TP Extraction liquide - liquide: (ternaire eau-acide acétique-acétate d’éthyle)

• Analyser les solutions d’alimentation (titres et rapports massique à partir du dosage d’un d’échantillon de 5 à 10g  dilué à l’eau +/-50mL + BBT)
• A partir des rapports massiques et de la courbe de partage fournie, déterminer les valeurs limites que l’on peut obtenir dans l’extrait et le raffinat. Compléter le schéma de principe en y reportant ces valeurs, avec notations et noms des phases.
• Mettre en route l’installation (pompe vitesse 2, index phase organique 25%, phase aqueuse 20%, agitation 100 tr.min^-1).
• Justifier de la mise en régime stationnaire du procédé
• Réaliser un bilan matière sur 30 min, et exploiter ces mesures (bilan global et partiel en débit horaire, calcul des pertes, calcul de l’acide transféré par bilan sur chaque phase, rendement de l’extraction)
• A partir des données du bilan, effectuer la construction de McCabe et Thiele sur le graphe Y rapport massique en soluté phase solvant en fonction de X rapport massique en phase diluant
• Tracer le profil de rapport massique en soluté dans la phase aqueuse sur toute la hauteur de l’installation, en incluant l’alimentation en phase aqueuse (charge ou solvant) et la sortie phase aqueuse (extrait ou raffinat, selon le cas). Positionner sur ce graphe l’alimentation et la sortie de l’autre phase. Commenter.
• Arrêter l’agitation et laisser l’installation fonctionner 45min. Commenter les variations obtenues en sortie de procédé.
• Remettre le poste en état (vidange et récupération des phases dans leur bidons respectifs, attention à ne pas mélanger les phases, rinçage à l’eau déminée de la colonne) et ranger/nettoyer au laboratoire.

Corrigé: Extraction liquide-liquide (ternaire eau-acide acétique-acétate d’éthyle)

Analyse des solutions d’alimentation : une échantillon de 5g environ de chaque solution d’alimentation est prélevé au refoulement de la pompe d’alimentation pendant le démarrage de l’installation. Ces échantillons sont dilués à l’eau distillée, puis dosés par de la soude à 0.99 mol.L^-1. L’indicateur coloré choisi est le BBT.

Les densités des 2 phases sont mesurées au densimètre à flotteur.

Les titres et rapports massiques en acide acétique sont calculés par les formules suivantes :

Titre x_ac.acétique = m_ac.acétique/m_échantillon = (C_NaOH V_eq M_ac.acétique)/m_échantillon

Rapport massique X_ac.acétique = (C_NaOH V_eq M_ac.acétique)/(m_échantillon - C_NaOH V_eq M_ac.acétique)

ex d'AN : x_{(j aqueuse)}=0.99x10e-3x60.05/7.26=0.0819 et X_{(j aqueuse)}=x/(1-x)=0.0819/(1-0.0819)=8.9%

Commentaires : la courbe d’équilibre, dans le domaine considéré, peut être assimilée à un droite de pente 1 passant par l’origine. La phase aqueuse fournie est moins riche en acide acétique que la phase organique. En conséquence, la phase aqueuse va s’enrichir en acide au contact de la phase organique. C’est donc elle qui constitue le solvant de l’extraction. Les différents termes de vocabulaire associés à cette extraction sont :

• Soluté : acide acétique, composé transféré de la phase organique vers la phase aqueuse
• Charge : alimentation en phase organique, riche en acide acétique, notée F, titre x_F, rapport X_F
• Solvant : alimentation en phase aqueuse, “ pauvre ” en acide acétique, noté S, y_S, Y_S
• Raffinat : phase organique en sortie, appauvrie en acide acétique noté R, x_R, X_R
• Extrait : phase aqueuse en sortie, enrichie en acide acétique, notée E, y_E, Y_E.

L'alimentation phase organique ayant un rapport massique X_F=14.45%, l'extrait ne pourra pas dépasser l'équilibre soit 14.5%. Les valeurs limites pour la sortie phase acqueuse sont donc, en rapport massique, 8.9%<= Y_E <=14.5%

L'alimentation phase acqueuse ayant un rapport massique YS=8.9%, le raffinat ne pourra pas dépasser l'équilibre soit 8.8%. Les valeurs limites pour la sortie phase organique sont donc, en rapport massique, 8.8%<= X_R <=14.45%

Report des consignes opératoires: après remplissage de la colonne,

• Vernier pompe j_orga=25%, vernier pompe j_aq=20%, vitesse du moteur 2
• Vitesse de rotation de l’agitateur: 80 tr.mn^-1 .

Justification de la mise en régime stationnaire : dans la première ½ heure de fonctionnement, on surveille le niveau d'interface en tête de colonne, on le règle éventuellement en montant ou en baissant la garde hydraulique sur la sortie phase lourde. Ensuite, on prélève des échantillons des phases aqueuse (extrait) et organique (raffinat) en sortie d’installation à 40, 50 et 60mn.

On obtient pour la phase organique (raffinat) :

et pour la phase aqueuse (extrait) :

• On observe que les titres massiques sont à peu près constants entre 50 et 60mn, on considère donc que l’on est en régime stationnaire.
• D’autre part, la phase aqueuse s’est enrichie de 8.19% (titre massique de l’alimentation) à 12.10% (extrait en sortie), soit +3.91%, sans dépasser l’alimentation phase organique à 12.62%. La phase organique s’est elle appauvrie de 12.10% (alimentation) à 9.48% (raffinat en sortie), soit -2.62%, sans descendre en dessous de l’alimentation phase aqueuse à 8.19%.

Bilan matière global et en acide acétique: il est réalisé après la mise en régime stationnaire, sur 30 mn de fonctionnement de l’installation. Les masses de charge et de solvant alimentées sont déterminées par différences de masses sur les balances d’alimentation, et les recettes de raffinat et d’extrait sont pesées et dosées comme précédemment (soude à 0.99 mol.l^-1). On obtient les tableaux de relevés suivants:

Les bilans sont exprimés en débit horaire.

• Les pertes globales s’écrivent F+S-R-E=3000+2700-2710-2946=44 g.h^-1 . Ces pertes sont inférieures à la précision attendue qui a pour ordre de grandeur 50x60/30=100 g.h^-1 .
• Les pertes en acide acétique s’écrivent Fx_F+Sy_S-Rx_R-Ey_E=3000x0.1262+2700x0.0819-2710x0.0939-2946x0.1222=-14.7 g.h^-1 . Ce “ gain ” représente 14.7/(FxF+SyS=2.5% de l’acide acétique alimenté, ce qui peut être considéré comme négligeable.
• Acide acétique extrait par la phase aqueuse: Ey_E-Sy_S=2946x0.1222-2700x0.0819=138.9 g.h^-1 .
• Acide acétique cédé par la phase organique: Fx_F-Rx_R=3000x0.1262-2710x0.0939=124 g.h^-1 .
• Ces deux débits sont égaux, aux pertes en acide acétique près. En rapportant le débit d’acide acétique extrait au débit d’acide acétique dans la charge, on peut calculer le rendement de l’extraction: ~130 g.h^-1/Fx_F = 130/378.6=34.3%. 34.3% de l’acide acétique contenu dans la charge a été récupéré par extraction.
• Diluant/solvant capté par la phase aqueuse: E(1-y_E)-S(1-y_S)=2946x0.8778-2700x0.9181=107 g.h^-1 .
• Diluant/solvant cédé par la phase organique: F(1-x_F)-R(1-x_R)=3000x0.8738-2710x0.9061=165.9 g.h^-1 .

On peut en déduire que solvant et diluant sont partiellement miscibles, puisque 100 à 150 g.h^-1 de diluant (acétate d’éthyle) ont été solubilisés dans le solvant (eau). La solubilité de l’acétate d’éthyle dans l’eau est de l’ordre de grandeur du titre massique en acide acétique, de même pour l’eau dans l’acétate d’éthyle.

Construction de McCabe et Thiele: la courbe d’équilibre fournie représente le rapport massique dans la phase organique en ordonnée (pour nous X_F ou X_R) en fonction du rapport massique dans la phase aqueuse en abscisse (pour nous Y_S ou Y_E). La droite opératoire passe par le point (Y_S;X_R)=(8.9%;10.36%) qui représente la tête de colonne et le point (Y_E;X_F)=(13.92%;14.45%) qui représente le pied de colonne. Les étages sont tracés en escaliers entre la droite opératoire et la courbe d’équilibre.

La pente de la droite opératoire vaut ici (X_F-X_R)/(Y_E-Y_S)=(14.45-10.36)/(13.92-8.9)=0.815. Le rapport Solvant pur/Diluant pur est égal à [S(1-y_S)]/[F(1-x_F)]=[2700(1-0.0819)]/[3000(1-0.1262)]=0.946 en entrée et [E(1-y_E)]/[R(1-x_R)]=[2946(1-0.1222)]/[2710(1-0.0939)]=1.053 en sortie. Ici, solvant et diluant sont partiellement miscibles et la droite opératoire obtenue diffère légèrement de la droite opératoire théorique établie pour l’immiscibilité totale.