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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 :
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1. la distillation des mélanges idéaux (cf. encadré) ;
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2. la distillation azéotropique, qui suppose l'ajout d'un tiers corps E, appelé entraîneur, avec la charge à distiller ;
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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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4. Diagrammes ternaires des réseaux de courbes de résidu
L'analyse des diagrammes ternaires de courbes de résidu est au cœur des outils de conception des unités de distillation azéotropique ou extractive des mélanges non idéaux. L'ajout du tiers corps E au mélange A-B permet de tracer les diagrammes ternaires A-B-E, facilement analysables graphiquement.
4.1 Représentation des équilibres liquide-vapeur ternaires
La représentation tridimensionnelle des surfaces de bulle [Tb,p (x )] et de rosée [Td,p (y )] comme indiquée sur la figure 10 a est la plus complète mais est difficile à exploiter. De son côté, le projeté des vecteurs d'équilibres (y ′, x ′ ) à température constante T' dans le triangle des compositions reste peu lisible (figure 10 b ). C'est pourquoi, il est préférable d'analyser des isolignes, telles que les isothermes, les courbes d'univolatilité ou d'unidistribution, conjointement avec l'analyse des courbes de résidu qui représentent l'évolution de la composition du liquide en évaporation simple (figure 1). D'ailleurs, comme nous le verrons, la perte de l'information sur la température dans les diagrammes de composition tels que la figure 3 ou la figure 10 b est compensée par le calcul de la stabilité des points singuliers des courbes de résidu.
La société Prosim distribue gratuitement ProSimTernaryDiagram, un outil de représentation des diagrammes ternaires plans, équilatéral ou rectangle.
Par convenance, nous plaçons le constituant léger (température d'ébullition la plus basse des trois corps purs) à droite en bas, le constituant intermédiaire (température d'ébullition intermédiaire) en haut, le constituant lourd (température d'ébullition la plus haute des trois corps purs) en bas à gauche.
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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,...
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ANNEXES
Aspen Distillation Synthesis™ distribué par AspenTech http://www.aspentech.com/products/aspen-split.cfm
ResiduCurve® distribué par Prosim SA http://www.prosim.net
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