61 VNU DU GL D GULL 94 000CRTIL GOUDOT SBSTIN LKHDRI OMR TP JULIN TP RCTIFICTION nnée universitaire 2004-2005 Université Paris XII - Créteil Maîtrise IUP SIL TP de chimie
TP Rectification SOMMIR INTRODUCTION 2 I. PRINCIP 2 II. MTRILS T MTHODS 2 1. Distillation 2 2. Rectification 2 III. RSULTTS T INTRPRTTIONS 3. Hydrodynamique de la colonne 3 B. tude du fonctionnement de la colonne en reflux total. 3 1. Mise en marche de la colonne 3 2. Détermination de XB et XD ainsi que du NPT minimum. 4 3. Bilan thermique 5 4. Calcul du débit de vapeur (Qv) 5 B. tude de fonctionnement à reflux constant 6 1. Calcul du r min 6 2. Calcul des débits d éthanol en mol/h (D et B) et de la teneur molaire (XD et XB) dans le distillat et dans le bouilleur 8 3. Détermination de Vcalc et Dcalc 9 4. Bilan matière en régime permanent 10 5. NPT et HPT 11 CONCLUSION 11 1
Maîtrise IUP SIL Rectification Goudot / Lakhdari / Tap Introduction Le but de cette expérience consiste en une initiation au processus de rectification continue largement employé en industrie, à l échelle pilote. Dans un premier temps, les caractéristiques hydrodynamiques de la colonne et le point de fonctionnement devront être étudiées. Puis, après une mise en reflux total, nous déterminerons le nombre de plateaux minimal de la colonne et son rendement thermique. Finalement, toujours dans l optique de l étude de la colonne pour un débit d alimentation et un taux de reflux fixés, nous établirons les bilans de matières et thermiques suivi d une construction graphique des droites d enrichissement et d appauvrissement donnant lieu au calcul du NPT et de la HPT. Cette étude nous permettra de conclure sur la qualité du régime permanent. I. Principe La rectification est une méthode physico-chimique permettant la séparation d un mélange liquide de plusieurs constituants (éthanol/eau) avec une bonne pureté, en s appuyant sur leurs propriétés volatiles sous l action de la température. Cette séparation s établit par une série de vaporisations et de condensations caractérisées par un échange de matière entre une phase vapeur ascendante et une phase liquide descendante. Pour une rectification continue, le système est alimenté en permanence par le mélange. n tête de colonne, le liquide le plus volatil (éthanol) est donc le premier vaporisé et sera condensé dans le tronçon d enrichissement. Il sera pour une part soutirée en continu et pour une autre part réinjectée en bas de colonne par reflux. Le produit le moins volatil (eau) se concentrera dans le bouilleur, ou il sera également éliminé en continu. Théoriquement la quantité de matière reste donc toujours identique dans le système. Le fonctionnement est dit : «en régime permanent». II. Matériels et méthodes 1. Distillation Le rebouilleur est en verre, il permet de visualiser l ébullition. Cependant comme il n est pas calorifugé, des pertes thermiques sont a déplorées. Ceci reste tout de même à relativiser car nous ne sommes qu à l échelle pilote et non industrielle. Les trois plateaux de la colonne sont thermiquement isolés. La mise en marche de l appareil est sécurisée. Si le circuit de refroidissement n est pas actif et que le niveau du mélange dans le bouilleur n est pas suffisant alors l activation du chauffage demeure impossible. Cette sécurité permet d éviter l accumulation de vapeur dans l installation en tête de colonne et ainsi de palier à toute augmentation de pression dans l appareil. 2. Rectification La rectification s effectue en continue avec un taux de reflux constant. Le mélange à séparer est préalablement chauffé et sera injecté a débit constant de manière a obtenir un mélange rapide et sans perturber le système. 2
Maîtrise IUP SIL Rectification Goudot / Lakhdari / Tap III. Résultats et interprétations. Hydrodynamique de la colonne La détermination de la zone de fonctionnement caractéristique d une efficacité maximale se fait graphiquement, à l aide d u graphique représentant la perte de charge qui a lieu entre le haut et le bas de la colonne en fonction de la puissance de chauffage et donc du débit de liquide a reflux total. Trois zones sont caractéristiques. Le premier point de cassure, est le point de charge de la colonne, le débit de liquide n est pas suffisant, ainsi le fonctionnement n est pas efficace. Le second point de cassure est le point d engorgement. Ici la différence de pression est trop élevée ce qui implique des risques pour l utilisateur. ntre ces deux points, on a la zone de fonctionnement de la colonne qui correspond à une efficacité maximale. Le point caractéristique se situe à 80% du point d engorgement ce qui laisse une marge suffisante pour la sécurité en assurant un rendement optimal. (annexe 1) Ces points sont déterminés par lecture graphique, les résultats sont regroupés dans le tableau suivant : Puissance de chauffe dp (mbar) Point de charge 30% 0,42 Point d'engorgement 67,14% 1,03 Point de fonctionnement 55% 0,82 Tableau 1 : Caractéristiques de l hydrodynamique de la colonne. B. tude du fonctionnement de la colonne en reflux total. Cette seconde partie, va nous permettre de déterminer le NT et le rendement thermique de la colonne. 1. Mise en marche de la colonne a) Sécurité Le chauffage ne peut être enclenché que si le condenseur est alimenté en eau. Cette sécurité permet d éviter l accumulation de vapeur dans le condenseur, ce qui risquerait de provoquer une augmentation de pression et ainsi d endommager l installation. Une seconde sécurité interne au bouilleur par la présence d un flotteur, permet de fixer un niveau minimum de solution à chauffer. b) Résultats expérimentaux Une fois le chauffage efficient, un laps de temps est nécessaire pour la mise en régime permanent. Des relevées de température et pression au niveau de la colonne sont effectués ainsi qu un relevé des débits et de la température au niveau du condenseur. Les résultats sont regroupés dans le tableau suivant. 3
Maîtrise IUP SIL Rectification Goudot / Lakhdari / Tap Colonne dp Températures Condenseur au TB T1 T2 T3 TD Débit T TS minutes mbar C L/h C 5,2 0,35 84 62 16,5 16,3 16,2 79 8 8,7 9,2 0,36 87* 83 71,9 16,5 16,2 77 8 8,5 13,3 0,45 88 84,8* 79,3* 69,8 16,5 78 8 8,5 15,55 0,6 88,8 85 79,2 77* 77,8* 78 8 12,8 19,05 0,72 89,7 86 78,7 77,7 78 77 8,1 16,3 23,15 0,77 89,4 86,1 78,4 78 78,1 77 8,1 17,5 25,37 0,8 89,1 86,2 78,5 78 78,1 78 8,3 18 P 0,7 91 81,9 78,7 78,2 78,2 70 8,1 18,6 Tableau 2 : Relevé de valeurs expérimentales durant la mise en marche de la colonne c) Interprétations Ce relevé nous permet de faire quelques remarques : La première rend comte d une évolution croissante de la pression, on passe de 0,35 à 0,8 mbar. nsuite, on constate que la stabilisation de la température pour chacun des étages de l installation, se fait selon un ordre logique (symbolisé en vert*) : D abord dans le bouilleur, lieu contenant initialement le mélange à séparer et la résistance chauffante. Puis successivement avec un léger décalage dans le temps les trois plateaux (T1, T2, T3) et enfin au niveau du distillat avec TD. Le troisième point porte sur le fait qu au niveau du condenseur, la température d entrée du fluide froid (eau) est initialement 8,5 C, cette valeur reste stable jusqu au moment ou la température dans le condenseur s élève ici au temps 15,5 min avec un passage de 16,5 à 77,8 C. u vue des résultats, la mise en régime permanent de la colonne est caractérisée par un pression de 0,8 mbar ; une température au bouilleur de l ordre de 89 C, au premier plateau de 86 C, au seconde et ultime de 78 C, enfin une température au condenseur également de 78 C. Remarques : On peut remarquer qu à partir de second plateau, pour un régime permanent, la température ne varie plus et se stabilise au alentour de 78 C. Ce phénomène est dû à la formation de l azéotrope dont la température de formation est justement 78 C. 2. Détermination de XB et XD ainsi que du NPT minimum. l aide de l isobare de bulle du mélange éthanol/eau, on peut déterminer graphiquement la teneur molaire en éthanol dans le bouilleur (X B ) soit : 6,5%. Graphiquement, la teneur molaire en éthanol dans le distillat (X D ) ne peut être déterminée car la formation d azéotrope provoque un palier de température à 78 C à partir d un X de 65 à 70%. Par conséquent la teneur (X D ) sera déterminée par un alcoolomètre puisque la température n est plus un bon indicateur (la stabilité de la température ne signifie plus que la 4
Maîtrise IUP SIL Rectification Goudot / Lakhdari / Tap teneur ne varie pas). On trouve un X D après lecture sur tables de 88,3%, or ceci nous semble excessivement élevé, on suppose une erreur de lecture. Par conséquent on s impose un X D de 85% qui correspond à un NPT min de 13 plateaux. (Voir Isobare de distribution en reflux total). Remarques : Lors du prélèvement (P), pour la détermination de la teneur molaire en éthanol dans le distillat (X D ), le système a été normalement perturbé, ainsi on observe une chute de pression de 0,8 à 0,7 mbar, une élévation de température dans le bouilleur de 89 à 91 C. tant à reflux constant, la fraction retiré (plus importante en éthanol qu en eau) pour analyse ne retourne pas dans le bouilleur, ainsi, on va sensiblement s approcher de la température d ébullition de l eau. 3. Bilan thermique u niveau du condenseur on a : Tve : 78,1 C TS : 18,5 C Qe : 0,0216 Kg/s Φ Tvs : 78,1 C T : 8,3 C Qe : 0,0216 Kg/s Tve : T vapeur entrée Tvs : T vapeur sortie TS : T condenseur sortie T : T condenseur entrée a) Détermination du flux d eau Ici, nous allons nous attacher à calculer le flux d énergie (chaleur) effectivement transmis et le comparé à l énergie fournie afin de calculer les pertes thermiques relatives : Φeau = Qe Cp eau (TS-T) avec Qe: Débit eau (Kg/s) Cp: capacité calorifique de l eau (Kj/Kg/ C) = 0,0216 4,18 (18,5-8,3) = 0,92 kj/s = 920 W puissance effectivement transmise au condenseur. b) Calcul des pertes thermiques La puissance de chauffe est de 55% la puissance maximale (2000 W) soit puissance de chauffe : P = 1100 W. Les pertes thermiques relatives sont (Z) exprimées par: Z = [1-(Φeau / P)] *100 = [1-(920/1100)]*100 = 16,36% 4. Calcul du débit de vapeur (Qv) Φeau =Qv Lv mélange Qv débit de vapeur dans le condenseur Lv est la chaleur latente de vaporisation du mélange éthanol-eau Lv eau = 2539 2,9T = 2539-2,9 78,1= 2312,5 5
Maîtrise IUP SIL Rectification Goudot / Lakhdari / Tap Lv éthanol = 853 Lv mélange = 0,951 853 + (1-0,951) 2312,5 Lv mélange = 924,5 kj/kg nsi : Qv = Φeau / Lv Qv = 0,92 / 924,5 Qv = 9,95 10-4 kg/s Qv = 3,58 kg/h Grandeurs Valeurs Unité X B 6,5 % X D 88,3 % NPT min 13 aucune Φeau 920 W Z (pertes thermiques relatives) 16,36 % Qv 3,58 Kg/h Tableau 3 : Récapitulatif des valeurs déterminées pour la distillation à reflux total Remarques : Les pertes relatives de 16,36% sont essentiellement dues au fait que le bouilleur n a pas été calorifugé afin de visualiser l ébullition. n industrie, celui-ci aurait bien évidemment été isolé thermiquement. B. tude de fonctionnement à reflux constant Le mélange est préchauffé à 86,5 C qui est la température d ébullition du mélange éthanol/eau. Ce mélange sur l isobare de bulle correspond à une fraction d éthanol X F de 9,5%. Ceci permet un échange plus rapide et surtout évite de perturber le système. n théorie, le mélange devrait être introduit au niveau de premier plateau cependant, dans ce cas l insertion se faisant en bas de plateau le mélange retomberait dans le bouilleur. Par conséquent, nous l introduirons dans le second plateau. 1. Calcul du r min Pour la détermination du r min, un titre molaire de 88,3% pour (X D ) s avère graphiquement trop élevé, par conséquent la droite passe au dessus de l isobare de distribution. Or ceci est impossible, nous nous attacherons donc a tracer la tangente à cette isobare, le coefficient directeur de l équation sera déterminée afin de pouvoir calculé r min. Graphiquement on a définie deux points : or a = r/(r+1) Points X Y 1 20 45,5 2 70 75,5 La droite est de la forme : y= ax + b a= (75,5-45,5)/(70-20) = 3/5 = 0.6 donc r = 0.06r+0.6 Donc 0.4r = 0.6 r = 0.6/0.4 = 1.5 Remarques : On trouve un r min de 1,5 c est pourquoi on impose pour la rectification un taux de reflux de 3. 6
Maîtrise IUP SIL Rectification Goudot / Lakhdari / Tap Colonne Condenseur Températures au dp TB T1 T2 T3 TD Débit T TS minutes mbar C L/h C 0 0,74 90,7 88,1 80,6 78,3 78,1 76 8,1 17,6 10 0,73 92,3 89 81,1 78,3 78,1 75 8,2 18 22 0,74 92,6 89,8 81,2 78,3 78,1 76 8,2 17,9 34 0,72 93 90,1 80,7 78,3 78,1 75 8,2 18 46 0,75 93,3 90,3 81,3 78,3 78,1 75 8,3 18 58 0,76 93,5 90,4 80,6 78,3 78,1 74 8,3 18,1 Préchauffe DISTILLT BOUILLUR TP dt Masse D D alcool X D V calc D calc Masse B B alcool X B C min g kg/h mol/h %mol mol/h mol/h g kg/h mol/h %mol 85,6 10 130 0,78 94 82,8 450 2,7 16,2 5,63 85,3 10 130 0,78 94,4 83,8 440 2,64 13,9 4,74 85,3 10 130 0,78 95,1 85,7 430 2,58 12,2 4,11 85,2 10 130 0,78 95,1 85,7 430 2,58 12,2 4,11 85,2 10 130 0,78 95,1 85,7 440 2,64 11,9 4 85,2 10 130 0,78 95,1 85,7 440 2,64 11 3,67 Tableau 4 : Valeurs expérimentales pour la rectification continue a taux de reflux constant Les deux dernières lignes surlignées en rouge sont les données utilisées pour tous les calculs qui suivent, elles représentent le régime permanent. 7
Maîtrise IUP SIL Rectification Goudot / Lakhdari / Tap 2. Calcul des débits d éthanol en mol/h (D et B) et de la teneur molaire (X D et X B ) dans le distillat et dans le bouilleur n x = n + n x = ( ρ. V) M = ρ. V ρ. V + M M a) Relation entre z et x 1 ( V 1 ( V z z = ρ M ρ M 3,239 + 2, 239z + z z M ρ M ρ + V ) ( ρ M ). z V ) = + ρ ρ. z +.(1 z) M M ( M ( M / ρ ) / ρ ) b) Distillat Titre volumique z z= 95,1% Titre massique w : w = z / (1,267-0,267 Z) = 0,951 / (1,267-0,267 * 0,951) = 0,938 Debit distillat ethanoll D a (kg/h) D a = D * w = 0,78 x 0,938 = 0,732 kg/h = 732 g/h Debit distillat ethanol D a (mol/h) D a = Da (g/h) / MM éthanol (g/mol) = 732 / 46 = 15,91 mol/h Débit distillat eau D e (kg/h) D e = D - D a = 0,78-0,732 = 0,0478 kg/h = 47,8 g/h Débit distillat eau D e (mol/h) D e = De (g/h) / MM eau = 47,8/18 D e = 2,65 mol/h insi on obtient Débit distillat D (mol/h) D = D a + D e = 15,91 + 2,65 = 18,56 mol/h Remarques: D a / D = 15,91/18,56 = 85,7 % = X D 8
Maîtrise IUP SIL Rectification Goudot / Lakhdari / Tap c) Bouilleur Titre volumique z z = 11,7% Titre massique w w = z / (1,267-0,267 z) = 0,117 / (1,267-0,267 * 0,117) = 0,0946 Débit bouilleur éthanol B a (kg/h) B a = B * w = 2,62 * 0,0946 = 0,248 kg/h = 248 g/h Debit bouileur ethanol B a (mol/h) B a (mol/h) = B a (g/h) / MM éthanol (g/mol) = 248 / 46 B a = 5,39 mol/h Débit bouilleur eau B e (kg/h) B e (kg/h) = B (kg/h) B a (kg/h) = 2,62-0,248 = 2,372 kg/h = 2372 g/h Débit bouilleur eau B e (mol/h) B e (mol/h) = B e (g/h) / MM eau = 2372 / 18 = 131,77 mol/h insi on obtient Débit bouilleur D (mol/h) B ( mol/h) = B a (mol/h) + B e (mol/h) = 5,39 + 131,77 = 137,169 mol/h Remarques: B a / B = 5,39 / 137,169 = 3,93 % = X B 3. Détermination de V calc et D calc Titre massique eau w eau w eau = 1-w éthanol = 1-0,938 = 0,062 a) V calc 9
Maîtrise IUP SIL Rectification Goudot / Lakhdari / Tap Chaleur latente du mélange lv mélange lv mélange = w eau * lv eau + w éthanol * lv éthanol = 0,062 * (2539 2,9θ) + 0, 938 * 853 = 943,68 J/kg Puissance fournie condenseur Φc ondenseur Φ Condenseur = m eau Cp eau (Ts-Te) = (74/3600) * 4,18 (18,1-8,3) = 0,842 Kj/s soit 842 W Débit volumique condenseur V calc V calc = Φ condenseur / lv mélange = (842/943,68)*(3600/1000) =3,212 Kg/h Masse molaire du mélange MM mélange = X D *MM éthanol + (1-X D )*MM eau = 0,857*46+ (1-0,857)*18 = 41,9 g/mol Débit molaire condenseur V calc V calc = 3212/41,9 = 76,66 mol/h b) D calc r = L / D et V = L + D d où r = ( V D ) / D donc D = V / ( r + 1 ) ainsi D = ( V / 4 ) D calc = V calc /4 =76,66/4 = 19,16 mol/h 4. Bilan matière en régime permanent Nous sommes en régime permanent donc ce qui «entre» est équivalent à ce qui «sort». On cherche a connaître F et X F or on sait que: (1) B + D = F et que (2) F.X F = B.X B + D.X D vec B: Débit molaire dans le bouilleur D: Débit molaire dans le distillat F: Débit molaire dans le filtrat De (1) on en déduit F =137,169+18,56 = 155,729 mol/h 10
Maîtrise IUP SIL Rectification Goudot / Lakhdari / Tap t de (2) on trouve X F = ( B.X B + D.X D ) / F X F = ( 137,169*3,926+18,56*85,7 )/ 155,729 X F = 13,67% 5. NPT et HPT Détermination de l équation de la droite d enrichissement : y = a.x + b r x vec a = = 0, 75 et b = D = 85,7/4 = 21,43 r +1 r +1 On trace sur le graphique isobare de distribution à reflux constant la droite d enrichissement d équation y = 0,75x + 21,43. vec l intersection de la droite d abscisse X F, on peut tracer la droite d épuisement jusqu'à l intersection du point X B et de la droite d équation y = x. l aide de la construction de McCabe et Thiele, on peut déterminer le NPT. Le NPT de la colonne est de 27. La colonne a une hauteur l de 0,75 mètres. Le HPT est donc égale à : HPT= l/nt = 0,75/27 = 0,027 m soit 27 cm. Conclusion Ce TP nous a permis d appréhender le principe de la rectification à l échelle pilote. D ailleurs le bilan énergétique l atteste puisque que le bouilleur non calorifugé contrairement au reste de la colonne contribue à des pertes thermiques relatives à 16,36%. Ceci n est pas négligeable car s il l ont tient compte seulement d une simple lecture de température on constate que la fraction massique d éthanol dans le mélange à séparer (X F = 9,5 %) est bien plus faible que la réalité c'est-à-dire 13.67 %. De plus, le calcul du débit de distillat par un bilan thermique (D calc ) montre un débit plus important que lorsque que celui-ci est calculé par un bilan de matière. Ceci montre que les pertes thermiques sont également importantes au niveau du condenseur. 11