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1 Introduction En chimie organique, les méthodes de séparation consistent à sép

1 Introduction En chimie organique, les méthodes de séparation consistent à séparer, d’extraire les produits désirés du mélange réactionnel. Il en existe plusieurs parmi lesquelles la technique de distillation fractionnée qui est soumise à notre étude et plus particulièrement en industrie dans le raffinage du pétrole brut. Dans l’optique de mieux cerner cette méthode nous allons nous appesantir sur le plan qui suit. I. Distillation I.1-Distillation simple Elle consiste à chauffer une solution homogène composée d'au moins deux entités chimiques dont les températures d'ébullition sont assez éloignées afin de les séparer. En effet le constituant le plus volatil du mélange s'évapore en premier sous l'effet de la chaleur; il s'échappe ensuite dans le réfrigérant qui permet sa condensation. Le liquide ainsi obtenu pourra être recueilli dans une éprouvette graduée : on l'appelle le distillat. A l'inverse, le constituant resté dans le ballon est le moins volatil. I.2-Distillation fractionnée La distillation fractionnée est basée sur le même fonctionnement que la distillation simple à ceci près qu'elle permet la séparation de deux corps mélangés dont les températures d'ébullition sont proches. I.2.1- colonne de vigreux La colonne de Vigreux permet par condensation successive des différents composants une séparation plus précise des corps présents. En effet, la température diminuant le long de la colonne, les différents composants ne se condensent pas à la même hauteur. Cela est dû à la 2 présence de petits «pics» à l'intérieur de la colonne qui vont gêner le passage de vapeurs encore chargées d'eau, donc celles-ci vont retomber dans la solution. Schéma de la distillation fractionnée à l’aide d’une colonne de vigreux I.2.2-colonne à plateaux Elle s'effectue à plus grande échelle : c'est à dire pour le raffinage du pétrole au niveau industriel. Cette opération se déroule dans de hautes tours appelées colonne à plateaux, elle comporte un grand nombre d'étages au niveau desquels s'effectuent les différentes distillations. La vapeur provenant du plateaux inférieur se mélange au liquide du plateaux centrale. Ce faisant, elle s'appauvrit en constituants les moins volatils et s'enrichit en constituant les plus volatiles. La vapeur émise par le liquide du plateau central s'élève alors vers le plateau supérieur où un phénomène semblable à lieu, tandis que le surplus de liquide du plateau central est rejeté vers le plateau inférieur. Lorsque le régime permanent est établi, la température de chaque plateau est constante et d'autant plus basse que le plateau est placé plus haut dans la colonne. Celle-ci est parcourue par un flux ascendant de vapeur et descendant de liquide. De ce fait, les produits les plus volatils sont recueillis en haut de la colonne et les moins volatils en bas. 3 II. Application industrielle : raffinerie du pétrole Le raffinage du petrol débute par la distillation, ou fractionnement, du pétrole brut en vue de le séparer en différents groupes d’hydrocarbures. Les produits obtenus dépendent directement des caractéristiques du brut traité. On transforme ensuite la plupart de ces produits de distillation en produits plus facilement utilisables, en modifiant leurs structures physique et moléculaire par craquage, reformage et par d’autres procédés de conversion, puis on soumet les produits obtenus à divers procédés de traitement et de séparation tels que l’extraction, l’hydrocraquage et l’adoucissement pour aboutir aux produits finis. Dans les raffineries les plus simples, on s’en tient habituellement à la distillation atmosphérique et à la distillation sous vide, alors que, dans les raffineries integers, on procède au fractionnement, à la conversion, au traitement et au mélange, ainsi qu’à la production de lubrifiants, de fiouls lourds et de bitumes; ces refineries prevent abuse comporter des installations de treatment pétrochimique II.1-distillation atmosphérique Comme son nom l'indique, cette distillation s'effectue sous une pression atmosphérique c'est à dire d'un Bar. Elle se produit dans une tour de distillation atteignant entre 50 et 60 mètres de haut pour 7 mètres de diamètre et comporte environ 50 plateaux de fractionnement. Une telle installation permet le traitement jusqu'à 30 000 tonnes de pétrole par jour. Pour se faire, on introduit dans la colonne du pétrole brut à une température de 380°C. Grâce à cette distillation, on récupère les produits suivants : –A moins de 40°C : les gaz et les essences qui seront ensuite séparés grâce à la distillation sous pression élevée. –Entre 40 et 180°C : le naphta. –Entre 180 et 230°C : les kérosènes et les pétroles lampants. –Entre 230 et 360°C : le gazole atmosphérique. –A plus de 360°C : les produits lourds qui vont quitter la colonne par le bas pour subir une distillation sous pression réduite. II.2-distillation sous pression réduite 4 Ensuite les produits lourds vont être traités et séparés grâce à une distillation sous pression réduite (0,1 bar). Cette diminution de la pression va permettre d'abaisser leur température d'ébullition initialement à 400°C pour éviter qu'ils ne se dégradent. Cette distillation sous vide donne 4 catégories principales de produits : les produits à craquer, les bases pour lubrifiants les fiouls lourds et les paraffines. II.3-distillation sous pression élevée Les produits issus de la distillation atmosphérique les plus volatils (les gaz et les essences) vont subir une distillation sous pression élevée afin de les différencier. Pour séparer les constituants ayant des températures d'ébullition basses et très voisines, on augmente la pression lors de la distillation; ainsi leur température d'ébullition est plus élevée et plus distincte. On obtient donc après cette distillation des essences telles que: le méthane et le propane, des naphtas (éthers de pétrole, essence lourde). III .le craquage et le reformage catalytique III.1-le craquage : les procédés L'opération qui consiste à casser les chaines carbonées des hydrocarbures pour obtenir des produits plus légers est le craquage. On distingue divers procédés, qui présentent tous des avantages et des inconvénients. III.1.1-craquage thermique Le procédé de craquage thermique fut développé dans le but d'accroître le rendement de la distillation. Avec ce procédé, les portions les plus lourdes du pétrole brut sont chauffées sous pression et à des températures plus élevées (jusqu'à 800°C). Cela entraîne le fractionnement des grosses molécules d'hydrocarbures en molécules plus petites et accroît le rendement en essence à partir d'un baril de pétrole brut. L'efficacité de ce procédé est toutefois limitée car, aux températures et pressions élevées qui sont utilisées, une grande quantité de coke se dépose dans les réacteurs. Cela rend nécessaire l'augmentation des températures et des pressions pour craquer le pétrole brut. Un procédé de cokéfaction a été inventé qui permet une recirculation des fluides; ce procédé fonctionne plus longtemps, avec une formation de coke plus faible. III.1.2-craquage catalytique Le craquage catalytique s'effectue à 500°C, il est donc moins coûteux en énergie, et à l'aide d'un catalyseur (substance qui déclenche la réaction par sa présence). Il consiste également à "casser" en petites molécules les produits lourds afin d'obtenir des produits légers tels que : - des gaz (le butène pas exemple) - de l'essence - du gazole. Grâce à ce craquage, on améliore la qualité de l'essence, on obtient des caractéristiques supérieures 5 (carburant pour moteurs antidétonation et produits chimiques particuliers). De plus, il permet un meilleur contrôle de la transformation des produits obtenus. I II.1.3-vapocraquage Le vapocraquage est similaire au craquage catalytique : par chauffage il permet d'obtenir des molécules plus petites. Il est réalisé en présence de vapeurs d'eau qui diluent les hydrocarbures pour éviter les réactions parasites aboutissant, par exemple, à la formation de goudrons ou de cokes; comme pour le craquage thermique. III.2-le reformage catalytique Comme nous l'avons vu précédemment, les pétroles bruts ont des compositions différentes et leur distillation donne une grande diversité de produits qui en correspondent pas toujours aux besoins du marché. Ainsi les essences de distillation qui ont un indice d'octane variant de 40 à 50 ne sont pas directement utilisables comme carburants. Il faut modifier la structure de certaines de leurs molécules pour obtenir des essences au pouvoir anti-détonnant plus élevé : c'est le rôle du reformage catalytique. Il comporte 3 opérations. III.2.1-l’isomérisation Les distillats légers dont le point d'ébullition est inférieur à 80°C ne sont pas directement transformables par le reformage catalytique car leurs molécules contiennent moins de six atomes de carbone, seuil des hydrocarbures aromatiques. Il s'avère donc nécessaire d'améliorer leur indice d'octane. Pour cela, il faut faire appel au procédé d'isomérisation qui 6 transforme les hydrocarbures paraffiniques à chaîne droite en hydrocarbures paraffiniques ramifiés dont l'indice d'octane est meilleur. L'opération s'effectue avec des produits sous forme liquide ou gazeuse, entre 20 et 70 bars, à une température de 120 à 200°C, en présence d'hydrogène pour éviter les réactions parasites de craquage, et avec comme catalyseur un métal noble activé par de l'acide chlorhydrique. III.2.2-la cyclisation La cyclisation fournie, par déshydrogénation, des cyclanes à partir des alcanes linéaires ayant le même nombre d'atomes de carbones. III.2.3-la déshydrocyclisation Elle consiste à transformer des alcanes linéaires en composés aromatiques par déshydrogénation et formation de cycles. Ces réactions s'effectuent à une température de l'ordre de 500°C, sous une pression comprise entre 15 et 30 bars, et en présence d'un catalyseur. La nature et la composition du catalyseur dépendent de la charge traitée et des produits qu'on souhaite uploads/Industriel/ distillation-expose-chi56.pdf