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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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Distillation azéotropique
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3. Distillation avec changement de pression
Si la composition de l'azéotrope Az AB ou bien la volatilité relative α AB varie avec la pression, un procédé de distillation classique peut être utilisé, n'introduisant aucun entraîneur, qui n'est donc ni à vaporiser, ni à récupérer.
Généralement, la composition du composant léger A dans le mélange azéotropique augmente lorsque la pression diminue, éventuellement jusqu'à disparition de l'azéotrope.
Ainsi, pour l'homoazéotrope T max eau (100 oC) – acide formique (100,8 oC),
x eau = 0,42 à 1 atm (760 mmHg) (T azeo = 107,3 oC),
x eau = 0,50 à 0,26 atm (200 mmHg) (T azeo = 71,3 oC),
x eau = 0,58 à 0,13 atm (100 mmHg) (T azeo = 55,7 oC).
Pour eau-éthanol, l'azéotrope disparaît au-dessous de 0,07 atm.
Dans le procédé de distillation par balancement de pression (pressure-swing), deux colonnes à des pressions différentes, alimentées chacune avec la composition azéotropique à la pression de l'autre colonne permettent d'obtenir un constituant pur dans chaque colonne. Pour le cas T max , les azéotropes, moins volatils, sont obtenus en pied et les corps purs en tête (figure 2 a ). L'inverse se produit pour le cas T min .
Si l'azéotrope disparaît (figure 2 b ), une colonne de distillation classique suffit.
En distillation discontinue, Modla et Lang ont proposé en 2008 un appareil à double colonne permettant de réaliser le balancement de pression et explicité les conditions de faisabilité du procédé.
La température d'ébullition du constituant obtenu en tête, corps pur (cas T max ) ou azéotrope (cas T min )...
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Distillation avec changement de pression
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
BatchColumn® distribué par Prosim SA http://www.prosim.net
Regsol®expert distribué par Prosim SA http://www.prosim.net
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