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Chapitre I: Introduction au moduleI.1. Généralités sur les opérations de séparation1I.1.1. Introduction1I.1.2. Méthode de traitement d"un problème de séparation1I.1.3. Classification des opérations deséparation1I.2. Courbe d"équilibre3I.3. Courbe opératoire4I.4. Force motrice du procédé de transfert de masse4I.5. Transferts de matières5Chapitre II:Procédés d"extraction liquide-liquideII.1. Définition6II.2. Principe de l"extraction liquide-liquide6II.3. Terminologie7II.4. Différents types d"extractionliquide8II.4.1. Extraction simple8II.4.2. Extraction multiple8II.4.2.1.Extraction à courant croisés8II.4.2.2. Extraction à contre-courant9II.5. Coefficient de partage ou de distribution9II.6. Facteurs caractérisant la séparation par solvant10II.6.1.Sélectivité du solvant10II.6.2. Pouvoir solvant10II.6.3. Différence de masse volumique (Δρ) entre les solutions en contact10II.6.4. Viscosité11II.6.5. Tension interfaciale11II.6.6. Facteurs économiques11II.7. Applications industrielles11ChapitreIII:Données d"équilibre liquide-liquide.III.1. Règle des phases13III.2. Représentation des équilibres14III.3. Système ternaire(diagramme triangulaire)14III.3.1. Equilibre liquide-liquide d'un systèmeternaire14III.3.1.1. Représentationet lecture des diagrammes ternaires (triangulaires)14III.3.1.2. Règle des mélanges: relation barycentrique17

III.3.1.3. Expression des propriétés physico-chimiques18III.3.2.Système ternaire: Autres diagrammes21III.3.2.1. Diagramme rectangulaire21III.3.2.2. Diagramme de Janecke22III.3.3. Systèmes ternaires: Diagrammes qui ne décrivent pas totalement les équilibres.23III.3.3.1. Diagramme dedistribution23III.3.3.2. Diagramme de sélectivité24III.4. Influence de la température25Chapitre IV:Calcul du nombre d"étages théoriques d"une colonne d"extractionliquide-liquideIV.1. Extraction à un étage26IV.2. Extraction à contacts multiples27IV.2.1. Méthodes de calcul dans le cas d"extraction à co-courant27IV.2.2. Méthodes de calcul dans le cas d"extraction à contre-courant28IV.2.2.1.Extraction à contre-courant à contactdiscontinu29IV.2.2.2.Extraction à contre-courant à contact continu30IV.2.2.3.Extraction à contre-courant avec reflux31IV.3. Cas particuliers35Chapitre V: Classification des colonnes d"extraction liquide-liquide.V.1. Lesmélangeurs-décanteurs37V.2.Les extracteurs centrifuges41V.3.Les appareils d'extraction à contact permanent42ChapitreVI:Introduction aux procédés de séparationmembranaireVI.1.Définition44VI.2. Présentation des procédés de séparation membranaire44VI.3. Les procédés membranaires à gradient de pression45VI.3.1. Filtration membranaire46VI.3.1.1. Microfiltration (MF)48VI.3.1.2. Ultrafiltration (UF)48VI.3.1.3. Nanofiltration (NF)49VI.3.2. Osmose inverse49VI.3.2.1.Principe de l"osmose inverse50VI.3.2.2.Pression osmotique51VI.3.2.3.Mécanisme de transfert51VI.3.2.4.La polarisation de concentration52VI.4. Lois de comportement53

VI.5.Les membranes54VI.5.1. Caractérisation des membranes54VI.5.1.1. Définition du taux de conversion54VI.5.1.2. Définition de la sélectivité54VI.5.2. Types de membranes55VI.5.2.1. De part leur nature55VI.5.2-2. De part leur porosité56VI.5.2.3. De part leur fabrication56VI.5.3.Les membranes liquides58VI.5.3.1.Membranes liquides volumiques (MLV)58VI.5.3.2.Membranes liquides à émulsion59VI.5.3.3.Membranesliquides supportées (MLS)61VI.5.3.4.Mécanisme de transport dans les membranes d"affinité61VI.5.3.5.Instabilité des membranes liquides supportées62VI.6. Critèrestechnico-économiques62Références64

Chapitre I: Introduction au moduleI.1.Généralités sur les opérations de séparationI.1.1.IntroductionLes opérations de séparation des mélanges en leurs composants purs sont d"une grandeimportance industrielle. Elles ont rendu un grand serviceàl"humanitésurtout dans l"industriepétrochimique(fractionnement dupétrole).Ce sont des processus de transfert de masse quiréalisentleurs objectifs par lacréationdedeux ou plusieurs zones coexistantes quidiffèrententempérature, en pression, en compositionou enétatde phase.I.1.2.Méthode de traitement d"un problème de séparationQuelle est laméthodeou bien l"opérationunitaireàmettre en œuvre pourréaliseruneséparation?La distillation estune grandeconsommatriced"énergieet les industriels ont alorsenvisagéd"autresméthodesdeséparation(extraction-cristallisation-absorption......). Le choixde notreopérationunitaireentraine un accroissement ducoûtqui estcompenséàplus ou moinslongterme par leséconomiesd"énergieréalisées.I.1.3. Classification des opérations de séparationCes opérations sont très répandues dans l"industrie, où elles jouent un rôle très importantdans le transfert de matière. On distingue:a-La distillationLa distillation est un procédé detransfert de matière qui sert à séparer un mélangeliquide en se basant sur la différence des températures d"ébullition des composants du mélange.b-La condensation partielle et vaporisation flashQuand lemélangeà séparer contient des espèces qui diffèrent largement dans leurtendanceà la vaporisation et à la condensation, une vaporisation ou bien une condensationpartielle est l"opération adéquate pour accomplir la séparation désirée.

Dans la condensation partielle, l"alimentation vapeur est partiellementcondenséepardéplacementde la chaleur.Dans la vaporisation flash, l"alimentation liquide est partiellementvaporiséeparréductionde la pression.c-L"absorptionL"absorption est unprocédéphysique deséparationdesmélangesgazeuxàl"aide deliquides absorbants. Pour que l"absorption soitréalisable, il faut que l"absorbant choisi ait unegrandesélectivité, c"est-à-dire qu"il absorbe seulement l"élémentqu"on veutdéplacerde la phasegazeuse.-Le constituant que l"on veut extraire estappelé:soluté-Le gaz dans lequel il estportéestappelé: gaz porteur-Leliquide dans lequel il se dissout estappelé:solvantIl y a deux cas d"absorption:Absorption chimique:oùlesolutéentre enréactionavec le solvant, donc onobtientdans ce casuncomposéchimique.Absorption physique: où la nature du corps ne change pas, ce qui permet la régénérationdu solvant et ainsi sa réutilisation.d-L"extraction liquide-liquideBasée sur lefait de la séparation d"un mélange liquide constitué de plusieurs composantsen le traitant avec un autre liquide qu"on appelle dissolvant, une séparation basée sur ladifférence de solubilité dans le solvant des divers constituants.Les deux liquides constituentgénéralement une émulsionc"est-à-direliquides non miscibles.e-L"évaporationC"est un procédé physique de séparation des solutions par vaporisation du solvant. Lesappareils permettant d"effectuer ce procédé sont appelés évaporateurs.

f-Adsorption (fluide-solide)Cette opération se manifeste lorsqu"on met en contact un fluide et un solide, elle n"estutilisée industriellement que dans les domaines assezrestreints (séchage-traitement des huiles-traitement des gaz).g-CristallisationObtenue par abaissement la température du mélange, elle est très utilisée dans le domainede la chimie minérale et dans la préparation des produits organiques.h-SéchageDans ce cas, la matière se déplace de la phase solide à la phase vapeur.I.2.Courbed"équilibreC"est la courbe quireprésentela relation des compositions des deux phasesàl"étatd"équilibre. On ladétermineexpérimentalement.

FigureI.1:Courbe d"équilibre du mélange binaireToluène-Benzène

I.3.CourbeopératoireC"est la courbereprésentantla relation des compositions pratiques des deux phases. Cettecourbe estconsidéréecomme une droite (linéaire): y=ax+bSelon le cas, la courbeopératoirepeut se trouverau-dessusou en dessous de la courbed"équilibre

Figure I.2:Courbe opératoireI.4.Force motrice duprocédéde transfert de masseLa force motrice du procédé de transfert de masse est la différence entre la compositiond"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: Δymet Δxm,yreprésentantla concentration dusolutéenphase vapeur et xla concentration du soluté en phase liquide.

Δy= yeq-yprΔy= ypr-yeqΔx= xpr-xeqΔx= xeq-xprFigure I.3:Force motrice du procédé de transfert de masseI.5.Transferts de matièresLes transferts de matières ont lieu d"une phase à une autre. Chaque type de transfert est désignéde façon particulière comme cela estexprimé selon le tableau suivant:Tableau I.1: Types de transfertsDe la phaseA la phaseType de transfertLiquideLiquideLiquideSolideSolideGazeuseGazeuse

ExtractionAdsorptionEvaporation(distillation)ExtractionDésorption (séchage)AbsorptionabsorptionLe principe des transferts dematièreestbasésur le fait que le composant qui est l"objetdu transfert a unesolubilitédifférentedans chacune des phases; cela provoque le passage de cecomposant de la phaseoùil est le moins solubleàcelleoùil l"est defaçonappréciable.

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ChapitreII:Procédés d"extraction liquide-liquideII.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 estriche en solvant.-Raffinat : phase résiduelle épuisée en soluté. Cette phase est riche en diluant.-Phase lourde : phase ayant la plus grande masse volumique.-Phase légère : phase ayantla plus faible masse volumique.-Phase aqueuse/Phase organique : ces termes sont liés à la nature du solvant et dudiluant.-Un azéotrope est un mélangeliquidequi bout àtempératurefixe en gardant unecomposition fixe.II.2.DéfinitionL'extraction liquide/liquide ( ou LLE ) est l 'u ne des tec hniques deséparationd'échantillons les plus anciennes.Elle permet, par un procédé physique, de purifier oud'extraire des classes de composés (ou solutés) de la matrice (ou éluant) dans lequel ils sontsolubilisés.Le solvant d'extraction ne doit pas être miscible avec l'éluant tout en solubilisantle maximum de solutés.Un mélange binaire dont on veut effectuer la séparation est mis en contact avec untroisième liquide non miscible appelé solvant et, retenu pour sa capacité à extrairepréférentiellement l'un des élémentsdu mélange.Après l'opération, on récupèredeux phasesséparées par décantation: l'extrait formé du solvant enrichien soluté, et le raffinat, soit lemélange appauvri en soluté.On distingue deux types d'extraction liquide-liquide:-L'extraction par échange d'ions: laphase d'alimentation s'enrichit d'une espècecontenue dans le solvant pendant que le soluté passe dans le solvant.Ellerepose surune réaction chimique et l'échange de cations et anions.

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-L'extraction non-compensée: simple transfert de molécules ou d'agrégats d'ionsglobalement neutres.L'extraction peut être faite avec un réactif solvatant, permettantun transfert résultant d'interactions chimiques fortes, ou non solvatant.II.3.Principede l"extraction liquide-liquide:C'est une opération fondamentale de transfert de matière entre deuxphases liquidesnon miscibles.L'extraction liquide-liquide parfois appelée extraction par solvant consiste àtransférer un ou plusieurs solutés contenus dans une solution liquide Lovers un autre liquidenon miscibleSo(le solvant).La concentration finale du soluté dans chaque phase (L et S)dépend de sa solubilité dans les liquides mis enjeu.Le solvant s'enrichi en soluté et est alorsappelé extrait (E), la solution de départ s'appauvrit en soluté, elle est alors appelée raffinat(R).La solution initiale Loet le solvant pur Sosont mis en contact pour favoriser le transfertdu soluté. Généralement, la densité des deux phases liquides sortantes sont différentes etpeuvent donc être séparées par décantation.Ces deux étapes sont réalisées dans un bacmélangeur-décanteur représenté sur la figureII.1.Ainsi l'extraction liquide-liquide est une opération de séparation qui fait intervenir letransfert de matière d'un soluté entre deux phases liquides totalement oupartiellementmiscibles entre elles.

Contrairement à la distillation, le soluté ne change pas d'état au cours du transfert.Lathermique intervient essentiellement en modifiant la solubilité du soluté dans chaque phase.Pour que l"opération soit réalisable il est nécessaire :-que les deux phases ne soient pas complètement miscibles

Extrait E(solvantliquide enrichi en soluté)

AgitationSolution liquide contenantun ou plusieurs solutésRaffinat R (solutio n liquideappauvrie en soluté)FigureII.1 :Schéma d'un bac mélangeur décanteur.

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-queleursmassesvolumiquessoient différentes-qu"il n"existe pas de réactions chimiques entre les divers constituants du mélange.II.4. Différentstypes d"extractionII.4.1.Extraction simpleOn cherche à extraire unsolutécontenu dans un mélange liquide homogène constituéde soluté et de diluant, nommécharge. On utilise pour cela une certaine quantitéd'unsolvantqui ne doit pas être miscible avec lediluant, mais être miscible avec le soluté.Les deux phases liquidescharge + solvantsont mélangées intimement (mélange nonhomogène) etle soluté se distribue dans chacune des phases selon un équilibre physico-chimique.Le mélange non homogène est alorsdécanté en deux phases non miscibles(Figure II.2):il'extrait, contenant majoritairement du solvant et le soluté extrait,ileraffinatcontenant majoritairement du diluant, ainsi que le soluté non extrait.

Figure II.2:Schéma de principe d"une extraction simple.II.4.2.Extraction multipleII.4.2.1.Extraction à courantcroisésDans une extraction à courant croisés(Figur e II.3), ici à 3 étages, le solvant est(équitablement) réparti pour réaliser 3 extractions successives, la première sur la charge, laseconde sur le premier raffinat, la troisième sur le second raffinat.On obtient en fin d'opération un raffinat (ic i R3) e t 3 extrai ts à 3 compositionsdifférentes, le premier étant leplus concentré en soluté, le dernier le moins concentré. Lesextraits sont mélangés entre eux dans la majorité des cas.Cette méthode donne un meilleur

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rendement qu'uneextraction à simple étage pour une même quantité de solvant S, ici égale àS1+S2+S3.

Figure II.3:Schémade principe d"une extractionàétages multiples.II.4.2.2. Extractionà contre-courantDans une extraction à contre-courant(Figur e II.4), ici à 3 étages, on réalise 3extractions successives en utilisant comme solvant l'extrait de l'étage suivant.On obtient enfin d'opération unraffinat (ici R3 sortant de l'étage n°3)) et un extrait (ici E1 sortant de l'étagen°1).On démontrera par des travaux dirigésque cette méthode donne un meilleur rendementqu'uneextractionà simple étage ou à courant croisé avec le même nombre d'étages et la mêmequantité de solvant.

Figure II.4:Schémade principe d"une extractionàétages multiples à contre-courant.II.5.Coefficient de partage ou de distributionLa distribution, ou le partage d"un soluté entre les deux phases à l"équilibre est donnéepar le coefficient de partage (ou de distribution, ou de répartition). Cette grandeur se définitcomme le rapport des teneurs respectives en soluté dans l"extrait et le raffinat lorsquel"équilibre est réalisé.

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Chaqueéquilibre y = f(x) est représenté par une courbe appelée courbe de partageetun coefficient de partage:Kc= yA/xA(II-1)yAet xAsont les titres en soluté dans l"extrait et le raffinatrespectivement.II.6.Facteurs caractérisant la séparation parsolvantIls dépendent de l'équilibre thermodynamique entre les phases.Le solvant doit nonseulement permettre la séparation des produits, mais aussi être utilisable aisément dans lesextracteurs et son emploi doit être aussi économique que possible. Dans ce but, il estnécessaire que le solvant réponde à un certain nombre de spécifications, parfois difficilementcompatibles. Le solvant doit:-bien solvater le soluté (mieux que le diluant)-être bon marché-ne pas être (trop) toxique/corrosif/polluant...-être recyclable-être de densité différente de celle du diluant et peu miscible avec lui ...II.6.1.Sélectivité du solvantElle traduit la facilité que possède ce dernier à dissoudre un constituant de la chargepréférentiellement à un autre.Le coefficient de sélectivitéβanalogue au coefficient devolatilité relative i utilisé en distillation exprime cette sélectivité.Aveclesnotations :(II-2)La séparation est d'autant plus aisée queβest plus grand,βégale 1 au point critique etpour l'azéotrope.II.6.2.PouvoirsolvantIl exprime la quantité de produits que peut dissoudre le solvant, tout en gardant unβacceptable.Si le pouvoir solvant est faible, il faut utiliser une grande quantité de solvant poureffectuer une séparation donnée.II.6.3.Différence de masse volumique (Δρ) entre les solutions en contactUne grande différence de masse volumique favorise la décantation des solutions et parBBAABBAAYXXYouYXXY..

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suite augmente la capacité des décanteurs.Il est évident que les phases en contact(sensibleme nt en équilibre dans un décanteur, jamais en équilibre dans une colonne àremplissage) ne doivent à aucun moment atteindre la même densité.II.6.4.ViscositéUn solvant de faible viscosité doit être choisi, si possible, afin d'éviter lesentraînements de goutteletteset d'obtenir de hauts débits de fonctionnement, c'est-à-dire unecapacité élevée de l'extracteur.II.6.5.Tension interfacialeUne faible tension interfaciale favorise la réalisation d'une grande surface de contactentre les phases, mais gêne la décantation de l'émulsion.II.6.6.Facteurs économiquesLe solvant ne doit pas être: coûteux, toxique, corrosif, instable. Il doit posséder un hautpoint d'inflammabilité et un bas point de congélation pour être employé facilement.Il estnécessaire de pouvoirrécupérer aisément le solvant contenu dans les solutions traitées, cetterécupération étant ordinairement un des points économiquement importants du procédé.Le procédé sera d'autant plus économique qu'il permettra de traiter des chargesdifférentes avecle même solvant (souplesse detraitement).II.7.ApplicationsindustriellesL'essor industriel des procédés d'extraction liquide-liquide en chimie minérale a sonorigine dans les besoins de l'industrie nucléaire en sels de pureté exceptionnelle.Au cours dela période 1960-1970 on aassistéà l'application généralisée de cette technique àl'hydrométallurgie, favorisée par la mise.au point d'un complexant spécifique du cuivre(chélate).Actuellement fonctionnent 200 unités industrielles hydro métallurgiques, assurantla récupération, la séparation et la purification de très nombreux métaux.De plus l'extraction liquide-liquide est appliquée à la fabrication de l'acidephosphorique très pur, du brome, du nitratede potassium, et des acides nitrofluorydriques.En chimie organique, les applications sont aussi nombreuses et importantes tantdupoint de vue quantitatif (pétrochimie ) que qualita tif ( industries alime ntaires etpharmaceutique, récupération des polluants dans des effluents d'usine).

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Actuellement,ce procédé de séparation des constituants d'un mélange et/ou deconcentration est tout particulièrement utilisé lorsque les conditions technologiques ouphysico-chimiques lui sont favorables, comme c'est le cas pour :-La séparation des composés àtempératured'ébullition voisine(séparat ion de certainshydrocarbures aromatiques et aliphatiques).-La séparation d'azéotropes eau-acides minéraux.-La séparation de composés thermosensibles ou instables (obtention des antibiotiques).-La concentration et la purification de solutions diluées, opérations souvent plus économiquesque la distillation (cas des solutions diluées de sels métalliques tels que cuivre, uranium,vanadium).-La substitution à la cristallisation fractionnée (séparation tantale-niobium).-La séparation d'éléments ayant des propriétés chimiques voisines (séparat ion uranium-vanadium et hafnium-zirconium).-L'obtention de produits de haute pureté (sels d'uranium de pureté nucléaire, sels de terresrares destinés à l'industrie optique ou électronique) ;-Des séparations devant être effectuées de manière automatisée dans un environnementhostile (traitementsdes combustibles nucléaires irradiés).

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ChapitreIII:Donnéesd"équilibre liquide-liquide.III.1.Règledes phasesL"extraction liquide-liquide est régie par une loi très importante dueàW. Gibbs (1878) etque l"on connait sous le nom de règle des phases.a-PhaseDes masses distinctes mais de composition chimique et d"étatsphysiques identiques formentune seule phase, c"est le cas dumélangebenzèneettoluène.Donc c"est un ensemblehomogèneayant les mêmes propriétés physico-chimiques et séparé des autres parties du système par unesurface définie.b-SystèmeC"est un corps ou un groupe de corps en interaction, le système peut être homogène ou bienhétérogène.c-ConstituantsCe sont les substances chimiques qui composent unsystème, cas dubenzèneet dutoluènequi forment une seule phase enétantdeux constituants du système.d-VarianceLavarianceV d"un systèmeest le nombredeparamètresintensifset indépendants quicaractérisent un étatd'équilibre. D'une autre manière, c'est le nombre maximum de paramètresque peut fixer librement l'expérimentateur sans rompre l'équilibre.Plaçonsun liquide dans unrécipientoùl"on a préalablement fait le vide. Une certainequantité de liquide se transforme aussitôt en vapeur et occupe la partie du récipient qui n"est pasremplie de liquide. On dit alors que le liquide est enéquilibreavec sa vapeur. Ily aéquilibretantque les trois facteurstempérature, pression et la composition du liquide ainsi que sa vapeurnevarieront pas.Larègledes phasesappeléeaussi loi d"équilibrede phaseestfondéesurledeuxièmeprincipe de la thermodynamique etestexpriméepar:

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Φ + V= n+2(III-1)OùΦ; est le nombre de phasesV: la variancen: le nombre de constituantsII1.2. Représentation des équilibresDans un système d"extraction liquide-liquide trois cas se présentent:a-Les deux phases sonttotalement misciblesCe cas estthéorique, les deux phases raffinat et extrait sont totalement miscibles, donc ilexiste une seule phase et par suite aucune extraction dusolutén"est possible.b-Les deux phases ne sont pas misciblesLesolutéserépartitentre les deux phases, les valeurs de l"équilibresontdonnéespar lesrapports des: poids/raffinat etsoluté/extrait.c-Les deux phases sont partiellement misciblesDonc leproblèmeest pluscompliqué, on fait recoursàunereprésentationgraphique(diagramme ternaire)permettant d"exprimer lessolubilitésréciproquesdes trois constituants(raffinat, extrait etsoluté)àl"étatd"équilibre.III.3.Système ternaire(diagramme triangulaire)III.3.1.Equilibre liquide-liquide d'un système ternaireLeséquilibresliquide-liquide ternairesmettent en jeu trois constituants : diluant (B),soluté (A) et solvant (S).Comme il a étémentionnédans ledeuxièmechapitre, l'introduction dusolvant dans le mélange soluté-diluant provoque l'apparition de deuxphases liquides, lapremièreriche en diluant qu'on appelle raffinat, la seconde riche en solvant dite extrait.III.3.1.1.Représentationetlecture des diagrammes ternaires (triangulaires)Laprésencedes trois constituants dans le mélange liquide, lesolutéAet les deuxconstituantsBetS, nous conduitàadopter uneprésentationgraphique au moyen des triangleséquilatéraux.

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Chaque sommet représente un constituant pur A, B ouS. Sur chaquecôtédu triangle onpeut indiquer la composition des mélangesbinaires (entre 0 % et 100 %) A-B, B-S, A-S.Chaque point aucœurdu triangle représente un mélange ternaire A-B-S. Il s'agit donc depositionner le point représentatif en fonction de la proportion de chaque constituant sachant que:% A + % B +S% = 100 %.(III-2)La figure (III.1a)donnelesrèglesde lecture du diagramme.

(a)(b)Figure III.1: Principe de lecture des compositions sur les diagrammes ternaires.Cette représentation repose sur la propriété suivantedes triangles équilatéraux: La sommedes segments découpés sur les côtés par des parallèles à ceux-ci, à partir d'un point du triangle,est égale à un côté (Figure III.1b)où :(III-3)On établit facilement que le mélange des solutions I et J donneune solution globalereprésentée par un point M situé sur IJ et tel que :(III-4)

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Les coordonnées des points I et J précisent les compositions des solutionscorrespondantes, les lettres I et J représentent leurs quantités (en poids si les concentrations sonten % poids par exemple).Il se peut que le point M n'ait pas de signification physique, c'est-à-dire qu'il ne luicorresponde pas une phase homogène mais au contraire un extrait E et un raffinât R en équilibre(Figure III.2). D'après la règledes moments chimiques, on aura:(III-5)et M R E seront alignés; c'est une ligne d'équilibre.Dans le cas de la figureIII.3les extraits et les raffinats tendent l'un vers l'autre quandleur teneur en soluté A croît; les lignes d'équilibre raccourcissent pour se transformer en unpoint critique (Pc).

FigureIII.2:Représentation triangulaire équilatérale.FigureIII.3:Isotherme de solubilitéLa courbe, lieu des solutions saturées, s'appelle l'isotherme de solubilité; elle divise letriangle en plusieurs régions dont l'une correspond à des mélanges globaux M se résolvant en 2phases en équilibre (zone d'immiscibilité). Quand une ligne est horizontale, il y a solutropie;l'azéotropie correspond au cas où la ligne d'équilibre passe par le point S.

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III.3.1.2. Règle des mélanges: relation barycentriqueConsidérons un mélange ternaire (A + B + S) de masse R kg qui est mélangé à unmélange ternaire ( A + B + S ) de ma ss e E kg m ai s de compos ition disti ncte . Le point Mreprésentatif du ternaire (A + B + S) final a une composition intermédiaire entre R et E qui sesitue graphiquement en un point de la droiteRE dont on peut déterminer la position en écrivantles bilans massiques à l'aide de la figureIII.4.

FigureIII.4:Relation barycentrique entre les compositions de M, R et E.R+E=M(III-6)R : masse (kg) du mélange RE : masse (kg)du mélange EM : masse (kg) du mélange M• Bilan massique sur le constituant C.

Soit :(III-7)Les relations dans les triangles semblables donnent :(III-8)

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(III-7) + (III-8) conduit à la règle des phases ou règle des segmentsinverses :(III-9)Cette relation permet de positionner le point M à partir des masses R et E.Ainsi lorsque:,lepoint M est plus proche de R que de E.Si:,le point M est plus proche de E que de R.Lesbilans massiques sur les trois constituants conduisent aux relations qui traduisent lefait que le point M est le barycentre des points R et E, affectés de coefficients égaux aux massestotales des mélanges correspondants.III.3.1.3. Expression despropriétés physico-chimiquesSi l'on représente à pression et température fixées un système dont deux constituants (etdeux seulement) ne sont pas miscibles, on obtient le plus souvent un diagramme du type de celuide la figureIII.5.

FigureIII.5:Diagrammetriangulaire contenant une courbe binodale.La figureIII.5 représente l'allure du système éthanol (A), eau (B) et benzène (S) à latempérature ambiante. La courbe binodale sépare le domaine à une phaseen undomaine à deuxphases. Les phases saturées, en équilibre, se trouvent aux extrémités de segments qui sont lesdroites de conjugaison.Lefaisceau des droites de conjugaison commence par un segmentappartenant au mélange binaire BS; il s'achève sur un point limite (P), qui correspond à une

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droite de conjugaisontangente à la courbe binodale.Les droites de conjugaison, comme lacourbe binodale doivent être déterminées expérimentalement. Par contre, quand le diagrammeest connu, les propriétés barycentriquespermettent quelques prévisions.De façon à alléger ce diagramme, on peut construire, à l'aide des droites de conjugaisonconnues, une courbe conjuguée par rappel parallèlement aux côtés du triangle. Cette courbetracée, on peut ne laisser subsister qu'elle sur le diagramme et construire avec son aide les seulesdroites de conjugaison utiles(Figure III.6).

FigureIII.6:Tracédes droites de conjugaison.Des différences plus radicales s'observent dans les systèmes qui présentent deux paires deliquides non totalement miscibles. On observe souvent des systèmes comme celui de la figureIII.7 qui illustre le ternaire : méthyléthylcétone (A) eau (B) et chlorobenzène (S).FigureIII.7:Deuxpaires de liquides non misciblesune seule lacune de miscibilité.

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Des systèmes comme celui de la figureIII.7sont engendrés quand les lacunes demiscibilité des deux binaires (AB) et (BS) croissent quand la température varie (dans le sens del'augmentation quand les mélanges sont endothermiques) e t qu'à l a températur e où le s deuxlacunes deviennent contiguës, les deuxpoints limites coïncident (FigureIII.8).

FigureIII.8:Contact des lacunes des miscibilités avec fusion des points limites.Au contraire, quand les points limites ne fusionnent pas, on obtient un domaine à troisphases liquides: voirla figureIII.9. Quand ce domaine à trois phases existe, on remarque qu'ilexiste trois domaines diphasiques différents (au lieu de deux dans le cas contraire).

FigureIII.9:Apparition d'un domaine à trois phases liquides.Le domainetriphasique est un triangle dont les sommets sont α, β et σ.À la températureconsidérée, tout mélange dont la composition est telle que son point représentatif se situe dansce triangle se sépare en trois mélanges de compositionα, β et σ, selon les règles barycentriquesen effet, la variance est nulle et toutes les compositions sont déterminées.Notons enfin que la présence de solides, que l'on doit considérer dès que l'on s'intéresseaux partages de sels métalliques entre deux phases liquides, conduità des diagrammes très

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variés: nous donnons à titre d'exemple l'allure des diagrammes éthanol, eau et fluorure depotassium d'une part et eau, acétone et soude d'autre part sur la figureIII.10.

(a)(b)FigureIII.10:Diagramme avec un solide: (a) le soluté est le KF, (b) le soluté est NaOH.III.3.2.Système ternaire: Autres diagrammesIII.3.2.1.Diagramme rectangulaire

FigureIII.11:Diagramme triangle rectangle.Ni la physico-chimie, ni les propriétésbarycentriques n'imposent que le triangle que l'onutilise comme support du diagramme d'équilibre liquide-liquide soit un triangle équilatéral.L'emploi de rappels à 60° demande un matériel adapté et est plus contraignant que celuide rappels orthogonaux.C'est pour cette raison qu'à des fins appliquées, on utilise le trianglerectangle en plus de l'équilatéral.

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La figure III.11 donne un exemple de diagramme établi sur un triangle rectangle, qui meten évidence comment le problème de la lecture descoordonnées y est résolu.III.3.2.2. Diagramme de JaneckeOn utilise également un autre diagramme, qui n'est pas un diagramme triangulaire. C'estun diagramme qui comprend deux axes orthogonaux, sur lesquels on porte des cordonnées dites"de Janecke», qui sont définies de la façon suivante. Si un mélange M contient les troisconstituants A, B et S, en notant les masses de ces constituants par les mêmes lettres A, B et S, ilvient :(III-10)On constate immédiatement que les coordonnées de ce diagramme qui est représenté surla figureIII.12, jouentdes rôles dissymétriques: X varie entre 0 et 1, tandis que Y varie entre 0 etl'infini. En effet, le solvant pur S est un point à l'infini.Pour utiliser le diagramme de Janecke, il est indispensable, connaissant les pointsreprésentatifs de deux mélanges P et Q, de savoir placer le point représentatif de M = P + Q.Le diagramme de Janecke, malgré le caractère apparemment artificiel des coordonnéesqu'il emploie, présente à un degré supérieur les mêmes qualités que le diagramme trianglerectangle. On peut même le considérer comme un cas extrême de triangle rectangle dont l'un dessommets aurait été rejeté à l'infini.

Figure III.12:Diagramme de Janecke.

BASetYBAAX

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III.3.3.Systèmes ternaires: Diagramme qui ne décrivent pas totalement les équilibres.III.3.3.1.Diagramme de distributionC'est un diagramme qui permet de représenter de façon immédiate la distribution (oupartage) du constituantà extraireentre les deux phases liquides en équilibre. On porte enabscisse la fraction massique de A dans les phasesriches en B, soit xa(p) que nous noterons x eten ordonnée la fraction massique de A dans les phases riches en S, xa(q) que nous noterons y.Chaque point de la courbe représente un équilibre et se déduit de la position des droites deconjugaison sur le diagramme triangulaire.La courbe de partage a deux contacts avec la première bissectrice, le point limite PI, quicorrespond au point où les deux branches de la courbe binodale se rejoignent, et l'origine. Lacourbe de partage passe par l'origine, qui correspond à l'équilibre binaire entre B et S. Commetoute courbe ayant une origine expérimentale, la courbe de partage admet une tangente àl'origine: en conséquence, le rapport Da= y/x, connu sous le nom de coefficient de distribution,tend vers une valeurconstante quand xatend vers zéro. Cette propriété se conserve quel que soitle système de coordonnées, en particulier quand on l'exprime avec des concentrations au lieu defractions massiques (ou molaires).

FigureIII.13:Construction dela courbe de partage.

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On peut noter dès maintenant, car nous utiliserons cette propriété plus loin, que toutfaisceau de droites qui coupent la courbe binodale sur le diagramme triangulaire définit unecourbe sur le diagramme de distribution (FigureIII.13).III.3.3.2.Diagramme de sélectivitéEtant donné deux mélanges en équilibre, P riche en B et Q riche en S, ce diagrammes'obtient en portant respectivement les quantités suivantes en abscisse et en ordonnée :(III-11)Ces coordonnées ne sont autres que les abscisses du diagramme de Janecke. On construitdonc le diagramme de sélectivité à partir du diagramme de Janecke tout comme on construit lediagramme de distribution à partir d'un diagramme triangulaire. Ces coordonnées, à la différencedes fractions massiques ne contiennent pas le solvant S et permettent donc d'estimereffectivement la sélectivitédu solvant, c'est-à-dire son aptitude non pas à extraire A, mais àl'extraire mieux que B.estdéfini de la façon suivante :(III-12)

FigureIII.14:Constructionde la courbe de sélectivité.

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Sur la figure III.14, on peut noter que la courbe de partage se trouve tout entière au-dessus de la première bissectrice, ce quicorrespond au fait que le constituant privilégié A separtage préférentiellement du côté du solvant S entre B et S.III.4. Influence de la températureEn général une diminution de la température de traitement se traduit par une diminutionde la zone de miscibilité sur le diagramme ternaire (voir figure III.15a).II faut remarquer aussi que la température a une influence sur la pente des lignesd'équilibre. Ainsi, pour pouvoir évaluer le degré de séparation à différentes températures, faut-ilse reporteraux courbes de sélectivité (Figure III.15b) . En généra l l e degr é de séparationaugmente quand la température diminue.

Figure 15a:Influence de la température surFigure 15b:Influence de lala zone de miscibilitétempérature sur les courbes desélectivité

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Chapitre IV:Calcul du nombre d"étagesthéoriquesd"unecolonne d"extraction liquide-liquideNous conviendrons dans ce qui suivra qu'à chaque étage ou plateau d'échange de matièrel'équilibre théorique prévu par la thermodynamique est atteint.Les bacsmélangeur-décanteurssont disposés en série ou en parallèle.Les phases non miscibles sont mises en contact avec unecirculation à courant ou contre-courant.La procédure peut être menée en discontinu (batch) ouen continu.IV.1.Extractionàun étageNous rappelons les notations utilisées :Une lettre d'imprimerie A, B, C, M. représente un mélange et la quantité de ce dernier, enpoids par exemple, si les concentrations sont exprimées en fractionsmassiqueslescoordonnéesde ces pointsXA, XB, XS... indiquent les teneurs en A, B et S des mélanges.Nous rappelons quenous utilisons ici la fraction massique, centième du pourcentage en poids.Mélangeons une certaine quantité C de charge de compositionZAetZBà un solvant S.nous obtenons un mélange global M (quantité M,composition WA.WB.WS).Nous avons déjàétabli que le point M se situe sur la droite CS et entre ces points; il existe d'autre partla relationentre quantités :(IV-1)Le rapportest appelé le taux de solvant.Ladroite CS coupe l'isotherme en R0et Ef. Reportons-nous à la figureIV.1nous constatonsque trois cas sont possibles :-M entre C et R0: il n'existe qu'une phase liquide.Le taux de solvant employé est inférieurau taux de solvant minimal défini par :(IV-2)-M entre Roet Ef: 2 phases liquides existent:-M entre Efet S: il n'existe qu'une phase liquide.Le taux de solvant utilisé est supérieur autaux maximal défini par :(IV-3)MSMCCScSSRCRCS00minSECECSffmax

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FigureIV.1:Extractionàun étage.Figure:IV.2:Courbe de sélectivité.Le seul cas qui nous intéresse ici est celui où le taux de solvant employé se situe entre lesdeux taux limites.Dans ces conditions, le mélange global M se décompose en deux phases liquides qui,pour un contact parfait, sont en équilibre.Nous dirons que l'appareil est équivalent à un étagethéoriquelorsque les phases le quittantsont en équilibre.L'extrait et le raffinat obtenus, vérifientles relations suivantes :Bilan total :C+S=E+R=M(IV-4)Bilan en A :CZA=EYA+ RXA= MWA(relations analogues en B et C)(IV-5)IV.2.Extractionàcontacts multiplesIl s'agit d'une succession de traitements en un étage; la figureIV.3schématise le modeopératoire.Le raffinat obtenu dans un étage est traité par une nouvelle quantité de solvant frais;on peut ainsi obtenir unraffinatplus pauvre en A que le raffinat limite Rfdu cas précédent.IV.2.1.Méthodes de calcul dans le cas d"extraction à co-courantOn détermine d'abord les quantités et compositions de E1et R1à partir deCet S1par laméthode donnée précédemment (c as à un étage).Connaissant R1et S2en quantités etcompositions, par un calcul analogue on détermine E2et R2.On procède ainsijusqu'au nièmessssXWWYMRMEER

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étage.LesfiguresIV.3etIV.4montrentles constructions graphiquesà effectuer.Onobtient endéfinitive un raffinat final Rnet n extraits partiels E1E2E3... En.

FigureIV.3:Schémasd'extractionà contacts multiples.

FigureIV.4:Représentation graphique de l'extraction à contacts multiples.IV.2.2.Méthodes de calcul dans le cas d"extraction àcontre-courantSelon le mode d'écoulement des liquides, deux types de contre-courant sont à considérer.Le contre-courant à contact continu est obtenu dans les appareils à remplissage type colonne; lesdeux phases s'écoulent en restant toujours en contact (voir figure IV.7), elles ne peuvent à aucunniveau de l'appareil être en équilibre.Le contre-courant à contact discontinu correspond aufonctionnement d'une suite discontinue d'étages de contact (exemple: série de mélangeurs-décanteurs ou colonne à plateaux).Dans chaque étage les phases sontmises en contact, puisséparées; entre deux étages elles circulent séparément et en sens inverse comme le montre la

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figureIV.5.Nous allons examiner d'abord ce dernier cas en admettant que l'efficacité idéale dechaque étage est de 100%ce qui correspond au cas limite idéal de l'étage théorique.

FigureIV.5:Schéma d'extraction à contre-courant.IV.2.2.1.Extraction à contre-courantà contact discontinuLa figureIV.5schématise le mode opératoire: une charge C est traitée à contre-courantpar un solvant S dans un appareil équivalent à n étages théoriques.Chaque cercle représente ungroupe mélangeur-décanteur idéal, c'est-à-dire un étage théorique; les extraits et raffinats quittantces étages sont donc en équilibre.Bilans et pôleLes équations suivantes expriment à la fois les bilans totaux (A + B + S) et ceux enchacun des constituants (A, B ou S) pour un ensemble en régime stationnaire.Pour le premier étage :C + E2= R1+ E1Pour le iième:Ri-1+ Ei+1= R1+ EfPour le dernier étage :Rn-1+ S= Rn+ EnCes équations peuvent s'écrire sous la forme :C-E1+ R1-E2= E2-E3= R1-EI+1= ....Rn-S = P(IV-6)

FigureIV.6:Représentation des bilans et du pôle P.

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Elles définissent un mélange fictif P, représenté par le point P sur le diagramme de lafigureIV.6.Le point P s'appelle le pôle; il est situé sur les deux droites CE1, et RnS, donc à leurintersection.D'après les relations précédentes, toute droite obtenue en joignantle point figuratifd'un raffinat (Ri) au point figuratif (Ei+1) de l'extrait qui le croise, passe par le pôle P. C'est surcette propriété du pôle que sont basées les déterminations graphiques d'efficacité.IV.2.2.2.Extraction à contre-courant à contact continuDans de nombreux types d'appareil, une phase est dispersée au sein de l'autre, les deuxliquides s'écoulantà contre-courant sous l'effet de la gravité.Ce fonctionnement correspond aucontre-courant à contact continu obtenu, par exemple, dans les colonnes à pulvérisation ou àremplissage.Dans l'état actuel de nos connaissances, la seconde méthode ne donne pas de résultatssupérieurs à la première qui est beaucoup plus utilisée.Le premier mode de calcul introduit lahauteur équivalente à un étage théorique, le second la hauteur équivalente à une unité detransfert.1. Hauteur équivalente à un étage théorique (H.E.T.S.)Découpons par la pensée (Figure IV.7) l a col onne en sect ions tell es que t es phasesquittant chacune de ces sections soient en équilibre.Tout tronçon ainsi défini est doncéquivalent à un étage théorique.On doit remarquer que les phases en équilibre nesont passituées au même niveau; elles sont distantes de la longueur de la section fictive, longueurordinairement appelée hauteur équivalente à un étage théorique (H.E.T .S. dans l a littératureanglo-saxonne). La hauteur H de l'appareil est alors donnée parla relation:H-= N (H.E.T.S.)(III-7)Nétant le nombre d'étages théoriques que l'on calcule par les méthodes donnéesprécédemment.

Figure IV.7:Hauteur équivalente àun étage théorique

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Nous avons établi que, pour un taux desolvant inférieur ou égal au taux minimal, lenombre d'étages théoriques était infini, c'est-à-dire que les courbes opératoires et de distributionavaient un point commun.Dans le cas du contre-courant à contact continu, ceci correspond àune H.E.T.S. nulle; en fonctionnement normal les phases se croisant à chaque niveau ne peuventdonc être en équilibre.Le calcul d'efficacité des colonnes à remplissage, traitant des solutions partiellementmiscibles, ne peut se faire aisément que par la méthode empiriquefaisant appel aux H.E.T.S.2. Hauteur équivalente à une unité de transfert (H.T.U.)Pour une bonne compréhension de ce qui suit, la hauteur équivalente à une unité detransfert (H.T .U. dans l a littératur e anglo-saxonne) a ét é défini e. C e conce pt e st apparupremièrement dansl'étude de l'absorption des gaz; par analogie avec cette dernière nous pouvonsécrire les relations suivantes, valables pour l'extraction liquide-liquide :(III-8)Où :NoRest le nombre d'unités de transfert global basésur les concentrations en poids dans leraffinat,NoEest le nombre d'unités de transfert global basé sur les concentrations dans l'extrait.Les concentrations X* et Y* sont celles à l'équilibre..La hauteur d'une unitéde transfertétant obtenue en divisant la hauteur totale H del'appareil par le nombre d'unités de transfert on a donc:Et(III-9)IV.2.2.3.Extractionàcontre-courant avec refluxLe soluté sensiblement pur ne peut être obtenu par contre-courant sans " backwash» oureflux.En effet, par contre-courant simple, l'extrait le plus riche que nous pouvonsthéoriquement atteindre correspond au traitement de la charge par un minimum de solvant et enfaisant appel à un appareil d'efficacité infinie.Dans ces conditions limites et quand il n'y a passolutropie(la courbe de distribution ne coupe pas la première bissectrice), l'extrait le plus richeque l'on obtient est représenté par le point EFsitué sur la ligne d'équilibre passant par la charge(Figure IV.8a et b).21*21*yyoExxoRYYdYNxxdXN

oRoRNHUTH...oEoENHUTH..

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(a)(b)FigureIV.8:Intérêt de l'utilisation de refluxPour atteindre des extraits plus riches en soluté que EF, il faut faire appel au reflux quipeut être obtenu soit en recyclant dans l'appareil une fraction de l'extrait débarrassé partiellementde solvant, soit en abaissant localement la température ou en injectant un anti solvant dansl'appareil; dans ces deux derniers cas, on dit que l'on provoque un reflux induit.Nous savons de plus que l'extrait le plus riche ne contenant pas de solvant est représentépar le point de tangenceELà l'isotherme d'une droite passant par S.Quand le solvant est partiellement miscible avec le soluté et avec le diluant (cas de lafigureIV.8b, isotherme à 2 branches), l'emploi d'un reflux est particulièrement intéressant, ilpermet, en effet, d'atteindre sensiblementl'extraitELqui, une fois le solvant éliminé, donne lesoluté presque pur.1. Bilans et pôlesLa figureIV.9schématise le mode opératoire.Une charge C est introduite dans l'étage kd'un appareil; équivalent à n étages théoriques, le solvant S est introduit dans le dernier étage nd'où sort le raffinat final Rn.L'extrait E1sortant du premier étage, passe dans le premierséparateur où une grande partie (S') du solvant qu'il contient est éliminée pour donner une phasesaturée analogue à un raffinat.La solution obtenue est en partie recyclée dans l'étage 1 (Ro), enpartie soutirée (Eo) et envoyée dans un deuxième séparateur d'où sort un extrait final (e1) necontenant plus de solvant. LesfiguresIV.9et IV.10précisentles compositions de chacune deces phases; Eoet Ro, correspondant à des quantités différentes de la même phase, sontreprésentés par le même point.

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Les équations qui suivent expriment à la fois les bilans totaux, baséssur le poids total dechaque phase, et ceux en chacun des constituants.

FigureIV.9:Schéma d'une extraction à contre-courant avec reflux.

Figure IV.10:Représentation graphique de l"extraction à contre-courant avec reflux.-Étude de la section d'enrichissement en soluté de l'extraitBilan des produits entrant et quittant la portion d'appareil comprise entre l'étage i et leséparateur 1 inclus :Bilan autour du séparateur 1 :Posons:S'+E0= QRelation qui définit un point Q situe entre S et E0et aligné avec ces derniers.Les relations précédentes deviennent :00101''RESESEREii

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Ei+1-Ri= QE1-R0= Q(III-10)Ces équations montrent que Q est un pôle de construction situé sur la droite E1Roet endehors de ces points.Le pôle Q de la construction graphique qui détermine le nombre d'étages correspondant àla section d'enrichissement de l'extrait, est donc situé entre E, et S et sur la droite E1S.Cetteconstruction est valable jusqu'à l'étage (k-1) compris.La position du pôle Q dépend du taux dereflux Ro/Eo.En effet,comme il a étéprécédemmentétablinous avons :(III-11)Lapremièrede ces relations permet d'établir::

(III-12)D'où en multipliantmembre à membre avec la 2emerelation :

Cette relationpermet, le tauxderefluxet E1étant connus, de situer le point Q sur lediagramme triangulaire.-Etude de la section d'appauvrissement en soluté du raffinat.Bilan autour de la section comprenant les étages j à n :Où :

(III-13)Equation qui définit un mélange fictif W,situésur la droite SRnet à l'extérieur de cesegment.Ce point W est un pôle puisqu'une droite joignant les points figurants des phases qui secroisent (Ejet Rj-1). Passe par W.Pour préciser la position de W sur RnS,nous allons effectuer le bilan des produits entrantet quittant l'étage d'alimentation :

011000.'REQEQRetQSQEES

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Soit, si on fait apparaître les pôles de construction relatifs à chaquesectionde l'appareil :C + W = Q(III-14)Cette relation montre que lesdeuxpôles Q et W et la charge C sont alignés et permet desituer W sur RnS après que la position de Q déjà été établie.IV.3.Cas particuliersLorsque le diluant et le solvant sont immiscibles quelles que soient leurs teneurs ensoluté. Ceci entraine que les raffinats soient sans solvant etles extraits sansdiluant (XS=YB=0).L"isotherme est alorsconfondueavec lescôtésdu triangleéquilatéral, le calcul repose alors surleséquationssuivantes:

Onpeut ainsi obtenir un bilanmatièreensolutépour l"étageidonné

(III-15)En faisant intervenir B et Siet en introduisant les nouvelles unitésde concentration suivantes:

On obtient:

(III-16)C"est l"équation d"une droite de pente:

Connaissant la courbe de distribution du solutéavec les nouvelles unitésηi = f(ξi) et lesrelations précédentes, on pourradeterminerlaséparationque donnera un traitementànétages

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successifs. La figure IV.11 montre la construction graphique correspondat au traitementàtroisétages d"une charge de teneur ξ0avec parétage des quantites ,S1, S2, S3 de solvant.

FigureIV.11: Séparation dans un traitementàétages multiples.Dans le cas des conditions précédentes: XS= YB= 0 etηi= mξi,lacourbededistributionest une droitede pente m, la relationprécédentese transforme en:

(III-17)Dans le cas des conditions précédentes: XS= YB= 0 etηi= mξi, lacourbe d"équilibreest une droite. Onétablitdans ce cas la relation suivante:

(III-18)Dans laquelle E represente le groupe (mS/B), souvent appeléfacteur d"extraction.En procédant ainsi, c"est-à-dire quand S1= S2=.......= S, la relation précédente donne:

(III-19)

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Chapitre V: Classification des colonnes d"extractionliquide-liquide.On distingue trois classes d'appareils d'extraction liquide-liquide :iles mélangeurs-décanteursconstitués d'une chambre de mélange suivie d'une chambre dedécantation.Leurs principaux avantages sont : une efficacité élevée, une extrapolation fiable etune grande flexibilité.Leurs inconvénients majeurs : le coût par étage, le temps de séjour, la taille del'installation.iLes extracteurs centrifugespeuvent être de deux typesà étage(mélangeur et décanteursont regroupés) oudifférentiels continus(les phases circulent à contre-courant dans desgarnissages variés).iLes extracteurs-colonnesdans lesquels la circulation est due à la différence de densitéentre la phase lourde (introduite en haut de colonne) et la phase basse (introduite en basde colonne).V.1.Les mélangeurs-décanteursUn mélangeur-décanteur est un appareil constitué par un mélangeur, compartiment oùl'on introduit deux phases liquides, qui sont mélangées par une turbine ou par un dispositifsimilaire et un décanteur, bac où l'émulsion se sépare en deux phases claires qui sont recueilliesséparément.Si cette définition est simple, les réalisations technologiques sont nombreuses etvariées.Nous présenterons deux exemples de mélangeurs-décanteurs ainsi que leursregroupements en batteries: ceux du type pompes-mélangeurs (pump-mix en langue anglaise) duCEA et ceux de la société Krebs.Un étage du modèle pompe-mélangeur est représenté sur la figureV.1.Chaque étageestpourvu d'un moteur qui entraîne la turbine du mélangeur.La caractéristique essentielle de cemodèle est le double rôle dévolu à cette turbine.D'une part elle assure le mélange intime desdeux phases, où l'une est dispersée sous forme de gouttelettes dans l'autre-ce sontrespectivement les phases dispersée et continue-; d'autre part, elle assure la circulation de cesdeux phases en les relevant dans les puits d'aspiration (à gauche sur la figure) et en les aspirant

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dans le mélangeur, pour finir par faire déborder l'émulsion dans le décanteur où celle-ci se séparesous l'effet de la gravité en phase légère, qui déborde directement et phase lourde qui circuledans un déversoir qui impose la position de l'interface entre les deux liquides dans le mélangeur.Ce déversoir peut être rendu réglable par divers dispositifs (non représentés sur la figureV.1).

Figure V.1:Étage de mélangeur-décanteur du type " pompe-mélangeur.Le fonctionnement de l'appareil peut être perfectionné de diverses façons.En jouant surla vitesse de rotation de la turbine, sa position au dessus du puit d'aspiration et au besoin enperçant des trous dans le fond du mélangeur, on peut ajuster les fonctions " pompe » et "mélange » du mélangeur.Danslecas où les rapports desdébits des deux phases sont trèséloignés de l'unité, on peut, par des dispositifs statiques (sans moteurs ni pompes) recycler l'uneou l'autre phase du décanteur vers le compartiment situé en dessous du mélangeur, de façon àmodifier par ce recyclage interne le rapport des débits des deux phases à l'entrée du mélangeur.Comme la nature de la phase continue dépend largement du rapport des débits dans lemélangeur, et que la surface d'échange des gouttes, toutes choses égales par ailleurs, dépend durapport des débits et de la nature de la phase continue, on comprend l'importance de cesrecyclages sur la qualité du transfert de matière.La figureV.2montre l'arrangement de quatre étages mélangeurs-décanteurs en batterie.Ilest clair que ce chiffre n'estpas limité: on connaît des réalisations avec plusieurs dizainesd'étages.L'arrangement tête-bêche du montage facilite la circulation des fluides d'un étage àl'autre dans le cadre d'un arrangement à contre-courant.

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FigureV.2:Batterie de quatre mélangeurs-décanteurs du type " pompe-mélangeur».Ce type de mélangeurs-décanteurs convient particulièrement bien aux installations detaille petite à moyenne, pour des débits compris entre quelques dizaines à quelques mètres cubespar heure.Par la compacité de l'arrangement des étages et par la limitation du nombre depompes inhérente à la nature du modèle, ils sont particulièrement bien adaptés à l'industrienucléaire.L'hydrométallurgie des métaux non ferreux a besoin quant à elle d'installations capablesde traiter des dizaines, voir même des centaines de mètres cubes par heure.Les principes quirégissent la réalisation de tels appareils présentent des différences significatives avec ceux quiprésident à celle des batteries de pompes mélangeurs.À titre d'exemple, nous donnons ci-dessous des schémas qui présentent les mélangeurs décanteurs de la société Krebs, largementdiffusés dans le monde entier pour le traitement des minerais de métaux non-ferreux. On peutciter notamment le traitement des minerais de cuivre.La figureV.3présente un étage du modèle Krebs. On remarque que mélangeurs etdécanteurs constituent deux structures bien distinctes, pas nécessairement réalisés dans la mêmematière, et l'existence d'organes comme la goulotte de sortie du mélangeur qui séparepartiellement l'émulsion avant de rejoindre le décanteur, afin de limiter le volume de ce dernier.Diverses structures internes, comme des batteries de plaques déflectrices contribuent également àlimiter les temps de décantation.

Phase légèrePhase lourdeMélangeurDécanteur

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Alimentationphaseaqueuse

FigureV.3: Mélangeur-décanteur de grande taille (type " Krebs »).La figureV.4représente l'arrangement de trois de ces étages. Des organes déjà présentsdans les pompes-mélangeurs sont utilisés (recyclages, régulateurs d'interface, etc...). Mais lepoint important est que l'arrangement est ici très différent de celui du modèle pompe-mélangeur:les étages sont montés parallèlement et non tête-bêche.Goulotte Décanteur

FigureV.4:Batteriede mélangeur-décanteur de grande taille (type " Krebs »).L'objectif est d'amener les moteurs des pompes et les turbines d'un même côté del'installation, de façon à faciliter leur maintenance: il n'y a ainsi qu'un seul pont de manutention.

Alimentationphase organiquemélangeurVanne derecyclage

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Du même coup, les connections des deux phases sont aussi sur une même face del'installation, ce qui présente divers avantages dont celui de raccourcir le chemin que doitparcourir le personnel d'exploitation quand, par exemple, il doit manipuler des vannes.V.2.Les extracteurs centrifugesLes extracteurs centrifuges ont pour objectif de traiter des débits, le plus souventimportants dans des appareils très compacts.Un modèle d'extracteur centrifuge est représentésur la figureV.5.Cet appareil est constitué d'un stator suspendu sous une dalle et d'un rotor quiest entraîné par un ensemble constitué d'un moteur et d'un réducteur qui lui imprime des vitessesde rotation élevées (plusieurs milliers de tours par minute).

FigureV.5:Extracteurcentrifuge.L'appareil représenté comprend huit étages. Chaque étage est constitué d'une section demélange, où des pièces appartenant l'une au stator, l'autre au rotor passent à grande vitesse auvoisinage l'une de l'autre.Cela suffit à provoquer l'apparition d'une émulsion extrêmement fine,au sein de laquelle le transfert dematièreest rapide, tandis que la présence de nervure sur l'unedes surfaces fait du dispositif un système analogue à une pompe centrifuge et permet ainsi derelever les liquidesdans le champ centrifuge.La décantation est obtenue grâce au champd'accélération centrifuge qui est de plusieurs milliers de fois supérieur au champ de la pesanteur

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terrestre, ce qui accélère la décantation dans les mêmes proportions:on conçoit facilement quel'on obtienne ainsi une grande compacité et des temps de séjour très brefs.La compacité du volume de l'installation que permet l'extracteur centrifuge intéresse desindustries comme l'industrie nucléaire dont le génie civil doit être le plus souvent à l'épreuve desséismes.Le volume construit est donc très coûteux et sa minimisation est donc un objectifmajeur.La diminution des temps de séjour présente un intérêt intrinsèque pour certainesindustries.L'exemple le plus célèbre est celui de la purification de la pénicilline que l'on séparedu milieu de culture par extraction liquide-liquide dans des conditions de pH qui la dégradent. Ilest clair que l'emploi d'extracteurs centrifuges, qui limitent les temps de séjour est dans ce cas unfacteurimportant d'augmentation des rendements de récupération.V.3.Les appareils d'extraction à contact permanentNousparlons brièvement ici,des appareils d'extraction liquide-liquide dit à contactpermanent qui n'ont pas d'étages identifiés: ce sont les différentes colonnes agitées et pulsées.Lemodèle de l'étage idéal est inadapté à leur étude, et nous en emploierons un autre.

Figure V.6:Colonne pulsée a disques perforés.Ilest toutefois courant de découper-par la pensée-de tels appareils en étages idéaux eten définissant la HEPT (Hauteur d'un Étage Théorique ou idéal).On calculele nombre d'étages

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théoriquesnécessaires pour réaliser la même performance avec le même rapport de débits.Leproduit de n par la HEPT donne la hauteur totale de la colonne.Ilest clair que les fondements physiques de cette méthode sont peu assurés, puisqu'elleapplique à un procédé où les concentrations varient continûment avec la hauteur dans la colonne,des considérations relatives à une opération où les concentrations ne sont pas continues: toutchangement de débit significatif modifie sévèrement la HEPT dans la plupart des cas, et lechangement de la nature du solvant lui enlève tout sens.Toutefois cette méthode, commode par sa simplicité, permet une premièreapproche àvaleur comparative du dimensionnement des opérations à contact permanent par exemple pourbâtir des modèles technico-économiques.

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Chapitre 6:Introduction aux procédés deséparationmembranaireVI.1.DéfinitionLa membrane est définie comme une " structure matérielle mince permettant l"arrêt ou lepassage de substances entre les volumes qu"elle sépare, sous l"effet d"une force detransfert ».Elle autorise le passage préférentiel de certaines substances entre deux phases: " l"alimentation »et le " perméat »(FigureVI.1).

FigureVI.1:Schéma du principe de fonctionnement d'une membrane sélectiveVI.2. Présentationdes procédés de séparation membranaireLes procédés de séparation membranaire sont utilisés pour séparer et surtout concentrerdes molécules ou des espèces ioniques ensolution, ou pour séparer des particules ou desmicroorganismes en suspension dans unliquide. Pour ce faire, des membranes sélectives sontutilisées, c'est-à-dire des barrières mincesde quelques centaines de nanomètres à quelquesmillimètres d'épaisseur, qui sous l'effet d'une force de transfert, vont permettre ou interdire lepassage decertains composants entre deux milieux qu'elles séparent. Cette force peut être ungradient de pression(ΔP), un gradient de potentiel électrique(ΔE)ou un gradient de potentielchimique, souvent assimilé à un gradient de concentration(ΔC) ou de température (ΔT)(Figure

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VI.2). Les procédés de séparation membranaire sont utilisés dans bien des domaines industrielstel que l'industrie laitière, celle des juset des produits dérivés, du traitement des eaux ou encorede l'industrie pharmaceutique.

FigureVI.2:Schéma de principe de la séparation membranaire.VI.3. Les procédés membranairesà gradient de pressionIl existe 4 procédés membranaires à gradient de pression: la microfiltration (MF),l'ultrafiltration (UF), la nano filtration (NF) et l'osmose inverse (OI). Ces procédés se distinguentpar la taille et le type des espèces qu'ils peuvent séparer.TableauVI.1:Tableau des procédés membranaires.

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Ces procédés membranaires sont utilisés pour séparer et/ou concentrer des molécules oudes espèces ioniques en solution et/ou séparer des particules ou microorganismes en suspensiondans unliquide. Les différents procédés traitant une phase liquide sont classés par famille dansle tableau ci-dessus.VI.3.1. Filtration membranairePrincipe de fonctionnementLe liquide traverse la membrane sous l'effet d'unedifférence de pression.Sous l'action decette différence, les entités capables de traverser la membrane se retrouvent dans le filtrat, appeléaussi perméat. Le fluide qui reste en delà de la membrane est appelé retentât, il circulegénéralement tangentiellementàla membrane.

FigureVI.3:Principe de filtrationSchématiquement, la microfiltration retient les particules, l'ultrafiltration lesmacromolécules, la nano fquotesdbs_dbs6.pdfusesText_12