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RÉSUMÉ
Cet article présente les éléments théoriques et pratiques permettant de concevoir les unités de distillation extractive ou azéotropique pour la séparation des mélanges non idéaux. Mesurables ou calculables, les courbes de résidu décrivent l'évolution de la composition d'un liquide en évaporation au cours du temps. Elles sont assimilables au profil de composition d'une colonne de distillation continue fonctionnant à reflux total. Les corps purs et les azéotropes sont les points singuliers des diagrammes et leur stabilité est liée à leur température d'ébullition au sein d'une région de distillation délimitée par les frontières de distillation, permettant ainsi de concevoir rapidement des unités de distillation.Les courbes d'univolatilité déterminent les régions d'ordre de volatilité dans les diagrammes de composition et donc les composés les plus volatils pouvant être distillés. Enfin, les courbes d'unidistribution permettent de croquer rapidement les courbes de résidu.
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Vincent GERBAUD : Ingénieur de génie chimique de l'École nationale supérieure d'ingénieurs de génie chimique ENSIGC - Docteur en Génie des procédés de l'INPT - Chargé de recherche CNRS Laboratoire de Génie chimique, Toulouse
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Ivonne RODRIGUEZ-DONIS : Ingénieur de génie chimique de la faculté de la Havane, Cuba - Docteur en Génie des procédés de l'INPT - Chercheur à l'Instituto Superior de Tecnologias y Ciencias Aplicadas (INSTEC), Cuba
INTRODUCTION
L'objet de ce dossier est de présenter les éléments théoriques et pratiques permettant de concevoir les unités de distillation pour la séparation des mélanges non idéaux.
D'une façon générale, on distingue trois grandes classes de problèmes de séparation d'un mélange A-B par distillation :
-
1. la distillation des mélanges idéaux (cf. encadré) ;
-
2. la distillation azéotropique, qui suppose l'ajout d'un tiers corps E, appelé entraîneur, avec la charge à distiller ;
-
3. la distillation extractive, qui suppose aussi l'ajout d'un entraîneur E mais celui-ci est alimenté en continu pendant certaines étapes du procédé.
Le plus souvent, un mélange à distiller de deux corps A-B se comporte de façon non idéale, parce qu'il peut former un azéotrope ou bien avoir une volatilité relative proche de l'unité. Or, il est impossible de séparer un mélange azéotropique dans une colonne à distiller fonctionnant de façon classique car, l'azéotrope se comportant comme un corps pur, il est obtenu selon sa température d'ébullition en tête ou en pied de la colonne, à la place des corps purs du mélange, A ou B. Pour remédier à cela, on peut ajouter un tiers corps (appelé solvant ou entraîneur, noté E) qui a une affinité plus prononcée pour l'un des constituants du mélange azéotropique que pour l'autre, de façon à « entraîner/extraire » le premier avec lui.
Comme l'indique le dossier [J 1 072] Transfert de matière. Distillation compartimentée idéale, la question principale de la distillation azéotropique ou extractive est le choix du tiers corps. Ce dossier [J 2 611] et le suivant [J 2 612] fournissent les éléments théoriques et pratiques pour répondre à cette question. Les outils théoriques pour la conception d'unités de distillation azéotropique et extractive concernent essentiellement l'analyse des propriétés thermodynamiques des mélanges, particulièrement les courbes de résidu, d'univolatilité et d'unidistribution. Dans les diagrammes ternaires, en particulier A-B-E, elle peut en plus être faite graphiquement.
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Diagrammes ternaires des réseaux de courbes de résiduArticle inclus dans l'offre
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3. Heuristiques pour la prédiction de la non-idéalité d'un mélange
3.1 Prédiction d'une déviation de la loi de Raoult
Prédire les déviations de la loi de Raoult reste approximatif mais possible à partir de l'aptitude à former des interactions entre composants de différentes familles chimiques (constituants donneurs ou accepteurs, hydrogènes actifs ou non) et de l'écart de température du bulle entre les composants purs.
Le lecteur pourra se référer au Perry's Chemical Engineer's handbook , pour plus d'information sur ce sujet. Il faut retenir :
-
une différence de température de bulle supérieure à 50 oC augure presque toujours de l'absence d'azéotrope ;
-
les interactions de type liaisons hydrogènes sont souvent responsables d'azéotropes ;
-
les azéotropes à température de bulle minimale sont 9 fois plus fréquents que ceux à température de bulle maximale.
3.2 Prédiction des azéotropes
L'observation des diagrammes d'équilibre y (x ) montre que le simple calcul de la constante d'équilibre KA au voisinage des corps purs A (xA → 1) et B (xA → 0 donc xB → 1) permet de prédire l'existence ou non d'un azéotrope.
Supposant que A est plus volatil que B :
-
si
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - DOHERTY (M.F.), MALONE (M.F.) - Conceptual design of distillation systems. - McGraw Hill, New York (2001).
-
(2) - STICHLMAIR (J.G.), FAIR (J.R.) - Distillation. Principles and practice. - Wiley-VCH, New York (1998).
-
(3) - KIVA (V.N.), HILMEN (E.K.), SKOGESTAD (S.) - Azeotropic phase equilibrium diagrams : a survey. - Chem. Eng. Sci., 58, p. 1903-1953 (2003).
-
(4) - HILMEN (E.K.), KIVA (V.N.), SKOGESTAD (S.) - Topology of ternary VLE diagrams : elementary cells. - AIChE Journal, 48(4), p. 752-759 (2002).
-
(5) - FIEN (G.-J.A.F.), LIU (Y.A.) - Heuristic synthesis and shortcut design of separation processes using residue curve maps : a review. - Ind. Eng. Chem. Res., 33, p. 2505-2522 (1994).
-
(6) - GMEHLING (J.), MENKE (J.), KRAFCZYK (J.), FISCHER (K.) - Azeotropic data, Parts I and II. - VCH-Publishers,...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Aspen Distillation Synthesis™ distribué par AspenTech http://www.aspentech.com/products/aspen-split.cfm
ResiduCurve® distribué par Prosim SA http://www.prosim.net
ProSimTernaryDiagram® http://www.prosim.net
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