Distillation


Distillation
Une colonne à distiller au musée Stella Matutina de Saint-Leu, à la Réunion.

La distillation est un procédé de séparation de mélange de substances liquides dont les températures d'ébullition sont différentes. Elle permet de séparer les constituants d'un mélange homogène. Sous l'effet de la chaleur, les substances se vaporisent successivement, et la vapeur obtenue est liquéfiée pour donner le distillat.

Dès le XVIIIe siècle, des opérations de « distillation » sont réalisées dans l'industrie pour obtenir entre autres du coke à partir de la houille, ou des gaz manufacturés[1]. Ces opérations doivent être plus justement appelées pyrolyse: le terme « pyrolyse » est apparu probablement au XIXe siècle[2] pour distinguer les opérations de décomposition ou thermolyse, d'un composé organique par la chaleur pour obtenir d'autres produits (gaz et matière) qu'il ne contenait pas: dans la pyrolyse, le matériau est détruit. On peut supposer que par analogie, la cornue en verre utilisée dans les opérations de distillation donnera son nom aux cornues en matériau réfractaire utilisées dans les opérations de pyrolyse bien qu'il n'existe pas grand chose de commun entre les deux.

Sommaire

Histoire

Montage de distillation de Zosime, dans Marcelin Berthelot, Collection des anciens alchimistes grecs (3 vol., Paris, 1887-1888).

Les alchimistes chaldéens et les autres peuples de la Mésopotamie connaissaient déjà au IIe millénaire av. J.‑C. une forme primitive de distillation, qu'ils utilisaient pour préparer les parfums[3]. Puis au Ier siècle de notre ère, les alchimistes grecs l'utilisent couramment[4],[5],[6] mais c'est surtout la demande croissante en liqueurs au Bas-Empire qui entraîne le développement des distilleries[4]. On attribue à Hypatie l'invention d'une méthode de distillation[7], tandis que la première description précise d'une distillerie est due à Zosime de Panopolis au IVe siècle[6],[8].

Distillation à la cornue dans un alambic.
Une colonne à distiller dans un musée en Ukraine

Au VIIIe siècle, les alchimistes du Moyen-Orient usèrent de la distillation afin de purifier certains produits chimiques utilisés dans l'artisanat : des huiles ou esters (pour les parfums) et de l'alcool[9]. Le premier d'entre eux est assurément le perse Geber qui, vers l'an 800, mit au point de nombreux instruments et des méthodes chimiques toujours en usage aujourd'hui. En particulier, son alambic, précurseur des raffineries modernes, est le premier appareil utilisant une cornue pour purifier les substances, et son principe inspirera les micro-distilleries modernes comme la colonne Hickman[10]. C'est également un autre alchimiste perse, Rhazès, qui au IXe siècle, distilla le premier le pétrole ou « bitume de Judée », d'où il tira du kérosène[11], tandis que l'entraînement à la vapeur est une invention due à Avicenne au XIe siècle, pour l'extraction d'huile essentielle[12].

En 1500, l'alchimiste allemand Hieronymus Braunschweig publie le premier livre consacré à cette technique, le Liber de arte destillandi (Livre sur l'Art de Distillation), dont la seconde édition de 1512 sera fortement augmentée.

En 1651, le médecin John French (1616-1657) publie The Art of Distillation, le premier traité anglais sur la pratique de la distillation, bien qu'on ait pu remarquer[13] qu'il empruntait beaucoup à l'ouvrage de Braunschweig. Les diagrammes illustrant le livre insistent davantage sur le travail des ouvriers que sur le fonctionnement de l'installation.

À mesure que l'alchimie se constituait en science avec la chimie, les récipients appelés cornues équipèrent de plus en plus les appareils à distiller. Alambics et cornues sont des récipients munis d'un bec latéral allongé pointant vers le bas faisant condenseur à air : ils servent à condenser le distillat que l'on récupère goutte à goutte à la sortie du tube.

Plus tard, les alambics en cuivre firent leur apparition ; leurs joints rivetés étaient maintenus étanches par différents expédients, comme de la mie de pain obtenue à partir de farine de seigle[14]. Ces alambics comportaient souvent un serpentin traversé d'eau froide ajusté à l'extrémité du bec de la cornue qui, accélérant la condensation, augmentait le rendement de la distillation : c'est cet appareil que les Anglais appellent pot stills.

De nos jours, les cornues et les alambics ont été largement supplantés dans l'industrie par des méthodes de distillation beaucoup plus efficaces. Toutefois, l'alambic est toujours apprécié pour l'élaboration de fines et de liqueurs comme le cognac, le Scotch whisky et certaines vodkas. Les alambics, faits de différentes matières (bois, poterie, acier inox) sont également utilisés de par le monde par les petits producteurs. On vend encore de petits alambics pour la production familiale[15] d'eau de fleur d'oranger ou d'huile essentielle.

Au début du XIXe siècle, les chimistes français jetèrent les bases de l'analyse chimique moderne, notamment en montrant l'importance du pré-chauffage et la rétroaction[16], puis en 1830 un brevet anglais fut délivré à Aeneas Coffey pour une colonne de distillation de whiskey[17], qui tournait en continu et que l'on peut considérer comme l'archétype des raffineries de pétrole modernes. En 1877, Ernest Solvay obtint un brevet américain (U.S. Patent) pour une tour de distillation d'ammoniaque[18], dont il appliqua le principe les années suivantes aux huiles et aux spiritueux.

La promotion du génie chimique en tant que discipline académique à la fin du XIXe siècle amena une étude proprement scientifique des procédés de distillation : ainsi, la distillation la plus simple, à l'application la plus connue (alambic), a été étudiée par le physicien John Rayleigh. Puis au début du XXe siècle, l'industrie pétrolière donna l'élan nécessaire pour développer des procédés détaillés comme la méthode McCabe-Thiele et l'équation de Fenske.

Principe

Le procédé utilise la différence de volatilité (capacité à s'évaporer selon la température) entre les constituants afin de les séparer : le composé le plus volatil s'évaporera plus facilement et composera la majeure partie des vapeurs. Il est ainsi possible de créer une phase gazeuse ayant une composition différente du mélange initial. Par condensation de ces vapeurs, un liquide appelé distillat peut être récupéré avec une concentration élevée du composé le plus volatil.

Le distillat n'est pas un produit pur: il contient encore une petite quantité des autres composés du mélange initial. Il faut dès lors répéter l'opération d'évaporation-condensation avec le distillat afin de concentrer davantage le composé le plus volatil. Ceci est effectué dans une colonne de distillation et se nomme la distillation fractionnée ou rectification.

En fonction des propriétés physiques des constituants, il arrive que des composés aient des volatilités constantes par rapport au mélange initial, et que les vapeurs d'un tel mélange gardent toujours la même composition même si on répète l'opération évaporation- condensation plusieurs fois. Il s'agit d'une mélange azéotropique qui nécessite des conditions spéciales afin de séparer les composants (voir distillation azéotropique).

La distillation peut être effectuée de plusieurs manière: discontinue, continue, sous vide.

Distillation discontinue

Une distillation discontinue est une distillation où le mélange à séparer est chargé une fois dans l'installation et d'où les composants sont distillés les uns après les autres. Ceci implique un changement permanent de la composition du mélange initial et des profils de température.

Distillation continue

Une distillation continue est une distillation où l'installation de distillation est continuellement alimentée avec le mélange à séparer. Ce type d'installation permet de travailler sans modification des profils de composition ainsi que de température.

Distillation sous vide

Certains produits sont trop peu volatiles à pression ambiante ou se décomposent avant de s'évaporer du fait de leur haut point d'ébullition. Dans ce cas, la pression de l'installation est réduite à l'aide d'une pompe à vide afin de réduire le point d'ébullition.

Distillation industrielle

Colonnes de distillation industrielles

La distillation industrielle est un procédé de raffinage qui consiste à traiter le pétrole brut préalablement chauffé à 360 degrés afin d'en séparer les différentes fractions. Après vaporisation, il est envoyé dans une tour de distillation atmosphérique. Chaque niveau de température correspond à une étape du fractionnement et donne un produit spécifique : les produits légers sont recueillis dans la partie supérieure de la tour (butane et propane, essence légère ou naphta), les produits moyens (essence lourde, kérosène et gazole) sont récupérés en soutirage latéral, et le résidu atmosphérique est recueilli au fond de la tour. Cette séparation n'est pas suffisante pour donner toutes les qualités requises à chacun des produits obtenus. Interviennent alors le craquage et le reformage pour les carburants[19].

En procédé industriel et dans le cas d'une distillation discontinue, les premières vapeurs qui passent en tête de colonne sont appelées « têtes de distillation », ensuite vient le cœur (souvent le cœur est la substance qui est recherchée dans le mélange introduit dans le distillateur), puis en fin de distillation apparaissent « les queues de distillation ».

Il existe aussi des techniques de distillation sous vide qui visent à abaisser les températures d'ébullition des différents constituants du mélange à distiller, et donc permettent ainsi d'éviter (ou de réduire) les risques de dégradation thermique. De même des distillations peuvent être effectuées sous pression afin de permettre la séparation de composés très volatils (comme les gaz).

Lorsque les températures d'ébullition sont très voisines, on peut avoir intérêt à utiliser un processus de distillation fractionnée, qui consiste en plusieurs étapes de raffinements successifs. Il est également possible d'introduire une partie du distillat en tête de colonne (dans le cas d'une distillation continue) afin d'améliorer la pureté de la phase vapeur.

Montage de distillation en laboratoire

Distillation simple sans la colonne à fractionner, souvent utilisée par les chimistes.
1. source de chaleur (ici, un brûleur Bunsen)
2. ballon à distiller
3. tête de distillation
4. thermomètre
5. réfrigérant à eau
6. entrée d'eau de refroidissement
7. sortie d'eau de refroidissement
8. ballon de réception des gouttes de distillat
9. vers une pompe à vide éventuelle
10. adaptateur pour la pompe à vide

Notes et références

  1. « Si les charbons, au lieu de brûler à l'air libre, sont distillés dans des vaisseaux fermés , on peut recueillir à part toutes leurs parties constituantes. La portion bitumineuse se condense sous la forme de goudron, il s'en précipite, en même temps, un fluide aqueux mêlé d'une portion d'huile et d'ammoniaque. Une quantité considérable d'hydrogène carburé et d'autres gaz inflammables se dégagent, et laissent dans l'appareil distillatoire la base fixe du fossile, sous la forme d'une substance carbonacée appelée coke ». Dans M. ACCUM. TRAITE PRATIQUE DE L'ÉCLAIRAGE PAR LE GAZ INFLAMMABLE, CONTENANT UNE DESCRIPTION SOMMAIRE DE LAPPAREIL ET DU MECANISME EMPLOYES POUR L'ILLUMINATION DES RUES, DES MAISONS ET DES MANUFACTURES. LIBRAIRIE ENCYCLOPÉDIQUE DE FORET 1816 (Livre numérique Google
  2. Mémoires de la Société des sciences physiques et naturelles de Bordeaux. Gauthier-Villars, 1869 (Livre numérique Google)
  3. (en) Martin Levey, « Babylonian Chemistry:: A Study of Arabic and Second Millennium B.C. Perfumery », dans Osiris, vol. 12, 1956, p. 376-389 .
  4. a et b Colin Archibald Russell, Chemistry, Society and Environment: A New History of the British Chemical Industry, Royal Society of Chemistry, 2000 (ISBN 0854045996), p. 69 
  5. Edgar Ashworth Underwood, Science, Medicine, and History: Essays on the Evolution of Scientific Thought and Medical, Oxford University Press, p. 251 
  6. a et b Charles Simmonds, Alcohol: With Chapters on Methyl Alcohol, Fusel Oil, and Spirituous Beverages, Macmillan and Co. Ltd, 1919, 6 p. 
  7. Biology, Joan Solomon, Pat O'Brien, Peter Horsfall, Nelson Thornes, p.41
  8. Cf. Marcellin Berthelot, Collection des anciens alchimistes grecs, Paris, G.Steinheil, 1889, 3 vol. 
  9. Robert Briffault, The Making of Humanity, 1938, p. 195 .
  10. Microscale Laboratory Techniques : Distillation, McMaster University
  11. Kasem Ajram, Miracle of Islamic Science, Knowledge House Publishers, 1992 (ISBN 0911119434), p. Appendix B 
  12. (en) A. Wolf, G. A. Bray, B. M. Popkin Martin Levey, « A short history of beverages and how our body treats them », dans Obesity Reviews, 2007 [lien DOI] .
  13. Industrial Engineering Chemistry (1936) page 677
  14. Sealing Technique. Consulté le 16 novembre 2006
  15. Alambic traditionnel. Consulté le 16 novembre 2006.
  16. Cf. D. F. Othmer (dir.), A Century of Chemical Engineering, 1982 (ISBN 0-306-40895-3) 
  17. A. Coffey British Patent n°5974, 5 août 1830
  18. US Patent n°198699 Improvement in the Ammonia-Soda Manufacture
  19. Pétrodico, Distillation, Union Française des Industries Pétrolières

Voir aussi

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