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Pour toute question : Service Relation Clientèle • Éditions Techniques de l’Ing

Pour toute question : Service Relation Clientèle • Éditions Techniques de l’Ingénieur • 249, rue de Crimée 75019 Paris – France par mail : infos.clients@teching.com ou au téléphone : 00 33 (0)1 53 35 20 20 DOSSIER Techniques de l’Ingénieur l’expertise technique et scientifique de référence Par : Ce dossier fait partie de la base documentaire dans le thème et dans l’univers Document délivré le Pour le compte Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Editions T.I. j2611 Distillation de mélanges non idéaux - Courbes de résidu et autres outils de conception 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 Vincent GERBAUD Ingénieur de génie chimique de l'École nationale supérieure d'ingénieurs de génie chimique ENSIGC, Chargé de recherche CNRS Laboratoire de Génie chimique, Toulouse, Docteur en Génie des procédés de l'INPT Opérations unitaires - Distillation absorption Opérations unitaires. Génie de la réaction chimique Procédés chimie - bio - agro 04/07/2012 7200038556 - universite de la reunion sce commum documentation // 195.220.151.50 Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. – © Editions T.I. J 2 611 – 1 J 2 611 9 - 2010 Distillation de mélanges non idéaux Courbes de résidu et autres outils de conception par 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 et 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 ’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. 1. Outils de conception pour la distillation........................................... J 2 611 - 2 1.1 Distillation simple et courbes de résidu..................................................... — 2 1.2 Constante d’équilibre liquide-vapeur et courbe d’unidistribution........... — 4 1.3 Volatilité relative et courbe d’univolatilité ................................................. — 5 2. Mélanges binaires idéaux et non idéaux ........................................... — 6 2.1 Mélange binaire idéal .................................................................................. — 6 2.2 Mélange binaire non idéal........................................................................... — 7 3. Heuristiques pour la prédiction de la non-idéalité d’un mélange ............................................................................................. — 9 3.1 Prédiction d’une déviation de la loi de Raoult........................................... — 9 3.2 Prédiction des azéotropes ........................................................................... — 9 3.3 Prédiction des mélanges à faible volatilité relative................................... — 9 4. Diagrammes ternaires des réseaux de courbes de résidu ............ — 10 4.1 Représentation des équilibres liquide-vapeur ternaires........................... — 10 4.2 Propriétés topologiques essentielles des réseaux de courbes de résidu — 10 4.3 Classification des réseaux de courbes de résidu ...................................... — 11 4.4 Détermination de la structure des réseaux de courbes de résidu ........... — 14 4.5 Réseau de courbes de résidu hétérogène.................................................. — 18 5. Conclusion.................................................................................................. — 19 Pour en savoir plus ........................................................................................... Doc. J 2 611 L Ce document a été délivré pour le compte de 7200038556 - universite de la reunion sce commum documentation // 195.220.151.50 Ce document a été délivré pour le compte de 7200038556 - universite de la reunion sce commum documentation // 195.220.151.50 Ce document a été délivré pour le compte de 7200038556 - universite de la reunion sce commum documentation // 195.220.151.50 tiwekacontentpdf_j2611 Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie J 2 611 − 2 est strictement interdite. − © Editions T .I. DISTILLATION DE MÉLANGES NON IDÉAUX ______________________________________________________________________________________________ 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 vola- tilité 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 tempé- rature 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 ques- tion. 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 particu- lier A-B-E, elle peut en plus être faite graphiquement. 1. Outils de conception pour la distillation 1.1 Distillation simple et courbes de résidu 1.1.1 Définition La distillation simple dite « de Rayleigh » (évaporation simple) illustre bien le principe de la distillation (figure 1) : un mélange liquide de vecteur de fraction molaire x et de rétention molaire U est placé dans un récipient et est porté à ébullition par l’apport d’une source de chaleur externe Q. Quand le liquide atteint sa tem- pérature d’ébullition, un débit de vapeur V supposé constant s’éva- pore. Par ailleurs, la température de la vapeur ou du liquide peut être mesurée à l’aide d’un thermomètre. À tout instant, la fraction molaire y de la vapeur sortante est en équilibre thermodynamique avec la composition x du mélange liquide retenu dans le bouilleur. L’application d’un bilan matière global et partiel sur le bouilleur permet de déduire l’équation d’une courbe de résidu : (1) Notations et symboles Symbole Unité Désignation T oC Température P atm Pression x – Fraction molaire dans un flux liquide y – Fraction molaire dans un flux vapeur U mol Rétention liquide V mol · s–1 Débit de vapeur Q J · mol · s–1 Quantité de chaleur t s Temps K – Constante d’équilibre liquide-vapeur α – Volatilité relative i – Indice de 1 à n constituants du mélange Distillation des mélanges idéaux La distillation des mélanges idéaux est présentée dans le dossier Transfert de matière. Distillation compartimentée idéale [J 1 072], notamment les méthodes graphiques de McCabe Thiele et Ponchot Savary. Par ailleurs, le lecteur trou- vera les principes généraux de la distillation exposés dans le dossier [J 2 610], tandis que l’appareil spécifique de ces unités de distillation, la colonne de fractionnement, continue ou dis- continue, est traité dans les articles [J 2 622], [J 2 623] et [J 2 626]. Enfin, le dossier [J 2 615] Distillation. Absorption. Contrôle et régulation expose les principes de base de la régu- lation des colonnes. La différence de température d’ébullition, ou bien celle des pressions de vapeur saturante des corps purs, est un bon indi- cateur de la facilité de la séparation des mélanges idéaux. À l’exception de l’eau, le tableau 1 montre que la température normale d’ébullition des composés chimiques est assez bien corrélée avec leur masse molaire pour une même famille chi- mique. Par exemple, pour les alcools primaires, les composés légers sont volatils et ont des températures d’ébullition basses. On les trouve en tête de colonne et dans le distillat. L’inverse est vrai pour les constituants lourds que l’on trouve en pied de colonne. Cependant, la classification selon la température d’ébullition ne permet pas de déterminer avec certitude l’ordre de sortie des produits dans les bacs de distillat sauf pour les mélanges zéotropiques (sans azéotrope), trop rares, qui se comportent de façon quasi idéale. La relation qui décrit l’évolution de la composition x d’un liquide en évaporation au cours du temps est l’équation dite d’une courbe de résidu [1]. d d 1... Courbe de résidu x x y i i i τ = − = ( ) i n Ce document a été délivré pour le compte de 7200038556 - universite de la reunion sce commum documentation // 195.220.151.50 Ce document a été délivré pour le compte de 7200038556 - universite de la reunion sce commum documentation // 195.220.151.50 Ce document a été délivré pour le compte de 7200038556 - universite de la reunion sce commum documentation // 195.220.151.50 tiwekacontentpdf_j2611 Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. – © Editions T.I. J 2 611 – 3 ______________________________________________________________________________________________ DISTILLATION DE MÉLANGES NON IDÉAUX avec τ temps adimensionnel, produit du uploads/s1/ distillation-de-melanges-non-ideaux-courbes-de-residu-et-autres-outils-de-conception.pdf