Madagascar est un pays dotรฉ dโune grande richesse en plantes mรฉdicinales, voire en espรจces endรฉmiques. Lโexploitation de ces ressources fait lโobjet des recherches menรฉes au sein de lโInstitut Malgache des Recherches Appliquรฉes (IMRA) en vue dโenrichir la pharmacopรฉe malgache. Les diffรฉrents laboratoires qui sโy trouvent apportent alors leur contribution afin de promouvoir ces recherches.
Mais lโactivitรฉ de lโIMRA ne se limite pas uniquement ร la recherche de nouveaux mรฉdicaments, elle sโรฉtend ร leur production et commercialisation. Cette partie dโactivitรฉs nรฉcessite des matรฉriels de production qui dรฉpassent le cadre et les dimensions des matรฉriels de laboratoire.
Parmi les tรขches les plus courantes dans le laboratoire thรฉrapeutique figure lโextraction par solvant (ou mรฉlange de solvants) de certains constituants solubles des plantes. Cette opรฉration est suivie de la concentration ou de lโรฉvaporation ร sec de la solution obtenue afin de rรฉcupรฉrer un extrait sec et le solvant dโextraction. Au laboratoire, cette opรฉration est gรฉnรฉralement menรฉe dans des รฉvaporateurs rotatifs (ou rotavapors). Dans le cas dโune quantitรฉ importante de solutions, il faudrait un appareil dโune plus grande capacitรฉ afin de gagner du temps. Cโest dans cette optique que notre directeur de mรฉmoire nous a confiรฉ la conception et la confection dโun รฉvaporateur ร plus grande รฉchelle. Dโoรน le prรฉsent mรฉmoire est intitulรฉ ยซ Conception et Rรฉalisation dโun Evapo-concentrateur ร Circulation Forcรฉe ยป.
EVAPORATION
Dรฉfinitionsย
Lโรฉvaporation est lโopรฉration fondamentale qui a pour but de concentrer une solution dโun solutรฉ solide ou liquide, par vaporisation du solvant ร la pression atmosphรฉrique ou sous vide. Cโest une opรฉration de transfert de matiรจre et dโรฉnergie entre une solution et une vapeur.
La vaporisation peut avoir lieu,
a. Soit par รฉvaporation lente, par la surface libre du liquide, sans formation de bulles de vapeur, ร des tempรฉratures variables sous une pression constante ;
b. Soit par รฉbullition dans toute la masse du liquide, avec formation de bulles de vapeur, ร une tempรฉrature qui est constante sous une pression fixe.
Lโรฉvaporation peut รชtre considรฉrรฉe comme une distillation instantanรฉe ou une distillation simple, avec toutefois comme particularitรฉ, que le produit recherchรฉ est le rรฉsidu non volatil tandis que, dans la distillation, les composรฉs intรฉressants se trouvent dans la vapeur.
La distillation simple ou diffรฉrentielle consiste ร vaporiser le liquide par รฉbullition puis ร condenser la vapeur aussitรดt formรฉe en รฉvitant le contact avec le liquide qui lui a donnรฉ naissance.
La distillation instantanรฉe ou distillation ร lโรฉquilibre procรจde par vaporisation dโune certaine fraction du liquide de maniรจre ร ce que le liquide et la vapeur soient en contact lโun avec lโautre et en รฉquilibre, la sรฉparation de la vapeur se faisant ensuite par condensation.
Gรฉnรฉralement, en Gรฉnie Chimique, on considรจre la vaporisation de la solution, par รฉbullition, dans toute la masse. On part dโune solution diluรฉe pour aboutir ร un concentrรขt plus ou moins visqueux. Ce dernier peut รชtre soumis ensuite aux opรฉrations de cristallisation et de sรฉchage. Le processus dโรฉvaporation consiste ร fournir de la chaleur ร une solution pour vaporiser le solvant et ร liquรฉfier les vapeurs de celui-ci par refroidissement. Lโopรฉration complรจte est rรฉgie par les lois de conservation des masses et de lโรฉnergie.
Tempรฉrature dโรฉbullitionย
La tempรฉrature dโรฉbullition dโun liquide est telle quโร cette tempรฉrature la pression de vapeur saturante est รฉgale ร la pression supportรฉe par le liquide.
Tempรฉrature de saturation
La tempรฉrature de saturation, Ts, est la tempรฉrature ร laquelle lโรฉbullition ou la condensation se produit. Elle dรฉpend de la pression du systรจme; ainsi, plus la pression est รฉlevรฉe, plus la tempรฉrature de saturation sera haute. Lorsquโun liquide contient une substance dissoute (solutรฉ), la pression de vapeur saturante du solvant sur le mรฉlange est infรฉrieure ร celle du solvant pur ร la mรชme tempรฉrature. Cette diffรฉrence entre la tempรฉrature dโรฉbullition dโune solution et celle du solvant pur est appelรฉe retard ร lโรฉbullition dโune solution ou รฉlรฉvation du point dโรฉbullition due au solutรฉ. La tempรฉrature de rosรฉe est la tempรฉrature ร laquelle la vapeur dรฉpose la premiรจre goutte de liquide. Elle est constante sous une pression donnรฉe. Pour un liquide pur et sa vapeur, les tempรฉratures dโรฉbullition et de rosรฉe, constantes sous une pression donnรฉe, sont les mรชmes. Dans le cas dโun mรฉlange, elles sont diffรฉrentes. La tension de vapeur est indรฉpendante des masses de liquide et de vapeur en prรฉsence et ne dรฉpend que de la nature du liquide et de sa tempรฉrature. En particulier, elle croรฎt avec la tempรฉrature jusquโau point critique, point au-delร duquel la phase liquide ne peut exister.
Techniques dโรฉvaporationย
Evaporation par chauffage directย
Evaporation naturelle
Elle se rรฉalise par vaporisation sans รฉbullition des solutions laissรฉes ร lโair libre. Les calories sont amenรฉes par le rayonnement solaire et par lโair ambiant, transmises par rayonnement, conduction, convection, dans les cas des marais salants, par exemple.
Evaporation par gaz chauds
Elle est faite par chauffage de la solution par injection de gaz chauds : gaz de combustion ou air. Le chauffage par des gaz de combustion est utilisรฉ en particulier pour la concentration des solutions trรจs corrosives, telles que les solutions dโacides sulfurique et phosphorique. Les gaz trรจs chauds sont fournis par un brรปleur non inclus dans lโรฉvaporateur et barbotent dans la solution dispersรฉe dans une cuve, au moyen dโun systรจme dโagitation puissant (disques tournants ou hรฉlices) ou encore proviennent dโun brรปleur immergรฉ dans la solution, comme dans le cas de la combustion submergรฉe ; ce dernier dispositif permet une transmission instantanรฉe de chaleur au liquide. Le chauffage par air chaud est utilisรฉ pour concentrer, sans รฉbullition, par chauffage ร basse tempรฉrature, certaines solutions dont le solutรฉ risque de se dรฉcomposer par la chaleur (jus de fruits entre autres). On peut opรฉrer par pulvรฉrisation de la solution diluรฉe ร la partie supรฉrieure dโune tour ร la base de laquelle arrive un courant dโair chaud.
Evaporation par chauffage indirectย
Ce mode dโรฉvaporation consiste ร transmettre la chaleur ร la solution, amenรฉe en gรฉnรฉral ร lโรฉbullition, par lโintermรฉdiaire dโune paroi conductrice, ร laquelle la chaleur est apportรฉe par une flamme (chauffage ร feu nu), par une rรฉsistance รฉlectrique, par un liquide chaud (du type Dowtherm) ou par la vapeur. On distingue lโรฉvaporation ร simple effet ou ร multiple effet, ร la pression atmosphรฉrique ou ร pression rรฉduite.
Lโรฉvaporation ร la pression ordinaire est la plus simple et la plus primitive. Lโรฉvaporation ร lโair libre, cโest-ร -dire sans condensation de vapeur se rรฉalise par chauffage de la solution aqueuse dans une capsule รฉvaporatoire, au moyen dโune flamme ou dโun bain-marie. Lโรฉvaporation avec condensation de vapeur est faite dans une caisse dโรฉvaporation avec condenseur. Lโรฉvaporation ร simple effet ร la pression ordinaire est employรฉe avec les solvants assez volatils, pour de petites et moyennes quantitรฉs de solution ร concentrer. Avec certaines solutions aqueuses, lesย surchauffes peuvent quelquefois provoquer une dรฉcomposition du solutรฉ que lโon รฉvite en opรฉrant sous pression rรฉduite.
Lโรฉvaporation sous pression rรฉduite, utilisรฉe chaque fois que lโon traite des produits altรฉrables par la chaleur permet, dโune part, de rรฉaliser des รฉconomies de calories, car la tempรฉrature dโรฉbullition se trouve abaissรฉe par la diminution de la pression et, dโautre part, dโaugmenter la chute de tempรฉrature entre la plaque chauffante et la solution. Toutefois, le liquide est plus visqueux et le coefficient de transmission de chaleur est plus bas que lorsquโon opรจre ร la pression ordinaire. Sous pression rรฉduite, on peut faire des รฉvaporations non seulement dโaprรจs la technique de lโรฉvaporation ordinaire (distillation simple) mais aussi suivant celle de lโรฉvaporation instantanรฉe (vaporisation ou distillation รฉclair) : chauffage du liquide sous pression et brusque dรฉtente dans une chambre.
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Table des matiรจres
INTRODUCTION
PARTIE I : ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
Chapitre I : EXTRACTION SOLIDE-LIQUIDE
Chapitre II : EVAPORATION
II.1. Dรฉfinitions
II.2. Tempรฉrature dโรฉbullition
II.3. Techniques dโรฉvaporation
II.3.1. Evaporation par chauffage direct
a. Evaporation naturelle
b. Evaporation par gaz chauds
II.3.2. Evaporation par chauffage indirect
II.4. Diffรฉrents types dโรฉvaporateurs
II.4.1. Evaporateur naturel
II.4.2. Evaporateur ร feu nu
II.4.3. Evaporateur ร double enveloppe et รฉvaporateur ร serpentin
II.4.4. Evaporateur ร surface dโรฉchange tubulaire
a. Evaporateurs ร tubes horizontaux
b. Evaporateurs ร tubes verticaux ou ร grimpage
II.5. Chaleur latente de vaporisation
II.6. Condensation
II.6.1. Condensation et pression dans lโรฉvaporateur
II.6.2. Chaleur de condensation
II.6.3. Condenseurs
a. Condenseurs ร surface
b. Condenseurs ร contact direct ou ร mรฉlange
Chapitre III: TRANSFERT THERMIQUE
III.1. Conduction
III.1.1. Conduction des solides
III.1.2. Conduction des fluides
III.2. Convection
III.2.1. Les facteurs qui influent sur lโรฉchange thermique par convection
III.2.2. Convection forcรฉe
III.2.3. Convection naturelle
III.2.4. Coefficients de transmission
III.3. Coefficient global de transfert de la chaleur
III.4. Transmission de chaleur lors des changements de phase
III.4.1. Dรฉmarrage de lโรฉbullition
III.4.2. Crise de lโรฉbullition nuclรฉรฉe
III.4.3. Distinction entre รฉbullition en vase ou ยซ poolboiling ยป et รฉbullition ยซ avec convection forcรฉe ยป
PARTIE II : PARTIE EXPERIMENTALE
Chapitre I : CONFECTION
I.1. Confection des diffรฉrentes parties de lโappareil
I.2. Travaux auxiliaires
I.2.1. Installation du chauffage
I.2.2. Calorifugeage
I.2.3. Application dโun joint dโรฉtanchรฉitรฉ
Chapitre II : CALCULS DE PERFORMANCES
II.1. Variation des propriรฉtรฉs physico-chimiques du fluide
II.1.1. Pour lโeau
II.1.2. Pour lโรฉthanol
II.1.3. Variations des propriรฉtรฉs physico-chimiques de quelques solvants organiques
II.2. Capacitรฉ dโรฉvaporation
II.2.1. Par la loi de la conservation de lโรฉnergie
a. Pour lโeau
b. Pour lโรฉthanol
II.2.2. Par la loi de la conservation de la matiรจre
II.3. La capacitรฉ de condensation
Chapitre III : ESSAIS DE LโAPPAREIL
III.1. Fonctionnement
III.1.1. Fonctionnement de lโappareil
III.1.2. Rรฉgulation du chauffage
III.1.3. Sรฉparateur cyclone
III.1.4. Mesure de niveau du liquide dans la cuve de chauffage
III.2. Rรฉsultats et interprรฉtation
III.2.1. Essais
III.2.2. Interprรฉtations
Chapitre IV: ESTIMATION DU PRIX DE REVIENT DE LโAPPAREIL
CONCLUSION
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
REFERENCES WEBOGRAPHIQUES
ANNEXES