Brevet FR2284363A1 — publié le 19760409

La présente invention est relative à une unité de génie chimique destinée notamment à équiper les laboratoires des établissements d'enseignement. Elle est également applicable à certains laboratoires de recherche et à la petite industrie. Les établissements d'enseignement du génie chimique ont des laboratoires qui sont ordinairement équipés d'autant d'appareils distincts qu'il est prévu de types de manipulations à enseigner. C'est ainsi qu'un laboratoire d'enseignement comprend ordinairement un appareil complet de distillation, un appareil complet de fractionnement, un mélangeur autonome, un concentreur autonome, etc. Ce type d'équipement présente, tant du point de vue économique que du point de vue pédagogique, un certain nombre d'inconvénients : un grand encombrement, un coût élevé, auxquels s'ajoute le fait que les élèves ont rarement l'occasion de démonter les appareils complets existants et que la direction de l'établis- sement se trouve heurtée à de difficiles problèmes d'organisation de la rotation des divers groupes de travail pour les manipulations. L'invention a pour but de fournir une unité de génie chimique qui remédie aux inconvénients mentionnés ci-dessus. A cet effet, elle a pour objet une unité de génie chimique qui est caractérisée en ce qu'elle comprend un récipient autoporteur muni d'un couvercle amovible qui présente plusieurs ouvertures à brides, plusieurs accessoires intèrchangeables munis de brides de raccordement sur lesdites ouvertures et entre eux, des tubulures de circulation de fluides adaptées pour relier différentes parties desdits accessoires dans les diverses configurations de montage de ces accessoires et du récipient mélangeur, et un chassis muni d'organes mobiles de fixation et de support des divers éléments de l'unité dans chacune desdites configurations. Les accessoires peuvent notamment comprendre une colonne de distillation à garnissage, une colonne de rectification et un réfrigérant, auxquels sont adjoints de préférence un appareil d'aspiration de produits réactifs et de remplissage du récipient. De préférence, l'unité comprend en outre des recettes de réception des produits obtenus adaptées pour être fixées de façon amovible audit châssis auxquelles peut être adjoint un filtre autoporteur destiné à être disposé sous la sortie des recettes. Le récipient peut être muni d'un agitateur entraîné à vitesse réglable par un moteur porte par le couvercle de ce récipient. Ainsi, le récipient peut être utilisé seul et servir de mélangeur. Pour assurer une pleine sécurité des éLèves ou des opérateurs, l'unité est de préférence réalisée essentiellement en acier inoxydable, certains accessoires et le récipient comportant des regards en verre. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront au cours de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif et en regard des dessins annexés, sur lesquels la Fig. 1 est une vue partielle en élévation d'une unité de génie chimique conforme à l'invention, dans une configuration destinée à une opération de distillation; la Fig. 2 est une vue partielle, de dessus, de l'unité de la Fig. 1; la Fig. 3 représente, à plus grande échelle, en coupe longitudinale, une colonne de rectification pouvant être montée à la place de la colonne à distiller dans l'unité de la Fig. 1; la Fig. 4 est une demi-vue en coupe longitudinale, également à plus grande échelle, du récipient mélangeur de l'unité de la Fig. 1, prise suivant la ligne 4-4 de cette Fig. 1;; la Fig. 5 est une vue en perspective d'un chassis sur lequel sont destinés à être fixés les divers éléments d'une unité conforme à l'invention, un seul organe mobile de fixation et de support de ces éléments étant représenté; la Fig. 6 est une vue à plus grande échelle prise en coupe suivant la ligne 6-6 de la Fig. 5 et montrant cet organe mobile de fixation et de support. L'unité de génie chimique représentée aux Fig. 1 et 2 dans sa configuration destinée à une opération de distillation comprend d'une part un récipient mélangeur auto-porteur 1, et d'autre part trois accessoires raccordés au récipient 1, à savoir: un appareil 2 d'aspiration de produits réactifs et de remplissage du récipient 1, une colonne 3 de distillation à garnissage et un réfrigérant 4. L'ensemble comprend également une paire de recettes 5 destinées à recevoir les produits de la réaction, ainsi qu'un filtre auto-porteur 6 disposé sous la sortie d'une des deux recettes 5. Diverses tubulures rigides 7 en acier inoxydable, de formes appropriées, relient de façon amovible les différents éléments de l'unité. Tous les composants de l'unité de génie chimique de la Fig. 1, à l'exception du récipient 1 et du filtre 6 qui sont autoporteurs, sont fixés à un châssis unitaire 8 (Fig. 5 et 6) qui n'a pas été représenté aux Fig. 1 et 2 dans un but de clarté. Dans ce même but, le filtre 6 a été volontairement onis sur la Fig. 2. Tous les composants de l'unité représentée, à l'exception, comme on le verra plus loin, de certaines parties de faibles dimensions, sont réalisés en acier inoxydable, ce qui leur assure, d'une part, une grande solidité et une grande longévité et, d'autre part, permet à l'opérateur de travailler en toute sécurité. Le récipient 1 est en acier inoxydable et comprend une cuve 9 portée par des pieds 10, sur ltextrémité supérieure de laquelle est disposé un couvercle amovible 11. La cuve 9 (Fig. 4) est de forme générale tronconique convergente vers le bas et se termine à son extrémité inférieure par un bouchon de sortie 12 muni d'une vanne 13 dont 1' obturateur tour a nant 14 est manoeuvre par un levier 14a visible sur la Fig. 1. La cuve 9 comprend, à partir du bouchon 12 et sur presque toute sa hauteur, une double paroi 15 munie, à peu prks à mi-hauteur, d'une barrière annulaire 16 à peu près transversale qui sépare l'espace défini par la double paroi 15 en deux chambres annulaires 17 et 18 de volumes voisins. Chacune de ces chambres est munie d'une tubulure d'entrée 19 et d'une tubulure de sortie 20 d'un fluide de chauffage ou de refroidissement, de sorte que l'une quelconque de ces chambres, ou aucune, ou encore les deux à la fois, peuvent être parcourues à volonté par un tel fluide. Au-dessus de la double paroi 15, la cuve 9 est munie d'une tubulure 21 de recyclage. In- térieurement, la cuve comprend un certain nombre de pales fixes 22 parallèles à la paroi interne de la cuve 9 et réunies à celle-ci par des bras 23 à peu près radiaux. Le bord supérieur de la cuve 9 est muni d'une bride de raccordement circulaire 24 qui présente sur sa face supérieure une gorge circonférentielle 25. Les trois pieds 10 qui portent la cuve 9 se terminent à leur extrémité inférieure par un disposatif 26 à boulon et écrous permettant de régler, dans une certaine mesure, la longueur de chacun de ces pieds 10. Ceci permet de donner au récipient 1 une assiette parfaitement horizontale même lorsque, pour permettre aux divers liquides tombant éventuellement sur le plancher# de s'écouler, celui-ci est légèrement en pente. Le couvercle 11 a grossièrement la forme d'une calotte sphérique qui se termine par une bride annulaire 27 de même diamètre que la bride 24 de la cuve 9 et pourvue d'une nervure circonférentielle 28 destinée à s'engager dans la gorge 25 de la cuve 9 pour assurer l'étanchéité. La fixation du couvercle 11 sur la cuve 9 s'opère ainsi de façon amovible au moyen de boulons. Le couvercle 11 porte, sur toute la périphérie de sa surface externe, divers éléments en saillie extérieure, à savoir deux regards 28 en verre pyrex entre lesquels est prévu un trou de poing 29 obturable par un chapeau (non représenté), un raccord coudé amovible 30 à brides (non représenté sur la Fig. 1), et deux ouvertures circulaires 31 et 32 munies de brides, le diamètre de l'ouverture 31 étant inférieur à celui de l'ouverture 32. Le couvercle 11 est muni par ailleurs en son centre d'une ouverture 33 dans laquelle est disposé un palier de roulement 34 (Fig. 4). Ce dernier est traversé par un arbre cylindrique 35 dont l'extrémité supérieure est entraînée par un groupe motoréducteur 36 muni d'#i variateur de vitesse et fixé au sommet d'une tourelle 37 qui fait saillie sur le dessus du couvercle 11 autour de l'ouverture 33. L'extrémité inférieure de la tige 35 épouse le profil interne concave du bouchon 12 et porte deux pales d'agitation 38 en forme d'ancre marine qui passent entre la paroi interne de la cuve 9 et la partie inférieure des pales fixes 22. Le couvercle 11 est également muni de diverses ouvertures, non représentées, qui servent à l'adaptation sur ce couvercle de divers instruments de mesure et de contrôle thermométriques, barométriques et autres. L'appareil 2 d'aspiration de produits réactifs et de remplissage du récipient 1 (Fig. 1 et 2) est raccordé à ce dernier par l'intermédiaire .d'un tube rectiligne 39 muni d'une bride d'ex trémité inférieure 40 qui s'adapte à la bride de l'ouverture 31 du récipient 1. Cet appareil comprend une prise de vide 41, un tuyau d'aspiration 42, et un tube 43 de contrôle de niveau, les trois tubes 41, 42 et 43 étant raccordés à la partie supérieure d'un réservoir fermé 44 en acier inoxydable. Ce dernier présente, sur sa moitié inférieure, une double cloison munie d'un orifice supérieur d'entrée de vapeur 44a et d'un orifice inférieur de sortie de condensation 44b. Le tube 43 dtindication de niveau, qui est en verre pyrex, est réuni à sa partie inférieure à la tubulure 45 de sortie de l'appareil 2, laquelle est réunie au tube 39 par l'intermédiaire d'un robinet à trois voies 46 et d'un regard de coulée 47 composé d'un tube de pyrex entouré d'une cage formée de tiges d'acier inoxydable longitudinales. La colonne de distillation 3 (Fig. 1) est munie à sa partie inférieure d'une bride de raccordement sur l'orifice 32 du récipient 1, et à sa partie supérieure d'une bride annulaire 48 sur laquelle se fixe un déflegmateur 49, qui est un élément réfrigérant. La colonne 3 est du type à garnissage et est munie, au voisinage de son extrémité supérieure, d'un embout de reflux 50. Elle est également en acier inoxydable. Le réfrigérant 4, qui contient divers tubes et des chicanes disposés à l'intérieur d'une enveloppe en acier inoxydable, est raccordé à l'extrémité supérieure du déflegmateur 49 par l'interne médiaire d'un raccord coudé 51 muni à chaque extrémité de brides. La bride de raccordement du réfrigérant 4 est adaptée pour pouvoir également se fixer sur l'embout 30 se raccordant sur le couvercle 11 du récipient 1. Un regard de coulée 52 muni d'un robinet à trois voies 53 est fixé à la sortie du réfrigérant 4, et un tube de reflux 54 relie ce robinet 53 à l'embout de reflux 50 de la colonne 3.Des tubes 55 et 56 relient le robinet 53, par l'intermédiaire de deux autres robinets à trois voies 57 et 58, aux deux recettes 5, qui sont munies chacune d'un tube 59 de contrôle de niveau en verre "pyrex" et d'une prise de vide 59a Un tube 60 qui présente un point bas muni d'un robinet de vidange ou de prélèvement 61 relie une des recettes 5 à l'embout de recyclage 21 du récipient 1. Un tube vertical de respiration 62, ouvert à l'air libre à son extrémité inférieure, est raccordé par son extrémité supérieure entre le regard de coulée 52 et son robinet de sortie 53. Enfin, le filtre 6 est une cuve en acier inoxydable ouverte à son extrémité supérieure et munie intérieurement d'un filtre et extérieurement d'un tube 63 de contrôle de niveau, cette cuve étant portée par des pieds 64 munis de roulettes 65 à leur extrémité inférieure. La colonne de rectification 3a représentée à la Fig. 3 est associée, à son extrémité supérieure, à un déflegmateur 66 muni d'une sortie à bride 67 et d'un tube de reflux 68 dans lequel est disposée une gaine thermométrique 69. Le tube 68 présente un point bas qui, par l'intermédiaire d'un rotamètre 70 d'un type quelconque approprié destiné à mesurer le débit du reflux, débouche à la partie supérieure de la colonne de rectification 3a Cette dernière comprend un certain nombre d'étages qui sont séparés par des plateaux 71 présentant chacun un orifice 72 en saillie vers le haut et surmonté d'une coupelle renversée 73. Les étages communiquent également entre eux par l'intermédiaire de tubes de descente 71S, et certains des étages sont munis de gaines thermométriques 75 et de gaines de lecture directe 76, ces différentes gaines étant destinées à recevoir des appareils de mesure correspondants. L'enveloppe de la colonne de rectification 3a est en acier inoxydable, et cette enveloppe est interrompue par deux étages à enveloppes en verre "pyrex" 77 et 78 prévues respectivement près de l'extrénité supérieure et près de l'extré- mité inférieure de la colonne. Cette dernière extrémité est munie d'une bride 79 de raccordement à l'orifice 32 du couvercle 11 du récipient 1. La dimension, l'orientation et les brides d'extrémité de l'ensemble de rectification 3a-66 de la Fig. 3 sont telles que celui-ci peut être disposé à la place de l'ensemble constitué, à la Fig. 1, par la colonne 3, le déflegmateur 49 et le raccord coudé 51. Le châssis 8 de support des divers accessoires et tubulures associés au récipient 1 dans chaque configuration d'utilisation de l'unité précédemment décrite comprend (Fig. 5) deux montants verticaux#80 portés par des pieds 81 se terminant à leur extrémité inférieure par des dispositifs de réglage de leur longueur 82 à boulon et écrous. Les deux montants 80 sont réunis par des traverses, dont une traverse inférieure de rigidification 83 et trois paires de traverses 84 sur lesquelles peuvent être montés de façon amovible et mobile un certain nombre d'organes de support et de fixation constitués par des coulisseaux 85 dont un seul a été représenté à la Fig. 5 dans un but de clarté. Le châssis 8 est entièrement composé de profilés tubulaires creux en acier inoxydable. Comme on le voit plus en détail à la Fig. 6, chaque coulisseau 85 comprend un corps de forme générale parallélépipédique 86 sur une face duquel sont boulonnés deux étriers 87 à section carrée correspondant à la section des traverses 84. Sur les faces latérales du corps 86, du côté opposé aux étriers 87, est fixée une ferrure 88 portant à son extrémité libre un collier ou arceau 89 destiné à recevoir une tubulure 7 ou une saillie de fixation d'un des appareils de l'ensemble. Les boulons qui fixent les étriers 87 et la ferrure 88 au corps 86, ainsi que ceux qui fixent l'arceau 89 à la ferrure 88, traversent des fentes 90 de forme allongée qui permettent un réglage précis de la position de ces différents éléments les uns par rapport aux autres lors de la fixation des appareils de l'unité dans une configuration donnée. L'ensemble des appareils et accessoires décrits et des tubulures est en acier inoxydable, à part de petites parties en verre pyrex qui ne servent qu'à l'observation des phénomènes se déroulant dans l'unité en fonctionnement, et ce dans un but pédagogique. Ainsi, la sécurité des élèves ou des opérateurs est trbs grande. Tous les appareils sont munis de diverses gaines thermométriques et de mesure permettant d'étudier le fonctionnement de l'ensemble en chaque point. On comprend que l'unité décrite plus haut permet de réaliser la plupart des opérations fondamentales de génie chimique: en utilisant le récipient 1 seul, on peut opérer un simple mélange de produits. Dans la configuration de la Fig. 1, on peut procéder à une opération de distillation. En remplaçant la colonne de distillation 3, le déflegmateur 49 et le raccord coudé 51 par l'ensemble de rectification Da-66 de la Fig. 3, on peut procéder à une distillation fractionnée. En branchant directement le refrigerant 4 sur le raccord coudé 30 associé au récipient 11 on peut faire fonctionner l'unité en simple condenseur. On constate que, pour passer d'une opération à une autre, on démonte les diverses tubulures 7 et les divers accessoires associés au récipient 1, et on en remonte d'autres adaptés à la nouvelle utilisation désirée. Ces opérations de démontage et de remontage sont très salutaires pour faire comprendre à l'élève la structure et le fonctionnement de chaque appareil. Le châssis unitaire 8 à coulisseaux mobiles 85 peut être utilisé dans toutes les configurations, ce qui simplifie énormément la mise en place rapide des divers éléments de l'ensemble dans chacune de ces configurations. Bien entendu, si on le désire, plusieurs châssis 8 peuvent être juxtaposés pour l'installation de plusieurs unités côte à côte. Le stockage des accessoires non utilisés est facile et peu encombrant; leur entretien et leur remplacement se font aisément. De plus, aucune implantation fixe ni aucun scellement au sol n'est nécessaire. L'unité, dans chacune de ses configurations, peut être conduite soit manuellement, soit de façon semi-automatique avec des lectures à distance et des vannes commandées à distance, soit encore entièrement automatiquement par adaptation d'un matériel supplémentaire quelconque approprié d'enregistrement des lectures et de commande. En variante, certaines des tubulures 7 peuvent être remplacées par des conduites souples; on peut également prévoir d'autres accessoires pouvant être associés au récipient 1 en vue de réaliser d'autres opérations de génie chimique que celles précédemment décrites. REVENDICATIONS 1. Unité de génie chimique, caractérisée en ce qu'elle comprend un récipient autoporteur (1) muni d'un couvercle amovible (11) qui présente plusieurs ouvertures à brides (31, 32#, plusieurs accessoires interchangeables (2, 3, 4, na) munis de brides de raccordement sur lesdites ouvertures et entre eux, des tubulures (7) de circulation de fluides adaptées pour relier différentes parties desdits accessoires dans les diverses configurations de montage de ces accessoires et du récipient mélangeur, et un châssis (8) muni d'organes mobiles (85) de fixation et de support des divers éléments de l'unité dans chacune desdites configurations. 2. Unité suivant la revendication 1, caractérisée en ce que les accessoires comprennent une colonne de distillation à garnissage (3), une colonne de rectification (3a) et un réfrigérant (4). 3. Unité suivant la revendication 2, caractérisée en ce que les accessoires comprennent en outre un appareil (2) d'aspiration de produits réactifs et de remplissage du récipient (1). 4. Unité suivant l'une des revendications 2 et 3, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre des recettes (5) de réception des produits obtenus adaptées pour être fixées de façon amovible audit châssis (8). 5. Unité suivant la revendication 4, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un filtre autoporteur (6) destiné à être disposé sous la sortie des recettes (5). 6. Unité suivant l'une quelconque des revendications I à 5, caractérisée en ce que le récipient (1) est muni d'un agitateur (35-38) entraîné à vitesse réglable par un moteur (36) porté par le couvercle (11) de ce récipient. 7. Unité suivant l'une quelconque des revendications I à 6, caractérisée en ce que le châssis (8) comprend une ossature (80, 83, 84) portée par des pieds (81) de longueur réglable (82) et comportant des traverses parallèles (84), lesdits organes mobiles (85) étant constitués par des coulisseaux montés sur ces traverses et munis de pièces (89) de fixation des divers éléments de l'unité. 8. Unité suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qutelle est réalisée essentiellement en acier inoxydable, certains éléments (1, 2, 5, 6), dont le récipient (1), comportant des regards (47, 52, 43, 59, 77, 78, 28) en verre.