DISTILLATION

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La distillation est une des méthodes de séparation les plus importantes dont on dispose pour résoudre un mélange en ses divers constituants. Elle est fondée sur le fait qu'une phase vapeur surmontant un liquide bouillant et en équilibre avec ce dernier n'en a pas la même composition. En recueillant séparément, d'une part, le liquide et, d'autre part, la vapeur que l'on refroidit et condense, on obtient deux liquides différents appelés respectivement résidu et condensat ou distillat. On réalise ainsi une étape élémentaire de séparation dont la répétition pourra permettre d'obtenir les constituants du mélange initial.

Bien que le premier traité à ce sujet, œuvre du chimiste français Arnaud de Villeneuve, ne soit paru qu'aux environs de 1311, l'« art de la distillation » daterait de plus de trois mille ans, et l'on pense que les Perses l'auraient découvert pour fabriquer l'eau de rose. Rappelons aussi qu'Aristote proposait aux marins de distiller l'eau de mer pour produire de l'eau douce.

Les premiers véritables appareils à distiller furent conçus par les coptes d'Alexandrie et les chrétiens d'Égypte ; ils comprenaient une cornue (cucurbite), un récipient de condensation des vapeurs (ambix) et un réceptacle des produits distillés (phiale). Le terme ambix a donné « alambic », qui désigne l'appareil entier de distillation.

Les médecins et pharmaciens améliorèrent les appareils et la technique. Ainsi, les apothicaires du xiie siècle surent préparer des médicaments alcoolisés dont l'usage se généralisa rapidement, Irlandais et Écossais se signalant alors par leur particulière compétence dans la préparation de ces boissons.

Les producteurs d'alcool furent d'ailleurs pendant longtemps les experts en distillation, et c'est grâce à leurs travaux, complétés principalement, depuis cinquante ans, par les recherches des ingénieurs de l'industrie pétrolière, que la distillation occupe une place industrielle aussi importante parmi les opérations de séparation. Pour la souligner, il faut rappeler que la distillation est l'opération de base du raffinage des pétroles bruts.

Équilibre liquide-vapeur d'un mélange binaire

Définitions

On exprimera ici la composition des mélanges en fractions moléculaires (rapport entre le nombre de molécules du constituant considéré et le nombre total correspondant de molécules du mélange). On les représentera par x pour les liquides et y pour les vapeurs. Un mélange binaire sera parfaitement défini par la connaissance de la fraction moléculaire en un seul constituant (xA par exemple), l'autre s'obtenant immédiatement par différence à l'unité (xB = 1 − xA).

La volatilité d'un constituant A d'un mélange s'exprime par le rapport de ses concentrations respectivement en phase vapeur et en phase liquide, c'est-à-dire KA = yA/xA

La distillation dépend finalement des différences de volatilité entre les constituants de la charge à séparer ; c'est afin de comparer les volatilités respectives que l'on a introduit la volatilité relative αAB définie par le rapport des volatilités :

Les volatilités dépendent à la fois de la pression et de la température auxquelles sont soumises la phase vapeur et la phase liquide en équilibre ainsi que des interactions s'exerçant entre les molécules de ces milieux.

On conçoit que plus αAB s'écartera de l'unité, plus aisée sera la séparation par distillation des corps A et B.

Si on veut préciser les définitions précédentes, on donne la composition des phases vapeur y et liquide x en équilibre à une température donnée et sous une certaine pression ainsi que les volatilités K et volatilités relatives α établies en choisissant convenablement un constituant de référence.

Considérons le cas simple d'un liquide pur à l'ébullition ; il est surmonté d'une vapeur exerçant sur les parois du récipient une certaine pression, dite tension de vapeur, pression qui résulte des chocs exercés par les molécules à l'état gazeux contre le récipient. La tension de vapeur d'un corps dépend de la température et croît avec cette dernière.

Tension de vapeur et température

Dessin : Tension de vapeur et température

Variation de la tension de vapeur avec la température. Pour un corps pur, il existe une seule température d'ébullition sous une pression donnée ; cette température est d'autant plus grande que la pression est plus élevée. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Examinons maintenant un mélange binaire (constituants A et B) que l'on chauffe ou refroidit sous une pression donnée ; à la différence du comportement du corps pur précédent, deux cas sont à étudier :

– le mélange liquide initial est chauffé, il commencera à bouillir à une température donnée unique qui est sa température d'ébullition commençante Teb.

– le mélange gazeux initial est refroidi, il commencera à se condenser à une température donnée unique qui est sa température de condensation ou température de rosée Tr.

La température de rosée est supérieure à la température d'ébullition commençante. La figure résume les remarques précédentes : ML représente le mélange liquide initial de composition xMA. Lorsque ce mélange est à sa température d'ébullition commençante, sous pression P0, il est représenté par I. Mv représente le mélange gazeux (teneur yMA), qui est représenté par J lorsqu'il atteint sa température de rosée, sous la pression P0.

Équilibre isobare

Dessin : Équilibre isobare

Équilibre isobare d'un mélange binaire. 

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Sous la pression P0 et à la température T, le mélange M donne une phase liquide L à sa température d'ébullition commençante et une phase vapeur V à sa température de rosée. Les phases étant en équilibre, ces deux températures sont égales. La volatilité relative αAB sera d'autant plus grande que les points L et V seront distants.

Pour une autre température, il s'établirait, sous la même pression P0, un équilibre différent, et l'ensemble des points représentatifs respectivement des liquides et vapeurs aux différentes températures définit la courbe d'ébullition et celle de rosée. Ces deux courbes se rejoignent en deux points correspondant respectivement à chacun des corps purs à son point d'ébullition (TA et TB) sous la pression considérée. À titre d'exemple, la figure montre un tel fuseau relatif à l'équilibre d'un mélange d'hydrocarbures sous la pression atmosphérique.

Équilibre liquide-vapeur isobutène-isoprène

Dessin : Équilibre liquide-vapeur isobutène-isoprène

Équilibre liquide-vapeur isobutène-isoprène à la pression atmosphérique. 

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Il est souvent utile d'exprimer la composition de la phase vapeur y en fonction de celle de la phase liquide x en équilibre ; on obtient ainsi la courbe dite x . L'équation de cette courbe est, d'après la définition de la volatilité relative :

Vapeur d'isobutène et liquide en équilibre

Dessin : Vapeur d'isobutène et liquide en équilibre

Composition de la vapeur d'isobutène en fonction de la composition du liquide en équilibre. 

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Solutions idéales

Si les interactions entre les molécules sont telles que l'une quelconque de celles-ci se comporte de la même manière aussi bien au sein du mélange liquide avec d'autres constituants que dans sa phase liquide pure, on dit que le mélange est une solution idéale ; l'application des lois de Dalton et de Raoult permet alors d'établir les relations KA = PA/P et KB = PB/P, où PA et PB sont les tensions de vapeur, à la température considérée, respectivement des corps A et B purs et P la pression d'équilibre. Il en résulte que αAB = PA/PB. L'équilibre sous pression modérée est alors calculable à partir de la connaissance des tensions de vapeur des constituants purs du mélange.

Le plus souvent, on ne peut assimiler le liquide à une solution idéale ; on conserve alors la forme des expressions précédentes et l'on fait intervenir des termes correcti [...]

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Tension de vapeur et température

Tension de vapeur et température
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Équilibre isobare

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Équilibre liquide-vapeur isobutène-isoprène

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Vapeur d'isobutène et liquide en équilibre

Vapeur d'isobutène et liquide en équilibre
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Écrit par :

  • : Directeur de recherche à l'Institut français du pétrole (I.F.P.), ingénieur et professeur à l'Ecole nationale supérieure du pétrole et des moteurs (E.N.S.P.M.), chargé de cours à l'université catholique de Louvain

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Pour citer l’article

Jean DURANDET, « DISTILLATION », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 08 décembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/distillation/