Brevet FR2652637A1 — publié le 19910405

i La présente invention se rapporte à un procédé et à un dispositif pour le réglage de la température de réactions chimiques. On sait que, pour quelques réactions chimiques, il est possible, par diminution de la température de réaction, pour une quantité donnée de matière de sortie, d'obtenir un produit final en plus grande quantité et d'un plus haut degré de pureté. Cette possibilité est intéressante en particulier pour la fabrication des matériaux présentant une valeur élevée et présente une grande importance lorsqu'il faut obtenir des produits finaux extra-purs. Dans les solutions connues, les matières prenant part à la réaction sont placées dans un réacteur isolé thermiquement et y sont refroidies par un moyen réfrigérant jusqu'à une température de réaction correspondante, en particulier à l'aide d'un liquide à bas point de congélation et à chaleur spécifique élevée. Le moyen réfrigérant sortant du réacteur et qui s'est réchauffé est refoulé à l'aide d'une pompe dans un dispositif réfrigérant et est ramené dans le réacteur après le refroidissement précité. L'inconvénient de ces solutions connues réside dans le fait que la puissance de refroidissement est fortement limitée. Ces solutions ne peuvent être utilisées que pour des quantités de matières réduites ou moyennes et pour des quantités de chaleur de réaction limitées [voir GORENFLO: Apparate fur die Kâltetechnik, Chem.-Ing.-Tech. 60 (1988), n 11, pages 855 à 858]. Il existe également un inconvénient dû au fait que le refroidissement est relativement lent et nécessite une grande quantité de moyens réfrigérants, c'est- à-dire qu'il est onéreux sur le plan énergétique. Dans les dispositifs connus, on doit utiliser simulta- nément une pompe, un dispositif de refroidissement et un thermostat. Un autre inconvénient est du au fait que la partie régulée présente un grand développement et que le régulateur de température reçoit le signal d'erreur du capteur de température à plus grande constante de temps du thermostat. Ainsi, la température de réaction et sa distri- bution homogène ne peuvent pas être réglées avec la précision souhaitée dans le temps de réaction optimal par décalage du signal de base du régulateur de température à l'aide du capteur de température de réglage disposé dans le réacteur. L'un des buts de l'invention est d'éliminer les in- convénients mentionnés ci-dessus. L'objet de l'invention consiste à proposer un procédé et un dispositif de réglage de la température de réactions chimiques qui permettent d'obte- nir un refroidissement ou un réglage efficace, économisant l'énergie et précis, même pour des quantités de matières importantes et en cas d'apparition d'une grande quantité de chaleur de réaction. Le premier problème est résolu à l'aide d'un procédé de réglage de la température de réactions chimiques, dans lequel les matières prenant part à la réaction sont disposées dans un réacteur isolé thermiquement et y sont refroidies à l'aide d'un moyen réfrigérant dont la température est inférieure à la température de réaction souhaitée, et o, selon l'inven- tion, l'on utilise, comme moyen réfrigérant, un gaz liquéfié qui est évaporé dans le réacteur et l'on dose le gaz liquéfié en une quantité telle que les phases liquide, vapeur et gazeuse soient disponibles simultanément dans le réacteur et que l'on maintienne la température de la phase gazeuse sortante à une valeur inférieure à la température de réaction souhaitée. Le gaz liquéfié est avantageusement introduit dans le réacteur par portions et l'on règle avantageusement le dosage du gaz liquéfié en fonction de la température de réaction. Selon un autre mode de réalisation du procédé selon l'invention, l'on mesure la température de réaction directe- ment à l'intérieur des matières introduites. Selon un autre mode de réalisation, l'on introduit le gaz dans le réacteur à partir d'un réservoir à pression constante. Il est en outre avantageux que l'on disperse le gaz liquide dans le réacteur. On réalise la dispersion au-dessus ou à l'intérieur des matières introduites. Le second problème est résolu à l'aide d'tun dispositif de réglage de la température de réactions chimiques qui comporte: un réacteur isolé thermiquement, un organe de dosage introduisant dans le réacteur les matières participant à la réaction, un système réfrigérant et un organe d'amenée du moyen réfrigérant dans le système réfrigérant, ainsi qu'un moyen capteur de la température de réaction et une unité de réglage reliée au moyen capteur de la température de réaction et à l'organe d'amenée du moyen réfrigérant dans le système réfrigérant, et dans lequel, selon l'invention, l'organe d'amenée du fluide réfrigérant dans le système réfrigérant est constitué par un moyen de vaporisation du gaz liquéfié, en particulier un serpentin et/ou un refroidisseur en forme de poche et/ou un organe de dispersion. Selon un mode de réalisation avantageux du dispositif selon l'invention, le moyen de vaporisation du gaz liquéfié est relié à un réservoir à pression constante pour le stocka- ge du gaz liquéfié -de préférence par une valve cryosta- tique-. Selon un autre mode de réalisation avantageux, le réservoir est relié par un réducteur à la conduite d'évacua- tion de moyen réfrigérant du réacteur. L'organe de dispersion est disposé dans l'espace au- dessus des matières prenant part à la réaction ou à l'inté- rieur de ces matières. Le réacteur est avantageusement muni d'un revêtement en un matériau assurant une isolation poussée. Le moyen d'évapo- ration, en particulier le serpentin, est avantageusement muni d'une enveloppe en un matériau conducteur de la chaleur, de préférence en tôle d'aluminium poli. Le moyen d'évaporation est avantageusement constitué par un serpentin à double enroulage ou à enroulage bifilaire. Le réservoir à pression constante est avantageusement relié à la sortie d'une installation de liquéfaction de gaz. D'autres buts, avantages et caractéristiques apparaî- tront à la lecture de la description d'un mode de réalisation de l'invention, faite à titre non limitatif et en regard du dessin annexé, dans lequel la figure unique est une repré- sentation schématique du dispositif selon l'invention. Le dispositif représenté comporte un réacteur 11 qui est muni d'un organe mélangeur 12 couplé à un appareillage d'entraînement 13. Le réacteur 11 est muni d'une fenêtre 17 et d'une unité d'éclairage 18 qui sont représentés seulement de façon schématique. Les matières participant à la réaction sont introduites dans le réacteur 11 par un organe de dosa- ge 19. Dans la chambre de réaction du réacteur 11, sont disposés un capteur de température de réglage 31 et un capteur de température de mesure 32 plongés dans les matières introduites. Le capteur de température de réglage 31 est relié à l'unité de réglage 15 et le capteur de température de mesure 32 est raccordé à un organe d'enregistrement de température 14. Dans ltespace intérieur 33 du réacteur 11, sont dispo- sés des refroidisseurs en forme de poche 40 ainsi que des organes de dispersion 41, 42. L'organe de dispersion 41 est disposé au-dessus des matières prenant part à la réaction 34, tandis que l'organe de dispersion 42 est immergé dans ces matières. Sur la paroi entourant l'espace intérieur 33, est installé un moyen de vaporisation sous la forme d'un serpen- tin 35 à enroulement bifilaire. La face intérieure de la paroi est munie d'une surface mince 46 de dissipation de chaleur, tandis que sa face extérieure comporte une enve- loppe 43 en un matériau conducteur de la chaleur, avantageu- sement en tôle d'aluminium poli. L'enveloppe 43 est recou- verte extérieurement d'un revêtement 44 présentant une structure stratifiée en un matériau super-isolant. Le serpentin 35, les refroidisseurs 40 et les organes de dispersion 41, 42 sont reliés par un système de conduites isolées thermiquement 16 et une valve cryostatique 36 à un réservoir 37 à pression constante qui contient comme moyen réfrigérant 45 un gaz liquéfié, de préférence de l'azote liquide. Le serpentin 35 et les refroidisseurs 40 sont munis de conduites de sortie de moyens réfrigérants 39 et l'espace intérieur 33 comporte un raccord 26 qui est relié par un réducteur de stabilisation 38 au réservoir 37. Le réacteur 11 comporte un clapet de sécurité 20 ainsi qu'un appareil de mesure de pression 21. L'unité d'éclaira- ge 18, l'appareil d'enregistrement de température 14 et l'unité de réglage 15 sont reliés à une source d'énergie électrique 23. Le réacteur 11 est également muni d'un système de mise en dépression 22 qui est raccordé également à la source d'énergie électrique 23, une conduite d'entrée d'eau de refroidissement 24 et une conduite de sortie d'eau de refroidissement 25 étant raccordées au système de mise en dépression. Le procédé selon l'invention est mis en oeuvre dans le dispositif représenté de la façon suivante. Les matières prenant part à la réaction 34 sont amenées par l'organe de réglage 19 dans la chambre intérieure 33 du réacteur 11 et, de là, sont mélangées à l'aide de l'organe de mélange 12. Depuis le réservoir 37, de l'azote liquide servant de moyen réfrigérant 45 est amené par la valve cryostatique 36 ouverte par alternance et par le système de conduite 16 dans le serpentin 35 o il est évaporé. Le moyen réfrigérant évaporé 45 pénètre après refroidissement intensif des matériaux 34 dans la conduite de sortie de moyen réfrigé- rant 39 sous forme gazeuse et à une température inférieure à la température de réaction souhaitée. De la même façon, le moyen réfrigérant liquide 45 est amené dans les refroidis- seurs 40 o il est évaporé et est évacué finalement par la conduite d'évacuation de moyen réfrigérant correspondante. A l'aide de l'organe de dispersion 41, le moyen réfrigérant dispersé 45 est évaporé au-dessus des matières 34, tandis que l'organe de dispersion 42 produit une évaporation à l'inté- rieur de ces matières 34. On assure ainsi un refroidissement extrêmement intensif in situ. L'ouverture et la fermeture de la valve cryostatique 36 sont commandées par l'unité de régulation 15 sur la base du signal en provenance du capteur de température 31. L'inertie du système reste ainsi faible et le danger d'emballement ou d'étouffement de la réaction est faible. La rapidité du réglage est assurée naturellement du fait que l'on utilise pour le refroidissement non seulement la chaleur spécifique mais également la chaleur de vaporisation. Par le raccord 26 relié à l'espace intérieur 33, on introduit de l'azote sec à pression réduite, qui forme au-dessus des matières 34 une atmosphère de protection à gaz inerte. A l'aide du système de mise en dépression 22, on peut assurer dans le réacteur 11, en cas de besoin, une mise en dépression améliorant l'isolation thermique. Il est bien entendu possible, en fonction des besoins en refroidissement, de mettre en oeuvre de façon correspon- dante le serpentin 35, les refroidisseurs ainsi que les organes de dispersion simultanément ou individuellement. Le fonctionnement de la valve cryostatique 36 (par exemple sous forme d'une électrovalve) est déterminée par l'unité de réglage -avantageusement un régulateur PD à deux positions-, de telle façon que le moyen réfrigérant de sortie 45 soit toujours sous forme gazeuse. Le serpentin 35 ou les refroi- disseurs 40 (ou d'autres moyens d'évaporation) peuvent être réalisés sous la forme d'échangeurs de chaleur à contre- courant ou à courant transversal. On utilise avantageusement des échangeurs de chaleur à nervures ou à lames ou plaques. Le réservoir 37 peut être relié, le cas échéant, à la sortie d'une installation de liquéfaction de gaz, mais il peut également être relié à un récipient transportable amovible. La référence 30 désigne un dispositif de mise en dépression préalable et la référence 47, une membrane de sécurité susceptible de se rompre. Le récipient intérieur du réacteur 11 peut également, le cas échéant, être amovible, afin de permettre une adapta- tion au volume nécessaire. L'utilisation du procédé et du dispositif selon l'in- vention apporte les avantages suivants: - l'enthalpie d'évaporation du gaz liquide et l'enthalpie obtenue par réchauffement du gaz froid sont utilisées directement dans le réacteur pour le refroidissement de la charge; - par suite du changement d'état, le coefficient de transfert de chaleur est élevé, ce qui assure une transmission de chaleur extrêmement favorable entre le moyen réfrigérant et la charge; - le processus de refroidissement est réalisé dans un espace isolé thermiquement, directement à côté de la charge et/ou à l'intérieur de la charge, ce qui limite les pertes en énergie de refroidissement; - même pour des charges importantes, on peut obtenir un refroidissement rapide et un bon réglage de tempéra- ture; - le domaine de réfrigération peut s'étendre jusqu'à -170 C; - par suite de l'échange de chaleur entre les canaux des moyens réfrigérants d'entrée et de sortie, on peut assurer une distribution de température homogène; - la température de réaction peut être réglée avec une précision élevée; - pour des charges faibles et des charges thermiques limitées, on peut également utiliser du gaz froid (de l'azote) comme moyen réfrigérant; - on peut éviter un gaspillage du moyen réfrigérant; - il est possible de régler facilement la durée de réaction adéquate, même pour des charges thermiques importantes; - on peut stabiliser, avec une précision correspondante, la température de réaction souhaitée également par dosage manuel des matières prenant part à la réaction ou bien on peut automatiser le dosage de façon simple et à peu de frais; - le dispositif selon l'invention présente une structure simple et une bonne sécurité de fonctionnement. Il ne nécessite pas d'investissement et de frais d'exploita- tion élevés et son entretien est simple; - en utilisant des récipients de réaction amovibles, présentant divers volumes de charge, on peut utiliser le dispositif aussi bien pour la mise en oeuvre de recherches de laboratoire que pour la production d'é- chantillons; - le dispositif est utilisable dans un large domaine; - le rendement en produit final est extrêmement favora- ble; - le produit final est plus pur que ceux habituellement obtenus. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés mais elle est susceptible dé nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1.- Procédé de réglage de la température de réactions chimiques, dans lequel les matières prenant part à la réac- tion sont disposées dans un réacteur isolé thermiquement et y sont refroidies à l'aide d'un moyen réfrigérant dont la température est inférieure à la température de réaction souhaitée, caractérisé en ce que l'on utilise comme moyen réfrigérant un gaz liquéfié qui est évaporé dans le réacteur et en ce que l'on dose le gaz liquéfié en une quantité telle que soient disponible simultanément dans le réacteur la phase liquide, la phase vapeur et la phase gazeuse, et en ce que l'on maintient la température de la phase gazeuse sortante à une valeur inférieure à la température de réaction souhaitée. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on introduit le gaz liquéfié par portions dans le réacteur. 3.- Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on règle le dosage du gaz liquéfié en fonction de la température de réaction. 4.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'on mesure la température de réaction directement à l'intérieur des produits introduits. 5.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'on introduit le gaz dans le réacteur à partir d'un réservoir à pression constante. 6.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'on disperse le gaz liquéfié dans le réacteur. 7.- Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'on réalise la dispersion au-dessus des matières intro- duites. 8.- Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'on réalise la dispersion à l'intérieur des matières introduites. 9.- Dispositif de réglage de la température de réac- tions chimiques, comprenant un réacteur isolé thermiquement, un organe de dosage introduisant dans le réacteur les matières prenant part à la réaction, un système réfrigérant, un organe d'amenée de moyen réfrigérant dans le système réfrigérant, ainsi qu'un moyen capteur de la température de réaction et une unité de réglage reliée au moyen capteur de la tempé- rature de réaction et à l'organe d'amenée du réfrigérant dans le système réfrigérant, caractérisé en ce que l'organe d'ame- née du fluide réfrigérant dans le système réfrigérant est un moyen de vaporisation du gaz liquéfié, en particulier un serpentin (35) et/ou un refroidisseur en forme de poche (40) et/ou un organe de dispersion (41, 42). 10.- Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le moyen de vaporisation du gaz liquéfié est relié à un réservoir (37) à pression constante, pour le stockage du gaz liquéfié -de préférence, par une valve cryostatique (36)-. 11.- Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que le réservoir (37) est relié par un réducteur (38) à la conduite d'évacuation de moyen réfrigérant (26) du réac- teur (11). 12.- Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 9 à 11, caractérisé en ce que l'organe de disper- sion (41) est disposé au-dessus des matières prenant part à la réaction. 13.- Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 9 à 11, caractérisé en ce que l'organe de disper- sion (42) est disposé à l'intérieur des matières prenant part à la réaction. 14.- Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 9 à 13, caractérisé en ce que le réacteur (11) est muni d'un revêtement (44) en un matériau super-isolant. 15.- Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 9 à 14, caractérisé en ce que le moyen d'évaporation, en particulier le serpentin (35), est muni d'une envelop- pe (43) en un matériau conducteur de la chaleur, de préfé- rence en tôle d'aluminium poli. 16.- Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 9 à 15, caractérisé en ce que le moyen d'évaporation est constitué par un serpentin à enroulement bifilaire (35). 17.- Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que le réservoir (37) à pression constante est relié à la sortie d'une installation de liquéfaction de gaz. 18.- Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 9 à 17, caractérisé en ce que l'espace intérieur (33) du réacteur (11) est entouré d'un récipient de réaction interchangeable qui comporte une surface de dissipation de la chaleur mince (46).