DISTILLATION

Cascade de distillations continues simples

On dispose de plusieurs appareils analogues au précédent, que l'on cherche à faire fonctionner en série. La charge F, de composition x₀, donne, dans l'étage 1 fonctionnant à la température T₁, un liquide L₁ et une vapeur V₁. L₁ est chauffé et partiellement vaporisé à la température T₂ dans l'étage 2, ce qui donne le liquide L₂ qui, dans l'appareil suivant, donne L₃. De même, la vapeur V₁ est refroidie et partiellement condensée à la température T′₂ dans l'étage 2′. La nouvelle vapeur produite V′₂ donne à son tour dans l'élément suivant la vapeur finale V′₃.

L'évolution des phases au cours d'un tel procédé est donnée par la figure b. On constate que, d'une part, les équilibres n'ont pas lieu à la même température ; en effet :

Cascade d'étage fonctionnant à contre-courant

La technique précédente montre tout l'intérêt qu'il y a à vaporiser ou condenser partiellement les effluents de chaque séparateur de distillation continue simple.

La rectification réalise ces vaporisations et condensations successives en faisant s'écouler à contre-courant une phase vapeur et une phase liquide. La vapeur chauffe le liquide dont les éléments légers se vaporisent ; le liquide refroidit la vapeur dont les éléments lourds se condensent. Le transfert de chaleur s'accompagne donc d'un transfert de matière entre les phases.

Le problème pratique consiste à réaliser le contre-courant liquide-vapeur. Dans ce but, on effectue, d'une part, un recyclage de vapeur condensée au sommet de l'appareil et, d'autre part, une vaporisation partielle du liquide en bas de la colonne de distillation. L'alimentation, préalablement chauffée, se vaporise en partie dans sa zone d'admission dans la colonne. La vapeur produite monte dans la tour, traverse le condenseur où elle se liquéfie par refroidissement ; une partie du liquide obtenu est soutirée (c'est le distillat), l'autre est réintroduite dans l'appareil (c'est le reflux liquide qui descend en croisant à contre-courant la vapeur) ; le reflux est particulièrement riche en élément volatil, ce qui provoque un enrichissement de la vapeur en ce constituant léger. Puis le liquide descend dans la colonne, il est partiellement vaporisé dans le rebouilleur ; la vapeur émise monte dans l'appareil à contre-courant du liquide et en chassant de ce dernier ses constituants légers. Le résidu liquide est soutiré au fond de la colonne.

La section supérieure de la tour à distiller (au-dessus de l'introduction de la charge) est la zone d'enrichissement de la vapeur en élément le plus volatil ; elle a pour but d'augmenter la pureté de l'élément léger constituant principalement le distillat ; la section inférieure sert à épuiser le liquide en ce constituant volatil, c'est-à-dire à augmenter son taux de récupération.

Dans une telle colonne, on fournit de la chaleur aux produits par le rebouilleur (dans le bas de l'appareil) et on l'élimine au sommet par l'intermédiaire du condenseur.

Choix de la pression de fonctionnement

La distillation est une opération qui peut s'effectuer sous des pressions extrêmement différentes. Le choix de la pression est ordinairement fixé afin de pouvoir condenser, tout au moins partiellement, la vapeur quittant le sommet de la colonne par échange de chaleur avec un fluide peu coûteux (le plus souvent de l'eau). On cherche aussi à vaporiser une partie du liquide dans le rebouilleur par échange de chaleur avec un produit convenable (vapeur d'eau si possible). Quand ces deux conditions ne peuvent être réalisées simultanément, il pourra être nécessaire soit d'effectuer la condensation à basse température en faisant appel à une machine frigorifique coûteuse, soit d'effectuer la vaporisation par chauffage direct dans un four.

La distillation sous pression sera employée lorsque la charge traitée est très volatile. L'augmentation de la pression provoque l'augmentation de la température de rosée, la vapeur peut alors être condensée par de l'eau. Elle ne pourra pas être pratiquée, d'une part, si les produits ne sont pas stables thermiquement, et, d'autre part, si le liquide de fond de tour atteint ou dépasse sa température critique ; en effet, dans ce dernier cas, il ne peut exister une vapeur et un liquide en équilibre, on ne trouve alors qu'une phase unique, dite supercritique. La réalisation du contre-courant nécessaire à la distillation devient évidemment impossible.

On fera appel à la distillation sous pression inférieure à la pression atmosphérique lorsqu'on aura à distiller un mélange contenant soit des produits fort peu volatils, soit des produits instables thermiquement.