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Extraction liquide- liquide technologie

Principe de l'extraction liquide-liquide: on cherche a extraire un soluté contenu dans un mélange liquide homogène constitué de soluté et de diluant, nommé charge. On utilise pour cela une certaine quantité d'un solvant qui ne doit pas être miscible avec le diluant, mais être miscible avec le soluté. Les deux phases liquides charge + solvant sont mélangées intimement (mélange non homogène) et le soluté se distribue dans chacune des phases selon un équilibre physico-chimique (voir courbes d'équilibre). Le mélange non homogène est alors décanté en deux phases non miscibles:  l'extrait, contenant majoritairement du solvant et le soluté extrait,  le raffinat contenant majoritairement du diluant, ainsi que le soluté non extrait. Ce procédé est athermique et ne nécessite que très peu d'énergie (agitation). Il remplace avantageusement la rectification en cas de séparation difficile (azéotropes, volatilités relatives voisines, etc...). Il est parfois combiné avec une rectification de l'extrait permettant la récupération du solvant d'une part, et du soluté avec la pureté voulue d'autre part. Ce procédé peut être réalisé en discontinu (ampoule à décanter de laboratoire par ex), ou en continu (mélangeurs décanteurs, colonnes d'extraction, etc...)

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EXTRACTION A SIMPLE ETAGE

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EXTRACTION A COURANT CROISE : Dans une extraction à courant croisés, ici à 3 étages, le solvant est (équitablement) réparti pour réaliser 3 extractions successives, la première sur la charge, la seconde sur le premier raffinat, la troisième sur le second raffinat. On obtient en fin d'opération un raffinat (ici R3) et 3 extraits à 3 compositions différentes, le premier étant le plus concentré en soluté, le dernier le moins concentré. Les extraits sont mélangés entre eux dans la majorité des cas. On démontre que cette méthode donne un meilleur rendement qu'un extraction à simple étage pour une même quantité de solvant S, ici égale à S1+S2+S3. On démontre également que l'optimum est obtenu pour S1=S2=S3, c'est à dire une répartition équitable du solvant entre chaque extraction. Ce procédé peut fonctionner en continu ou en discontinu.

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Dans cette représentation, on note les points suivants:  Phase légère = solvant  Extraits soutirés par débordement et regroupés  Phase lourde = diluant  Raffinats soutirés par garde hydraulique  Mélangeurs à élévation décroissante pour écoulement gravitaire des raffinats

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EXTRACTION A COTRE COURANT

Dans une extraction à contre-courant, ici à 3 étages, on réalise 3 extractions successives en utilisant comme solvant l'extrait de l'étage suivant. On obtient en fin d'opération un raffinat (ici R3 sortant de l'étage n°3)) et un extrait (ici E1 sortant de l'étage n°1). On démontre que cette méthode donne un meilleur rendement qu'une extraction à simple étage ou à courant croisé avec le même nombre d'étages et la même quantité de solvant. 5

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EXTRACTION PAR COLONNE Ci-dessous sont représentées quatre colonnes d'extraction liquide-liquide à contre-courant. Dans ces représentations, on note les points suivants: Solvant = phase lourde (alimentation en haut) Solvant = phase continue (interface en haut)

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Solvant = phase lourde (alimentation en haut) Solvant = phase dispersée (interface en bas)

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Solvant = phase légère (alimentation en bas) Solvant = phase dispersée (interface en haut)

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Solvant = phase légère (alimentation en bas) Solvant = phase continue (interface en bas)

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TYPES DE COLONNES D’EXTRACTION L/L

Il existe différents types de colonnes d'extraction, notamment au niveau du système de mis en contact des phases lourde et légère:  colonne à garnissage (sans agitation mécanique autre que l'écoulement)  colonne à plateaux, fixes ou mobiles (mouvements opposés 2 à 2),...  colonne à disques rotatifs  colonnes à compartiments agités (ex: khuni)  colonnes pulsée (liquide mis en mouvement alternatif, internes fixes)  etc... Quelques exemples sont représentés ci-dessous.

Colonne à plateaux fixes sans agitation

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Colonne pulsée à plateaux perforés mise en mouvement alternatif du liquide via un piston plongeur

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Colonnes: phase lourde / phase légère / phase continue / phase dispersée. Selon que le solvant est la phase lourde ou légère, et selon qu'il constitue la phase continue ou la phase dispersée, les positions respectives des flux de matière et de l'interface de séparation diffèrent et sont représentées sur les schémas suivants. Rq: la phase dispersée est en général la phase dont le débit est le plus faible. Il peut arriver que l'on ne distingue pas de phase continue dans la colonne, il y aura dans ce cas deux interfaces de démixion.

Solvant = phase lourde (alimentation en haut) Solvant = phase continue (interface en haut)

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Solvant = phase lourde (alimentation en haut) Solvant = phase dispersée (interface en bas)

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Solvant = phase légère (alimentation en bas) Solvant = phase dispersée (interface en haut)

Solvant = phase légère (alimentation en bas) Solvant = phase continue (interface en bas)

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Niveau d'interface d'une colonne Dans une colonne d'extraction, le niveau d'interface peut être réglée via la hauteur h3 de soutirage de la phase lourde (ici le raffinat). En effet, h1+h2 est la hauteur de soutirage phase légère, et fixée par construction. En écrivant l'équation de l'hydrostatique sur les colonnes de liquide h1+h2 et h3, on relie aisément la hauteur d'interface h1 à la hauteur de soutirage phase lourde h3. ρlégère g h1 + ρmixte g h2 = ρlourde g h3 d'ou: h3 = (ρlégère h1 + ρmixte h2 )/ ρlourde Souvent, ρmixte est assimilé à la masse volumique de la phase continue, ici ρlourde. Rq: pour plus de précision, on peut tenir compte des pertes de charge de la ligne de soutirage phase lourde en écrivant l'équation de Bernouilli.

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Compartiment d'une colonne d'extraction liquide-liquide avec plateaux perforés et turbines

(doc. Schott) Colonne à plateaux perforés

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Décanteur à assiettes Westfalia Utilisation de la force centrifuge par mise en rotation du mélange Alimentation par l'axe de rotation Soutirage phase légère via turbine (en marron) Soutirage phase lourde via turbine (en jaune) Soutirage concentrats à la périphérie (si présence de solides) Décanteur à assiettes (doc. Westfalia)

Décanteur à assiettes (doc. Westfalia)

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Extraction liquide- liquide technologie extraction liquide-liquide: équations de bilan matière  

Bilan matière global: F + S = R +E Bilan matière en soluté: F xF + S yS = R xR + E yE

Dans le cas général, les équations de bilan matière partiels doivent tenir compte de la présence des trois constituants dans chaque phase, et notamment raffinat et extrait. Dans ce cas, la résolution du bilan sera souvent réalisée par détermination des compositions des phases sur le diagramme triangulaire équilatéral ou rectangle, par exemple en utilisant la règle des moments. Dans le cas ou solvant et diluant sont considérés comme immiscibles, les équations de bilan matière partiel se simplifient:  Bilan en diluant: F (1-xF) = R (1-xR)  Bilan en solvant: S (1-yS) = E (1yE)   

Soluté cédé: F xF - R xR Soluté extrait: E yE - S yS Rendement de l'extration: (F xF - R xR)/(F xF) ou (E yE - S yS)/(F xF)

Remarque: Lorsqu'un seul étage théorique d'extraction est considéré, l'extrait et le raffinat sont en équilibre, donc reliés par une connodale ou situés sur la courbe de partage si solvant et diluant sont immiscibles. Lorsqu'on a plusieurs étages d'équilibres, une construction doit être réalisée pour trouver une relation suplémentaire permettant de résoudre le problème.

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Extraction liquide- liquide technologie Cours d'extraction liquide-liquide: représentation des équilibres d'un mélange ternaire Diagramme triangulaire équilatéral La représentation

dans le diagramme triangulaire équilatéral permet, en plaçant un point M, de trouver les compositions (en général le titre massique) de chacun des constituants du mélange ternaire. Pour cela, il suffit de tracer à partir du point M des segments de droites parallèles aux bases et opposés aux sommets, et de lire les titres sur les axes formés par les bases. Chaque sommet représente un constituant pur du ternaire. Le sommet inférieur droit représente le solvant, le sommet supérieur représente le soluté. Le dernier sommet (inférieur gauche) représente évidement le diluant. Exemple de lecture pour le point M représenté:  titre en solvant 40% (base inférieure)  titre en soluté 30% (base côté droit)  titre en diluant 30% (base côté gauche) Rq: le titre en diluant est également le complémentaire à 100% des titres en solvant et soluté. Sur ce diagramme, la courbe tracée à l'intérieur du triangle représente la limite de miscibilité des deux phases liquides. En dessous de la courbe, le mélange représenté par le point M est hétérogène et décante en deux phases liquides. Au dessus de la courbe, le mélange représenté par le point M serait homogène (le soluté solubilise ensemble solvant et diluant, normalement non totalement miscibles entre eux). 24

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Pour représenter les équilibres du soluté dans chaque phase liquide, il convient de tracer dans la zone de non-miscibilité des droites nommées connodales, dont les extrémités représentent chacune des phases (points R et E, pour raffinat et extrait). Ainsi, le mélange non homogène représenté par M décante en deux phases liquides homogènes, l'une représentée par le point R, riche en diluant et nommée raffinat, l'autre représentée par le point E, riche en solvant et nommée extrait. Ces diagrammes sont établis expérimentalement pour un ternaire donné. On peut par exemple, en partant d'un mélange diluant+soluté de composition connue, rajouter du solvant jusqu'à apparition du point de trouble, ce qui donne un des points de la connodale. Les points de la courbe de miscibilité situés sur la base inférieure du triangle donnent les miscibilités réciproques du solvant et du diluant (ici 5% de solvant dans le diluant et 5% de diluant dans le solvant). En cas d'immiscibilité totale, la courbe de miscibilité part des sommets inférieurs du triangle.

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Extraction liquide- liquide technologie Diagramme triangulaire rectangle Le diagramme triangulaire rectangle permet de représenter le comportement d'un mélange ternaire de la même façon que le diagramme triangulaire équilatéral, dont il est une projection. Il est parfois plus pratique car seuls deux axes othogonaux sont tracés, représentants respectivement le solvant (o,x) et le soluté (o,y). La courbe de miscibilité et les connodales représentent les zones de miscibilité ou de présence de deux phases, et la composition des phases en équilibre. Dans ce diagramme, la composition en diluant est déduite des compositions en solvant et soluté.

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On considère ici une extraction à simple étage entre une alimentation F (40% de soluté, 60% de diluant, 0% de solvant), et une quantité S1 ou S2 (plus grande) de solvant pur. Le mélange de F et de S1 donnera le point M1, situé sous la courbe de miscibilité, et qui décantera donc en deux phases R1 raffinat et E1 extrait dont les compositions peuvent être déterminées graphiquement. Le mélange de la même charge F avec une quantité de solvant plus importante S2 donnera le point M2, également situé sous la courbe de miscibilité, et qui décantera donc en deux phases R2 raffinat et E2 extrait. On constate qu'avec plus de solvant, le raffinat sera moins riche en soluté (plus de soluté extrait), et que l'extrait sera également moins riche en soluté (plus de soluté extrait mais avec plus de solvant, d'ou un extrait moins concentré...)

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Extraction liquide- liquide technologie Courbe de partage (solvant et diluant immiscibles) Lorsque le solvant et le diluant peuvent être considérés comme totalement immiscibles, ce qui est souvent le cas lorsque les titres en solutés restent faibles, beaucoup de choses peuvent être simplifiées. Tout d'abord, il n'est plus nécessaire de représenter chaque phase par les compositions en chacun des trois constituants puisque il n'y a pas de solvant dans les phases diluant (charge et raffinat), et qu'il n'y a pas de diluant dans les phases solvant (solvant et extraits). En conséquence, on trace alors la répartition du soluté dans chaque phase en utilisant uniquement le titre massique (ou rapport massique) en soluté dans cette phase. Le titre en diluant ou en solvant, selon la nature de la phase considérée, est alors le complémentaire à 100% du titre en soluté. Afin de distinguer les titres de chaque phase, on note x les titres en soluté dans les phases diluant (axe o,x), et y les titres en soluté dans les phases solvant (axe oy). L'équilibre (ou partage) du soluté entre chaque phase est ainsi représenté par une courbe nommée courbe de partage. Lorsque cette courbe peut être assimilée à une droite, son coefficient directeur est appelé coefficient de partage et noté m. L'équilibre entre les phases est alors traduit par l'expression y = m x. Pour différentes raisons que nous n'évoquerons pas ici, on utilise préférablement les courbes d'équilibre ou de partage tracées en rapports massiques X et Y et non en titres massiques x et y. Le rapport massique en soluté dans une phase diluant X (resp. Y dans une phase solvant) est le rapport entre la masse de soluté et la masse de diluant (resp. rapport entre la masse de soluté et la masse de solvant). On a ainsi les relations entre titres et rapports massiques suivantes:  

X=x/(1-x) Y=y/(1-y)

 

x=X/(1+X) y=Y/(1+Y)

ou:

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On considère ici une extraction à simple étage entre une alimentation F de rapport massique XF et une quantité S1 ou S2 (plus grande) de solvant contenant un peu de soluté (rapport massique YS). Le mélange de F et de S1 donnera le point de coordonnées XR1 et YE1, représentant les compositions des deux phases raffinat R1 et extrait E1. Le mélange de la même charge F avec une quantité de solvant plus importante S2 donnera le point de coordonnées XR2 et YE2, représentant les compositions des deux phases raffinat R2 et extrait E2. On constate qu'avec plus de solvant, le raffinat sera moins riche en soluté (plus de soluté extrait), et que l'extrait sera également moins riche en soluté (plus de soluté extrait mais avec plus de solvant, d'ou un extrait moins concentré...). Le point bleu représente charge et solvant avant mélange. Il n'est pas sur la courbe de partage, donc lorsqu'on mélange les deux phases, la composition de celle-ci migre selon le segment vert. Si l'on atteint l'équilibre (agitation et temps de séjour suffisant), le point final obtenu est sur la courbe d'équilibre (point vert). La droite verte représente ainsi le chemin parcouru par les deux phases en cours d'extraction. Cette droite est appelée droite opératoire. On démontre que dans la représentation courbe de partage en rapport massique, sa pente est négative et égale au rapport - (Diluant pur / Solvant pur). Quand on augmente la quantité (ou le débit) de solvant, cette droite se rapproche de l'horizontale

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Cette construction dite de McCabe et Thiele permet de déterminer le nombre d'étages d'équilibres réalisés par une installation, ou de déterminer le nombre d'étages d'équilibre nécessaire pour réaliser une séparation donnée. Elle se démontre en rapport massique, et peut être réalisée avec une approximation suffisante en titre massique à condition que ceux-ci restent faibles (<10%). La construction consiste à tracer deux points représentant chacun les deux extrémités de l'appareil: l'un de coordonnées (XR,YS) représentant la sortie raffinat et l'entrée solvant, l'autre de coordonnées (XF,YE) représentant l'entrée de la charge et la sortie de l'extrait. On relie ensuite ces deux points selon une droite, nommée droite opératoire, dont on démontre que la pente est égale au rapport (Diluant pur / Solvant pur). On trace enfin des marches d'escaliers entre la droite opératoire et la courbe d'équilibre, en partant d'un des points (haut ou bas de colonne) et jusqu'à dépasser l'autre. Le nombre de marches détermine le nombre d'étages d'équilibre ou le NET (pour nombre d'étages théoriques) de la colonne.

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