Chapitre 9 Extraction liquide-liquide: Introduction et ...

1 Chapitre 9. Extraction liquide-liquide: Introduction et diagramme d' quilibre Distillation: M lange de compos s+Apport d' nergie 2 phases (liquide + vapeur). La vapeur a tendance s'enrichir en produit le plus volatil Extraction liquide-liquide: M lange de compos s(solut +diluant) +Apport d'un autre compos le solvant 2 phases liquides (extrait +raffinat). Une des phases a tendance s'enrichir en produit le plus soluble solut solvant raffinat extrait diluant L' Extraction liquide-liquide met profit les diff rences de solubilit d'un compos entre deux phases liquides. Pour s parer le produit cible (le solut ) d'une phase liquide donn e (le diluant), on rajoute au syst me un solvant conduisant alors la formation d'une deuxi me phase liquide dans laquelle le produit cible s parer est pr f rentiellement soluble par rapport aux autres constituants du m lange liquide initial traiter. La phase liquide La phase liquide riche en solvant est riche en diluant, est appel e l'extrait appel e le raffinat.

2 Distillation- Extraction Chap 9 - 1. Extracteur liquide-liquide Phase dispers e: les gouttes Phase continue Phase dense qui descend Phase l g re qui monte SOLVANT. SOLUT . Distillation- Extraction Chap 9 - 2. L' Extraction est un proc d utilis dans de nombreuses industries. P trochimie: - pour la s paration entre les compos s aromatiques (comme les benz ne, tolu ne, xyl nes: les BTX) et les aliphatiques. Diff rents proc d s avec diff rents solvants: la N-m thyl- pyrrolidone (NMP), le di thyl ne glycol (DEG) ou le tri thyl ne glycol (TEG). - Extraction du caprolactame (monom re du nylon 6). - Extraction de l'acide ac tique des m langes aqueux Industries pharmaceutiques: - Extraction de la p nicilline et d'autres antibiotiques - Extraction des vitamines A, B12 et C. Industries alimentaires: - Extraction des lipides, de la caf ine, des ar mes. Hydrom tallurgie: - Extraction des m taux: cuivre, molybd ne, vanadium, tungst ne, chrome - industrie nucl aire pour combustibles et d chets uranium, plutonium Principaux avantages d'un proc d d' Extraction : permet de travailler basse temp rature (s paration de produit thermo-sensible).

3 Permet la s paration de produits ayant des volatilit s tr s proches (cas des isom res). les quipements peuvent tre compacts et tr s performants les exp rimentations au laboratoire sont faciles. il demande moins d' nergie que la distillation dans le cas de la r cup ration de produits lourds ( point d' bullition lev ). Inconv nients: proc d plus r cent que la distillation et la litt rature est moins abondante l'information est d tenue (et retenue !) par les fabricants Distillation- Extraction Chap 9 - 3. Diagramme d' quilibre des syst mes non-miscibles Dans le cas o le solvant et le diluant sont immiscibles, il est possible de repr senter l' quilibre thermodynamique entre ces deux phases liquides d'une fa on semblable celle utilis e en distillation (pour laquelle on trace la courbe y (titre de la vapeur) vs x (titre du liquide). Par analogie, on va utiliser les variables: - X pour exprimer les grandeurs se rapportant la phase raffinat - Y pour exprimer les grandeurs se rapportant la phase extraite A le diluant, nA le nombre de moles de diluant, mA la masse de diluant B le solut , nB le nombre de moles de solut , mB la masse de solut.)

4 C le solvant, nC le nombre de moles de solvant, mC la masse de solvant Diagramme d' quilibre des syst mes non-miscibles (suite). m kg de solut dans le raffinat X B . mA raffinat kg de diluant dans le raffinat m kg de solut dans l ' extrait Y B . mC extrait kg de solvant dans l ' extrait ou n moles de solut dans le raffinat X B . nA raffinat moles de diluant dans le raffinat n moles de solut dans l ' extrait Y B . nC extrait moles de solvant dans l ' extrait Distillation- Extraction Chap 9 - 4. L' quilibre thermodynamique est repr sent par la variation Y vs X et le rapport m=(Y/X) s'appelle le coefficient de partage. Celui-ci n'est pas forc ment constant et peut varier avec les concentrations. Cependant, dans de nombreux cas, cette courbe, sur le domaine pertinent pour le probl me, est une droite et pourra s' crire sous la forme: Y * m X Cste l'ast risque * indique qu'il s'agit de la valeur de Y en quilibre avec la variable X. Coefficient de partage = la pente de la droite Y*=f(X).

5 Exemple: Pour extraire le DMSO (dim thyl sulfoxide) m lang avec du benz ne (le diluant) on utilise comme solvant l'eau. Le coefficient de partage de ce syst me vaut: g de DMSO / g d ' eau . m 2000 g de DMSO / g de benz ne .. Plus le coefficient de partage est lev , plus le solut pr sente une forte affinit pour le solvant (et plus l' Extraction est favoris e thermodynamiquement). Cependant la valeur de m n'est pas forc ment sup rieure 1. Dans le cas o le diluant contient deux m A1. compos s A1 et A2, on d finit la A1 A 2 . s lectivit du solvant: mA2. La s paration entre A1 et A2 est possible si A1 A2 1. Remarque: Il ne faut pas confondre les variables X et Y d finies pr c demment avec les fractions massiques ou molaires x ou y habituellement utilis es. Des relations simples entre ces variables Ou existent: X Y. x .. y .. 1 X 1 Y. x y X Y . 1 x 1 y Dans le cas particulier o l'on utilise des solutions dilu es x 1 et y 1. x X et y Y. Distillation- Extraction Chap 9 - 5. Diagramme d' quilibre des syst mes partiellement miscibles type 3/1.

6 (ou type I). B. C: 10%. B: 60%. Zone o 2 phases existent A: 30%. C. La r gle des bras de levier Si on verse dans un b cher une masse m d'une solution M avec une masse n d'une solution N, le m lange r sultant O, se trouve sur la droite MN et v rifie B. MO n . MN m n NO m . NM m n OM n . ON m C. Distillation- Extraction Chap 9 - 6. L'information contenue dans un diagramme triangulaire peut aussi tre repr sent e dans un rep re habituel. On porte, pour chacune des phases, la variation du titre en solut en fonction du titre en solvant. L'origine (0,0) correspond au troisi me compos qui n'est pas repr sent . Diagramme de Janecke ( quivalent Ponchon-Savarit): on d finit des nouvelles variables o les compositions sont exprim es sans tenir compte du solvant. En abscisse, on porte XJ ou YJ, les compositions du raffinat et de l'extrait. En ordonn e, on porte une variable , ZJ caract risant la quantit de solvant solut . XJ . solut diluant Raffinat solut . YJ . solut diluant Extrait solvant.

7 ZJ . solut diluant Extrait ou Raffinat Distillation- Extraction Chap 9 - 7. Diagramme d' quilibre des syst mes partiellement miscibles type 3/2 (ou type II). Pour ces syst mes, il existe deux paires (B-C et A-C) de miscibilit . partielle et les diagrammes B B. immiscible miscible immiscible miscible C C. Obtention des donn es d' quilibre Si celles-ci ne sont pas d j dans la litt rature, les donn es d' quilibre d'un syst me quelconque peuvent s'obtenir par: exp rimentation: on pr pare diff rentes compositions du m lange solut +diluant+solvant et apr s obtention de l' quilibre thermodynamique (fort m lange pendant un temps suffisamment long et d cantation), on analyse les compositions des phases raffinat et extraite. simulation: l' quilibre thermodynamique, les potentiels chimiques de chaque compos sont les m mes dans les deux phases. Ce qui se traduit par la relation: yi i Raffinat . xi i Extrait Les coefficients d'activit peuvent tre calcul s par diff rentes m thodes: Van Laar,NRTL, UNIFAC, UNIQUAC.

8 Distillation- Extraction Chap 9 - 8. Choix d'un solvant Le choix du solvant r sulte d'un compromis entre les diff rentes caract ristiques optimales: Bonne s lectivit : en g n ral, c'est le premier facteur auquel on s'int resse. La s paration de B d'un m lange A-B est d'autant plus facile que la s lectivit B-A est importante. Bon coefficient de partage: plus m est lev , moins de solvant est n cessaire la r cup ration du solut . Facilit de r g n ration du solvant: il faut pouvoir r cup rer le solvant dans le courant d'extrait (et parfois dans le courant de raffinat). On utilise la distillation, l' Extraction la cristallisation. Faible solubilit du solvant dans le diluant: cela minimise les pertes de solvant dans la phase raffinat. Diff rence significative des densit s des phases: tout proc d . d' Extraction comprend une tape de d cantation permettant la s paration des phases extraite et raffinat. Celle-ci est d'autant plus rapide que ces phases ont des densit s diff rentes (variation d'au moins 2% et mais pr f rablement de 5%).

9 Choix d'un solvant (suite). Tension interfaciale mod r e: celle-ci doit tre suffisamment bonne pour permettre la coalescence des gouttes mais elle ne doit tre trop lev e car cela r duit l'aire interfaciale d' change au travers de laquelle le solut . passe de la phase raffinat dans la phase extraite : - une tension interfaciale lev e, de l'ordre de 50 dynes/cm, engendre la formation de grosses gouttes et r duit la surface d' change. -une tension trop faible, de l'ordre de 1 dyne/cm, va engendrer la formation d'une mulsion stable: on ne peut plus s parer les deux phases Faible viscosit : en g n ral, on pr f re op rer avec des viscosit s inf rieures 10 cP afin de minimiser la r sistance au transfert de mati re et d'augmenter les d bits traiter dans l' quipement. Solvant peu corrosif: le solvant ne doit pas tre plus corrosif que la solution traiter ! Faibles inflammabilit et toxicit . Faible co t du solvant et facilit d'approvisionnement Distillation- Extraction Chap 9 - 9.