Distillation

Nous expliquons ce qu’est la distillation, des exemples de cette méthode de séparation et les types de distillation qui peuvent être utilisés.

La distillation utilise la vaporisation et la condensation pour séparer les mélanges.

Qu’est-ce que la distillation ?

Une méthode de séparation de phase , qui fait partie des méthodes de séparation par mélange, est appelée distillation . La distillation consiste en l’utilisation consécutive et contrôlée de deux processus physiques : la vaporisation et la condensation , en les utilisant sélectivement pour séparer les composants d’un mélange généralement homogène, c’est-à-dire dans lequel on ne peut distinguer à l’œil nu ses composants.

Les mélanges qui peuvent être séparés en leurs composants individuels par distillation peuvent contenir deux liquides , un solide dans un liquide ou même des gaz liquéfiés . Cette méthode de séparation est basée sur la différence des points d’ébullition (propriété inhérente à la matière , qui est la température à laquelle la pression de vapeur d’un liquide est égale à la pression entourant le liquide) des différentes substances. La substance ayant le point d’ ébullition le plus bas passera d’abord en phase vapeur , puis cette substance se condensera dans un autre récipient, et restera relativement pure.

De cette façon, pour que la distillation soit effectuée correctement, il faut faire bouillir le mélange jusqu’à ce qu’il atteigne le point d’ébullition de l’une des substances constitutives , qui se transformera ensuite en vapeur et pourra être amenée dans un récipient refroidi, dans lequel se condense et redevient liquide.

L’autre substance constitutive, en revanche, restera dans le récipient sans altérations ; mais dans les deux cas nous aurons des substances pures , exemptes du mélange initial.

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La loi de Raoult

Lorsque nous avons un mélange idéal de liquides (mélange dans lequel les interactions entre différentes particules sont considérées comme égales aux interactions entre particules égales), la loi de Raoult est remplie.

Cette loi stipule que la pression de vapeur partielle de chaque composant dans le mélange gazeux est égale à la pression de vapeur du composant pur multipliée par sa fraction molaire dans le mélange liquide.

La pression de vapeur totale est alors la somme des pressions partielles des composants du mélange en phase gazeuse. D’autre part, la fraction molaire d’un composant dans un mélange est une mesure sans dimension de sa concentration. Les grandeurs mentionnées ci-dessus peuvent être calculées à l’aide des équations suivantes :

Où:

  •   p x et p y sont les pressions partielles des composants x et y respectivement dans le mélange vapeur entourant le mélange liquide.
  • p x * et p y * sont les pressions de vapeur des composants x et y.
  • x x et x y sont les fractions molaires des composants x et y dans le mélange liquide.
  • n x et n y sont la quantité de substance des composants x et y dans le mélange liquide.

La loi de Raoult évoquée ci-dessus est valable pour les mélanges idéaux (qui sont un modèle établi par l’homme pour simplifier les études), mais en réalité cette loi subit des déviations lorsque le mélange est réel.

Ainsi, si les différentes particules du mélange ont des forces intermoléculaires plus fortes que les particules du liquide pur, alors la pression de vapeur du mélange est inférieure à la pression de vapeur du liquide pur, produisant un écart négatif par rapport à la loi de Raoult.

Si, d’autre part, les forces intermoléculaires entre les particules dans le liquide pur sont supérieures à celles entre les particules dans le mélange , les particules du mélange pourront plus facilement s’échapper vers la phase vapeur, donc la pression de vapeur de le mélange sera plus important, produisant un écart positif par rapport à la loi de Raoult

Lorsque vous souhaitez distiller un mélange azéotropique (par exemple, de l’éthanol et de l’eau), vous devez ajouter un composant (le benzène, dans ce cas) pour modifier l’azéotrope et ainsi pouvoir séparer les composants du mélange. Un azéotrope est un mélange liquide avec une composition définie qui, lorsqu’il bout, les vapeurs générées ont la même composition que le mélange (ainsi les composants du mélange azéotropique ne peuvent pas être séparés par distillation simple ou fractionnée).

Les azéotropes ont une température d’ébullition définie, par exemple, à une pression de 1 atm, l’éthanol bout à 78,37 ° C et l’eau bout à 100 ° C, tandis que l’azéotrope éthanol-eau bout à 78,2 ° C. c. Les mélanges azéotropiques présentent des écarts négatifs ou positifs par rapport à la loi de Raoult, selon les cas.

Types de distillation

La distillation peut se produire de différentes manières :

  • Distillation simple. La plus basique consiste à faire bouillir le mélange jusqu’à ce que les différents composants soient séparés. C’est une méthode de séparation efficace lorsque les points d’ébullition des composants du mélange diffèrent beaucoup (l’idéal est qu’ils aient une différence d’au moins 25°C, sinon, cela ne garantit pas la pureté totale de la substance distillée).
  • Distillation fractionnée. Elle est réalisée à l’aide d’une colonne de fractionnement, composée de différents plateaux dans lesquels se succèdent vaporisation et condensation, garantissant une plus grande pureté des composants séparés.
  • Distillation sous vide. Réduire la pression jusqu’à ce qu’un vide soit généré catalyse le processus pour réduire le point d’ébullition des composants, car certains ont des points d’ébullition très élevés qui peuvent être réduits lorsque la pression est fortement réduite et, de cette manière, accélérer le processus d’ébullition de la distillation.
  • Distillation azéotropique. C’est la distillation nécessaire pour casser un azéotrope, c’est-à-dire un mélange dont les substances se comportent comme une seule, partageant même le point d’ébullition, de sorte qu’elles ne peuvent pas être séparées par une distillation simple ou fractionnée. Pour séparer un mélange azéotropique, il est nécessaire de modifier les conditions du mélange, par exemple en ajoutant un composant séparateur.
  • Distillation à la vapeur. Les composants volatils et non volatils d’un mélange sont séparés par injection directe de vapeur.
  • Distillation sèche. Elle consiste à chauffer des matières solides sans la présence de solvants liquides , à obtenir des gaz puis à les condenser dans un autre récipient.
  • Distillation améliorée. Aussi appelée distillation alternée ou réactive, elle est adaptée aux cas particuliers de mélanges difficiles à séparer ou ayant le même point d’ébullition.

Exemples de distillation

Le charbon utilise la distillation sèche pour obtenir des combustibles organiques liquides.
  • Raffinage de pétrole. La séparation des différents hydrocarbures présents dans l’ huile est réalisée par distillation fractionnée, en stockant chaque composé issu de la cuisson du pétrole brut dans différentes couches ou compartiments séparés d’une colonne de distillation. Ces gaz montent et se condensent dans les couches supérieures de la colonne, tandis que des substances plus denses telles que l’asphalte et la paraffine restent dans les couches inférieures.
  • Craquage catalytique. C’est le nom donné à certaines distillations sous vide usuelles dans le traitement du pétrole, utilisant des tours à vide pour séparer les gaz de cuisson du pétrole brut. Cela accélère l’ébullition des hydrocarbures et accélère le processus . Le craquage est un type de distillation destructive, dans lequel des hydrocarbures plus gros sont cassés (à des températures élevées et à l’aide de catalyseurs) en hydrocarbures plus petits, qui ont un point d’ébullition plus bas.
  • Épuration de l’éthanol. Pour séparer les alcools tels que l’éthanol de l’eau lors de leur production en laboratoire, une distillation azéotropique est utilisée, en ajoutant au mélange du benzène ou d’autres composants qui favorisent ou accélèrent la séparation, et qui peuvent ensuite être facilement éliminés sans altérer la composition chimique du produit . .
  • Traitement du charbon. Pour obtenir des combustibles organiques liquides, le charbon ou le bois est utilisé par des procédés de distillation sèche, ainsi les gaz émis lors de la combustion peuvent être condensés .
  • Thermolyse des sels minéraux. Diverses substances minérales de grande utilité industrielle sont obtenues par distillation sèche, à partir de l’émanation et de la condensation des gaz obtenus par la combustion des sels minéraux.
  • L’alambic. C’est le nom donné à l’appareil inventé dans l’antiquité arabe, dont le but est de produire des parfums, des médicaments et de l’alcool à partir de fruits fermentés. Dans son fonctionnement, les principes de la distillation sont utilisés : les substances sont chauffées dans une petite chaudière et les gaz produits sont refroidis dans un serpentin qui mène à un autre récipient où le liquide produit par la condensation desdits gaz est recueilli.
  • Fabrication de parfums. La distillation à la vapeur est utilisée pour obtenir des parfums en faisant bouillir de l’eau avec des fleurs conservées pour produire un gaz avec l’odeur désirée qui, une fois condensé, peut ensuite être utilisé comme liquide de base dans les parfums.