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Terminale STL – SPCL Systèmes et Procédés Fiche de synthèse – PARTIE C : la dis

Terminale STL – SPCL Systèmes et Procédés Fiche de synthèse – PARTIE C : la distillation page 1 PARTIE C La distillation 1. Composition d'un mélange 1.1. Fraction molaire et fraction massique Un mélange binaire est composé de deux corps pur A et B. La fraction massique en A noté wA est le rapport de la masse mA de A contenue dans le mélange de A et B sur la masse totale du mélange. B A A totale A A m m m m m w    La somme des fractions massiques d'un mélange est égale à 1. On peut aussi exprimer en pourcentage les fractions massiques. La fraction molaire en A notée xA est le rapport de la quantité de matière nA de A contenue dans le mélange de A et B sur la quantité de matière totale du mélange. B A A totale A A n n n n n x    La somme des fractions molaires d'un mélange est égale à 1. On peut aussi exprimer en pourcentage les fractions molaires. 1.2. Conversion entre les fractions massique et molaire Les applications pratiques en distillation exigent de savoir relier les fractions massiques et molaires. Les relations suivantes s'appliquent en utilisant les masses molaires MA et MB de A et B. – Conversion de la fraction massique wA en fraction molaire xA B B A A A A A M w M w M w x   – Conversion de la fraction molaire xA en fraction massique wA B B A A A A A M x M x M x w      Terminale STL – SPCL Systèmes et Procédés Fiche de synthèse – PARTIE C : la distillation page 2 2. Diagrammes binaires isobares d'équilibre liquide-vapeur 2.1. Courbe d'analyse thermique d'un corps pur (pression constante) Si on chauffe de l'eau liquide à pression constante, la courbe d'analyse thermique montre un palier une fois que la température d'ébullition du corps pur Eb est atteinte. L'ébullition s'effectue donc à une température de changement d'état constante sous la pression considérée. La température n'augmente ensuite que lorsque toute l'eau liquide s'est transformée en vapeur. 2.2. Courbe d'analyse thermique d'un mélange binaire A- B (pression constante) Le chauffage à pression constante d'un mélange binaire A- B liquide conduit à l'apparition de la première vapeur pour une température dite d'ébullition commençante. Cette température ne reste pas constante : l'ébullition se poursuit à des températures croissantes. Deux phases en équilibre coexistent alors : une phase liquide et une phase vapeur. A la disparition de la dernière goutte de liquide, la température continue d'augmenter mais avec une pente différente, correspondant au chauffage d'une seule phase vapeur. Terminale STL – SPCL Systèmes et Procédés Fiche de synthèse – PARTIE C : la distillation page 3 On en conclut que contrairement à un corps pur, l'ébullition ne s'effectue pas à une température fixe mais dans un intervalle de température. Si on réalise la même expérience pour des mélanges binaires A – B de compositions différentes (mélanges 2 et 3), le graphique de droite de la figure suivante montre le même type de courbe d'analyse thermique. Par exemple, pour le mélange de composition 2, le mélange débute son ébullition à la température 1 et la termine à une température 2. Ces deux températures sont alors reportées sur le graphique de gauche pour la composition du mélange 2. En conclusion, les mélanges arrivent à l'ébullition à des températures différentes et ce phénomène se poursuit à des températures croissantes jusqu'à la disparition de la dernière goutte de liquide. Le graphique de gauche de la figure se construit ainsi en relevant chaque fois les températures de début et de fin d'ébullition. Les mélanges ont la composition suivante : – 1 : B pur – 2 : 50 % de B – 3 : 20 % de B – 4 : 0 % de B (A pur) 2.3. Tracé d'un diagramme binaire isobare A partir du tracé des courbes d'analyse thermique, il est possible de réaliser le diagramme binaire isobare. Le principe du tracé est indiqué sur le graphique de gauche de la figure précédente. En abscisse, on choisit dans un mélange binaire d'indiquer la fraction molaire du composé le plus volatil. Le composé le plus volatil est celui qui a la température d'ébullition la plus basse. Deux courbes sont tracées en reliant les points correspondant à des compositions différentes : – courbe des températures d'ébullition commençante (courbe inférieure) – courbe des températures de fin d'ébullition (courbe supérieure) Terminale STL – SPCL Systèmes et Procédés Fiche de synthèse – PARTIE C : la distillation page 4 On observe évidemment que pour les compositions 1 (B pur) et 4 (A pur), les deux températures sont confondues car l'ébullition s'effectue à température constante pour les corps purs. 2.4. Exploitation d'un diagramme binaire isobare La courbe inférieure se nomme la courbe d'ébullition et la courbe supérieure se nomme la courbe de rosée. Remarque : le terme de courbe de rosée s'explique en remarquant que si on décide de refroidir une vapeur, la première goutte de liquide apparaît quand on atteint la température donnée par la courbe supérieure. Trois zones peuvent être distinguées : – partie supérieure : phase vapeur homogène – partie comprise entre les deux courbes : 2 phases (liquide et vapeur) présentes simultanément – partie inférieure : phase liquide homogène La température d'ébullition d'un mélange de composition quelconque se lit directement sur la courbe d'ébullition. Si on considère le chauffage d'un mélange binaire liquide de composition molaire xB, on peut lire la composition de la première bulle de vapeur formée en se reportant sur la courbe de vapeur atteinte à la température d'ébullition du mélange. La composition de cette vapeur se lit en se reportant sur l'axe des abscisses. On remarque que la composition xBV de cette vapeur est plus élevée en B que celle du mélange liquide initial composition xB . Cette constatation a une application directe en distillation. 2.5. Cas d'un diagramme binaire présentant un azéotrope Un grand nombre de mélange présente des diagrammes binaires isobares plus complexes. Dans le cas où les mélanges binaires A – B présentent une phase liquide homogène pour toutes les compositions en B, on observe deux types de diagramme binaire représentés ensuite. Terminale STL – SPCL Systèmes et Procédés Fiche de synthèse – PARTIE C : la distillation page 5 Le mélange A-B de gauche correspond à un mélange avec un azéotrope à point d'ébullition maximum. Le mélange A-B de droite correspond à un mélange avec un azéotrope à point d'ébullition minimum. Sur ces diagrammes on note la présence d'une composition particulière du mélange nommée azéotrope. Pour cette composition xazéo le mélange se vaporise à une température fixe pour une pression donnée comme un corps pur. La vapeur émise a la même composition que le liquide. Les courbes supérieures des deux fuseaux correspondent aux courbes de rosées et les courbes inférieures aux courbes d'ébullition. Les différents domaines liquide et vapeur sont délimités de la même manière aussi. La lecture des températures d'ébullition de ces mélanges ainsi que la recherche des compositions des vapeurs obtenues s'effectuent comme pour les diagrammes sans azéotrope. Dans le cas de ces mélanges, la figure suivante montre que, suivant les cas, la composition des vapeurs obtenues par chauffage d'un mélange binaire liquide est alors plus riche ou moins riche en composé B que le mélange initial. Terminale STL – SPCL Systèmes et Procédés Fiche de synthèse – PARTIE C : la distillation page 6 3. Distillation d'un mélange binaire 3.1. But d'une distillation et dispositifs expérimentaux La distillation est une opération de séparation des constituants d'un mélange basée sur la différence de leurs températures d'ébullition. Les colonnes de distillation comportent toujours les éléments suivants : – un bouilleur : il apporte la chaleur nécessaire pour le chauffage du mélange à sa température d'ébullition et la production de vapeurs. – une colonne de distillation (sauf pour la distillation simple) : elle sépare les constituants après une série de vaporisations – condensations successives ; ces processus se déroulent entre le bouilleur et le sommet de la colonne. – un condenseur : il réalise la condensation des vapeurs au sommet de la colonne et permet ainsi l'obtention d'un distillat liquide. Le condensat est refroidi si le condenseur a également un rôle de réfrigérant. La figure suivante montre les montages des deux types de distillation effectués à l'échelle du laboratoire. Terminale STL – SPCL Systèmes et Procédés Fiche de synthèse – PARTIE C : la distillation page 7 montage de distillation simple (à gauche) et montage de distillation fractionnée (à droite) D'après http://www.jeulin.fr/fr/a-a1000002059-edc1000005/ressource/1001176/Distillation-fractionnee-autour-d- 8217-un-vin-suppose-frelate-au-methanol.html 3.2. Principe d'une distillation et prévision des produits obtenus La composition du distillat obtenu dépend notamment de la nature du mélange A – B initial et de la présence d'une colonne. Dans la suite, le composé B est le plus volatil. L'objectif est d'obtenir un distillat composé de B pur à partir d'un mélange de composition initiale xB0. Distillation simple Sur la figure uploads/s3/ partie-c-la-distillation.pdf