Brevet FR3136385A1 — publié le 20231215

D ispositif de chauffage par micro-ondes et à lit fluidisé pour le traitement thermique en continu de produits végétaux ou organiques L’invention concerne un dispositif de chauffage (2-1) par micro-ondes et à lit fluidisé pour le traitement thermique de produits végétaux ou organiques, comprenant une enceinte de chauffe (4) comprenant, en partie haute, une entrée (6) et une sortie (8) de produits (P), et, en partie basse, une grille de diffusion (10) apte à supporter les produits, des moyens (32-36 ) pour diffuser de l’air chaud ou un fluide chaud dans la partie basse de l’enceinte de chauffe sous la grille de diffusion et le ventiler en direction des produits admis dans l’enceinte afin de générer un lit fluidisé, au moins un guide d’ondes (12) débouchant à l’intérieur de l’enceinte de chauffe entre sa partie basse et sa partie haute et raccordé à un générateur de micro-ondes (16), au moins un conduit d’évacuation (22) de vapeurs provenant des produits traités, un conduit de vidange (18) s’ouvrant dans la partie basse de l’enceinte de chauffe et débouchant vers l’extérieur, et des moyens (20) de mise en surpression ou en dépression de l’enceinte de chauffe. Figure pour l’abrégé : Fig. 1. dispositif de chauffage par micro-ondes et à lit fluidisé pour le traitement thermique de produits végétaux ou organiques L’invention se rapporte au domaine général du chauffage par micro-ondes et à lit fluidisé pour le traitement thermique (avec des températures de chauffe allant jusqu’à 150°C environ) en lots (« batch ») ou en continu de produits végétaux ou organiques. Un domaine d’application non limitatif de l’invention concerne l’extraction de produits végétaux ou organiques. Un autre domaine d’application non limitatif de l’invention concerne le séchage de produits végétaux ou organiques. Dans le cadre du traitement thermique d’extraction de produits végétaux ou organiques, il est connu de recourir à la technologie du lit fluidisé (ou lit fluidifié). Typiquement, un tel procédé consiste en un mélange de solides et de fluides qui permet de donner aux solides – dits matériaux granulaires – certaines propriétés des fluides. En pratique, cette technologie requiert d’injecter sous un lit de produits granulaires un gaz ou un liquide sous pression, celui-ci venant « soulever » et disperser les grains. Il est également connu de recourir aux micro-ondes pour mettre en œuvre l’extraction de produits végétaux ou organiques. Avec cette technologie, les micro-ondes agissent directement au cœur des produits à traiter. Les premières molécules d’eau présentes dans les produits créent une pression partielle de vapeur entraînant les molécules d’eau avec certains actifs (par exemple les huiles essentielles) vers la surface des produits. Ces molécules volatiles sont alors récupérées, soit en phase liquide, soit vaporisées par les micro-ondes, puis récupérées dans un condenseur. Cette technologie d’extraction par micro-ondes présente de nombreux avantages par rapport aux techniques d’extraction conventionnelles (à savoir par distillation, solvant, CO2, etc.) : rapidité, simplicité d’utilisation, qualité des extraits obtenus, absence de solvant, gains énergétiques, etc. Dans le cadre du traitement thermique de séchage de produits végétaux ou organiques, il est connu de recourir au séchage par micro-ondes assistés par de l’air chaud. Avec cette technologie, les micro-ondes permettent d’évacuer l’eau par effet d’essorage. Les premières molécules d’eau vaporisées au cœur des produits créent une pression partielle de vapeur entraînant les molécules d’eau vers la surface des produits. La vitesse de l’air chaud permet alors une évaporation de cette eau de surface pour un rendement de séchage optimal. Cette technologie de séchage par micro-ondes présente de nombreux avantages par rapport aux techniques conventionnelles (par infra-rouge, air chaud par brûleur, surface chaude, etc.) : rapidité, simplicité d’utilisation, gains énergétiques, absence de contraintes résiduelles, etc. Il existe cependant un besoin de pouvoir disposer d’un même dispositif de chauffage permettant de réaliser aussi bien du séchage de matière végétale ou organique (fraîche ou humide) que de la vapo-distillation (i.e. distillation à la vapeur directe), de la vapo-hydrodistillation (i.e. distillation à l’eau et à la vapeur) ou de la distillation par vapeur de solvant de matière végétale ou organique (fraîche ou séchée et réhydratée) tout en assurant un brassage homogène des produits à traiter. Le but de l’invention est de répondre à un tel besoin. Conformément à l’invention, ce but est atteint grâce à un dispositif de chauffage par micro-ondes et à lit fluidisé pour le traitement thermique de produits végétaux ou organiques, comprenant : une enceinte de chauffe comprenant, en partie haute, une entrée de produits à traiter et une sortie pour évacuer les produits traités, et, en partie basse, une grille de diffusion apte à supporter les produits admis dans l’enceinte ; des moyens pour diffuser de l’air chaud ou un fluide chaud dans la partie basse de l’enceinte de chauffe sous la grille de diffusion et le ventiler en direction des produits admis dans l’enceinte afin de générer un lit fluidisé dans les produits à traiter ; au moins un guide d’ondes débouchant à l’intérieur de l’enceinte de chauffe entre sa partie basse et sa partie haute et raccordé à un générateur de micro-ondes ; au moins un conduit d’évacuation de vapeurs provenant des produits traités, le conduit d’évacuation s’ouvrant à une extrémité haute de l’enceinte de chauffe et débouchant vers l’extérieur ; un conduit de vidange s’ouvrant dans la partie basse de l’enceinte de chauffe et débouchant vers l’extérieur ; et des moyens de mise en surpression ou en dépression de l’enceinte de chauffe. Selon une variante de réalisation, le conduit d’évacuation de vapeurs débouche dans un condenseur afin de récupérer les liquides évaporés des produits traités. Dans ce cas, selon un mode de réalisation à simple décantation, le condenseur débouche par l’intermédiaire d’une conduite dans la partie basse de l’enceinte de chauffe pour y renvoyer les extraits et les liquides provenant des produits. Dans ce mode de réalisation, le dispositif comprend de préférence en outre une conduite de recirculation s’ouvrant dans un fond de l’enceinte de chauffe dans lequel s’accumulent des liquides décantés et débouchant dans la partie haute de l’enceinte de chauffe par l’intermédiaire d’une pompe et d’un système d’aspersion. Selon un mode de réalisation à double décantation, le condenseur débouche dans un décanteur comprenant en partie haute une conduite d’évacuation des extraits et en partie basse une conduite de recirculation débouchant dans la partie haute de l’enceinte de chauffe par l’intermédiaire d’une pompe et d’un système d’aspersion. Dans ces modes de réalisation à simple et double décantation, les moyens pour diffuser un fluide chaud dans la partie basse de l’enceinte de chauffe peuvent comprendre des moyens de chauffage des liquides décantés présents dans le fond de l’enceinte de chauffe et provenant du condenseur. Les moyens de chauffage des liquides décantés peuvent comprendre un chauffage électrique et/ou un chauffage par micro-ondes. Toujours dans ces modes de réalisation à simple et double décantation, les moyens pour ventiler le fluide chaud en direction des produits admis dans l’enceinte peuvent comprendre des ventilateurs positionnés sous la grille de diffusion. Dans un mode de réalisation dédié au séchage, le condenseur peut avantageusement déboucher dans un bac de récupération comprenant en partie haute une conduite d’évacuation de l’eau des produits. Alternativement, le conduit d’évacuation peut être constitué par une cheminée débouchant directement à l’extérieur de l’enceinte de chauffe. Dans l’un et l’autre de ces modes de réalisation dédiés au séchage, les moyens pour diffuser de l’air chaud dans la partie basse de l’enceinte de chauffe et le ventiler en direction des produits peuvent comprendre un générateur d’air chaud et sec raccordé à la partie basse de l’enceinte de chauffe sous la grille de diffusion par l’intermédiaire de ventilateurs. Quel que soit le mode de réalisation, de façon avantageuse, le dispositif comprend en outre des déflecteurs positionnés dans la partie haute de l’enceinte de chauffe pour guider les produits traités vers la sortie. De plus, l’enceinte de chauffe se présente avantageusement sous la forme d’une cuve verticale munie de parois réalisées dans un matériau électriquement conducteur et à double peau. La est une vue schématique d’un dispositif de chauffage pour l’extraction à simple décantation selon un mode de réalisation de l’invention. La est une vue schématique montrant un dispositif de chauffage à double décantation pour l’extraction selon un autre mode de réalisation de l’invention. La est une vue schématique montrant un dispositif de chauffage pour le séchage selon un mode de réalisation de l’invention. La est une vue schématique montrant un dispositif de chauffage pour le séchage selon un autre mode de réalisation de l’invention. En liaison avec les figures 1 et 2, on décrira deux exemples de dispositifs de chauffage par micro-ondes et à lit fluidisé selon l’invention qui sont utilisés pour réaliser un traitement thermique d’extraction de produits végétaux ou organiques. Dans le cadre de la présente invention, le traitement thermique s’effectue avec des températures de chauffe n’excédant pas 150°C environ. Le dispositif de chauffage 2-1 représenté sur la est du type à simple décantation. Le dispositif de chauffage 2-1 comprend notamment une enceinte de chauffe 4 constituée par une cuve verticale dont les parois sont réalisées dans un matériau électriquement conducteur et compatible avec les applications, par exemple en acier inoxydable. Par ailleurs, l’enceinte de chauffe 4 peut présenter une section de forme cylindrique (avec un diamètre typiquement compris entre 20cm à 2m, voire plus) ou rectangulaire (avec les côtés ayant une longueur comprise entre 20cm et 2m, voire plus) avec une hauteur comprise entre 20cm et 5m, voire plus. De préférence, les parois de l’enceinte de chauffe 4 sont à double peau permettant d’assurer son chauffage afin d’éviter une condensation interne sur les parois. En partie haute, l’enceinte de chauffe 4 présente une entrée 6 de produits à traiter et une sortie 8 pour évacuer les produits traités. En partie basse, l’enceinte de chauffe 4 renferme une grille de diffusion 10 qui est disposée de façon à supporter les produits admis dans l’enceinte de chauffe. Le dispositif de chauffage 2-1 comprend également au moins un guide d’ondes 12 qui débouche à l’intérieur de l’enceinte de chauffe 4 entre sa partie basse et sa partie haute par l’intermédiaire d’au moins une fenêtre 14 étanche aux fluides et transparente aux micro-ondes (par exemple en quartz) et qui est raccordé à un générateur de micro-ondes 16. Le dispositif de chauffage 2-1 comprend encore un conduit de vidange 18 s’ouvrant dans la partie basse de l’enceinte de chauffe et débouchant vers l’extérieur de celle-ci. En outre, il est prévu des moyens de mise en surpression ou en dépression de l’enceinte de chauffe. Ces moyens se présentent sous la forme d’un conduit 20 débouchant à l’intérieur de l’enceinte de chauffe et relié à un injecteur d’air sous pression ou à des moyens de mise en dépression (non représentés sur les figures). De plus, l’enceinte de chauffe 4 comprend un conduit d’évacuation 22 de vapeurs provenant des produits traités, ce conduit d’évacuation 22 s’ouvrant dans l’enceinte de chauffe à une extrémité haute de celle-ci et débouchant vers l’extérieur de celle-ci. Plus précisément, dans le mode de réalisation de la , le conduit d’évacuation 22 se présente sous la forme d’un tube collecteur vertical dont la paroi renferme un système de chauffage 24 permettant d’éviter la condensation des vapeurs lors de leur passage. Ce tube collecteur débouche dans un condenseur 26 permettant de condenser les vapeurs. Les extraits E et liquides L provenant des produits peuvent être ensuite renvoyés dans la partie basse de l’enceinte de chauffe sous la grille de diffusion 10 par l’intermédiaire d’une conduite 28. Selon une disposition avantageuse, le dispositif de chauffage comprend en outre des déflecteurs 30 qui sont positionnés dans la partie haute de l’enceinte de chauffe pour guider les produits traités vers la sortie 8 de l’enceinte de chauffe. Le dispositif de chauffage 2-1 comprend encore des moyens pour diffuser un fluide chaud (air ou vapeur) dans la partie basse de l’enceinte de chauffe sous la grille de diffusion et le ventiler en direction des produits admis dans l’enceinte afin de générer un lit fluidisé dans les produits à traiter. Dans le mode de réalisation de la , les moyens pour diffuser le fluide chaud dans la partie basse de l’enceinte de chauffe comprennent notamment un ou plusieurs ventilateurs 32 positionnés sous la grille de diffusion 10. Ces moyens comprennent également des moyens de chauffage des liquides décantés présents dans le fond de l’enceinte de chauffe et provenant du condenseur 26 afin d’utiliser les vapeurs issus de l’eau des produits pour l’utiliser comme fluide de vapo-distillation. Ces moyens de chauffage comprennent un chauffage électrique 34 installé sur la paroi de fond de l’enceinte de chauffe et/ou un chauffage par micro-ondes 36 composé d’un guide d’ondes 36a débouchant dans la partie basse de l’enceinte de chauffe et relié à un générateur de micro-ondes 36b. Le chauffage des liquides décantés L présents dans le fond de l’enceinte de chauffe permet de réaliser une vaporisation sélective et une décantation permettant une récupération en continu des extraits E par l’intermédiaire d’une conduite d’évacuation des extraits 38. Les liquides décantés L provenant du condenseur 26 et acheminés dans le fond de l’enceinte de chauffe par la conduite 28 peuvent être réinjectés dans l’enceinte de chauffe par l’intermédiaire d’une conduite de recirculation 40 s’ouvrant dans le fond de l’enceinte de chauffe et débouchant dans la partie haute de celle-ci par l’intermédiaire d’une pompe 42 et d’un système d’aspersion 44. Cette recirculation des liquides décantés présente l’avantage d’accroître l’efficacité d’extraction. Le dispositif de chauffage 2-1 comprend encore une admission 46 de vapeur, d’eau ou de solvant débouchant dans la partie basse de l’enceinte de chauffe sous la grille de diffusion 10. Le dispositif de chauffage 2-1 à simple décantation de la permet de réaliser de la vapo-distillation, de la vapo-hydrodistillation ou de la distillation par vapeur de solvant. Dans ce procédé d’extraction, les produits à traiter sont des matières végétales ou organiques fraîches ou séchées et réhydratées. Selon le procédé choisi, de la vapeur ou un volume d’eau ou un volume de solvant est introduit dans la partie basse de l’enceinte de chauffe par l’intermédiaire de l’admission 46 pour démarrer le procédé. Dans les cas d’admission d’eau ou de solvant, une phase initiale est nécessaire pour débuter la chauffe et la vaporisation de cette eau ou de ce solvant. Cette chauffe est obtenue grâce au chauffage électrique 34 installé sur la paroi de fond de l’enceinte de chauffe et/ou au chauffage par micro-ondes 36. Les produits P à traiter sont introduits de façon continue ou par lots ( « batch » en anglais) dans l’enceinte de chauffe 4 par l’entrée 6. Suivant le dimensionnement du dispositif, le débit d’alimentation en produits peut être compris entre 1kg/h et plusieurs tonnes par heure. Les ventilateurs 32 permettent de créer un débit d’air puis de vapeur provenant de l’extraction des produits P ou de vapeur alimentée de façon additionnelle et d’engendrer un lit fluidisé dans les produits P. L’action combinée de la vapeur et du champ de micro-ondes introduit dans l’enceinte de chauffe par le guide d’ondes 12 permet l’extraction et la vaporisation commune de l’eau et des actifs des produits P avec un très grand rendement. En effet, contrairement à une extraction réalisée sur un lit fixe, l’extraction en lit fluidisé agit simultanément sur tout le volume des produits P et la vapeur accentue l’efficacité d’extraction. Dans le cas d’une matière fraiche qui comprend entre 60% et 90% d’eau, l’extraction entraîne une perte d’eau et donc un séchage du produit. Sa densité va donc fortement baisser et les parties extraites plus légères vont se retrouver en partie haute de l’enceinte de chauffe jusqu’à parvenir à la sortie 8 d’évacuation. Les déflecteurs 30 positionnés en partie haute de l’enceinte de chauffe permettent de guider les produits traités vers la sortie 8 de l’enceinte de chauffe. On notera qu’un système de supervision 48 permet de surveiller et contrôler l’ensemble des paramètres du dispositif de chauffage au cours du procédé d’extraction. En liaison avec la , on décrira maintenant une variante de réalisation du dispositif de chauffage 2-2 à double décantation. Ce dispositif de chauffage se distingue du précédent en ce que les condensats en sortie du condenseur 26 sont récupérés dans un décanteur 50. Cette opération est particulièrement avantageuse pour les condensats facilement « décantables ». Les extraits E’ présents dans le décanteur 50 sont évacués en continu par une conduite d’évacuation 52 et les liquides décantés L’ sont avantageusement réinjectés dans l’enceinte de chauffe sur les produits P par l’intermédiaire d’une conduite de recirculation 54 couplée à une pompe 56 et un système d’aspersion 58. Les liquides décantés L sont ensuite récupérés par le conduit de vidange 18 s’ouvrant dans le fond de l’enceinte de chauffe 4. En liaison avec les figures 3 et 4, on décrira deux exemples de dispositifs de chauffage par micro-ondes et à lit fluidisé selon l’invention qui sont utilisés pour réaliser un traitement thermique de séchage de produits végétaux ou organiques granulaires. Le dispositif de chauffage 2-3 représenté sur la est du type à simple cheminée. Ce dispositif de chauffage 2-3 présente les mêmes caractéristiques que celui décrit en liaison avec la , sauf pour celles décrites ci-après. En particulier, les moyens pour diffuser de l’air chaud dans la partie basse de l’enceinte de chauffe 4 sous la grille de diffusion 10 et le ventiler en direction des produits P admis dans l’enceinte sont composés notamment d’un générateur d’air chaud et sec 60 qui est raccordé à la partie basse de l’enceinte de chauffe sous la grille de diffusion 10 par l’intermédiaire de ventilateurs 62. De plus, le conduit d’évacuation 22 est ici composé d’une simple cheminée qui s’ouvre à une extrémité haute de l’enceinte de chauffe et débouche vers l’extérieur de celle-ci. Dans ce procédé de séchage, les produits P à traiter sont des matières végétales ou organiques fraîches ou humides. Les produits P sont introduits de façon continue dans l’enceinte de chauffe 4 par l’entrée 6. Suivant le dimensionnement du dispositif, le débit d’alimentation en produits peut être compris entre 1kg/h et plusieurs tonnes par heure. Le générateur d’air chaud et sec 60 et les ventilateurs 62 permettent de créer un débit d’air chaud et sec qui engendre un lit fluidisé dans les produits P. L’action combinée de l’air sec et du champ de micro-ondes introduit dans l’enceinte de chauffe par le guide d’ondes 12 permet d’obtenir un séchage des produits P avec un très grand rendement. En effet, contrairement à un séchage s’effectuant sur un lit fixe, le séchage en lit fluidisé agit simultanément sur tout le volume des produits P et l’air chaud accentue l’efficacité de séchage. Dans ce mode de réalisation, l’air chaud et humide provenant du séchage des produits P est directement évacué à l’extérieur de l’enceinte de chauffe par la cheminée 22. Dans la variante de réalisation représentée sur la , l’air chaud et humide provenant du séchage des produits P débouche dans un condenseur 26 afin de récupérer l’eau évaporée. Plus précisément, le condenseur 26 débouche dans un bac de récupération 64 comprenant en partie haute une conduite d’évacuation 66 de l’eau L’’ des produits sous forme liquide (cette eau pouvant avoir une valeur ajoutée). Dispositif de chauffage (2-1 à 2-4) par micro-ondes et à lit fluidisé pour le traitement thermique de produits végétaux ou organiques, comprenant : une enceinte de chauffe (4) comprenant, en partie haute, une entrée (6) de produits (P) à traiter et une sortie (8) pour évacuer les produits traités, et, en partie basse, une grille de diffusion (10) apte à supporter les produits admis dans l’enceinte ; des moyens (32-36 ; 60-62) pour diffuser de l’air chaud ou un fluide chaud dans la partie basse de l’enceinte de chauffe sous la grille de diffusion et le ventiler en direction des produits admis dans l’enceinte afin de générer un lit fluidisé dans les produits à traiter ; au moins un guide d’ondes (12) débouchant à l’intérieur de l’enceinte de chauffe entre sa partie basse et sa partie haute et raccordé à un générateur de micro-ondes (16) ; au moins un conduit d’évacuation (22) de vapeurs provenant des produits traités, le conduit d’évacuation s’ouvrant à une extrémité haute de l’enceinte de chauffe et débouchant vers l’extérieur ; un conduit de vidange (18) s’ouvrant dans la partie basse de l’enceinte de chauffe et débouchant vers l’extérieur ; et des moyens (20) de mise en surpression ou en dépression de l’enceinte de chauffe. Dispositif (2-1 ; 2-2 ; 2-4) selon la revendication 1, dans lequel le conduit d’évacuation de vapeurs débouche dans un condenseur (26) afin de récupérer les liquides (L ; L’ ; L’’) évaporés des produits traités. Dispositif (2-1) selon la revendication 2, dans lequel le condenseur (26) débouche par l’intermédiaire d’une conduite (28) dans la partie basse de l’enceinte de chauffe pour y renvoyer les extraits (E) et les liquides (L) provenant des produits. Dispositif (2-1) selon la revendication 3, comprenant en outre une conduite de recirculation (40) s’ouvrant dans un fond de l’enceinte de chauffe dans lequel s’accumulent des liquides décantés (L) et débouchant dans la partie haute de l’enceinte de chauffe par l’intermédiaire d’une pompe (42) et d’un système d’aspersion (44). Dispositif (2-2) selon la revendication 2, dans lequel le condenseur (26) débouche dans un décanteur (50) comprenant en partie haute une conduite d’évacuation (52) des extraits (E’) et en partie basse une conduite de recirculation (54) débouchant dans la partie haute de l’enceinte de chauffe par l’intermédiaire d’une pompe (56) et d’un système d’aspersion (58). Dispositif (2-1 ; 2-2) selon l’une quelconque des revendications 3 à 5, dans lequel les moyens pour diffuser un fluide chaud dans la partie basse de l’enceinte de chauffe comprennent des moyens de chauffage des liquides décantés (L) présents dans le fond de l’enceinte de chauffe et provenant du condenseur. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel les moyens de chauffage des liquides décantés (L) comprennent un chauffage électrique (34) et/ou un chauffage par micro-ondes (36). Dispositif selon l’une quelconque des revendications 3 à 7, dans lequel les moyens pour ventiler le fluide chaud en direction des produits admis dans l’enceinte comprennent des ventilateurs (32) positionnés sous la grille de diffusion (10). Dispositif (2-4) selon la revendication 2, dans lequel le condenseur (26) débouche dans un bac de récupération (64) comprenant en partie haute une conduite d’évacuation (66) de l’eau (L’’) des produits. Dispositif (2-3) selon la revendication 1, dans lequel le conduit d’évacuation (22) est constitué par une cheminée débouchant directement à l’extérieur de l’enceinte de chauffe. Dispositif (2-3 ; 2-4) selon l’une des revendications 9 et 10, dans lequel les moyens pour diffuser de l’air chaud dans la partie basse de l’enceinte de chauffe et le ventiler en direction des produits comprennent un générateur d’air chaud et sec (60) raccordé à la partie basse de l’enceinte de chauffe sous la grille de diffusion (10) par l’intermédiaire de ventilateurs (62). Dispositif (2-1 à 2-4) selon l’une quelconque des revendications 1 à 11, comprenant en outre des déflecteurs (30) positionnés dans la partie haute de l’enceinte de chauffe pour guider les produits traités vers la sortie (8). Dispositif (2-1 à 2-4) selon l’une quelconque des revendications 1 à 12, dans lequel l’enceinte de chauffe se présente sous la forme d’une cuve verticale munie de parois réalisées dans un matériau électriquement conducteur et à double peau.