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Distillation-Extraction Chap 1 - 1
Chapitre 1 Distillation:
Introduction et rappel sur les équilibres liquide-vapeur
Distillation: technique de séparation des constituants d'un mélange liquide.
Principe: en général, la vapeur en équilibre avec un liquide qui lui a donné naissance, est plus riche en composé le plus volatil.
Il sera d'autant plus facile de séparer les composés d'un mélange que leurs volatilités sont différentes .
Distillation-Extraction Chap 1 - 2
Procédé très ancien ….Alambic pour fabriquer des parfums, des
médicaments, des eaux de vie (… alcool)
cucurbite
whisky
Figure 1.2 : La distillation dans une raffinerie Hydrocarbon processing May 2008 p 93-94
Distillation-Extraction Chap 1 - 3
Figure 1.2 : La distillation dans une raffinerie Hydrocarbon processing May 2008 p 93-94
Distillation-Extraction Chap 1 - 4
La colonne à distiller: contre-courant G/L
Liquide
Vapeur
1.2 Volatilité
ii
i
yK
x
• Pour tout composé, i, d’un mélange, l’Équilibre Liquide-Vapeur (ELV) est caractérisé par la volatilité absolue Ki:
Fraction molaire de i dans la vapeur
Fraction molaire de i dans le liquide
•Pour deux composés i et j, on définit la volatilité relative:
•La séparation entre i et j est d'autant plus difficile que est voisin de 1.
iij
j
K
K
• La détermination des valeurs des Ki, peut se faire soit expérimentalement soit analytiquement en utilisant les modèles thermodynamiques appropriés.
•Lorsque Ki=1, la distillation ne permet aucun enrichissement par rapport au composé i
Distillation-Extraction Chap 1 - 5
Diagramme de DePriester
1.3 Équilibres Liquide-Vapeur (ELV) (rappel cours thermos)
1.3.1 Équation rigoureuse: À l’équilibre, l’égalité des potentiels chimiques d’un composé i dans les phases liquide et vapeur conduit à l’égalité des fugacités de ce même composé dans les deux phases :
, , , ,L Vi i i if T P x f T P y
, , , , ,oLi i i i i i ix T P x f T p y T P x P
, , '
, '
, ,
i i
oLi
i i
T P x coefficient d activité de i en solution
f T p fugacité de i en phase liquide dans l état de référence
T P y coefficient de fugacité dei dans lemélange gazeux
Distillation-Extraction Chap 1 - 6
ELV(suite)
, , ,
, ,
oL oLi i ii i i
ii i i i
T P x f T py fK
x T P x P P
L sati i
i
V P P
oL sat sat RTi if P e
L sati i
i
V P P
sat sat RTi ii
ii i
P eyK
x P
, , , , ,oLi i i i i i ix T P x f T p y T P x P
1.3.2 Cas d'une solution réelle et d'un mélange de gaz idéaux (coeff. fugacité =1)
L sati i
i
V P P
sat RTii
ii
P eyK
x P
De plus, pour des pressions basses à modérées, le terme exponentiel, le facteur de Poynting, est voisin de 1 et la volatilité s’exprime simplement par:
i
satii
ii
PyK
x P
1.3.3 Cas d'une solution idéale et d'un mélange de gaz idéaux
i
sat
ii
i
PyK
x P
L sati i
i
V P P
sat sat RTi ii
ii i
P eyK
x P
Distillation-Extraction Chap 1 - 7
1.3.3 Cas d'une solution idéale et d'un mélange de gaz idéaux (suite)
i
sat
ii
i
PyK
x P
Loi de Raoult:sat
i i ip x P
Loi de Dalton: i ip y P
1.4 Étage (ou plateau) théorique
L V
L VL'étage théorique correspond à une situation idéale pour laquelle:
les temps de contact entre les phases liquide et vapeur sont suffisamment longs
il n'y a pas de limitation au transfert de matière
Les courants qui quittent l’étage sont à l’équilibre.
Distillation-Extraction Chap 1 - 8
1.5 ELV des systèmes binaire (x ou y composé le plus volatil)
T vs x ou y
Courbe y vs x
Distillation-Extraction Chap 1 - 9
1.5.1 Règle des bras de levier inverses:
Bilans matières partiel et total
F L V
z F x L y V
L F V
z F x F V y V
F z x V y x
z xV AC
F y x AB
V
L
1.5.1 Règle des bras de levier (suite)
V
L
F L V V F L
z F x L y V
z F x L y F L
F z y L x y
z yL CB
F x y AB
/V AC L CB
F AB F AB
V AC
L CB
Distillation-Extraction Chap 1 - 10
1.5.2 Construction d’un diagramme y vs x
Considérons un mélange binaire de deux composants I et J dont les volatilités absolues sont respectivement KI et KJ .Si on appelle , , la volatilité relative, on a donc :
I
I I
JJ
J
yK x
yKx
1 1 1I I I I I I I Iy x x y y x x x
1
1I I
I I
y y
x x
1 1I
II
xy
x
si constant, alors on peut tracer y vs x
11
I
I
I
I
yx
yx
1.5.3 Construction d’un diagramme T vs x-y avec PSAT
Loi de Raoult:sat sat
I I I J J Jp x P p x P
I I J Jp y P p y P
satsatJ JI I
I J
P xP xy y
P P
Loi de Dalton:
1 1I J I J I Jp p P x x y y
satJ J
J
P xy
P 1
satJ J
I
P xy
P
Considérons un mélange binaire i-j sous P constante: gaz parfait et solution idéale, et les expressions des pressions de saturation sont connues.
1satsat
J JI I P xP x
P P
Distillation-Extraction Chap 1 - 11
satJ
I sat satI J
P Px
P P
satI I
I
P xy
P
Et on avait:
Après avoir identifié le domaine pertinent de températures pour le binaire I-J, on choisit différentes valeurs de la température dans cet intervalle et pour chaque température, on calcule les pressions de saturation de I et J puis les valeurs de xi et yi
1sat sat sat satI I J J I I J I
sat sat satJ I I J
P P x P x P P x P x
P P x P P
Distillation-Extraction Chap 1 - 12
1.5.4 Azéotropes
à point d'ébullition minimum
1.5.4 Azéotropes (suite)
à point d'ébullition maximum
Distillation-Extraction Chap 1 - 13
1.5.4 (suite)
Système hétérogène non azéotropique deux phases liquides immiscibles
1.5.4 Azéotropes (suite)
Système hétérogène azéotropique
Distillation-Extraction Chap 1 - 14
La formation d'azéotrope peut parfois être mis à profit comme dans la distillation azéotropique qui consiste à ajouter un troisième composé à un mélange binaire favorisant ainsi la séparation des 2 composés du binaire. C'est le cas du procédé Keyes pour la production d'éthanol pur, qu'il n'est pas possible d'obtenir par simple distillation des mélanges aqueux puisqu'il existe un azéotrope éthanol-eau à 95%. Par contre l'ajout de benzène au mélange éthanol-eau conduit à la formation d'un azéotrope ternaire hétérogène (deux phases liquide non miscibles, aqueuse et organique) permettant ainsi d'obtenir l'éthanol pur.
Distillation-Extraction Chap 1 - 15
1.6 Guide de sélection des modèles thermodynamiques
Reference: Separation Process Engineering2 ed. P. Wankat (2007) Prentice Hall p 33
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