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Thèse présentée en vue de l’obtention du Diplôme de Doctorat LMD en Chimie Indu

Thèse présentée en vue de l’obtention du Diplôme de Doctorat LMD en Chimie Industrielle Option: Génie des Procédés et Environnement Présentée par : TIMEDJEGHDINE Mebarka Soutenue publiquement le 15 /12 / 2016 Devant le jury composé de : الجمهورية الجزائرية الديمقراطية الشعبية République Algérienne Démocratique et Populaire وزارة التعلين العالي و البحث العلوي Ministère de l’enseignement supérieur et de la recherche scientifique Université Mohamed Khider – Biskra Faculté des Sciences et de la technologie Département : Chimie Industrielle Ref :……………… جاهعت هحود خيضر بسكرة كليت العلوم و التكنولوجيا قسم : كيمياء الصناعية المرجع: ……….. Mr. DEBABECHE Mahmoud Pr Président Univ. BISKRA Mr. HASSEINE Abdelmalek Pr Directeur de thèse Univ. BISKRA Mr. KORICHI Mourad Pr Examinateur Univ. OUARGLA Mr. MADANI Hakim MCA Examinateur Univ. BATNA Mr. MERZOUGUI Abdelkrim MCA Examinateur Univ. BISKRA Mr. NEDJAR Zohir MCA Examinateur Univ. BISKRA ETUDE EXPERIMENTALE ET MODELISATION DES SYSTEMES (EAU + ACIDE CARBOXYLIQUE + SOLVANTS) A mon père et ma mère A mes sœurs et mes frères A toute ma famille Remerciements Je remercie Dieu tout puissant de m'avoir donné courage, patience et force durant toutes ces années d'étude. Je tiens à remercier profondément et chaleureusement la personne qui a accepté de me confier ce sujet Monsieur HASSEINE Abdelmalek professeur à l’Université de Biskra. Aussi, pour la qualité d’encadrement et pour sa disponibilité. Son soutien, l’étendue de ses connaissances scientifiques, ainsi que sa capacité à trouver des solutions aux problèmes ont permis l’aboutissement de ce travail. Je le remercie également pour les remarques très pertinentes qui ont découlé de la relecture très attentive de ce manuscrit. Je suis très honorée que Messieurs KORICHI Mourad professeur à l’Université de Ouargla, MADANI Hakim Maître de conférence à l’Université de Batna, MERZOUGUI Abdelkrim et NEDJAR Zohir Maîtres de conférence à l'université de Biskra d’avoir accepté d’être membres de jury. Ma gratitude va de même à Monsieur DEBABECHE Mahmoud professeur à l'Université de Biskra en acceptant de présider ce jury de thèse. Je ne saurais oublier Monsieur LAIADI Djemoui pour son accueil et son aide inestimable qu’il m’a réservé. Sans oublier mon collègue BACHA Oussama pour son aide et son soutient. Enfin mes remerciements vont à tous ceux qui ont contribué de près ou de loin pour l’aboutissement de ce travail. I TITRE : ETUDE EXPERIMENTALE ET MODELISATION DES SYSTEMES (EAU + ACIDE CARBOXYLIQUE + SOLVANTS) RESUME Les données d’équilibre liquide-liquide pour les systèmes ternaires (eau + acide formique + solvant (acétate de butyle, acétate d'éthyle et l'alcool iso amylique)) et les systèmes quaternaires (eau + acide acétique + solvant mixte (dichlorométhane + méthyle isobutyle cétone)) ont été déterminées expérimentalement à 291,15 et 301.15 K respectivement et à 1 atm. L'indice de réfraction a été utilisé pour mesurer la concentration de tous les constituants dans chaque phase. Les données d’équilibres (conodales) ont été corrélées en utilisant le modèle de NRTL. En outre, les paramètres d'interaction binaires de ce modèle ont été obtenus grâce à deux techniques d'évolution: l'algorithme génétique (GA) et l’optimisation par essaim particulaire (PSO). De plus, la fiabilité des données d’équilibres a été vérifiée par les corrélations d’Othmer-Tobias et Hand. Enfin, les coefficients de distribution et les facteurs de séparation ont été déterminés pour évaluer la capacité des solvants pour extraire les acides carboxyliques à partir de l'eau. Mots-clés : Équilibre liquide-liquide, Coefficient de distribution et facteur de séparation, Algorithme Génétique, Optimisation par Essaim Particulaire (PSO). II TITLE: EXPERIMENTAL STUDY AND MODELING OF SYSTEMS (WATER + CARBOXYLIC ACID + SOLVENTS) ABSTRACT Liquid-Liquid Equilibrium (LLE) data for the ternary systems {water + formic acid + solvent (butyl acetate, ethyl acetate and isoamyl alcohol)} and quaternary system {water + acetic acid +mixed solvent (dichloromethane + methyl isobutyl ketone)} have been determined experimentally at 291.15 and 301.15 K respectively and at 1 atm. Refractive index measurement was employed to determine the concentration of all species in each phase. The tie-line data were correlated using the NRTL model. Moreover, the binary interaction parameters of this model were obtained thanks to two evolutionary techniques: the Genetic Algorithm (GA) and the Particle Swarm Optimization (PSO). In addition, the reliability of the experimental tie-line data was checked by the Othmer–Tobias method as well as the Hand correlation. Finally, the distribution coefficients and separation factors have been measured in order to evaluate the ability of the solvents to extract carboxylic acid from water. Key words: Liquid-Liquid Equilibrium (LLE), Distribution coefficient and separation factor, Genetic Algorithm (GA), Particle Swarm Optimization (PSO). III ملـخص اٌ يعطٍاخ ٌذـىاص ســائم – ســائم نًدًىعح األَظًح انثالثٍح ( ياء + حًط انفىسيٍك+ يزٌـة ) خالخ انثىذٍم، خالخ اإلٌثٍم واٌضو انكحىل األيٍم) ( ، و األَظًح انشتاعٍح( ياء + حًط انخم + ثُائً كهىسو ٌيٍثا + ٌيٍثٍم اٌضو تٍرٍم كٍرى) ذى حساتها ًذدشٌثٍا ف 291.15 و301.15 ٍ كهف عهى اند سذٍة وذحد ظغط خىي . ذى اسرخذاو يعايم االَكساس نقٍاط ذشكٍض خًٍع انًكىَاخ فً كم طىس . ذى اسرعًال ًَىرجNRTL السرُراج عُاصش انرذاخم نًدًىعح األَظًح انثالثٍح و انشتاعٍح تاسرعًال ٍٍذقٍُر: ذقٍُح انخىاسصيٍح اندٍٍُح و ذقٍُح ذحسٍٍ سشب اندسًٍاخ( PSO ) . وتاإلظافح إنى رنك، ذى انرحقق و ٌدقح انُرائح انردشٌثٍح ترطثٍق طشٌقح أوذًاس -ذىتٍاط و طشٌقح هاَذ. ،وأخٍشا ذى ذحذٌذ يعايالخ ِانرىصٌع وعىايم االَفصال نرقٍٍى قذسج انًزٌثاخ السرخشاج األحًاض انكشتىكسٍهٍح يٍ انًٍا. الكلمات المفتاحية: ٌ ذىاص ســائم – ســائم، يعايم انرىصٌع وعايم االَفصال ، ، انخىاسصيٍح اندٍٍُح ذحسٍٍ سشب اندسًٍاخ( PSO .) SOMMAIRE IV SOMMAIRE RESUMES……………………………………………………...……………………….. I ABSTRACT……………………………………………………...……………………… II ملـخص……………………………………………………...…………………………..... III SOMMAIRE……………………………………………………...…………………….. IV NOMENCLATURE I X LISTE DES FIGURES ……………………………………………………...….............. X LISTE DES TABLEAUX ……………………………………………………................ XIII INTRODUCTION GENERALE ……………………………………………….............. 1 CHAPITRE I ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE I.1. GENERALITE SUR LES ACIDES CARBOXYLIQUES…………………………. 4 I.1.1. Définition et nomenclature ………………………………………..…............ 4 I.1.2. Caractères physiques des acides carboxyliques……………………………... 5 I.1.3. Réactivité des acides carboxyliques………………………………………..... 6 I.1.3.1. Propriétés acido-basiques…………………………………………... 6 I.1.3.2. Décarboxylation……………………………………………………. 7 I.1.4. synthèse des acides carboxyliques…………………………………………… 7 I.1.5. Les acides carboxyliques utilisés dans ce travail……………………………. 9 I.1.5.1. Acide formique……………………………………………………... 9 I.1.5.1.1. Description et utilisation………………………………… 9 I.1.5.1.2. Production……………………………………………….. 9 I.1.5.1.3. Propriétés physico-chimique…………………………….. 11 I.1.5.2. Acide acétique……………………………………………………… 12 I.1.5.2.1. Description et utilisation………………………………… 12 I.1.5.2.2. Production……………………………………………….. 13 I.1.5.2.3. Propriétés physico-chimique…………………………….. 13 I.2. ELEMENTS BIBLIOGRAPHIQUES……………………………………………… 14 I.3. CONCLUSION …………………………………………………………………….. CHAPITRE II SOMMAIRE V EXTRACTION LIQUIDE-LIQUIDE II.1. INTRODUCTION…………………………………………………………………. 22 II.2. PRINCIPE DE L’EXTRACTION LIQUIDE-LIQUIDE………………………….. 22 II.3.LES PARAMETRES CARACTERISANT L’EFFICACITE DE L’EXTRACTION LIQUIDE-LIQUIDE ……………………………………………………………………. 24 II.3.1. Coefficient de distribution………………………………………………….. 24 II.3.2. Sélectivité…………………………………………………………………... 25 II.3.3. Facteur de séparation……………………………………………………….. 26 II.4. CLASSIFICATION DES SOLVANTS……………………………………………. 26 II.5. CRITERE DE CHOIX DE SOLVANT …………………………………………… 27 II.5.1. Efficacité de solvant………………………………………………………... 27 II.5.2. Régénération du solvant……………………………………………………. 27 II.5.3. Propriétés physico-chimique……………………………………………….. 28 II.5.4. Propriétés environnementales……………………………………………… 28 II.5.5. Propriétés économiques……………………………………………………. 28 II.6. APPLICATIONS DE L’EXTRACTION LIQUIDE-LIQUIDE …………………... 29 II.7.AVANTAGES ET INCONVENIENTS DE L’EXTRACTION LIQUIDE- LIQUIDE……………………………………………………………………………….. 30 II.7.1. Avantages…………………………………………………………………… 30 II.7.2.Inconvénients et solutions…………………………………………………… 31 II.8.DIAGRAMMES DE PHASE TERNAIRE ET PSEUDO-TERNAIRE …………… 32 II.8.1. Règle des phases…………………………………………………………… 32 II.8.2. Diagramme ternaire…………………………………………………………. 32 II.8.3. Diagramme pseudo-ternaire…………………………………………........... 34 II.8.4. Type de diagrammes……………………………………………………… 35 CHAPITRE III ETUDE LA MODELISATION THERMODYNAMIQUE DES EQUILIBRES LIQUIDE-LIQUIDE III.1. RAPPELS THERMODYNAMIQUES SUR LES ÉQUILIBRES LIQUIDE- LIQUIDE ….………………………………………………………………………….. 39 III.1.1. Potentiel chimique et l’enthalpie libre……………………………………. 39 III.1.2. Condition d’équilibre liquide-liquide…………………………………….. 40 SOMMAIRE VI III.1.3. Activité chimique et coefficient d’activité………………………………... 41 III.2. LES MODELES DE COEFFICIENT D’ACTIVITE ……………..……..………. 42 III.2.1. Modèle NRTL…………………………………………………………….. 42 III.2.2. Modèle UNIQUAC ……………..……………..………………………… 43 III.2.3. Modèle UNIFAC ……………..………………..………………………... 45 III.3. MODÉLISATION DES ÉQUILIBRES LIQUIDE-LIQUIDE ……………..…… 46 III.3.1. Estimation des paramètres d’interaction du modèle NRTL………………. 46 III.3.2. Optimisation des paramètres d’interaction du modèle NRTL……………. 47 III.3.2.1. Méthode d’algorithme génétique…………………………………... 47 III.3.2.1.1. Description des Algorithmes Génétiques…………................ 48 a) Le codage des données………… ……………............................. 48 b) Génération de la population initiale…………………………… 49 c) Fonction d’adaptation (Fitness)………………………………… 49 d) Sélection………………………………………………………… 50 e) Recombinaison………………………………………………….. 50 f) Critère d’arrêt …………………………………………………… 52 III.3.2.2. Méthode d’Optimisation par Essaim Particulaire…………………… 52 III.3.2.2.1. Principe général…………………………………................... 52 III.3.2.2.2. Formalisation………………………………………………... 54 CHAPITRE IV ETUDE EXPERIMENTALES IV.1. PRODUITS UTILISES ……………..………………..………..………………… 57 IV.1.1. Les solvants utilisés………………………………………………………. 57 IV.1.2. Les acides carboxyliques utilisés…………………………………………. 61 IV.2. APPAREILLAGES ……………..………………..…………..………………….. 62 IV.3. TECHNIQUE EXPÉRIMENTALE……………..……………………………….. 62 IV.3.1. Détermination des équilibres liquide-liquide des systèmes ternaires……. 62 IV.3.1.1. Courbe d’étalonnage ……………..…..…………………………. 62 IV.3.1.2. Détermination de la courbe binodale ………………………....... 62 IV.3.1.3. Détermination des droites d’équilibres ……………………......... 63 IV.3.2. Détermination des équilibres liquide-liquide des systèmes quaternaire…… 64 IV.3.2.1. Courbe d’étalonnage ……………..……..………………………. 64 SOMMAIRE VII IV.3.2.2. Détermination de la courbe binodale.……..…………………….. 64 IV.3.2.3. Détermination des droites d’équilibres.……..….………………. 64 CHAPITRE V RESULTATS ET DISCUSSION V.1. RESULTATS EXPERIMENTAUX.……..…………………..……………………. 66 V.1.1. Systèmes ternaires.……..…………… .……..……………………………... 66 V.1.1.1. Système eau + acide formique + acétate de butyle ……………… 66 V.1.1.2. Système eau + acide formique + acétate d’éthyle ……………….. 68 V.1.1.3. Système eau + acide formique + alcool iso amylique……………. 70 V.1.1.4. Evaluation de la capacité d’extraction liquide-liquide………...…. 73 V.1.1.4.1. Coefficient de distribution.……..……………………. 73 V.1.1.4.2. Facteur de séparation.……..…………………………. 73 V.1.1.5. Fiabilité des données d’équilibres...……..……………………….. 75 V.1.2. Systèmes quaternaires.……..…………… .……………………………….. 77 V.1.2.1. Système eau + acide acétique + (0% DCM + 100% MIBK)……. 77 V.1.2.2. Système eau + acide acétique + (25% DCM + 75% MIBK)……. 79 V.1.2.3. Système eau + acide acétique + (50% DCM + 50% MIBK)……. 81 V.1.2.4. Système eau + acide acétique + (75% DCM + 25% MIBK)……. 83 V.1.2.5. Système eau + acide acétique + (100% DCM + 0% MIBK)……. 85 V.1.2.6. Evaluation de la capacité d’extraction liquide-liquide.………….. 87 V.1.2.6.1. Coefficient de uploads/Geographie/ these-lmd-66-2016-pdf.pdf