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La distillation consiste à séparer deux liquides ou plus en fonction de leurs points d’ébullition. Cependant, lorsque les points d’ébullition des liquides sont très proches, la séparation par distillation normale devient inefficace ou impossible. La distillation fractionnée est un procédé de distillation modifié permettant de séparer des liquides ayant des points d'ébullition similaires.
Points d'ébullition
Le point d’ébullition d’un liquide est la température à laquelle il se transforme en vapeur. Les liquides conservent leur point d'ébullition caractéristique même lorsqu'ils sont mélangés à d'autres liquides. Ceci représente le principe sous-jacent de la distillation: il est possible de séparer les liquides en convertissant en vapeur le liquide dont le point d’ébullition est le plus bas, puis en reconvertissant cette vapeur à l’état liquide après son transfert dans un récipient séparé.
Distillation
En cours de distillation, le mélange liquide est placé dans un ballon à ébullition, qui est relié à une colonne de refroidissement appelée condenseur, dont l'extrémité opposée est raccordée à un ballon de réception. Le condenseur est horizontal avec une légère pente vers le bas de sorte que la vapeur qui atteint le condenseur et qui est reconvertie en liquide puisse être collectée dans le ballon récepteur. Le département de chimie du Wake Forest College fournit un schéma de la configuration. À la fin de la distillation, le liquide ayant le plus faible point d'ébullition se retrouve dans le ballon récepteur (appelé «distillat») et le liquide ayant le point d'ébullition le plus élevé reste dans le ballon.
Distillation fractionnée
Une installation de distillation fractionnée comprend une colonne supplémentaire placée verticalement au-dessus du ballon d'ébullition et à laquelle le condenseur est connecté. Son but est d'augmenter la distance que doit parcourir la vapeur pour atteindre le condenseur. Les colonnes sont généralement garnies de perles de verre ou de morceaux de céramique afin d’augmenter la surface de contact de la vapeur lors de son transport vers le condenseur.
Au cours de la distillation normale, une quantité substantielle du liquide à point d'ébullition élevé se vaporisera également et sera transportée vers le ballon collecteur, devenant essentiellement une impureté dans le produit distillé. Cela est particulièrement problématique lorsque les liquides à séparer ont des points d'ébullition similaires. Plus le liquide à point d'ébullition élevé entre en contact avec la surface, plus il est susceptible de se condenser en un liquide et de retourner dans le ballon en ébullition. La distillation fractionnée utilise cette surface accrue pour améliorer l'efficacité de la distillation.
Les usages
Les deux principales applications de la distillation fractionnée sont le raffinage du pétrole brut et la fabrication de spiritueux (boissons alcoolisées).
Le pétrole brut contient de nombreux produits chimiques différents, dont beaucoup ont des points d'ébullition similaires. Les raffineries séparent ces produits chimiques par le point d'ébullition en divers produits. Les fractions à bas point d'ébullition deviennent du gaz de pétrole ou de l'essence, les fractions à point d'ébullition intermédiaire deviennent du mazout, du carburant diesel ou du kérosène et les fractions à haut point d'ébullition deviennent de la paraffine ou de l'asphalte.
La fermentation des sucres en alcool cesse lorsque la teneur en alcool approche 13%, car la levure ne peut pas survivre à des concentrations d'alcool plus élevées. Les points d'ébullition de l'alcool (78,5 degrés Celsius) et de l'eau (100 degrés Celsius) sont suffisamment similaires pour que les distilleries doivent utiliser une distillation fractionnée pour concentrer l'alcool à environ 50% (ce que l'on appelle alors des «spiritueux»).
Fait amusant
Le processus de distillation dans une raffinerie de pétrole consomme 2 barils de pétrole en énergie pour 100 barils de pétrole raffiné.