Présentation

Article

1 - REPRÉSENTATION DES ÉQUILIBRES BINAIRES

2 - PRÉVISION DES ÉQUILIBRES LIQUIDE-VAPEUR

  • 2.1 - Gaz parfaits et solutions idéales
  • 2.2 - Gaz parfaits et solutions non idéales
  • 2.3 - Phases liquide et vapeur non idéales

3 - HYPOTHÈSES PARTICULIÈRES À LA DISTILLATION

4 - DISTILLATION SIMPLE

5 - RECTIFICATION DE MÉLANGES BINAIRES QUELCONQUES

6 - CALCUL DES EXTRÉMITÉS DE COLONNE

7 - ENTRAÎNEMENT À LA VAPEUR

8 - RECTIFICATION À FLUX MOLAIRES CONSTANTS

9 - RECTIFICATIONS EXTRACTIVE, AZÉOTROPIQUE ET RÉACTIVE

10 - OPÉRATIONS LIQUIDE-VAPEUR MULTICOMPOSANTS

11 - PERTINENCE DU MODÈLE DE L’ÉTAGE IDÉAL ET APPLICATION

Article de référence | Réf : J1072 v1

Rectification à flux molaires constants
Transfert de matière - Distillation compartimentée idéale

Auteur(s) : Jean-Paul MOULIN, Dominique PAREAU, Mohamed RAKIB, Moncef STAMBOULI, Arsène ISAMBERT

Date de publication : 10 mars 2001

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Auteur(s)

  • Jean-Paul MOULIN : Ingénieur de l’École Centrale Paris - Docteur ès sciences - Professeur de génie chimique à l’École Centrale Paris

  • Dominique PAREAU : Ingénieur de l’École Centrale Paris - Docteur ès sciences Professeur à l’École Centrale Paris

  • Mohamed RAKIB : Ingénieur de l’École Centrale Paris - Docteur ès sciences Chef de travaux à l’École Centrale Paris

  • Moncef STAMBOULI : Ingénieur de l’École Centrale Paris - Docteur ès sciences Chef de travaux à l’École Centrale Paris

  • Arsène ISAMBERT : Ingénieur de l’École Centrale Paris - Docteur-ingénieur - Professeur à l’École Centrale Paris

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INTRODUCTION

Cet article présente l’une des opérations unitaires les plus anciennes, la distillation, dont l’utilisation est très large dans l’industrie : pétrole en premier lieu, mais aussi chimie, pharmacie, agroalimentaire...

Elle est abordée en tant qu’opération compartimentée, comportant soit un seul étage (distillation simple), soit plusieurs étages ; la circulation des deux phases liquide et vapeur se fait alors à contre-courant (rectification).

Le fonctionnement réel des étages est très complexe. On l’approche cependant avec une précision acceptable par le modèle de l’étage théorique ou idéal.

Un étage idéal assure deux fonctions essentielles :

  • les phases effluentes sont en équilibre thermodynamique ;

  • la séparation physique (désengagement) des deux phases effluentes est parfaite : il n’y a pas d’entraînement mécanique d’une phase dans l’autre.

Cette définition dépasse le cadre de la distillation et peut s’appliquer aux autres opérations unitaires que nous abordons dans les articles suivants (extraction liquide-liquide, gaz-liquide, etc.). Toutefois, dans le cas particulier de la distillation, où transferts de matière et de chaleur sont concomitants, on suppose de plus que l’étage est adiabatique et isobare. Bien qu’elles apportent de grandes simplifications, ces deux hypothèses ne sont pas indispensables. L’intérêt fondamental de ce modèle est de donner la possibilité de dimensionner un appareil sans avoir recours ni à des données cinétiques (équilibre thermodynamique atteint), ni à des données relatives aux écoulements : l’absence d’entraînement ainsi que de transport de matière entre les étages permet de donner aux relations de bilan interétage (relations opératoires) une forme particulièrement simple.

Ses inconvénients sont liés aux hypothèses ; on détermine un nombre d’étages idéaux mais, de par la nature du modèle, on ne peut donner aucune indication sur les points suivants :

  • relation entre le nombre d’étages théoriques et le nombre d’étages réels ;

  • dimensionnement des étages réels.

Ces points ne peuvent être précisés qu’en recourant soit aux règles de l’art (l’expérience), soit à des modèles moins simples (cas des opérations compartimentées non idéales Transfert de matière- Autres opérations compartimentées). Toutefois, appuyé sur l’extrapolation raisonnée des installations existantes, ce modèle permet une estimation souvent précise du dimensionnement des appareils à compartiments séparés. Il est universellement employé pour les études d’avant-projet.

Deux types de problèmes peuvent être traités avec le modèle de l’étage idéal : le dimensionnement d’une installation neuve et l’adaptation d’une installation existante. La présentation de la distillation est ici faite en adoptant le premier point de vue.

La recherche des solutions repose systématiquement sur des méthodes graphiques : la compréhension en est facilitée et la transposition de ces méthodes itératives au calcul automatique est aisée. La méthode de Ponchon-Savarit, la plus générale, est présentée systématiquement. La méthode de MacCabe et Thiele est introduite dans les cas particuliers où elle apporte une réelle simplification (cas des flux molaires constants des deux phases).

Ces considérations, développées ici dans le cadre de la distillation, restent valables pour les autres opérations unitaires décrites dans les articles suivants.

 

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-j1072


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8. Rectification à flux molaires constants

8.1 Loi de Trouton

Sur un étage quelconque, trois types d’échange de chaleur se produisent :

  • échange de chaleur sensible, dû aux variations de température entre deux étages ;

  • échange de chaleur latente, dû à la vaporisation d’une certaine quantité de corps A et à la condensation d’une certaine quantité de corps B ;

  • échange de chaleur de mélange : mélange de A vaporisé avec la phase vapeur et mélange de B condensé avec la phase liquide.

Dans la majorité des cas, les chaleurs sensibles et de mélange sont négligeables devant les chaleurs latentes. Le bilan thermique de l’étage (supposé adiabatique) montre alors que la quantité de chaleur fournie par la condensation de B est égale à celle dépensée pour la vaporisation de A.

Si les enthalpies de vaporisation molaires λA et λB de A et B sont égales, le nombre de moles de A vaporisées est égal au nombre de moles de B condensées. Cela est réalisé en particulier pour les mélanges qui obéissent à la loi de Trouton :

avec TA et TB températures d’ébullition de A et B à la pression considérée.

Les débits de vapeur Vi et de liquide Ri restent donc constants à l’intérieur d’un même tronçon. Les relations opératoires Yi = f (Xi+1) sont des droites sur le diagramme de distribution. L’intérêt de ce cas particulier apparaît alors de façon évidente.

HAUT DE PAGE

8.2 Relations opératoires

Nous traiterons le cas d’une alimentation sous forme d’un liquide saturé. Si elle est introduite sur le plateau adéquat k (figure 10), sa température est comprise entre Tk+1 et Tk (peu différentes l’une de l’autre) :...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - MacCABE (W.L.), SMITH (J.C.) -   Unit operations of chemical engineering  -  . 1993 (5e ed.) MacGraw-Hill.

  • (2) - PERRY (J.H.) -   Chemical Engineer’s Handbook  -  . 1998 (7e ed) MacGraw-Hill.

  • (3) - HENLEY (E.J.), SEADER (J.D.) -   Equilibrium stage separation operations in chemical engineering  -  . 1981 John Wiley and Sons.

  • (4) - HOLLAND (C.D.) -   Fundamentals of multicomponent distillation  -  . 1996 MacGraw-Hill.

  • (5) - STICHLMAIR (J.), FAIR (J.) -   Distillation principles and practice  -  . 1998.

  • (6) - KALITVENTZEFF (B.), HEYDEN (G.), KAMP (J.M.) -   Sensibilité des résultats de simulation à la qualité de représentation des propriétés physiques  -  . Récents Progrès en Génie des Procédés, 32, vol. 8, 1994 Technique et Documentation –...

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