LC11 : Distillation et diagrammes binaires
Bibliographie
Prérequis
Introduction
On lance la distillation fractionnée dès le début de la leçon pour que l’on puisse l’exploiter par la suite.
- On s’intéresse au cours de cette leçon au processus industriel de frabrication du whisky.
- On peut voir ici les diff´erentes étapes de production. Le whisky est issu de l’orge qui est récolté
- puis devient du malt après germination. Le malt est ensuite broyé et mélangé à de l’eau chaude
- on obtient alors un liquide, le mash. Vient ensuite l’´etape de la fermentation durant laquelle le sucre est converti en alcool. Après 3-4 jours, le liquide résultant contient 4% d’alcool, c’est de la bière, le wash. On réalise ensuite la distillation, étape qui nous interesse dans ce cours : elle permet de séparer l’eau de l’alcool dans un alambic, on va voir de quel fa¸con. Ensuite, on laisse le tout vieillir dans des fûts avant de mettre un whisky de qualité controlé dans des bouteilles. Une dernière étape est celle de la dégustation pendant laquelle le client est satisfait ou non de la qualité de son whisky et en particulier de sa teneur en alcool. L’objectif ici va être de comprendre comment est réalisé l’étape de distillation. Elle permet on vient de le comprendre de récupérer à partir du wash, qui est un mélange d’eau et d’alcool majoritairemment, le composé d’intérêt c’est-à-dire l’alcool, ou plus précisement l’éthanol. On veut récupérer l’alcool, purification (l’eau doit être supprimée du mélange).
I. Composition du mélange
On étudie un mélange binaire composé de deux corps purs : l’eau et l’éthanol.
On a un mélange homogène :
- eau et l’éthanol sont totalement miscible
- Il n’y a pas de réactions entre eux.
Fraction molaire en éthanol : xeth = donner l’expression La somme des fractions molaires vaut 1. (xeth + xeau = 1)
Fraction massique en éthanol : weth =
La somme des fractions massiques vaut 1. (weth + weau = 1.) Conversion entre les fractions molaires et les fractions massiques : n =m/M.
Ex : Si on a que de l’eau, neth = 0, xeth = 0. Si on a que de l’éthanol, neau = 0, xeth = 1. donc xeth est entre 0 et 1.
Si on a 15 g d’éthanol pour 131 g d’eau, weth = 10,3%, ce qui permet de calculer xeth = 4%, c’est la composition du wash.
Transition : Lorsque l’on veut réaliser une distillation, une séparation de l’eau et de l’éthanol dans notre cas pour obtenir de l’éthanol pur, on va jouer sur la relation entre les propriétés du mélange et la température de chauffe. Un outil utile pour comprendre ce que l’on fait dans l’industrie est le diagramme binaire.
II. Diagramme binaire isobare
1) Présentation du diagramme
Isobare : Pression constante. On fait le choix ici de ne considérer que les propriétés du mélange en fonction des variations de température. En effet en industrie on joue sur les différentes températures d’ébullition du mélange pour récupérer ce qui nous intéresse. C’est ce que nous allons voir grâce à un outil important : le diagramme binaire. Il va nous permettre de nous renseigner sur la phase du mélange (liquide/vapeur) en fonction de la température. On place en abscisse une fraction molaire d’un des deux composés au choix (xA) (on peut retrouver celle de l’autre en faisant xB=1-xA) et on place la température en ordonnée.
2) Mélange idéal
Ex : Benzène/toluène
On place la fraction molaire du toluène en abscisse. En x=0, il n’y a pas de toluène et il n’y a donc que du benzène. On place alors la température d’ébullition du benzène. En x=1, on a que du toluène, on place donc la température d’ébullition du toluène.
On regarde les deux courbes qui forment un fuseau simple. La courbe du bas est la courbe d’ébullition (on a la formation de la première bulle de vapeur si on chauffe). La courbe du dessus est la température de rosée (disparition de la dernière goutte de liquide si on chauffe).
METHODE: Composition de la 1ère bulle de vapeur.
- On peut lire ensuite la composition de la 1ère bulle de vapeur formée en se reportant sur la courbe de rosée atteinte à Teb du mélange
- par exemple pour xtoluene = 0.5. La bulle est donc composée de 74% de benzène et de 26% de toluène. xtoluene= 26%, xbenzene= 1 − xtoluene= 74%. Il est important de retenir qu’elle n’est pas pure bien que la température d’ébulition du Benzène soit plus faible que celle du Toluène. On aurait pu penser que en chauffant, tout le benzène se vaporisait, puis le toluène restait liquide, jusqu’à sa température d’ébulition, ce n’est pas le cas !
3) Ecart à l’idéalité
On s’intéresse maintenant au diagramme binaire qui nous intéresse, celui de l’eau et de l’éthanol et à celui du chloroforme et de l’acétone. On voit que les courbes d’ébullition et de rosée n’ont pas la même forme que précédemment, elles se croisent en un point. A cette fraction molaire particulière, le mélange est dit aséotrope. Il est soit un minimum soit un maximum. Cet azéotrope se comporte comme un corps pur, en effet, il n’existe qu’une seule température pour laquelle le mélange est diphasique.
III. Distillation
La distillation est une technique de séparation des constituants d’un mélange basée sur la différence de leurs températures d’ébullition. Rq : c’est une technique de séparation si on récupère un composé pur.
1) Distillation simple
On montre le montage de la distillation simple avec tous les éléments et leur rôle. Distillat : Liquide recueilli après distillation (dans l’erlenmeyer) Résidu : Liquide restant dans le balon
Notre but est alors d’obtenir un distillat composé d’éthanol pur à partir d’un mélange de composition initiale xethanol = 4%, le pourcentage d’alcool dans le wash.
On explique le principe sur diapo.
On se rend compte que l’on ne pourra jamais obtenir quelque chose de pur et que plus on attend plus on aura quelque chose de pas pur dans l’erlen.
Limites pour l’exemple du whisky : lorsque l’on réalise la distillation d’une solution d’alcool à travers une distillation simple, le distillat obtenu aura une plus grande concentration d’alcool mais sera tout de même constitué d’eau. Une idée est de distiller de nouveau cette solution afin d’obtenir une concentration en alcool plus élevée surtout si on désire atteindre un volume d’alcool de 80% au plus.
Limites : qualité du distillat non satisfaisante. Plus les températures d’ébulition sont proches, plus elle est inefficace. Ceci va être le rôle de la distillation fractionnée qui on va le comprendre permet un meilleur résultat. (composé pur)
2) Distillation fractionnée
Distillation fractionnée : suite de distillations élémentaires dans une colonne à distiller.
On présente le montage, surtout la colonne de vigreux. Les distillations élémentaires se font au niveau des plateaux de la colonne de vigreux.
On montre les diagramme binaires eau-éthanol pour comprendre le principe.
Remarque : on comprend pourquoi l’alcool vendu en pharmacie est à 96% au maximum. L’éthanol absolu est plus difficile à produire, son coût est donc bien plus élévé.
Le nombre de plateaux théoriques que comporte une colonne pour séparer totalement les 2 constituants est égale au nombre de palliers qui apparaissent dans le diagramme binaire.
3) Efficacité de la distillation
On réalise des mélanges eau-éthanol en proportions différentes - On mesure l’indice de réfraction correspondant à chaque mélange - On obtient une courbe d’étalonnage. Mesure de l’indice de réfraction sur le distillat de la simple et la fractionnée Comparaison sur la courbe d’étalonnage pour conclure que la composition est meilleure. Mesure de l’indice de réfraction : rappel technique de mesure.
Conclusion
Si vous avez le sentiment que la distillation simple est un procédé inefficace, attention, c’est le cas dans cet exemple car on veut une purification du mélange avec deux liquides qui ont des températures d’ébulitions proches. Or si les constituants ont des températures d’´ebulition très différentes ou sont très volatils, la distillation simple est largement suffisante et il ne sert à rien de rajouter une colonne de Vigreux qui viendrait ralentir le procédé. C’est une distillation simple que l’on réalise dans le cas de l’´evaporateur rotatif, qui permet après une synthèse, de purifier un mélange réactionnel, en se débarassant du solvant sous pression réduite.
Evaporateur rotatif