Brevet FR3151080A1 — publié le 20250117

Dispositif à micro-ondes pour l’extraction et le séchage en continu de produits organiques solides L’invention concerne un dispositif (2) à micro-ondes pour l’extraction et le séchage en continu de produits organiques solides se présentant sous la forme de plaques, comprenant un convoyeur (4) à rouleaux destiné à transporter les produits (P) à traiter au travers successivement d’une enceinte d’extraction et d’une enceinte de séchage, une enceinte d’extraction (8) comprenant un caisson (10) étanche aux micro-ondes et à l’intérieur duquel débouche un guide d’ondes (12) raccordé à un générateur de micro-ondes (14), une enceinte de séchage (32) disposée en aval de l’enceinte d’extraction, séparée de celle-ci par une paroi de séparation (34) étanche aux vapeurs et transparente aux micro-ondes, et comprenant une arrivée d’air chaud (36) et une sortie d’air humide (38), un sas d’étanchéité d’entrée (40) qui est muni de pièges à ondes (44), et un sas d’étanchéité de sortie (42) qui est muni de pièges à ondes. Figure pour l’abrégé : Fig. 1. Dispositif à micro-ondes pour l’extraction et le séchage en continu de produits organiques solides L’invention se rapporte au domaine général du traitement thermique par micro-ondes de produits organiques solides et se présentant sous la forme de plaques. Un domaine d’application non limitatif de l’invention concerne l’extraction et le séchage par micro-ondes de plaques de bois, notamment de bois issu directement de la première transformation (ou bois de sciage). Afin de pouvoir être utilisé, le bois doit être sec avec une teneur en eau maximale de 12%. Le séchage peut être réalisé naturellement mais cela nécessite un temps très long, de 6 à 32 semaines voire plusieurs années. Pour cette raison, des industriels du bois investissent dans des sécheurs à air chaud. Le temps est réduit à 2 ou 3 jours mais il faut rajouter un temps de repos du bois d’environ 15 jours. Ces sécheurs représentent des investissements importants difficilement supportables par les industriels du bois. En effet, le prix de vente des stères de bois n’autorise pas un coût de séchage élevé. De surcroit, les sécheurs actuels engendrent des contraintes mécaniques dans le bois allant jusqu’à l’éclatement des planches lors du séchage. D’autre part, il existe une industrie de l’extraction du bois. Les extraits du bois, notamment des bois résineux (terpènes, colophane, eau végétale), ont une valeur ajoutée pour les industries des arômes, de la cosmétique, de la pharmacie ou de l’alimentaire. Cela représente un secteur industriel à part entière. Le bois utilisé pour cet usage est un sous-produit d’extraction. Différents procédés d’extraction et de séchage de bois par micro-ondes sont connus de l’art antérieur. On connaît ainsi de la publication FR 2,770,441 un procédé de séchage du bois utilisant des micro-ondes à une fréquence de 915MHz. L’enceinte de séchage est mise en pression de vapeur (entre 2 et 10 bars) pour réguler le taux d’humidité afin d’éviter que la surface du bois ne soit desséchée avant que le séchage à cœur ne soit effectué. L’eau du bois est rejetée à sa surface par l’action des micro-ondes puis est évaporée. Cet air chargé en humidité passe sur des condenseurs pour en extraire celle-ci. Ce procédé décrit une évacuation des exsudats vers les égouts après traitement, ou une possible valorisation. Ce procédé présente l’inconvénient de devoir être réalisé par lots (« batch » en anglais), et non en continu, et de nécessiter une mise en pression de la cavité. On connaît également la publication FR 3,070,869 qui décrit un dispositif en continu par convoyeur à bande permettant l’extraction de matières végétales ou organiques. Ce document décrit la présence de chambres d’extraction permettant la mise en pression partielle de vapeur. Cette opération provoque la vaporisation de molécules d’eau au cœur du produit, ce qui entraine les extraits et l’eau vers la surface du produit et induit un séchage partiel. Cependant, ce dispositif est inadapté aux planches de bois et ne permet pas la finalisation du séchage. On connaît encore la publication CN 103789094 qui décrit un procédé d’extraction de bois d’Akila en utilisant de l’éthanol comme solvant et sous vide. Toutefois, ce procédé est inadapté au séchage. La publication US 6,546,646 décrit un procédé de traitement de produits plats par micro-ondes, chauffage, séchage, désinfection, pasteurisation, stérilisation ou vaporisation. Ce traitement se fait en continu par zones sélectives et différentielles et non de façon homogène sur l’ensemble de la surface. La pression et la température sont contrôlées. Cependant, les exsudats ne sont pas récupérés. La publication US 8,540,924 décrit un procédé de préchauffage en continu de panneaux de particules de bois pressées. Les magnétrons de ce dispositif sont disposés de part et d’autre des panneaux. En théorie, ce procédé pourrait permettre de sécher les panneaux mais il n’est cependant pas adapté à l’extraction. La publication US2008/0104857 décrit sécheur multi-étages en continu pour panneaux de fibres. Chaque étage est muni d’antennes micro-ondes de type « tige » et de système d’évacuation de l’air humide. Cette sorte d’antenne ne permet pas d’émettre une forte puissance et n’est pas adaptée à un usage industriel. L’invention a pour objet de proposer un dispositif et un procédé permettant de combiner l’extraction et le séchage en continu de produits organiques solides se présentant sous la forme de plaques. Conformément à l’invention, ce but est atteint grâce à un dispositif à micro-ondes pour l’extraction et le séchage en continu de produits organiques solides se présentant sous la forme de plaques, comprenant : un convoyeur à rouleaux destiné à transporter les produits à traiter au travers successivement d’une enceinte d’extraction et d’une enceinte de séchage, une enceinte d’extraction comprenant un caisson étanche aux micro-ondes et à l’intérieur duquel débouche au moins un guide d’ondes raccordé à un générateur de micro-ondes, une enceinte de séchage disposée en aval de l’enceinte d’extraction, séparée de celle-ci par une paroi de séparation étanche aux vapeurs et transparente aux micro-ondes, et comprenant au moins une arrivée d’air chaud et au moins une sortie d’air humide, un sas d’étanchéité d’entrée qui est positionné en entrée de l’enceinte d’extraction au-dessus du convoyeur et qui est muni de pièges à ondes, et un sas d’étanchéité de sortie qui est positionné en sortie de l’enceinte de séchage au-dessus du convoyeur et qui est muni de pièges à ondes. Le dispositif selon l’invention se caractérise notamment du fait que le produit à traiter se présente sous la forme de plaques. La profondeur de pénétration des micro-ondes étant d’environ 5cm pour une fréquence de 2450MHz et de 15cm pour une fréquence de 915MHz, l’épaisseur des plaques sera de préférence comprise entre 5mm et 100mm. Le produit à traiter est amené de façon continue, via un sas d’entrée étanche aux micro-ondes, dans une première enceinte d’extraction dans laquelle les extraits et l’eau du produit sont récoltés dans un bac condenseur placé en point bas. Ensuite, le produit passe dans une seconde enceinte de finalisation de séchage avant de ressortir via un sas de sortie également étanche aux micro-ondes. L’invention permet ainsi de combiner le séchage et l’extraction des produits en une seule opération. Cette invention permet de trouver une valeur supplémentaire au séchage, issue du gain d’énergie, de la rapidité et, le plus important, de la valorisation des extraits. En effet, si l’opération de séchage d’un produit consiste à extraire son eau, cette eau peut entrainer des fragrances, actifs ou composés à valeur ajoutée. Aucun sécheur de l’art antérieur ne propose de réaliser une telle opération conjointe d’extraction, les vapeurs engendrées étant envoyées dans l’atmosphère. De préférence, le dispositif comprend en outre un bac condenseur étanche aux micro-ondes qui est disposé sous le convoyeur au niveau de l’enceinte d’extraction afin de permettre la récupération et le condensation des extraits issus des produits. Dans ce cas, le bac condenseur peut comprendre un point bas muni d’une évacuation. Le convoyeur peut comprendre une pluralité de rouleaux horizontaux positionnés transversalement à la direction d’avance des produits à traiter. De plus, l’enceinte d’extraction et l’enceinte de séchage peuvent comprendre chacune une pluralité de rouleaux verticaux positionnés contre des parois latérales afin d’assurer un guidage vertical des produits à traiter. Les parois latérales de l’enceinte d’extraction comprennent de préférence, sur une face interne, une double peau permettant la circulation d’un fluide pendant les phases de démarrage, et sur une face externe un isolant thermique. De préférence également, l’enceinte d’extraction comprend une paroi horizontale réalisée dans un matériau transparent aux micro-ondes et destinée à être positionnée au-dessus des produits à traiter afin d’éviter que les vapeurs d’extraction ne viennent remonter dans l’enceinte d’extraction. De façon avantageuse, le dispositif comprend en outre un système de mise en mouvement des produits à traiter sur le convoyeur. L’invention a également pour objet une utilisation du dispositif tel que défini précédemment pour l’extraction et le séchage en continu de planches de bois. Dans ce cas, le bois peut être un bois brut de pin contenant 40% d’eau, 1,26% de terpènes et 3,16% de colophane. La est une vue en coupe longitudinale d’un dispositif pour l’extraction et le séchage selon l’invention. La est une vue selon II du dispositif de la chargé en bois à traiter. La est une vue en coupe selon III-III du dispositif de la chargé en bois à traiter. La est une vue en coupe selon IV-IV du dispositif de la chargé en bois à traiter. La est une vue en coupe selon V-V du dispositif de la chargé en bois à traiter. La montre le détail du piège quart-d’onde du sas d’étanchéité d’entrée du dispositif de la . L’invention concerne l’extraction et le séchage en continu de produits organiques solides au moyen d’un dispositif à micro-ondes 2 tel que celui représenté sur la . Les produits organiques à traiter peuvent être du bois, notamment du bois issu directement de la première transformation (ou bois de sciage). Par exemple, il peut s’agir de bois brut de pin contenant 40% d’eau, 1,26% de terpènes et 3,16% de colophane. Ils se présentent sous la forme de plaques ayant par exemple une largeur de 100mm à 1m, une longueur de 500mm à 6m et une épaisseur de 5 à 100mm. Suivant les produits traités, l’épaisseur des plaques peut être encore supérieure. Pour un exemple d’application au séchage de bois, les plaques de produits à traiter pourront correspondre aux standards issus de l’industrie du sciage. L’enjeu est alors de baisser le taux d’humidité du bois frais généralement comprise entre 30 et 60% et considérée en moyenne à 40% à un taux de 12% pour permettre ses applications en bois d’œuvre et bois de chaufferie. Le dispositif 2 selon l’invention comprend notamment un convoyeur 4 à rouleaux qui est destiné à transporter les produits P à traiter au travers successivement d’une enceinte d’extraction et d’une enceinte de séchage. Plus précisément, le convoyeur 4 comprend une pluralité de rouleaux horizontaux 6 qui sont positionnés transversalement à la direction d’avance des produits à traiter au travers du dispositif. Ces rouleaux horizontaux 6 permettent de guider horizontalement les plaques de produits P à traiter, ces derniers étant avantageusement déplacés sur leur tranche (plusieurs plaques se déplaçant sur le convoyeur en parallèle peuvent être envisagées). Le dispositif comprend également une enceinte d’extraction 8 à l’intérieur de laquelle pénètrent en premier les plaques de produits P à traiter. Cette enceinte d’extraction comprend un caisson 10 qui est étanche aux micro-ondes et à l’intérieur duquel débouche au moins un guide d’ondes 12 raccordé à un générateur de micro-ondes 14. Le nombre de guide d’ondes 12 de l’enceinte d’extraction dépend du débit de produits à traiter. Il est typiquement compris entre 1 et 20. Sur l’exemple de réalisation de la , quatre guides d’ondes 12 régulièrement espacés les uns des autres débouchent à l’intérieur du caisson 10 de l’enceinte d’extraction. La puissance de chaque générateur de micro-ondes 14 peut être comprise entre 1 et 10 MW. Leur fréquence est comprise entre 100MHz et 3000MHz, et de préférence 2450MHz ou 915MHz. Des fenêtres réalisées dans un matériau transparent aux micro-ondes, par exemple en polytétrafluoroéthylène (PTFE), en verre, en Pyrex ® ou en quartz peuvent avantageusement être disposées à l’interface entre les guides d’ondes 12 et le caisson 10 (non représentées sur la ). L’enceinte d’extraction 8 comprend en outre une pluralité de rouleaux verticaux 16 qui sont positionnés contre des deux parois latérales 10a du caisson 10 (réalisées en matériau électriquement conducteur) afin d’assurer un guidage vertical des produits P à traiter. L’acheminement des plaques de produits P à traiter au travers des rouleaux 6 et 16 est assuré par un système de poussoir, par exemple un vérin 18. Ce système peut alternativement être réalisé par des rouleaux ou des roulettes motorisées. Comme représenté sur la , une paroi horizontale 20 est disposée tout le long de l’enceinte d’extraction, juste au-dessus du passage des plaques de produits P à traiter, de façon à éviter que les vapeurs d’extraction ne remontent dans le caisson 10. Cette paroi est réalisée dans un matériau transparent aux micro-ondes, par exemple du PTFE, une matière plastique résistante à une température de 120°C ou une variété de verre. Une hauteur suffisante h est ménagée entre le couvercle 10b du caisson 10 et les plaques de produits P à traiter, de façon à ce que la configuration de propagation multimode permette une meilleure homogénéité. Cette distance h pourra être par exemple de 200mm. Par ailleurs, la largeur de la cavité doit laisser un espacement suffisant entre chaque paroi latérale 10a du caisson 10 et les plaques de produits P à traiter. Cette largeur pourra par exemple être comprise entre 100mm et 1000mm, et est de préférence de l’ordre de 500mm. Comme représenté sur la , les parois latérales 10a du caisson 10 de l’enceinte d’extraction comprennent, sur une face interne, une double peau 22 permettant la circulation d’un fluide chaud pendant les phases de démarrage. De même, sur leur face externe, les parois latérales 10a du caisson 10 comportent un isolant thermique 24 de façon à limiter les pertes thermiques et les risques de brûlure, la température de ces parois pouvant monter à plus de 100°C (voir la ). Les micro-ondes émises dans l’enceinte d’extraction 8 permettent de vaporiser certaines molécules d’eau au cœur des plaques de produits P à traiter et de créer une pression partielle de vapeur entrainant les autres molécules d’eau et les actifs (huiles essentielles, terpènes, résines et autres molécules volatiles) par percolation et diffusion. Ces molécules sont ensuite entrainées par la vaporisation de l’eau « essorée » en surface des plaques du fait de l’action des micro-ondes. Une partie peut être récoltée directement sous forme liquide. A cet effet, un bac condenseur 26 étanche aux micro-ondes est disposé en partie basse de l’enceinte d’extraction 8. Il permet la récupération et la condensation des extraits E obtenus. De préférence, comme représenté sur la , ce bac condenseur 26 comprend une double peau 28 permettant la circulation d’un fluide froid dont la température est avantageusement comprise entre 5 et 15°C. De préférence également, une paroi horizontale 30 permet de laisser passer la vapeur et les extraits liquides mais étanche aux micro-ondes afin d’éviter la chauffe des extraits E par l’action des micro-ondes. Cette paroi 30 est réalisée en matériau conducteur perforé, par exemple en tôle perforée ou en grille métallique. Ce condenseur peut être isolé thermiquement pour améliorer ses performances énergétiques. Une évacuation 32 est située en point bas du bac condenseur 26 afin d’évacuer les extraits E obtenus. Pour du bois, cette extraction par micro-ondes permet d’éviter les contraintes résiduelles internes et d’éviter des opérations coûteuses de refroidissement par paliers. Suivant le type de bois et d’extraits souhaités (par exemple colophane), il sera peut-être nécessaire d’apporter un débit de vapeur extérieur pour retarder le point de séchage et optimiser le rendement d’extraction en reculant le seuil de brûlage. Dans ce cas la paroi horizontale 20 de l’enceinte d’extraction sera ôtée et une entrée de vapeur 30 sera ménagée sur le couvercle du caisson. On notera que pour une longueur d’enceinte d’extraction donnée, la durée de l’opération d’extraction est donnée par la vitesse d’avance des plaques de produits à traiter. Cette durée est comprise entre 10mn et 1h, et est égale de préférence à 30mn, ce qui donne par exemple une vitesse d’avance d’environ 13 cm/mn pour une longueur de 4m. Après l’opération d’extraction, les plaques de produits à traiter pénètrent à l’intérieur d’une enceinte de séchage 32 permettant de finaliser leur séchage surfacique. Cette enceinte de séchage 32 est disposée en aval de l’enceinte d’extraction 8 avec laquelle elle est séparée de celle-ci par une paroi de séparation 34 qui est étanche aux vapeurs et transparente aux micro-ondes L’enceinte de séchage 32 comprend au moins une arrivée d’air chaud 36 et au moins une sortie d’air humide 38. L’air chaud a de préférence une température comprise entre 20°C et 120°C, et par exemple égale à environ 70°C. La vitesse de l’air chaud pénétrant dans l’enceinte de séchage doit être suffisamment importante pour créer un emportement des molécules d’eau encore présentes à la surface des plaques de produits à traiter par quantité de mouvement. À titre d’exemple, pour une application d’extraction et séchage de bois d’un débit de 300kg/h, un débit d’air chaud d’environ 10.000Nm 3 /h d’air à 70°C sera conseillé. La paroi de séparation 34 est transparente aux micro-ondes, ce qui permet une double action de l’air chaud et des micro-ondes pour obtenir un temps de finalisation de séchage très court (pouvant être inférieur à 5mn). Selon une variante de réalisation, l’air chaud obtenu en sortie pourra passer dans un échangeur afin de transmettre une partie de sa chaleur à l’air frais en amont de l’arrivée d’air chaud 36. Le dispositif selon l’invention comprend en outre un sas d’étanchéité d’entrée 40 qui est positionné en entrée de l’enceinte d’extraction 8 au-dessus du convoyeur, et un sas d’étanchéité de sortie 42 qui est positionné en sortie de l’enceinte de séchage 32 également au-dessus du convoyeur. Le sas d’étanchéité d’entrée 40 est notamment destiné à éviter des fuites micro-ondes provenant de l’enceinte d’extraction 8. Il se compose d’une zone de guidage 40a des plaques de produits P à traiter, suivi d’une zone de piège à ondes 40b. La zone de guidage 40a est constituée alternativement de rouleaux 6, 16 et de pièges à ondes 44 de type quart-d’onde. Les rouleaux sont disposés sur la face inférieure et sur les faces latérales de la zone de guidage 40a. Comme représenté sur la , les rouleaux verticaux 16 pivotent autour d’axes 46 fixés sur une structure conductrice électriquement et étanche aux micro-ondes, par exemple en acier inoxydable. Les rouleaux permettent aux plaques de produits à traiter un guidage sans frottement. La zone de piège à ondes 40b comprend des pièges à ondes 44 qui sont disposés sur toute la face supérieure de la zone, ainsi qu’entre les rouleaux des faces latérales et inférieures. Comme représenté sur la , ces pièges à ondes 44 peuvent être de type quart-d’onde et sont constitués de séries de gorges 44a disposées dans des plans perpendiculaires à l’avance des plaques de produits P à traiter. La profondeur b de ces gorges 44a est déterminée en fonction de la longueur d’ondes de telle sorte que l’onde de fuite passant entre la plaque de produits P à traiter et la gorge pénètre dans la gorge et se retrouve en opposition de phase lorsqu’elle en ressort. Cela permet d’annuler physiquement une grande partie des ondes circulant vers l’extérieur. Pour une longueur d’onde λ, la profondeur b des gorges 44a sera donc de : λ /4+k λ, k étant un nombre entier. Par exemple pour une fréquence de 2450MHz, cette longueur pourra être de 3,06cm, et pour une longueur d’ondes de 915MHz, cette longueur pourra être de 8,20cm. Ces pièges à ondes 44 peuvent être avantageusement recouverts d’une protection 50 de façon à éviter la pénétration de poussières ou d’éléments polluants dans les gorges 44a. Cette protection est réalisée dans matériau transparent aux micro-ondes, par exemple du PTFE, une matière plastique résistante à une température de 120°C ou une variété de verre. Le sas d’étanchéité de sortie 42 présente une structure identique et symétrique à celle du sas d’étanchéité d’entrée. Il se compose d’une zone de piège à ondes 42a muni de pièges à ondes par exemple de type quart-d’onde tels que décrits ci-dessus, suivi d’une zone de guidage 42b des plaques de produits P à traiter. Le fonctionnement du dispositif selon l’invention peut être commandé via une armoire de commande 52. Ce fonctionnement peut être entièrement automatisé via une interface homme-machine et permettre une régulation de la puissance micro-ondes, le réglage de la vitesse d’avance, du débit d’air et de sa température. Un contrôle de la température et de l’humidité peut être réalisé en continu. Pour un exemple d’extraction et séchage de bois, l’énergie de séchage par le procédé selon l’invention est d’environ 930kWh par tonne de bois ou 0,93kWhpar kg de bois. Avec un procédé classique par air chaud avec brûleur gaz, l’énergie nécessaire est de 1550kWh par tonne de bois. Ceci représente donc un gain d’environ 40%. Par exemple pour un débit de 300kg/h, la puissance micro-ondes est de 300kW de micro-ondes et le temps de cycle de 30mn. Le procédé selon l’invention permet ainsi d’atteindre plus de 80% de rendement d’extraction avec un séchage de 12%. Il permet d’extraire et sécher les bois résineux (pin maritime, pin alep, etc.) et de valoriser l’eau du bois, les terpènes et les colophanes. Dispositif (2) à micro-ondes pour l’extraction et le séchage en continu de produits organiques solides se présentant sous la forme de plaques, comprenant : un convoyeur (4) à rouleaux destiné à transporter les produits (P) à traiter au travers successivement d’une enceinte d’extraction (8) et d’une enceinte de séchage (32), une enceinte d’extraction (8) comprenant un caisson (10) étanche aux micro-ondes et à l’intérieur duquel débouche au moins un guide d’ondes (12) raccordé à un générateur de micro-ondes (14), une enceinte de séchage (32) disposée en aval de l’enceinte d’extraction, séparée de celle-ci par une paroi de séparation (34) étanche aux vapeurs et transparente aux micro-ondes, et comprenant au moins une arrivée d’air chaud (36) et au moins une sortie d’air humide (38), un sas d’étanchéité d’entrée (40) qui est positionné en entrée de l’enceinte d’extraction (8) au-dessus du convoyeur et qui est muni de pièges à ondes (44), et un sas d’étanchéité de sortie (42) qui est positionné en sortie de l’enceinte de séchage au-dessus du convoyeur et qui est muni de pièges à ondes (44). Dispositif selon la revendication 1, comprenant en outre un bac condenseur (26) étanche aux micro-ondes qui est disposé sous le convoyeur (4) au niveau de l’enceinte d’extraction (8) afin de permettre la récupération et le condensation des extraits (E) issus des produits. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel le bac condenseur (26) comprend un point bas muni d’une évacuation (32). Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le convoyeur (4) comprend une pluralité de rouleaux horizontaux (6) positionnés transversalement à la direction d’avance des produits à traiter. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel l’enceinte d’extraction (8) et l’enceinte de séchage (32) comprennent chacune une pluralité de rouleaux verticaux (16) positionnés contre des parois latérales (10a) afin d’assurer un guidage vertical des produits à traiter. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel les parois latérales (10a) de l’enceinte d’extraction (8) comprennent, sur une face interne, une double peau (22) permettant la circulation d’un fluide pendant les phases de démarrage, et sur une face externe un isolant thermique (24). Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel l’enceinte d’extraction comprend une paroi horizontale (20) réalisée dans un matériau transparent aux micro-ondes et destinée à être positionnée au-dessus des produits à traiter afin d’éviter que les vapeurs d’extraction ne viennent remonter dans l’enceinte d’extraction. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant en outre un système (18) de mise en mouvement des produits à traiter sur le convoyeur. Utilisation du dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 8 pour l’extraction et le séchage en continu de planches de bois. Utilisation selon la revendication 9, dans lequel le bois est un bois brut de pin contenant 40% d’eau, 1,26% de terpènes et 3,16% de colophane.