recherche de tiers corps pour la distillation azéotropique discontinue
recherche de tiers corps pour la distillation azéotropique discontinue
recherche de tiers corps pour la distillation azéotropique discontinue
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P rocess<br />
rocess<br />
S ystems<br />
ystems<br />
E ngineering<br />
ngineering<br />
P P P<br />
S S S<br />
E E E<br />
ngineering RECHERCHE DE TIERS CORPS POUR<br />
LA DISTILLATION AZÉOTROPIQUE<br />
DISCONTINUE<br />
SIMO 06<br />
O. BAUDOUIN (1) , V. GERBAUD (2) , S. DECHELOTTE (1)<br />
(1) Prosim SA. http://www.prosim.net<br />
(2) Département Procédés Systèmes Industriels<br />
Laboratoire <strong>de</strong> Génie Chimique / ENSIACET
P rocess rocess<br />
rocess<br />
S ystems<br />
ystems<br />
E ngineering<br />
ngineering<br />
P P P<br />
S S S<br />
E E E<br />
SIMO 06<br />
Recherche <strong>de</strong> <strong>tiers</strong> <strong>corps</strong> <strong>pour</strong> <strong>la</strong> distil<strong>la</strong>tion<br />
<strong>azéotropique</strong> <strong>discontinue</strong><br />
Problématique <strong>de</strong> <strong>la</strong> distil<strong>la</strong>tion <strong>azéotropique</strong><br />
Méthodologie <strong>pour</strong> <strong>la</strong> sélection <strong>de</strong> procédé <strong>de</strong> distil<strong>la</strong>tion<br />
<strong>discontinue</strong><br />
Illustration : choix d’un <strong>tiers</strong> <strong>corps</strong> <strong>pour</strong> <strong>la</strong> séparation du<br />
mé<strong>la</strong>nge <strong>azéotropique</strong> eau - acétonitrile<br />
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P rocess rocess<br />
rocess<br />
S ystems<br />
ystems<br />
E ngineering<br />
ngineering<br />
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E E E<br />
SIMO 06<br />
Problématique <strong>de</strong> <strong>la</strong> distil<strong>la</strong>tion <strong>azéotropique</strong><br />
<strong>discontinue</strong> – 1<br />
Principe <strong>de</strong> <strong>la</strong> distil<strong>la</strong>tion :<br />
– Échange entre un liqui<strong>de</strong> à ébullition et sa vapeur<br />
– le constituant avec <strong>la</strong> température d’ébullition <strong>la</strong> plus basse<br />
s’évapore en premier<br />
introduire<br />
F dans le<br />
bouilleur<br />
chauffer le<br />
bouilleur<br />
soutirer<br />
un distil<strong>la</strong>t<br />
azéotrope<br />
67,6% acétonitrile<br />
32,4% eau<br />
eau pure à <strong>la</strong> fin<br />
Interactions entre les molécules<br />
possible (et hé<strong>la</strong>s fréquent) azéotrope<br />
Distil<strong>la</strong>tion c<strong>la</strong>ssique ?<br />
<strong>azéotropique</strong> !<br />
T eau<br />
T ébullition<br />
0<br />
<br />
Liqui<strong>de</strong><br />
Vapeur<br />
L + V<br />
<br />
<br />
x F<br />
Azéotrope à température<br />
d’ébullition minimale<br />
(1 er à bouillir à 349,9K)<br />
<br />
1<br />
T acétonitrile<br />
x composé vo<strong>la</strong>til<br />
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P rocess rocess<br />
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S ystems<br />
ystems<br />
E ngineering<br />
ngineering<br />
P P P<br />
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E E E<br />
SIMO 06<br />
Problématique <strong>de</strong> <strong>la</strong> distil<strong>la</strong>tion <strong>azéotropique</strong><br />
<strong>discontinue</strong> – 2<br />
☺ ajouter un <strong>tiers</strong> <strong>corps</strong> ?<br />
– Ex. eau – acétonitrile + méthanol<br />
Eau (100°C)<br />
[sn]<br />
1 ère<br />
coupe<br />
F<br />
Méthanol (64°C)<br />
[un]<br />
Frontière <strong>de</strong><br />
distil<strong>la</strong>tion<br />
Chemin <strong>de</strong> <strong>la</strong><br />
composition<br />
du bouilleur<br />
2ème coupe<br />
Azéotrope<br />
(76,8°C) [sa]<br />
Acétonitrile (80,3°C)<br />
[sn]<br />
<br />
La sélection du <strong>tiers</strong> <strong>corps</strong> est capitale :<br />
méthanol<br />
1 ère coupe<br />
eau pure à <strong>la</strong> fin<br />
– règles <strong>de</strong> sélection cas homogène et hétérogène (LGC, 2001)<br />
– RegsolExpert® (A<strong>de</strong>me / Prosim / LGC, 2002-2004)<br />
F<br />
azéotrope<br />
2 ème coupe<br />
Méthanol n’est pas un bon <strong>tiers</strong> <strong>corps</strong><br />
dans une colonne <strong>de</strong> rectification<br />
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ystems<br />
E ngineering<br />
ngineering<br />
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S S S<br />
E E E<br />
SIMO 06<br />
Alim.<br />
éthanol eau<br />
P 2<br />
<br />
x azeo à P 2<br />
x azeo à P 1<br />
Méthodologie <strong>pour</strong> <strong>la</strong> sélection <strong>de</strong> procédé <strong>de</strong><br />
distil<strong>la</strong>tion <strong>discontinue</strong> – I<br />
RegSolExpert®<br />
Analyse du mé<strong>la</strong>nge binaire A B à séparer<br />
P 1<br />
Calcul précis <strong>de</strong> l’azéotrope A-B éventuel<br />
critères d’affinité entre<br />
constituants chimiques<br />
<br />
<br />
<br />
2,7Å<br />
Liaison - H<br />
<br />
Evaluation du procédé <strong>de</strong> ba<strong>la</strong>ncement <strong>de</strong> pression<br />
<br />
Pré-sélection du <strong>tiers</strong> <strong>corps</strong> E<br />
<br />
Analyse du système ternaire A B E<br />
Comparaison avec les 224 règles <strong>de</strong> sélection exhaustives<br />
Simu<strong>la</strong>tion du procédé retenu parmi les 326 exhaustifs<br />
Pour chaque A-E ; B-E étape 1<br />
Pour chaque A-B-E<br />
Stabilité <strong>de</strong>s points singuliers<br />
Trouver l’éventuel azéotrope ternaire<br />
Calcul <strong>de</strong>s frontières <strong>de</strong> distil<strong>la</strong>tion<br />
K 1 = y 1 /x 1<br />
K 1>1 K 1
P rocess rocess<br />
rocess<br />
S ystems<br />
ystems<br />
E ngineering<br />
ngineering<br />
P P P<br />
S S S<br />
E E E<br />
SIMO 06<br />
colonne<br />
étape<br />
Pied<br />
Tête<br />
Méthodologie <strong>pour</strong> <strong>la</strong> sélection <strong>de</strong> procédé <strong>de</strong><br />
distil<strong>la</strong>tion <strong>discontinue</strong> – 2<br />
☺ Changer <strong>la</strong> configuration <strong>de</strong> <strong>la</strong> colonne ?<br />
– Colonne <strong>de</strong> rectification (R)<br />
– Colonne <strong>de</strong> distil<strong>la</strong>tion inverse (stripper (S))<br />
F<br />
S 1<br />
B<br />
P 1<br />
ABE<br />
☺<br />
Ex. eau – acétonitrile + méthanol<br />
1 1<br />
B<br />
P 1<br />
ABE<br />
S 2<br />
A-B<br />
P 2<br />
Mé<strong>la</strong>nge A-B<br />
P 2<br />
AE<br />
recycl 2<br />
2<br />
S 3<br />
A<br />
P 3<br />
A<br />
P 1<br />
AB<br />
recycl 3<br />
Règle 9<br />
SSS<br />
P2<br />
AB [sa] (349.9 K)<br />
recycl3<br />
Frontière <strong>de</strong><br />
distil<strong>la</strong>tion<br />
courbe<br />
B - EAU<br />
[sn]<br />
P1<br />
(373.1 K)<br />
A Acétonitrile<br />
[sn] (354.6 K)<br />
Le méthanol est un <strong>tiers</strong> <strong>corps</strong> possible<br />
le diagramme eau – acétonitrile – méthanol obéit à <strong>la</strong> règle 9<br />
séquence associée : SSS ou SSR<br />
S3<br />
F<br />
S1<br />
P3<br />
S2<br />
recycl2<br />
M 120<br />
P #009<br />
S 2.0-2b<br />
Z 11a<br />
AE [un]<br />
(336.8 K)<br />
E – méthanol<br />
[sa]<br />
(337.6 K)<br />
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P rocess rocess<br />
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E ngineering<br />
ngineering<br />
P P P<br />
S S S<br />
E E E<br />
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Choix d’un <strong>tiers</strong> <strong>corps</strong> <strong>pour</strong> <strong>la</strong> séparation <strong>de</strong><br />
l’azéotrope eau - acétonitrile – 1<br />
53 <strong>tiers</strong> <strong>corps</strong> choisis au départ<br />
– analyse <strong>corps</strong> purs : 14 éliminés<br />
(2 soli<strong>de</strong>s + 10 incon<strong>de</strong>nsables + 2 T ébu proche A ou B)<br />
– analyse binaires et ternaires : 17 éliminés<br />
(12 procédés trop complexes + 5 aucune <strong>de</strong>s 224 règles satisfaite)<br />
– Reste 22 <strong>tiers</strong> <strong>corps</strong> possibles<br />
12 légers (T ébu,E < T ébu,A et T ébu,B ) dont méthanol et acrylonitrile<br />
4 intermédiaires (T ébu,A < T ébu,E < T ébu,B )<br />
10 lourds (T ébu,A et T ébu,B < T ébu,E )<br />
Répartition <strong>de</strong>s 22 <strong>tiers</strong> <strong>corps</strong> possibles:<br />
– 9 règles <strong>de</strong> sélection parmi <strong>la</strong> liste <strong>de</strong>s 224 exhaustives,<br />
– …correspondant à 4 c<strong>la</strong>sses <strong>de</strong> diagrammes ternaires parmi les<br />
26 c<strong>la</strong>sses topologiques selon Serafimov,<br />
– Ces 4 c<strong>la</strong>sses sont parmi les plus fréquentes rencontrées !<br />
26% 21%<br />
8,5% 4,0%<br />
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E ngineering<br />
ngineering<br />
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E E E<br />
SIMO 06<br />
Choix d’un <strong>tiers</strong> <strong>corps</strong> <strong>pour</strong> <strong>la</strong> séparation <strong>de</strong><br />
l’azéotrope eau - acétonitrile – 2<br />
Mise en œuvre du procédé<br />
– Tiers <strong>corps</strong> homogènes :<br />
séquences compliquées avec recyc<strong>la</strong>ges RRR, SSR, SSS, SR ou RS<br />
1 nouvel azéotrope binaire<br />
pas <strong>de</strong> nouvel azéotrope ternaire<br />
2 nouveaux azéotropes binaires<br />
1 nouvel azéotrope ternaire<br />
2 mé<strong>la</strong>nges <strong>azéotropique</strong>s à recycler, dont l’azéotrope initial (faible taux <strong>de</strong> séparation )<br />
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ngineering<br />
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SIMO 06<br />
Choix d’un <strong>tiers</strong> <strong>corps</strong> <strong>pour</strong> <strong>la</strong> séparation <strong>de</strong><br />
l’azéotrope eau - acétonitrile – 3<br />
Mise en œuvre du procédé (bis)<br />
– Tiers <strong>corps</strong> hétérogènes<br />
séquences simples R ou S ou RS ou SS<br />
pb thermodynamique<br />
2 nouveaux azéotropes binaires<br />
1 nouvel azéotrope ternaire<br />
La composition <strong>de</strong> tête n’atteint pas <strong>la</strong> zone LLV<br />
(pas assez d’étages dans <strong>la</strong> colonne <strong>de</strong> l’étape R1)<br />
Profil <strong>de</strong><br />
composition<br />
Az ternaire,ABE à<br />
atteindre<br />
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P rocess rocess<br />
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S ystems<br />
ystems<br />
E ngineering<br />
ngineering<br />
P P P<br />
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SIMO 06<br />
Choix d’un <strong>tiers</strong> <strong>corps</strong> <strong>pour</strong> <strong>la</strong> séparation <strong>de</strong><br />
l’azéotrope eau - acétonitrile – 4<br />
Mise en œuvre du procédé (ter)<br />
– Tiers <strong>corps</strong> hétérogènes<br />
séquences simples R ou S ou RS ou SS<br />
pb thermodynamique<br />
Conduite du procédé : politiques <strong>de</strong> reflux versatile mais mal connue<br />
– première étape <strong>de</strong> rectification (R1)<br />
Az ternaire,ABE<br />
Si reflux <strong>de</strong> Az ternaire,ABE , nécessité d’alimenter sur <strong>la</strong> ligne Az ternaire,ABE – A ou<br />
alors, faire une étape S1 à <strong>la</strong> p<strong>la</strong>ce <strong>de</strong> R1<br />
Si reflux <strong>de</strong> <strong>la</strong> phase E-rich, moins <strong>de</strong> contraintes<br />
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P rocess rocess<br />
rocess<br />
S ystems<br />
ystems<br />
E ngineering<br />
ngineering<br />
P P P<br />
S S S<br />
E E E<br />
SIMO 06<br />
Choix d’un <strong>tiers</strong> <strong>corps</strong> <strong>pour</strong> <strong>la</strong> séparation <strong>de</strong><br />
l’azéotrope eau - acétonitrile – 5<br />
Choix final du <strong>tiers</strong> <strong>corps</strong> : acrylonitrile<br />
règle 46<br />
R<br />
eau<br />
acétonitrile<br />
acrylonitrile<br />
– Une seule étape : Rectification<br />
– Éventuelle purification <strong>de</strong> <strong>la</strong> phase aqueuse du distil<strong>la</strong>t<br />
X eau moyenne dans le bac <strong>de</strong> recette : 94,6% mo<strong>la</strong>ire<br />
x acétonitrile moyenne dans le bouilleur = 99,5% mo<strong>la</strong>ire<br />
Taux <strong>de</strong> récupération en acétonitrile = 91,8% massique.<br />
F<br />
Hétéroazéo BE 71,1°C<br />
1 ère coupe<br />
94,6% eau<br />
acétonitrile à <strong>la</strong> fin<br />
(99,5%)<br />
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P rocess rocess<br />
rocess<br />
S ystems<br />
ystems<br />
E ngineering<br />
ngineering<br />
P P P<br />
S S S<br />
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SIMO 06<br />
La distil<strong>la</strong>tion <strong>azéotropique</strong> nécessite <strong>de</strong>s procédés <strong>de</strong> distil<strong>la</strong>tion<br />
complexes où le choix du <strong>tiers</strong> <strong>corps</strong> est primordial.<br />
Conception d’un progiciel RegSolExpert®<br />
– Procédure systématique <strong>de</strong> <strong>recherche</strong> <strong>de</strong> <strong>tiers</strong> <strong>corps</strong><br />
Analyse mé<strong>la</strong>nge binaire A-B à séparer<br />
Évaluation <strong>de</strong> différents procédés <strong>de</strong> distil<strong>la</strong>tion<br />
Présélection <strong>de</strong> <strong>tiers</strong> <strong>corps</strong> E dans une base <strong>de</strong> données<br />
Analyse mé<strong>la</strong>nge ternaire A-B-E : points singuliers, frontières, type, ..<br />
Pour chaque E i , comparaison aux règles publiées<br />
Pour chaque E i , <strong>de</strong>scription <strong>de</strong>s mo<strong>de</strong>s opératoires associés à <strong>la</strong> règle satisfaite<br />
– Base <strong>de</strong> données et modèles thermodynamique : Simulis®<br />
Expertise <strong>de</strong> chaque cas <strong>pour</strong> i<strong>de</strong>ntifier :<br />
– Séquence opératoire complexe<br />
– Impossibilité pratique liée aux caractéristiques thermodynamiques<br />
– Choix final du mo<strong>de</strong> opératoire<br />
Conclusions<br />
Pour faire le choix final : [outil expert] + [savoir faire distil<strong>la</strong>tion]<br />
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