Principes de la distillation

La distillation est un moyen très courant de séparation de liquides basé sur la différence de volatilité de ses composants.

Volatilité des liquides

Tout liquide se met en équilibre avec sa vapeur. La pression partielle de cette vapeur dans l'atmosphère environnante est appelée tension de vapeur du liquide. La tension de vapeur d'un liquide dépend de sa température. Plus sa température est élevée, plus importante sera sa tension de vapeur. Lorsque la température est telle que la tension de vapeur est égale à la pression totale environnant le liquide, le liquide est à son point d'ébullition.
Les liquides les plus volatils ont:
 - les tensions de vapeur les plus élevées à même température,
 - ou les températures d'ébullition les plus faibles à même pression.
Il est courant de désigner les composants les plus volatils comme légers, et les composants les moins volatils comme lourds.
Les mélanges de liquides sont en équilibre avec un mélange de vapeurs. La composition de la vapeur dépend de la nature des composants et de la composition du liquide. En règle générale la vapeur est plus riche que le liquide en composant plus volatil. C'est pourquoi une succession de vaporisations et de condensation va permettre d'enrichir progressivement les vapeurs en composant le plus volatil; c'est le principe de la distillation.
L'enrichissement de la vapeur en composant le plus volatil est d'autant plus rapide que la différence de volatilité est grande entre les composants. On désigne par volatilité relative le rapport des tensions de vapeur de deux composants à une même température. Il est également courant de quantifier la difficulté de séparation de deux composants par l'écart de leur température d'ébullition.

Equilibre liquide-vapeur

Les substances ne peuvent être séparées par distillation que parce que la vapeur émise par un mélange liquide en ébullition est plus riche en composé plus volatil. Cet enrichissement dépend de la volatilité des composés, mais aussi de leurs éventuelles affinités les uns pour les autres, de la température opératoire et de la composition du liquide. Cette relation complexe entre les composés est souvent représentée par des courbes d'équilibre liquide-vapeur. Pour simplifier la représentation, seuls les mélanges binaires (deux composés seulement en mélange) sont représentés. Si un mélange plus complexe est considéré, il est simplifié pour être ramené à un mélange binaire de deux composants clé, choisis parmi les plus abondants, les plus important pour le procédé ou les plus difficiles à séparer.
Il existe plusieurs représentations de l'équilibre liquide-vapeur:

 - les courbes de températures de bulle et de rosée,

tracées pour une pression donnée, elles permettent de connaître les températures d'ébullition (bulle) et de condensation (rosée) des mélanges ainsi que la composition de la vapeur émise ou du liquide condensé.

 - les courbes de composition de la vapeur (dites en XY),

tracées pour une pression donnée, elles permettent de connaître la composition de la vapeur émise en fonction de la composition du liquide. C'est représentation de base pour la détermination du nombre d'étages théoriques par la méthode de Mac Cabe et Thiele.

Distillation multi-étagée

La distillation simple consiste à chauffer le liquide pour qu'il émette des vapeurs qui seront ensuite condensées et recueillies (le distillat). Le distillat obtenu sera plus riche en composants les plus volatils que le mélange de départ. Cette méthode est suffisante pour séparer des composants dont les volatilités sont très différentes. Pour les composants dont les volatilités sont proches, la séparation est souvent insuffisante; le distillat contiendra une proportion importante des composés les moins volatils, tandis que le résidu de la distillation pourra contenir encore une portion importante des composés les plus volatils.

La séparation pourrait être améliorée en procédant à une nouvelle distillation simple du distillat et du résidu précédemment obtenus; ceci permettrait d'obtenir un nouveau distillat encore plus riche et un nouveau résidu encore plus appauvri en composés les plus volatils. On aurai procédé à un fractionnement multi-étagé. Outre les nombreuses manipulations nécessaires, une telle méthode serait très consommatrice d'énergie.

Le fractionnement multi-étagé pourrait être mené en continu dans une série de bouilleurs et de condenseurs alimentés en continu; la chaleur évacuée au condenseur d'un étage pourrait être utilisée pour assurer le chauffage de l'étage suivant; on obtient facilement cela en mettant directement en contact la vapeur d'un étage avec le liquide du suivant; ainsi seul l'étage ne recevant pas de vapeur aurait besoin d'être chauffé.

Si les différents étages sont opérés à la même pression, ils sont réunis dans un équipement unique, compartimenté de manière à isoler des volumes de liquide, au travers desquels la vapeur peut "barboter"; ces compartiments sont disposés les uns au dessus des autres, pour permettre un écoulement gravitaire du liquide de l'un vers l'autre. C'est une colonne de distillation (ou de fractionnement) multi-étagée à plateaux.

Le contact intime des vapeurs et du liquide peut aussi être réalisé le long d'une surface, "mouillée" par le liquide en écoulement vers le bas et "léchée" par la vapeur. C'est ce qui est réalisé dans une colonne à garnissage.

Types de distillation

La distillation est le plus répandu des procédés de séparation d'un mélange de liquides.
La séparation ne peut avoir lieu que parce que la phase gazeuse générée en chauffant un mélange liquide, est de composition différente de la phase liquide dont elle est issue.
Par conséquent, les mélanges particuliers, nommés azéotropes, générant une vapeur de même composition que le liquide, ne pourront être séparés par simple distillation.
La distillation peut être:
- CONTINUE
Le mélange à séparer est alimenté en continu et les composants séparés sont également séparés en continu.
- DISCONTINUE
Le mélange à séparer est chargé en début d'opération dans un bouilleur. le mélange est ensuite chauffé et le constituant volatil est soutiré en tête jusqu'à obtention du degré d'épuisement souhaité. Le résidu est évacué du bouilleur avant de recommencer l'opération.

Etage théorique (ou plateau théorique)

Se dit d'un dispositif de contact liquide vapeur, tel que la vapeur quittant le dispositif a une composition correspondant à la composition théorique d'équilibre avec le liquide qui quitte ce même dispositif.
On exprime l'efficacité d'un dispositif de distillation en NOMBRE D'ETAGES THEORIQUES.
Diverses méthodes graphiques ont été développées pour le déterminer:
- Mac Cabe et Thiele
- Ponchon et Savari
maintenant dépassée par les méthodes numériques.
On exprime l'efficacité d'un garnissage en Hauteur Equivalente à un Plateau Théorique (HEPT).

Internes de colonne

Dispositif destiné à assurer un contact intime entre le liquide et la vapeur de manière à approcher le mieux possible l'équilibre de composition.
On rencontre principalement:

- des plateaux,

à cloches, perforés, à clapets fixes ou mobiles; Facilement accessibles et nettoyables, ils seront préférés sur les services encrassant. Formant une rétention du liquide ils seront employés lorsque les débits liquides sont très variables ou beaucoup plus faibles que les débits vapeur. Leur perte de charge élevée au passage de la vapeur les rend peu efficace pour les distillations sous vide.

- du garnissage vrac,

constitué d'éléments de faible taille qui peuvent être de formes et en matériaux divers, jetés en vrac, ou bien plus rarement rangés dans le fût de la colonne; en métal, en matière plastique ou en céramique peu coûteux et offrant une bonne capacité hydraulique il convient à un large éventail d'applications (milieu corrosif, température élevée, ...); son nettoyage demandant son déchargement et souvent son remplacement,  il sera de préférence employé sur les services propres où l'encrassement n'est pas redouté.

- du garnissage structuré

constitués d'un assemblage de feuilles le plus souvent métalliques, ondulées, percées, .... Coûteux mais d'une grande efficacité et autorisant des trafics gaz et liquide élevé, il sera réservé aux séparations difficiles demandant un nombre élevé d'étages théoriques. Très sensible à l'encrassement et difficilement nettoyables, il sera réservé aux service très propres. Offrant une très faible perte de charge au flux vapeur, il est très apprécié dans les distillations sous vide.

Ces garnissages, vrac ou structurés, ne peuvent fonctionner correctement que grâce à la présence de:
 - distributeurs de liquide
 - distributeurs de vapeur
 - collecteurs de liquide
 - supports de garnissage

Reflux

Liquide provenant de la condensation des vapeurs de tête, qui arrose la tête de la colonne pour assurer le contact liquide vapeur le long de la colonne.
Le TAUX DE REFLUX est le ratio du débit de reflux sur le débit de distillat.
Plus le taux de reflux est élevé, meilleure est la séparation.
Le TAUX DE REFLUX MINIMUM est le reflux théoriquement nécessaire pour effectuer une séparation donnée avec un nombre d'étages théoriques infini.

Rebouillage

Vapeur émise par chauffage du liquide au bas de la colonne.
Le TAUX DE REBOUILLAGE est le ratio du débit massique de vapeur émise sur le débit de liquide soutiré en pied de colonne.

Zone de rectification

Tronçon de la colonne situé au dessus de l'alimentation.
En distillation discontinue, la colonne fonctionne entièrement en rectification. La zone d'épuisement est absente.

Zone d'épuisement

Tronçon de la colonne situé sous l'alimentation.
Les colonnes de stripping fonctionne entièrement en épuisement. La zone de rectification est absente.