Brevet FR3153612A1 — publié le 20250404

Dispositif de traitement (1) thermochimique comprenant : - une enceinte (10); - un port d’entrée (18) de matière (80) et un port d’évacuation (19) de matière (80) - un dispositif d’injection (60) de vapeur (50); - une hélice (30) de type vis sans fin s’étendant dans le volume interne (15); dans lequel le dispositif d’injection (60) de vapeur (50) comprend un conduit de diffusion (61) de vapeur (50). Figure pour l’abrégé : Figure 1 Dispositif de traitement thermochimique en continu La présente invention concerne le traitement chimique en continu , et plus particulièrement un dispositif d'hydrolyse thermique par injection de vapeur. L'hydrolyse thermique est un procédé chimique consistant en la dégradation contrôlée de substances organiques à haute température et sous l'action de la vapeur d'eau, permettant une conversion thermochimique efficace de matières organiques complexes (boues, déchets agricoles, biomasse) en composés valorisables dans divers secteurs industriels, tels que la chimie fine, la production d'énergie et la fabrication de produits chimiques spéciaux. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE L'hydrolyse thermique est une technique de décomposition chimique qui implique l'utilisation de températures élevées et de vapeur d'eau pour rompre les liaisons moléculaires complexes des matières organiques. Ce processus permet de convertir ces matières en produits chimiques de plus petite taille, tels que des acides organiques, des alcools et des composés aromatiques. L'hydrolyse thermique offre des avantages potentiels en matière de valorisation des déchets, de production d'énergie renouvelable et de création de produits chimiques durables. Classiquement, un dispositif d'hydrolyse thermique par injection de vapeur consiste en une enceinte de réaction hermétique dans laquelle les matières organiques à traiter sont introduites. La vapeur d'eau est ensuite injectée dans l'enceinte à des températures et pressions spécifiques, créant ainsi un environnement propice à l'hydrolyse thermique. Les matières organiques sont exposées à ces conditions pendant une durée contrôlée, permettant ainsi la décomposition des liaisons moléculaires complexes. L’efficacité du dispositif est généralement améliorée par l’utilisation de mélangeurs rotatifs. Les dispositifs connus présentent trois problèmes principaux : une perte de chaleur importante au travers des parois de l’enceinte, des temps de chargement/déchargement importants et une obstruction de l’enceinte et/ou des mélangeurs par les matières organiques à traiter. Il en résulte des temps de traitement de matière allongé (temps de chargement/déchargement, opérations de désobstruction, maintenance) et un coût énergétique important, qui limitent la diffusion de ce type d’installation malgré leurs multiples avantages. OBJET DE L’INVENTION L’invention a pour but de réduire les coûts d’exploitation d’un dispositif de traitement thermochimique. A cet effet, on prévoit un dispositif de traitement thermochimique en continu de matière à traiter comprenant une enceinte s’étendant selon un axe longitudinal et qui définit un volume interne de l’enceinte, un port d’entrée de matière et un port d’évacuation de matière qui débouchent respectivement dans un plan radial d’alimentation et dans un plan radial d’évacuation, le plan radial d’alimentation et le plan radial d’évacuation étant séparés par une première distance longitudinale, un dispositif d’injection de vapeur dans le volume interne, une hélice de type vis sans fin s’étendant dans le volume interne et qui est agencée pour transférer la matière depuis le port d’entrée vers le port d’évacuation. Selon l’invention, le dispositif d’injection de vapeur comprend un conduit de diffusion de vapeur qui s’étend dans le volume interne sur une deuxième distance considérée selon la direction longitudinale qui est au moins égale à la moitié de la première distance. Selon d’autres modes de réalisation particuliers, non exclusifs et optionnels de l’invention : le conduit de diffusion s’étend selon une direction sensiblement parallèle à l’axe longitudinal ; le conduit de diffusion s’étend selon l’axe longitudinal ; le dispositif d’injection est agencé pour réaliser une injection de vapeur selon une direction essentiellement radiale ; l’hélice comprend une cannelure hélicoïdale rigidement solidaire du conduit de diffusion de vapeur l’hélice comprend une cannelure hélicoïdale distincte du conduit de diffusion de vapeur ; la cannelure hélicoïdale est solidaire d’un mur de l’enceinte ; l’hélice est actionnée ; l’enceinte comprend une cloison qui sépare le volume interne en un volume de traitement de la matière et un volume d’alimentation en vapeur, le conduit de diffusion comprenant une portion d’alimentation en vapeur s’étendant dans le volume d’alimentation en vapeur ; le conduit de diffusion comprend des perforations ; le dispositif comprend un arbre creux s’étendant selon la direction longitudinale et qui comporte le conduit de diffusion, une cannelure hélicoïdale étant rapportée sur l’arbre pour définir l’hélice, l’arbre comprenant des perforations radiales pour relier un conduit interne de l’arbre au volume interne de l’enceinte, l’enceinte comprenant une paroi radiale qui sépare le volume interne en un volume de traitement de la matière et un volume d’alimentation en vapeur, le conduit de diffusion comprenant une portion d’alimentation s’étendant dans le volume d’alimentation en vapeur, l’arbre comprenant une extrémité solidaire d’un actionneur d’entrainement en rotation de l’arbre autour d’un axe de rotation longitudinal. D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit d’un mode de réalisation particulier non limitatif de l’invention. Il sera fait référence aux figures jointes parmi lesquelles : FIG. 1 la FIG. 1 est une représentation schématique en coupe du dispositif de l’invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS A titre préliminaire, il est défini une direction longitudinale et une direction radiale qui est orthogonale à la direction longitudinale. En référence à la FIG. 1 , le dispositif de carbonisation hydrothermale en continu selon l’invention, et généralement désigné 1, comprend une enceinte cylindrique 10 s’étendant selon un axe longitudinal Ox. L’enceinte 10 comprend un mur périphérique 11 qui est fermé en son extrémité inférieure 11.1 et en son extrémité inférieure 11.2 respectivement par une paroi de fermeture inférieure 12 et une paroi de fermeture supérieure 13 s’étendant transversalement par rapport à l’axe Ox. L’enceinte 10 comprend également une cloison 14 qui sépare le volume interne 15 de l’enceinte 10 en un volume de traitement 16 de matière 80 à traiter et un volume d’alimentation 17 en vapeur 50. Un port d’entrée 18 en matière 80 et un port d’évacuation 19 de la matière 80 débouchent respectivement dans un plan radial d’alimentation Pr A et dans un plan radial d’évacuation Pr E , ici situés à proximité respective de la cloison 14 et de la paroi 13. Les plans d’évacuation Pr E et d’alimentation Pr A sont séparés par une première distance longitudinale D EA . Les ports d’entrée 18 et d’évacuation 19 sont, ici, réalisés sous la forme de conduits radiaux rapportés par soudage sur le mur 11 pour déboucher dans le volume de traitement 16 respectivement par des ouvertures 18.1 et 19.1 pratiquées dans le mur 11. L’enceinte 10 comprend également un port 20 d’alimentation en vapeur 50 ici réalisé sous la forme d’un conduit radial rapporté par soudage sur le mur 11 et qui débouche dans le volume d’alimentation 17. Le dispositif de traitement 1 comprend également une hélice 30 de type vis sans fin s’étendant dans le volume de traitement 16. Comme visible en FIG. 1 , l’hélice 30 comprend un arbre 31 tubulaire s’étendant selon la direction longitudinale Ox et sur lequel une cannelure hélicoïdale 32 est rapportée par soudage. L’arbre 31 définit un conduit interne 33 qui est obturé par un bouchon inférieur 34.1 et un bouchon inférieur 34.2 L’arbre 31 s’étend à travers la cloison 14 et est monté à rotation relativement à l’enceinte 10 à l’aide de deux paliers 35.1 et 35.2 respectivement solidaires des parois 12 et 13. L’arbre 31 comprend une extrémité inférieure 36 solidaire d’un motoréducteur 37 d’entrainement en rotation de l’arbre 31 autour de l’axe Ox. L’arbre 31 comprend donc une portion 38 d’alimentation qui s’étend dans le volume 17 d’alimentation et une portion 39 de diffusion qui s’étend dans le volume 16 de traitement. L’arbre 31 comprend des perforations radiales 40 qui relient le conduit interne 33 au volume interne 15. Les perforations 40 sont réalisées aussi bien sur la portion 38 d’alimentation que sur la portion 39 de diffusion. Plus précisément, les perforations 40 sont réalisées sous la forme d’une pluralité d’ensembles 41 de huit perforations 40.1 réalisées sur un même plan radial à quarante-cinq degrés l’une de l’autre. Ici, on a représenté treize ensembles 41.1 à 41.13 de perforations 40. Les ensembles 41.1 à 41.5 sont réalisés sur la portion 38 d’alimentation de l’arbre 31 et les ensembles 41.6 à 41.13 sont réalisés sur la portion 39 de diffusion de l’arbre 31. Relativement au port d’entrée 18, l’ensemble 41.6 est un ensemble proximal et l’ensemble 41.13 est un ensemble distal. L’arbre 31 constitue un dispositif d’injection 60 de vapeur qui comprend un conduit de diffusion 61 de vapeur dans le volume 16 de traitement, sous la forme de la portion 39 de diffusion, ainsi qu’une portion d’alimentation en vapeur 38. Le conduit de diffusion 61 s’étend dans le volume 16 sur une deuxième distance D 61 , considérée selon la direction longitudinale de l’axe Ox, qui sépare l’ensemble proximal 41.6 et l’ensemble distal 41.13. La deuxième distance D 61 est, ici, sensiblement égale à la première distance D EA . En fonctionnement, on alimente le volume d’alimentation 17 en vapeur 50 par le port 20. La vapeur 50 pénètre le conduit interne 33 par les perforations 40 des ensembles 41.1 à 41.5 pour cheminer dans le conduit interne 33 vers la portion 39 de diffusion. On commande également une rotation de l’hélice 30 en alimentant électriquement le motoréducteur 37. La matière 80 à traiter est introduite dans le volume 16 de traitement par le port 18 d’alimentation. Sous l’effet de la rotation de l’hélice 30, la matière 80 est transférée depuis le port 18 vers le port d’évacuation 19. Au cours de son cheminement dans le volume de traitement 16 entre les ports 18 et 19, la matière 80 est soumise à une injection de vapeur 50 au travers des perforations 40 des ensembles 41.6 à 41.13. L’injection de vapeur 50 se fait, selon ce mode de réalisation, selon une direction essentiellement radiale. La gestion de la conversion thermochimique des matières 80 peut se faire en agissant notamment sur le débit de vapeur 50 et sur la vitesse de rotation de l’hélice 30. On obtient un dispositif fiable de conversion thermochimique. En effet, la diffusion de chaleur depuis l’intérieur du volume interne 15 de l’enceinte 10 améliore l’efficacité énergétique du dispositif de traitement 1 par rapport aux dispositifs connus. En effet, les pertes de chaleur ont principalement lieu au niveau du mur 11. Lorsque la chaleur apportée par la vapeur 50 injectée depuis l’intérieur de l’enceinte 10 arrive au mur 11, elle a déjà en grande partie transféré son énergie à la matière 80. L’hélice 30 est un moyen de mélange robuste, fiable et qui est capable de s’auto-nettoyer par frottement avec le mur 11, réduisant les risques d’obstruction du dispositif de traitement 1. Bien entendu, l’invention n’est pas limitée aux modes de réalisation décrits mais englobe toute variante entrant dans le champ de l’invention telle que définie par les revendications. En particulier, bien qu’ici, l’hélice comprenne une cannelure hélicoïdale solidaire du conduit de diffusion de vapeur, l’invention s’applique également à d’autres configurations de l’hélice comme par exemple une hélice comprenant une cannelure hélicoïdale distincte du conduit de diffusion de vapeur, la cannelure hélicoïdale pouvant être solidaire du mur de l’enceinte ; bien qu’ici le conduit de diffusion soit un conduit rectiligne qui s’étend selon l’axe longitudinal, l’invention s’applique également à d’autres configurations du conduit de diffusion comme par exemple un conduit hélicoïdal solidaire d’un bord intérieur ou extérieur de l’hélice ; bien qu’ici le dispositif comprenne un arbre tubulaire muni de bouchons, l’invention s’applique également à d’autres types d’arbres creux comme un arbre foré et bouché en une extrémité ou un conduit réalisé par fabrication additive ; bien qu’ici le dispositif soit un dispositif de carbonisation hydrothermale, l’invention s’applique également à d’autres types de traitement thermochimique en continu comme par exemple l’hydrolyse ou la réhydratation à chaud ; bien qu’ici le dispositif de traitement comprenne un volume d’alimentation en vapeur, l’invention s’applique également à d’autres types d’alimentation en vapeur du dispositif d’injection de vapeur comme par exemple un conduit relié en une extrémité de l’arbre ; bien qu’ici les ports d’alimentation, d’entrée et d’évacuation débouchent dans le volume interne de l’enceinte par des orifices réalisés dans le mur pour réaliser une injection de vapeur, un approvisionnement et une évacuation en matière selon une direction radiale, l’invention s’applique également à d’autres types de ports comme par exemple des ports débouchant dans la cloison ou la paroi de fermeture ou d’ouverture selon des directions longitudinale ou quelconques. Le plan radial considéré étant alors le plan de la cloison ou de la paroi ; bien qu’ici la cannelure soit rapportée par soudage sur le conduit de diffusion , l’invention s’applique également à d’autres moyens de solidariser rigidement la cannelure au conduit de diffusion telle que le vissage, le collage, ou l’usinage pleine masse ; bien qu’ici les perforations radiales soient réalisées sous la forme d’ensemble de huit réalisées à quarante-cinq degrés, l’invention s’applique également à d’autres moyens de réaliser l’injection de vapeur comme par exemple des perforations par ensemble de deux à huit ou plus de huit, voire d’un conduit central poreux ; bien qu’ici la deuxième distance soit sensiblement égale à la première distance , l’invention s’applique également à d’autres configuration du conduit de diffusion, comme par exemple un conduit de diffusion qui s’étend sur une deuxième distance considérée selon la direction longitudinale égale ou supérieure à la moitié de la première distance ; bien qu’ici la vis comprenne un motoréducteur pour en assurer la rotation, l’invention s’applique également à une vis fixe de guidage de la matière à traiter, la matière à traiter étant injectée sous pression ; bien qu’ici l’injection de vapeur soit réalisée selon une direction essentiellement radiale, l’invention s’applique également à d’autres types d’orientation d’injection de vapeur comme par exemple une injection selon une direction comprenant une composante essentiellement longitudinale ; bien qu’ici, le dispositif est décrit en application à un procédé de carbonisation hydrothermale, l’invention s’applique également à d’autres types de traitement thermochimique, comme par exemple un procédé d’hydrolyse. Dispositif de traitement (1) thermochimique en continu de matière (80) à traiter comprenant : - une enceinte (10) s’étendant selon un axe longitudinal (Ox) et qui définit un volume interne (15) de l’enceinte (10); - un port d’entrée (18) de matière (80) et un port d’évacuation (19) de matière (80) qui débouchent respectivement dans un plan radial d’alimentation (PRA) et dans un plan radial d’évacuation (PRE), le plan radial d’alimentation (PRA) et le plan radial d’évacuation (PRE) étant séparés par une première distance longitudinale (DEA); - un dispositif d’injection (60) de vapeur (50) dans le volume interne (15); - une hélice (30) de type vis sans fin s’étendant dans le volume interne (15) et qui est agencée pour transférer la matière (80) depuis le port d’entrée (18) vers le port d’évacuation (19); dans lequel le dispositif d’injection (60) de vapeur (50) comprend un conduit de diffusion (61) de vapeur (50) qui s’étend dans le volume interne (15) sur une deuxième distance (D 61 ) considérée selon la direction longitudinale (Ox) qui est au moins égale à la moitié de la première distance (D EA ). Dispositif de traitement (1) selon la revendication 1, dans lequel le conduit de diffusion (61) s’étend selon une direction sensiblement parallèle à l’axe longitudinal (Ox). Dispositif de traitement (1) selon la revendication 2, dans lequel le conduit de diffusion (61) s’étend selon l’axe longitudinal (Ox). Dispositif de traitement (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le dispositif d’injection (60) est agencé pour réaliser une injection de vapeur (50) selon une direction essentiellement radiale. Dispositif de traitement (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’hélice (30) comprend une cannelure (32) hélicoïdale rigidement solidaire du conduit de diffusion (61) de vapeur(50). Dispositif de traitement (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’hélice (30) comprend une cannelure (32) hélicoïdale distincte du conduit de diffusion de vapeur (50). Dispositif de traitement (1) selon la revendication 6, dans lequel la cannelure (32) hélicoïdale est solidaire d’un mur (11) de l’enceinte (10). Dispositif de traitement (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’hélice (30) est actionnée. Dispositif de traitement (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’enceinte (10) comprend une cloison (14) qui sépare le volume interne (15) en un volume de traitement (16) de la matière (80) et un volume d’alimentation (17) en vapeur (50), le conduit de diffusion (61) comprenant une portion d’alimentation (38) en vapeur (50) s’étendant dans le volume d’alimentation (17) en vapeur (50). Dispositif de traitement (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le conduit de diffusion (61) comprend des perforations (40). Dispositif de traitement (1) selon la revendication 1, comprenant un arbre (31) creux s’étendant selon la direction longitudinale (Ox) et qui comporte le conduit de diffusion (61), une cannelure hélicoïdale (32) étant rapportée sur l’arbre (31) pour définir l’hélice (30), l’arbre (31) comprenant des perforations (40) radiales pour relier un conduit interne (33) de l’arbre (31) au volume interne (15) de l’enceinte (10), l’enceinte (10) comprenant une cloison (14) radiale qui sépare le volume interne (15) en un volume de traitement (16) de la matière (80) et un volume d’alimentation (17) en vapeur (50), le conduit de diffusion (61) comprenant une portion d’alimentation (38) s’étendant dans le volume d’alimentation (17) en vapeur (50), l’arbre (31) comprenant une extrémité (36) solidaire d’un actionneur (37) d’entrainement en rotation de l’arbre (31) autour d’un axe de rotation longitudinal (Ox).