Bilan thermique en distillation

Le bilan thermique autour d'une distillation peut être nécessaire pour déterminer:
- la quantité de chaleur à apporter au rebouilleur
- la quantité de chaleur à retirer au condenseur
ainsi que pour vérifier:
- le débit de fluide chauffant
- le débit de fluide refroidissant
- le débit de reflux

- l'efficacité de la séparation

Bilan autour de la distillation

Le principe est de faire un bilan des flux enthalpiques entrants et sortants de la distillation. La somme des flux enthalpiques entrants doit être égale à la somme des flux enthalpiques sortants.

Exemple de bilan thermique autour d'une distillation continue:

HA: flux enthalpique avec l'alimentation (kJ/h)
HD: flux enthalpique avec le distillat (kJ/h)
HL: flux enthalpique avec le liquide en pied de colonne (kJ/h)
QF: flux enthalpique de déperdition thermique (kJ/h)
QR: flux de chaleur au rebouilleur (kJ/h)
QC: flux de chaleur au condenseur (kJ/h)
hA: enthalpie de l'alimentation (kJ/kg)
hD: enthalpie du distillat (kJ/kg)
hL: enthalpie du liquide de pied de colonne (kJ/kg)
FA: débit de l'alimentation (kg/h)
FD: débit de distillat (kg/h)
FL: débit de liquide en pied de colonne (kg/h)

Les flux enthalpiques sont des quantités d'énergie par unité de temps; ils sont généralement exprimés en:
 - kcal/h
 - kJ/h
 - kW (kJ/sec)

Ils peuvent être:
- des flux de chaleur échangés avec l'extérieur (énergie pour le rebouillage, la condensation, pertes thermiques)
- le produit d'un débit de matière (alimentation, soutirages) (kg/h), par une enthalpie spécifique (kcal/kg, kJ/kg, ...)

Flux enthalpiques entrants

Les flux enthalpiques entrant sont généralement:
- la chaleur apportée au rebouilleur
- le flux enthalpique des produits alimentant la distillation

Flux enthalpiques sortants

Ce sont généralement:
- la chaleur retirée au condenseur
- les flux enthalpiques des produits extraits de la distillation
- la déperdition de chaleur au travers des parois de l'appareil.

Enthalpie des produits

L'enthalpie des produits représente une quantité de chaleur contenue dans les flux de matière. En toute rigueur on ne peut connaitre que leurs variations d'enthalpie entre une situation et une autre. Aussi doit-on choisir une origine d'échelle de mesure commune à tous les composants et faire le bilan des variations.

Si les produits en question ne provoquent lorsqu'ils sont mélangés:
- ni dégagement de chaleur
- ni refroidissement
- ni réaction chimique,
(c'est le cas des mélanges d'hydrocarbures par exemple), il est possible d'adopter pour tous une origine d'enthalpie commune (0kcal/kg à l'état liquide et à 0°C par exemple).

Leur enthalpie sera:
h = (Cp x Tc) + L

avec:
Cp: capacité calorifique du produit (kcal/kg/°C)
Tc: température du produit (°C)
L: chaleur latente de changement d'état (vaporisation ou cristallisation) (kcal/kg)

Si les produits en question provoquent en étant mélangés:
- soit un dégagement de chaleur
- soit un refroidissement
- soit une réaction chimique
(c'est le cas des mélanges eau-acide, eau-ammoniac, ...)
l'enthalpie du mélange devient complexe à déterminer, et il est préférable de se reporter à des tables qui les fournissent.

Bilan autour du condenseur

Exemple de bilan thermique au condenseur d'une distillation:

HD: flux enthalpique avec le distillat (kJ/h)
HV: flux enthalpique avec les vapeurs de tête (kJ/h)
Hrf: flux enthalpique avec le reflux (kJ/h)
QC: flux de chaleur au condenseur (kJ/h)
hCe: enthalpie du fluide refroidissant entrant (kJ/kg)
hCs: enthalpie du fluide refroidissant sortant du condenseur (kJ/kg)
hD: enthalpie du distillat (kJ/kg)
hV: enthalpie de la vapeur en tête de colonne (kJ/kg)
FC: débit de fluide refroidissant (kg/h)
FD: débit de distillat (kg/h)
Frf: débit de reflux (kg/h)

La quantité de chaleur retirée au condenseur n'est pas toujours facile à connaitre. La condensation utilise souvent des fluides dont on connait mal les débits (eau, air, ...). Si par contre on connait les débits et températures de distillat et reflux, il est possible, grâce à un bilan autour du condenseur, de recalculer la chaleur retirée au condenseur.