connaissance du profil de température de la colonne permet d'apprécier le profil des compositions et

de juger le fonctionnement de la colonne.

14.Bilans globaux de la colonne : 1) Bilan par le modèle de transfert : a) Bilans matières :  Phase vapeur :Vi,j+1 - Vi,j + Fi,jv - Si,jv + Ni,jv = 0  Phase liquide :Li,j-1 - Li,j + Fi,jL- Si,jL + Ni,jL = 0  Interface :

Ni,jv = Ni,jL = Ni,j

b) Bilansenthalpiques :  Phase vapeur

 Phase liquide

2) Bilans par la méthode générale :

a) Bilans matières :  Colonne totale :

 Zone d’expansion :

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b) Bilansenthalpiques :

15.Exemple d’application dans l’industrie: On va prendre l’exemple de la distillation continue au niveau de complexe méthanol et résines synthétique (cp1/z) d’Arzew dans la section 600. Le méthanol brut est distillé à travers deux colonnes la 1ère colonne avec 48plateaux, pour l'élimination des produis légers(V601), et la 2ème avec 63 plateaux de type clapets pour l'élimination des produits lourds (V602). Le méthanol brut est pompé vers l'échangeur puis vers la 1ère colonne où les gaz résiduaires sont extraits, après l'élimination des gaz non condensable le produit de fond de V601 est acheminé vers la 2ème colonne(V602) ou toute trace d'eau va être enlevée pour obtenir un méthanol raffiné qui va être récupéré ou sommet de la colonne, ou la teneur en eau est inférieur à 0.15%.

Conclusion : De l’encre en quantité vautour a coulé dans les lignes et paragraphes précédant dans lesquels nous nous sommes intéressés à la conception et à la simulation d’une colonne de distillation à plàteau. La distillation fait partie des méthodes de purification ; elle est utilisée quand on dispose d'une solution : la solution résulte de la dissolution d'un solide (soluté) dans un solvant (le plus souvent l'eau) : dans ce cas on peut effectuer une distillation simple. la solution est un mélange de deux liquides dont les températures d'ébullition sont différentes : dans ce cas on effectue une distillation fractionné. Dans le cas de composés peu volatiles on réalise en général une distillation sous pression réduite, qui permet d'abaisser la température d'ébullition par rapport à une distillation à pression atmosphérique. 18