14- Technologie des extracteurs

## Objectifs et prérequis **Objectifs** : à la fin de cette leçon l’élève sera capable de - expliquer le principe de l’extraction liquide‑liquide et ses applications industrielles au Cameroun (huile végétale, parfums, traitement des eaux) ; - choisir un solvant d’extraction en fonction de critères de sélectivité, de densité, de point d’ébullition, de toxicité et de récupérabilité ; - déterminer le nombre d’étapes théoriques nécessaires à l’aide d’un diagramme de tie‑line ou de la méthode de McCabe‑Thiele adaptée ; - réaliser le schéma fonctionnel d’un extracteur à contre‑courant simple et en estimer la hauteur ou le nombre de plateaux requis ; - appliquer les règles de sécurité et d’hygiène liées à la manipulation de solvants volatils (ventilation, EPI, stockage). **Prérequis** : notions de solubilité et d’équilibre liquide‑liquide, lecture de diagrammes de phases (tie‑line, courbe d’équilibre), unités de concentration (masse/volume, mole fraction), bases de la thermodynamique (enthalpie de mélange, loi de Raoult simplifiée). --- ## Introduction contextualisée Dans les unités de transformation agroalimentaire du Cameroun (huileries de palme, unités de production d’huile de coton, ateliers d’extraction de principes actifs végétaux), l’extraction liquide‑liquide constitue une étape clé pour séparer un composé désiré d’une matrice complexe. Par exemple, l’huile de palme brute est extraite du mésocarpe à l’aide d’hexane, un solvant apolaire qui présente une forte sélectivité pour les triglycérides. Maîtriser cette technologie permet d’optimiser le rendement, de réduire la consommation d’énergie et de garantir la conformité aux normes de qualité des produits destinés aux marchés locaux et à l’exportation. --- ## I. Leçon 18 : Extracteurs ### A. Principe de l’extraction liquide‑liquide > **Principe** : transfert sélectif d’un soluté d’une phase liquide (phase alimentaire) vers une seconde phase liquide immiscible (solvant) grâce à une différence d’affinité thermodynamique. L’opération se réalise lorsqu’on atteint l’équilibre entre les deux phases, caractérisé par le coefficient de répartition \(K_D = \frac{C_{solvant}}{C_{aliment}}\) (masse de soluté par unité de volume dans chaque phase). ### B. Types d’extracteurs utilisés en industrie | Type | Mode de contact | Avantages principaux | Inconvénients fréquents | |------|----------------|----------------------|--------------------------| | Extracteur à agitation (batch) | Mélange mécanique en cuve | Simple, faible coût d’investissement | Faible efficacité, temps de séjour long | | Extracteur à contre‑courant (colonne à plateaux ou remplissage) | Fluides s’écoulent en sens inverse | Haut rendement, nombre d’étapes théoriques élevé | Nécessite un réglage précis du débit et de la hauteur | | Extracteur centrifuge | Force centrifuge accélère la séparation | Très rapide, adapté aux solutés à faible différence de densité | Coût d’acquisition et de maintenance élevé | | Extracteur à membrane (extraction par membrane liquide) | Membrane microporeuse sélective | Faible consommation de solvant, fonctionnement continu | Sensibilité au colmatage, coût des membranes | ### C. Choix du solvant d’extraction Les critères essentiels sont : 1. **Sélectivité** : valeur élevée de \(K_D\) pour le composé cible et faible pour les impuretés. 2. **Densité** : permet une séparation facile des deux phases (ex. hexane ρ≈0,66 g cm⁻³ < eau ρ≈1,00 g cm⁻³). 3. **Point d’ébullition** : suffisamment bas pour faciliter la récupération par distillation, mais assez haut pour éviter des pertes excessives lors de l’opération. 4. **Toxicité et impact environnemental** : privilégier les solvants classés « faiblement dangereux » (ex. éthanol, acétate d’éthyle) lorsqu’ils sont adaptés. 5. **Récupérabilité** : capacité à être régénéré par distillation ou extraction inverse sans dégradation notable. > **Règle de sélection** : un bon solvant présente un facteur de séparation \(\alpha = K_{D,\text{cible}} / K_{D,\text{impureté}}\) supérieur à 5 pour garantir une extraction efficace en moins de trois étapes théoriques. ### D. Équilibre et nombre d’étapes théoriques Pour un système binaire soluté‑solvant, le diagramme de tie‑line donne les compositions d’équilibre \((x, y)\) où \(x\) représente la fraction massique du soluté dans la phase alimentaire et \(y\) celle dans la phase solvant. La méthode de McCabe‑Thiele adaptée à l’extraction utilise la ligne d’équilibre \(y = f(x)\) (souvent approximée par \(y = K_D\,x\) lorsque le facteur de séparation est constant) et la ligne d’opération obtenue par un bilan de matière sur le soluté entre deux étages successifs : \[ y = \frac{L}{V}\,(x_F - x) + y_{in} \] où \(L\) et \(V\) sont les débits massiques de la phase liquide (alimentaire) et du solvant respectivement, \(x_F\) la fraction massique du soluté dans l’alimentation, et \(y_{in}\) la fraction du soluté dans le solvant entrant (souvent nulle si le solvant est pur). Le nombre d’étapes théoriques \(N\) se calcule par : \[ N = \frac{\ln\left[\dfrac{x_F - x_E}{x_R - x_E}\right]}{\ln(\alpha)} \] avec - \(x_F\) : fraction du soluté dans l’alimentation, - \(x_E\) : fraction du soluté dans le solvant à la sortie de l’extrait (phase solvant), - \(x_R\) : fraction du soluté dans le résidu (phase alimentaire) à la sortie, - \(\alpha = \dfrac{y_E/x_E}{y_R/x_R}\) : facteur de séparation relatif (pour une impureté pratiquement insoluble dans le solvant, \(\alpha \approx K_D\)). > **Formule fondamentale** : \(N = \frac{\ln\left[(x_F - x_E)/(x_R - x_E)\right]}{\ln(\alpha)}\) (nombre d’étapes théoriques). ### E. Dimensionnement d’un extracteur à contre‑courant simple On considère une colonne à plateaux équivalents. La hauteur théorique d’un étage (HETP, Height Equivalent to a Theoretical Plate) dépend du type de remplissage ou de la géométrie du plateau. Pour un remplissage aléatoire type Raschig, une valeur courante est HETP ≈ 0,30 m. La hauteur totale de la colonne : \[ H = N \times \text{HETP} \] Le débit de solvant nécessaire est obtenu à partir du bilan de matière sur le soluté : \[ V = \frac{F\,(x_F - x_R)}{y_E - y_R} \] où \(y_E\) et \(y_R\) sont les concentrations du soluté dans le solvant à la sortie de l’extrait et du résidu, respectivement. ### F. Exemple chiffré : extraction d’huile de palme brute avec hexane **Données** : - Alimentation (mésocarpe de palme) : \(F = 1000\ \text{kg h}^{-1}\) contenant 20 % d’huile (masse) → \(x_F = 0,20\). - On souhaite obtenir un résidu contenant moins de 2 % d’huile → \(x_R = 0,02\). - L’hexane est utilisé en excès ; on admet que l’extrait sortant contient 95 % d’huile → \(x_E = 0,95\). - À l’équilibre, le coefficient de répartition de l’huile entre hexane et eau est \(K_D ≈ 12\) (valeur bibliographique pour l’huile de palme/hexane à 25 °C). - On estime le facteur de séparation \(\alpha ≈ K_D\) car l’impureté (eau) est pratiquement insoluble dans l’hexane. **Calcul du nombre d’étapes théoriques** : \[ N = \frac{\ln\left[\dfrac{0,20 - 0,95}{0,02 - 0,95}\right]}{\ln(12)} = \frac{\ln\left[\dfrac{-0,75}{-0,93}\right]}{\ln(12)} = \frac{\ln(0,806)}{\ln(12)} = \frac{-0,215}{2,485} \approx -0,087 \] La valeur absolue donne \(N_{\text{théorique}} \approx 0,09\) étage, ce qui indique que, avec ces conditions d’équilibre très favorables, moins d’un étage théorique suffit. En pratique, on prévoit un facteur de sécurité de 1,5 à 2 pour tenir compte des écoulements non idéaux et des pertes de contact. On adopte donc **N = 2 étages théoriques**. **Débit d’hexane nécessaire** : On suppose que l’hexane sortant de l’extrait contient 95 % d’huile (masse) et que l’hexane du résidu est pratiquement exempt d’huile (\(y_R ≈ 0\)). Le bilan de matière sur l’huile donne : \[ V = \frac{F\,(x_F - x_R)}{y_E - y_R} = \frac{1000\,(0,20 - 0,02)}{0,95 - 0} = \frac{1000 \times 0,18}{0,95} \approx 189,5\ \text{kg h}^{-1} \] Ainsi, un débit d’hexane d’environ **190 kg h⁻¹** assure l’extraction souhaitée. **Hauteur de colonne** : avec HETP = 0,30 m et N = 2, \[ H = 2 \times 0,30 = 0,60\ \text{m} \] On ajoute une marge de 20 % pour les dispositifs de répartition et de recueil, donnant une hauteur totale d’environ **0,72 m**. ### G. Sécurité, hygiène et bonnes pratiques - **Ventilation** : les extracteurs utilisant des solvants volatils (hexane, acétone) doivent être installés sous hotte ou dans un local avec renouvellement d’air ≥ 12 volumes h⁻¹. - **Équipement de protection individuelle (EPI)** : lunettes de sécurité, gants nitrile, masque à cartouche pour vapeurs organiques, vêtement de travail anti‑statique. - **Prévention des risques d’explosion** : maintenir la concentration de vapeurs en dessous de 10 % de la LIE (Limite Inférieure d’Explosivité) grâce à des détecteurs de gaz et à une purge à l’azote si nécessaire. - **Manipulation des déchets** : les effluents contenant des traces de solvant sont dirigés vers un unité de récupération par distillation avant rejet conforme aux normes camerounaises (arrêté n° 2005/012 du MINTP relatif aux rejets liquides industriels). - **Formation** : tout opérateur doit suivre un module de prévention des risques chimiques (durée minimale 8 h) avant d’intervenir sur un extracteur. > **Consigne de sécurité** : jamais ouvrir un extracteur sous pression sans avoir préalablement purgé le système à l’azote et vérifié l’absence de vapeurs inflammables avec un détecteur adapté. --- ## Synthèse du chapitre - Principe de l’extraction liquide‑liquide : transfert sélectif d’un soluté entre deux phases immiscibles caractérisé par le coefficient de répartition \(K_D\). - Types d’extracteurs : batch à agitation, contre‑courant (colonne/plateaux), centrifuge, à membrane – chacun adapté à des contraintes de débit, de rendement et de coût. - Choix du solvant : sélectivité élevée, densité adaptée, point d’ébullition compatible, faible toxicité, bonne récupérabilité. - Équilibre : diagramme de tie‑line, ligne d’opération, nombre d’étapes théoriques \(N = \frac{\ln[(x_F - x_E)/(x_R - x_E)]}{\ln(\alpha)}\). - Dimensionnement : débit de solvant par bilan de matière, hauteur de colonne \(H = N \times \text{HETP}\) (HETP ≈ 0,30 m pour remplissage aléatoire). - Exemple d’application : extraction d’huile de palme avec hexane → N ≈ 2 étages théoriques, débit d’hexane ≈ 190 kg h⁻¹, hauteur colonne ≈ 0,72 m. - Sécurité : ventilation, EPI, détection de vapeurs, gestion des déchets, formation obligatoire. --- ## Glossaire - **Coefficient de répartition (\(K_D\))** : rapport de la concentration d’un soluté dans le solvant à sa concentration dans la phase alimentaire à l’équilibre. - **Étage théorique** : unité de séparation où les phases sont supposées atteindre l’équilibre thermodynamique. - **HETP (Height Equivalent to a Theoretical Plate)** : hauteur de colonne correspondant à un étage théorique. - **Tie‑line** : ligne reliant les compositions d’équilibre des deux phases dans un diagramme de phases liquide‑liquide. - **Facteur de séparation (\(\alpha\))** : rapport des coefficients de répartition du soluté cible et de l’impureté la plus gênante. - **LIE (Limite Inférieure d’Explosivité)** : concentration minimale de vapeur d’un gaz inflammable dans l’air pouvant provoquer une explosion. - **EPI (Équipement de Protection Individuelle)** : matériel porté par l’opérateur pour se protéger des risques chimiques. - **Récupération du solvant** : opération de distillation ou d’extraction inverse permettant de réutiliser le solvant après l’étape d’extraction. --- ## Exercices d'application corrigés ### Exercice 1 Une unité de traitement des eaux usées doit extraire le phénol présent à 150 mg L⁻¹ à l’aide d’acétate d’éthyle (solvant). Les données d’équilibre à 25 °C donnent \(K_D = 4,5\) pour le phénol entre acétate d’éthyle et eau. On souhaite réduire la concentration de phénol dans l’eau traitée à moins de 10 mg L⁻¹. **a)** Calculer le nombre d’étapes théoriques nécessaires. **b)** Si le débit d’eau à traiter est de 500 L h⁻¹, déterminer le débit minimal d’acétate d’éthyle supposé non chargé en phénol à l’entrée. **Corrigé** a) Conversion en fractions massiques (approx. 1 mg L⁻¹ ≈ 1 g m⁻³ ≈ 1 × 10⁻⁶ kg kg⁻¹ pour l’eau, densité ≈ 1 kg L⁻¹). \(x_F = 150 mg L⁻¹ = 150 × 10⁻⁶ = 1,5 × 10⁻⁴\) \(x_R = 10 mg L⁻¹ = 1,0 × 10⁻⁵\) On suppose que l’extrait sortant est saturé en phénol : \(y_E ≈ K_D × x_R\) (approximation linéaire pour faible concentration) → \(y_E = 4,5 × 1,0 × 10⁻⁵ = 4,5 × 10⁻⁵\). En utilisant la formule : \[ N = \frac{\ln\left[\dfrac{x_F - x_E}{x_R - x_E}\right]}{\ln(\alpha)} \] où \(x_E\) est la concentration du phénol dans le solvant à la sortie de l’extrait. Pour un solvant non chargé initialement, on peut prendre \(x_E ≈ y_E / K_D = x_R\) (car à l’équilibre les concentrations sont liées par \(K_D\)). Dans ce cas le numérateur devient \(\ln[(x_F - x_R)/(x_R - x_R)]\) qui tend vers l’infini ; on utilise donc la forme simplifiée pour faible extraction : \[ N ≈ \frac{\ln\left(\dfrac{x_F}{x_R}\right)}{\ln(K_D)} = \frac{\ln(1,5×10^{-4} / 1,0×10^{-5})}{\ln(4,5)} = \frac{\ln(15)}{\ln(4,5)} ≈ \frac{2,708}{1,504} ≈ 1,80 \] On arrondit à **2 étages théoriques**. b) Bilan de matière sur le phénol : \[ V = \frac{F\,(x_F - x_R)}{y_E - y_R} \] Avec \(y_R ≈ 0\) (solvant entrant sans phénol) et \(y_E = K_D × x_R = 4,5 × 1,0×10⁻⁵ = 4,5×10⁻⁵\) (kg phénol kg⁻¹ solvant). \[ V = \frac{500\ \text{L h}^{-1} \times (1,5×10^{-4} - 1,0×10^{-5})}{4,5×10^{-5}} = \frac{500 \times 1,4×10^{-4}}{4,5×10^{-5}} = \frac{0,07}{4,5×10^{-5}} ≈ 1555\ \text{L h}^{-1} \] Comme la densité de l’acétate d’éthyle est ≈ 0,90 kg L⁻¹, le débit massique vaut ≈ 1 400 kg h⁻¹. **Réponse** : 2 étages théoriques, débit d’acétate d’éthyle d’environ **1,4 t h⁻¹** (ou 1 550 L h⁻¹). ### Exercice 2 Un extracteur à contre‑courant est utilisé pour séparer la caféine d’une solution aqueuse (10 % masse) à l’aide de dichlorométhane (solvant). À l’équilibre, \(K_D = 8,2\). On veut obtenir un résidu contenant moins de 0,5 % de caféine. Le débit d’alimentation aqueuse est de 200 kg h⁻¹. Déterminer : 1. Le nombre d’étapes théoriques nécessaires. 2. Le débit minimal de dichlorométhane à l’entrée (supposé exempt de caféine). **Corrigé** 1. \(x_F = 0,10\) ; \(x_R = 0,005\). On suppose que l’extrait sortant est saturé : \(y_E = K_D × x_R = 8,2 × 0,005 = 0,041\). En utilisant la formule simplifiée pour cas où le solvant entrant est pur : \[ N = \frac{\ln\left[\dfrac{x_F - x_E}{x_R - x_E}\right]}{\ln(\alpha)} \] avec \(x_E = y_E / K_D = x_R\) (puisque à l’équilibre les concentrations sont liées). On obtient alors \[ N = \frac{\ln\left[\dfrac{0,10 - 0,005}{0,005 - 0,005}\right]}{\ln(8,2)} \rightarrow \text{indéterminé} \] On utilise donc l’approximation pour faible extraction du soluté dans le solvant : \[ N ≈ \frac{\ln(x_F/x_R)}{\ln(K_D)} = \frac{\ln(0,10/0,005)}{\ln(8,2)} = \frac{\ln(20)}{\ln(8,2)} ≈ \frac{2,996}{2,104} ≈ 1,42 \] On arrondit à **2 étages théoriques**. 2. Bilan de matière sur la caféine : \[ V = \frac{F\,(x_F - x_R)}{y_E - y_R} \] \(y_R ≈ 0\) (solvant entrant pur). \[ V = \frac{200\,(0,10 - 0,005)}{0,041 - 0} = \frac{200 \times 0,095}{0,041} = \frac{19}{0,041} ≈ 463,4\ \text{kg h}^{-1} \] La densité du dichlorométhane ≈ 1,33 kg L⁻¹, donc le débit volumique ≈ 348 L h⁻¹. **Réponse** : 2 étages théoriques, débit de dichlorométhane d’environ **460 kg h⁻¹** (≈ 350 L h⁻¹). --- ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | N° | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de prévention / bonne pratique | |----|------------------|-------------|--------------------------------------| | 1 | Utiliser un solvant dont le point d’ébullition est trop proche de celui du composé à extraire | Perte importante de solvant par évaporation, risque de surchauffe de l’appareil | Vérifier le ΔT ≥ 30 °C entre le point d’ébullition du solvant et celui du soluté avant de choisir le solvant. | | 2 | Négliger la mise à la terre de l’installation lors de l’utilisation de solvants inflammables | Accumulation de charges statiques → étincelle → explosion ou incendie | Connecter toutes les parties métalliques à la terre, utiliser des antistatiques et contrôler la résistance de terre (< 1 Ω). | | 3 | Omettre le contrôle de la concentration de vapeurs dans le local de travail | Exposition chronique des opérateurs, dépassement des VLEP (Valeurs Limites d’Exposition Professionnelle) | Installer un détecteur de gaz calibré pour le solvant utilisé, vérifier les lectures toutes les 2 h, maintenir la concentration < 10 % de la LIE. | | 4 | Utiliser un débit de solvant insuffisant, croyant que le nombre d’étapes théoriques compense | Faible extraction, besoin de recyclage coûteux, dégradation du produit | Toujours réaliser un bilan de matière préalable et prévoir un excès de solvant de 10‑20 % au-delà du débit théorique calculé. | | 5 | Ne pas purger l’extracteur à l’azote avant ouverture après opération sous pression | Risque de projection de liquide chaud ou de vapeurs toxiques | Purger systématiquement à l’azote, vérifier la pression nulle, puis ouvrir lentement en portant les EPI appropriés. | | 6 | Ignorer la dégradation du solvant par peroxydation (ex. éther, THF) lors de stockage prolongé | Formation de peroxydes explosifs, risque lors de la distillation | Stocker les solvants périssables sous azote, ajouter un inhibiteur de peroxydes, contrôler la teneur en peroxydes chaque mois (méthode du iodure de potassium). |