Fiche de révision : Opérations unitaires et extraction liquide-liquide

📋 Plan du Cours

1. Fondements des opérations unitaires
2. Familles d’opérations unitaires
3. Mise en œuvre des procédés
4. Fractions molaires et massiques
5. Principes de l’extraction liquide-liquide
6. Choix du solvant et équilibre
7. Diagrammes ternaires et bilans
8. Mise en œuvre de l’extraction

📖 1. Fondements des opérations unitaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Opération unitaire : Opération fondamentale chimique ou physique, distincte et indépendante du procédé lui-même, entrant dans une suite coordonnée d’opérations.
• Génie des procédés : Rapport Gaillard, 1991 — Regroupe les connaissances nécessaires à la conception, à la mise en œuvre et à l’optimisation des procédés de transformation physico-chimique ou biologique de la matière.

📝 Points essentiels

📌 Le génie chimique concerne les réactions chimiques et les opérations physiques de transformation de la matière à l’échelle industrielle, tandis que le génie des procédés étudie aussi les procédés biologiques, alimentaires, environnementaux et énergétiques.

💡 Astuce mémo

Opérations fondamentales coordonnées → procédé industriel

📖 2. Familles d’opérations unitaires

📝 Points essentiels

• Les principales familles sont: les opérations fondées sur la mécanique des fluides, les opérations fondées sur le transfert de la matière, les opérations fondées sur le transfert thermique, les opérations fondées sur des principes mécaniques

• Les principales opérations de transfert de matière comprennent: la distillation, l’extraction liquide-liquide, la lixiviation, l’absorption-désorption, l’adsorption, l’échange d’ions, la diffusion des gaz, l’humidification et la déshumidification

• Les opérations de séparation peuvent représenter jusqu’à 60–80 % des coûts de production et les séparations industrielles consomment 10–15 % de l’énergie mondiale. — D. S. Sholl, R. P. Lively, Nature, 2016

📖 3. Mise en œuvre des procédés

★ À maîtriser

📌 Un procédé continu est un système ouvert alimenté et soutiré en permanence, tandis qu’un procédé discontinu est un système fermé fonctionnant sur un lot de réactifs.

📌 Un procédé continu est en régime permanent lorsque la pression, la température et la composition restent constantes et que la masse réactionnelle de l’appareil demeure inchangée.

• Les procédés continus conviennent aux productions en grande quantité avec une alimentation et des débouchés constants, tandis que les procédés batch conviennent notamment au laboratoire, aux petites fabrications et aux produits à forte valeur ajoutée.

📐 Formule — Le bilan général de matière s’écrit $Q_{entrée}+Q_{apparition}=Q_{sortie}+Q_{disparition}+Q_{accumulation}$.

📐 Formule — Sans transformation de matière, le bilan devient $Q_{entrée}=Q_{sortie}+Q_{accumulation}$, et en régime permanent $Q_{entrée}=Q_{sortie}$.

Compléments

📐 Formule — Le bilan général d’énergie s’écrit $E_{entrée}+E_{générée}=E_{sortie}+E_{absorbée}+E_{dissipée}$.

💡 Astuce mémo

Continu : flux constant ; batch : lot successif

📖 4. Fractions molaires et massiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Fraction molaire : La fraction molaire d’un constituant est le rapport de sa quantité de matière à la quantité de matière totale du mélange, et elle est comprise entre 0 et 1.

📝 Points essentiels

📐 Formule — Pour un liquide, la fraction molaire et la fraction massique vérifient $x_i=\frac{n_i}{\sum_i n_i}$ et $\omega_i=\frac{m_i}{\sum_i m_i}$.

📐 Formule — Les fractions massiques et molaires d’un liquide sont reliées par $\omega_i=\frac{x_iM_i}{\sum_i x_iM_i}$ et $x_i=\frac{\omega_i/M_i}{\sum_i \omega_i/M_i}$.

📐 Formule — Pour un gaz idéal, la fraction molaire est $y_i=\frac{n_i}{\sum_i n_i}=\frac{p_i}{P_{totale}}$, où $p_i$ est la pression partielle du gaz i.

💡 Astuce mémo

Liquide : x et ω ; gaz : y et pression partielle

📖 5. Principes de l’extraction liquide-liquide

🔑 Notions clés & Définitions

• Extraction liquide-liquide : Opération unitaire qui sépare les constituants d’un mélange en exploitant leur distribution inégale entre deux liquides pratiquement non miscibles.

★ À maîtriser

📌 Dans l’extraction liquide-liquide, l’extrait est la phase riche en solvant qui contient le plus possible de soluté, tandis que le raffinat est la phase riche en diluant qui contient le moins possible de soluté.

• Un contact simple d’extraction liquide-liquide consiste à mélanger le solvant et l’alimentation, agiter pour assurer le contact des phases, puis décanter pour obtenir l’extrait et le raffinat.

Compléments

• L’extraction liquide-liquide est utilisée en pétrochimie, dans les industries pharmaceutiques et alimentaires, en hydrométallurgie et pour le traitement des effluents.

• L’extraction liquide-liquide est intéressante pour les produits thermosensibles, les produits de volatilités très proches et la récupération de produits lourds à point d’ébullition élevé.

💡 Astuce mémo

Deux liquides non miscibles : l’extrait emporte le soluté, le raffinat le conserve peu

📖 6. Choix du solvant et équilibre

📝 Points essentiels

📐 Formule — Le coefficient de distribution du soluté A est $K_A=\frac{w_{A,S}}{w_{A,D}}=\frac{w_{A,E}}{w_{A,R}}$ ou $K_A=\frac{x_{A,S}}{x_{A,D}}=\frac{x_{A,E}}{x_{A,R}}$.

📐 Formule — Le facteur de séparation de A par rapport à B est $\beta_{AB}=\frac{K_A}{K_B}=\frac{(w_A/w_B)_E}{(w_A/w_B)_R}$, et plus $\beta_{AB}$ est grand, plus la sélectivité est importante.

📌 Un solvant d’extraction doit être partiellement immiscible avec le diluant, présenter une faible viscosité et une tension superficielle assez faible, être peu polluant et toxique, stable, réutilisable et de coût modéré.

💡 Astuce mémo

Capacité : extraire beaucoup ; sélectivité : extraire spécifiquement

📖 7. Diagrammes ternaires et bilans

📝 Points essentiels

• Dans un diagramme triangulaire du système ternaire A-D-S, un sommet représente un composé pur, un côté représente un mélange binaire et l’intérieur représente un mélange ternaire.

• Sous la courbe de démixtion, le mélange comporte deux phases, au-dessus il comporte une phase et sur la courbe la solution est trouble.

• Dans un mélange ternaire immiscible, les phases extrait E et raffinat R sont en équilibre sur la courbe de démixtion, et la droite ER est la conodale qui décrit cet équilibre.

• Si deux points N et P forment un point M ou si M se dissocie en N et P, les trois points sont alignés et les masses suivent la règle du barycentre, selon laquelle la masse d’un point est proportionnelle au segment opposé.

💡 Astuce mémo

Mélange → démixtion → phases E et R → conodale

📖 8. Mise en œuvre de l’extraction

📝 Points essentiels

📐 Formule — Pour un contact simple, le bilan global s’écrit $F+S=E+R=M$ et le bilan du constituant i s’écrit $w_{F,i}F+w_{S,i}S=w_{E,i}E+w_{R,i}R$.

📌 Un contact simple ne sépare pas complètement le soluté du diluant car, à l’équilibre, le transfert cesse lorsque le potentiel d’échange devient nul.

• Dans une cascade d’extractions discontinues, le raffinat du premier étage alimente l’étage suivant et n extracteurs correspondent à n étages théoriques.

📌 Une extraction continue utilise n étages théoriques alimentés par un seul courant de F et de S en contre-courant, tandis qu’une extraction discontinue traite successivement des lots ou des contacts séparés.

📐 Formule — Pour une extraction continue, le bilan global s’écrit $F+S=E_1+R_n=M$ et le bilan de chaque étage relie les flux entrants et sortants à l’équilibre.

📌 Lors de la construction graphique d’une extraction continue, le nombre d’étages théoriques est égal au nombre de conodales tracées jusqu’à atteindre ou dépasser le raffinat recherché.

💡 Astuce mémo

Contact simple → cascade discontinue → contre-courant continu

📊 Tableaux de synthèse

Procédés continu et discontinu