Distillation

La distillation est un procédé de séparation de mélange de substances liquides dont les températures d'ébullition sont différentes.



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Définitions :

  • Procédé servant à séparer la partie volatile d'un produit de la part fixe en le chauffant.... (source : saveur-whisky)
  • C'est une méthode de séparation d'un mélange en ses constituants. Son principe est basé sur la différence de composition entre la... (source : apella.ac-limoges)
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 sert à séparer les constituants d'un mélange homogène. Sous l'effet de la chaleur, les substances se vaporisent successivement, et la vapeur obtenue est condensée pour donner le distillat.

Histoire

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[1]. Puis au Ier siècle de notre ère, les alchimistes grecs l'utilisent fréquemment[2], [3], [4] mais c'est en particulier la demande croissante en liqueurs au Bas-Empire qui entraîne le développement des distilleries[2]. On attribue à Hypathie d'Alexandrie l'invention d'une méthode de distillation[5], alors que la première description précise d'une distillerie est due à Zosime de Panopolis au IVe siècle[4], [6].

Distillation à la cornue dans un alambic.

Au VIIIe siècle, les alchimistes du Moyen-Orient usèrent de la distillation pour purifier certains produit chimique utilisés dans l'artisanat : des huiles ou esters (pour les parfums) et de l'alcool[7]. 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 actuellement. Surtout, 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[8]. C'est aussi un autre alchimiste perse, Rhazès, qui au IXe siècle, distilla le premier le pétrole ou «bitume de Judée», d'où il tira du kérosène[9], alors que l'entraînement à la vapeur est une invention due à Avicenne au XIe siècle, pour l'extraction d'huile principale[10].

En 1500, l'alchimiste allemand Hieronymus Braunschweig publie le premier livre consacré à cette technique, le Liber d'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, quoiqu'on ait pu remarquer[11] qu'il empruntait énormément 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 formait en science avec la chimie, les récipients nommés cornues équipèrent de plus en plus les appareils à distiller. Alambics et cornues sont des récipients pourvus d'un bec latéral allongé pointant vers le bas faisant condenseur à air : ils servent à condenser le distillat qu'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[12] Ces alambics comportaient fréquemment 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 nomment pot stills.

Actuellement, les cornues et les alambics ont été beaucoup supplantés dans l'industrie par des méthodes de distillation bien plus efficaces. Cependant, 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 aussi utilisés de par le monde par les petits producteurs. On vend toujours de petits alambics pour la production familiale[13] d'eau de fleur d'oranger ou d'huile principale.

Au début du XIXe siècle, les chimistes français jetèrent les bases de l'analyse chimique moderne, surtout en montrant l'importance du pré-chauffage et la rétroaction[14], puis en 1830 un brevet anglais fut délivré à Æneas Coffey pour une colonne de distillation de whiskey[15], qui tournait en continu et qu'on considère généralement 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[16], dont il appliqua le principe les années suivantes aux huiles ainsi qu'aux spiritueux.

La promotion du génie chimique comme 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 indispensable pour développer des procédés détaillés comme la méthode McCabe-Thiele et l'équation de Fenske.

Détails techniques

Distillation simple sans la colonne à fractionner, fréquemment 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

Le procédé utilise la différence de volatilité (capacité à s'évaporer dépendant de la température) entre les constituants pour les séparer : le plus volatil a une température d'ébullition plus basse que le moins volatil, etc. Ainsi, en chauffant le liquide, chaque constituant va être scindé successivement (on parle de coupe de distillation). La vapeur ainsi produite peut être condensée (distillat), et la substance restante est nommée résidu. Attention cependant, le distillat n'est pas forcément un produit pur. Il peut être un mélange défini de deux constituants (même non miscibles)  : on parle d'azéotrope, ou de mélange azéotropique. Ce dernier, à l'exemple d'un corps pur, est défini par sa température d'ébullition, différente de celles de ses deux constituants.


Procédé industriel

Colonnes de distillation industrielles

En procédé industriel et dans le cas d'une distillation discontinue, les premières vapeurs qui passent en tête de colonne sont nommées «têtes de distillation», ensuite vient le cœur (fréquemment 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 par conséquent permettent ainsi d'éviter (ou de diminuer) les risques de dégradation thermique. De même des distillations peuvent être effectuées sous pression pour permettre la séparation de composés particulièrement volatils (i. e. gaz)

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

Notes et références

  1. (en) Martin Levey, «Babylonian Chemistry : : A Study of Arabic and Second Millennium B. C. Perfumery», dans Osiris, vol.  12, 1956, p.  376-389 .
  2. ab Colin Archibald Russell, Chemistry, Society and Environment : A New History of the British Chemical Industry, Royal Society of Chemistry, 2000 (ISBN 0854045996) , p.  69
  3. Edgar Ashworth Underwood, Science, Medicine, and History : Essays on the Evolution of Scientific Thought and Medical, Oxford University Press, p.  251
  4. ab Charles Simmonds, Alcohol : With Chapters on Methyl Alcohol, Fusel Oil, and Spirituous Beverages, Macmillan and Co. Ltd, 1919, 6 p.
  5. Biology, Joan Solomon, Pat O'Brien, Peter Horsfall, Nelson Thornes, p. 41
  6. Cf. Marcellin Berthelot, Collection des anciens alchimistes grecs, G. Steinheil, Paris, 1889, 3 vol.
  7. Robert Briffault, The Making of Humanity, 1938, p.  195.
  8. Microscale Laboratory Techniques : Distillation, McMaster University
  9. Kasem Ajram, Miracle of Islamic Science, Knowledge House Publishers, 1992 (ISBN 0911119434) , p.  Appendix B
  10. (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] .
  11. Industrial Engineering Chemistry (1936) page 677
  12. Sealing Technique. Consulté le 16 novembre 2006.
  13. Alambic traditionnel]. Consulté le 16 novembre 2006.
  14. Cf. D. F. Othmer, A Century of Chemical Engineering, sous la dir. de W. F. Furter (éd. ), 1982 (ISBN 0-306-40895-3)
  15. A. Coffey British Patent n°5974, 5 août 1830
  16. US Patent n°198699 Improvement in the Ammonia-Soda Manufacture

Liens externes

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