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RÉSUMÉ
La séparation par distillation des mélanges non idéaux, azéotropiques ou à faible volatilité relative est plus complexe à la fois dans son fonctionnement et dans sa conception que la distillation classique. Dans cet article, nous appliquerons les éléments théoriques et pratiques pour concevoir des unités de distillation pour la séparation des mélanges non idéaux, notamment les mélanges azéotropiques à température de bulle minimale (noté Tmin), les mélanges azéotropiques à température de bulle maximale (noté Tmax) et les mélanges à volatilité relative voisine. Si la distillation avec changement de pression est évoquée, l'article se concentre sur la distillation azéotropique ou extractive, qui nécessite d'ajouter un tiers corps/entraîneur E.
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Vincent GERBAUD : Ingénieur de génie chimique de l'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 Tecnologías y Ciencias Aplicadas (INSTEC), Cuba
INTRODUCTION
Dans ce dossier, on applique les éléments théoriques et pratiques pour concevoir des unités de distillation pour la séparation des mélanges non idéaux, notamment les mélanges azéotropiques à température de bulle minimale (noté T min), les mélanges azéotropiques à température de bulle maximale (noté T max) et les mélanges à volatilité relative voisine.
Ces concepts, présentés dans le précédent dossier « Distillation de mélanges non idéaux. Courbes de résidu et autres outils de conception » [J 2 611], sont les suivants :
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courbe de résidu, assimilable au profil de composition d'une colonne de distillation continue fonctionnant à reflux total, et indiquant le distillat possible en distillation discontinue ;
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relation entre la stabilité des points singuliers, corps purs et azéotropes, et leur température d'ébullition au sein d'une région de distillation ;
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propriétés des réseaux de courbes de résidu avec les frontières de distillation séparant les régions de distillation ;
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classification des réseaux de courbes de résidu ;
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courbe d'univolatilité identifiant les régions d'ordre de volatilité dans les diagrammes de composition et donc l'aptitude d'un corps pur à se retrouver en tête ou en pied de colonne ;
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courbe d'unidistribution associée à la forme et à la courbure des courbes de résidu.
Si la distillation avec changement de pression est évoquée, le dossier se concentre sur la distillation azéotropique ou extractive, qui nécessite d'ajouter un tiers corps/entraîneur E.
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1. Choix du procédé selon le type de mélange à séparer
La séparation par distillation des mélanges non idéaux, azéotropiques ou à faible volatilité relative est plus complexe à la fois dans son fonctionnement et dans sa conception que la distillation classique. La figure 1 présente les différents procédés envisageables pour séparer un mélange binaire A-B zéotropique, azéotropique ou à faible volatilité relative (critère α AB < 1,5, cf. dossier [J 2 611]) :
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a – distillation classique pour les mélanges idéaux (voir le dossier Transfert de matière : distillation compartimentée idéale [J 1 072]) ;
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b – distillation hétérogène avec un décanteur en tête lorsque le mélange A-B est hétéroazéotropique ;
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c – distillation avec balancement de pression lorsque la composition de l'azéotrope varie avec la pression ;
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d – distillation azéotropique homogène où un entraîneur E totalement miscible est ajouté dès le départ avec le mélange A-B à séparer. E forme un ou plusieurs homoazéotropes binaires ou ternaire avec A ou B. A ou B sont alors des nœuds stables ou instables du réseau de courbes de résidu A-B-E ;
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e – distillation azéotropique hétérogène où un entraîneur E partiellement miscible avec A ou B est ajouté dès le départ avec le mélange A-B à séparer. E forme alors un hétéroazéotrope binaire ou ternaire qui doit obligatoirement être un nœud instable dans le réseau de courbes de résidu A-B-E ;
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f – distillation extractive homogène où un entraîneur E totalement miscible est ajouté à la colonne à une autre position que l'alimentation de A-B, provoquant l'apparition d'une section extractive. E peut former un nouvel azéotrope binaire ou ternaire. A ou B sont des points de selle dans le réseau de courbes de résidu A-B-E ;
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g – distillation extractive...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - MODLA (G.), LANG (P.) - Feasibility of new pressure swing batch distillation methods. - Chem. Eng. Sci., 63(11), p. 2856-2874 (2008).
-
(2) - DOHERTY (M.F.), MALONE (M.F.) - Conceptual design of distillation systems. - McGraw Hill, New York (2001).
-
(3) - WIDAGDO (S.), SEIDER (W.D.) - Azeotropic distillation. - AIChE Journal, 42, p. 96-146 (1996).
-
(4) - 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).
-
(5) - PHAM (H.N.), DOHERTY (M.F.) - Design and synthesis of heterogeneous azeotropic distillations. III Column sequences. - Chem. Eng. Sci., 45(7), p. 1845-1854 (1990).
-
(6) - BERNOT (C.), DOHERTY (M.F.), MALONE (M.F.) - Feasibility and separation sequencing in multicomponent batch distillation. - Chem....
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Aspen Distillation Synthesis™ distribué par AspenTech http://www.aspentech.com/products/aspen-split.cfm
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Regsol®expert distribué par Prosim SA http://www.prosim.net
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