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Manip N°2 ATELIER INTER UNIVERSITAIRE de GENIE DES PROCEDES EXTRACTION LIQUIDE-LIQUIDE PULSEE

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Manip N°2

ATELIER INTER UNIVERSITAIRE de GENIE DES PROCEDES

EXTRACTION

LIQUIDE-LIQUIDE

PULSEE

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I. Rappels

L’extraction par solvant, ou extraction liquide-liquide est une technique de séparation

isotherme en milieu liquide hétérogène.

La méthode repose sur l’existence d’une différence de solubilité d’une substance dans

deux liquides non miscibles.

Le procédé comporte trois étapes, comme l’indique la figure 1 :

- mélange des deux liquides non miscibles, l’un d’entre eux contenant le soluté,

- obtention de l’équilibre physico-chimique, conduisant à une démixtion,

- séparation des deux nouvelles phases liquides obtenues basée sur la différence des

masses volumiques.

mélangeage séparation

mélange initial

mélange pauvresolvant

mélange riche

Figure 1 : principe d’un étage de séparation par obtention d’un équilibre

Pratiquement, la solution d’alimentation F contenant le soluté B dissous dans le diluant

A est mise en contact avec le solvant S. Le soluté B, généralement plus soluble dans le

solvant que dans le diluant, passe de la solution dans le solvant, le solvant enrichi en soluté

constitue l’extrait E tandis que le diluant appauvri en soluté constitue le résidu (ou raffinat) R.

On retrouvera ces indications sur la figure 5.

Le passage du soluté B du diluant A dans le solvant S a lieu tant que l’équilibre

physico-chimique n’est pas atteint.

Pour que la force motrice de transfert demeure quasi constante, les deux liquides

alimentant la colonne circulent à contre-courant.

Pour que le transport de matière s’effectue le plus rapidement possible, l’aire de la

surface de transfert est accrue par divers artifices.

Ces objectifs peuvent être obtenus dans une colonne.

II. Les équilibres de phase des mélanges ternaires

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1 - Le coefficient de partage

Une substance B mise au contact de deux solvants partiellement miscibles ou

immiscibles S et A se répartit de façon inégale entre les deux phases qui se forment lorsque

l’équilibre physico-chimique est atteint.

Le rapport des concentrations de B dans ces deux phases est le coefficient de partage m.

2 - Le diagramme ternaire

A l’équilibre, ces systèmes biphasiques sont trivariants. A pression et température

constantes, ils peuvent être représentés dans un système d’axes triangulaires.

Le triangle équilatéral a l’avantage de permettre une représentation équivalente pour

tous les constituants.

Le triangle rectangle a l’avantage de pouvoir dilater l’échelle de l’un des axes. Il est

souvent intéressant de limiter le tracé à la partie “utile”.

Chaque sommet du triangle représente un composant pur. La teneur en soluté B, en

solvant S et en diluant A est exprimée en % molaire, massique, volumique, etc... et est

obtenue par une projection convenable sur l’axe choisi comme le montre la figure 2.

M

N

B

A

S

100% de B

100% de S

100% de A

Figure 2 : Diagramme ternaire

Il est aisé de démontrer que la quantité de S et la quantité du mélange N sont dans un

rapport des longueurs des segments MN et MS (règle du bras de levier) et que les quantités de

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deux composants sont dans le rapport des projections des segments sur l’axe binaire

correspondant.

Réciproquement, si au mélange N on ajoute une masse de solvant S, le mélange ternaire

résultant est représenté par le point M situé sur la droite NS tel que :

masse de N

masse de S

MS

MN

3 - La démixtion

R

F

A

B

Sf' f"

M E

f

1

3

24

Figure 3 : Courbe de démixtion isotherme et isobare.

Dans un système ternaire à solubilité mutuelle limitée la zone (1) des états stables,

caractérisés par une miscibilité totale, est séparée de la zone (2) des états instables constituant

la lacune de miscibilité ou zone diphasique, par l’isotherme de solubilité (3) ou ligne

“critique” ou courbe de démixtion ou encore courbe d’équilibre ou courbe de saturation.

A l’intérieur de la lacune de miscibilité aucun mélange ne peut exister indéfiniment :

tout système dont la composition globale serait représentée par le point M se répartit en deux

phases de composition R et E, points situés à l’intersection de la droite d’équilibre (4) ou

conodale RME et de la courbe de démixtion f’ff”. Au point critique f les deux phases en

équilibre ont la même composition.

4 - La séparation par un solvant

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B

SA

MER

f' f"

f f

Y(E)

f

B

S

Y

X

BE

BRX(R)f' f"

MER

Figure 4 : Représentation d’un système ternaire à miscibilité limitée.

Dans la zone de miscibilité totale aucune séparation ne peut avoir lieu. Par contre, si à

partir d’un mélange initial F on réalise par ajout du solvant S un système dont la composition

globale M se situe à l’intérieur de la lacune de miscibilité, celui-ci se sépare en deux phases R

et E. La phase R, riche en diluant A constitue le raffinat, tandis que la phase E, riche en

solvant S, constitue l’extrait.

En général, la concentration du soluté B dans le raffinat est désignée par x et dans

l’extrait par y. Il est alors possible de tracer la courbe de distribution ou courbe d’équilibre

qui représente y en fonction de x.

III. Les procédés d’extraction

1 - L’extraction simple

A une quantité de solution F contenant le soluté B on ajoute une certaine quantité de

solvant S de façon à réaliser le mélange M. Dans cet étage d’extraction il se forme un extrait

E et un raffinat R.

Etage 1

F

S

R1

E1

Figure 5 : Extraction simple.

2 - L’extraction à contacts multiples

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Si l’extraction par un seul étage est insuffisante, le raffinat R1 est traité par une nouvelle

quantité de solvant S et par une succession d’extractions sur les raffinats successifs, il se

forme le raffinat final Rn.

Etage 1 Etage 2 Etage 3 Etage n

F

S S S S

E1 E2 E3 En

R1 R2 R3 Rn-1 Rn

Figure 6 : Extraction à contacts multiples.

IV. L’extraction à contre-courants

1 - Le principe

Dans un montage convenable, par exemple une colonne d’extraction, au lieu de traiter le

raffinat Ri qui sort de l’étage i par du solvant S pur, il est possible de le mettre au contact de

l’extrait Ei+1 qui sort de l’étage suivant i + 1. Extraits et raffinats successifs circulent alors à

contre-courants de façon à ce que finalement l’alimentation F soit au contact de l’extrait le

plus riche, E1 E et que le solvant S soit au contact avec le raffinat le plus pauvre, Rn R.

Pour un volume donné de solvant, ce mode d’extraction est plus efficace que les autres

modes cités ci-dessus.

Par suite l’étage i reçoit le raffinat Ri-1 et l’extrait Ei+1. Il sort de l’étage i un raffinat Ri

et un extrait Ei qui sont supposés en équilibre. Ri-1 et Ei se correspondent par la courbe

opératoire.

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1

2

i

n

F

E = E1

R

R

R

R

R

R = Rn

i

2

1 E

E

E

E

E

S

2

i

nn-1

i+1

i-1

x

y

F

1

x yn S

3

Figure 7 : Schéma d’une colonne à contre-courants

2 - Le bilan matière

L’écriture du bilan matière permet de connaître la composition du système global et de

chacun des sous systèmes (étages).

Bilan sur la colonne :

Global : mF + mS = mE + mR = mM

Soluté B : mF xF + mS yS = mE y1 + mR xn = mM xM

Ce système de deux équations à huit inconnues peut être résolu si six variables sont

connues par ailleurs. En pratique mF, mS, xF et yS (= 0) sont imposées. En se fixant deux

autres variables, par exemple xn et mR, ce système d’équations peut être résolu.

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De plus, la combinaison de ces relations permet de déterminer la position du point M

dans le diagramme ternaire. Graphiquement, F et S déterminent M. Le point M est à la fois

sur les droites FS et ER (E1Rn). R ( Rn) étant connu, E (E1) est obtenu par l’intersection

de RM et de la courbe de démixtion. Au point E1 la conodale fait correspondre R1.

Bilan sur l’étage i :

Global : mi-1R m

i+1E miE m

iR

Soluté B: mi-1R i -1x m

i+1E i+1y miE yi m

iR x i

3 - L’existence d’un pole P

L’écriture du bilan global successivement pour la colonne et pour chacun des étages

permet de montrer l’existence d’un pole P par où passent toutes les droites RiEi+1.

Colonne : mR - mS = mF - mE = Cte = mP

Les points PRS et PFE sont alignés.

Les points FERS étant connus, P est déterminé graphiquement.

Etage 1 : m1R - m

2E mF m E = mP

Les points PR1E2 sont alignés. R1 étant connu, le point E2 l’est à son tour.

De proche en proche, il est possible d’écrire :

Etage i : miR - m

i+1E mF mE = mP

Les points PRiEi+1 sont alignés et le point Ri étant connu par la construction graphique

précédente, le point Ei+1 est déterminé.

De proche en proche tous les points Ri et Ei sont déterminés.

La construction s’arrête quand la droite PRnS passe par R ou “dépasse” R.

Chaque droite RiEi constitue un étage théorique.

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B

S

E=E1

E2

E3F

Rn=R

M

R2

R1

P

Figure 8 : Construction graphique des étages théoriques.

4 - Remarques

La construction graphique précédente est facilitée si sur un même graphique figurent la

courbe de démixtion et la courbe opératoire.

Si une ligne opératoire passant par P était confondue avec une droite d’équilibre EiRi il

faudrait alors un nombre infini d’étages théoriques. Le rapport de la masse de solvant à celle

de l’alimentation serait alors le minimum utilisable pour effectuer la séparation.

En pratique on considère la ligne d’équilibre passant par F comme confondue avec la

droite opératoire passant par P. L’intersection des droites FS et E1minRn donne le point Mmin

d’où la valeur du rapport (mS/mF)min.

Le choix de la valeur du taux de solvant p=mS/mF se fait en prenant :

a) une valeur de mS/mF supérieure à (mS/mF)min,

b) une valeur du facteur d’extraction

= m p = m m

m = coefficient de partage

dé bit mass ique Extrait

dé bit mass ique Raffinat

E

R

compris entre 1,2 et 2.

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V. Manipulation

1 - But de la manipulation

La manipulation a pour objet de récupérer l’acétone en solution dans du cyclohexane.

Le solvant utilisé est de l’eau.

L’opération a lieu dans une colonne à plateaux. Les deux liquides circulent à contre-

courant sous l’effet de la gravité, tandis qu’une phase est dispersée au sein de l’autre par une

turbine.

2 - Matériel

Le schéma du montage utilisé est présenté sur la figure 9. La signification des repères

est donnée à la suite :

V1 : Vanne d’amorçage de la pompe doseuse d’alimentation de la phase lourde.

V2 : Vanne de vidange de la canalisation d’alimentation de la phase lourde.

V3 : Vanne d’amorçage de la pompe doseuse d’alimentation de la phase légère.

V4 : Vanne de vidange de la colonne d’extraction.

V5 : Vanne de vidange du capteur de pression différentielle du décanteur supérieur.

V6 : Vanne de purge capteur de pression différentielle du décanteur supérieur.

V7 : Vanne de vidange de la canalisation de sortie de la phase lourde.

V8 : Vanne de vidange de la canalisation de sortie de la phase légère.

V9 : Vanne d’échantillon de la phase lourde du premier plateau.

V10 : Vanne d’échantillon de la phase légère du premier plateau.

V11 : Vanne d’échantillon de la phase lourde du deuxième plateau.

V12 : Vanne d’échantillon de la phase légère du deuxième plateau.

V13 : Vanne d’échantillon de la phase lourde du troisième plateau.

V14 : Vanne d’échantillon de la phase légère du troisième plateau.

V15 : Vanne d’échantillon de la phase lourde du quatrième plateau.

V16 : Vanne d’échantillon de la phase légère du quatrième plateau.

VP1 : Vanne de régulation du débit de sortie de la phase lourde.

TE1 : Sonde de température du décanteur inférieur.

TE2 : Sonde de température du décanteur supérieur.

PDE1 : Mesure du niveau de l’interface du décanteur supérieur.

HFC1 : Commande manuelle du d’alimentation de la phase légère.

HFC2 : Commande manuelle du d’alimentation de la phase lourde.

HSC1 : Commande manuelle de la fréquence de pulsation.

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HXC1 : Commande manuelle de la course de la pulsation.

LIC1 : Régulation du niveau de l’interface du décanteur supérieur.

FI1 : Débitmètre sur le soutirage de la phase légère.

FI2 : Débitmètre sur le soutirage de la phase lourde.

WI1 : Balance du bidon d’alimentation de la phase lourde.

WI2 : Balance du bidon d’alimentation de la phase légère.

WI3 : Balance du bidon de réception de la phase légère.

WI4 : Balance du bidon de réception de la phase lourde.

Diamètre externe de la colonne : 60 mm

Hauteur de la colonne : 1,5 m

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Figure 9 : Schéma de l’installation.

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3 - L’opération d’extraction

- Diluant : cyclohexane

- Solvant : eau,

- Soluté : acétone

Extrait Alimentation

RaffinatSolvant

(eau)

(cyclohexane +

acétone)

(eau +

acétone)

(cyclohexane +

acétone)

(acétone)

Figure 10 : Schéma de principe de l’étape d’extraction.

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4 – Démarrage de l’installation

- S’assurer que les deux bidons (alimentation et solvant) sont bien remplis de la solution

convenable.

- S’assurer que toutes les vannes de l’installation sont fermées et que la vanne

pneumatique (soutirage extrait) est bien alimentée en air comprimé !!!

- Allumer interrupteur général et mettre la manip en « marche ».

- Mettre en fonctionnement les deux pompes (entre 0 et 1 tours de vernier pour chaque

pompe).

- Fixer les paramètres de fonctionnement du pulseur :

o la course du piston

o la fréquence des pulsations (réglage maximum : 9 !!!)

- S’assurer que la consigne de la régulation automatique est bien sur 290.

- S’assurer que les deux ballons de réception (extrait et raffinat) reçoivent bien un débit

de liquide.

- Repérer l’interface dans le décanteur en tête de colonne, attendre le régime permanent.

Attention : - L’ensemble des verniers (pompes et pulseur) doivent être manipulés

uniquement quand l’appareil est en fonctionnement !

- Surveiller le niveau de l’interface en tête de colonne. Si celui-ci

s’approche de la surverse, abaisser l valeur de consigne du régulateur.

5 – Manipulations à effectuer

- Prélever un échantillon de l’alimentation lors du démarrage de l’installation, puis

éventuellement en cours et en fin d’expérience.

- Toutes les 15 minutes, prélever un échantillon d’extrait et de raffinat.

- Doser par chromatographie en phase gazeuse (CPG), la teneur en acétone contenu dans

l’alimentation, l’extrait et le raffinat.

- Mesurer les quatre débits par pesée (pendant 15 à 20 minutes).

6 - Paramètres à faire varier

- Taux de solvant.

- Amplitude du pulseur.

Attention : Ne faire varier qu’un paramètre à la fois !!!

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7 - Arrêt de l’installation

- Arrêter les deux pompes (alimentation, solvant).

- Mettre la fréquence du pulseur à 0 et l’éteindre.

- Fermer la vanne d’alimentation en air comprimé du pilote.

- Appuyer sur «arrêt» puis mettre le pilote hors tension.

VI. Exploitation des résultats

1 – Mise en régime de la colonne

- Tracer l’évolution temporelle des concentrations en acétone respectivement au raffinat

et à l’extrait.

- En déduire le temps nécessaire de mise en régime de la colonne.

2 – Etude du régime permanent

- Vérifier les bilans massiques (globaux et partiels) de la colonne pour chaque

expérience.

- Estimer à l’aide des bonnes hypothèses le temps de séjour dans la colonne.

- Tracer le diagramme ternaire du système étudié et la courbe d’équilibre et la courbe de

distribution.

- Placer les points caractéristiques de l’installation (alimentations, extrait, raffinat).

- Déterminer graphiquement le nombre d’étages théoriques et la HEPT.

- Déterminer le débit minimum de solvant Smin.

- Calculer la sélectivité

inertesoluté

inertesoluté

xx

xxS

raffinat

extrait relative au ternaire et à l’installation

donnés.

- Déterminer le taux de récupération xsoluté,extrait / xsoluté,alimentation.

- Déterminer l’efficacité de la colonne.

- Comparer vos différentes expériences.

- Déterminer l’influence des paramètres étudiés sur les caractéristiques de l’extraction.

- Commenter.

VI. Données

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Les données suivantes présentent les valeurs pour les % en masse, relatives à

l’isotherme de solubilité à 20°C sous 1 bar du mélange ternaire cyclohexane – acétone - eau.

Cyclohexane (%)

A

Acétone (%)

B

Eau (%)

S

67,53 31,98 0,49

47,81 50,04 2,15

38,88 57,52 3,60

29,25 64,87 5,88

20,24 69,52 10,24

17,02 70,78 12,20

14,28 71,43 14,30

11,76 71,79 16,45

5,19 69,25 25,56

1,73 60,32 37,95

0,98 55,50 43,52

0,40 44,27 55,33

0,20 34,25 65,55

Conodales (20°C)

Phase aqueuse

Acétone

(% en masse)

Phase organique

Acétone

(% en masse)

8,43 2,25

21,28 5,875

30,00 8,625

18,28 3,50

33,00 12,75

Masses volumiques à 20°C (kg.m-3) :

- Acétone : 792

- Cyclohexane : 779

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