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Distillation fractionnée

Le pouvoir des hydrocarbures est connu depuis des siècles. Les murs et les tours de Babylone ont été construits à partir d'asphalte ; les anciens Perses utilisaient le pétrole pour l'éclairage et les traitements médicaux. Mais la grande majorité des hydrocarbures doivent être séparés, raffinés et traités avant de pouvoir être utilisés efficacement. Pour ce faire, nous utilisons le même procédé que celui utilisé pour distiller l'alcool, filtrer l'air et extraire les essences de plantes : La distillation fractionnée.

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Le pouvoir des hydrocarbures est connu depuis des siècles. Les murs et les tours de Babylone ont été construits à partir d'asphalte ; les anciens Perses utilisaient le pétrole pour l'éclairage et les traitements médicaux. Mais la grande majorité des hydrocarbures doivent être séparés, raffinés et traités avant de pouvoir être utilisés efficacement. Pour ce faire, nous utilisons le même procédé que celui utilisé pour distiller l'alcool, filtrer l'air et extraire les essences de plantes : La distillation fractionnée.

  • Ce résumé de cours est consacré à la distillation fractionnée en chimie.
  • Nous commencerons par définir la distillation fractionnée.
  • Nous examinerons ensuite de plus près la distillation fractionnée du pétrole brut.
  • Il s'agira non seulement de parcourir le processus, mais aussi de découvrir les produits et leurs utilisations.
  • Enfin, nous examinerons les inconvénients de la distillation fractionnée du pétrole brut.

Que signifie la distillation simple ?

La distillation simple est une méthode de séparation de mélanges basée sur les différences de volatilité dans un mélange liquide en ébullition.

Les composants d'un mélange d'échantillons sont vaporisés sous l'effet de la chaleur, puis immédiatement refroidis par l'action de l'eau froide dans un condenseur.

Quelle est la définition de la distillation fractionnée ?

La distillation fractionnée est une technique de séparation qui consiste à diviser un mélange en échantillons plus petits en fonction de leur point d'ébullition. Ces échantillons plus petits sont appelés fractions.

C'est quoi la distillation fractionnée du pétrole brut ?

La distillation fractionnée est utilisée depuis des centaines d'années pour purifier et séparer différents liquides. Cependant, elle est surtout utilisée aujourd'hui dans les raffineries de pétrole et les usines pétrochimiques. La façon la plus simple de comprendre la distillation fractionnée est d'examiner comment elle est utilisée dans ces industries pour raffiner une substance connue sous le nom de pétrole brut.

Exemple de distillation fractionnée

Il y a \( 400 \) millions d'années, le monde était différent. C'était une époque antérieure aux dinosaures et aux glaciers des périodes glaciaires. Les araignées ne rampaient que depuis environ \( 80 \) millions d'années, les premiers tétrapodes à quatre pattes venaient tout juste d'arriver sur terre et les plantes vertes n'avaient pas encore évolué en forêts. La majorité de la Terre était recouverte d'océans remplis de crustacés, de poissons et de divers types de végétation comme le phytoplancton - des algues vertes microscopiques. Lorsque ces organismes mouraient, leurs restes tombaient au fond des océans et étaient progressivement recouverts de couches de limon et de sable. Au fur et à mesure que les couches se sont élevées au cours de centaines de milliers d'années, les conditions se sont intensifiées. Finalement, la chaleur et la pression exercées sur les restes étaient si importantes que la matière organique morte a commencé à se transformer en une substance d'une grande importance pour les humains aujourd'hui : le pétrole brut.

Le pétrole brut est un mélange complexe d'hydrocarbures et d'autres impuretés organiques.

Distillation fractionnée,  Représentation de la formation du pétrole brut, StudySmarter

Fig. 1- Une représentation de la formation du pétrole brut.

Lorsque le pétrole brut est extrait, c'est un liquide noir et épais, rempli d'hydrocarbures (tels que des alcanes), d'impuretés et de contaminants. Il ne nous est pas très utile dans son état d'origine. Les hydrocarbures ont tous des longueurs et des propriétés différentes, ce qui les rend difficiles à utiliser lorsqu'ils sont mélangés de cette manière. Cependant, si nous distillons le pétrole brut en utilisant la distillation fractionnée, nous pouvons obtenir différentes fractions d'hydrocarbures qui ont toutes des tailles et des propriétés similaires. Celles-ci nous sont beaucoup plus utiles que le mélange brut.

Principe de la distillation fractionnée

Examinons maintenant le processus de la distillation fractionnée. Voici comment elle s'effectue :

  1. La distillation fractionnée du pétrole brut a lieu dans une colonne de fractionnement. Il s'agit d'une énorme chambre, généralement large de huit mètres et haute de quarante mètres. À titre d'information, c'est légèrement plus haut que la statue du Christ Rédempteur à Rio de Janeiro, et à peine plus court que la distance entre le sommet des plus hauts entonnoirs du Titanic et l'eau !
  2. Le pétrole brut entre au bas de la colonne de fractionnement. Il est chauffé à haute température et s'évapore ;
  3. Les vapeurs évaporées remontent dans la colonne de fractionnement ;
  4. La colonne présente un gradient de température : le bas de la colonne est plus chaud que le haut. Cela signifie qu'à mesure que les vapeurs montent, elles se refroidissent progressivement ;
  5. Lorsque la température de la colonne est suffisamment basse, les vapeurs se condensent. Elles sont alors recueillies dans des plateaux et acheminées par des tuyaux pour un raffinage ultérieur.

Montage de la distillation fractionnée

La caractéristique la plus importante d'une colonne de fractionnement est son gradient de température. Cela signifie que les hydrocarbures ayant des points d'ébullition différents se condensent à des hauteurs différentes. Tout dépend de leur taille :

  • Les hydrocarbures plus lourds et à chaîne plus longue ont des points d'ébullition plus élevés. Ils se condensent à des températures relativement élevées, et leurs fractions sont donc collectées plus bas dans la colonne.
  • Les hydrocarbures plus légers, à chaîne plus courte, ont un point d'ébullition plus bas. Ils se condensent à des températures relativement basses et sont donc recueillis plus haut dans la colonne.

Distillation fractionnée, Diagramme montrant le processus de distillation fractionnée, StudySmarterFig. 2- Un diagramme montrant le processus de distillation fractionnée. Les fractions produites sont nommées.

Utilisations de la distillation fractionnée

Nous avons donc appris que la fonction principale de la distillation fractionnée est de séparer le pétrole brut, qui en soi n'a pas beaucoup d'utilisations, en différentes fractions. Les hydrocarbures d'une même fraction ont tous un point d'ébullition similaire grâce à leur taille similaire. La taille d'un hydrocarbure détermine également nombre de ses autres propriétés, de sorte que les molécules d'une même fraction ont également de nombreuses autres propriétés en commun. Les différentes fractions ont donc des usages différents - elles ont toute une série d'applications et sont beaucoup plus précieuses. En séparant le pétrole brut, nous avons réussi à rendre une substance relativement sans valeur infiniment plus utile ! Par exemple :

  • Les plus gros hydrocarbures, dont la longueur de chaîne est de \( 70 \) ou plus, forment le bitume. Il s'agit d'une substance épaisse, semblable à du goudron, utilisée pour le revêtement des routes et des toitures. D'autres hydrocarbures à longue chaîne sont de bons carburants pour les navires et les centrales électriques.
  • Les hydrocarbures de longueur moyenne constituent le carburant des véhicules. Par exemple, le butane est utile comme composant de l'essence en raison de son faible point d'ébullition, ce qui signifie que nous pouvons le brûler dans les moteurs à combustion interne. Ces hydrocarbures forment également le diesel.
  • Les hydrocarbures à chaîne la plus courte, qui sont des gaz à température ambiante, sont utilisés comme combustible pour les réchauds de camping. Tu peux aussi utiliser du gaz en bouteille pour chauffer ta maison.

Mais les fractions du pétrole brut ont de nombreuses utilisations autres que la construction et le carburant. Par exemple :

  • Le naphta est une fraction contenant des hydrocarbures avec environ cinq ou six atomes de carbone. Lorsque nous craquons le naphta, nous obtenons des alcènes qui sont ensuite utilisés pour fabriquer des plastiques, des détergents et des alcools.
  • En fait, les hydrocarbures constituent d'excellentes matières premières chimiques : ils sont facilement transformés industriellement en d'autres types de molécules.
  • En outre, bon nombre de tes vêtements sont à base d'hydrocarbures.
  • On trouve également des hydrocarbures dans diverses peintures, solvants et lubrifiants.
  • Même le liquide de refroidissement de ton réfrigérateur est dérivé d'un hydrocarbure particulier à chaîne courte !

Regarde autour de toi : Tu trouveras certainement un large éventail de produits qui, d'une manière ou d'une autre, proviennent du pétrole brut.

Inconvénients de la distillation fractionnée du pétrole brut

Le pétrole brut est notre principale source de produits chimiques organiques et un combustible fossile extrêmement utile lorsqu'il est extrait, purifié et raffiné.

Il s'agit d'une substance qui alimente nos véhicules, fait fonctionner nos appareils électroniques, peut être transformée en vêtements et en emballages, et gît simplement sous les fonds marins, attendant d'être utilisée. En fait, on pourrait dire qu'elle joue un rôle essentiel dans presque tous les domaines de notre vie. Dans ce cas, pourquoi certaines personnes sont-elles si opposées à son utilisation ? Examinons maintenant les inconvénients de l'extraction et de la distillation du pétrole brut. Ces inconvénients sont les suivants

  • Son caractère renouvelable.
  • Les gaz à effet de serre associés à son utilisation.
  • Ses diverses impuretés.

Renouvelabilité

Comme le pétrole brut se forme très lentement, il s'agit d'une ressource non renouvelable.

Une ressource renouvelable est une ressource qui se reconstitue naturellement au rythme où nous l'utilisons. Les ressources non renouvelables sont donc des ressources que nous utilisons plus rapidement qu'elles ne se renouvellent.

Si nous ne cessons pas d'extraire le pétrole brut aussi rapidement, nous en manquerons bientôt. Nos ressources en pétrole brut sont limitées. En dépendant fortement du pétrole brut pour une telle pléthore de produits, nous désavantageons les générations futures. Lorsque nos réserves de pétrole s'épuiseront, elles devront rapidement trouver d'autres moyens de produire des éléments tels que le carburant, les plastiques et les matières premières chimiques, qui sont devenus un élément fondamental de la vie quotidienne.

Gaz à effet de serre

Comme tu le sais maintenant, le pétrole brut est composé d'hydrocarbures de toutes longueurs et de toutes tailles. Nous brûlons beaucoup de ces hydrocarbures pour alimenter les voitures, les bateaux et les avions. Bien qu'ils soient d'excellentes sources d'énergie, les hydrocarbures libèrent du dioxyde de carbone \( (CO_2) \) et de la vapeur d'eau \( (H_2O) \) lorsqu'ils brûlent. Il s'agit d'un problème grave car le dioxyde de carbone et la vapeur d'eau sont tous deux des gaz à effet de serre.

Un gaz à effet de serre est un gaz qui absorbe le rayonnement solaire réfléchi par la Terre, au lieu de le laisser s'échapper dans l'espace.

Les gaz à effet de serre piègent la chaleur dans l'atmosphère et réchauffent la planète, contribuant ainsi à ce que l'on appelle l'effet de serre.


L'effet de serre est un terme utilisé pour décrire comment les gaz à effet de serre présents dans l'atmosphère absorbent les radiations de la Terre, ce qui piège la chaleur et réchauffe la Terre. Il fonctionne à peu près de la même manière qu'une serre utilisée pour faire pousser des plantes, d'où son nom.

En brûlant des fractions de pétrole brut, l'homme contribue à l'augmentation constante de la température mondiale qui fait fondre les glaciers, provoque des pertes de récoltes et intensifie les phénomènes météorologiques extrêmes comme les inondations et les sécheresses.

Distillation fractionnée, L'effet de serre., StudySmarterFig. 3- L'effet de serre. Les gaz à effet de serre retiennent la chaleur du soleil, ce qui réchauffe la Terre.

Voir "Combustion" pour plus d'informations sur la combustion des hydrocarbures et ses effets négatifs.

Impuretés

Le pétrole brut est un mélange organique qui peut contenir de nombreuses impuretés, comme le soufre. Ces impuretés proviennent des corps des créatures des grands fonds qui se décomposent pour former le pétrole brut, comme nous l'avons vu plus haut. Lorsque nous brûlons le pétrole brut comme combustible, nous rejetons les impuretés dans l'environnement.

Le soufre, par exemple, brûle pour former du dioxyde de soufre. Tu sais peut-être que ce gaz provoque des difficultés respiratoires, des irritations de la peau et des pluies acides corrosives. C'est amusant, non ?

Alternatives au pétrole brut

Pour toutes les raisons évoquées ci-dessus, l'extraction et la distillation du pétrole brut restent un sujet controversé et de nombreuses parties s'y opposent activement. Mais il n'y a pas que des mauvaises nouvelles. Les alternatives au pétrole brut sont de moins en moins chères et de plus en plus accessibles. Peut-être as-tu déjà bu du café dans un gobelet entièrement compostable, porté des vêtements en lin, en coton ou même en chanvre naturels, ou peut-être alimenté ton téléphone à l'énergie solaire. Le gouvernement britannique a récemment annoncé son intention d'éliminer progressivement toutes les ventes de nouvelles voitures à essence et diesel d'ici à \( 2030 \) . Bien que cet objectif puisse sembler irréalisable à l'heure actuelle, il s'agit d'un grand pas dans la bonne direction vers un avenir plus vert et plus durable.

Distillation fractionnée : Eau-éthanol

La distillation fractionnée est une méthode permettant de séparer un liquide d'un mélange de deux ou plusieurs liquides. Par exemple, l'éthanol liquide peut être séparé d'un mélange eau-éthanol par distillation fractionnée. Cette méthode fonctionne parce que les liquides du mélange ont des points d'ébullition différents. Lorsque le mélange est chauffé, un liquide s'évapore avant l'autre.

Une façon de vérifier la pureté des liquides séparés est de mesurer leur point d'ébullition. Par exemple, l'éthanol pur bout à \( 78°C \) et l'eau pure bout à \( 100°C \) .

Distillation fractionnée - Points clés

  • La distillation fractionnée est un procédé qui consiste à séparer un mélange en échantillons plus petits ayant des points d'ébullition similaires, appelés fractions. Elle est principalement utilisée pour séparer le pétrole brut.

  • Le pétrole brut est un mélange d'hydrocarbures formé de matières végétales et animales qui ont été comprimées à des températures et des pressions élevées pendant des millions d'années.

  • La distillation fractionnée utilise un gradient de température pour séparer le pétrole brut en fractions plus utiles d'hydrocarbures (principalement des alcanes) ayant des tailles, des points d'ébullition et des propriétés similaires.

  • Les hydrocarbures plus lourds et à chaîne plus longue ont un point d'ébullition plus élevé. Ils se condensent à des températures relativement élevées et sont donc collectés en une seule fraction plus bas dans la colonne.

  • Les hydrocarbures légers, à chaîne courte, ont un point d'ébullition plus bas. Ils se condensent à des températures relativement basses et continuent donc à monter vers le haut de la colonne. Ils ne sont collectés que lorsque la température dans la colonne descend en dessous de leur point d'ébullition, ce qui la rend suffisamment froide pour qu'ils se condensent.

  • Les fractions du pétrole brut ont des utilisations diverses en fonction de leurs propriétés. Elles sont utilisées comme combustibles, matériaux de construction et matières premières chimiques.

  • La combustion de fractions de pétrole brut comme combustible a des effets négatifs sur l'environnement, mais le pétrole brut est largement considéré comme un élément important de la vie moderne.

Questions fréquemment posées en Distillation fractionnée

La différence entre la distillation simple et la distillation fractionnée c’est :  

  • La distillation simple sépare un liquide d'une solution solide-liquide. 
  • La distillation fractionnée sépare un liquide d'une solution de deux liquides miscibles.

L'intérêt de la distillation fractionnée est qu’elle permet une meilleure séparation que la distillation simple, car les billes de verre de la colonne de fractionnement constituent des "plateaux théoriques" sur lesquels les vapeurs peuvent se condenser, puis s'évaporer à nouveau, et se recondenser, distillant essentiellement le composé plusieurs fois.

Le principe de la distillation fractionnée de pétrole

  • Le pétrole brut est chauffé pour s'évaporer. 
  • Les vapeurs montent dans une colonne de fractionnement à gradient de température, jusqu'à ce qu'elles atteignent une température suffisamment froide pour se condenser dans des plateaux.
  • Les vapeurs condensées sont évacuées par des tuyaux pour être collectées.

Les produits issus de la distillation du pétrole sont

  • Combustibles. 
  • Plastiques.
  • Matières premières chimiques.
  • Cartouches de gaz pour réchauds de camping.
  • Revêtements routiers.

 

Le principe de la distillation est que les différents liquides bouillent à des températures différentes. Ainsi, lorsqu'un mélange est chauffé, la substance dont le point d'ébullition est le plus bas commence à bouillir en premier et se transforme en vapeurs qui peuvent ensuite être recueillies séparément.

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