La distillation sépare les constituants d’un mélange liquide en exploitant le fait qu’ils ne s’évaporent pas dans les mêmes proportions : la vapeur en équilibre avec un liquide est toujours plus riche que lui en composé volatil. Répétée un grand nombre de fois, à contre-courant, dans une colonne où le liquide descend et la vapeur monte, cette différence devient une séparation complète. C’est l’opération de séparation la mieux théorisée du génie chimique, celle dont on sait calculer le résultat avant d’avoir construit l’appareil.
Elle est aussi celle où l’écart entre le calcul et la réalité se mesure le plus précisément. Une colonne se dimensionne en étages théoriques — des contacts parfaits entre un liquide et une vapeur à l’équilibre — puis se construit en plateaux réels, dont chacun ne réalise que 50 à 80 % de la séparation de l’étage idéal correspondant. Ce rapport porte un nom, l’efficacité, et il concentre tout ce que la thermodynamique ne dit pas : hydrodynamique du plateau, temps de contact, hauteur de mousse. Vingt étages théoriques calculés à la main deviennent trente plateaux soudés dans la virole.
En agroalimentaire, la distillation ne fabrique presque aucun produit final, mais elle rend possibles ou rentables une dizaine d’autres opérations. Sans elle, aucune extraction par solvant ne serait viable, puisque c’est elle qui récupère l’hexane ou l’éthanol pour les renvoyer en tête de ligne ; sans elle, la fermentation alcoolique s’arrêterait à un moût à 8-12 % vol, et il n’existerait ni eau-de-vie, ni huile essentielle, ni vin désalcoolisé.
Distillation ou évaporation ? Les deux opérations vaporisent un liquide, mais ne poursuivent pas le même but et ne se calculent pas de la même manière. L’évaporation élimine un solvant — presque toujours l’eau — dont la vapeur est rejetée ou condensée sans valeur : on ne sépare pas deux constituants volatils, on concentre ce qui reste, et le calcul est un bilan d’énergie sur une surface d’échange. La distillation sépare des constituants qui passent tous en phase vapeur, dans des proportions différentes de celles du liquide : le calcul est un bilan de matière sur un équilibre liquide-vapeur, et la grandeur qui commande tout est la volatilité relative. Un évaporateur n’a ni reflux ni étages ; une colonne à distiller vit du reflux et se dimensionne en étages. Un concentrateur de jus est un évaporateur ; une colonne de récupération d’éthanol est un appareil de distillation, même si les deux se ressemblent de loin.
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À quoi sert l’opération
La première finalité, en tonnage, est la concentration de l’alcool de fermentation. Un moût fermenté plafonne entre 8 et 12 % vol parce que la levure s’inhibe elle-même ; toute la valeur du produit — eau-de-vie, alcool neutre de bouche, bioéthanol carburant — est créée par la colonne qui porte ce titre à 92-96,5 % vol. La filière brassicole et vinicole s’y ajoute avec le whisky, le cognac, le rhum et la tequila.
La deuxième est la récupération des solvants d’extraction, et c’est la plus universelle. Toute la trituration des graines oléagineuses repose sur l’hexane, qu’on distille pour le réinjecter : l’huile brute sort du distillateur de miscella débarrassée du solvant, le tourteau sort du désolvantiseur-toasteur, et les pertes tombent à 0,5-1,5 litre d’hexane par tonne de graines. Le même schéma vaut pour les extraits végétaux à l’éthanol, les oléorésines d’épices, les extraits de houblon.
La troisième est la purification par élimination des têtes et des queues. Un distillat brut n’est pas un mélange binaire : il contient des aldéhydes et des esters plus volatils que l’éthanol, soutirés en tête, et des alcools supérieurs — les huiles de fusel — soutirés en flanc de colonne. La colonne trie sur une échelle continue de volatilités, et ce tri fait la différence entre un alcool neutre et un alcool de tête de cru.
La quatrième est l’entraînement par la vapeur d’eau de composés peu solubles et thermosensibles : c’est la production des huiles essentielles, où la vapeur abaisse la température d’ébullition apparente des terpènes de 160-250 °C à moins de 100 °C, et c’est aussi la désodorisation des huiles alimentaires, qui n’est qu’une distillation à la vapeur sous vide poussé éliminant acides gras libres, aldéhydes d’oxydation et pesticides résiduels.
La cinquième est la récupération des arômes : les esters et aldéhydes légers qui partent avec la première buée d’un évaporateur sont concentrés d’un facteur 100 à 200 par une petite colonne, puis rendus au produit. La sixième, plus récente, est la désalcoolisation des vins, bières et cidres, sous vide entre 28 et 40 °C.
Le phénomène physique
L’équilibre liquide-vapeur
Chauffez un mélange d’eau et d’éthanol dans un ballon fermé. À une température donnée s’établit un régime stationnaire où autant de molécules quittent le liquide qu’elles y reviennent : l’équilibre liquide-vapeur. Ce qui fonde toute la distillation, c’est que la composition de la vapeur n’y est pas celle du liquide. Un liquide à 10 % molaire d’éthanol est en équilibre, sous 1 atm, avec une vapeur qui en contient environ 43 % molaire : la vapeur s’est enrichie d’un facteur proche de quatre en un seul contact.
Le composé dont la pression de vapeur saturante est la plus forte à la température de travail est dit le plus volatil, ou léger : il se concentre en tête de colonne. L’autre, le lourd, descend au pied. Les corps purs se classent par leur température d’ébullition sous 1 atm : 64,7 °C pour le méthanol, 69 °C pour l’hexane, 78,4 °C pour l’éthanol, 100 °C pour l’eau, 132 °C pour l’alcool isoamylique. Vingt-deux degrés séparent l’éthanol de l’eau, et c’est peu : voilà pourquoi une colonne à alcool est haute. L’hexane et les triglycérides d’une huile, séparés par plus de trois cents degrés, se contentent de deux ou trois étages.
La loi de Raoult et ses écarts
Dans le cas idéal — molécules de taille et de polarité voisines, comme deux hydrocarbures — la pression partielle d’un constituant vaut le produit de sa fraction molaire dans le liquide par sa pression de vapeur saturante pure. C’est la loi de Raoult, et elle donne le diagramme d’équilibre sans aucune donnée expérimentale.
Les mélanges alimentaires sont rarement idéaux. L’eau et l’éthanol s’associent par liaisons hydrogène, mais pas de la même façon entre espèces identiques et entre espèces différentes : le mélange présente un écart positif à la loi de Raoult, la pression au-dessus du liquide dépasse celle que Raoult prédit et le point d’ébullition est plus bas que la moyenne pondérée. L’écart se chiffre par le coefficient d’activité, égal à 1 dans le cas idéal, voisin de 5 pour l’éthanol très dilué dans l’eau, revenu à 1 quand l’éthanol est presque pur. On ne calcule donc pas une colonne à alcool avec Raoult seul : il faut des données d’équilibre mesurées ou un modèle ajusté sur elles — NRTL, UNIQUAC, Wilson. Se tromper de modèle sur un mélange fortement non idéal fait varier le nombre d’étages de 30 à 40 %.
Les diagrammes isobares T-x-y et y-x
Toute l’information utile pour un binaire tient dans deux graphiques tracés à pression constante. Le diagramme T-x-y porte la température contre la fraction molaire du léger. La courbe inférieure, dite courbe de bulle, donne la température à laquelle un liquide de composition x commence à bouillir ; la courbe supérieure, courbe de rosée, donne celle où une vapeur de composition y commence à se condenser. Une horizontale entre les deux est une ligne de conjugaison : ses extrémités donnent les compositions des deux phases en équilibre.
Le diagramme y-x ne garde que ces couples : composition de la vapeur en ordonnée contre celle du liquide en abscisse, la diagonale y = x servant de référence. Plus la courbe s’écarte de la diagonale, plus la séparation est facile. C’est sur lui que se construit la méthode de McCabe et Thiele, parce qu’il porte à la fois l’équilibre thermodynamique — la courbe — et les bilans de matière — des droites.
La volatilité relative
La grandeur qui résume la difficulté d’une séparation est la volatilité relative α. Si elle vaut 1, la vapeur a la composition du liquide et aucune distillation n’est possible. Si elle vaut 3, un seul étage théorique fait passer un mélange équimolaire à 75 % de léger dans la vapeur. Ordres de grandeur : 2 à 3 pour benzène-toluène, 8 à 10 pour l’éthanol très dilué dans l’eau, 1,05 à 1,2 pour des isomères ou pour l’éthanol proche de son azéotrope, plus de 100 pour un solvant léger dans une huile.
Le point capital est que α n’est pas constante le long d’une colonne : elle varie avec la composition et la température. Dans une colonne à alcool, elle vaut environ 9 au pied, où l’éthanol est dilué, et tombe à 1 en tête, à l’azéotrope. C’est pourquoi la partie haute compte beaucoup plus de plateaux que la partie basse, alors qu’un calcul naïf à α constante prédirait l’inverse.
Les azéotropes
Quand la courbe d’équilibre coupe la diagonale, la vapeur a exactement la composition du liquide : c’est un azéotrope. La volatilité relative y vaut 1, le mélange bout à température constante comme un corps pur, et aucune colonne, si haute soit-elle, ne peut le franchir. Le cas majeur de l’agroalimentaire est le mélange éthanol-eau, azéotrope à minimum d’ébullition : 95,6 % en masse d’éthanol — 89,5 % molaire, soit 97,2 % vol — bouillant à 78,15 °C sous 1 atm, un quart de degré sous l’éthanol pur.
Les conséquences industrielles sont lourdes. Une rectification conventionnelle plafonne à 95-96,5 % vol quels que soient le nombre de plateaux et le reflux ; la définition réglementaire de l’alcool éthylique d’origine agricole, fixée à 96,0 % vol minimum, épouse la thermodynamique. Pour aller au-delà — l’éthanol anhydre à 99,7 % exigé en carburant — il faut sortir de la distillation binaire ordinaire : ajouter un tiers corps qui modifie l’équilibre (distillation azéotropique au cyclohexane, distillation extractive au monoéthylèneglycol), jouer sur la pression, puisque l’azéotrope disparaît en dessous d’environ 10 kPa absolus, ou, comme le fait aujourd’hui la quasi-totalité des unités, adsorber l’eau sur tamis moléculaire 3 Å — deux à trois fois moins d’énergie et aucun solvant à gérer.
De la distillation simple à la rectification
La distillation simple, ou différentielle, chauffe une charge dans une cucurbite et condense la vapeur au fur et à mesure. Elle ne réalise qu’un seul étage théorique : le distillat s’appauvrit continuellement puisque le liquide restant s’appauvrit aussi. Un moût à 8 % vol distillé une fois donne un brouillis à 25-30 % vol, pas davantage. C’est le principe de l’alambic charentais, qui compense par une seconde chauffe et tire sa qualité de ce qu’il sépare mal : les arômes intermédiaires passent avec l’alcool.
La rectification multiplie les étages en organisant un contact à contre-courant. La vapeur monte dans une colonne, se condense en tête, et une fraction du condensat est renvoyée en haut : c’est le reflux. Ce liquide descend de plateau en plateau et rencontre à chaque niveau une vapeur plus riche en lourd que lui. À chaque contact, le lourd se condense en cédant sa chaleur latente, ce qui vaporise une quantité équivalente de léger : la vapeur monte en s’enrichissant, le liquide descend en s’appauvrissant. Sans reflux, il n’y a pas de rectification — la colonne n’est qu’un tube.
Une colonne complète comporte donc deux zones séparées par le point d’alimentation. Au-dessus, la zone de rectification purifie la vapeur montante. En dessous, la zone d’épuisement débarrasse le liquide descendant de son composé léger, de sorte que le résidu de pied — la vinasse, en distillerie — n’en contienne plus que des traces, typiquement moins de 0,02 % vol. Une colonne réduite à sa zone haute est un enrichisseur ; réduite à sa zone basse, c’est un stripper, configuration usuelle des récupérations de solvant.
L’étage théorique et le plateau réel
Un étage théorique est une abstraction : un contact où le liquide et la vapeur qui se quittent sont exactement à l’équilibre. Aucun plateau réel n’y parvient, parce que le contact dure quelques secondes, que le liquide n’est pas parfaitement mélangé, qu’une partie de la vapeur traverse la mousse en cheminées préférentielles et qu’une partie du liquide est entraînée mécaniquement vers le plateau supérieur.
Le rapport entre ce qu’on obtient et ce qu’on aurait obtenu à l’équilibre est l’efficacité. Elle se définit à deux échelles : localement, l’efficacité de Murphree d’un plateau, comprise en distillation entre 0,55 et 0,85 ; globalement, l’efficacité de colonne, rapport du nombre d’étages théoriques au nombre de plateaux installés, généralement entre 0,45 et 0,75. Une colonne à alcool bien conçue tourne autour de 0,6 : pour 24 étages théoriques, il faut 40 plateaux. C’est là, et nulle part ailleurs, que se paie l’écart entre la thermodynamique et la tôlerie.
Les grandeurs et les équations
L’équilibre : Raoult modifié
La relation de base donne la composition de la vapeur à partir de celle du liquide, de la pression de vapeur saturante de chaque corps pur et du coefficient d’activité qui mesure l’écart à l’idéalité.
Trois enseignements. Tout se joue à pression totale imposée : c’est elle qui fixe la température d’ébullition, donc la sévérité thermique subie par le produit. Le coefficient γ distingue un mélange facile d’un mélange piégé : à 1, Raoult suffit ; à 5, il faut des mesures. Enfin, la pression de vapeur saturante suit une loi d’Antoine, exponentielle en température — dix degrés de plus la doublent presque pour un solvant courant.
La volatilité relative et la courbe d’équilibre
La seconde forme, valable si α est constante, donne la courbe d’équilibre en trente secondes et une première estimation du nombre d’étages. Elle n’est légitime que sur une plage où α varie peu : zone par zone, avec une moyenne géométrique entre tête et pied.
Les bilans : droites opératoires et ligne d’alimentation
La méthode de McCabe et Thiele, publiée en 1925 et jamais détrônée comme outil de raisonnement, repose sur une hypothèse simple : les débits molaires de liquide et de vapeur sont constants dans chaque zone, la condensation d’une mole de lourd vaporisant une mole de léger. Elle tient quand les chaleurs latentes molaires sont voisines, cas de l’eau (40,7 kJ/mol) et de l’éthanol (38,6 kJ/mol). Les bilans de matière deviennent alors des droites sur le diagramme y-x.
épuisement : ym+1 = [L‘ / (L‘ − W)] · xm − [W / (L‘ − W)] · xW
ligne d’alimentation : y = [q / (q − 1)] · x − xF / (q − 1)
La droite d’enrichissement part du point (xD, xD) sur la diagonale et a pour pente R/(R+1), où R est le taux de reflux, rapport du liquide renvoyé en tête au distillat soutiré : plus le reflux est fort, plus la droite s’éloigne de la courbe d’équilibre et moins il faut d’étages. La droite d’épuisement part de (xW, xW) avec une pente supérieure à 1. La ligne d’alimentation, dite droite q, part de (xF, xF) et s’incline selon l’état thermique de la charge : q = 1 pour un liquide à son point de bulle (droite verticale), q = 0 pour une vapeur saturée (horizontale), q > 1 pour un liquide sous-refroidi. Les trois droites se coupent en un même point, et l’étage sur lequel tombe cette intersection est l’étage d’alimentation optimal.
La construction se fait ensuite en marches d’escalier entre la courbe d’équilibre et les droites opératoires, de xD à xW : chaque marche est un étage théorique, et le rebouilleur en constitue un à lui seul. Le résultat n’est pas un nombre unique mais une famille de solutions, puisqu’il dépend du reflux choisi.
Reflux minimal, reflux total, corrélation de Gilliland
Deux cas limites encadrent toute colonne. Au reflux total, on ne soutire rien : les droites opératoires se confondent avec la diagonale, l’écart à la courbe d’équilibre est maximal et le nombre d’étages minimal. C’est la situation du démarrage, où la colonne tourne en boucle fermée jusqu’à stabilisation des profils. Ce minimum se calcule par la relation de Fenske.
Au reflux minimal, à l’inverse, la droite opératoire vient toucher la courbe d’équilibre : les marches s’accumulent sans fin au point de contact — la zone de pincement — et le nombre d’étages devient infini. Ce reflux minimal se lit graphiquement ou se calcule par les équations d’Underwood. Aucune colonne ne travaille à l’un de ces extrêmes : l’optimum se situe entre 1,1 et 1,5 fois Rmin, le coût total — investissement décroissant, énergie croissante — passant par un minimum plat autour de 1,2 Rmin.
La corrélation de Gilliland relie ces grandeurs sans repasser par la construction graphique : elle porte (N − Nmin)/(N + 1) en fonction de (R − Rmin)/(R + 1). Corrélation empirique établie sur une soixantaine de systèmes, précise à 10-15 % près, elle suffit à tout avant-projet. Associée à Fenske pour Nmin et à Underwood pour Rmin, elle forme la méthode dite FUG, premier calcul fait sur toute colonne multiconstituants avant la simulation étage par étage.
Efficacité de Murphree, efficacité globale, HEPT
L’efficacité de Murphree en phase vapeur compare l’enrichissement réellement obtenu sur un plateau à celui qu’aurait donné l’équilibre avec le liquide qui le quitte. Elle se mesure plus qu’elle ne se calcule ; les corrélations de type AIChE l’estiment à partir de la géométrie du plateau, du temps de séjour du liquide et du facteur de charge vapeur. Ordres de grandeur : 0,55 à 0,75 sur plateaux perforés en distillation d’alcool, 0,70 à 0,85 sur plateaux à clapets bien chargés, 0,30 à 0,50 seulement en absorption ou sur liquides visqueux. Elle chute quand le plateau pleure, quand il mousse, ou quand la charge vapeur descend sous la moitié du point de fonctionnement.
L’efficacité globale est le rapport que retient le constructeur : combien de plateaux souder pour obtenir les étages calculés. Elle diffère de celle de Murphree parce que le rapport des pentes de la droite opératoire et de la courbe d’équilibre y intervient. On la corrèle grossièrement au produit de la volatilité relative par la viscosité de la charge, selon O’Connell, et l’on retient 0,45 à 0,60 sur un système alcoolique, 0,60 à 0,80 sur des hydrocarbures propres.
La HEPT — hauteur équivalente à un plateau théorique — joue le même rôle pour les colonnes garnies, où il n’y a plus de plateaux à compter mais une hauteur de garnissage à installer. Elle vaut 0,4 à 0,9 m pour un garnissage vrac de 25-50 mm, 0,20 à 0,45 m pour un structuré à tôles ondulées de 250 m²/m³. Trente étages théoriques font donc 8 à 12 m de garnissage structuré contre 18 à 24 m de plateaux espacés de 450 à 600 mm : c’est cet argument de hauteur qui a fait le succès des garnissages en rénovation.
| Symbole | Grandeur | Unité | Ordre de grandeur usuel |
|---|---|---|---|
| x, y | Fraction molaire du léger dans le liquide, dans la vapeur | sans dimension | 0 à 1 |
| P | Pression totale dans la colonne | Pa | 0,1-10 Pa (moléculaire) ; 5-100 kPa (vide) ; 100-250 kPa (courant) |
| γi | Coefficient d’activité en phase liquide | sans dimension | 1 (idéal) à 6 (éthanol dilué dans l’eau) |
| α | Volatilité relative | sans dimension | 1,05 (difficile) à 100 (solvant dans une huile) |
| R | Taux de reflux, L/D | sans dimension | 0,5 à 8 ; optimum 1,1-1,5 Rmin |
| q | État thermique de l’alimentation | sans dimension | 0 (vapeur saturée) à > 1 (liquide sous-refroidi) |
| xF, xD, xW | Compositions de l’alimentation, du distillat, du résidu | sans dimension | — |
| D, W | Débits molaires de distillat et de résidu | mol·s−1 | — |
| Nth, Nréel | Étages théoriques, plateaux réels | sans dimension | 4 à 80 |
| EMV, Eo | Efficacité de Murphree, efficacité globale | sans dimension | 0,55-0,85 ; 0,45-0,80 |
| HEPT, Z | Hauteur équivalente à un plateau théorique, hauteur de garnissage | m | 0,15-0,90 ; 2-25 |
| ΔHvap | Enthalpie molaire de vaporisation | kJ·mol−1 | 38,6 (éthanol) ; 40,7 (eau à 100 °C) |
Un dernier calcul, décisif pour le budget : la charge du rebouilleur vaut en première approximation (R + 1) · D · ΔHvap. Doubler le reflux double presque la facture de vapeur — raison pour laquelle un opérateur qui « ouvre le reflux pour être tranquille » coûte très cher.
Les matériels
L’architecture d’une colonne
Une colonne de rectification comporte cinq organes indissociables : la virole garnie d’internes, le rebouilleur, le condenseur de tête, le ballon de reflux et la pompe de reflux. Retirer l’un d’eux change la nature de l’appareil : sans condenseur ni reflux, c’est un stripper ; sans rebouilleur, la vapeur doit être injectée directement, cas des colonnes à vapeur vive sur moûts fermentés.
vapeur à xD → condensat
reflux L renvoyé en tête / distillat D soutiré
plateaux au-dessus de l’alimentation
charge à xF, état thermique q
plateaux sous l’alimentation
vaporise (R+1)·D ; vaut un étage théorique
soutirage de pied à xW : vinasse, huile désolvantée
Les plateaux et les garnissages
Un plateau est un disque perforé traversé par la vapeur et parcouru par une couche de liquide de 30 à 80 mm retenue par un déversoir, évacuée vers le plateau inférieur par une descente latérale ; le contact se fait dans la mousse créée par le barbotage.
Le plateau perforé est le plus simple : une tôle percée de trous de 3 à 12 mm sur 5 à 15 % de la surface active. Il exige un débit de vapeur suffisant pour empêcher le liquide de tomber par les trous, ce qui limite sa plage utile à un rapport de 2 à 3 entre charge maximale et minimale. Le plateau à clapets — ou à soupapes, les deux mots désignent le même organe — coiffe chaque orifice d’un obturateur mobile qui se soulève selon le débit : la surface de passage s’adapte à la charge, la plage atteint un rapport de 4 à 5 sans perte d’efficacité, et c’est le choix par défaut de toute installation travaillant en campagne. Le plateau à cloches, ou à calottes, fait plonger la vapeur sous le liquide : il ne pleure jamais et travaille encore à 10 % de charge, mais sa perte de charge est forte et son prix double. Le plateau à double flux, sans descente, est peu efficace mais accepte les moûts chargés qui boucheraient les autres en quelques jours.
Un garnissage remplace la succession de plateaux par un lit où le liquide ruisselle en film et où la vapeur circule à contre-courant. Le vrac — anneaux Raschig historiques, anneaux Pall, selles Intalox, en métal ou en polypropylène — offre 90 à 250 m²/m³ de surface et 90 à 96 % de vide. Le structuré, empilement de tôles minces ondulées et perforées croisées à 45°, donne la meilleure efficacité par mètre et surtout la plus faible perte de charge : c’est le seul choix possible sous vide poussé, où la perte de charge fixe la pression de pied, donc la température subie par le produit le plus fragile. Le prix se paie sur la distribution : 60 à 120 points d’arrosage par mètre carré, et un distributeur mal mis à niveau crée des passages préférentiels qui font chuter l’efficacité de moitié.
| Interne | Efficacité | Perte de charge | Plage de débit | Emploi typique |
|---|---|---|---|---|
| Plateau perforé | Eo 0,50-0,70 | 4-8 mbar/plateau | rapport 2-3 | colonnes à alcool, strippers, débit stable |
| Plateau à clapets (soupapes) | Eo 0,60-0,80 | 5-9 mbar/plateau | rapport 4-5 | débits variables, campagnes, rectification fine |
| Plateau à cloches | Eo 0,55-0,75 | 8-14 mbar/plateau | rapport 8-10 | très faible charge, alambics, laboratoire |
| Plateau à double flux | Eo 0,35-0,50 | 3-6 mbar/plateau | rapport 1,5-2 | moûts chargés, liquides encrassants |
| Garnissage vrac | HEPT 0,40-0,90 m | 2-8 mbar/m | rapport 3-4 | petites colonnes, milieux corrosifs |
| Garnissage structuré | HEPT 0,15-0,45 m | 0,3-1,5 mbar/m | rapport 4-6 | vide poussé, thermolabiles, rénovation |
Le diamètre : engorgement, pleurage, perte de charge
La hauteur d’une colonne vient du nombre d’étages ; son diamètre vient de l’hydrodynamique. La vitesse de vapeur ne peut dépasser une valeur limite au-delà de laquelle les gouttes cessent de retomber : c’est l’engorgement, ou noyage, calculé par la relation de Souders-Brown, produit d’une constante empirique par la racine du rapport des masses volumiques liquide et vapeur. On dimensionne à 70-85 % de cette limite. Symptômes : perte de charge qui s’emballe, descentes qui se remplissent, niveau de pied qui monte, séparation qui s’effondre en quelques minutes.
À l’autre bout, le pleurage apparaît quand la vitesse de vapeur ne retient plus le liquide sur le plateau : celui-ci s’écoule par les perforations sans avoir barboté, et l’efficacité tombe de 0,70 à 0,40 sans que rien d’autre ne change dans la conduite — défaut sournois s’il en est. Poussé plus loin, le phénomène devient dumping : le liquide tombe en cascade et la colonne se vide.
La perte de charge s’additionne d’étage en étage : quarante plateaux à 6 mbar font 0,24 bar entre tête et pied. Sous pression atmosphérique, c’est négligeable ; sous 30 mbar absolus en tête, c’est rédhibitoire, puisque le pied se retrouverait à 270 mbar avec plusieurs dizaines de degrés de plus. Le choix entre plateaux et garnissage se ramène souvent à cette seule contrainte.
Les variantes de procédé
| Variante | Conditions | Ce qu’elle résout | Emploi alimentaire |
|---|---|---|---|
| Distillation sous vide | 5 à 100 mbar abs, 30-200 °C | abaisse la température d’ébullition, protège les thermolabiles, augmente souvent α | désalcoolisation, désodorisation d’huiles, acides gras, arômes |
| Entraînement à la vapeur | 1 bar, 95-100 °C, 1 à 4 h | distille des corps à haut point d’ébullition sans les porter à leur température d’ébullition | huiles essentielles, hydrolats, désodorisation |
| Distillation moléculaire à court trajet | 0,001 à 0,1 mbar, quelques secondes | l’évaporé rejoint le condenseur sans collision : plus d’équilibre, séparation par volatilité et masse | tocophérols, esters d’oméga-3, monoglycérides |
| Distillation extractive | ajout d’un solvant lourd non volatil | modifie les coefficients d’activité et casse l’azéotrope sans en créer un autre | éthanol anhydre au monoéthylèneglycol |
| Distillation azéotropique | ajout d’un entraîneur formant un azéotrope ternaire | déplace le point de pincement | éthanol anhydre au cyclohexane ; en recul face au tamis moléculaire |
| Colonne à film ou à cônes rotatifs | 25-60 mbar, 28-45 °C, quelques secondes | temps de séjour très court, faible rétention, faible perte de charge | désalcoolisation des vins et bières, récupération d’arômes |
L’entraînement à la vapeur mérite un mot de plus : c’est le seul cas où deux liquides non miscibles coexistent. Chacun exerce sa pression de vapeur saturante propre, indépendamment de sa fraction dans le mélange ; l’ébullition survient dès que la somme des deux pressions atteint la pression totale, donc sous le point d’ébullition du plus volatil. Un terpène qui bout à 175 °C pur distille ainsi à 99 °C en présence d’eau. La masse entraînée par kilogramme de vapeur suit le rapport des pressions partielles pondéré par les masses molaires : un terpène pesant huit à dix fois plus qu’une molécule d’eau, un composé dont la pression de vapeur ne vaut que 2 % de celle de l’eau est tout de même entraîné en quantité utile. Rendements typiques : 0,8 à 1,5 % de la masse de lavande fraîche, 1,5 à 3 % pour la menthe poivrée, en deux à quatre heures.
La distillation moléculaire sort, elle, du cadre théorique exposé plus haut. Sous 10−3 mbar, le libre parcours moyen des molécules atteint plusieurs centimètres ; si l’écart entre la surface évaporante et le condenseur interne — 2 à 5 cm dans un évaporateur à court trajet — lui est inférieur, aucune molécule ne revient au liquide. Il n’y a plus d’équilibre, plus de reflux, plus d’étage théorique : la séparation dépend du flux d’évaporation de chaque espèce, donc de sa pression de vapeur et de sa masse molaire. Le film, étalé par des rotors racleurs sur 0,2 à 0,5 mm, ne séjourne que 5 à 30 secondes à 150-250 °C.
Les paramètres de conduite
Une colonne se conduit avec peu de degrés de liberté : la pression, le rebouillage, le taux de reflux, le débit et l’état de la charge, le point d’injection. Tout le reste en découle. La difficulté vient du couplage entre ces variables et de la lenteur de la réponse — dix à quarante minutes de constante de temps sur une colonne de quarante plateaux.
Règle universelle : la pression une fois fixée, une colonne binaire n’a que deux degrés de liberté effectifs. On ne peut imposer que deux spécifications — pureté du distillat et pureté du résidu, par exemple. En vouloir trois conduit à une dérive, et c’est l’erreur la plus courante des conduites manuelles.
La pression se régule en tête, par le débit d’eau du condenseur ou par un évent d’incondensables, et doit être tenue serrée : toutes les températures de la colonne y sont indexées, et trois pour cent de dérive décalent les températures de plateau de plus d’un degré. Le pilotage courant se fait d’ailleurs par une température de plateau sensible, choisie là où le profil est le plus raide et asservie au rebouillage ou au reflux : c’est un capteur de composition indirect, gratuit et rapide, à condition de compenser la pression. En alcool, ce plateau se trouve souvent cinq à huit niveaux au-dessus de l’alimentation.
| Paramètre | Plage usuelle | Effet d’une augmentation | Ce qu’elle coûte |
|---|---|---|---|
| Taux de reflux R | 1,1 à 1,5 × Rmin | pureté du distillat en hausse, étages nécessaires en baisse | vapeur au rebouilleur et surface de condenseur, presque proportionnellement |
| Débit de rebouillage | fixé par (R+1)·D | épuisement du résidu, charge vapeur de la colonne | engorgement au-delà de 85 % de la vitesse limite |
| Pression de tête | 5-100 mbar (vide) ; 1,0-2,5 bar (courant) | températures en hausse, α souvent en baisse | dégradation thermique, coloration, formation de furfural |
| Plateau d’alimentation | imposé par la droite q ; 2 à 4 piquages prévus | un piquage trop haut noie la zone d’enrichissement | 10 à 25 % d’efficacité perdue si mal choisi |
| État thermique q de la charge | 0 à 1,2 selon le préchauffage | charge préchauffée : moins de rebouillage, plus de reflux nécessaire | arbitrage entre échangeur de préchauffage et vapeur vive |
| Débit d’alimentation | 60 à 110 % du nominal | capacité en hausse | pleurage sous 60 %, engorgement au-delà de 110 % |
| Soutirage latéral de fusels | 0,1 à 0,5 % du débit d’alcool | élimination des alcools supérieurs | perte de rendement si excessif |
Le démarrage suit une séquence invariable : mise sous pression ou sous vide, montée du rebouilleur à charge réduite, marche en reflux total jusqu’à stabilisation des profils — vingt minutes à deux heures selon la hauteur — puis ouverture progressive du soutirage et introduction de la charge. Démarrer en soutirant tout de suite donne une demi-heure de produit hors spécification et déstabilise durablement le profil.
Ce qui se dérègle
Une colonne en défaut se signale presque toujours par deux indices : le profil de température perd sa raideur, et la perte de charge quitte sa valeur habituelle. Relever à chaque poste la perte de charge totale et trois températures de plateau permet de détecter la plupart des dérives une à deux heures avant qu’elles n’atteignent la qualité.
| Symptôme | Cause probable | Correction |
|---|---|---|
| Perte de charge qui grimpe brutalement, niveau de pied qui monte, distillat qui se charge en lourd | Engorgement : charge vapeur au-delà de la vitesse limite, ou descentes noyées | Réduire le rebouillage de 15-20 %, baisser l’alimentation, laisser la colonne se vider ; vérifier ensuite le dimensionnement des descentes |
| Perte de charge anormalement basse, profil aplati, pureté qui s’effrite sans cause apparente | Pleurage : colonne conduite très en dessous de sa charge nominale | Remonter le rebouillage, regrouper la production en campagnes plus courtes à débit nominal ; à terme, remplacer les plateaux perforés par des clapets |
| Efficacité qui décroît sur plusieurs semaines, perte de charge qui monte lentement | Encrassement : protéines, tartre calcique, matières en suspension du moût sur les plateaux et dans les descentes | Lavage alcalin chaud puis acide en circulation ; améliorer la clarification amont ; passer les plateaux bas en double flux |
| Moussage, entraînement de liquide vers la tête, distillat trouble | Tensioactifs du moût — protéines, peptides, résidus de levures — ou vitesse de vapeur trop élevée | Antimousse alimentaire au minimum efficace, baisse de charge, suppression d’un piquage pour gagner de l’espacement |
| Résidu de pied encore chargé en léger malgré un rebouillage normal | Zone d’épuisement insuffisante, alimentation injectée trop bas, ou pleurage localisé | Remonter le piquage d’un ou deux plateaux ; contrôler que la température du plateau d’alimentation est proche du point de bulle de la charge |
| Distillat qui plafonne sous la spécification quel que soit le reflux | Approche de l’azéotrope, ou zone de pincement : la droite opératoire touche la courbe d’équilibre | Ne pas insister au reflux : changer de pression, ajouter des étages, ou passer à une opération complémentaire (tamis moléculaire, adsorption) |
| Condenseur qui ne condense plus, pression de tête qui monte | Accumulation d’incondensables — air entré par une bride, CO2 d’un moût fermenté — ou eau de refroidissement insuffisante | Ouvrir la purge d’évent, rechercher l’entrée d’air à la mise sous vide, contrôler débit et température de l’eau |
| Notes de brûlé, coloration du produit de pied, apparition de furfural | Température de pied trop élevée : perte de charge excessive sous vide ou séjour trop long au rebouilleur | Diminuer la rétention de pied, passer au rebouilleur à film tombant, réduire la perte de charge par du garnissage structuré |
| Goût atypique du distillat alcoolique, notes solvantées | Coupe de tête mal faite ou soutirage de fusels insuffisant | Rétablir le soutirage d’aldéhydes en tête et le prélèvement d’huiles de fusel au flanc, sur les plateaux où leur concentration est maximale |
Danger — vapeurs inflammables et enceintes sous pression. Les vapeurs d’éthanol forment avec l’air un mélange explosif entre 3,3 et 19 % en volume, avec un point éclair de 13 °C : toute salle de distillation d’alcool ou de récupération de solvant est une zone ATEX au sens de la directive 2014/34/UE, ce qui impose matériel certifié, liaisons équipotentielles, mise à la terre de tous les organes et maîtrise des sources d’ignition. L’hexane est plus sévère encore, avec un point éclair de −22 °C. S’y ajoutent la surpression d’une colonne dont l’évent ou la soupape est obstrué, l’implosion d’une enceinte sous vide non calculée pour la dépression, et la brûlure par la vapeur vive ou par le résidu de pied, qui sort entre 100 et 250 °C.
Énergie, coût et environnement
La distillation est coûteuse par construction : elle vaporise l’intégralité du flux montant, soit (R + 1) fois le débit de distillat, pour n’en récolter qu’une fraction. Chaque kilogramme d’éthanol vaporisé demande environ 840 kJ, chaque kilogramme d’eau 2 260 kJ à 100 °C : un rebouilleur produisant 5 t/h de distillat à un reflux de 3 fournit de l’ordre de 4 à 5 MW en continu.
Les ordres de grandeur en distillerie d’alcool sont à retenir. Une colonne unique, sans intégration thermique, consomme 4 à 6 kg de vapeur par litre d’alcool à 96 % vol, soit 9 à 13 MJ/L. Une installation moderne à deux ou trois colonnes couplées en pression descend à 1,6-2,5 kg de vapeur par litre, soit 3,5 à 5,5 MJ/L, déshydratation sur tamis moléculaire comprise. Le rapport est de trois : c’est l’intégration thermique, plus que le rendement de fermentation, qui a fait la compétitivité des unités de bioéthanol.
Le couplage en pression est le multiple effet appliqué à la distillation : deux colonnes travaillent à deux pressions, l’une vers 2 bar et l’autre sous vide partiel, et les vapeurs de tête de la première, à 110 °C, se condensent dans le rebouilleur de la seconde dont le liquide bout à 70 °C. Un même kilogramme de vapeur travaille deux ou trois fois, pour 35 à 50 % d’économie, un investissement supérieur de 20 à 30 % et une conduite plus délicate, les deux colonnes devenant thermiquement solidaires.
La récupération sur les flux sortants vient ensuite : la vinasse de pied, à 100-105 °C, préchauffe la charge dans un échangeur à plaques, ce qui modifie son état thermique q et réduit d’autant le rebouillage ; la chaleur du condenseur, disponible à 60-80 °C, alimente les nettoyages en place ou l’effet suivant d’un concentrateur. La compression mécanique de vapeur, enfin, comprime la vapeur de tête au lieu de la condenser — taux de 1,5 à 2,5, soit 10 à 25 °C de température de saturation gagnés — et la renvoie au rebouilleur de la même colonne, pour 15 à 30 kWh par tonne de vapeur recyclée. Elle n’a d’intérêt que sur des séparations à faible écart de température entre tête et pied.
Restent l’eau et les effluents. Un condenseur à eau perdue consomme 20 à 40 litres d’eau par litre de distillat, contre moins d’un litre d’appoint en circuit fermé. Le vrai poste environnemental est le résidu de pied : une distillerie produit 8 à 15 litres de vinasse par litre d’alcool, avec une demande chimique en oxygène de 50 à 120 g/L. Concentrées puis épandues ou méthanisées, ces vinasses fournissent un biogaz qui couvre, sur les meilleures unités, 30 à 60 % du besoin en vapeur des colonnes. Avant tout projet neuf, la vraie question reste celle de la substitution : le tamis moléculaire a remplacé la distillation azéotropique parce qu’il consomme deux à trois fois moins, l’osmose inverse désalcoolise partiellement à froid, et l’évaporation sous vide ou la filtration membranaire concentrent un extrait aqueux à moindre coût qu’un rebouilleur.
L’opération dans la fabrication des sucrants
Disons-le franchement : la distillation ne fabrique aucun édulcorant. Ni le xylitol, ni l’érythritol, ni le sorbitol, ni les glycosides de stéviol, ni le sucre de betterave ou de canne, ni le sirop de yacon, ni le sucre de fleur de coco ne passent par une colonne. Tous sont des solides ou des sirops dont la pression de vapeur est nulle : les séparer par volatilité n’aurait aucun sens. Ce qui les purifie, ce sont la chromatographie préparative, l’échange d’ions et la cristallisation. La distillation intervient tout autour, à trois titres, et son absence rendrait plusieurs de ces filières inexploitables.
La récupération des solvants
C’est le point de contact le plus important. La purification des glycosides de stéviol comporte, après extraction aqueuse des feuilles et passage sur résines, une ou plusieurs cristallisations dans l’éthanol ou dans un mélange éthanol-eau : le rébaudioside A cristallise, ses congénères restent en solution. Les eaux mères titrent alors 60 à 90 % d’éthanol, en volumes considérables. Sans récupération, ce solvant serait un déchet et le coût de la stévia purifiée s’en trouverait multiplié. Une rectification de 20 à 30 plateaux, sous pression atmosphérique ou vide léger, rend en tête un éthanol à 94-96 % vol prêt à repartir en cristallisation et laisse au pied une eau mère épuisée. Le même schéma vaut pour les lavages alcooliques d’autres extraits sucrants.
Dans la filière du xylitol, la ligne principale — hydrolyse de la biomasse hémicellulosique, purification de l’hydrolysat de xylose, hydrogénation catalytique, chromatographie, cristallisation — ne comporte aucune colonne à distiller. Les points de contact sont périphériques : l’éthanol employé dans certains protocoles de cristallisation et de lavage des cristaux est récupéré par distillation ; l’hydrolysat de pentoses forme, en milieu acide et chaud, du furfural, dont la séparation industrielle passe précisément par entraînement à la vapeur et rectification quand on le valorise en coproduit.
L’alcool comme coproduit
Le lien le plus massif en tonnage est celui du sucre. Une sucrerie produit des mélasses, résidu de cristallisation encore riche en saccharose non cristallisable ; ces mélasses sont fermentées et le moût obtenu est distillé. Une distillerie annexée à une sucrerie est la règle dans les grands bassins sucriers : l’ensemble sucre, alcool, pulpes et vinasses forme une bioraffinerie où la colonne transforme un résidu de cristallisation en produit de haute valeur.
Deux autres sucrants illustrent la même bifurcation. La sève de cocotier concentrée au wok donne le sucre de fleur de coco ; la même sève laissée à fermenter donne un vin de palme, lequel distillé donne l’arack. Le cœur d’agave cuit, hydrolysé et concentré donne le sirop d’agave ; cuit, fermenté et distillé, il donne la tequila. Dans les deux cas, le choix se joue au même endroit : concentrer les sucres, ou les convertir en éthanol qu’il faudra ensuite séparer. La distillation est le marqueur de la seconde branche, jamais de la première.
Arômes, désalcoolisation, et le cas des polyols
Une troisième famille d’usages concerne les produits sucrés plutôt que les sucrants. Quand un jus ou un extrait est concentré à l’évaporateur, une colonne placée sur la buée récupère les arômes et les restitue au concentré : c’est ce qui distingue un concentré de pomme aromatisé d’un concentré plat, et cela vaut pour les sirops sucrants comme le sirop de yacon. La désalcoolisation, elle, croise directement le marché des boissons allégées : vins et bières sans alcool sont traités sous vide à 28-40 °C ou en colonne à cônes rotatifs, en deux passes — une pour capter les arômes, une pour retirer l’éthanol — puis réassemblés, avec parfois une correction de goût faisant appel à des édulcorants intenses ou à des polyols. La colonne ne fabrique pas l’édulcorant, mais elle crée le produit dans lequel il sera utilisé.
Un dernier point explique pourquoi la distillation restera étrangère à cette famille de produits. Les polyols — xylitol, sorbitol, maltitol — sont massivement associés par liaisons hydrogène : leur pression de vapeur est négligeable et leur température de décomposition est atteinte bien avant toute ébullition sous pression atmosphérique. L’érythritol se sublime marginalement sous vide poussé, curiosité de laboratoire et non procédé. Leur purification passe par la solubilité ou par l’affinité, jamais par la volatilité.
Pour aller plus loin
- Évaporation — l’opération jumelle : même vaporisation, mais sans reflux ni étages, et pour un tout autre objectif.
- Fermentation — l’opération qui produit le moût à 8-12 % vol que la colonne existe pour concentrer.
- Extraction liquide-liquide — l’autre séparation à contre-courant, entre deux liquides cette fois.
- Extraction supercritique — la voie qui supprime l’étape de distillation du solvant, le CO2 se séparant par simple détente.
- Échange de chaleur — rebouilleur, condenseur, préchauffeur : tout le coût d’une colonne passe par des surfaces d’échange.
- Extraction solide-liquide — l’opération amont qui charge le solvant que la colonne devra récupérer.
- Adsorption et décoloration — le tamis moléculaire 3 Å qui franchit l’azéotrope là où la colonne bute.
Sources
- McCabe, W. L., Smith, J. C., Harriott, P., Unit Operations of Chemical Engineering, 7e éd., McGraw-Hill, 2005.
- Perry, R. H., Green, D. W., Perry’s Chemical Engineers’ Handbook, 9e éd., McGraw-Hill, 2018.
- Bimbenet, J.-J., Duquenoy, A., Trystram, G., Génie des procédés alimentaires : des bases aux applications, Dunod, 2e éd., 2007.
- Fellows, P. J., Food Processing Technology: Principles and Practice, 4e éd., Woodhead Publishing, 2017.
- Singh, R. P., Heldman, D. R., Introduction to Food Engineering, 5e éd., Academic Press, 2014.
- Saravacos, G., Kostaropoulos, A. E., Handbook of Food Processing Equipment, 2e éd., Springer, 2016.
- Mafart, P., Béliard, E., Génie industriel alimentaire, Tec & Doc Lavoisier.
- Directive 2014/34/UE (ATEX) relative aux appareils destinés à être utilisés en atmosphères explosibles ; règlement (UE) n° 1333/2008 sur les additifs alimentaires.