Introduction
Les colonnes de distillation utilisent un processus de chauffage et de refroidissement pour séparer deux (ou plusieurs) composants mélangés (liquides et/ou gaz) dans leurs états respectifs séparés ou originaux. En termes simples, ce processus est réalisé en chauffant les composants liquides mélangés à une température intermédiaire entre leurs points d'ébullition respectifs, permettant ainsi au liquide ayant le point d'ébullition le plus bas de s'évaporer pour être séparé.
Colonnes de Distillation de Raffinerie
Histoire
Le processus de distillation est l'une des méthodes de séparation et de purification les plus anciennes et les plus couramment utilisées. Ses origines historiques remontent aux Romains, Arabes, Chinois, Indiens et Babyloniens de Mésopotamie il y a plus de 5000 ans, où des preuves de distillation de parfum et d'alcool ont été enregistrées sur les tablettes akkadiennes (vers 1200 av. J.-C.), jusqu'à la période médiévale, et ensuite à la Révolution Industrielle du 19ème siècle où des applications plus modernes ont été développées.
Alambic à Whisky
Colonne de Distillation Continue
Il existe de nombreux types de conceptions de colonnes de distillation, telles que la colonne dite ‘batch’ ou la colonne ‘continue’. Une colonne batch de base est celle où l'alimentation d'entrée (composant liquide/gaz) est distillée entièrement, puis un autre lot d'alimentation est ajouté à la colonne et traité à son tour. Une colonne continue a un flux d'entrée et de sortie constant qui permet un débit beaucoup plus élevé, et le processus ne s'arrête que si une maintenance ou une réparation est nécessaire.
Les deux types de colonnes ont des applications spécifiques relatives à la séparation de deux ou plusieurs composants liquides/gaz, et les deux intègrent divers niveaux de complexité et d'équipements associés pour faciliter le processus global de distillation.
Quelles sont les principales parties d'une colonne de distillation ?
Une colonne de distillation continue typique a plusieurs composants pour faciliter le processus global. Ces quatre principaux composants sont :
- Colonne (intégrant les sections d'enrichissement et de stripping), où la séparation des phases liquide/gaz a lieu.
- Réchauffeur (échangeur de chaleur), qui fournit l'énergie thermique pour vaporiser partiellement l'alimentation d'entrée de la colonne (liquide) pour que le processus de séparation (distillation) ait lieu. L'alimentation d'entrée s'écoule au centre de la colonne et descend à travers la section de stripping jusqu'à la base, avant d'entrer dans le réchauffeur où le liquide d'alimentation est chauffé pour générer la vapeur d'alimentation (par évaporation). Cette vapeur d'alimentation monte à travers la colonne par convection, pour continuer le processus de séparation des composants d'alimentation.
- Condenseur, qui refroidit et condense la vapeur d'alimentation séparée et enrichie au sommet de la colonne avant qu'elle n'entre dans le tambour de reflux.
- Tambour de reflux, qui collecte la vapeur d'alimentation condensée (sous forme liquide), et la divise en deux flux, 1. la sortie du processus de distillation (distillat), et 2. le liquide recyclé du tambour de reflux (reflux), qui est réintroduit au sommet de la colonne, pour enrichir et purifier davantage le distillat.
Composants Principaux d'une Colonne de Distillation Générale
Pour rendre ce processus plus efficace, la colonne de distillation dispose généralement d'une série de plateaux ou trays empilés à l'intérieur de la colonne. Ces plateaux ont des perforations circulaires, et/ou des garnissages métalliques ondulés, pour améliorer la surface de contact liquide/vapeur et donc l'efficacité du processus d'évaporation du liquide d'alimentation. Ce type de colonne est appelé une colonne de distillation fractionnée et soutient la séparation/extraction de plusieurs composants (liquide ou gaz) à différents niveaux dans la colonne.
Colonne de Distillation Fractionnée
Opération de Base et Terminologie de la Colonne de Distillation
Les composants d'alimentation qui doivent être traités dans la colonne de distillation sont introduits près ou au centre de la colonne, dans un plateau central connu sous le nom de plateau d'alimentation.
Diagramme de Flux de Processus de Colonne de Distillation
Ce plateau d'alimentation central divise la colonne en une section supérieure (d'enrichissement) et une section inférieure (de stripping). Le liquide d'alimentation s'écoule dans la colonne et à travers le plateau, puis descend dans la colonne (par gravité) jusqu'au plateau suivant via son conduit de descente, où le composant ‘vapeur’ du liquide d'alimentation est extrait par le processus de distillation à mesure qu'il monte à travers le liquide d'alimentation. Le liquide d'alimentation restant descend dans la colonne et se collecte à la base de la colonne, puis retourne dans le réchauffeur qui vaporise le composant plus léger en composant vapeur du liquide d'alimentation. Cette vapeur continue ensuite le processus de distillation en montant au sommet de la colonne, à travers les plateaux de la colonne où elle entre en contact avec le liquide d'alimentation, extrayant le composant plus léger (vapeur) et s'enrichissant au fur et à mesure. À la base de la colonne, le produit liquide d'alimentation ‘lourd’ (non vaporisé) est retiré de la colonne en tant que composant ‘fonds’.
Chemins de Flux de Liquide et de Vapeur de Colonne de Distillation
La vapeur d'alimentation réchauffée, retournant à la base de la colonne depuis le réchauffeur, s'enrichit en montant à travers la colonne et en ‘entrant en contact’ avec le liquide d'alimentation descendant, avant de sortir de la colonne au sommet, dans le condenseur de refroidissement. Ce liquide condensé entre ensuite dans un réservoir de stockage connu sous le nom de tambour de reflux.
Colonne de Distillation et Tambour de Reflux
Une proportion de ce liquide du tambour de reflux, c'est-à-dire le rapport de reflux, est recyclée au sommet de la colonne, l'enrichissant et le purifiant davantage par contact avec le composant vapeur d'alimentation qui monte à travers les plateaux de la colonne. Enfin, le composant vapeur d'alimentation condensé, qui est maintenant refroidi sous forme liquide par le système de condenseur et de tambour de reflux, est la sortie de la colonne (distillat) qui est récupérée par le processus global de distillation.
Profil de Fonctionnement de la Colonne de Distillation
Il existe certains paramètres de fonctionnement et tendances qui sont communs au processus de colonne de distillation, et une appréciation de ces aspects aidera à acquérir une compréhension générale du processus. En termes simples, la conception de la colonne (diamètre et hauteur, nombre de plateaux/trays, garnissages etc.) et les paramètres de fonctionnement (température, pression, étape d'entrée du liquide d'alimentation etc.) sont optimisés par les concepteurs pour atteindre un équilibre vapeur-liquide interne global (équilibre), basé sur la volatilité (points d'ébullition) des composants liquides d'alimentation. Profil de Fonctionnement de la Colonne de Distillation.
Température et Pression
Le profil de température général à l'intérieur de la colonne est qu'il est plus chaud au sommet et plus frais à la base. Par exemple, dans un processus simple qui a un liquide d'alimentation avec deux composants, la température à la base de la colonne est légèrement plus fraîche que le point d'ébullition du composant d'alimentation plus lourd, et la température au sommet est légèrement plus élevée que le point d'ébullition du composant plus léger, car il est souhaité de créer un environnement pour un équilibre vapeur-liquide à l'intérieur de la colonne. À la base de la colonne, nous avons besoin que le composant d'alimentation lourd reste sous forme de liquide et que le composant plus léger reste sous forme de gaz jusqu'à ce qu'il atteigne le sommet de la colonne, avant d'entrer dans le condenseur et le tambour de reflux. Pour contrôler ces températures, la température de l'échangeur de chaleur du réchauffeur est ajustée pour contrôler la température du composant d'alimentation lourd; le débit de ‘retour’ du tambour de reflux (flux de retour au sommet de la colonne) est utilisé pour contrôler la température des composants plus légers au sommet de la colonne.
Le gradient de pression global de la colonne est une pression ‘plus élevée’ à la base et ‘plus basse’ au sommet. Ce gradient est déterminé par le liquide de l'étape d'alimentation (entrée) tombant à travers les plateaux de la colonne et gênant la vapeur montante s'écoulant à travers le liquide d'alimentation.
En général, pour un processus de distillation en régime permanent, le gradient de pression de la colonne est maintenu aussi constant que possible, en utilisant la température du réchauffeur et le flux du tambour de reflux pour contrôler la composition des flux de composants légers et lourds.