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REPUBLIQUE DEMOCRATIQUE DU CONGO UNIVERSITE DE LUBUMBASHI FACULTE POLYTECHNIQUE

REPUBLIQUE DEMOCRATIQUE DU CONGO UNIVERSITE DE LUBUMBASHI FACULTE POLYTECHNIQUE Département de Chimie Industrielle ETUDE COMPARATIVE DES EXTRACTANTS DU CUIVRE LIX 984N ET LIX 84-I SUR LES SOLUTIONS DE LIXIVIALION DE L’USINE CHEMAF ETOILE PAR MODELISATION EXPERIMENTALE Travail présenté et défendu pour l’obtention du grade de bachelier en sciences de l’ingénieur Par DJESSE KABANGE Jessy JUIN 2021 REPUBLIQUE DEMOCRATIQUE DU CONGO UNIVERSITE DE LUBUMBASHI FACULTE POLYTECHNIQUE Département de Chimie Industriel ETUDE COMPARATIVE DES EXTRACTANTS DU CUIVRE LIX 984N ET LIX 84-I SUR LES SOLUTIONS DE LIXIVIALION DE L’USINE CHEMAF ETOILE PAR MODELISATION EXPERIMENTALE Travail présenté et défendu pour l’obtention du grade de bachelier en sciences de l’ingénieur Par DJESSE KABANGE Jessy Directeur : Professeur Jean-Marie KANDA NTUMBA Encadreur: Master Ir Daniel KABEYA MAKOBO Année Académique 2019-2020 RESUME L'extraction par solvant du cuivre d'une solution de lixiviation suivie par l’électrolyse d’extraction est un procédé de concentration couramment rencontré dans la métallurgie du cuivre au niveau du grand Katanga en République Démocratique du Congo. L’usine Etoile de l’entreprise Chemical of Africa (Chemaf) est l’une des entreprises qui font usage de ce procédé. Plusieurs extractants peuvent être utilisés pour extraire le cuivre de la solution de lixiviation notamment Le LIX 984N, qui est un mélange d’égal volume du LIX 84-I et du LIX 860N-I. Le but de ce travail était d’étudier de façon comparative, à l’échelle du laboratoire et au moyen des deux modèles mathématiques descriptifs et prédictifs, les performances d’extraction du cuivre par le LIX 984N sur les solutions de lixiviation de l’usine Etoile de Chemaf, et les performances que l’on aurait en utilisant le LIX 84-I. La méthodologie de la planification expérimentale, la corrélation des données par régression linéaire multiple et l’analyse de la variance (ANOVA) ; nous ont donné deux modèles mathématiques significatifs (p-value 0,0001 <0,05) traduisant le rendement d’extraction du cuivre par le LIX 984N et le LIX 84-I. Ces modèles ont respectivement 0,99 et 0,97 comme coefficient de détermination ajusté. Les p-values des erreurs valent 0,1220 (<0,05) et 0,1417 (<0,05) respectivement pour les modèles du LIX 984N et le LIX 84-I. les modèles sont donc conforme à la réalité, et les erreurs expérimentales sont négligeables. Les résultats de cette étude ont montré que le LIX 984 N a un fort pouvoir d’extraction. Il extrait environ 1,5 fois plus de cuivre que le LIX 84-I. L’établissement des courbes isoréponses montre dans quelles conditions le LIX 84-I égale les performances d’extraction du LIX 984N. Cependant sur le plan industriel, pour la même quantité de cuivre extraite, le LIX 84-I conduirait à la construction d’au moins un étage d’extraction de plus que le LIX 984N comme l’ont indiqué les diagrammes McCabe-Thiele. Mots-clefs : Extraction par solvant, plans d’expériences, LIX 984N, LIX84-I, hydrométallurgie ABSTRACT The solvent extraction of copper from a leaching solution followed by extraction electrolysis is a concentration process commonly encountered in copper metallurgy in greater Katanga in the Democratic Republic of Congo. The Etoile plant of the company Chemical of Africa (Chemaf) is one of the companies that make use of this process. Several extractors can be used to extract copper from the leaching solution including LIX 984N, which is a mixture of equal volume of LIX 84-I and LIX 860N-I. The purpose of this work was to study comparatively, at the laboratory level and using the two descriptive and predictive mathematical models, the copper extraction performance by the LIX 984N on the leaching solutions of the Etoile plant of Chemaf, and the performance that one would have using the LIX 84-I. Experimental planning methodology, multiple linear regression data correlation, and analysis of variance (ANOVA); gave us two significant mathematical models (p-value 0.0001 <0.05) reflecting the copper extraction efficiency by LIX 984N and LIX 84-I. These models have 0.99 and 0.97 respectively as the adjusted coefficient of determination. The p-values of the errors are 0.1220 (<0.05) and 0.1417 (<0.05) respectively for the models of the LIX 984N and the LIX 84-I. the models are therefore in line with reality, and the experimental errors are negligible. The results of this study showed that LIX 984 N has a strong extraction power. It extracts about 1.5 times more copper than LIX 84-I. The establishment of the isoresponse curves shows under what conditions the LIX 84-I equals the extraction performance of the LIX 984N. However, industrially, for the same amount of copper extracted, the LIX 84-I would lead to the construction of at least one more extraction stage than the LIX 984N as indicated by the McCabe-Thiele diagrams. Keywords: Solvent extraction, experiment plans, LIX 984N, LIX84-I, hydrometallurgy P a g e | I TABLE DES MATIERES TABLE DES MATIERES .......................................................................................................... I LISTE DES FIGURES ............................................................................................................. IV LISTE DES TABLEAUX ......................................................................................................... V SIGLES ET ACRONYMES .................................................................................................... VI EPIGRAPHE ........................................................................................................................... VII DEDICACE ........................................................................................................................... VIII AVANT-PROPOS ................................................................................................................... IX INTRODUCTION GENERALE ................................................................................................ 1 CHAPITRE I : NOTIONS SUR L’EXTRACTION PAR SOLVANT DU CUIVRE ............... 2 I.1 PRINCIPE DE L’EXTRACTION PAR SOLVANT DU CUIVRE ................................. 2 I.2 REACTIFS DE L’EXTRACTION PAR SOLVANT ...................................................... 3 I.2.1 Phase aqueuse ............................................................................................................ 3 I.2.2 Phase organique ......................................................................................................... 3 I. 3 MECANISMES D’EXTRACTION DU CUIVRE ......................................................... 5 I.4 GRANDEURS CARACTERISTIQUES DE L’EXTRACTION PAR SOLVANT ........ 6 I.4.1 Coefficient de partage et facteur de séparation ........................................................... 6 I.4.2 Rendement d’extraction du cuivre .............................................................................. 7 I.4.3 Rendement de stripage ............................................................................................... 8 I.5 PARAMETRES INFLUENÇANT L’EXTRACTION PAR SOLVANT ........................ 9 I.5.1 Composition du PLS .................................................................................................. 9 I.5.2 pH, acidité et sélectivité ........................................................................................... 12 I.5.3 Concentration de l’extractant et Ratio phase organique /phase aqueuse ................. 13 I.5.5 Continuité des phases ............................................................................................... 13 I.5.6 Temps de séjour dans le mélangeur et vitesse d’agitation ........................................ 13 I.6 NOMBRE D’ETAGE ET ISOTHERME D’EXTRACTION ........................................ 14 I.7 EXTRACTION PAR SOLVANT A L’USINE ETOILE DE CHEMAF .......................... 15 I.7.1 Brève présentation de l’usine .................................................................................. 15 I.7.2 Présentation de la section d’extraction par solvant.................................................. 15 CHAPITRE II : GENERALITES SUR LES PLANS D’EXPERIENCES .............................. 17 II.1 METHODOLOGIE DES PLANS D’EXPERIENCE ................................................... 17 II.2 TERMINOLOGIE ........................................................................................................ 18 II.2.1 Facteurs et réponses ................................................................................................ 18 II.2.2 Espace expérimental et domaine d’étude ............................................................... 18 P a g e | II II.2.3 Variables centrées réduites ...................................................................................... 19 II.2.4 Notion de surface de réponse .................................................................................. 20 II.3 MODELISATION MATHEMATIQUE A PRIORI DE LA REPONSE ...................... 21 II.3.1 Modélisation mathématique ................................................................................... 21 II.3.2 Modèle de l'expérimentateur .................................................................................. 22 II.3.3 Système d'équations ............................................................................................... 22 II.4 PLAN FACTORIEL COMPLET A DEUX NIVEAUX .............................................. 23 II.4.1 Matrice d’expérience et matrice d’expérimentation ............................................... 23 II.4.2 Effets des facteurs principaux et interactions ......................................................... 24 II.5 PLAN FACTORIEL FRACTIONNAIRE A DEUX NIVEAUX (2k-q) ....................... 25 II.5.1 Notation des plans factoriels fractionnaires ........................................................... 25 II.5.2 Hypothèses d’interprétation ................................................................................... 26 II.6 NOTIONS DE STATISTIQUE APPLIQUEES AUX PLANS D’EXPERIENCES .... 26 II.6.1 Facteurs et interactions influents ............................................................................ 26 II.6.2 Analyse de la variance ............................................................................................ 27 II.6.3 Coefficient de détermination (R2 et R2ajusté) ........................................................... 30 II.7 LOGICIELS DES PLANS D'EXPERIENCES ............................................................ 30 CHAPITRE III : MATERIEL ET METHODES ..................................................................... 33 III.1 OBJECTIF DE L’ETUDE ............................................................................................ 33 III.2 METHODOLOGIE ...................................................................................................... 34 III.3 ECHANTILLONNAGE ET CARACTERISATION ................................................... 35 III.3.1 Solutions de lixiviation (PLS) ................................................................................ 35 III.3.2 Caractérisation des extractants ............................................................................... 35 III.4 PLANIFICATION DES ESSAIS ................................................................................. 36 III.4.1 Domaine d’étude .................................................................................................... 36 III.4.2 Matrices d’expérimentation ................................................................................... 38 III.5 PROCEDURES ET MATERIEL ................................................................................. 40 III.5.1 Préparation de la phase organique ......................................................................... 41 III.5.2 Essai d’extraction ................................................................................................... 41 II.5.3 Analyse chimique des échantillons ......................................................................... 42 III.6 CONSTRUCTION DES ISOTHERMES D’EXTRACTION ...................................... 43 III.7 PRESENTATION DE JMP .......................................................................................... 43 CHAPITRE IV : PRESENTATION ET ANALYSE DES RESULTATS .............................. 45 IV.1 RESULTATS DES ESSAIS D’ORIENTATION ....................................................... 45 IV.2 TRAITEMENT DES RESULTATS DES ESSAIS D’ORIENTATION ..................... 46 IV.3 MATRICE D’EXPERIMENTATION DU PLAN FACTORIEL COMPLET ............ 48 IV.4 PRESENTATION ET ANALYSE DES RESULTATS .................................................. 49 P a g e | III IV.4.1 Présentation des résultats ....................................................................................... 49 IV.4.2 Modélisation du rendement d’extraction du cuivre par le LIX 984N ................... 50 IV.4.3 Modélisation du rendement d’extraction du cuivre par le LIX 84-I ...................... 57 IV.4.4 Etude comparative du LIX 984N et du LIX 84-I .................................................. 62 CONCLUSION GENERALE .................................................................................................. 72 BIBLIOGRAPHIE ................................................................................................................... 74 Annexe 1 : Flow-sheet de la SX-EW de l’usine Etoile de l’entreprise Chemaf ...................... A Annexe 2 : Mode opératoire pour la détermination de l’acidité libre ....................................... B Annexe 3 : Résultat d’analyse chimique des échantillons obtenus aux essais d’orientation .... C Annexe 4 : Résultats d’analyse chimique des échantillons du plan factoriel complet .............. D Annexe 5 : Table de probabilité de Fisher-Snedecor A 95 % .................................................... F P a g e | IV LISTE DES FIGURES Figure 1. 1 : Bilan matière sur une unité de stripage ................................................................ 8 Figure 1. 2 : Isotherme d’extraction du cuivre d’une solution synthétique de 20 g/l Cu .......... 9 Figure 1. 3 : Isotherme d’extraction du cuivre d’une solution synthétique de 40 g/l Cu ........ 10 Figure 1. 4 : Isotherme d’extraction du cuivre d’une solution synthétique de 40 g/l Cu ........ 10 Figure 1. 5 : Diagramme de McCabe-Thiele pour l'extraction d'un métal ............................. 14 Figure 2. 1 : Représentation du domaine du facteur, l’espace expérimentale, points expérimentaux et le domaine d’étude. ...................................................................................... 19 Figure 2. uploads/Finance/ universite-de-lubumbashi-republique-democratique-du-congo.pdf