La distillation fractionnée est l’une des opérations unitaires du génie chimique. Les colonnes de fractionnement sont largement utilisées dans les industries de procédés chimiques où de grandes quantités de liquides doivent être distillées. Ces industries sont le traitement du pétrole, la production pétrochimique, le traitement du gaz naturel, le traitement du goudron de houille, la brasserie, la séparation de l’air liquéfié, la production de solvants hydrocarbonés et d’autres industries similaires, mais c’est dans les raffineries de pétrole qu’elles trouvent leur application la plus large. Dans ces raffineries, la charge de pétrole brut est un mélange complexe à plusieurs composants qui doit être séparé, et on ne s’attend pas à obtenir des composés chimiques purs, mais seulement des groupes de composés dans une gamme relativement restreinte de points d’ébullition, également appelés fractions. C’est l’origine du nom de distillation fractionnée ou fractionnement. Il n’est souvent pas utile de séparer davantage les composants de ces fractions en fonction des exigences du produit et de l’économie.
La distillation est l’un des procédés de séparation les plus courants et les plus gourmands en énergie. L’efficacité de la séparation dépend de la hauteur et du diamètre de la colonne, du rapport entre la hauteur et le diamètre de la colonne, et du matériau qui compose la colonne de distillation elle-même. Dans une usine chimique typique, elle représente environ 40 % de la consommation totale d’énergie. La distillation industrielle est généralement réalisée dans de grandes colonnes cylindriques verticales (comme illustré sur la figure 2) appelées » tours de distillation » ou » colonnes de distillation » dont le diamètre varie d’environ 65 centimètres à 6 mètres et la hauteur d’environ 6 mètres à 60 mètres ou plus.
Les tours de distillation industrielles sont généralement exploitées dans un état stable continu. À moins d’être perturbée par des changements dans l’alimentation, la chaleur, la température ambiante ou la condensation, la quantité d’alimentation ajoutée est normalement égale à la quantité de produit retirée.
La quantité de chaleur entrant dans la colonne depuis le rebouilleur et avec l’alimentation doit être égale à la quantité de chaleur retirée par le condenseur de tête et avec les produits. La chaleur entrant dans une colonne de distillation est un paramètre de fonctionnement crucial, l’ajout d’une chaleur excessive ou insuffisante dans la colonne peut conduire à la formation de mousse, au suintement, à l’entraînement ou à l’inondation.
La figure 3 représente une colonne de fractionnement industrielle séparant un flux d’alimentation en une fraction de distillat et une fraction de fond. Cependant, de nombreuses colonnes de fractionnement industrielles ont des sorties à des intervalles en haut de la colonne de sorte que de multiples produits ayant des plages d’ébullition différentes peuvent être retirés d’une colonne distillant un flux d’alimentation à plusieurs composants. Les produits les plus « légers » ayant les points d’ébullition les plus bas sortent par le haut des colonnes et les produits les plus « lourds » ayant les points d’ébullition les plus élevés sortent par le bas.
Les colonnes de fractionnement industrielles utilisent un reflux externe pour obtenir une meilleure séparation des produits. Le reflux désigne la partie du produit liquide de tête condensé qui retourne à la partie supérieure de la colonne de fractionnement, comme le montre la figure 3.
À l’intérieur de la colonne, le liquide de reflux descendant assure le refroidissement et la condensation des vapeurs ascendantes, augmentant ainsi l’efficacité de la tour de distillation. Plus le reflux et/ou le nombre de plateaux fournis sont importants, meilleure est la séparation par la tour des matières à bas point d’ébullition des matières à haut point d’ébullition.
La conception et le fonctionnement d’une colonne de fractionnement dépendent de la composition de l’alimentation et ainsi que de la composition des produits souhaités. Étant donné une alimentation simple, à composants binaires, des méthodes analytiques telles que la méthode McCabe-Thiele ou l’équation de Fenske peuvent être utilisées. Pour une alimentation à plusieurs composants, des modèles de simulation sont utilisés à la fois pour la conception, le fonctionnement et la construction.
Les « plateaux » ou « plaques » à bulles sont l’un des types de dispositifs physiques, qui sont utilisés pour assurer un bon contact entre la vapeur ascendante et le liquide descendant à l’intérieur d’une colonne de fractionnement industrielle. De tels plateaux sont représentés sur les figures 4 et 5.
L’efficacité d’un plateau ou d’une plaque est généralement inférieure à celle d’un étage d’équilibre théorique efficace à 100%. Par conséquent, une colonne de fractionnement a presque toujours besoin de plus de plateaux réels et physiques que le nombre requis d’étages d’équilibre vapeur-liquide théoriques.
Dans les utilisations industrielles, on utilise parfois un matériau de garnissage dans la colonne au lieu de plateaux, notamment lorsque de faibles chutes de pression à travers la colonne sont nécessaires, comme lors d’un fonctionnement sous vide. Ce matériau de garnissage peut être soit un garnissage à déversement aléatoire (1-3 in ou 2,5-7,6 cm de large) tel que des anneaux de Raschig, soit une tôle structurée. Les liquides ont tendance à mouiller la surface de la garniture, et les vapeurs passent à travers cette surface mouillée, où le transfert de masse a lieu. Des garnitures de formes différentes présentent des surfaces et des espaces vides différents entre les garnitures. Ces deux facteurs affectent les performances du garnissage.