Tp 01 Détermination de la solubilité mutuelle de deux liquides

Cours et exercice corrige 

distillation -rectification

 introduction 

La rectification est une opération unitaire permettant de séparer les constituants d'un mélange (que nous considèrerons comme binaire dans la suite). Elle se base sur la différence de volatilité entre ces  constituants. C'est une des opérations de séparation les plus employées dans le domaine de la chimie et de la pétrochimie.

Principe: lors de la mise en équilibre d'une phase liquide avec sa phase vapeur, on s'aperçoit que l phase vapeur est plus riche en constituant volatil. Ainsi, en vaporisant partiellement un liquide contenant deux constituants ayant des volatilités différentes, on obtient une phase vapeur enrichie en constituant volatil. On parle alors de distillation simple (ou flash). Lorsque l'on réalise avec ce mélange et un appareillage adapté une succession d'équilibres liquide-vapeur, on parle alors de rectification

Dans ce chapitre sont présentés les équilibres liquide-vapeur, des schémas de principes (distillation    simple, rectification continue et discontinue), les constructions de McCabe et Thiele, et des éléments de technologie sur les équipements associés (colonnes, plateaux, garnissage, rebouilleurs, condenseurs, etc...).

isobares d'ébullition et de rosée

Pour un mélange binaire A+B donné et à une pression donnée

• l'isobare d'ébullition donne la température d'ébullition d'une solution de titre molaire x
• l'isobare de rosée donne la température de condensation d'une vapeur de titre molaire y
• une solution de titre molaire x émet, à l'ébullition, une vapeur de titre molaire y situé sur la courbe de rosée et à la même température (droite horizontale)
• une solution de titre molaire x, lorsqu'elle est portée à la température du point M, est partiellement vaporisée donnant deux phases L (liquide) et V (vapeur), ayant pour compositions les abscisses des points L et V
• Règle des moments ou des segments inverses: Si M (respectivement L et V) représentent les masses du mélange (respectivement de la phase liquide et de la phase vapeur), on peut écrire la relation: 

L/V=MV/LM

           LM et MV étant les longueurs des segments LM et MV par ex en cm. 

• L'autre relation de bilan matière M=L+V permet de déterminer les masses respectives de la phase vapeur et de la phase liquide.

isobare d’ébullition et rosée

On considère un mélange binaire A+B de composition xf, auquel on fait subir une transformation isobare en système fermé.

• à l'état liquide froid, la pression totale émise par le liquide est inférieure à la pression de tracé de l'isobare. Seule la phase liquide est tracée, elle est représentée par le point M=L.
• à l'état liquide bouillant, la phase liquide L qui est toujours à la composition xf (M=L) émet une phase vapeur V de composition y située sur une horizontale (même température)
• lorsque une partie du mélange est vaporisée (point M situé entre les isobares d'ébullition et de rosée, M=L+V), il y a en présence une phase liquide de composition x et une phase vapeur de composition y. Le bilan matière en constituant volatil s'écrit:

M xf = L x + V y

• Ce bilan se traduit graphiquement par la règle des moments, ou règle des segments inverses: 

L/V=MV/LM,

           LM et MV étant les longueurs des segments entre les points L et M et M et V, par exemple               mesurés en cm.

• à l'état vapeur saturante, la phase vapeur V a pour composition y=xf , et la phase liquide L à virtuellement disparu, la dernière goutte de liquide ayant pour composition x situé la courbe d'ébullition, sur l'horizontale passant par V.
• à l'état vapeur surchauffé, la phase liquide a entièrement disparue.

courbe d'équilibre liquide vapeur y=f(x)

Pour tracer la courbe d'équilibre liquide-vapeur à partir des isobares d'ébullition et de rosée, il suffit de tracer un nombre suffisant de points M à partir de couples (L,V). Pour cela:

• reporter sur une verticale la valeur de x (point L) sur l'axe ox de la courbe d'équilibre liquide-vapeur, ce qui donne l'abscisse du point M (x)
• reporter la valeur de y (point V) par une verticale jusqu'à la bissectrice puis par une horizontale jusqu'à l'axe oy de la courbe d'équilibre liquide-vapeur, ce qui donne l'ordonnée du point M (y)

Recommencer pour une dizaine de points pour obtenir y=f(x).
Remarques:

• On ne peut pas tracer les isobares d'ébullition et de rosée à partir de la courbe d'équilibre liquide-vapeur (qui ne contient pas les températures d'ébullition).
• Les courbes d'équilibres liquide-vapeur, bien que contenant moins d'information que les isobares, sont très largement utilisées notamment pour les constructions de McCabe et Thiele.

Résumé de cours distillation rectification