Séparations thermiques en génie des procédés - EXTRAIT

Avant-propos

L’ouvrage présente une introduction aux méthodologies développées en génie des

procédés afin de modéliser, d’une part, la séparation de mélanges homogènes par distillation et, d’autre part, les opérations de l’air humide et les procédés de séchage. Ces trois familles d’opérations, qui sont caractérisées par un changement d’état liquide-vapeur, sont répandues dans les procédés industriels. Afin de gérer les installations associées et de saisir leurs contraintes opérationnelles, l’ingénieur doit comprendre les fondements théoriques sur lesquels repose leur dimensionnement.

Ce livre complète l’ouvrage intitulé Opérations polyphasiques en génie des procédés, hydrodynamique, transferts, réactions, séparations mécaniques, publié aux éditions Ellipses. L’ouvrage précédent aborde les aspects hydrodynamiques caractérisant les opérations polyphasiques mises en œuvre dans les procédés industriels, ainsi que l’estimation des flux transférés entre phases et l’analyse de leur éventuel couplage avec une réaction. Les aspects hydrodynamiques des colonnes à distiller y sont traités.

Structuration et objectif de l’ouvrage

L’ouvrage a été élaboré par l’auteure pour servir de support pédagogique dans le cadre de ses enseignements à l’École Nationale Supérieure des Industries Chimiques (ENSIC). Il est structuré en onze chapitres, regroupés en deux parties selon le découpage suivant.

Première partie. Séparation de mélanges homogènes par distillation, Chapitres I – VII.

Deuxième partie. Opérations de l’air humide et procédés de séchage, Chapitres VIII – XI.

Le document est complété par les corrections des exercices proposés en fin des chapitres, une liste des notations, des références bibliographiques, une liste des tableaux et des figures et un index. Des présentations vidéos du contenu de ce livre sont disponibles à l’URL https://www.canal-u.tv/producteurs/unittv/operations_unitaires_polyphasiques

Ce document est le support des cours magistraux, permettant la présentation des concepts, des séances de travaux dirigés, visant à l’appropriation des concepts par leur application, et des séances de travaux pratiques, permettant de confronter théorie et expérience. Le volume horaire présentiel des étudiants est d’environ quarante heures pour l’enseignement de la distillation et d’environ vingt heures pour l’enseignement des opérations de l’air humide et du séchage. L’objectif de la publication de ce support pédagogique sous forme d’ouvrage scientifique est de le rendre accessible en dehors des enseignements de l’ENSIC. Il peut être utilisé dans le cadre de toute autre formation initiale ou continue, ou comme support d’une autoformation de cadres scientifiques, souhaitant approfondir leur compréhension des domaines abordés.

4 Avant-propos

Démarche adoptée et contenu

Le temps dédié à l’enseignement étant limité, le traitement des différents sujets reste introductif. Le domaine abordé, la distillation, les opérations de l’air humide et le séchage, est vaste et ce cours ne saurait couvrir ni la complexité scientifique, ni la variété des situations rencontrées dans l’industrie. L’objectif est de permettre à l’apprenant de saisir le lien entre les caractéristiques thermodynamiques et physiques d’un mélange et les technologies mises en œuvre afin de le séparer en ses constituants. Les hypothèses utiles à la modélisation des différentes opérations sont explicitées et justifiées. L’intérêt ainsi que les limites des modèles simples et des modèles plus complexes sont discutés. Afin d’aider à la compréhension, les éléments traités sont illustrés par des schémas et des exemples. De plus, des exercices permettant d’appliquer les notions abordées sont proposés à la fin des chapitres. Le premier de ces exercices regroupe des questions qualitatives, permettant de vérifier la compréhension du chapitre. Il peut être abordé après lecture initiale du texte.

Le document étant centré sur la conception des procédés de distillation et de séchage, la modélisation thermodynamique des équilibres entre phases n’est abordée que brièvement. Les connaissances nécessaires à l’estimation des compositions des phases à l’équilibre sont considérées acquises. De même le fonctionnement des logiciels de simulation de procédés, comme Aspen Plus, ProII ou ProSim n’est pas exposé. Ceci bien que l’utilisation de ces logiciels soit indispensable au dimensionnement des procédés traités, notamment en distillation. De nombreuses illustrations présentées dans l’ouvrage ont d’ailleurs été élaborées à l’aide de logiciels de simulation de procédés et certains exercices proposés nécessitent leur utilisation. On notera enfin que, l’ouvrage étant dédié aux séparations basées sur des équilibres liquide-vapeur, d’autres techniques de séparation comme la cristallisation et les techniques membranaires et chromatographiques ne sont pas abordées.

Prérequis

L’étude de l’ouvrage nécessite des connaissances de base en chimie, en thermodynamique énergétique, en thermodynamique des équilibres, en transfert de matière et de chaleur et en génie des procédés.

Remerciements

Je tiens à remercier mes collègues, notamment Bouchra Belaissaoui, Guillain Mauviel, Romain Privat, Maria Graciela Cares Pacheco, Jean-Marc Commenge et Nicolas Wedraogo, ainsi que les étudiants de l’ENSIC. Leur lecture attentive et leurs commentaires ont permis d’améliorer au fil des années la clarté de ce document. Merci aussi à Christine Roizard, professeure et ancienne directrice des études de l’ENSIC, et Alain Storck, professeur et ancien directeur de l’ENSIC, qui étaient auparavant en charge de ces enseignements. J’ai découvert la distillation et le séchage avec eux et de nombreux exercices présentés dans ce document sont basés sur des exercices proposés dans leurs supports de cours.

Table des matières

PREMIÈRE PARTIE

SÉPARATION DE MÉLANGES HOMOGÈNES PAR DISTILLATION.....13

ÉLÉMENTS THERMODYNAMIQUES DES ÉQUILIBRES LIQUIDE-VAPEUR ............15

Équilibre liquide-vapeur d’un corps pur .............................................................. 15 Température d’ébullition normale des composés organiques et de l’eau ............ 15 Enthalpie molaire de vaporisation des corps purs .............................................. 17 Pression de vapeur saturante des corps purs ...................................................... 19

Équilibre liquide-vapeur d’un mélange, généralités ............................................. 22 Conditions d’équilibre entre phases .................................................................. 22 Modélisation de l’équilibre entre phases ........................................................... 22 Choix du modèle thermodynamique ................................................................. 25 Définition de la volatilité et de la volatilité relative ........................................... 26

Équilibre liquide-vapeur d’une solution idéale et d’un gaz parfait ..................... 27 Volatilité relative, pressions et températures de bulle et de rosée ...................... 27 Courbes de bulle, de rosée et d’équilibre isobares de mélanges binaires ............ 28 Enthalpies molaires de mélanges à l’équilibre liquide-vapeur ........................... 30 Volatilité relative et écart des températures d’ébullition isobares ...................... 31 Volatilité relative et courbe d’équilibre isobare de mélanges binaires................ 33

Équilibre liquide-vapeur d’une solution réelle ..................................................... 34 Interaction entre molécules et coefficient d’activité .......................................... 34 Volatilité relative et pressions et températures de bulle et de rosée .................... 35 Définition et condition d’existence d’un azéotrope binaire ................................ 37 Azéotropes binaires à déviation positive ........................................................... 38 Azéotropes binaires à déviation négative .......................................................... 42

Remarques conclusives .......................................................................................... 44

INTRODUCTION À LA DISTILLATION CONTINUE .............................................45

Considérations générales ..................................................................................... 45 Principe, intérêt et importance industrielle de la distillation ............................. 45 Les différents modes de distillation ................................................................. 46 Exemples emblématiques de séparation par distillation ................................... 46 Situations défavorables à la distillation............................................................ 48

Distillation continue simple, condensation ou évaporation partielle .................. 49 Présentation du procédé .................................................................................. 49

4 Avant-propos

Démarche adoptée et contenu

Le temps dédié à l’enseignement étant limité, le traitement des différents sujets reste introductif. Le domaine abordé, la distillation, les opérations de l’air humide et le séchage, est vaste et ce cours ne saurait couvrir ni la complexité scientifique, ni la variété des situations rencontrées dans l’industrie. L’objectif est de permettre à l’apprenant de saisir le lien entre les caractéristiques thermodynamiques et physiques d’un mélange et les technologies mises en œuvre afin de le séparer en ses constituants. Les hypothèses utiles à la modélisation des différentes opérations sont explicitées et justifiées. L’intérêt ainsi que les limites des modèles simples et des modèles plus complexes sont discutés. Afin d’aider à la compréhension, les éléments traités sont illustrés par des schémas et des exemples. De plus, des exercices permettant d’appliquer les notions abordées sont proposés à la fin des chapitres. Le premier de ces exercices regroupe des questions qualitatives, permettant de vérifier la compréhension du chapitre. Il peut être abordé après lecture initiale du texte.

Le document étant centré sur la conception des procédés de distillation et de séchage, la modélisation thermodynamique des équilibres entre phases n’est abordée que brièvement. Les connaissances nécessaires à l’estimation des compositions des phases à l’équilibre sont considérées acquises. De même le fonctionnement des logiciels de simulation de procédés, comme Aspen Plus, ProII ou ProSim n’est pas exposé. Ceci bien que l’utilisation de ces logiciels soit indispensable au dimensionnement des procédés traités, notamment en distillation. De nombreuses illustrations présentées dans l’ouvrage ont d’ailleurs été élaborées à l’aide de logiciels de simulation de procédés et certains exercices proposés nécessitent leur utilisation. On notera enfin que, l’ouvrage étant dédié aux séparations basées sur des équilibres liquide-vapeur, d’autres techniques de séparation comme la cristallisation et les techniques membranaires et chromatographiques ne sont pas abordées.

Prérequis

L’étude de l’ouvrage nécessite des connaissances de base en chimie, en thermodynamique énergétique, en thermodynamique des équilibres, en transfert de matière et de chaleur et en génie des procédés.

Remerciements

Je tiens à remercier mes collègues, notamment Bouchra Belaissaoui, Guillain Mauviel, Romain Privat, Maria Graciela Cares Pacheco, Jean-Marc Commenge et Nicolas Wedraogo, ainsi que les étudiants de l’ENSIC. Leur lecture attentive et leurs commentaires ont permis d’améliorer au fil des années la clarté de ce document. Merci aussi à Christine Roizard, professeure et ancienne directrice des études de l’ENSIC, et Alain Storck, professeur et ancien directeur de l’ENSIC, qui étaient auparavant en charge de ces enseignements. J’ai découvert la distillation et le séchage avec eux et de nombreux exercices présentés dans ce document sont basés sur des exercices proposés dans leurs supports de cours.

Table des matières

PREMIÈRE PARTIE

SÉPARATION DE MÉLANGES HOMOGÈNES PAR DISTILLATION.....13

ÉLÉMENTS THERMODYNAMIQUES DES ÉQUILIBRES LIQUIDE-VAPEUR ............15

Équilibre liquide-vapeur d’un corps pur .............................................................. 15 Température d’ébullition normale des composés organiques et de l’eau ............ 15 Enthalpie molaire de vaporisation des corps purs .............................................. 17 Pression de vapeur saturante des corps purs ...................................................... 19

Équilibre liquide-vapeur d’un mélange, généralités ............................................. 22 Conditions d’équilibre entre phases .................................................................. 22 Modélisation de l’équilibre entre phases ........................................................... 22 Choix du modèle thermodynamique ................................................................. 25 Définition de la volatilité et de la volatilité relative ........................................... 26

Équilibre liquide-vapeur d’une solution idéale et d’un gaz parfait ..................... 27 Volatilité relative, pressions et températures de bulle et de rosée ...................... 27 Courbes de bulle, de rosée et d’équilibre isobares de mélanges binaires ............ 28 Enthalpies molaires de mélanges à l’équilibre liquide-vapeur ........................... 30 Volatilité relative et écart des températures d’ébullition isobares ...................... 31 Volatilité relative et courbe d’équilibre isobare de mélanges binaires................ 33

Équilibre liquide-vapeur d’une solution réelle ..................................................... 34 Interaction entre molécules et coefficient d’activité .......................................... 34 Volatilité relative et pressions et températures de bulle et de rosée .................... 35 Définition et condition d’existence d’un azéotrope binaire ................................ 37 Azéotropes binaires à déviation positive ........................................................... 38 Azéotropes binaires à déviation négative .......................................................... 42

Remarques conclusives .......................................................................................... 44

INTRODUCTION À LA DISTILLATION CONTINUE .............................................45

Considérations générales ..................................................................................... 45 Principe, intérêt et importance industrielle de la distillation ............................. 45 Les différents modes de distillation ................................................................. 46 Exemples emblématiques de séparation par distillation ................................... 46 Situations défavorables à la distillation............................................................ 48

Distillation continue simple, condensation ou évaporation partielle .................. 49 Présentation du procédé .................................................................................. 49

6 Table des matières

Analyse mathématique d’une distillation continue simple multiconstituant ...... 50 Distillation continue simple d’un mélange binaire ........................................... 52

Distillation continue fractionnée, principe et bilans globaux .............................. 55 Principe de l’étagement de la séparation .......................................................... 55 Technologies employées et comparaison avec l’absorption gaz-liquide ........... 56 Établissement des bilans de matière et enthalpiques globaux ........................... 58

Distillation continue fractionnée, approches de modélisation ............................. 59 Hypothèses caractérisant les différentes approches .......................................... 59 Méthodes d’analyse graphique ........................................................................ 60 Modèles considérant une cascade d’étages théoriques ..................................... 60 Modèles basés sur l’estimation des flux de transfert ........................................ 62 Estimation des dimensions de la colonne ......................................................... 63 Tableau comparatif des approches ................................................................... 64

Cascade d’étages théoriques et équations MESH ............................................... 65 Représentation des étages théoriques et notations ............................................ 65 Formulation et résolution du système d’équations MESH ................................ 66 Exemple de résultats et représentations graphiques.......................................... 68

Analyse graphique de la séparation de mélanges binaires .................................. 70 Schémas et notations pour une cascade d’étages théoriques ............................. 70 Comparaison avec l’analyse graphique de l’absorption gaz-liquide.................. 71 Construction de McCabe-Thiele pour une cascade d’étages théoriques ............ 72 Débits molaires circulant au sein de la colonne et flux enthalpiques échangés.. 83 Représentation graphique du stripage et de plusieurs alimentations ................. 86

Rectification de mélanges binaires avec modèle de transfert .............................. 92 Schéma de la colonne, notations et droites de bilan ......................................... 92 Force motrice et flux molaire spécifique.......................................................... 93 Estimation de la hauteur d’une section de la colonne ....................................... 95 Estimations analytiques approchées et relation de Colburn .............................. 96

Méthode FUG pour la distillation fractionnée multiconstituant ........................ 98 Éléments généraux .......................................................................................... 98 Nombre d’étages théoriques minimal, équation de Fenske ............................... 99 Taux de reflux minimal, équations d’Underwood .......................................... 101 Relation entre le nombre d’étages théoriques et le taux de reflux ................... 103 Débits molaires circulant au sein de la colonne et flux enthalpiques échangés 106

Éléments de contrôle et de régulation d’une colonne à distiller ........................ 106 Grandeurs contrôlées et débits régulés........................................................... 106 Schémas typiques de régulation .................................................................... 107

Remarques conclusives .................................................................................... 109

Exercices d’application .................................................................................... 110

Table des matières 7

ÉLÉMENTS DE DISTILLATION DISCONTINUE ............................................... 129

Distillation discontinue simple.......................................................................... 129 Distillation discontinue simple d’un mélange binaire ................................... 130 Distillation discontinue simple multiconstituant ........................................... 133 Norme de distillation ASTM D 86 du pétrole brut ........................................ 133

Distillation discontinue fractionnée, généralités .............................................. 134 Présentation du procédé et déroulement de la séparation .............................. 134 Modélisation de la distillation discontinue fractionnée ................................. 135

Distillation discontinue fractionnée d’un mélange binaire .............................. 136 Bilans sur l’ensemble de la colonne : équation de Rayleigh .......................... 136 Droite de bilan en régime pseudo-stationnaire .............................................. 138 Invariants de la distillation discontinue fractionnée : NET et débit de vapeur 138 Conduite temporelle d’une distillation discontinue fractionnée ..................... 140 Caractéristiques de la séparation et durée de l’opération ............................... 141 Exemple illustratif ....................................................................................... 143

Distillation discontinue fractionnée multiconstituant ...................................... 145 Caractérisation de mélanges multiconstituants ............................................. 145 Séparation de mélanges multiconstituants .................................................... 146 Norme de distillation ASTM D 2892 du pétrole brut, TBP ........................... 146

Remarques conclusives ..................................................................................... 147

Exercices d’application ..................................................................................... 148

ANALYSE GRAPHIQUE DE LA DISTILLATION TERNAIRE .............................. 151

Intérêt de l’analyse graphique .......................................................................... 151

Établissement et caractéristiques d’une courbe de résidu ............................... 152 Définition à partir d’une expérience de distillation discontinue simple ......... 152 Représentation graphique d’une courbe de résidu d’un mélange ternaire ...... 153

Réseaux de courbes de résidu, régions et frontières de distillation ................. 154 Réseaux de courbes de résidu de mélanges zéotropiques .............................. 155 Réseaux de courbes de résidu de mélanges azéotropiques ............................ 155 Comportement des courbes de résidu au voisinage des nœuds ...................... 156 Classification des réseaux de courbes de résidu, classes les plus fréquentes .. 157

Autres représentations graphiques................................................................... 159 Surfaces des températures de bulle et de rosée et vecteurs d’équilibre .......... 160 Liens entre les isothermes, les vecteurs d’équilibre et les courbes de résidu . 160 Isothermes de bulle et de rosée pour des mélanges ternaires hétérogènes...... 161 Courbes d’unidistribution et d’univolatilité .................................................. 163

Réseaux de courbes de résidu en distillation fractionnée continue.................. 164


Analyse mathématique d’une distillation continue simple multiconstituant ...... 50 Distillation continue simple d’un mélange binaire ........................................... 52

Distillation continue fractionnée, principe et bilans globaux .............................. 55 Principe de l’étagement de la séparation .......................................................... 55 Technologies employées et comparaison avec l’absorption gaz-liquide ........... 56 Établissement des bilans de matière et enthalpiques globaux ........................... 58

Distillation continue fractionnée, approches de modélisation ............................. 59 Hypothèses caractérisant les différentes approches .......................................... 59 Méthodes d’analyse graphique ........................................................................ 60 Modèles considérant une cascade d’étages théoriques ..................................... 60 Modèles basés sur l’estimation des flux de transfert ........................................ 62 Estimation des dimensions de la colonne ......................................................... 63 Tableau comparatif des approches ................................................................... 64

Cascade d’étages théoriques et équations MESH ............................................... 65 Représentation des étages théoriques et notations ............................................ 65 Formulation et résolution du système d’équations MESH ................................ 66 Exemple de résultats et représentations graphiques.......................................... 68

Analyse graphique de la séparation de mélanges binaires .................................. 70 Schémas et notations pour une cascade d’étages théoriques ............................. 70 Comparaison avec l’analyse graphique de l’absorption gaz-liquide.................. 71 Construction de McCabe-Thiele pour une cascade d’étages théoriques ............ 72 Débits molaires circulant au sein de la colonne et flux enthalpiques échangés.. 83 Représentation graphique du stripage et de plusieurs alimentations ................. 86

Rectification de mélanges binaires avec modèle de transfert .............................. 92 Schéma de la colonne, notations et droites de bilan ......................................... 92 Force motrice et flux molaire spécifique.......................................................... 93 Estimation de la hauteur d’une section de la colonne ....................................... 95 Estimations analytiques approchées et relation de Colburn .............................. 96

Méthode FUG pour la distillation fractionnée multiconstituant ........................ 98 Éléments généraux .......................................................................................... 98 Nombre d’étages théoriques minimal, équation de Fenske ............................... 99 Taux de reflux minimal, équations d’Underwood .......................................... 101 Relation entre le nombre d’étages théoriques et le taux de reflux ................... 103 Débits molaires circulant au sein de la colonne et flux enthalpiques échangés 106

Éléments de contrôle et de régulation d’une colonne à distiller ........................ 106 Grandeurs contrôlées et débits régulés........................................................... 106 Schémas typiques de régulation .................................................................... 107


Exercices d’application .................................................................................... 110


ÉLÉMENTS DE DISTILLATION DISCONTINUE ............................................... 129

Distillation discontinue simple.......................................................................... 129 Distillation discontinue simple d’un mélange binaire ................................... 130 Distillation discontinue simple multiconstituant ........................................... 133 Norme de distillation ASTM D 86 du pétrole brut ........................................ 133

Distillation discontinue fractionnée, généralités .............................................. 134 Présentation du procédé et déroulement de la séparation .............................. 134 Modélisation de la distillation discontinue fractionnée ................................. 135

Distillation discontinue fractionnée d’un mélange binaire .............................. 136 Bilans sur l’ensemble de la colonne : équation de Rayleigh .......................... 136 Droite de bilan en régime pseudo-stationnaire .............................................. 138 Invariants de la distillation discontinue fractionnée : NET et débit de vapeur 138 Conduite temporelle d’une distillation discontinue fractionnée ..................... 140 Caractéristiques de la séparation et durée de l’opération ............................... 141 Exemple illustratif ....................................................................................... 143

Distillation discontinue fractionnée multiconstituant ...................................... 145 Caractérisation de mélanges multiconstituants ............................................. 145 Séparation de mélanges multiconstituants .................................................... 146 Norme de distillation ASTM D 2892 du pétrole brut, TBP ........................... 146



ANALYSE GRAPHIQUE DE LA DISTILLATION TERNAIRE .............................. 151

Intérêt de l’analyse graphique .......................................................................... 151

Établissement et caractéristiques d’une courbe de résidu ............................... 152 Définition à partir d’une expérience de distillation discontinue simple ......... 152 Représentation graphique d’une courbe de résidu d’un mélange ternaire ...... 153

Réseaux de courbes de résidu, régions et frontières de distillation ................. 154 Réseaux de courbes de résidu de mélanges zéotropiques .............................. 155 Réseaux de courbes de résidu de mélanges azéotropiques ............................ 155 Comportement des courbes de résidu au voisinage des nœuds ...................... 156 Classification des réseaux de courbes de résidu, classes les plus fréquentes .. 157

Autres représentations graphiques................................................................... 159 Surfaces des températures de bulle et de rosée et vecteurs d’équilibre .......... 160 Liens entre les isothermes, les vecteurs d’équilibre et les courbes de résidu . 160 Isothermes de bulle et de rosée pour des mélanges ternaires hétérogènes...... 161 Courbes d’unidistribution et d’univolatilité .................................................. 163

Réseaux de courbes de résidu en distillation fractionnée continue.................. 164


Profils spatiaux d’une distillation fractionnée continue ................................ 164 Représentation graphique d’une distillation fractionnée continue ................. 166 Séparation directe et indirecte ...................................................................... 168 Produits atteignables, séparation ultime, séparation préférée ........................ 170 Séquençage des colonnes de distillation ....................................................... 172



STRATÉGIES DE DISTILLATION AUGMENTÉE ............................................... 177

Contexte et motivations ...................................................................................... 177 Exemples de mélanges difficiles à séparer..................................................... 177 Classification des stratégies de séparation et importance industrielle ............. 179

Distillation avec variation de pression ............................................................... 181 Stratégie employée ....................................................................................... 181 Critères de pertinence économique................................................................ 183 Analyse d’une distillation binaire par la méthode de McCabe-Thiele............. 185

Distillation azéotropique hétérogène ................................................................. 186 Mélanges binaires auto-entraînants ............................................................... 186 Analyse d’une distillation binaire par la méthode de McCabe-Thiele............. 187

Distillation extractive ......................................................................................... 190 Principe et schéma du procédé ...................................................................... 190 Action de l’entraîneur ................................................................................... 191 Exemple du système eau – méthanol – acétone ............................................. 192 Évolution des titres molaires en distillation extractive ................................... 196 Estimation du débit minimal de solvant......................................................... 202 Stratégie de recherche et de choix du solvant ................................................ 203

Distillation réactive............................................................................................. 205 Distillation réactive avec catalyse homogène ................................................ 206 Distillation réactive avec catalyse hétérogène................................................ 208 Simulation et modélisation des procédés de distillation réactive .................... 210

Remarques conclusives ....................................................................................... 210

Exercices d’application ...................................................................................... 211

INTÉGRATION THERMIQUE DE LA DISTILLATION ....................................... 213

Contexte et éléments généraux ......................................................................... 213 Importance de la consommation d’énergie liée à la distillation ..................... 213 Considérations relatives à l’échange thermique ............................................ 214

Besoin énergétique d’une distillation fractionnée simple................................. 219 Expression du besoin énergétique ................................................................ 219


Efficacité thermodynamique maximale ........................................................ 221 Stratégies de minimisation du besoin énergétique ........................................ 222

Couplage du condenseur et du bouilleur d’une même colonne ....................... 224 Principe du couplage ................................................................................... 224 Distillation avec compression mécanique de vapeur..................................... 226 Distillation à deux pressions ........................................................................ 230

Intégration thermique de la distillation dans le procédé ................................. 231 Intégration thermique des échangeurs de chaleur extrêmaux ........................ 231 Intégration thermique par utilisation d’échangeurs de chaleur latéraux ......... 235

Distillation à intégration de chaleur interne ou HIDiC ................................... 237

Intégration thermique des procédés d’évaporation partielle ........................... 239 Évaporateur à intégration thermique pour le dessalement d’eau de mer ........ 239 Évaporateur à effet multiple pour la concentration de solutions .................... 241 Éléments de modélisation d’un évaporateur à effet multiple ......................... 242



DISTILLATION DE MÉLANGES ZÉOTROPIQUES MULTICONSTITUANTS ....... 247

Contexte, conventions graphiques et terminologie ......................................... 247

Configurations d’une distillation multiconstituant ........................................ 247 Nombre de colonnes, nombre de constituants et configuration régulière ..... 247 Séparation élémentaire, séparation nette et préfractionnement .................... 248 Configurations basiques régulières d’une distillation ternaire...................... 248 Configurations intégrant un couplage thermique des colonnes .................... 251 Espace de recherche de la configuration optimale ....................................... 251

Recherche de la configuration optimale ......................................................... 252 Critère d’optimalité : minimisation du débit de vapeur ............................... 252 Débit minimal de vapeur pour la séparation d’un mélange ternaire ............. 252 Comparaison du débit minimal de vapeur de différentes configurations ...... 257

Mise en œuvre du couplage thermique ........................................................... 258 Réarrangement des sections de la configuration .......................................... 258 Colonne à cloison ou DWC ........................................................................ 261

Application au fractionnement du pétrole brut .............................................. 261 Caractérisation du pétrole brut et pseudo-composés .................................... 261 Analyse d’une unité de fractionnement de pétrole brut................................ 262


Exercices d’application ................................................................................... 264


Profils spatiaux d’une distillation fractionnée continue ................................ 164 Représentation graphique d’une distillation fractionnée continue ................. 166 Séparation directe et indirecte ...................................................................... 168 Produits atteignables, séparation ultime, séparation préférée ........................ 170 Séquençage des colonnes de distillation ....................................................... 172



STRATÉGIES DE DISTILLATION AUGMENTÉE ............................................... 177

Contexte et motivations ...................................................................................... 177 Exemples de mélanges difficiles à séparer..................................................... 177 Classification des stratégies de séparation et importance industrielle ............. 179

Distillation avec variation de pression ............................................................... 181 Stratégie employée ....................................................................................... 181 Critères de pertinence économique................................................................ 183 Analyse d’une distillation binaire par la méthode de McCabe-Thiele............. 185

Distillation azéotropique hétérogène ................................................................. 186 Mélanges binaires auto-entraînants ............................................................... 186 Analyse d’une distillation binaire par la méthode de McCabe-Thiele............. 187

Distillation extractive ......................................................................................... 190 Principe et schéma du procédé ...................................................................... 190 Action de l’entraîneur ................................................................................... 191 Exemple du système eau – méthanol – acétone ............................................. 192 Évolution des titres molaires en distillation extractive ................................... 196 Estimation du débit minimal de solvant......................................................... 202 Stratégie de recherche et de choix du solvant ................................................ 203

Distillation réactive............................................................................................. 205 Distillation réactive avec catalyse homogène ................................................ 206 Distillation réactive avec catalyse hétérogène................................................ 208 Simulation et modélisation des procédés de distillation réactive .................... 210



INTÉGRATION THERMIQUE DE LA DISTILLATION ....................................... 213

Contexte et éléments généraux ......................................................................... 213 Importance de la consommation d’énergie liée à la distillation ..................... 213 Considérations relatives à l’échange thermique ............................................ 214

Besoin énergétique d’une distillation fractionnée simple................................. 219 Expression du besoin énergétique ................................................................ 219


Efficacité thermodynamique maximale ........................................................ 221 Stratégies de minimisation du besoin énergétique ........................................ 222

Couplage du condenseur et du bouilleur d’une même colonne ....................... 224 Principe du couplage ................................................................................... 224 Distillation avec compression mécanique de vapeur..................................... 226 Distillation à deux pressions ........................................................................ 230

Intégration thermique de la distillation dans le procédé ................................. 231 Intégration thermique des échangeurs de chaleur extrêmaux ........................ 231 Intégration thermique par utilisation d’échangeurs de chaleur latéraux ......... 235

Distillation à intégration de chaleur interne ou HIDiC ................................... 237

Intégration thermique des procédés d’évaporation partielle ........................... 239 Évaporateur à intégration thermique pour le dessalement d’eau de mer ........ 239 Évaporateur à effet multiple pour la concentration de solutions .................... 241 Éléments de modélisation d’un évaporateur à effet multiple ......................... 242



DISTILLATION DE MÉLANGES ZÉOTROPIQUES MULTICONSTITUANTS ....... 247

Contexte, conventions graphiques et terminologie ......................................... 247

Configurations d’une distillation multiconstituant ........................................ 247 Nombre de colonnes, nombre de constituants et configuration régulière ..... 247 Séparation élémentaire, séparation nette et préfractionnement .................... 248 Configurations basiques régulières d’une distillation ternaire...................... 248 Configurations intégrant un couplage thermique des colonnes .................... 251 Espace de recherche de la configuration optimale ....................................... 251

Recherche de la configuration optimale ......................................................... 252 Critère d’optimalité : minimisation du débit de vapeur ............................... 252 Débit minimal de vapeur pour la séparation d’un mélange ternaire ............. 252 Comparaison du débit minimal de vapeur de différentes configurations ...... 257

Mise en œuvre du couplage thermique ........................................................... 258 Réarrangement des sections de la configuration .......................................... 258 Colonne à cloison ou DWC ........................................................................ 261

Application au fractionnement du pétrole brut .............................................. 261 Caractérisation du pétrole brut et pseudo-composés .................................... 261 Analyse d’une unité de fractionnement de pétrole brut................................ 262


Exercices d’application ................................................................................... 264


DEUXIÈME PARTIE

OPERATIONS DE L’AIR HUMIDE ET PROCÉDÉS DE SÉCHAGE ....... 265

DÉFINITIONS ET DIAGRAMMES DE L’AIR HUMIDE ................................... 267

Définitions et principales relations caractérisant l’air humide..................... 267 Qualification de l’air et pressions considérées ........................................... 267 Quantification de la teneur en eau de l’air ................................................. 268 Températures caractérisant l’air humide .................................................... 269 Masse volumique et volume massique de l’air humide .............................. 270 Enthalpie massique et capacité calorifique massique de l’air humide ......... 270 Valeurs numériques relatives à l’air et à l’eau ........................................... 272

Température du bulbe humide ...................................................................... 274 Définition et représentation des couches limites de transfert ...................... 274 Expression des flux de transfert................................................................. 275 Température stationnaire de l’eau et expression de l’isotherme humide ..... 276 Analogies de transfert et coefficient psychrométrique................................ 277

Évolution isenthalpe de l’air humide ............................................................. 279

Température de saturation adiabatique ........................................................ 279

Diagrammes psychrométriques et analyses graphiques associées ................ 281 Les différents types de diagramme ............................................................ 281 Représentation graphique d’opérations sur l’air humide ............................ 284

Mesure de l’humidité de l’air ........................................................................ 286

Remarques conclusives .................................................................................. 286

Exercices d’application .................................................................................. 287

OPÉRATIONS INDUSTRIELLES DE L’AIR HUMIDE ........................................ 289

Généralités et éléments technologiques ............................................................ 289 Classification des opérations et profils interfaciaux associés ........................ 289 Technologies des tours de refroidissement par contact direct ....................... 291 Étapes de modélisation d’un contacteur ....................................................... 295

Modélisation d’un contacteur air – eau opéré à contre-courant ..................... 296 Notations, analyse du système et hypothèses................................................ 296 Établissement des équations du modèle ....................................................... 297 Expression adimensionnelle du modèle ....................................................... 301 Profils spatiaux de température des phases, de débit d’eau et d’humidité ...... 304

Modèle simple d’un refroidissement d’eau à contre-courant .......................... 305 Simplification du système algébro-différentiel ............................................. 305 Représentation graphique de l’enthalpie interfaciale et de la droite de bilan . 307


Température minimale de l’eau en sortie de la tour ...................................... 307 Débit minimal d’air ..................................................................................... 308 Hauteur de la tour de refroidissement .......................................................... 309 Humidité absolue maximale et température minimale de l’air sortant ........... 310 Rapport des débits massiques et pertes relatives d’eau ................................. 311

Refroidissement d’eau ou d’air par pulvérisation ........................................... 312 Hypothèses et équations du modèle ............................................................. 312 Représentation graphique de l’enthalpie interfaciale et de la droite de bilan . 313

Procédés d’humidification de l’air ................................................................... 315 Modélisation des procédés d’humidification à évaporation .......................... 315 Représentation graphique des opérations d’humidification ........................... 320



DÉFINITIONS ET CONCEPTS LIÉS AU SÉCHAGE ............................................. 327

Généralités .......................................................................................................... 327 Déshydratation et séchage ............................................................................. 327 Séchage par ébullition et séchage par entraînement ....................................... 328 Poids économique du séchage ....................................................................... 329 Le séchage dans les industries chimiques ...................................................... 329

Humidité absolue du solide et vitesse de séchage .............................................. 330 Définitions des humidités absolues du solide et de la vitesse de séchage........ 330 Humidité absolue à l’équilibre et isotherme d’adsorption .............................. 331 Estimation de la vitesse de séchage ............................................................... 332

Séchage convectif de solides à structure poreuse ou granulaire ....................... 333 Mécanisme de migration de l’eau vers l’interface gaz-liquide ....................... 333 Phases de séchage d’un solide poreux ou granulaire ...................................... 333 Courbe caractéristique de séchage et estimation du temps de séchage ............ 336

Séchage convectif de solides à structure continue ou cellulaire ........................ 340 Généralités concernant la théorie diffusionnelle ............................................ 340 Modélisation de la diffusion instationnaire et nombre de Fourier ................... 340 Vitesse instantanée de séchage d’un solide à structure continue ou cellulaire . 343

Exemples de courbes caractéristiques de séchage ............................................. 344



ÉLÉMENTS D’ANALYSE ET DE CALCUL DE SÉCHEURS CONVECTIFS ............ 349

Technologies de séchage.................................................................................... 349


DEUXIÈME PARTIE

OPERATIONS DE L’AIR HUMIDE ET PROCÉDÉS DE SÉCHAGE ....... 265

DÉFINITIONS ET DIAGRAMMES DE L’AIR HUMIDE ................................... 267

Définitions et principales relations caractérisant l’air humide..................... 267 Qualification de l’air et pressions considérées ........................................... 267 Quantification de la teneur en eau de l’air ................................................. 268 Températures caractérisant l’air humide .................................................... 269 Masse volumique et volume massique de l’air humide .............................. 270 Enthalpie massique et capacité calorifique massique de l’air humide ......... 270 Valeurs numériques relatives à l’air et à l’eau ........................................... 272

Température du bulbe humide ...................................................................... 274 Définition et représentation des couches limites de transfert ...................... 274 Expression des flux de transfert................................................................. 275 Température stationnaire de l’eau et expression de l’isotherme humide ..... 276 Analogies de transfert et coefficient psychrométrique................................ 277

Évolution isenthalpe de l’air humide ............................................................. 279

Température de saturation adiabatique ........................................................ 279

Diagrammes psychrométriques et analyses graphiques associées ................ 281 Les différents types de diagramme ............................................................ 281 Représentation graphique d’opérations sur l’air humide ............................ 284

Mesure de l’humidité de l’air ........................................................................ 286

Remarques conclusives .................................................................................. 286

Exercices d’application .................................................................................. 287

OPÉRATIONS INDUSTRIELLES DE L’AIR HUMIDE ........................................ 289

Généralités et éléments technologiques ............................................................ 289 Classification des opérations et profils interfaciaux associés ........................ 289 Technologies des tours de refroidissement par contact direct ....................... 291 Étapes de modélisation d’un contacteur ....................................................... 295

Modélisation d’un contacteur air – eau opéré à contre-courant ..................... 296 Notations, analyse du système et hypothèses................................................ 296 Établissement des équations du modèle ....................................................... 297 Expression adimensionnelle du modèle ....................................................... 301 Profils spatiaux de température des phases, de débit d’eau et d’humidité ...... 304

Modèle simple d’un refroidissement d’eau à contre-courant .......................... 305 Simplification du système algébro-différentiel ............................................. 305 Représentation graphique de l’enthalpie interfaciale et de la droite de bilan . 307


Température minimale de l’eau en sortie de la tour ...................................... 307 Débit minimal d’air ..................................................................................... 308 Hauteur de la tour de refroidissement .......................................................... 309 Humidité absolue maximale et température minimale de l’air sortant ........... 310 Rapport des débits massiques et pertes relatives d’eau ................................. 311

Refroidissement d’eau ou d’air par pulvérisation ........................................... 312 Hypothèses et équations du modèle ............................................................. 312 Représentation graphique de l’enthalpie interfaciale et de la droite de bilan . 313

Procédés d’humidification de l’air ................................................................... 315 Modélisation des procédés d’humidification à évaporation .......................... 315 Représentation graphique des opérations d’humidification ........................... 320



DÉFINITIONS ET CONCEPTS LIÉS AU SÉCHAGE ............................................. 327

Généralités .......................................................................................................... 327 Déshydratation et séchage ............................................................................. 327 Séchage par ébullition et séchage par entraînement ....................................... 328 Poids économique du séchage ....................................................................... 329 Le séchage dans les industries chimiques ...................................................... 329

Humidité absolue du solide et vitesse de séchage .............................................. 330 Définitions des humidités absolues du solide et de la vitesse de séchage........ 330 Humidité absolue à l’équilibre et isotherme d’adsorption .............................. 331 Estimation de la vitesse de séchage ............................................................... 332

Séchage convectif de solides à structure poreuse ou granulaire ....................... 333 Mécanisme de migration de l’eau vers l’interface gaz-liquide ....................... 333 Phases de séchage d’un solide poreux ou granulaire ...................................... 333 Courbe caractéristique de séchage et estimation du temps de séchage ............ 336

Séchage convectif de solides à structure continue ou cellulaire ........................ 340 Généralités concernant la théorie diffusionnelle ............................................ 340 Modélisation de la diffusion instationnaire et nombre de Fourier ................... 340 Vitesse instantanée de séchage d’un solide à structure continue ou cellulaire . 343

Exemples de courbes caractéristiques de séchage ............................................. 344



ÉLÉMENTS D’ANALYSE ET DE CALCUL DE SÉCHEURS CONVECTIFS ............ 349

Technologies de séchage.................................................................................... 349


Sécheur à tambour rotatif, sécheur atomiseur et sécheur pneumatique .......... 350 Sécheur à plateaux fixes ou rotatifs .............................................................. 355 Sécheur à lit fluidisé .................................................................................... 356

Caractéristiques des procédés de séchage ........................................................ 358 Modes d’apport enthalpique ........................................................................ 358 Caractéristiques opératoires des procédés convectifs ou mixtes .................... 361 Enthalpie massique du solide humide .......................................................... 363 Performance énergétique des procédés de séchage convectif ........................ 364

Analyse globale d’un procédé de séchage continu ........................................... 366 Méthodologie de dimensionnement ............................................................. 366 Notations et bilans globaux.......................................................................... 366 Estimation du débit de gaz sec et de sa température de préchauffage ............ 367 Représentation du séchage dans le diagramme de Véron-Casari ................... 368 Temps de séchage du solide et volume du sécheur ....................................... 369

Sécheurs à propriétés de l’air uniformes.......................................................... 369 Séchage de solides à structure poreuse ou granulaires .................................. 370 Séchage de solides à structure continue ou cellulaire.................................... 372

Sécheurs de produits granulaires à écoulement piston des phases .................. 373 Bilans globaux pour un fonctionnement à contre-courant ............................. 373 Modèle unidimensionnel d’un sécheur opéré à contre-courant ..................... 374 Modèle unidimensionnel d’un sécheur opéré à co-courant ........................... 381 Résolution analytique approchée ................................................................. 382



ÉLÉMENTS DE CORRECTION DES EXERCICES ................................................... 393

NOTATIONS ...................................................................................................... 457

RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES .................................................................... 465

LISTE DES TABLEAUX ET DES FIGURES ............................................................. 469

INDEX............................................................................................................... 475

PREMIÈRE PARTIE

SÉPARATION DE MÉLANGES HOMOGÈNES PAR DISTILLATION

La distillation est le sujet de nombreux articles et ouvrages scientifiques, souvent d’une

grande complexité. Le domaine scientifique est vaste. En effet, le dimensionnement des colonnes permettant la séparation de mélanges simples ou complexes, mais également l’intégration thermique des procédés de distillation et la conception optimale de trains de séparation sont d’une grande importance économique.

La première partie de cet ouvrage constitue une introduction à la séparation de mélanges homogènes par distillation. Il ne traite que des aspects assez simples. Le document a été élaboré en s’appuyant sur différents ouvrages, dont la Section 13 du Perry’s Chemical Engineer’s Handbook de Doherty et al. (1) ainsi que les ouvrages de Gorak et Sorensen (2), de Wankat (3), de Petlyuk (4), de Benitez (5), de Seaders, Henley et Roper (6), de Mersmann, Kind et Stichlmair (7) et de Kiss (8). Cette première partie est divisée en sept chapitres, dont le contenu peut être résumé comme suit.

i. Le Chapitre I rassemble quelques éléments de thermodynamique des équilibres liquide-vapeur, indispensables à la compréhension de la séparation de mélanges homogènes par distillation. Ce chapitre est concis et ne saurait se substituer à un cours de thermodynamique des équilibres entre phases.

ii. Le Chapitre II propose une introduction à la distillation continue simple et à la distillation continue fractionnée. Des modèles de différentes complexités et des corrélations permettant le prédimensionnement des installations sont présentés. Ceci d’une part pour la distillation de mélanges binaires et d’autre part pour la distillation de mélanges multiconstituants.

iii. Le Chapitre III présente des éléments concernant la distillation discontinue. La distillation discontinue simple et la distillation discontinue fractionnée sont abordées. Des méthodes de dimensionnement simples sont présentées.

iv. Une introduction à l’analyse graphique de la distillation de mélanges ternaires par l’établissement et l’utilisation de réseaux de courbes de résidus est présentée dans le Chapitre IV.

v. Le Chapitre V présente différentes méthodologies employées afin de séparer des mélanges complexes, azéotropiques ou à faible volatilité relative. La distillation avec variation de pression, la distillation azéotropique hétérogène et la distillation extractive sont abordées. La distillation réactive est également évoquée.


Sécheur à tambour rotatif, sécheur atomiseur et sécheur pneumatique .......... 350 Sécheur à plateaux fixes ou rotatifs .............................................................. 355 Sécheur à lit fluidisé .................................................................................... 356

Caractéristiques des procédés de séchage ........................................................ 358 Modes d’apport enthalpique ........................................................................ 358 Caractéristiques opératoires des procédés convectifs ou mixtes .................... 361 Enthalpie massique du solide humide .......................................................... 363 Performance énergétique des procédés de séchage convectif ........................ 364

Analyse globale d’un procédé de séchage continu ........................................... 366 Méthodologie de dimensionnement ............................................................. 366 Notations et bilans globaux.......................................................................... 366 Estimation du débit de gaz sec et de sa température de préchauffage ............ 367 Représentation du séchage dans le diagramme de Véron-Casari ................... 368 Temps de séchage du solide et volume du sécheur ....................................... 369

Sécheurs à propriétés de l’air uniformes.......................................................... 369 Séchage de solides à structure poreuse ou granulaires .................................. 370 Séchage de solides à structure continue ou cellulaire.................................... 372

Sécheurs de produits granulaires à écoulement piston des phases .................. 373 Bilans globaux pour un fonctionnement à contre-courant ............................. 373 Modèle unidimensionnel d’un sécheur opéré à contre-courant ..................... 374 Modèle unidimensionnel d’un sécheur opéré à co-courant ........................... 381 Résolution analytique approchée ................................................................. 382



ÉLÉMENTS DE CORRECTION DES EXERCICES ................................................... 393

NOTATIONS ...................................................................................................... 457

RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES .................................................................... 465

LISTE DES TABLEAUX ET DES FIGURES ............................................................. 469

INDEX............................................................................................................... 475

PREMIÈRE PARTIE

SÉPARATION DE MÉLANGES HOMOGÈNES PAR DISTILLATION

La distillation est le sujet de nombreux articles et ouvrages scientifiques, souvent d’une

grande complexité. Le domaine scientifique est vaste. En effet, le dimensionnement des colonnes permettant la séparation de mélanges simples ou complexes, mais également l’intégration thermique des procédés de distillation et la conception optimale de trains de séparation sont d’une grande importance économique.

La première partie de cet ouvrage constitue une introduction à la séparation de mélanges homogènes par distillation. Il ne traite que des aspects assez simples. Le document a été élaboré en s’appuyant sur différents ouvrages, dont la Section 13 du Perry’s Chemical Engineer’s Handbook de Doherty et al. (1) ainsi que les ouvrages de Gorak et Sorensen (2), de Wankat (3), de Petlyuk (4), de Benitez (5), de Seaders, Henley et Roper (6), de Mersmann, Kind et Stichlmair (7) et de Kiss (8). Cette première partie est divisée en sept chapitres, dont le contenu peut être résumé comme suit.

i. Le Chapitre I rassemble quelques éléments de thermodynamique des équilibres liquide-vapeur, indispensables à la compréhension de la séparation de mélanges homogènes par distillation. Ce chapitre est concis et ne saurait se substituer à un cours de thermodynamique des équilibres entre phases.

ii. Le Chapitre II propose une introduction à la distillation continue simple et à la distillation continue fractionnée. Des modèles de différentes complexités et des corrélations permettant le prédimensionnement des installations sont présentés. Ceci d’une part pour la distillation de mélanges binaires et d’autre part pour la distillation de mélanges multiconstituants.

iii. Le Chapitre III présente des éléments concernant la distillation discontinue. La distillation discontinue simple et la distillation discontinue fractionnée sont abordées. Des méthodes de dimensionnement simples sont présentées.

iv. Une introduction à l’analyse graphique de la distillation de mélanges ternaires par l’établissement et l’utilisation de réseaux de courbes de résidus est présentée dans le Chapitre IV.

v. Le Chapitre V présente différentes méthodologies employées afin de séparer des mélanges complexes, azéotropiques ou à faible volatilité relative. La distillation avec variation de pression, la distillation azéotropique hétérogène et la distillation extractive sont abordées. La distillation réactive est également évoquée.

14 Première partie. Séparation de mélanges homogènes par distillation

vi. Le Chapitre VI aborde l’empreinte énergétique caractérisant la distillation et les méthodologies qui ont été développées afin de la minimiser. Les différents moyens d’intégration thermique que l’on peut associer à la distillation sont abordés.

vii. Le Chapitre VII présente enfin une introduction à la conception de schémas de séparation, permettant la séparation par distillation de mélanges zéotropiques multiconstituants.

La séparation par distillation fractionnée est mise en œuvre au sein de contacteurs gaz – liquide dédiés, les colonnes à plateaux et les colonnes à garnissage. La compréhension et la caractérisation de l’hydrodynamique des écoulements au sein des colonnes et l’évaluation des caractéristiques de transfert de matière gaz-liquide sont essentielles au dimensionnement des installations. Ces aspects ne sont pas abordés dans cet ouvrage. Ils sont abordés par l’auteure dans le Chapitre XVIII de l’ouvrage Opérations polyphasiques en génie des procédés, hydrodynamique, transferts, réactions, séparations mécaniques (9).

Éléments thermodynamiques des équilibres liquide-vapeur

La séparation par distillation repose sur les caractéristiques de l’équilibre

thermodynamique entre les phases liquide et vapeur. La compréhension et la connaissance des conditions d’équilibre sont de ce fait essentielles. Dans un souci de concision et malgré l’importance qu’il convient d’accorder à l’estimation des caractéristiques de l’équilibre thermodynamique, ce chapitre est limité à la présentation de quelques notions, nécessaires à la compréhension et à la modélisation des procédés de distillation. Le lecteur souhaitant approfondir ses connaissances dans le domaine de la thermodynamique des équilibres entre phases devra consulter des écrits dédiés à la thématique (10), (11).

Équilibre liquide-vapeur d’un corps pur

Les caractéristiques de l’équilibre liquide-vapeur d’un mélange constitué de plusieurs composés chimiques dépendent des caractéristiques de l’équilibre liquide-vapeur des composés purs et de l’interaction de ces composés au sein du mélange. Quelques caractéristiques de l’équilibre liquide-vapeur des corps purs sont brièvement présentées ci-dessous.

Température d’ébullition normale des composés organiques et de l’eau

La température d’ébullition d’un liquide constitué d’un corps pur est fonction de la pression du système. Si la pression augmente, la température conduisant à l’ébullition du liquide augmente également. Ainsi, à une pression de 1 atm, soit 1,01325 bars, l’eau bout à 100,0 °C, mais dans un autocuiseur, dans lequel la pression peut être élevée jusqu’à 1,8 bars, la température d’ébullition de l’eau peut monter jusqu’à 117 °C.

La température d’ébullition normale est définie comme la température d’ébullition du corps pur, lorsque la pression du système est égale à la pression normale. La pression normale a été anciennement fixée à 1 atm puis, en 1982, à 1 bar. Toutefois, il est resté usuel d’indiquer comme température d’ébullition normale, la température d’ébullition à 1 atm. La différence entre les températures d’ébullition à 1 bar et à 1 atm est faible, environ 0,4 °C.

La valeur de la température d’ébullition normale permet de classer les corps purs selon leur facilité à s’évaporer, qui est d’autant plus grande que leur température d'ébullition normale est faible. Ainsi, à 1 atm, la température d’ébullition de l’éthanol est de 78,4 °C, alors que celle de l’eau est de 100,0 °C. L’éthanol est plus volatil que l’eau.

Documents

Séparations thermiques en génie des procédés - EXTRAIT