La distillation à plusieurs composants est un processus chimique dans lequel un mélange de composés volatils se sépare en fonction de leurs points d’ébullition. Le processus se déroule dans une colonne de distillation, un empilement vertical de plateaux ou d’étages sur lesquels coexistent des composants dans leurs phases liquide et vapeur. Au fur et à mesure que le mélange monte dans la colonne, les composés à haut point d’ébullition se concentrent sur les étages inférieurs, tandis que les composés à bas point d’ébullition se concentrent sur les étages supérieurs.
Les colonnes de distillation utilisent les principes de base des mélanges à l’équilibre liquide-vapeur. Lorsque de la chaleur est appliquée à un liquide, la température du liquide augmente jusqu’à atteindre le point d’ébullition (BP). Au BP, l’énergie supplémentaire ne provoque pas d’augmentation de température ; au contraire, les molécules l’utilisent pour échapper à la phase liquide et devenir un gaz.
L’énergie absorbée par la nouvelle molécule de gaz n’est plus disponible pour chauffer la prochaine molécule de liquide. Lorsque le liquide bout, il se refroidit également en raison de l’absence d’énergie maintenant les molécules de gaz en phase gazeuse. Ce refroidissement provoquera la condensation de certaines molécules de gaz en liquide, libérant l’énergie de vaporisation. L’énergie libérée est capable de réchauffer le liquide. Aux conditions d’équilibre, le taux de vaporisation est égal au taux de condensation.
Dans une colonne de distillation à plusieurs composants, un mélange d’équilibre est établi à chaque étage. Il y a une source constante d’énergie nouvelle fournie au bas de la colonne. Cette chaleur fait que certaines des molécules en phase gazeuse du composé le plus volatil de chaque étage, celui avec le BP le plus bas, passent à l’étage suivant. A ce stade supérieur, le mélange tentera de revenir à l’équilibre. Les molécules venant d’en bas peuvent avoir un BP trop élevé pour se vaporiser sur cette étape, elles s’accumulent donc dans la phase liquide.
Finalement, le liquide de chaque étape se concentre dans un ou plusieurs des composants. Les flux secondaires peuvent être retirés à une ou plusieurs étapes. Les courants liquides seront concentrés en un ou plusieurs composants, et des étapes de distillation supplémentaires peuvent être nécessaires.
Le pétrole est généralement distillé en fractions par distillation à plusieurs composants. Une fraction est une gamme de composés similaires à BP proche qui peuvent être traités comme un seul composé. L’essence en est un exemple. Un gaz à faible BP peut être extrait du haut de la colonne et ne pas nécessiter de traitement supplémentaire.
La conception d’une distillation à plusieurs composants nécessite des calculs complexes. Les paramètres de conception de la colonne incluent la spécification du nombre d’étages, l’étage d’alimentation de la matière première, les étages auxquels les flux de produits sont retirés et la chaleur nécessaire pour entraîner la colonne. Des programmes informatiques spécialisés de distillation à plusieurs composants effectuent ces calculs, mais les ingénieurs apprennent toujours des méthodes de résolution graphique pour comprendre le processus.