De la Thermodynamique aux Procédés : concepts et simulations.

Amélioration de la séparation : reflux d'extrait

Ainsi qu'il a été souligné précédemment, si on peut fixer la teneur en constituant A dans le raffinat[1] aussi basse que l'on veut, il reste le plus souvent des quantités significatives de B dans l'extrait[2].

La composition de l'extrait[2] est d'une part limitée par la thermodynamique ; elle est aussi au mieux en équilibre avec la charge, ce qui est une limitation liée au procédé.

Dans le cas que nous avons traité jusqu'à présent, la limitation thermodynamique était prépondérante, et nous avions d'ailleurs montré que l'extrait[2] désolvanté avait une fraction molaire[3] en éthanol au mieux égale à 0,618, valeur que nous avons effectivement approchée avec une cascade de mélangeurs décanteurs.

Considérons maintenant la séparation de méthylcyclohexane (MCH) et de n-heptane (nC7) par l'aniline (voir la figure[4]). Le méthylcyclohexane et le n-heptane ont des températures d'ébullition très proches, et forment donc un azéotrope qui rend impossible une séparation par distillation simple. L'extraction[6] liquide-liquide est donc une alternative très intéressante.

Il est à noter que le MCH et le nC7 sont tous deux partiellement insolubles avec l'aniline, et le diagramme d'équilibre liquide-liquide ne présente par de point critique[7] (diagramme "ouvert"). De ce fait, il n'y a plus de limitation thermodynamique à la séparation, et l'extrait[2] peut être aussi exempt de n-heptane que l'on veut.

Simulation

Question / Réponse

Question

On souhaite séparer par extraction[6] liquide liquide multi-étagée un mélange contenant 40% de méthylcyclohexane et 60% de n-heptane (en fractions molaires[3]) en utilisant l'aniline comme solvant. On souhaite une fraction molaire[3] résiduelle de méthylcyclohexane dans le résidu[8] désolvanté inférieure à 1%. Tous les étages de séparation sont maintenus à la température de 300K.

Quel est le taux de solvant[9] minimal pour réaliser la séparation ?

Réponse

Choisissons un taux de solvant[9] de 8. La construction conduit à 12 étages, mais la fraction molaire[3] de MCH dans l'extrait[2] désolvanté n'est que de 0,48.

Si nous regardons le diagramme de McCabe et Thiele (figure ci-dessous), nous retrouvons une courbe d'équilibre tout à fait analogue à ce qu'on obtient en distillation, mais la courbe opératoire la croise (à une abscisse de l'ordre de 0,7). On comprend qu'un tel procédé ne permettra pas de purifier l'extrait[2] autant qu'on peut le souhaiter : en distillation, on utilise deux droites opératoires de pentes différentes, ce qui permet de tracer un "escalier" d'un bout l'autre du diagramme. Pour cela, il faut diviser la colonne en deux sections, de part et d'autre d'un plateau d'alimentation.

Séparation méthylcyclohexane - n-heptane par l'aniline : diagramme de McCabe et ThieleInformationsInformations[11]
Séparation méthylcyclohexane - n-heptane par l'aniline : diagramme de McCabe et Thiele[Zoom...]InformationsInformations[12]

On peut agencer une cascade de mélangeurs-décanteurs sur le même principe. En distillation, la chaleur (apportée au bouilleur et soutirée au condenseur) est l'agent de séparation. En extraction[6] liquide-liquide, l'agent de séparation est le solvant, que l'on apporte à l'étage (n) et que l'on soutire à l'étage (1) (avec l'extrait[2]). Si on alimente à un étage intermédiaire, la circulation à contre-courant des phases entre les étages doit être assurée par un reflux : en distillation, le reflux[13] est constitué de vapeur de tête refroidie et condensée, en extraction[6] liquide-liquide ce sera donc de l'extrait[2] débarrassé du solvant (par distillation).

On obtient le schéma suivant :

Schéma d'une extraction liquide-liquide avec reflux d'extraitInformationsInformations[14]
Schéma d'une extraction liquide-liquide avec reflux d'extraitInformationsInformations[15]

La modélisation d'une extraction[6] liquide-liquide avec reflux[13] d'extrait[2] nécessite deux constructions successives, avec deux pôles différents (dont l'un, pour la partie entre l'étage de charge et le reflux d'extrait[2], situé à l'intérieur du diagramme, dans le domaine monophasique au voisinage du solvant, et l'autre à l'extérieur du triangle), ce qui conduit aussi à deux courbes opératoires différentes.

Cette construction ne sera pas détaillée ici. On retiendra néanmoins que le reflux[13] d'extrait[2] est surtout intéressant dans le cas de diagrammes d'équilibres ouverts (sans point critique[7]), c'est à dire à des situations où le solvant ne dissout complétement aucune des deux espèces à séparer.

  1. raffinat (en extraction liquide-liquide)

    phase pauvre en solvant

  2. extrait (en extraction liquide-liquide)

    phase riche en solvant

  3. fraction molaire

    La fraction molaire d'un constituant est le rapport du nombre de moles de ce constituant au nombre de moles total dans le mélange. Elle est notée dans une phase liquide et dans une phase vapeur

  4. figure
    Équilibres liquide-liquide du ternaire méthylcyclohexane - n-heptane - aniline[Zoom...]InformationsInformations[5]
  5. Jacques Schwartzentruber Paternité - Pas d'Utilisation Commerciale - Partage des Conditions Initiales à l'Identique

  6. extraction

    procédé dans lequel les constituants d'un mélange sont séparés en mettant à profit leur différence de solubilité dans un tiers corps (solvant)

  7. critique (point)

    condition de température et de pression dans laquelle un liquide et une vapeur deviennent identiques. Un mélange de composition définie (et donc un corps pur) a un point critique unique, caractérisé par une température et une pression critiques

  8. résidu (en distillation)

    débit de matière soutiré au rebouilleur

  9. taux de solvant (en extraction liquide-liquide)

    rapport du débit de solvant alimentant la cascade de mélangeurs-décanteurs au débit de mélange à séparer

  10. taux de reflux (en distillation)

    le rapport du débit de reflux au débit de distillat

  11. Jacques Schwartzentruber Paternité - Pas d'Utilisation Commerciale - Partage des Conditions Initiales à l'Identique

  12. Jacques Schwartzentruber Paternité - Pas d'Utilisation Commerciale - Partage des Conditions Initiales à l'Identique

  13. reflux (en distillation)

    débit de liquide renvoyé par le condenseur vers le deuxième étage de la colonne

  14. Jacques Schwartzentruber Paternité - Pas d'Utilisation Commerciale - Partage des Conditions Initiales à l'Identique

  15. Jacques Schwartzentruber Paternité - Pas d'Utilisation Commerciale - Partage des Conditions Initiales à l'Identique

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