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République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’enseignement sup

République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’enseignement supérieur et de la recherche scientifique Université 08 mai 1945 Guelma Faculté des Sciences et de Technologies Département de Génie des procédés Polycopié de cours pour les Master Génie des procédés - Génie Chimique ============================================== Extraction liquide-liquide ============================================== Elaboré par Mme Rouaiguia Samia Année 2015 i Sommaire Chapitre I: Introduction au module I.1. Généralités sur les opérations de séparation 1 I.1.1. Introduction 1 I.1.2. Méthode de traitement d’un problème de séparation 1 I.1.3. Classification des opérations de séparation 1 I.2. Courbe d’équilibre 3 I.3. Courbe opératoire 4 I.4. Force motrice du procédé de transfert de masse 4 I.5. Transferts de matières 5 Chapitre II : Procédés d’extraction liquide-liquide II.1. Définition 6 II.2. Principe de l’extraction liquide-liquide 6 II.3. Terminologie 7 II.4. Différents types d’extraction liquide 8 II.4.1. Extraction simple 8 II.4.2. Extraction multiple 8 II.4.2.1. Extraction à courant croisés 8 II.4.2.2. Extraction à contre-courant 9 II.5. Coefficient de partage ou de distribution 9 II.6. Facteurs caractérisant la séparation par solvant 10 II.6.1. Sélectivité du solvant 10 II.6.2. Pouvoir solvant 10 II.6.3. Différence de masse volumique (Δρ) entre les solutions en contact 10 II.6.4. Viscosité 11 II.6.5. Tension interfaciale 11 II.6.6. Facteurs économiques 11 II.7. Applications industrielles 11 Chapitre III : Données d’équilibre liquide-liquide. III.1. Règle des phases 13 III.2. Représentation des équilibres 14 III.3. Système ternaire (diagramme triangulaire) 14 III.3.1. Equilibre liquide-liquide d'un système ternaire 14 III.3.1.1. Représentation et lecture des diagrammes ternaires (triangulaires) 14 III.3.1.2. Règle des mélanges: relation barycentrique 17 ii III.3.1.3. Expression des propriétés physico-chimiques 18 III.3.2. Système ternaire: Autres diagrammes 21 III.3.2.1. Diagramme rectangulaire 21 III.3.2.2. Diagramme de Janecke 22 III.3.3. Systèmes ternaires: Diagrammes qui ne décrivent pas totalement les équilibres. 23 III.3.3.1. Diagramme de distribution 23 III.3.3.2. Diagramme de sélectivité 24 III.4. Influence de la température 25 Chapitre IV : Calcul du nombre d’étages théoriques d’une colonne d’extraction liquide-liquide IV.1. Extraction à un étage 26 IV.2. Extraction à contacts multiples 27 IV.2.1. Méthodes de calcul dans le cas d’extraction à co-courant 27 IV.2.2. Méthodes de calcul dans le cas d’extraction à contre-courant 28 IV.2.2.1. Extraction à contre-courant à contact discontinu 29 IV.2.2.2. Extraction à contre-courant à contact continu 30 IV.2.2.3. Extraction à contre-courant avec reflux 31 IV.3. Cas particuliers 35 Chapitre V : Classification des colonnes d’extraction liquide-liquide. V.1. Les mélangeurs-décanteurs 37 V.2. Les extracteurs centrifuges 41 V.3. Les appareils d'extraction à contact permanent 42 Chapitre VI: Introduction aux procédés de séparation membranaire VI.1. Définition 44 VI.2. Présentation des procédés de séparation membranaire 44 VI.3. Les procédés membranaires à gradient de pression 45 VI.3.1. Filtration membranaire 46 VI.3.1.1. Microfiltration (MF) 48 VI.3.1.2. Ultrafiltration (UF) 48 VI.3.1.3. Nanofiltration (NF) 49 VI.3.2. Osmose inverse 49 VI.3.2.1. Principe de l’osmose inverse 50 VI.3.2.2. Pression osmotique 51 VI.3.2.3. Mécanisme de transfert 51 VI.3.2.4. La polarisation de concentration 52 VI.4. Lois de comportement 53 iii VI.5. Les membranes 54 VI.5.1. Caractérisation des membranes 54 VI.5.1.1. Définition du taux de conversion 54 VI.5.1.2. Définition de la sélectivité 54 VI.5.2. Types de membranes 55 VI.5.2.1. De part leur nature 55 VI.5.2-2. De part leur porosité 56 VI.5.2.3. De part leur fabrication 56 VI.5.3. Les membranes liquides 58 VI.5.3.1. Membranes liquides volumiques (MLV) 58 VI.5.3.2. Membranes liquides à émulsion 59 VI.5.3.3. Membranes liquides supportées (MLS) 61 VI.5.3.4. Mécanisme de transport dans les membranes d’affinité 61 VI.5.3.5. Instabilité des membranes liquides supportées 62 VI.6. Critères technico-économiques 62 Références 64 Chapitre 1 1 Chapitre I: Introduction au module I.1. Généralités sur les opérations de séparation I.1.1. Introduction Les opérations de séparation des mélanges en leurs composants purs sont d’une grande importance industrielle. Elles ont rendu un grand service à l’humanité surtout dans l’industrie pétrochimique (fractionnement du pétrole). Ce sont des processus de transfert de masse qui réalisent leurs objectifs par la création de deux ou plusieurs zones coexistantes qui diffèrent en température, en pression, en composition ou en état de phase. I.1.2. Méthode de traitement d’un problème de séparation Quelle est la méthode ou bien l’opération unitaire à mettre en œuvre pour réaliser une séparation ? La distillation est une grande consommatrice d’énergie et les industriels ont alors envisagé d’autres méthodes de séparation (extraction-cristallisation- absorption……). Le choix de notre opération unitaire entraine un accroissement du coût qui est compensé à plus ou moins long terme par les économies d’énergie réalisées. I.1.3. Classification des opérations de séparation Ces opérations sont très répandues dans l’industrie, où elles jouent un rôle très important dans le transfert de matière. On distingue : a- La distillation La distillation est un procédé de transfert de matière qui sert à séparer un mélange liquide en se basant sur la différence des températures d’ébullition des composants du mélange. b- La condensation partielle et vaporisation flash Quand le mélange à séparer contient des espèces qui diffèrent largement dans leur tendance à la vaporisation et à la condensation, une vaporisation ou bien une condensation partielle est l’opération adéquate pour accomplir la séparation désirée. Chapitre 1 2 Dans la condensation partielle, l’alimentation vapeur est partiellement condensée par déplacement de la chaleur. Dans la vaporisation flash, l’alimentation liquide est partiellement vaporisée par réduction de la pression. c- L’absorption L’absorption est un procédé physique de séparation des mélanges gazeux à l’aide de liquides absorbants. Pour que l’absorption soit réalisable, il faut que l’absorbant choisi ait une grande sélectivité, c’est-à-dire qu’il absorbe seulement l’élément qu’on veut déplacer de la phase gazeuse. - Le constituant que l’on veut extraire est appelé : soluté - Le gaz dans lequel il est porté est appelé: gaz porteur - Le liquide dans lequel il se dissout est appelé : solvant Il y a deux cas d’absorption : Absorption chimique : où le soluté entre en réaction avec le solvant, donc on obtient dans ce cas un composé chimique. Absorption physique : où la nature du corps ne change pas, ce qui permet la régénération du solvant et ainsi sa réutilisation. d- L’extraction liquide-liquide Basée sur le fait de la séparation d’un mélange liquide constitué de plusieurs composants en le traitant avec un autre liquide qu’on appelle dissolvant, une séparation basée sur la différence de solubilité dans le solvant des divers constituants. Les deux liquides constituent généralement une émulsion c’est-à-dire liquides non miscibles. e- L’évaporation C’est un procédé physique de séparation des solutions par vaporisation du solvant. Les appareils permettant d’effectuer ce procédé sont appelés évaporateurs. Chapitre 1 3 f- Adsorption (fluide-solide) Cette opération se manifeste lorsqu’on met en contact un fluide et un solide, elle n’est utilisée industriellement que dans les domaines assez restreints (séchage- traitement des huiles- traitement des gaz). g- Cristallisation Obtenue par abaissement la température du mélange, elle est très utilisée dans le domaine de la chimie minérale et dans la préparation des produits organiques. h- Séchage Dans ce cas, la matière se déplace de la phase solide à la phase vapeur. I.2. Courbe d’équilibre C’est la courbe qui représente la relation des compositions des deux phases à l’état d’équilibre. On la détermine expérimentalement. Figure I.1: Courbe d’équilibre du mélange binaire Toluène-Benzène Chapitre 1 4 I.3. Courbe opératoire C’est la courbe représentant la relation des compositions pratiques des deux phases. Cette courbe est considérée comme une droite (linéaire) : y = ax+b Selon le cas, la courbe opératoire peut se trouver au-dessus ou en dessous de la courbe d’équilibre Figure I.2: Courbe opératoire I.4. Force motrice du procédé de transfert de masse La force motrice du procédé de transfert de masse est la différence entre la composition d’équilibre et la composition pratique. La force motrice n’est pas constante le long de l’appareil, c’est pourquoi dans les calculs, on utilise la force motrice moyenne : Δym et Δxm, y représentant la concentration du soluté en phase vapeur et x la concentration du soluté en phase liquide. Chapitre 1 5 Δy = yeq – ypr Δy = ypr – yeq Δx = xpr - xeq Δx = xeq - xpr Figure I.3: Force motrice du procédé de transfert de masse I.5. Transferts de matières Les transferts de matières ont lieu d’une phase à une autre. Chaque type de transfert est désigné de façon particulière comme cela est exprimé selon le tableau suivant : Tableau I.1 : Types de transferts De la phase A la phase Type de transfert Liquide Liquide Liquide Solide Solide Gazeuse Gazeuse Liquide Solide Gazeuse Liquide Gazeuse Liquide solide Extraction Adsorption Evaporation (distillation) Extraction Désorption (séchage) Absorption absorption Le principe des transferts de matière est basé sur le fait que le composant qui est l’objet du transfert a une solubilité différente dans chacune des phases ; cela provoque le passage de ce composant de la phase où il est le moins soluble à celle où il l’est de façon appréciable. Chapitre 2 6 Chapitre II : Procédés d’extraction liquide-liquide II.1. Terminologie - Soluté : constituant à extraire - Diluant: liquide contenant les solutés - Solution: ensemble soluté + diluant - Solvant: liquide destiné à extraire les solutés - Extrait : phase issue de l’opération contenant les solutés extraits. Cette phase est riche en solvant. - Raffinat : phase résiduelle épuisée en uploads/Finance/ brochure-pdf-2-pdf.pdf