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Guy Collin, 2008-04-09 LES PROCÉDÉS DE SÉPARATION Thermochimie : chapitre 10.

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1 Guy Collin, LES PROCÉDÉS DE SÉPARATION Thermochimie : chapitre 10

2 G = H - T S Les procédés de séparation n Les lois de la thermodynamique prévoient lexistence de constante déquilibre entre phases, entre réactifs et produits dune réaction… n Ainsi établis, ils indiquent quil est généralement impossible dobtenir un produit pur. n Quels sont les procédés mis en jeu dans lindustrie pour contourner ces équilibres et obtenir des produits purs ?

3 G = H - T S La distillation simple n Soient A et B sont deux liquides miscibles en toutes proportions. n Les fractions molaires en phases liquide et gazeuse sont

4 G = H - T S Dans un système idéal n La loi de RAOULT sapplique : P A = x A P° A etP B = (1 x A ) P° B P = P A + P B = x A P° A + (1 x A )P° B La loi de DALTON sécrit : P A = P y A etP B = P y B y A = P A / n En combinant ces deux lois, on obtient : P A = y A P = x A P° A et

5 G = H - T S La volatilité n Les volatilités des composés A et B, v A et v B, sont par définition : n v A = y A / x A et v B = y B / x B n Si la température débullition de A, T A, est inférieure à celle de B, T B, alors v A > 1 et v B < 1, et v B = y B / x B = (1 y A ) / (1 x A ) La volatilité relative est donnée par = v A / v B. On obtient une relation entre y A, x A et.

6 G = H - T S La distillation isobarique La fonction y A = ƒ(x A ) est un morceau darc dhyperbole avec paramètre. varie avec T et on a donc intérêt à avoir une valeur maximum pour obtenir une séparation la plus aisée possible. n Si P est fixé, le système est monovariant. O xAxA yAyA Composition du liquide Composition de la vapeur

7 G = H - T S Diagramme binaire isobare vapeur liquide + vapeur liquide n À lintérieur du fuseau de distillation coexistent en équilibre la phase liquide et la phase vapeur courbe de rosée courbe débullition Vapeur surchauffée A B Composition des phases T TATA TBTB Température

8 G = H - T S Diagramme binaire isobare vapeur liquide n La courbe de rosée correspond à la température à laquelle apparaissent les premières gouttes de liquide. courbe de rosée courbe débullition n La courbe débullition correspond à la température à laquelle apparaissent les premières bulles de vapeur. T TATA TBTB A B Composition

9 G = H - T S Diagramme binaire isobare T TATA TBTB A B yByB xBxB courbe débullition courbe de rosée vapeur liquide + vapeur liquide n Le liquide de composition x B donne une vapeur de composition y B (donc plus riche en A). n En cours de distillation, le liquide sappauvrit plus vite en A quen B. n Il y a impossibilité de séparer A et B purs par distillation simple !

10 G = H - T S Dépt. des sciences fond., Partie de colonne à plateaux liquide vapeur plateau z Plateau z + 1 alimentation reflux distillat Produits lourds Au mouvement vertical ascendant de la vapeur, il correspond un mouvement vertical descendant du liquide.

11 G = H - T S Une colonne à distiller n De la plus petite à la plus grande : Vigreux

12 G = H - T S Colonne à plateaux : mouvements de matières n Lorsquil y a équilibre, les quantités de matières qui transitent sur un plateau sont elles aussi en équilibre. liquide Q n, x n vapeur Q n, y n plateau N° n vapeur Q n 1, y n 1 liquide Q n + 1, x n + 1

13 G = H - T S Partie de colonne à plateaux TATA Température TBTB Pression constante xBxB yByB xBxB x" B y B y" B A pur B pur n Si la colonne est bien conçue, le dernier plateau en haut de colonne ne contient que le produit A pur à la température T A. n Le dernier plateau en bas de colonne (la cuve) ne contient que le produit B pur à la température T B.

14 G = H - T S Efficacité de la colonne n On peut donc calculer le nombre de plateaux théoriques pourvu que lon connaisse la composition du mélange initial et celle du mélange recherché. n Le nombre de plateaux théoriques est donné par la formule de FENSKE : n Cette formule nest valide quà reflux total : il faut que ces déplacements verticaux de liquide et de vapeur soient égaux. n Lefficacité de la colonne est le rapport du nombre de plateaux théoriques au nombre de plateaux réel. n + 1 = Ln y n x o 1 y o 1 y n Ln

15 G = H - T S Diagrammes de Mac CABE et THIELE x 0 x 1 x 2 x 3 y3y2y1y0y3y2y1y0 z Reflux partiel Composition de la phase liquide y0y0 x0x0 x1x1 y1y1 y2y2 x2x2 y3y3 x3x3 Reflux total Composition de la phase vapeur

16 G = H - T S Application aux mélanges azéotropiques n Il est donc possible de séparer deux composés A et B miscibles en toute proportion à laide de la rectification. n Que se passe-t-il dans le cas de mélange azéotropique ? T (°C) acétone chloroforme P = 752 mm Hg n Pour la composition azéotropique le liquide et la vapeur ont la même composition. n En distillation, lazéotrope se comporte comme un produit pur.

17 G = H - T S Dépt. des sciences fond., La rectification azéotropique x(acétone) en solution liquide y(acétone) en phase vapeur 20 % n Le système A-B se divise et se comporte comme deux systèmes A-azéotrope et azéotrope-B. n Dépendant de la composition du mélange à séparer, on obtient un produit pur et lazéotrope. T (°C) acétone chloroforme P = 752 mm Hg composition

18 G = H - T S Lentraînement à la vapeur n Au-dessus dun système de deux liquides complètement non miscibles, la pression de vapeur est la somme des pressions de vapeur des deux constituants purs : n P = P° A + P ° B n Cest une technique de « co-distillation ». n Elle permet dabaisser la température de distillation dun composé thermiquement sensible à sa température normale débullition.

19 G = H - T S La méthode de contre-courant n Soit un solide hydraté, S,nH 2 O, que lon veut déshydrater. S,nH 2 O S + n H 2 Oavec G > O n Ln K P = n Ln P H 2 O n Dans un vase clos à la température T considérée, le composé hydraté est en équilibre avec la vapeur deau : il faudrait travailler à haute température. n On utilise une méthode plus économique appelée la méthode du contre-courant.

20 G = H - T S Méthode du contre-courant : cas du solide hydraté n Au mouvement descendant du solide correspond un mouvement ascendant des gaz. rotation du four solide hydraté galets de rotation du four sortie du solide déshydraté air humide air sec et chaud

21 G = H - T S Le four rotatif Four rotatif : préparation de lalumine, des ciments,...

22 G = H - T S Le four rotatif et... le condenseur n Usages : u les cimenteries, u la fabrication de lalumine, u un soluté partagé entre deux solvants non miscibles,... n Cette technique est aussi celle à la base du fonctionnement du réfrigérant ou du condenseur : la "matière" à éliminer étant la chaleur.

23 G = H - T S Échanges thermiques dans un condenseur T E (A) T E (B) T s (a) T s (B) T S (B) T E (A) T S (a) T E (B) T(A) T(B) T T s (B) T E (A) T(A) T(B) T T S (a) T E (A) T E (B) T s (B) Co-courant Contre-courant

24 G = H - T S Conclusions n Sil est impossible dobtenir un produit pur par distillation simple, la rectification (utilisation de la colonne à plateaux) permet dobtenir une séparation complète de deux constituants à fuseau de distillation simple. n Dans le cas des systèmes azéotropiques on obtient un constituant pur et le mélange azéotropique. n La technique du contre-courant constitue un autre moyen de déplacer artificiellement un équilibre physique (cas du réfrigérant) ou chimique (cas du four rotatif).


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