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Chapitre 3 : Extraction à contact simple PREREQUIS Extraction liquide-liquide Chapitre 3 EXTRACTION A CONTACT SIMPLE SOMMAIRE Introduction Notion de quantités.

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1 Chapitre 3 : Extraction à contact simple PREREQUIS Extraction liquide-liquide Chapitre 3 EXTRACTION A CONTACT SIMPLE SOMMAIRE Introduction Notion de quantités minimale et maximale de solvant Positionnement du point M Caractéristiques de lextrait et du raffinat Purification de lextrait et du raffinat Détermination de la masse de solvant pour une composition donnée de lextrait Limites de lextraction à contact simple 2 PAGES 3 Nadine LE BOLAY Gilbert CASAMATTA RETOUR SOMMAIRE GENERAL

2 A + B S Introduction 2 Retour sommaire Il sagit de : déterminer la composition et la masse de lextrait et du raffinat pour une masse de solvant ajoutéedéterminer la composition et la masse de lextrait et du raffinat pour une masse de solvant ajoutée, ou de définir la masse de solvant nécessaire si on impose les compositions dextrait et de raffinatdéfinir la masse de solvant nécessaire si on impose les compositions dextrait et de raffinat. Considérons une solution F contenant du soluté B et du diluant A, dont la composition et la masse sont connues. On veut extraire une partie du soluté de la solution. On choisit pour cela un solvant pur approprié S. Dans le cadre dune extraction à contact simple, la solution F est mise en contact avec le solvant. INTRODUCTION Sous leffet dune agitation, le solvant est dispersé sous forme de gouttelettes dans la phase riche en diluant. A linterface se crée un transfert de soluté de la phase diluant vers la phase solvant, jusquà un équilibre thermodynamique entre les phases. Si lagitation est arrêtée, il se produit une décantation avec séparation des phases. Si le solvant est moins dense (ce qui est souvent le cas), lextrait se situe dans la partie supérieure, alors que le raffinat se concentre dans la partie inférieure. extrait raffinat

3 NOTIONS DE QUANTITES MINIMALE ET MAXIMALE DE SOLVANT 3 Notion de quantités minimale et maximale de solvant Retour sommaire Connaissant la composition de lalimentation F (pourcentages de A et de B), on peut placer sur le diagramme triangulaire le point correspondant à cette phase (sur le côté AB du triangle). A B S % A % S % B F x Si on ajoute du solvant pur S, on se déplace sur la droite FS comme il a été vu dans le chapitre précédent. Si la quantité de solvant est faible, le point représentatif du mélange peut être placé dans la zone hachurée en bleu. Toutefois, on se situe alors dans la zone du diagramme correspondant à un mélange ternaire constituant une seule phase. Lextraction nest donc pas possible car la quantité de solvant est insuffisante. 1 phase

4 4 Retour sommaire A B S % A % S % B F x Si la quantité de solvant est élevée, le point représentatif du mélange peut être placé dans la zone hachurée en vert, cest à dire toujours dans la zone du diagramme correspondant à un mélange ternaire constituant une seule phase. Lextraction nest, là encore, pas possible car la quantité de solvant est trop importante. 1 phase quantités minimalemaximale de solvant On peut donc établir les valeurs des quantités minimale et maximale de solvant permettant de réaliser lextraction.

5 Quantité minimale de solvant 5 quantité minimale de solvant La quantité minimale de solvant est celle à partir de laquelle on a apparition de deux phases. Le mélange correspondant est défini par le point M min placé sur lisotherme de solubilité. A B S % A % S % B F x 1 phase Retour sommaire x M min Cette quantité minimale de solvant peut être déterminée à laide des bilans matières : Bilan global : la masse du mélange, M min, est égale à la somme de la masse dalimentation, F, et de la masse minimale de solvant, S min. M min = S min + F Bilan partiel sur le solvant : la masse de solvant dans le mélange est égale à la somme des masses de solvant dans chacune des phases initialement introduites. M min X SMmin = S min X SSmin + F X SF Lalimentation F ne contenant que A et B, X SF = 0. = 0 En outre, le solvant étant pur, X SSmin = 1 = 1

6 et connaissant la masse de lalimentation, on peut calculer cette quantité minimale de solvant. 6 Les bilans global et partiel sur S deviennent : A B S % A % S % B F x 1 phase Retour sommaire x M min M min = S min + F M min X SMmin = S min quantité minimale de solvant En remplaçant, dans la seconde équation, M min par son expression définie par le bilan global, on établit lexpression de la quantité minimale de solvant nécessaire pour que lextraction soit réalisée : S min = F X SMmin / (1 – X SMmin ) En lisant sur le diagramme le pourcentage de solvant dans M min, X SMmin Le même calcul peut être réalisé en appliquant la règle du bras de levier entre les points F, M min et S : SFSF min = FM min M min S En mesurant sur le diagramme les distances FM min et M min S, et connaissant la masse de lalimentation, on peut en déduire la quantité minimale de solvant. (S/F) min est appelé taux de solvant minimum minimum.

7 Quantité maximale de solvant 7 quantité maximale de solvant La quantité maximale de solvant est celle au-delà de laquelle on na plus quune seule phase. Le mélange correspondant est défini par le point M max placé sur lisotherme de solubilité. A B S % A % S % B F x 1 phase Retour sommaire Pour déterminer la quantité maximale de solvant, on raisonne de la même manière que pour calculer la quantité minimale de solvant : Bilan global : Bilan partiel sur le solvant : x M max M max = S max + F M max X SMmax = S max Doù : S max = F X SMmax / (1 – X SMmax ) Le calcul de S max peut également être effectué en utilisant la règle du bras de levier : SFSF max = FM max M max S

8 8 A B S % A % S % B F x 1 phase Retour sommaire x M max x M min Lextraction est possible si M est placé entre M min et M max, cest à dire si la quantité de solvant S ajoutée à lalimentation est comprise entre S min et S max

9 POSITIONNEMENT DU POINT M 9 Positionnement du point M Retour sommaire Si on ajoute à F une masse S de solvant comprise entre S min et S max, la position de M est définie par le taux de solvant (règle du bras de levier) : A B S % A % S % B F x x M max x M min S MF F MS = = De plus, on peut écrire que la distance totale FS est égale à la somme des distances MF et MS : FS = MF + MS Connaissant les masses de F et S, on peut établir une relation entre MF et MS à partir de la première équation. La seconde équation permet alors de déterminer lune des deux distances et de placer le point M représentatif du mélange. x M

10 10 Retour sommaire On peut également placer M en déterminant la composition du mélange (X BM, X AM et X SM ). Pour cela, on établit les bilans partiels : M X AM = F X AF + S X AS Bilan sur A : M X BM = F X BF + S X BS Bilan sur B : M X SM = F X SF + S X SS Bilan sur S : Ces bilans partiels peuvent être simplifiés : Le solvant ne contient pas de diluant (X AS = 0) Le solvant ne contient pas de soluté (X BS = 0) Lalimentation ne contient pas de solvant (X SF = 0) et le solvant est pur (X SS = 1). = 1 compositions massiques du mélange M Lensemble de ces équations permet de calculer les compositions massiques du mélange M : X AM = X AF 1 + X BM = X BF 1 + X SM = 1 + où = S/F et, par suite, de placer le point M sur le diagramme.

11 CARACTERISTIQUES DE LEXTRAIT ET DU RAFFINAT 11 Caractéristiques de lextrait et du raffinat Retour sommaire Le mélange, qui est hétérogène, conduit à deux phases à léquilibre (lextrait et le raffinat). A B S % A % S % B F x compositions et débits Il sagit de déterminer les compositions et débits de ces deux phases. x M Compositions de E et R Elles sont déterminées graphiquement. Pour ce qui est de lextrait, on lit sur le graphe X BE, X AE et X SE. x R x E X BE X AE X SE

12 CARACTERISTIQUES DE LEXTRAIT ET DU RAFFINAT 12 Retour sommaire Le mélange, qui est hétérogène, conduit à deux phases à léquilibre (lextrait et le raffinat). A B S % A % S % B F x x M x R x E En ce qui concerne le raffinat, on lit sur le graphe X BR, X AR et X SR. X BR X AR X SR Débits de E et R On sait que la masse de mélange est égale à la somme des masses de F et S. En outre, elle est aussi égale à la somme des masses de E et R : M = E + R De plus, on peut appliquer la règle du bras de levier entre R, M et E : ERER = MR ME En combinant ces deux équations, on peut débits dextrait calculer les débits dextrait et de raffinat et de raffinat. compositions et débits Il sagit de déterminer les compositions et débits de ces deux phases. Compositions de E et R Elles sont déterminées graphiquement. Pour ce qui est de lextrait, on lit sur le graphe X BE, X AE et X SE.

13 CARACTERISTIQUES DE LEXTRAIT ET DU RAFFINAT 13 Retour sommaire Le mélange, qui est hétérogène, conduit à deux phases à léquilibre (lextrait et le raffinat). A B S % A % S % B F x x M x R x E En ce qui concerne le raffinat, on lit sur le graphe X BR, X AR et X SR. Débits de E et R On sait que la masse de mélange est égale à la somme des masses de F et S. En outre, elle est aussi égale à la somme des masses de E et R : M = E + R De plus, on peut appliquer la règle du bras de levier entre R, M et E : ERER = MR ME En combinant ces deux équations, on peut débits dextrait calculer les débits dextrait et de raffinat et de raffinat. compositions et débits Il sagit de déterminer les compositions et débits de ces deux phases. Compositions de E et R Elles sont déterminées graphiquement. Pour ce qui est de lextrait, on lit sur le graphe X BE, X AE et X SE. REMARQUE : Si le solvant nest pas pur et contient un peu de soluté, le point représentatif sera en S. X S Les constructions graphiques et les bilans seront réalisés de manière identique, mais en sappuyant sur le point S au lieu de S (attention : dans les bilans, S contient du soluté).

14 PURIFICATION DE LEXTRAIT ET DU RAFFINAT 14 Purification de lextrait et du raffinat Retour sommaire En raison de la miscibilité partielle éventuelle entre A et S, lextrait et le raffinat produits peuvent contenir tous deux du solvant. Il est nécessaire déliminer celui-ci des deux phases avant de les utiliser. On obtient alors un extrait, E, et un raffinat, R, sans solvant. A B S % A % S % B F x x M x R x E Le point représentatif dune phase dont on a éliminé le solvant se trouve sur le côté AB du triangle (proportion en S nulle). Lextrait E, sans solvant, est donc situé sur ce côté, et pour le positionner, on prolonge la droite SE. x E Le raffinat R, sans solvant, est également situé sur le côté AB, dans le prolongement de la droite SR. Rx composition de ces deux phases débits La composition de ces deux phases se lit sur le graphe. Quant à leurs débits, ils sont calculés à partir du bilan suivant : F = E + R ainsi que grâce à la règle du bras de levier : ERER = FR FE

15 DETERMINATION DE LA MASSE DE SOLVANT POUR UNE COMPOSITION DONNEE DE LEXTRAIT 15 Détermination de la masse de solvant pour une composition donnée de lextrait Retour sommaire A B S % A % S % B F x x M x R x E Dans ce qui a précédé, il sagissait de caractériser lextrait et le raffinat pour une masse de solvant donnée. Dans certains cas, on impose la composition de lextrait, La position de lextrait E étant imposée, on peut en déduire celle du raffinat R (car ces deux phases sont à léquilibre défini par la conodale passant par E). Le point M représentatif du mélange est à lintersection entre la conodale ER et la droite FS, car on a toujours M = F + S = E + R. SFSF = MF MS déterminer la masse de solvant et il est nécessaire de déterminer la masse de solvant à introduire. masse de solvant La masse de solvant nécessaire pour produire un extrait de composition définie sappuie sur la règle du bras de levier : pour laquelle on connaît la masse de lalimentation et on mesure sur le graphe les distances MF et MS.

16 LIMITES DE LEXTRACTION A CONTACT SIMPLE 16 Limites de lextraction à contact simple Retour sommaire A B S % A % S % B F x x M x R x E Dans le cas où lon ajoute à lalimentation une masse de solvant permettant dobtenir le mélange représenté par le point M, on transfère du soluté dans la phase extrait. Toutefois, une proportion non négligeable de ce soluté demeure dans le raffinat. Si lon désire appauvrir le plus possible le raffinat en soluté, il est nécessaire dajouter une masse élevée de solvant. Cest avec la masse maximale de solvant, S max, correspondant à un mélange représenté par le point M max que lon transfère le plus de soluté dans lextrait. Lextrait et le raffinat résultant de cette opération sont alors ceux définis sur le graphe (conodale passant par M max ). x M max R max x E max Si lobjectif concernant le raffinat (appauvrissement maximal) est atteint, il impose dutiliser une masse importante de solvant. En outre, lextrait, une fois débarrassé du solvant quil contient, possède la même composition que lalimentation. Une telle opération nest donc pas satisfaisante, car lextrait est peu riche en soluté et le coût du traitement destiné à éliminer le solvant est très élevé, compte tenu de la masse importante de solvant.

17 17 Retour sommaire A B S % A % S % B F x x M x R x E A lopposé, ajouter une masse de solvant permettant de produire un mélange défini par M min, conduit à produire lextrait et le raffinat reportés sur le graphe. Si lextrait est riche en soluté, sa masse est toutefois faible car on ajoute peu de solvant. De plus, le raffinat est peu appauvri en soluté. x M min R min x E min En conclusion, lextraction à contact simple ne permet pas la séparation complète du soluté B et du diluant A. Il est impossible dobtenir à la fois un extrait riche en soluté et un raffinat totalement débarrassé du soluté FIN CHAPITRE 3


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