La distillation est une méthode pour séparer les composants d'un mélange liquide en tirant parti de leurs différences de point d'ébullition. Il s'agit d'une séparation liquide-gaz et implique la vaporisation et la condensation ultérieure de chaque liquide. La distillation fractionnée présente certains avantages par rapport à la distillation simple.
Les types courants de distillation sont la distillation simple, la distillation fractionnée, la distillation sous vide et la distillation à la vapeur. Ils diffèrent principalement par la configuration des appareils et leurs applications.
La distillation fractionnée est plus efficace que la distillation simple en séparation en raison d'un nombre élevé de plateaux théoriques. C'est un processus important dans la chimie, l'industrie et la science alimentaire. Les utilisations de la distillation fractionnée comprennent des procédés tels que le dessalement, le raffinage du pétrole brut et la purification chimique.
Types de distillation
La distillation simple n'est efficace que pour les liquides dont les points d'ébullition diffèrent de plus de 30 °C. Au contraire, la distillation fractionnée convient aux séparations plus difficiles, où la différence de point d'ébullition est inférieure à 30 °C.
Théorie de la distillation fractionnée
Pour comprendre comment fonctionne la distillation fractionnée, il faut savoir La loi de Raoult, qui indique que la pression de vapeur d'une solution dépend de la pression de vapeur de chaque composant et de la fraction molaire du composant dans la solution. Tout en maintenant la pression constante, on peut générer un diagramme température-composition.
•••Modifié de Laboratory Technique in Organic Chemistry (quatrième édition, 2014): pages 173-206
Pour un mélange pentane-hexane à une pression atmosphérique, un mélange liquide initial (L1) d'hexane (bp = 69°C) et de pentane (bp = 36°C) bout à 48 °C pour produire de la vapeur V1, qui se condense pour former L2. Après le premier cycle de vaporisation-condensation, le pourcentage de pentane est passé de 48 % à 73 %.
L2 puis se vaporise en V2, entraînant un enrichissement supplémentaire en pentane. L5, qui est le liquide obtenu après quatre cycles, est du pentane presque pur. Chaque cycle de vaporisation-condensation, également appelé plaque théorique, donne une solution plus pure du composant le plus volatil.
Avantages de la distillation fractionnée par rapport à la distillation simple
Dans une configuration de distillation fractionnée, une colonne de fractionnement est généralement placée entre le ballon de distillation et la tête pour augmenter la séparation des liquides du mélange. Ces colonnes ont une plus grande surface sur laquelle des équilibres liquide-vapeur peuvent se produire et donc plaques plus théoriques. Des exemples de colonnes de fractionnement sont les colonnes Vigreux et les colonnes à billes de verre, qui ont six à huit plateaux théoriques.
Dans une distillation simple, une colonne de fractionnement n'est pas utilisée et la vapeur du ballon de distillation passe directement à la condensation. Il n'a qu'un ou deux plateaux théoriques, il ne serait donc pas efficace pour la séparation de mélanges comme L1, qui nécessite plus de quatre cycles de vaporisation-condensation pour se purifier.
Utilisations de la distillation fractionnée
La distillation fractionnée est utilisée dans raffineries de pétrole pour séparer le pétrole brut en hydrocarbures, qui ont des nombres de carbones, des points d'ébullition et des applications différents. Certains des produits isolés comprennent l'essence, le diesel, les huiles et les cires. Cette méthode est également utilisée dans les usines chimiques, le traitement du gaz naturel et les usines de séparation cryogénique de l'air.
La distillation fractionnée est également un technique courante dans les laboratoires de chimie organique. Par exemple, le cyclopentadiène est généralement vendu sous le nom de dicyclopentadiène car le cyclopentadiène peut se dimériser spontanément pour former du dicyclopentadiène. La distillation fractionnée est souvent utilisée pour reconvertir le dicyclopentadiène en cyclopentadiène.
Impact environnemental de la distillation fractionnée
La distillation fractionnée seule n'est pas nocive pour l'environnement. En fait, la distillation fractionnée convertit le pétrole brut, autrement inutilisable, en produits plus précieux. Cependant, les raffineries de pétrole, où est effectuée la distillation fractionnée du pétrole brut, peuvent être une source de pollution si les produits secondaires ne sont pas traités correctement conformément à la réglementation.
Les raffineries sont une source majeure de polluants atmosphériques tels que les particules, les oxydes d'azote et le monoxyde de carbone. Les eaux usées des raffineries provoquent également une pollution des eaux et des sols car elles se déposent dans les aquifères, les sols et les eaux souterraines.