DOMAINE DE L'INVENTION

Le domaine de l'invention est celui du traitement des sables bitumineux. L'invention concerne en particulier un procédé de traitement de sables bitumineux en milieu liquide, consistant à effectuer une séparation de phases (minéral, hydrocarbures et eau) qui permet de récupérer le bitume avec un maximum de rendement et d'obtenir conséquemment un sable propre débarrassé des hydrocarbures. L'invention concerne également des dispositifs de mise en œuvre d'un tel procédé.

ETAT DE LA TECHNIQUE

On appelle sables bitumineux (en anglais « tar sands » ou « oil sands ») les réserves d'hydrocarbures constituées d'un mélange d'huiles lourdes dégradées en bitumes et de sable. Typiquement, le contenu moyen en bitume est de 5 % à 20 % en poids de matière minérale. Un procédé classique d'exploitation de ces réserves est l'extraction dans des mines à ciel ouvert : le sable bitumineux est excavé, et les bitumes sont ensuite séparés du sable par lavage. Ces lavages sont très consommateurs en eau, ce qui a un impact écologique considérable malgré les importants recyclages d'eau opérés, puisque les eaux usées sont évacuées et soumises à un lagunage dans des bassins de décantation (« tailings ponds » en anglais) destiné à purifier l'eau avant son rejet à l'environnement. Des quantités massives d'eau chaude additionnée de soude et d'additifs sont utilisées. Ces techniques conventionnelles posent des problèmes environnementaux majeurs. Par exemple, le lagunage massif est actuellement pratiqué avec les eaux de rejet des installations d'extraction de bitume en Alberta, au Canada. Ces eaux de rejet, déversées dans de vastes bassins artificiels de plusieurs kilomètres carrés, ont fait l'objet d'une première directive environnementale spécifique au Canada (Directive 074 approuvée par Γ « Energy Resources Conservation Board of Alberta » le 3 février 2009), suite à la controverse suscitée essentiellement par des organisations non-gouvernementales. Ainsi, les problèmes de ressources en eau, de lagunage massif des eaux usées et de dégradation de la biodiversité en général, remettent en question l'exploitation des sables bitumineux selon les techniques conventionnelles de production minière à ciel ouvert.

Des techniques alternatives n'utilisant pas ou peu d'eau sont connues.

Ainsi, l'extraction cryogénique des sables bitumineux a fait l'objet d'une étude ancienne par des chercheurs de l'université UWO London Ontario (Welmers et al ¹ -*). La technique utilisée est basée sur un principe physique connu : la fraction bitume du minerai devient cassante à une température inférieure à la température de transition vitreuse (« Tg » en anglais) du bitume. La température de transition vitreuse du bitume est comprise entre - 15°C et -40 °C, et se situe classiquement autour de -20°C. Exposé à sa température de transition vitreuse ou à des températures inférieures, la fraction bitume d'un sable bitumineux se divise alors en particules fines, qui sont ensuite récupérées. Ce procédé est conventionnellement appelé extraction cryogénique. L'extraction cryogénique peut être combinée à une étape de broyage mécanique. Ce procédé est alors conventionnellement appelé broyage cryogénique.

Une technique particulière de broyage cryogénique mis en œuvre par Welmers et al. (A. Welmers, M. A. Bergougnou, G. J. Baker, « Cryogénie recovery of tar from athabasca tar sands », Canadian journal of Chemical Engineering, vol. 56, pages 99-102, 1978) résulte de la combinaison du broyage du sable bitumineux congelé par un broyeur à boulets qui raclent la surface d'une grille de fluidisation, et de l'attrition (élutriation) produite par un lit fiuidisé au sein duquel le sable bitumineux est introduit en continu et fiuidisé par de l'azote gazeux refroidi. Le refroidissement est obtenu par échange thermique de l'azote gazeux avec du diazote liquide. Un inconvénient majeur de la technique développée par Welmers et al. est que les résultats d'extraction sont limités en performance bien que le taux de récupération de bitume soit de 90 % environ. En effet, à partir de 100 tonnes de sable bitumineux sec contenant 14 % de bitume et 86 % de matière minérale, la technique selon Welmers et al. ne permet d'obtenir que 21 tonnes de produit enrichi contenant encore 40 % de minéral, et 60 % de bitume. Le produit final d'extraction, bien qu'enrichi en bitume, contient donc une part encore trop importante de matière minérale pour faire de cette technique une alternative satisfaisante à l'extraction par lavage.

D'autres procédés de broyage cryogénique ont été proposés, également basés sur l'association d'un traitement à basse température et d'un traitement mécanique. Là encore, il s'agit de réduire la fraction bitume du sable bitumineux en particules fines de façon à faciliter la séparation entre la fraction bitume et la fraction minérale.

La demande de brevet WO 2011/097735 décrit ainsi un procédé de broyage cryogénique comprenant la succession d'opérations unitaires suivante :

• production de pellets par agglomération du sable bitumineux selon une technique classique de broyeur à rouleaux sur plaques perforées ;

• refroidissement et maintien des pellets à basse température pour éviter toute agglomération de ceux-ci, par utilisation d'une chute à contre-courant de gaz froid ;

• transport des pellets avec gaz froid vers des outils de broyage cryogénique ;

• broyage des pellets à basse température au moyen de techniques classiques telles que des broyeurs à boulets, marteaux, à impact, etc ; • séparation des fines particules par cyclonage, filtres ou dépoussiéreur électrostatique.

Une alternative possible décrite pour cette étape de séparation des fines particules est de broyer en présence de glycol qui est encore liquide à la température du procédé, et dont la masse volumique est intermédiaire entre le bitume et le sable. Toutefois, que le broyage soit réalisé à sec ou en présence de glycol, la technique décrite dans cette demande de brevet consiste d'abord à agglomérer le sable bitumineux, puis à broyer les agglomérats obtenus, ce qui constitue deux opérations unitaires à finalité inverse l'une de l'autre, toutes les deux coûteuses en énergie et en matériel. L'intérêt pratique de cette méthode est donc limité.

Un autre procédé de broyage cryogénique est également décrit dans la demande de brevet canadien CA 2738011. Ce procédé vise également à fragmenter à basse température la fraction bitume du sable bitumineux, en facilitant la rupture d'adhésion du bitume à la matière minérale. Une succession d'opérations unitaires bien connues de l'état de l'art, toutes opérées à basse température, est également mise en œuvre selon ce procédé. Celui-ci débute par deux étapes de broyage, qui s'achèvent par un tamisage classique générant deux flux de particules de taille différente : un flux de fines particules, et un flux de grosses particules. Le flux de grosses particules est alors soumis à un broyage additionnel qui produit une quantité supplémentaire de fines particules, lesquelles sont ajoutées au flux principal initial de fines particules. Comme ces dernières contiennent encore une teneur non négligeable de matière minérale, ce flux de particule dont le diamètre est typiquement inférieur à 5 ou 10 μιη est soumis à deux opérations mécaniques de séparation, classiquement employées dans l'industrie des poudres, mettant en œuvre un impacteur à zig-zag et un séparateur à vortex imposé, le dispositif mis en œuvre étant complété au final par un dépoussiéreur électrostatique.

Comme c'est également le cas pour le procédé divulgué dans la demande WO 2011/097735, le procédé selon CA 2738011 est un procédé entièrement mécanique, dans lequel une température basse est maintenue par circulation permanente de gaz froid. Un tel procédé se caractérise par une grande complexité, ce qui est nécessairement une source de disfonctionnements divers, et implique par conséquent des coûts élevés en termes de mise en œuvre, par exemple liés à la consommation élevée en énergie, et à de probables insuffisances de fiabilité opérationnelle. En outre, la manipulation de poudres sèches et combustibles présente des risques sévères sur le plan de la sécurité industrielle.

Les techniques de broyage cryogénique décrites ci-dessus, qui aboutissent à la production d'une fraction enrichie par rapport au sable bitumineux initial, ne permettent cependant pas d'extraire le bitume avec un rendement de matière et un rendement énergétique satisfaisants par rapport à la matière première, et sont en outre très sensibles à la nature du sable bitumineux traité. En effet, ces techniques présentent une fiabilité très limitée en raison des variations des matières d'origine minière à traiter, notamment les variations de composition et de comportement mécanique, rhéologique ou physicochimique, liées au lieu et aux conditions d'exploitation minière mises en œuvre.

D'autres techniques d'extraction de la fraction bitumineuse des sables bitumineux, basées sur l'utilisation de solvants en association avec un procédé à froid, sont connues.

Le brevet US 3993555 décrit une technique qui associe une mise en contact de sables bitumineux, provenant de l'extraction minière à ciel ouvert, avec du toluène refroidi, de telle sorte que la température du mélange est inférieure à -19°C. Une telle mise en contact est effectuée soit par l'utilisation de systèmes mélangeur-décanteur en cascade (« mixer-settlers » en anglais), soit par simple lessivage (« leaching » en anglais). Lors de cette opération, le toluène froid est utilisé pour solubiliser le bitume, ce qui permet d'obtenir une suspension liquide/solide qui est traitée en aval, où le liquide est une solution de bitume et de toluène, et où la phase solide est constituée de sable et de glace. Cette suspension, toujours maintenue à basse température, est alors soumise à une simple centrifugation ou est traitée dans une décanteuse centrifuge. La phase liquide, comprenant le bitume et le toluène, est récupérée, puis réchauffée et soumise à une distillation classique, afin d'obtenir la séparation du bitume et du toluène, le bitume restant en fond de colonne. Le toluène est ensuite renvoyé en amont de la chaîne d'extraction, pour être à nouveau mélangé avec des sables bitumineux. Malgré sa complexité, ce procédé a des performances limitées puisque, selon le brevet US 399355, le taux de récupération n'est que de 89 %. Sa consommation énergétique est d'autre part considérable en raison des quantités importantes de toluène utilisées liées au taux de solvant toluène/bitume mis en œuvre au niveau de 6,5. Il présente en outre l'inconvénient majeur d'utiliser un solvant organique potentiellement nocif et écotoxique, ce qui limite fortement l'intérêt du procédé.

Le brevet US 4498971 divulgue un autre procédé d'extraction du bitume des sables bitumineux, combinant un broyage cryogénique à l'utilisation de solvants pour la séparation du bitume et du sable. Ce procédé consiste à refroidir le sable bitumineux, à une température de -60°C (très basse donc coûteuse en énergie), et à lui faire subir un broyage associé à un tamisage du solide résultant, avec une maille de 150 μιη, puis à traiter les particules résultantes à l'aide de solvants. Une fois tamisé, le sable bitumineux broyé se présente sous forme de deux classes de granulométrie respectivement inférieure et supérieure à 150 μιη. Ces deux classes subissent deux voies séparées de traitement. La fraction lourde, de granulométrie supérieure à 150 μιη, est mélangée à du n-hexane et conduit à l'obtention d'un bitume, probablement désasphalté, en même temps qu'à l'obtention d'un brai, séparé par fïltration. La fraction légère, de granulométrie inférieure à 150 μιη, est elle aussi mélangée à du n-hexane. En fond de décanteur, il est produit du sable mélangé à du brai, et en tête du décanteur, se concentre un liquide qu'il faut filtrer, afin de séparer le mélange constitué d'« hydrocarbures polaires » et de brai, d'un liquide composé d'huile désasphaltée et de n-hexane. Le liquide huile désasphaltée/n-hexane est ensuite distillé en vue de la récupération du solvant n-hexane, provenant du traitement de la fraction légère, pour son recyclage total. En aval de ces traitements spécifiques des fractions lourde et légère, les deux fractions de bitume désasphalté sont mélangées en ligne et soumises à un désasphaltage final, opéré à l'aide d'un deuxième solvant, qui est du n- pentane. Un tel procédé est incontestablement complexe : l'ensemble de celui-ci est opéré à basse température, fait intervenir trois unités de désasphaltage, un gros broyeur cryogénique, une étape de tamisage, des étapes de fïltration avec au moins trois filtres de grosse capacité, et utilise deux solvants paraffiniques qui doivent être récupérés et recyclés. Il en résulte un procédé très coûteux, à la fois en investissement financier et en énergie, et dont la performance en rendement carbone par rapport au bitume du sable bitumineux n'est pas satisfaisante.

Les technologies d'extraction du bitume des sables bitumineux décrites ci-dessus ne conduisent pas à des résultats satisfaisants, ni en termes de taux de récupération du bitume, ni en termes de coût et complexité du procédé.

OBJECTIFS ET RESUME DE L'INVENTION

Il apparaît donc encore nécessaire de fournir un procédé de traitement des sables bitumineux qui surmontent les inconvénients des technologies existantes mentionnées plus haut.

L'invention vise en particulier à fournir un procédé de traitement des sables bitumineux simple à mettre en œuvre, ne nécessitant pas de faire appel à des techniques énergétiquement coûteuses et délicates à exploiter, telles que les méthodes de désasphaltage utilisant des solvants lourds, le broyage et tamisage fin, ou la centrifugation.

L'invention vise également à satisfaire au moins l'un des objectifs suivants :

• fournir un procédé qui n'utilise pas ou peu d'eau, qui n'utilise ni soude, ni additifs polluants, et qui permet d'éviter le lagunage ;

• fournir un procédé facilement industrialisable, dont l'exploitation est compatible avec les fortes capacités de production envisagées et les conditions générales de fonctionnement des installations minières ;

• fournir un procédé présentant un taux élevé de récupération qui permette de rejeter un sable propre pouvant être réincorporé dans le sol de la mine après séparation ;

• fournir un procédé dans lequel la pression appliquée est modérée et la température basse facile à contrôler par une simple régulation de pression opératoire ;

· fournir un procédé qui ne produit pas ou peu de déchets ;

• fournir un procédé permettant une séparation et un recyclage aisés du liquide solvant chargé d'extraire le bitume du sable ;

• fournir un procédé qui ne présente pas de danger d'utilisation, notamment vis-à- vis de l'inflammabilité des matières traitées (solvants, poudre inflammable, etc). Pour atteindre au moins l'un de ces objectifs, la présente invention propose, selon un premier aspect, un procédé de traitement d'un sable bitumineux, comprenant les étapes suivantes:

(1) mettre en contact et mélanger dans une capacité le sable bitumineux avec un fluide de séparation présent à l'état liquide à la température d'opération et à la pression d'opération, la température d'opération étant inférieure ou égale à la température de transition vitreuse du bitume ;

(2) séparer la phase solide comprenant essentiellement la phase minérale, notamment du sable, de la phase liquide comprenant essentiellement le bitume et le fluide de séparation ;

(3) extraire le bitume compris dans la phase liquide.

Lors de la première étape du procédé selon l'invention, le sable bitumineux est mis en contact avec un fluide de séparation qui présente la caractéristique d'être liquide à la température d'opération et à la pression d'opération. Cette première étape est mise en œuvre à une température d'opération qui est inférieure ou égale à la température de transition vitreuse du bitume. Ainsi, la mise en contact du sable bitumineux avec le fluide de séparation permet de refroidir le sable bitumineux à une température inférieure ou égale à la température de transition vitreuse du bitume.

Exposé à une température inférieure ou égale à sa température de transition vitreuse, un sable bitumineux peut subir deux types d'effets physico-chimiques. D'une part, il est bien connu que le coefficient de dilatation thermique du bitume est plus élevé que celui d'un matériau minéral tel que le sable ou les argiles. Le refroidissement d'un sable bitumineux peut donc provoquer une diminution de la cohésion existante entre fraction bitumineuse et sable. De plus, le bitume devenant plus cassant que le sable, il peut se diviser alors en particules fines, qui pourraient être ensuite récupérées. D'autre part, il est admis que le sable bitumineux, en particulier d'origine canadienne, peut être constitué de minéral, et notamment de grains de sable, entouré d'un film d'eau, lui-même enrobé dans une fine couche de bitume. Le refroidissement du sable bitumineux s'accompagne alors de la transformation du film d'eau en une fine pellicule de glace qui peut faciliter le phénomène d'écaillage et de libération du bitume.

La première étape du procédé selon l'invention comprend également le mélange du sable bitumineux et du fluide de séparation qui ont été mis en contact. Ce mélange permet avantageusement de communiquer une énergie mécanique au sable bitumineux suffisante pour que cette énergie, combinée au refroidissement, permette de rompre l'adhésion du bitume à la matière minérale, et ainsi de détacher la couche de bitume de la matière minérale. Le mélange permet également de désagglomérer les grains de sable bitumineux qui peuvent éventuellement être agglomérés. Avantageusement, l'énergie mécanique apportée par le mélange peut aussi permettre une désagrégation du bitume lui-même, ce qui facilite son entraînement par le fluide de séparation.

Dans le procédé de traitement selon l'invention, les opérations de refroidissement du sable bitumineux et d'apport d'énergie mécanique sont effectuées en même temps que l'apport d'un liquide de séparation. Grâce à ses propriétés physico-chimiques, et en particulier son pouvoir solvant, le liquide de séparation permet d'améliorer signifïcativement le taux de récupération du bitume.

Dans le mode de réalisation préférentiel, la température d'opération est comprise entre -20°C et -65°C, et la pression d'opération est comprise entre 5 bars et 25 bars, de préférence entre 5 bars et 15 bars. La température et la pression d'opération peuvent être maintenues pendant toute la durée des étapes du procédé de traitement selon l'invention.

Dans le mode de réalisation préférentiel, le fluide de séparation est du dioxyde de carbone. L'utilisation de dioxyde de carbone (C0 ₂ ) comme fluide de séparation est avantageuse dans la mesure où il s'agit d'un produit très largement disponible à haute pureté et à très bas prix. Le dioxyde de carbone est par exemple accessible à partir de plateformes pétrochimiques (production d'ammoniac par exemple) ou de raffinage (unité de production d'hydrogène par reformage à la vapeur d'eau par exemple), à partir de gisements naturels ou encore à partir de l'épuration de gaz naturel (unité de décarbonatation par exemple). Un autre intérêt du dioxyde de carbone pour la présente invention est lié à ses propriétés thermodynamiques. Le dioxyde de carbone peut en effet être utilisé très facilement à l'état liquide, dès que la pression est supérieure à 5,18 bars, mais aussi à l'état solide sous pression atmosphérique, dès que la température atteint -78,5°C. En pratique, le dioxyde de carbone liquide est donc stockable et transportable à basse température (< -20°C) et moyenne pression (entre 5 et 18 bars par exemple).

Dans un mode de réalisation alternatif, le fluide de séparation est un composé pur ou un mélange de composés appartenant à la famille des fluides frigorigènes nommés conventionnellement « fréons » et qui pourraient être des CFC (chlorofluorocarbones), des HCFC (hydrochlorofluorocarbones) ou encore des HFC (hydrof uorocarbones). L'utilisation des HFC est encore autorisée dans de nombreux pays car ils sont moins nocifs pour la couche d'ozone stratosphérique que les CFC ou des HCFC.

Alternativement, le fluide de séparation peut être choisi parmi les gaz de pétrole liquéfiés (LPG en anglais) tels que le butane ou le propane, mis en œuvre purs ou en mélange et pouvant contenir certaines proportions variables de composés oléfmiques ou dioléfïniques à nombre de carbone équivalent.

Dans le mode de réalisation préférentiel, le fluide de séparation a une affinité plus forte pour le bitume que pour le sable.

Dans le mode de réalisation préférentiel, l'étape de séparation (2) de la phase liquide et la phase solide est une étape de séparation gravitaire, réalisée dans un décanteur situé en aval de la capacité. Dans ce cas, le fluide de séparation est choisi parmi les fluides dans lesquels le bitume est au moins partiellement insoluble et ayant une masse volumique supérieure à la masse volumique du bitume mais inférieure à la masse volumique du sable. Le fait que le fluide de séparation ait une masse volumique supérieure à la masse volumique du bitume permet avantageusement d'éviter que le bitume ne se remélange à la phase solide.

Dans un mode de réalisation particulier, la fraction bitume est extraite de la phase liquide surnageante par évaporation du fluide de séparation, de préférence par détente du fluide lorsque ce fluide est un liquide sous pression.

Dans un mode de réalisation particulier, la phase liquide surnageante est hétérogène et comprend une couche superficielle contenant la majeure partie du bitume et une phase liquide claire contenant essentiellement le fluide de séparation à l'état liquide. L'extraction de bitume est alors réalisée par écrémage mécanique de la phase liquide hétérogène.

L'extraction du bitume peut également être réalisée par débordement comme cela est pratiqué dans les équipements industriels de séparation primaire du bitume. Il est aussi possible d'utiliser un procédé d'hydrocyclonage pour réaliser cette extraction.

Dans un mode de réalisation particulier, l'étape de mise en contact (1) et l'étape de séparation (2) sont réalisées en utilisant un même dispositif, qui peut être muni de moyens de chauffage et de dépressurisation.

Dans un mode de réalisation particulier, le procédé comprend en outre une étape de récupération du fluide de séparation, préférentiellement par dépressurisation et / ou chauffage de la phase liquide surnageante.

L'invention sera mise en évidence avec ses avantages apparents au travers de la description et des exemples ci-dessous, donnés à titre non limitatif.

BREVE DESCRIPTION DES DESSINS

La figure 1 est un schéma illustrant un premier mode de réalisation de l'invention. La figure 2 est un schéma illustrant un mode alternatif de réalisation de l'invention.

La figure 3 est un schéma illustrant un autre mode de réalisation de l'invention. La figure 4 est un schéma illustrant un autre mode de réalisation de l'invention. La figure 5 est un schéma illustrant un autre mode de réalisation de l'invention.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION

Dans la description de l'invention et les exemples particuliers de l'invention qui suivent, il est fait référence aux dessins annexés. Le procédé de traitement de sable bitumineux selon l'invention peut comprendre une étape préliminaire consistant à conditionner le sable bitumineux par triage grossier et/ou calibrage.

La figure 1 illustre schématiquement un mode de réalisation du procédé selon l'invention. Le sable bitumineux, par exemple acheminé par un convoyeur depuis le site d'extraction minière, et éventuellement débarrassé au préalable des matières étrangères qui peuvent être entraînées avec lui, est introduit dans une capacité 10, et mélangé au sein de celle-ci à une solution de dioxyde de carbone liquide. Cette mise en contact s'effectue de telle manière que le dioxyde de carbone demeure en phase liquide dans les conditions de température et de pression auxquelles se fait l'étape de mise en contact. Le mélange est ainsi réalisé de préférence à une température comprise entre -15°C et -40°C et sous pression modérée, de préférence comprise entre environ 5 et 25 bars. La température appliquée lors de cette étape de mise en contact est inférieure ou égale à la température de transition vitreuse du bitume contenu dans le sable bitumineux, considérée comme étant de -20°C. Cela permet de fragiliser par le froid la cohésion du système fraction minérale / fraction bitume, les deux fractions ayant des coefficients d'expansion thermique très différents. Ainsi, la séparation et l'entraînement du bitume sont favorisés.

La capacité 10 est de préférence équipée de moyens 20 de mise en contact et de mélange du sable bitumineux et du dioxyde de carbone liquide, de manière à faciliter les échanges thermiques, c'est-à-dire le transfert de chaleur, et le transfert de matière entre les différentes fractions. Un simple mobile d'agitation, par exemple de type vis, permet de fournir le minimum d'énergie mécanique nécessaire. L'efficacité des échanges thermiques lors de cette l'étape de mise en contact permet d'éviter que les particules de sable bitumineux ne restent collées les unes aux autres, et limite ainsi la formation de gros agglomérats de rapport surface/volume défavorable à l'entraînement du bitume dans le dioxyde de carbone liquide. L'utilisation du dioxyde de carbone liquide comme fluide de séparation permet d'assurer un bon coefficient de transfert de frigories au sable bitumineux. Ce coefficient est largement supérieur à celui qui serait obtenu avec un gaz froid. De plus, il permet d'opérer à une température basse et facile à contrôler par simple régulation de la pression.

Selon un mode de réalisation de l'invention, la capacité 10 est un contacteur solide/liquide à flux continu, tel qu'une cuve agitée, présentant par exemple un fond conique, ou une cuve munie d'une vis intérieure avec ou sans tube de guidage, qui peut être également une vis à axe incliné. D'autres capacités peuvent cependant être utilisées. L'homme du métier se référera notamment aux équipements décrits dans les ouvrages suivants :

- Agitation et mélange, C. Xuereb, M. Poux, J. Bertrand, éditions DUNOD, Paris 2006 - ISBN 2100497006, - Perry's Chemical Engineers' Handbook, D. Green, R. Perry, Mac Grow Hill, 8 ^th édition.

L'étape de mise en contact a préférentiellement une durée comprise entre deux minutes et cinq heures, préférentiellement de deux minutes à deux heures.

Le procédé selon l'invention comprend en outre après l'étape de mise en contact une étape de séparation, préférentiellement une étape de séparation gravitaire réalisée en utilisant un décanteur gravitaire (non représenté) en aval de la capacité 10. Le décanteur gravitaire a par exemple la forme des séparateurs bi ou tri phasiques, tels que couramment utilisés dans l'industrie pétrolière. Le décanteur est de préférence muni de moyens de chauffage et de dépressurisation. Dans un mode de réalisation particulier, les fonctions de mise en contact et de décantation sont assurées par un même dispositif, typiquement un mixer-settler bien connu de l'art dans le domaine du génie chimique.

A l'issue de l'étape de séparation gravitaire, une phase solide 40 est obtenue au fond du dispositif surmontée par une phase liquide surnageante 70. La phase solide 40 comprend majoritairement du sable et des argiles exempts d'hydrocarbures. La phase liquide 70, pratiquement homogène, comprend :

le dioxyde de carbone liquide,

le bitume séparé de la phase minérale,

la glace provenant de la solidification de l'eau initialement présente dans le sable bitumineux.

La fraction bitume est ensuite extraite de la phase liquide. Cette étape est réalisée dans un ballon alimenté par la phase liquide 70. Le dioxyde de carbone est éliminé par décompression, ce qui permet de récupérer le bitume avec un très bon rendement. Dans un mode de réalisation particulier, un dispositif de réchauffage complémentaire est associé au dispositif de dépressurisation.

Avantageusement, le bitume ainsi récupéré est ultérieurement déshydraté et dessalé par des techniques bien connues de l'industrie pétrolière, en amont de l'étape d'upgrading indispensable pour transformer le bitume en un pétrole de qualité conventionnelle. Un autre mode de réalisation, similaire à celui de la figure 1, est représenté à la figure 2. Dans ce mode de réalisation, une phase liquide hétérogène 80 coexiste avec la phase solide 40 à la suite de l'étape de mise en contact. Cette phase liquide 80 comprend une phase liquide surnageante 60 dans laquelle le bitume se trouve majoritairement, tandis que le reste de la phase liquide 50 comprend du dioxyde de carbone liquide hydraté. Dans ce mode de réalisation, la phase liquide surnageante 60 est séparée du liquide 50, par exemple par écrémage mécanique, afin de récupérer le bitume, avant de dépressuriser la phase liquide 50 plus claire, en vue de récupérer le dioxyde de carbone à l'état gazeux.

Le lecteur comprendra aisément que ce qui distingue les modes de réalisation décrits par les figures 1 et 2 est que dans le cas représenté sur la figure 2, le bitume est au moins partiellement insoluble dans le fluide de séparation alors qu'il est totalement soluble dans le cas représenté sur la figure 1.

Dans tous les modes de réalisation selon l'invention, le dioxyde de carbone est de préférence recyclé : le dioxyde de carbone gazeux est recueilli après séparation du bitume, renvoyé vers une section de purification, puis recomprimé pour être réutilisé liquide à un taux maximum dans le procédé.

Dans les modes de réalisation décrits ci-dessus, du dioxyde de carbone liquide est utilisé. Cependant, tout autre fluide de séparation pourra être utilisé dans la mesure où il est présent à l'état liquide à la température d'opération et à la pression d'opération, la température d'opération étant inférieure ou égale à la température de transition vitreuse du bitume. De façon préférentielle, on choisira un fluide de séparation ayant une ou plusieurs des propriétés suivantes :

• le fluide est à l'état liquide entre environ -15°C et -40°C. Dans ces conditions, disposer d'un liquide sous pression est avantageux puisqu'il pourra être séparé du bitume par simple décompression et recyclable par recompression ;

• le fluide présente avantageusement une plus forte affinité pour le bitume que pour la sable ;

• le fluide, quand il est à l'état liquide sous pression, présente une masse volumique telle qu'il puisse être facilement séparé de la fraction minérale du sable bitumineux par séparation gravitaire ;

• le fluide est avantageusement non toxique ;

• le fluide est avantageusement bon marché, particulièrement s'il provient d'une source naturelle proche de la ressource en sables bitumineux ;

• le fluide est avantageusement recyclable au cours du procédé, en minimisant la perte de charge de la boucle opératoire du procédé.

Des fluides frigorigènes, tels que les fréons ou d'autres types de solvants fluoro- carbonés, peuvent être utilisés en tant que fluide de séparation du bitume du sable bitumineux.

Le procédé selon l'invention comporte avantageusement un nombre restreint d'étapes unitaires, évitant toute manipulation toujours délicate de solides pulvérulents secs et de broyage à haute intensité mécanique. Par ailleurs, le procédé proposé permet la mise en œuvre d'installations simples de type mélangeur-décanteur qui sont bien connues des industries pétrolières et minières, et sont par conséquent plus facilement industrialisables.

Le procédé selon l'invention présente également l'avantage de ne pas avoir recours à un appoint d'eau, minimisant ainsi très fortement les problèmes de traitement existant d'eaux usées et de lagunage, et de consommation énergétique associée.

Les figures 3, 4 et 5 illustrent des modes de mise en œuvre du procédé selon la présente invention. Ces figures représentent notamment des schémas de principe de procédés pouvant fonctionner en continu, ce qui est avantageux pour traiter les quantités importantes de sables bitumineux qu'on ne peut valoriser que par des méthodes de type minier. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 3, le sable bitumineux 101 à traiter est introduit dans une trémie d'alimentation 102. L'actionnement d'une vanne 103 permet d'introduire le sable bitumineux dans un contacteur solide/liquide 104. Il peut s'agir tout particulièrement d'un contacteur solide/liquide agité mécaniquement à tambour incliné rotatif, de type bétonnière. Le contacteur 104 est mis en rotation par un moteur 105. Dans ce contacteur 104, le sable bitumineux est mis en contact et mélangé avec un fluide de séparation liquide qui est introduit par la ligne 116. Le mélange sable bitumineux / fluide de séparation est récupéré en sortie du contacteur 104 dans la ligne 106 pour être introduit dans un décanteur séparateur 107. Ce dispositif permet de séparer par débordement une phase solide contenant essentiellement de la matière minérale, notamment du sable, d'une phase liquide comprenant essentiellement le bitume et le fluide de séparation et d'une phase gazeuse comprenant essentiellement du fluide de séparation gazeux. La phase solide est récupérée par la ligne 108. La phase liquide est récupérée en sortie du décanteur séparateur 107 dans la ligne 109 pour être introduite dans un séparateur liquide/gaz 110. Le bitume compris dans la phase liquide est obtenu par décompression dans le séparateur liquide/gaz 110, qui est muni d'une vanne de régulation 112 asservie à un régulateur de pression 111. Le bitume est récupéré par la ligne 113 tandis que le fluide de séparation sous forme gazeuse est dirigé vers la ligne 114. La phase gazeuse du décanteur séparateur 107 est récupérée par la ligne 121, via la vanne 122 qui est asservie à un régulateur de pression 123. Cette phase gazeuse comprenant essentiellement du fluide de séparation gazeux est mélangée au fluide de séparation sous forme gazeuse de la ligne 114 provenant du séparateur liquide/gaz 110. Le fluide de séparation sous forme gazeuse est dirigé jusqu'à l'aspiration du compresseur 115, au refoulement duquel est récupéré le fluide de séparation sous forme liquide qui est réintroduit dans le contacteur solide/liquide 104 par la ligne 116.

Ce mode de réalisation représenté sur la figure 3 s'adapte bien au cas où le bitume est totalement soluble dans le fluide de séparation.

Le mode de réalisation représenté sur la figure 4 est identique à celui représenté sur la figure 3, à l'exception du décanteur. En effet, dans le mode de réalisation représenté sur la figure 4, le mélange sable bitumineux / fluide de séparation récupéré en sortie du contacteur 104 est introduit via la ligne 106 dans un décanteur séparateur multiphasique 117. Ce dispositif 117 permet de séparer par débordement :

- une phase solide contenant essentiellement de la matière minérale, notamment du sable, - une première phase liquide comprenant essentiellement du fluide de séparation,

- une seconde phase liquide comprenant essentiellement le bitume et du fluide de séparation, et

- une phase gazeuse comprenant essentiellement du fluide de séparation gazeux. La phase solide, notamment le sable, est récupérée par la ligne 108. La première phase liquide est récupérée en sortie du décanteur séparateur multiphasique 117 dans la ligne 118. Elle est alors pompée à l'aide de la pompe 119 et est directement réintroduite dans le contacteur liquide/solide 104 via la ligne 120. Une vanne 124, asservie à un régulateur de niveau 125 permet de récupérer la seconde phase liquide qui contient le bitume et du fluide de séparation via la ligne 109 pour être introduite dans un séparateur liquide/gaz 110. Enfin, la phase gazeuse est récupérée par la ligne 121 comme décrit dans le mode de réalisation représenté sur la figure 3.

Ce mode de réalisation représenté sur la figure 4 est bien adapté au cas où le bitume est au moins partiellement insoluble dans le fluide de séparation. Par comparaison avec le mode de réalisation représenté sur la figure 3, le système constitué des éléments 118-119- 120 permet avantageusement d'économiser de l'énergie de recompression du C0 ₂ et d'améliorer le taux de récupération du bitume.

Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 5, le sable bitumineux 101 à traiter est introduit dans une trémie d'alimentation 102. L'actionnement d'une vanne 103 permet d'introduire le sable bitumineux dans une cuve à fond conique 130. Cette cuve 130 est agitée mécaniquement à l'aide d'un dispositif râcleur 131 mis en rotation par un moteur 132. Dans cette cuve 130, le sable bitumineux est mis en contact et mélangé avec un fluide de séparation liquide qui est introduit par la ligne 116. De plus, cette cuve 130 permet de séparer par gravitation une phase solide contenant essentiellement de la matière minérale, notamment du sable, d'une phase liquide comprenant essentiellement le bitume et le fluide de séparation. La phase solide est récupérée par la ligne 133. La phase liquide surnageante est récupérée en sortie de la cuve à fond conique 130 dans la ligne 134 pour être introduite dans un séparateur liquide/gaz 110. Le bitume compris dans la phase liquide est extrait par décompression dans le séparateur liquide/gaz 110, qui est muni d'une vanne de régulation 112 asservie à un régulateur de pression 111. Le bitume est récupéré par la ligne 113. Le fluide de séparation sous forme gazeuse est conduit par la ligne 114 jusqu'à un compresseur 115 et on récupère en sortie de ce compresseur 115 le fluide de séparation sous forme liquide qui est réintroduit dans le contacteur solide/liquide 104 par la ligne 116.

Le mode de réalisation représenté sur la figure 5 ne se différencie des modes de réalisations représentés en figure 3 et figure 4 que par la technique de contactage entre le sable bitumineux et le fluide de séparation. En aval de ce mode de contactage, on peut choisir un procédé de séparation semblable à ceux représentés aux figures 3 ou 4 selon que le bitume est au moins partiellement insoluble ou non dans le fluide de séparation. Dans le cas représenté sur la figure 5, le bitume est totalement soluble dans le fluide de séparation.

EXEMPLES

Exemple 1 : cas d'un broyage et tamisage cryogéniques sans addition de fluide de séparation Cet exemple permet de vérifier qu'un broyage et tamisage cryogéniques sans addition de fluide de séparation ne conduit qu'à un procédé de traitement aux performances limitées.

On a travaillé avec un sable bitumineux qui contenait 0,4 % d'eau et après séchage, contenait 11 % poids de bitume et 89 % de matière minérale. Divers échantillons de ce sable bitumineux ont été soumis à une opération de broyage et tamisage cryogénique. Pour ce faire, on a travaillé dans une salle climatisée à -25°C et on a refroidi au préalable à l'azote liquide tous les instruments utilisés au cours des expérimentations effectuées : broyeur, tamis, pinces, spatules, etc.

Le broyeur utilisé était de type rotatif à impact fabriqué par la firme Fritsch type « Pulverisette 14.702 ». La vitesse de rotation du broyeur a été maintenue à 15000 tours par minutes.

Aussitôt le broyage cryogénique effectué, le produit broyé et récupéré a été soumis à une séparation par passage à travers un empilement de tamis correspondant aux diamètres de mailles égales aux valeurs suivantes : 250 μιη, 160 μιη, 100 μιη et 50 μιη.

Chaque test a été effectué en utilisant une masse initiale de 156 g de sable bitumineux sec, permettant à partir de cette masse initiale de matière de récupérer 5 fractions correspondant aux intervalles granulométriques (0-50), (50-100), (100-160), (160-250) et 250+ μπι.

Les résultats de ce test sont présentés dans le tableau 1 :

Tableau 1 La lecture de ce tableau montre qu'un procédé de broyage-tamisage cryogénique est envisageable pour obtenir un certain enrichissement en bitume des plus fines fractions granulométriques mais que cet enrichissement ne peut être exploité que si l'on accepte de rejeter une part non négligeable de la matière première qui contient encore du bitume. On constate en effet que, partant par exemple de 156 tonnes de sable bitumineux contenant 1 1 % de bitume, il peut apparaître intéressant de produire 24 tonnes de sable de granulométrie 0 -100 μπι et contenant en moyenne 34,5% de bitume (donc plus riche que la matière première), mais cela implique le rejet de 132 tonnes de sable contenant 4,8% de bitume. Si l'on souhaite malgré tout poursuivre la séparation du bitume par cette technique, il faudrait envisager de recycler la fraction enrichie dans une nouvelle opération et à chaque passage on sera amené à rejeter une fraction non négligeable de sable contenant encore du bitume. Un tel procédé mis à l'échelle des besoins industriels de valorisation des sables bitumineux est donc difficilement envisageable à la fois parce que son rendement en bitume est faible et aussi en raison de la difficulté d'opération et du coût élevé de cette dernière.

Essayant d'appliquer cette même technique à une autre qualité de sable bitumineux (cas d'un sable contenant seulement 5% de bitume et 10% d'eau), on a constaté que l'enrichissement observé pour les fractions de fine granulométrie (0 - 100 μπι) est beaucoup plus limité.

Exemple 2 : traitement d'un sable bitumineux selon l'invention

Trois échantillons de sables bitumineux à différentes teneurs en bitume tels que décrits dans le tableau 2 ci-dessous ont été testés :

Tableau 2

L'appareillage était une cellule tubulaire en saphir (résistant à haute pression) de 100 mm de hauteur et 25 mm de diamètre intérieur, maintenue dans une enceinte thermostatée. Cette enceinte a été réglée à basse température par addition contrôlée et détente de C0 ₂ liquide.

Chaque échantillon de sable bitumineux a été initialement déposé au fond de la cellule et, à son contact, a été placé au bout d'un arbre de rotation vertical, un agitateur

FEUILLE RECTIFIÉE (RÈGLE 91) ISA/EP mécanique de dimension et forme compatible avec la taille et la forme de la cellule (non optimisées).

Lorsque la température de l'enceinte atteint -40°C, du C0 ₂ liquide a été injecté dans la cellule de façon à remplir cette dernière jusqu'à la moitié de sa hauteur. Un appoint de C0 ₂ liquide a été ajouté en continu au système pour compenser les pertes possibles et maintenir la pression donc la température. Une agitation mécanique a alors été mise en marche pendant 40 minutes.

Dès le début de l'agitation, on a observé que le C0 ₂ liquide, initialement incolore, virait au brun, ce qui indique que du bitume était transféré de la matière minérale au fluide.

A l'issue de ce temps de mise en contact et de mélange, la pression a été abaissée et la température ramenée à l'ambiante. Un anneau brun est demeuré collé à la paroi du tube fournissant une preuve supplémentaire du fait qu'une phase hydrocarbure a été extraite et séparée du sable bitumineux.

La mesure de la teneur résiduelle en hydrocarbures de la matière minérale restée au fond de la cellule était systématiquement inférieure à celle déterminée dans le sable bitumineux de départ.

Les résultats obtenus sont présentés dans le tableau 3 :

Tableau 3

Ces taux d'extraction obtenus sont probablement sous-estimés en raison notamment d'un redépôt inévitable de la phase hydrocarbure sur le sable lors de la vidange du C0 ₂ contenu dans la cellule. On peut légitimement supposer que les taux d'extraction pouvant être obtenus à l'aide de ce procédé optimisé peuvent être signifïcativement supérieurs.

Malgré cette sous-estimation, on constate que ce procédé de traitement, qui comprend donc à la fois le refroidissement à une température inférieure à la température vitreuse Tg du bitume, un apport d'énergie mécanique au système et l'introduction d'un fluide de séparation, permet d'extraire signifïcativement la fraction bitumineuse d'un sable bitumineux.