Chap.10

LES PROCÉDÉS
DE SÉPARATION
Thermochimie : chapitre 10
Guy COLLIN, 2014-12-29
Les procédés de séparation



Les lois de la thermodynamique prévoient
l’existence de constante d’équilibre entre phases,
entre réactifs et produits d’une réaction…
Ainsi établis, ils indiquent qu’il est généralement
impossible d’obtenir un produit pur.
Quels sont les procédés mis en jeu dans l’industrie
pour contourner ces équilibres et obtenir des
produits purs ?
G = H - TS
2014-12-29
La distillation simple


Soient A et B sont deux liquides
miscibles en toutes proportions.
Les fractions molaires en phases liquide
et gazeuse sont
G = H - TS
xA
nA
= n +n ,
A
B
yA
NA
= N +N ,
A
B
xB = 1 - xA
nB
= n +n
A
B
en phase liquide
yB = 1 - yA
NB
= N +N
A
B
en phase vapeur
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Dans un système idéal

La loi de RAOULT s’applique :

PA = xA P°A

 P = PA + PB = xAP°A + (1 - xA)P°B


et
PB = (1 - xA) P°B
La loi de DALTON s’écrit :
= P yA
et
PB = P yB yA = PA /
En combinant ces deux lois, on obtient :
PA = yA P = xAP°A et
G = H - TS
PA
o
PA
yA
xA = PA
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La volatilité





Les volatilités des composés A et B , vA et vB , sont par
définition :

vA = yA / xA et
vB = yB / xB
Si la température d’ébullition de A, TA, est inférieure à
celle de B, TB, alors vA > 1 et vB < 1,
et vB = yB / xB = (1 - yA ) / (1 - xA )
La volatilité relative a est donnée par a = vA / vB .
On obtient une relation entre yA, xA et a.
G = H - TS
a xA
yA =
1 + (a- 1) xA
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Composition de la vapeur
La distillation isobarique
yA

a=10
a=3
a=1,5

a=1
xA
G = H - Composition
TS
du liquide
O

La fonction yA = ƒ(xA) est
un morceau d’arc
d’hyperbole avec paramètre
a.
a varie avec T et on a donc
intérêt à avoir une valeur a
maximum pour obtenir une
séparation la plus aisée
possible.
Si P est fixé, le système est
monovariant.
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Diagramme binaire isobare
Vapeur surchauffée courbe de rosée
T
TB
Température
vapeur
liquide + vapeur
TA
courbe d’ébullition
A
G = H - TS

liquide
Composition des phases B
À l’intérieur du fuseau de distillation coexistent
en équilibre la phase liquide et la phase vapeur
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Diagramme binaire isobare
courbe de rosée
T
TB
vapeur
liquide
TA
courbe d’ébullition
A

Composition
B
La courbe de rosée correspond à la température à
laquelle apparaissent les premières gouttes de liquide.
G = H - TS

La courbe d’ébullition correspond à la température à
laquelle apparaissent les premières bulles de vapeur.
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Diagramme binaire isobare
T

Il y a impossibilité
de séparer A et B
purs par distillation
simple !
TA
vapeur

G = H - TS

TB
liquide + vapeur
courbe d’ébullition
A
courbe de rosée
yB
liquide
xB
B
Le liquide de composition xB donne une vapeur
de composition yB (donc plus riche en A).
En cours de distillation, le liquide s’appauvrit
plus vite en A qu’en B.
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Partie de colonne à plateaux
distillat
reflux
vapeur
Plateau
z+1
alimentation
Plateau z
Produits
lourds
G = H - TS
liquide
Au mouvement vertical ascendant de la vapeur, il
correspond un mouvement vertical descendant du
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liquide.
Dépt. des sciences fond.,
Une colonne à distiller

De la plus petite à
la plus grande :
Vigreux
G = H - TS
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Colonne à plateaux :
mouvements de matières
liquide Q’n + 1, xn + 1
vapeur Q’n, yn
plateau N° n
liquide Qn , xn
G = H - TS

vapeur Qn - 1, yn - 1
Lorsqu’il y a équilibre, les quantités de matières qui
transitent sur un plateau sont elles aussi en équilibre.
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Partie de colonne à plateaux
Si la colonne est bien
conçue, le dernier
plateau en haut de
colonne ne contient que
le produit A pur à la
température TA .

Le dernier plateau en
bas de colonne (la
cuve) ne contient que le
produit B pur à la
température TB.
G = H - TS

Pression constante
Température
TB
TA
A pur
x"B x’B xB B pur
y"B y’B yB
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Efficacité de la colonne


On peut donc calculer le nombre de plateaux
théoriques pourvu que l’on connaisse la composition
du mélange initial et celle du mélange recherché.
Le nombre de plateaux théoriques est donné par la
formule de FENSKE :
n+1 =
y
 n
Ln
xo
1 - y 
o

1 - y 

n
Ln a
Cette formule n’est valide qu’à reflux total : il faut que ces
déplacements verticaux de liquide et de vapeur soient égaux.

L’efficacité de la colonne est le rapport du nombre de
G = H - TS
plateaux théoriques au nombre de plateaux réel.

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Composition de la phase vapeur
Diagrammes de Mac CABE
et THIELE
Reflux total
Reflux partiel
y3
y3
y2
y2
y1
y1
y0
y0
G = H - TS
z
x0
x1
x2
x3
x0
x1
x2
x3
Composition de la phase liquide
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Application aux mélanges
azéotropiques


Il est donc possible de séparer
deux composés A et B
miscibles en toute proportion à
l’aide de la rectification.
Que se passe-t-il dans le cas
de mélange azéotropique ?
64
T (°C)
60
56
P = 752 mm Hg
acétone
chloroforme
G
 =
Pour
H -laTcomposition
S
azéotropique le liquide et la vapeur ont la

même composition.
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En distillation, l’azéotrope se comporte comme un produit pur.
y(acétone) en phase vapeur
La rectification azéotropique
64
20 %
60
56
x(acétone) en solution liquide

G = H - TS

T (°C)
P = 752 mm Hg
acétone
composition chloroforme
Le système A-B se divise et se comporte comme deux
systèmes A-azéotrope et azéotrope-B.
Dépendant de la composition du mélange à séparer, on
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obtient un produit pur etDépt.
l’azéotrope.
des sciences fond.,
L’entraînement à la vapeur



Au-dessus d’un système de deux liquides
complètement non miscibles, la pression de
vapeur est la somme des pressions de vapeur des
deux constituants purs :

P = P°A + P °B
C’est une technique de « co-distillation » .
Elle permet d’abaisser la température de
distillation d’un composé thermiquement sensible
à sa température normale d’ébullition.
G = H - TS
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La méthode de contre-courant
Soit un solide hydraté, S,nH2O, que l’on veut
déshydrater.

S,nH2O  S + n H2O avec DG > O

Ln KP = n Ln PH2O

Dans un vase clos à la température T considérée,
le composé hydraté est en équilibre avec la vapeur
d’eau : il faudrait travailler à haute température.

On utilise une méthode plus économique appelée
G = H - T S la méthode du contre-courant.

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Méthode du contre-courant :
cas du solide hydraté
rotation du four
solide
hydraté
air humide
galets de rotation du four
G = H - TS

air sec et chaud
sortie du
solide
déshydraté
Au mouvement descendant du solide
correspond un mouvement ascendant des gaz.
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Le four rotatif
G = Four
H - Trotatif
S
: préparation de l’alumine, des ciments, ...
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Le four rotatif
et . . . le condenseur


Usages :
 les cimenteries,
 la fabrication de l’alumine,
 un soluté partagé entre deux solvants non
miscibles, ...
Cette technique est aussi celle à la base du
fonctionnement du réfrigérant ou du condenseur :
la "matière" à éliminer étant la chaleur.
G = H - TS
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Échanges thermiques
dans un condenseur
 TE(B)
TS(B)
Ts(a)


TE(A)
TS(a)


TE(A)
 Ts(B)
 TE(B)
T
T
TE(A)
TE(A)
T(A)
T(B)

T(A)
Ts(B)
Ts(B)


T(B)
TS(a)
TE(B)
G = H - TS
Co-courant
Contre-courant
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Conclusions



S’il est impossible d’obtenir un produit pur par distillation
simple, la rectification (utilisation de la colonne à plateaux)
permet d’obtenir une séparation complète de deux
constituants à fuseau de distillation simple.
Dans le cas des systèmes azéotropiques on obtient un
constituant pur et le mélange azéotropique.
La technique du contre-courant constitue un autre moyen
de déplacer artificiellement un équilibre physique (cas du
réfrigérant) ou chimique (cas du four rotatif).
G = H - TS
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