Brevet FR2806928A1 — publié le 20011005

présente invention a pour objet un réacteur modulaire automatisé pour la synthèse chimique, et notamment un reacteur équipé de moyens de mesure calorimétrique. réacteur dont il s'agit est un réacteur de laboratoire, destiné à élaborer les conditions d'industrialisation d'un procède en évaluant les voies possibles de synthèse d'une molécule, en optimisant la voie la plus adéquate, et en donnant des conditions opératoires aux personnes chargées son industrialisation. Ce réacteur calorimetrique mesure la chaleur dissipée par une réaction chimique, afin de déterminer les facteurs susceptibles de limiter son utilisation. réacteur comprend une cuve délimitant un volume, à l'intérieur duquel est conduite la réaction, cette cuve étant fermée par un couvercle muni de passages, notamment pour l'amenée de réactifs, le passage d'instruments de mesure, le passage d'un agitateur, le passage de condenses de distillation de la réaction. Un réacteur comprend généralement une cuve à double enveloppe, la double enveloppe délimitant un volume extérieur, dans lequel un volume maintenu à une température contrôlée circule à une vitesse suffisante pour que le terme d'échange thermique dû à la convexion constante dans des conditions données de fonctionnement. Les pertes thermiques nuisent en effet au rapport signal/bruit au cours des mesures de chaleur dissipée par la réaction, ce qui est très gênant pour des mesures calorimétrique. Les pertes thermiques de ce type de réacteur proviennent essentiellement de deux origines constructives. Dans certains cas, la double enveloppe de la cuve ne peut englober le plan de joint avec le couvercle. Il existe ainsi une distance de plusieurs centimètres entre la partie maintenue à température constante grâce à la double enveloppe, et le plan de joint avec le couvercle, ce qui engendre des pertes thermiques. couvercle de la cuve peut être soit en verre, soit en métal. Lorsque le couvercle est réalisé en verre, les pertes thermiques sont importantes et deviennent gênantes surtout s'il y a condensation pendant la reaction. Lorsque le couvercle est métallique, il peut être régulé en température au moyen d'une résistance électrique chauffante, l'annulation de la différence de température entre la masse réactionnelle et le couvercle limitant les pertes thermiques dans des proportions importantes. Toutefois l'inertie chimique peut être mise à mal et des réactions parasites peuvent apparaître, faussant les mesures et polluant le produit final. Le but de l'invention est de fournir un réacteur modulaire automatisé dans lequel les pertes thermiques soient aussi réduites possible, dans lequel la régulation en température du réacteur soit réalisée de façon très rapide, y compris lorsque la réaction est très exothermique. cet effet, le réacteur qu'elle concerne, du type comprenant une cuve ' double enveloppe délimitant un volume extérieur servant à la circulation d'un liquide thermostatique, un couvercle de fermeture de la cuve muni de passages notamment pour l'amenée de réactifs, le passage d'instruments de mesure, le passage d'un agitateur, le passage de condenses de distillation de la réaction, la cuve étant munie, à son extrémité inférieure, d'une ouverture équipée d'une vanne de vidange, est caractérisé en ce que la cuve et le couvercle sont réalisés en verre, le couvercle comporte une double enveloppe à l'intérieur de laquelle circule le liquide thermostatique, et les doubles enveloppes respectivement de la cuve et du couvercle sont adjacentes au plan de joint entre ces deux éléments. Avantageusement, le bord supérieur de la cuve comporte rebord horizontal tourné vers l'extérieur servant à l'appui du bord inférieur du couvercle, avec interposition d'un joint en polytétrafluoréthylène loge dans une gorge ménagée dans le rebord horizontal de la cuve. La conception de la cuve permet de limiter au maximum les pertes thermiques grâce à la réalisation d'une double enveloppe adjacente au plan de joint entre la cuve et le couvercle. Seul le joint en polytétrafluoréthylène, inerte chimiquement dans la plupart des constitue très faible pont thermique avec le milieu ambiant. Selon une forme de réalisation de ce réacteur, la double enveloppe la cuve comporte une entrée de liquide thermostatique débouchant tangentiellement dans sa partie basse et une sortie de liquide débouchant tangentiellement dans sa partie haute, cette sortie étant reliee par une tubulure de jonction à démontage rapide à une entrée tangentielle du liquide dans le couvercle, qui comporte également, suivant une disposition opposée et en partie haute, une sortie pour ce même liquide. Cet agencement assure une continuité du circuit du liquide thermostatique, grâce à une tubulure de très faible perte de charge, possédant entre la cuve et le couvercle un soufflet de compensation, et qui est connectée par des joints toriques sur des rodages sphériques assemblés par des clamps ou pinces aux tubulures en verre de la cuve et du couvercle. Suivant une autre caractéristique de l'invention le serrage du couvercle sur la cuve est réalisé par une bride à fermeture rapide, de forme conique enveloppant la forme des rodages en verre de la cuve et de son couvercle. Avantageusement, l'ouverture de vidange la cuve est equipée d'une vanne électro-pneumatique. Ainsi, le serrage du clapet sur le siège de la vanne est constant quelle que soit sa température, et l'automatisation qui est ainsi obtenue evite l'intervention de l'opérateur et les risques d'accident pouvant en résulter. Dans les installations existantes, la cuve est généralement fixe le couvercle amovible. Cette disposition exige de l'opérateur de découpler l'ensemble des tubulures de fluide, instruments et autres systèmes pour nettoyer la cuve, en cas de besoin. Il en résulte des manipulations longues et complexes, Suivant la présente invention, le couvercle est fixé au bâti de l'appareil avec l'ensemble des tubulures pour la circulation de fluides, les instruments et autres systèmes, avec assemblage par des joints et/ou flexibles en polytétrafluoréthylène, tandis que la cuve est fixée à un système élévateur permettant de la déplacer dans l'axe du couvercle en vue d'opérations de nettoyage. Le démontage est donc très aisé, puisqu'il suffit de désolidariser la cuve du couvercle et de ses conduits d'alimentation et de sortie en liquide thermostatique pour réaliser le déplacement vers le bas de la cuve en vue de son nettoyage. Un autre problème rencontré en synthèse chimique et en calorimétrie est de pouvoir disposer d'une capacité de refroidissement rapide du réacteur, soit pour des raisons particulières de mise en oeuvre d'un procédé, soit pour des raisons de sécurité et dans le même temps de pouvoir réguler la température de la masse réactionnelle avec une bonne précision. Pour parvenir à ce but, dans le réacteur selon l'invention, le liquide thermostatique circulant dans la double enveloppe de la cuve et du couvercle est fourni par un dispositif comprenant une cuve de liquide reliée au circuit passant dans la double enveloppe de la cuve et du couvercle, équipée de moyens de chauffage, et une cuve de liquide plus froid pouvant être admis dans la première cuve par l'intermédiaire d'une vanne proportionnelle pour réaliser, en cas de besoin, un abaissement de la température du liquide thermostatique. Il est intéressant de noter que la vanne d'admission du flui froid dans le fluide chaud est une vanne proportionnelle, dont le coefficient de conductance est très peu critique du fait de la masse thermique constituée par la réserve de fluide froid régulé sans grande précision l'intermédiaire d'un échangeur. En effet, le volume de liquide froid est de 3 à 4 fois supérieur au volume de liquide chaud qui est lui-même équivalent à environ 2 fois l'équivalent thermique en eau du réacteur et de la masse réactionnelle. En outre, la cuve de liquide chaud communique, par l'intermédiaire d'un trop-plein, avec la cuve de liquide froid. De toute façon, l'invention sera bien comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de ce réacteur: Figure 1 est une vue très schématique d'une installation incluant ce réacteur ; Figure 2 est une vue en coupe longitudinale du réacteur proprement dit ; Figure 3 est une vue de principe du dispositif de régulation du liquide thermostatique circulant dans le réacteur. Dans l'installation représentée à la figure 1, le réacteur est désigné par la référence générale 2 et le système d'alimentation du réacteur en liquide thermostatique incluant la régulation de la température de liquide est désignée par la référence générale 3. Dans cette installation sont prévus un certain nombre de récipients 4 contenant les composants de la réaction, qui sont amenés au réacteur par des conduits convergents dans une pièce 5 appelée clarinette débouchant dans le reacteur par l'intermédiaire d'une ouverture ménagée dans le couvercle de celui-ci. A ce réacteur est également associée une colonne de distillation désignée par la référence générale 6. Le réacteur comprend une cuve 7 fermée par un couvercle 8. La cuve 7 comporte une paroi à double enveloppe 9 délimitant un volume destine à la circulation de liquide thermostatique. Ce liquide amené par une tubulure d'entrée 11 débouchant tangentiellement et en bas de la cuve et est évacué par une tubulure de sortie 10 débouchant tangentiellement à proximité de l'extrémité supérieure de la cuve. Il doit être noté que l'extrémité supérieure de la cuve comporte un rebord horizontal 7a tourné vers l'extérieur comportant une gorge annulaire servant au logement d'un joint 2 en polylétrafluoréthylène. La double enveloppe 9 de la cuve s'étend jusqu'au rebord 10. Pour sa part, le couvercle comprend également une double enveloppe, l'entrée de liquide thermostatique étant réalisee par une tubulure tangentielle 13 et la sortie par une tubulure 14 disposée de façon opposée et en partie haute du couvercle. passage de liquide entre la sortie de la cuve et l'entrée du couvercle est réalisé par une tubulure 15, sur laquelle est monté un soufflet de compensation métallique 16, avec montage rapide de la tubulure 15 sur les tubulures 10 et 13 par des clamps ou pinces 17. En ce qui concerne la fixation du couvercle sur la cuve 7, elle est réalisée par une bride 18 conique à fermeture rapide enveloppant la forme conique complémentaire des rodages en verre de la cuve et du couvercle. Comme montré au dessin, le couvercle présente des passages ou piquages 19, notamment pour le passage de la clarinette 5, d'un agitateur 20, ainsi que pour permettre l'évacuation de condenses vers la colonne à distiller 6. La figure 3 représente de façon plus détaillée le système 3 assurant la régulation du liquide thermostatique et la fourniture de celui-ci au réacteur. Ce système 3 comprend une cuve 22 destinée à contenir un liquide 23, par exemple de l'huile, à une certaine température et appelé ci- après liquide chaud. La cuve est munie, outre un conduit de vidange 24, d'un moteur 25 entraînant une pompe 26 assurant l'entrainement du liquide vers la sortie 27 et vers le réacteur après passage sur résistance 28 associée à un dispositif de régulation Le retour de liquide depuis le couvercle est désigné par la référence 30. Cette cuve 22 communique avec une cuve 32 par l'intermédiaire d'un conduit de trop-plein 33. La cuve 32, dont le volume est sensiblement supérieur trois à quatre fois au volume de la cuve 22, est destinée à contenir même liquide, désigné par la référence 34, mais appelé liquide froid, puisqu'il est à une température inférieure à celle du liquide 23. Celle cuve 32 comporte un dispositif de vidange inférieur 35, un détecteur de securité de niveau bas 36, un détecteur de sécurité de niveau haut 37 et contient une pompe 38 entraînée par un moteur 39, Cette pompe 38 permet le passage de liquide à travers un échangeur de chaleur 40 vers une vanne proportionnelle 42 d'admission du liquide dans la cuve 22. Un capteur de température de régulation 43 plonge dans la cuve 32, et entrée de liquide froid 44 est prévue au niveau de l'échangeur de chaleur 40. En pratique, lorsque la température du liquide 23 est trop élevée pour satisfaire aux conditions de la réaction à l'intérieur du réacteur 7, 8, pour diverses raisons, par exemple parce que la réaction à l'intérieur du réacteur est très exothermique, il est possible de réguler la température du liqui thermostatique en faisant passer une quantité plus ou moins importante de liquide froid 34 contenu dans la cuve 32 dans le liquide chaud 23 contenu dans la cuve 22. Suivant une autre caractéristique ce réacteur, la cuve 7 comporte une ouverture 45 en partie basse, destinée à réaliser la vidange du réacteur, cette ouverture étant obturée par une vanne électropneumatique désignée par la référence genérale 46. Cet agencement permet de réaliser une excellente étanchéité quelle que soit la température, et de permettre une automatisation évitant une intervention directe de l'opérateur. Comme il ressort de ce qui précède, l'invention apporte une grande amélioration à la technique existante en fournissant un réacteur de structure simple, évitant au maximum les pertes thermiques, et permettant une excellente régulation de température. Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas à la seule forme d'exécution de ce réacteur, décrite ci-dessus à titre d'exemple, elle en embrasse au contraire toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Réacteur modulaire automatisé pour la synthèse chimique, du type comprenant une cuve (7) à double enveloppe (9) délimitant un volume extérieur servant à la circulation d'un liquide thermostatique, un couvercle (8) de fermeture de la cuve muni de passages (19) notamment pour l'amenée de réactifs, le passage d'instruments de mesure, le passage d'un agitateur, le passage de condenses de distillation de la réaction, la cuve étant munie, à son extrémité inférieure, d'une ouverture (45) équipée d'une vanne de vidange, caractérisé en ce que la cuve (7) et le couvercle (8) sont réalisés en verre, le couvercle comporte une double enveloppe à l'intérieur de laquelle circule le liquide thermostatique, et les doubles enveloppes respectivement de la cuve et du couvercle sont adjacentes au plan de joint entre ces deux éléments. 2. Réacteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bord supérieur de la cuve (7) comporte un rebord horizontal (7a) tourné vers l'extérieur servant à l'appui du bord inférieur du couvercle (8), avec interposition d'un joint (12) en polytétrafluoréthylène logé dans une gorge ménagée dans le rebord horizontal de la cuve. 3. Réacteur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la double enveloppe (9) de la cuve (7) comporte une entrée (11) de liquide thermostatique débouchant tangentiellement dans sa partie basse et une sortie (10) de liquide débouchant tangentiellement dans sa partie haute, cette sortie étant reliée par une tubulure de jonction (15) à démontage rapide à une entrée tangentielle (13) du liquide dans le couvercle (8), qui comporte également, suivant une disposition opposée et en partie haute, une sortie (14) pour ce même liquide. 4. Réacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le serrage du couvercle (8) sur la cuve (7) est réalisé par une bride (18) à fermeture rapide, de forme conique enveloppant la forme des rodages en verre de la cuve (7) et de son couvercle (8). 5. Réacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'ouverture (45) de vidange de la cuve est équipée d'une vanne électro-pneumatique (46). 6. Réacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le couvercle (8) est fixé au bâti de l'appareil avec l'ensemble des tubulures pour la circulation de fluides, les instruments et autres systemes, avec assemblage par des joints et/ou flexibles en polytétrafluoréthylène, tandis que la cuve (7) est fixée un système élévateur permettant de la déplacer dans l'axe du couvercle en vue d'opérations de nettoyage. Réacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le liquide thermostatique circulant dans la double enveloppe de la cuve et du couvercle est fourni par un dispositif comprenant une cuve (22) de liquide (23) reliée au circuit passant dans la double enveloppe de la cuve (7) et du couvercle (8), équipée de moyens de chauffage (28), et une cuve (32) de liquide plus froid pouvant être admis dans la première cuve (22) par l'intermédiaire d'une vanne proportionnelle (42) pour réaliser, en cas de besoin, un abaissement de la température du liquide thermostatique. 8. Réacteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que la cuve (22) de liquide chaud communique, par l'intermédiaire d'un trop-plein (33), avec la cuve (32) de liquide froid. 9. Réacteur selon l'une des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que le volume de liquide froid (34) est de 3 à 4 fois supérieur au volume de liquide chaud (23) qui est lui-même équivalent à environ 2 fois l'équivalent thermique en eau du réacteur et de la masse réactionnelle.