DISPOSITIF DE MISE EN ŒUVRE D'UN TEL PROCEDE

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 à l'aide de dioxyde de carbone dans un premier temps sous forme solide puis sous forme liquide.

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 matière inorganique. Typiquement, le sable bitumineux contient une teneur en bitume allant de 5 % à 20 % (en masse). La matière inorganique est essentiellement constituée de sable, mais elle peut également contenir d'autres composés minéraux, comme des argiles, et de l'eau. Pour valoriser le bitume contenu dans les sables bitumineux, il est nécessaire de le séparer de la phase inorganique.

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 « 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. Une première technique alternative ayant fait l'objet d'une étude ancienne par des chercheurs de l'université UWO London Ontario est l'extraction cryogénique des sables bitumineux. 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 « T _g » 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 récupération (ou enrichissement) cryogénique. L'extraction cryogénique peut être combinée à une étape de broyage mécanique. Ce procédé est alors conventionnellement appelé enrichissement par broyage cryogénique.

Une technique particulière de broyage cryogénique a été décrite par Welmers et al. dans la publication « Cryogénie recovery of tar from Athabasca tar sands », A. Welmers, M. A. Bergougnou, G. J. Baker, Canadian journal of Chemical Engineering, vol. 56, pages 99-102, 1978. Cette technique consiste à combiner le broyage du sable bitumineux congelé par un broyeur à boulets qui raclent la surface d'une grille de fluidisation, et l'attrition (ou élutriation) produite par un lit fluidisé au sein duquel le sable bitumineux est introduit en continu et fluidisé 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, bien que le taux de récupération de bitume soit de 90 % environ, les résultats d'extraction sont limités en performance. En effet, à partir de 100 tonnes de sable bitumineux sec contenant 14 % de bitume et 86 % de matière inorganique, cette 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 inorganique 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.

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 ;

- refroidissement et maintien des pellets à basse température pour éviter toute agglomération de ceux-ci, par exemple à l'aide d'une tour de refroidissement avec du gaz froid ;

- refroidissement des pellets à une température inférieure à la température de transition vitreuse du bitume et broyage des pellets à cette température ;

- séparation du bitume dans un séparateur. Dans ce procédé, le broyage peut être réalisé à sec ou en milieu liquide, notamment en présence de glycol liquide.

L'intérêt pratique de cette méthode est limité dans la mesure où elle 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.

Un autre procédé d'enrichissement par broyage cryogénique est également décrit dans la demande de brevet canadien CA 2738011. Ce procédé vise également à faciliter la rupture entre le bitume et la matière inorganique en fragmentant à basse température la fraction bitume du sable bitumineux. 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 inorganique, 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 le procédé divulgué dans la demande WO 2011/097735, le procédé selon CA 2738011 est un procédé strictement gaz/solide 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.

Par ailleurs, la demande de brevet US 2011/0297586 décrit un procédé de séparation du bitume à partir de sable bitumineux par enrichissement par broyage cryogénique, sans utilisation de solvant. Il s'agit là d'un procédé purement mécanique et strictement gaz/solide, comme ceux qui ont été décrits ci-avant. Ce document évoque la possibilité de refroidir le sable bitumineux à l'aide d'air froid, de dioxyde de carbone solide, liquide sous pression ou gazeux, ou d'azote liquide. Toutefois, lorsque du dioxyde de carbone liquide est utilisé, la demande de brevet US 2011/0297586 indique que celui-ci se transforme au contact du sable bitumineux en un mélange de dioxyde de carbone solide et gazeux, et que le dioxyde de carbone solide se sublime ensuite pendant le mélange. Ce document ne suggère donc d'utiliser le dioxyde de carbone que de façon transitoire, seulement pour refroidir le sable bitumineux aussi rapidement que possible. Dès lors que ce refroidissement est effectué, le procédé décrit par US 2011/0297586 suit un enchaînement d'étapes identiques à celles décrites dans WO 2011/097735 ou CA 2738011 au cours desquelles les opérations ne font intervenir aucun fluide de séparation de nature liquide tel que du C0 ₂ liquide. Bien au contraire, le procédé d'extraction décrit dans les trois brevets cités ci-dessus apparaît très précisément comme un procédé strictement gaz/solide ne mettant en jeu aucun fluide de séparation de nature liquide.

Les techniques de broyage cryogénique décrites dans WO 2011/097735, CA 2738011 et US 2011/0297586 mentionnés ci-dessus, qui aboutissent à la production d'une fraction enrichie en bitume par rapport au sable bitumineux initial, présentent divers inconvénients importants. D'une part, l'enrichissement par broyage cryogénique opéré par ces procédés ne permet pas d'obtenir un bitume débarrassé de minéral avec un rendement de matière et un rendement énergétique satisfaisants, ce qui implique la mise en œuvre de traitements ultérieurs pour obtenir une phase hydrocarbure débarrassée des composés minéraux. On sait d'autre part, que les techniques de broyage cryogénique sont 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. On sait aussi que les opérations décrites par ces trois brevets (broyage et tamisage fin, impacteurs à zigzag, séparateur à vortex imposé, cyclones en cascades, filtres ou séparateurs électrostatiques) ne sont pas adaptées à des capacités de traitement de minerai à très gros tonnage et ne sont pratiquées industriellement que pour produire des petits tonnages de produits très propres (non collants) et à haute valeur ajoutée.

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 comprend une mise en contact de sables bitumineux, provenant de l'extraction minière à ciel ouvert, avec un solvant du bitume ayant un point de fusion inférieur au point de fusion de l'eau, notamment le toluène. Lors de cette opération, le solvant est refroidi à une température suffisante pour geler l'eau mais pas le solvant, ce qui permet d'obtenir un mélange liquide/solide qui est traitée en aval, où le liquide est une solution de bitume et de solvant, et où la phase solide est constituée de sable et de glace. Ce mélange, toujours maintenu à basse température, est alors soumis à une séparation par filtration et/ou centrifugation. La phase liquide, comprenant le bitume et le solvant, est récupérée, puis réchauffée et soumise à une distillation classique, afin de séparer le bitume. Le solvant distillé peut être 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 l'exemple du brevet US 3993555, le taux de récupération n'est que de 91 %. Sa consommation énergétique est d'autre part considérable en raison des quantités importantes de solvant utilisées. 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 comprise entre -10°C et -180°C , préférablement d'environ -60°C, et à lui faire subir un broyage associé à un tamisage du solide résultant, avec une maille de 150 μιη. 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 à l'aide de solvants. 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 filtration. 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 filtration 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 donc pas à des résultats satisfaisants, ni en termes de taux de récupération du bitume, ni en termes de coût et d'opérabilité industrielle du procédé.

La société demanderesse a proposé dans la demande internationale de brevet WO 2013/139515 un procédé de traitement de sable bitumineux consistant à mettre en contact et à mélanger le sable bitumineux avec un fluide de séparation à une température d'opération inférieure ou égale à la température de transition vitreuse du bitume, le fluide de séparation ayant la particularité d'être liquide à la température d'opération et à la pression d'opération. Il peut s'agir notamment de dioxyde de carbone liquide. Après cette mise en contact et ce mélange, on peut séparer une phase solide comprenant essentiellement la phase minérale du sable bitumineux et une phase liquide comprenant essentiellement le bitume et le fluide de séparation. Le bitume est ensuite récupéré de cette phase liquide. Ce procédé de séparation présente l'avantage d'être plus simple à mettre en œuvre que tout ce qui est pratiqué ou proposé à ce jour, d'être peu coûteux, et de permettre la récupération de bitume dans un sable bitumineux sans utiliser d'eau et avec un rendement élevé. Toutefois, les inventeurs ont découvert que la séparation du bitume et de la phase minérale pouvait être encore améliorée.

OBJECTIFS ET RESUME DE L'INVENTION

La présente invention vise en particulier à fournir un procédé de traitement des sables bitumineux qui permet de récupérer le bitume avec un rendement maximal et d'obtenir en conséquence un sable propre débarrassé du bitume. On désire que ce procédé de traitement soit simple à mettre en œuvre, évitant donc des opérations strictement gaz/solide peu performantes et surtout inadaptées au traitement à gros tonnages de produits sales tels que les sables bitumineux, et ne fasse pas non plus 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, pouvant atteindre une grande capacité de production et dont l'exploitation est compatible avec les conditions générales de fonctionnement des installations minières ;

- fournir un procédé présentant un taux élevé de récupération de la phase bitumineuse, qui permette de rejeter une phase inorganique, et notamment du sable, propre pouvant être réincorporée dans le sol de la mine ;

- fournir un procédé dans lequel la pression appliquée est modérée et la température basse facile à contrôler par une simple régulation des pressions opératoires ;

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

- fournir un procédé permettant une récupération et un recyclage aisés du solvant chargé d'extraire la phase bitumineuse ;

- 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 une phase bitumineuse et une phase inorganique, comprenant les étapes consistant à : (1) refroidir ledit sable bitumineux à une température inférieure à la température de transition vitreuse du bitume par mise en contact dudit sable bitumineux avec du dioxyde de carbone à l'état solide et apporter simultanément de l'énergie mécanique au mélange obtenu ;

(2) fondre le dioxyde de carbone solide de façon à obtenir un système multiphasique et maintenir ce système multiphasique à une température inférieure à la température de transition vitreuse du bitume ;

(3) séparer de ce système multiphasique au moins une phase solide et au moins une phase liquide ;

(4) récupérer la phase bitumineuse de la phase liquide séparée.

La présente invention a également pour objet un dispositif de traitement de sable bitumineux spécialement conçu pour la mise en œuvre du procédé ci-dessus. Ce dispositif comprend :

- au moins un contacteur permettant la mise en contact dudit sable bitumineux avec du dioxyde de carbone à l'état solide ;

- au moins un moyen permettant d'apporter de l'énergie mécanique au mélange de sable bitumineux avec le dioxyde de carbone à l'état solide ;

- un moyen permettant la fusion du dioxyde de carbone à l'état solide présent dans le mélange pour obtenir un système multiphasique ;

- au moins un séparateur pour séparer de ce système multiphasique au moins une phase solide et au moins une phase liquide ;

- au moins un moyen de récupération d'une phase bitumineuse dans la ou les phases liquides obtenues dans ledit séparateur.

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.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION

Sauf indication contraire, les pressions exprimées dans la présente invention sont des pressions absolues. La présente invention a donc pour objet un procédé de traitement permettant d'extraire la phase bitumineuse d'un sable bitumineux. Par « sable bitumineux », on entend dans la présente invention les réserves d'hydrocarbures constituées d'un mélange d'huiles lourdes dégradées en bitumes, appelé « phase bitumineuse », et de matière inorganique, appelée « phase inorganique ». La phase bitumineuse peut typiquement représenter de 5 % à 20 % en poids du sable bitumineux. La phase inorganique est essentiellement constituée de sable, mais elle peut également contenir d'autres composés minéraux, comme des argiles. Le sable bitumineux peut également contenir de l'eau.

Le sable bitumineux peut être obtenu par extraction minière à ciel ouvert et acheminé, par exemple par un convoyeur, depuis le site d'extraction jusqu'au dispositif de traitement.

Avant la mise en œuvre du procédé de traitement selon l'invention, le sable bitumineux peut être débarrassé des matières étrangères qui peuvent être entraînées avec lui. Le sable bitumineux se présente typiquement sous la forme de grains de taille millimétrique. Avantageusement, le sable bitumineux peut être conditionné avant son traitement selon l'invention de façon à ce que la taille des grains soit homogène, par exemple comprise entre 1 millimètre et 3 millimètres.

Le procédé de traitement du sable bitumineux selon l'invention utilise de façon innovante et particulièrement avantageuse du dioxyde de carbone (C0 ₂ ).

L'utilisation de dioxyde de carbone est intéressante 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, et au fait qu'il est couramment employé sous ses trois états : solide, liquide et gazeux. 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 dès que la température est inférieure à -56,6°C. On peut manipuler du dioxyde de carbone à l'état solide (couramment nommé carboglace) sous pression atmosphérique à une température de -78,5°C. En pratique, le dioxyde de carbone liquide est stockable et transportable à basse température (< -20°C) et moyenne pression (entre 5 et 18 bars par exemple). Il peut être facilement transformé en solide, sous forme de pellets ou billes de quelques millimètres de diamètre en utilisant des installations industrielles relativement simples. Ces pellets ou billes sont actuellement produits à grande échelle pour certaines applications telles que le sablage au C0 ₂ ou encore le nettoyage cryogénique. Dans le procédé objet de la présente invention, le dioxyde de carbone peut être utilisé pur. Cependant, il est également envisagé selon un mode de réalisation particulier d'utiliser du dioxyde de carbone pouvant contenir certaines impuretés comme notamment CH ₄ , N ₂ , C ₂ H6 et éventuellement H ₂ 0, Ar, H ₂ S, S0 ₂ et NO _x . La nature et la quantité d'impureté(s) dans le dioxyde de carbone peuvent être choisies par l'homme du métier de façon à ne pas gêner ou empêcher la production de dioxyde de carbone sous forme solide.

Lors de la première étape du procédé selon l'invention, le sable bitumineux est mis en contact avec du dioxyde de carbone à l'état solide. Un mode préférentiel de mise en œuvre du procédé consiste à utiliser du dioxyde de carbone solide sous forme de pellets de taille comprise entre 1 millimètre et 3 millimètres. Le sable bitumineux et le dioxyde de carbone solide qui sont mis en contact peuvent avantageusement être initialement tous deux sous forme de grains de taille comparable, ce qui optimise leur mise en contact et permet d'augmenter la vitesse de refroidissement du sable bitumineux, donc la productivité du procédé.

Cette première étape du procédé selon l'invention peut être réalisée à une pression comprise entre 1 bar et 5 bars, de préférence entre 1,5 bar et 4,5 bars, et plus préférentiellement d'environ 4 bars. Dans ces conditions de fonctionnement, la température moyenne régnant au sein du contacteur s'établit à une valeur dépendant d'une part des quantités relatives de dioxyde de carbone solide et de sable bitumineux introduites et d'autre part de la pression d'opération. La température du mélange établi peut donc se situer entre -78,5°C et -57°C, de préférence entre -75°C et -58°C, et plus préférentiellement à environ -60°C. La mise en contact du sable bitumineux avec le dioxyde de carbone à l'état solide permet de refroidir ledit sable bitumineux à une température inférieure à la température de transition vitreuse du bitume qui est typiquement comprise entre -15°C et -40°C, classiquement à environ -20°C. Cette température de transition vitreuse du bitume peut être mesurée classiquement à l'aide d'un appareil de calorimétrie différentielle à balayage (DSC). Si le bitume présente plusieurs températures de transition vitreuse, la température de transition vitreuse retenue dans la présente invention est celle qui se situe typiquement entre -15°C et -40°C. La température à laquelle le sable bitumineux est refroidi durant cette première étape dépend notamment de la manière dont le sable bitumineux est mis en contact avec le dioxyde de carbone à l'état solide, et de la durée de cette mise en contact. La première étape du procédé selon l'invention peut avantageusement consister à refroidir le sable bitumineux à une température inférieure à -40°C, de préférence inférieure à -50°C, et plus préférentiellement à une température comprise entre -75°C et -57°C, la pression étant maintenue à une valeur inférieure à 5 bars et plus préférentiellement à environ 4 bars.

Dans cette première étape, la mise en contact du sable bitumineux avec le dioxyde de carbone solide est concomitante avec un apport d'énergie mécanique au sable bitumineux par choc solide/solide avec le dioxyde de carbone à l'état solide dont la dureté et le pouvoir abrasif sont connus. Cet apport d'énergie peut être fait de différentes manières, selon les techniques bien connues de l'homme du métier. Certains moyens d'injection appropriés peuvent favoriser la collision du sable bitumineux et du dioxyde de carbone à l'état solide et apporter l'énergie mécanique suffisante. Selon un mode de réalisation de l'invention, l'apport d'énergie se fait par agitation du mélange de sable bitumineux et de dioxyde de carbone à l'état solide, dès leur mise en contact ou après.

La première étape du procédé selon l'invention peut être réalisée en continu, en semi-continu ou en discontinu (en « batch » selon la terminologie anglo-saxonne). Le temps de séjour du sable bitumineux dans le dispositif réalisant sa mise en contact avec le dioxyde de carbone sous forme solide peut avantageusement être compris entre 5 et 60 minutes, et plus préférentiellement entre 5 et 30 minutes.

L'objectif de cette première étape du procédé selon l'invention est d'une part de refroidir le sable bitumineux à une température inférieure à la température de transition vitreuse du bitume et simultanément d'apporter au sable bitumineux une énergie mécanique suffisante pour faciliter à cette température le détachement du bitume de la matière inorganique.

Exposé à une température inférieure ou égale à la température de transition vitreuse du bitume, un sable bitumineux peut subir deux types d'effets physico-chimiques. D'une part, il est 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 fraction inorganique. De plus, le bitume devenant plus cassant que le sable, il peut se diviser alors en particules plus facilement récupérables. D'autre part, il est souvent 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.

L'apport d'énergie mécanique, combinée au refroidissement, permet avantageusement de rompre l'adhésion du bitume à la matière inorganique, et ainsi de détacher la couche de bitume de la matière inorganique. L'énergie mécanique permet également de désagglomérer les grains de sable bitumineux qui peuvent éventuellement être agglomérés, ou d'éviter leur agglomération.

Le procédé objet de la présente invention diffère des procédés décrits dans l'art antérieur notamment par le fait que du dioxyde de carbone à l'état solide, initialement à une température inférieure à -57°C, est utilisé pour refroidir le sable bitumineux et pour faciliter le détachement du bitume de la phase inorganique. Cette mise en contact est particulièrement avantageuse car elle permet un très fort refroidissement du sable bitumineux par apport des frigories générées lors du réchauffement du dioxyde de carbone solide et aussi par sa sublimation partielle. L'utilisation d'un réfrigérant solide au lieu d'un fluide réfrigérant liquide ou gazeux est avantageuse car, d'une part, il est ainsi possible de refroidir rapidement le sable bitumineux à des températures très basses, et d'autre part, le détachement du bitume de la phase inorganique est facilité par le phénomène d'attrition généré par le contact entre sable bitumineux et dioxyde de carbone solide. Par ailleurs, l'utilisation de dioxyde de carbone solide est également avantageuse par rapport à l'utilisation de broyeurs mécaniques classiques. En effet, les pellets de dioxyde de carbone solide sont des agents de froid d'autant plus efficaces que leur taille est réduite et d'une granulométrie voisine de celle du sable bitumineux, et que, par voie de conséquence, leur sublimation est plus rapide. Le dioxyde de carbone permet également une récupération aisée et efficace de la phase bitumineuse dans la suite du procédé selon l'invention.

Selon une variante de l'invention, la première étape du procédé selon l'invention peut comprendre en outre l'addition de dioxyde de carbone à l'état liquide au mélange comprenant le sable bitumineux et le dioxyde de carbone tous deux introduits à l'état solide. De préférence, la masse de dioxyde de carbone liquide ajoutée est toutefois inférieure à 50% de la masse de sable bitumineux, et de préférence comprise entre 10% et 25% de la masse de sable bitumineux. Cette addition de dioxyde de carbone sous forme liquide peut être faite dès le début de la mise en contact du sable bitumineux avec le dioxyde de carbone sous forme solide, ou ultérieurement, en une ou plusieurs fois. Vu les conditions de pression régnant dans le contacteur, le dioxyde de carbone ainsi additionné se retrouve sous forme gazeuse. Sa détente et son changement de l'état liquide à l'état gazeux apporte des frigories supplémentaires qui contribuent à maintenir ou à abaisser la température du mélange constitué par le sable bitumineux et le dioxyde de carbone à l'état solide et gazeux. L'ajout de dioxyde de carbone sous forme liquide au moment de la mise en contact du sable bitumineux avec le dioxyde de carbone à l'état solide permet, du moins momentanément, d'améliorer avantageusement le transfert de chaleur entre le dioxyde de carbone à l'état solide et le sable bitumineux, et d'améliorer ainsi l'efficacité du refroidissement.

Le procédé selon l'invention comprend une deuxième étape qui consiste à fondre le dioxyde de carbone solide de façon à obtenir un système multiphasique à partir du mélange issu de la première étape, comprenant notamment du dioxyde de carbone à l'état solide. La fusion du dioxyde de carbone solide, qui consiste par définition en la transformation du dioxyde de carbone solide en dioxyde de carbone liquide, est obtenue en changeant les conditions de pression et/ou de température du procédé.

Le changement de pression et/ou de température du procédé peut être obtenu de différentes manières. Selon un premier mode de réalisation, la fusion du dioxyde de carbone solide peut être réalisée dans le même dispositif que celui dans lequel la première étape de mise en contact et d'apport d'énergie mécanique a été réalisée. Ainsi, à l'issue de la première étape du procédé selon l'invention, la pression et la température à l'intérieur du dispositif peuvent être modifiées pour obtenir la fusion du dioxyde de carbone solide. De préférence, on augmente la température à l'intérieur de la (des) capacité(s) à l'aide d'un moyen classique de chauffage jusqu'à ce que la température soit comprise entre -40°C et -20°C. La pression à l'intérieur de la (des) capacité(s) peut alors atteindre un niveau compris entre 10 bars et 20 bars.

Alternativement, la deuxième étape du procédé selon l'invention peut nécessiter l'utilisation d'un autre dispositif que celui dans lequel la première étape de mise en contact et d'apport d'énergie mécanique a été réalisée. Selon un second mode de réalisation, à l'issue de la première étape du procédé selon l'invention, le mélange comprenant le sable bitumineux et le dioxyde de carbone initialement solide est introduit dans une ou plusieurs capacités. Lors du chargement, il est préférable de maintenir dans cette (ces) capacité(s) une pression légèrement inférieure à celle régnant dans le dispositif dans lequel a été réalisée la mise en contact. Après chargement complet de la (des) capacité(s), la pression et la température interne peuvent alors être modifiées pour provoquer la fusion du dioxyde de carbone solide. De préférence, on augmente la température à l'intérieur de la (des) capacité(s) à l'aide d'un moyen classique de chauffage jusqu'à ce que la température soit comprise entre -40°C et -20°C. La pression à l'intérieur de la (des) capacité(s) peut alors atteindre un niveau compris entre 10 bars et 20 bars.

Ces premier et deuxième modes de réalisation peuvent être facilement mis en œuvre lorsque le traitement du sable bitumineux est effectué de façon discontinue, par lots. D'autres modes de réalisation peuvent permettre la mise en œuvre d'un procédé continu.

En particulier, selon un troisième mode de réalisation, la fusion du dioxyde de carbone solide est progressive. Des dispositifs connus de l'homme du métier permettent de faire varier la pression et la température du mélange comprenant le sable bitumineux et le dioxyde de carbone entre son entrée et sa sortie. Ainsi, dans ce mode de réalisation, le sable bitumineux est mis en contact avec du dioxyde de carbone sous forme solide en entrée du dispositif, de l'énergie mécanique étant alors apportée à ce mélange. Puis, durant son séjour dans le dispositif, le mélange est soumis à des variations de pression et/ou de température qui entraînent la fusion progressive du dioxyde de carbone solide. En sortie dudit dispositif, le dioxyde de carbone peut se présenter partiellement sous forme liquide et partiellement sous forme gazeuse. Selon ce mode de réalisation, la seconde étape de procédé selon l'invention peut consister à laisser la pression et/ou la température varier dans le procédé de telle sorte que le dioxyde de carbone passe progressivement de l'état solide à l'état de fluides liquide et gazeux. Quel que soit le mode de réalisation mis en œuvre, à l'issue de cette seconde étape, la température du système multiphasique est de préférence comprise entre -20°C et -50°C, et sa pression est de préférence comprise entre 5 bars et 25 bars, plus préférentiellement entre 5 bars et 15 bars. On aura soin de veiller que le système multiphasique sortant de la deuxième étape soit maintenu à une température inférieure à la température de transition vitreuse du bitume.

A l'issue de cette seconde étape du procédé selon l'invention, on obtient un système multiphasique. Ce système multiphasique comprend au moins une phase solide et au moins une phase liquide. Ladite phase solide est essentiellement composée de la phase inorganique du sable bitumineux. Ladite phase liquide est essentiellement composée de la phase bitumineuse du sable bitumineux et du dioxyde de carbone liquide.

De façon plus précise, le système multiphasique obtenu à l'issue de la deuxième étape du procédé selon l'invention peut comprendre, dans l'ordre de la plus dense à la moins dense :

- une phase solide, essentiellement constituée de la phase inorganique du sable bitumineux, notamment de sable, et de cristaux de glace ;

- une phase liquide dense, essentiellement composée de dioxyde de carbone liquide dans lequel est dissoute une partie des hydrocarbures;

- une phase liquide moins dense, et donc surnageante, essentiellement constituée de la majorité de la phase bitumineuse du sable bitumineux fluidifiée par une fraction de dioxyde de carbone liquide dissoute dans cette phase ;

- une phase gazeuse, essentiellement constituée de dioxyde de carbone gazeux. Dans le procédé selon l'invention, le dioxyde de carbone liquide résultant de la fusion du dioxyde de carbone solide initialement introduit dans le procédé, est donc utilisé comme fluide de séparation. Cette utilisation est avantageuse du fait que le dioxyde de carbone à l'état liquide a une masse volumique supérieure à la masse volumique du bitume. Ainsi, le risque de retour de la phase bitumineuse au contact de la phase solide est réduit. La récupération simple et efficace de la phase bitumineuse est alors possible notamment par décantation gravitaire.

La troisième étape du procédé de traitement selon l'invention consiste à séparer de ce système multiphasique obtenu à l'issue de la deuxième étape au moins une phase solide et au moins une phase liquide. Durant cette séparation, le système multiphasique peut être maintenu à une température comprise entre -20°C et -50°C et à une pression comprise entre 5 bars et 25 bars, plus préférentiellement entre 10 bars et 20 bars de façon à maintenir l'état des phases du système favorable à une séparation.

Cette étape de séparation peut avantageusement être une étape de séparation gravitaire. On peut récupérer l'ensemble de la phase liquide du mélange. Toutefois, si la quasi-totalité de la phase bitumineuse se trouve dans la phase liquide surnageante, il est possible de ne récupérer que cette phase liquide surnageante sans la phase liquide dense. Cette séparation peut notamment être réalisée par écrémage mécanique de la phase liquide ou par débordement comme cela est pratiqué dans les équipements industriels de séparation primaire du bitume.

II est aussi possible d'utiliser un procédé d'hydrocyclonage pour réaliser cette séparation.

La phase solide récupérée, qui est essentiellement constituée de la phase inorganique du sable bitumineux, notamment de sable, et de cristaux de glace, est particulièrement pauvre en bitume. Sa teneur massique en bitume peut être inférieure à 4%, préférentiellement inférieure à 2% et plus préférentiellement comprise entre 0 et 1%. Le sable, ainsi nettoyé, peut être facilement rejeté dans l'environnement, par exemple réincorporé dans le sol de la mine d'extraction, sans traitement supplémentaire.

Lorsque le système multiphasique comprend une phase gazeuse, celle-ci peut être séparée indépendamment.

La phase liquide isolée peut avoir une très faible quantité d'hydrocarbures qui varie selon le mode de séparation choisi. Ces hydrocarbures peuvent être séparés du dioxyde de carbone par détente.

Lors d'une quatrième étape dans le procédé selon l'invention, la phase bitumineuse est récupérée de cette phase liquide. Toute technique de récupération connue par l'homme du métier peut être mise en œuvre. Toutefois, il est particulièrement avantageux de réaliser la récupération de la phase bitumineuse par décompression de la phase liquide séparée. En effet, une simple décompression de la phase liquide permet de faire passer le dioxyde de carbone de l'état liquide à l'état gazeux. La récupération du bitume peut alors être faite avec un très bon rendement, à l'aide d'un dispositif simple, peu coûteux, et qui ne consomme pas d'énergie.

La phase bitumineuse ainsi récupérée peut être ultérieurement traitée par les techniques classiques de la chaîne de traitement aval dans les procédés de surface qui précèdent l'upgrading conventionnellement mis en œuvre pour convertir in fine le bitume extrait en pétrole brut de qualité commerciale .

Le procédé selon l'invention permet de récupérer la phase bitumineuse contenue dans un sable bitumineux avec un taux massique de récupération avantageusement compris entre 60% et 95%, plus préférentiellement compris entre 75% et 95%. En outre, la phase bitumineuse récupérée possède une teneur massique en matière inorganique typiquement inférieure à 5%, plus préférentiellement inférieure à 2%, et encore plus préférentiellement comprise entre 0 et 1%. Il s'agit donc d'un procédé de traitement efficace.

Le procédé selon l'invention peut en outre comprendre les étapes de récupération et de recyclage du dioxyde de carbone. D'une part, lors de l'étape de séparation du système multiphasique, il est possible de récupérer de façon spécifique la phase liquide dense du système multiphasique, essentiellement composée de dioxyde de carbone liquide, et/ou la phase gazeuse, essentiellement composée de dioxyde de carbone gazeux, lorsque celle-ci-est présente.

D'autre part, lors de l'étape de récupération de la phase bitumineuse, le dioxyde de carbone peut être récupéré, en particulier sous forme gazeuse lorsque la récupération a été réalisée par décompression.

Le dioxyde de carbone ainsi récupéré peut être reconditionné de façon adéquate et recyclé dans le procédé selon l'invention. Il peut notamment être recomprimé et/ou refroidi et/ou transformé en pellets de dioxyde de carbone solide. Selon un mode de réalisation du procédé selon l'invention, lors de l'étape de séparation et/ou lors de l'étape de récupération, au moins une partie du dioxyde de carbone est récupérée, puis transformée en pellets de dioxyde de carbone solide. On veillera cependant à ce que le dioxyde de carbone récupéré ne contienne pas trop d'impuretés qui pourraient gêner ou empêcher sa mise en forme solide.

Le procédé selon l'invention comporte avantageusement un nombre restreint d'étapes unitaires. Il 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.

Le procédé est de préférence 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. La présente invention a également pour objet un dispositif de traitement de sable bitumineux spécialement conçu pour la mise en œuvre du procédé ci-dessus. Ce dispositif comprend :

- au moins un contacteur permettant la mise en contact dudit sable bitumineux avec du dioxyde de carbone à l'état solide ;

- au moins un moyen permettant d'apporter de l'énergie mécanique au mélange de sable bitumineux avec le dioxyde de carbone à l'état solide ;

- un moyen permettant la fusion du dioxyde de carbone à l'état solide présent dans le mélange pour obtenir un système multiphasique ;

- au moins un séparateur pour séparer de ce système multiphasique au moins une phase solide et au moins une phase liquide ;

- au moins un moyen de récupération d'une phase bitumineuse dans la ou les phases liquides obtenues dans ledit séparateur. Le contacteur doit être adapté pour la mise en contact du dioxyde de carbone à l'état solide avec du sable bitumineux. Le contacteur peut être adapté pour fonctionner en continu ou en discontinu.

Dans le cas de contacteur fonctionnant en discontinu, on peut par exemple utiliser une capacité dont la pression et/ou la température peuvent être contrôlées. Avantageusement, la capacité peut être munie d'un fond conique permettant de vider facilement son contenu avec le maximum d'efficacité et qui peut être éventuellement muni d'un dispositif de raclage.

Dans le cas de contacteur continu, on peut utiliser un récipient sous pression du type pompe à béton qui fonctionne dans la même gamme de pression que le procédé selon l'invention. On peut également utiliser des contacteurs à co-courant montant, directement inspirés de la technologie classique du « riser-cracking » (en français « craquage en lit transporté ascendant ») des raffineries de pétrole, qui sont bien connus pour leur grande efficacité en transfert de matière et de chaleur, minimisant de ce fait le temps de séjour nécessaire à la mise en contact. A l'inverse, on peut aussi utiliser des contacteurs à co- courant descendant, directement inspirés de la technologie du « down-comer » (en français « tuyau de descente ») également décrit dans des publications de génie chimique.

Quel que soit le mode de fonctionnement du contacteur, il exerce simultanément les fonctions de mélange et d'apport d'énergie mécanique au sable bitumineux par choc solide/solide avec le dioxyde de carbone solide. Le contacteur peut notamment être pourvu d'un injecteur permettant un impact puissant lors de la mise en contact du sable bitumineux avec le dioxyde de carbone solide. En outre ou alternativement, le contacteur peut présenter un design particulier favorisant les chocs entre le sable bitumineux et le dioxyde de carbone solide. C'est le cas par exemple dans les contacteurs de type co-courant montant ou co-courant descendant, dans lesquels sable bitumineux et dioxyde de carbone solide entrent en collision dès l'injection dans le contacteur et pendant toute leur montée (ou descente selon la technologie employée) dans la colonne.

Le dispositif selon l'invention peut de préférence comprendre un moyen permettant d'apporter de l'énergie mécanique supplémentaire au mélange de sable bitumineux avec du dioxyde de carbone à l'état solide. Ce moyen est adapté au contacteur mis en œuvre. Le choix du moyen d'apport d'énergie mécanique peut déterminer la puissance de cet apport d'énergie. Un moyen d'apport d'énergie mécanique peut consister en un mélangeur ou un agitateur. Les agitateurs bien connus de l'homme du métier, tels que les vis intérieures avec ou sans tube de guidage, les vis à axe incliné, les agitateurs de type hélice à simple ou double flux, les disques dilacérateurs, les turbines, etc., peuvent être utilisés. 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.

Dans les exemples précédents, on peut constater que la mise en contact et l'apport d'énergie mécanique supplémentaire peuvent résulter d'un seul dispositif remplissant les deux fonctions. Ainsi, ces moyens peuvent par exemple consister en un contacteur mis en mouvement par un moteur. Alternativement, un contacteur continu constitué d'un récipient sous pression, contenant un ou plusieurs mobiles mus par un moteur de puissance suffisante, permet d'assurer à la fois les fonctions de mise en contact, d'agitation et de pompage du mélange de sable bitumineux et de dioxyde de carbone solide.

En outre, le dispositif selon l'invention, permettant de mettre en œuvre le procédé de traitement des sables bitumineux, comprend un moyen permettant la fusion du dioxyde de carbone à l'état solide présent dans le mélange pour obtenir un système multiphasique.

Ce moyen peut consister en des systèmes de vannes et de capteurs de pression dans le contacteur, permettant de faire varier la pression à l'intérieur du contacteur. En outre, ce moyen peut consister en des systèmes de chauffage ou refroidissement, notamment sous la forme d'une double enveloppe autour du contacteur dans laquelle circule un fluide caloporteur ou sous la forme d'un chauffage électrique, et éventuellement muni de capteurs de température dans le contacteur, permettant de maîtriser le profit thermique à l'intérieur du contacteur. Ces moyens peuvent également équiper une capacité autre que le contacteur, destinée à recevoir le mélange de dioxyde de carbone solide et de sable bitumineux après la première étape du procédé selon l'invention.

Dans le cas d'un procédé discontinu, ces moyens permettant la fusion du dioxyde de carbone à l'état solide peuvent être mis en œuvre à un moment donné, à l'issue de la première étape du procédé selon l'invention.

Cependant, dans le cas d'un procédé continu, ces moyens peuvent consister en un design particulier du contacteur continu permettant une fusion progressive du dioxyde de carbone entre son point d'entrée dans le contacteur et sa sortie. Un design particulier peut suffire à assurer la fusion de dioxyde de carbone. Il peut toutefois être associé à un moyen de réglage de la température et/ou de la pression plus classique, tel une double enveloppe chauffante ou un chauffage électrique.

Par exemple, dans le cas d'un contacteur de type pompe à béton, équipé de mobile(s) assurant à la fois les fonctions de mise en contact, d'agitation et de pompage, le mélange comprenant en entrée le sable bitumineux et le dioxyde de carbone solide progresse vers la sortie du contacteur. Durant cette progression, sa pression augmente. Le mélange ainsi comprimé peut également être chauffé par contact avec la paroi du fût du contacteur dont la température est réglable par le fluide caloporteur circulant dans une double enveloppe. Il en résulte que le dioxyde de carbone solide fond progressivement et que le dioxyde de carbone récupéré en sortie de ce contacteur continu est sous forme liquide et, dans certains cas, partiellement gazeuse. C'est également le cas des contacteurs de type co-courant montant ou co-courant descendant, dans lesquels l'état de fusion et/ou de sublimation du dioxyde de carbone est lié au design de ces contacteurs, au sein desquels le mélange de sable bitumineux et de dioxyde de carbone solide s'échauffe de façon spontanée ou éventuellement forcée par contact avec la paroi du contacteur dont la température peut être réglée par apport de chaleur externe à l'aide par exemple d'une double enveloppe ou d'un chauffage électrique.

Le dispositif selon l'invention comprend en outre au moins un séparateur pour séparer du système multiphasique au moins une phase solide et au moins une phase liquide. Tout type de séparateurs liquide/solide connu par l'homme du métier peut être utilisé dans le dispositif selon l'invention.

Le séparateur peut être un décanteur gravitaire multiphasique, tel que couramment utilisé dans l'industrie pétrolière. Le décanteur est de préférence muni de moyens de chauffage et de dépressurisation.

Dans un mode de réalisation simple, le contacteur et le séparateur sont les mêmes dispositifs. Il peut s'agir notamment de mélangeurs-décanteurs (ou « mixer-settler » selon la terminologie anglo-saxonne) bien connus de l'art dans le domaine du génie chimique. Dans un autre mode de réalisation, le séparateur est un dispositif différent situé en aval du contacteur. Le dispositif peut comprendre plusieurs séparateurs disposés en parallèle de façon à pouvoir ajuster un temps de séjour dans le séparateur indépendamment du temps de séjour des produits dans le contacteur.

Alternativement, le séparateur peut être un hydrocyclone.

Enfin, le dispositif selon l'invention comprend en outre au moins un moyen de récupération de la phase bitumineuse dans la phase liquide séparée. De façon avantageuse car simple et peu coûteuse, le moyen de récupération peut être constitué d'un ballon alimenté en phase liquide équipé de moyen de décompression et de récupération de la phase bitumineuse liquide d'une part et de la phase gazeuse d'autre part. Dans un mode de réalisation particulier, un dispositif de réchauffage complémentaire est associé au dispositif de décompression.

Le dispositif selon l'invention peut avantageusement comprendre des éléments permettant d'assurer la récupération et le recyclage de dioxyde de carbone. Le dispositif peut notamment comprendre une machine de fabrication de pellet de dioxyde de carbone solide. Cette machine peut être alimentée par le dioxyde de carbone récupéré dans le séparateur et/ou dans le moyen de récupération, et par un appoint de dioxyde de carbone frais.

Certains modes de réalisation particuliers du procédé selon l'invention sont expliqués ci-après, à l'aide des figures annexées.

La figure 1 illustre un mode de réalisation du procédé selon la présente invention pouvant fonctionner en mode discontinu, semi-continu ou continu. Dans ce mode de réalisation, le dispositif est constitué de quatre appareils principaux : un contacteur 1, un décanteur 2, un évaporateur 3 et une machine 4 produisant des pellets de carboglace.

On introduit en flux discontinu, semi-continu ou continu dans le contacteur 1 maintenu sous une pression préférentiellement égale à 4 bars, d'une part le sable bitumineux 5, qui a été préalablement trié et éventuellement calibré en taille de particules millimétriques, et d'autre part des pellets de dioxyde de carbone (C0 ₂ ) solide 6 également de taille millimétrique. Une forte agitation mécanique est appliquée au sein de ce contacteur 1 à l'aide d'un agitateur 7 muni d'un dispositif de raclage adapté à la forme du fond du contacteur qui peut être conique, elliptique ou autre. L'agitateur est mis en rotation par le moteur 8. La mise en contact et l'apport d'énergie mécanique dans ce contacteur 1 est opéré à une température voisine de -60°C. Le sable bitumineux est ainsi porté rapidement à très basse température, bien inférieure à la température de transition vitreuse T _g du bitume (voisine de -20°C), ce qui facilite le détachement de la phase bitume de sa matrice inorganique et favorise aussi une attrition du bitume solide libéré. Le temps de séjour du sable bitumineux dans ce contacteur 1 est favorablement compris entre 1 et 60 min et plus favorablement entre 5 et 30 min.

Le contacteur est ensuite vidé de son contenu via le fond conique 9 et le mélange est alors introduit dans un décanteur 2 pourvu lui aussi d'un fond conique. Sur la figure 1, un seul décanteur 2 est représenté. Toutefois, il est possible que le dispositif comprenne plusieurs décanteurs 2 disposés en parallèle. Lors du remplissage du décanteur 2, la pression à l'intérieur de celui-ci est maintenue légèrement inférieure à celle régnant dans le contacteur 1.

Après chargement complet du décanteur 2, on augmente sa température par un moyen de chauffage non représenté (double enveloppe alimentée par fluide caloporteur ou chauffage électrique) jusqu'à ce que sa température soit comprise entre -40°C et -20°C. On obtient ainsi la fusion des pellets de C0 ₂ précédemment introduits et un niveau de pression résultant entre 10 et 20 bars.

Dans ces conditions, on note l'apparition de quatre phases qui pourront être séparées par effet gravitaire :

- une phase solide plus dense 10, essentiellement constituée de sable et cristaux de glace ;

- une phase liquide dense 11, essentiellement composée de C0 ₂ liquide ;

- une phase liquide surnageante 12, surtout constituée de bitume et fluidifiée par une fraction de dioxyde de carbone liquide dissoute dans cette phase ;

- une phase gazeuse 13 qui est essentiellement constituée de C0 ₂ gazeux.

Lorsque la décantation est terminée, soit après un temps de séjour qui peut être compris entre 5 à 60 min, la phase solide 10 est évacuée par le fond du décanteur 2 et récupérée par la ligne 14. La phase liquide surnageante 12 est récupérée en sortie du décanteur 2 dans la ligne 15 pour être introduite dans l'évaporateur 3. Le bitume qui est compris dans cette phase liquide 12 est récupéré par décompression dans l'évaporateur 3 qui est muni d'une vanne de régulation 16 asservie à un régulateur de pression 17. Le bitume est récupéré par la ligne 18, tandis que le C0 ₂ sous forme gazeuse est récupéré en sortie de l'évaporateur par la ligne 19.

La phase liquide dense 11, essentiellement composée de C0 ₂ liquide, est récupérée en sortie du décanteur 2 par la ligne 20, laquelle est reliée à la machine 4 par la ligne 46 sortant du filtre 45 destiné à éliminer les fines particules de minéral et d'hydrocarbures solidifiés. La phase gazeuse 13, essentiellement composée de C0 ₂ gazeux, est récupérée par la ligne 23 via la vanne 21 qui est asservie à un régulateur de pression 22. Tout le C0 ₂ liquide ou gazeux est récupéré et renvoyé par les lignes 19, 23 et 46 vers la machine 4 fabriquant les pellets de C0 ₂ , laquelle est également alimentée par un appoint de C0 ₂ liquide provenant d'un stockage cryogénique 24. Les pellets produits dans la machine 4 sont introduits par la ligne 6 dans le contacteur 1.

La figure 2 illustre un mode de réalisation du procédé selon la présente invention pouvant fonctionner avantageusement en mode continu, ce qui est préférable pour satisfaire les besoins industriels dans le traitement des sables bitumineux, objet de la présente demande.

Ce mode de réalisation est identique à celui représenté sur la figure 1, à l'exception du contacteur. En effet, dans le mode de réalisation représenté sur la figure 2, le sable bitumineux à traiter 25 et les pellets de C0 ₂ solide 26 sont introduits dans un contacteur continu 27 constitué d'un fût récipient sous pression, doté d'une double enveloppe 28 dans lequel circule un fluide caloporteur à une température comprise entre -25°C et -40°C. Ce fût récipient contient un ou plusieurs mobiles 29, assurant à la fois les fonctions d'agitation et de pompage, mus par un moteur 30 de puissance suffisante pour véhiculer le mélange de sable bitumineux et de C0 ₂ solide vers un décanteur 2. A mesure que le mélange de sable bitumineux et de C0 ₂ solide progresse vers la sortie 31 du contacteur 27, sa pression augmente. Le mélange ainsi comprimé est légèrement chauffé par contact avec la paroi du fût du contacteur dont la température est réglable par le fluide caloporteur circulant dans la double enveloppe 28. Il en résulte que le C0 ₂ solide fond progressivement et que le mélange obtenu en sortie 31 peut être introduit dans le décanteur 2 et former quatre phases de façon analogue au cas décrit dans la figure 1.

La machine de fabrication de pellets de C0 ₂ n'est pas représentée sur la figure 2, mais elle peut faire partie du dispositif.

Les figures 3 et 4 illustre schématiquement d'autres modes de réalisation du procédé permettant un contact rapide et efficace entre le sable bitumineux et des pellets de C0 ₂ solide. Dans la figure 3, le dispositif comprend un contacteur à co-courant descendant 35. Le sable bitumineux 32 et des pellets C0 ₂ solide 33 provenant directement de l'unité de pelletisation 43 sont mis en contact à l'entrée du contacteur 35. Du C0 ₂ sous forme liquide est également introduit dans le contacteur 35 via la ligne 34. Le contacteur 35 est équipé d'un moyen de chauffage 36 assurant la fusion du C0 ₂ solide. Située en aval de ce contacteur 35, un séparateur par hydrocyclonage 37 permet d'obtenir en fond de cyclone un sable purifié récupéré par la ligne 38 et en tête un mélange de bitume et de C0 ₂ liquide et gazeux récupéré par la ligne 39. Ce mélange est introduit dans un évaporateur 40. Le bitume est récupéré par décompression par la ligne 41, tandis que le C0 ₂ sous forme gazeuse est récupéré en sortie de l'extracteur 40 par la ligne 42. Il est renvoyé vers la machine 43 fabriquant les pellets de C0 ₂ .

Dans la figure 4, le dispositif est identique à celui décrit dans la figure 3 sauf que le contacteur est un contacteur à co-courant ascendant de type riser 44.

D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront des exemples suivants, qui sont donnés à titre purement illustratif et nullement limitatif.

EXEMPLES

Exemple 1 : cas d'un broyage et tamisage cryogéniques refroidi classiquement et 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 minute.

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 100 tonnes de sable bitumineux contenant 11% de bitume, il peut apparaître intéressant de produire 29,5 tonnes de sable de granulométrie 0 -160 μιη et contenant en moyenne 31% de bitume (donc plus riche que la matière première), mais cela implique le rejet de 70,5 tonnes de sable contenant 3,7% de bitume. On notera que ce procédé ne conduit qu'à une phase minérale enrichie en bitume et non à un bitume exempt de minéral, ce qui nécessite la mise en œuvre d'un traitement supplémentaire de récupération du bitume pour qu'il puisse être envoyé dans la chaîne de valorisation. De plus, 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 μιη) est beaucoup plus limité. Exemple 2 : cas d'un broyage et tamisage cryogéniques refroidi avec du C0 ₂ solide ou liquide mais sans présence d'un fluide de séparation

Dans ce cas, la nature du sable bitumineux soumis à l'expérience est le même que précédemment c'est-à-dire contenant après séchage 11% de bitume et 89% de matière non organique. Le broyeur est également de type rotatif Fritsch « Pulverisette 14702 ».

Mais cette fois-ci, au lieu de refroidir en permanence le laboratoire à -25°C et transitoirement à l'azote liquide les appareillages, nous avons placé le broyeur en atmosphère refroidie par apport d'une masse initiale C0 ₂ solide et balayage de C0 ₂ gazeux également refroidi. La température du broyeur en fonctionnement a pu être ainsi maintenue à environ -30°C. Sitôt le broyage achevé, on a récupéré le sable bitumineux résultant dans une atmosphère constituée de C0 ₂ gazeux résultant du changement d'état du C0 ₂ solide initialement introduit en C0 ₂ gazeux froid et C0 ₂ liquide qui s'est lui-même transformé en C0 ₂ gazeux également froid. Le tamisage du sable bitumineux broyé dans ces conditions a été mis en œuvre comme précédemment avec un empilement de tamis vibrants correspondant aux mêmes diamètres de maille, mais également sous balayage de C0 ₂ gazeux refroidi comme cela a été effectué pour le broyage.

Le tableau 2 présente les résultats obtenus pour 152g de produit tamisé.

Tableau 2

On peut ici encore constater que cette opération permet de récupérer 42 g d'une fraction 0-160 μιη contenant 28 % de bitume mais que cet enrichissement se fait au prix d'un rejet de 110 g d'une fraction 160 μιη+ qui contient encore 4,7 % de bitume.

Cette expérience montre donc que, quel que soit le mode de refroidissement avec lequel est opéré le procédé d'enrichissement basé sur la fragilisation et cassure au-dessous de la température de transition vitreuse du bitume de la liaison entre ce bitume et la partie minérale (effectuée ici par broyage et tamisage dont le principe est similaire à celui qui est à la base de la demande de brevet US 2011/0297586), le résultat est le même dès lors qu'un fluide de séparation tel que le C0 ₂ liquide n'est pas maintenu présent comme fluide de séparation au cours de toutes les étapes du procédé. De même qu'il a été observé à l'exemple 1, ce procédé ne conduit qu'à une phase minérale enrichie en bitume et non à un bitume exempt de minéral.

Exemple 3 : extraction selon l'invention

Instruits par les résultats insatisfaisants des exemples 1 et 2, nous avons essayé de reproduire expérimentalement le procédé selon l'invention sur un équipement de laboratoire utilisé classiquement pour la visualisation des équilibres thermodynamiques à haute pression, consistant en une cellule transparente d'environ 50 cm (tube en saphir de 100 mm de hauteur et 25 mm de diamètre intérieur) placée dans une enceinte pouvant maintenir la température de la cellule à une valeur fixée par injection contrôlée et détente de dioxyde de carbone. Un mobile d'agitation à axe vertical est disposé en fond de cellule. Un système extérieur permet de faire circuler le fluide (C0 ₂ ) à travers la cellule et d'amener la pression à une valeur fixée. Trois types de sables bitumineux (SB) ont été mis en œuvre. La composition de ces sables bitumineux est donnée dans le tableau 3 ci-dessous (en % massiques) :

Tableau 3

L'échantillon à tester (15 g) et des pellets de carboglace (40 g) ont été déposés dans le fond de la cellule. Une agitation vigoureuse a alors été démarrée et maintenue pendant 20 minutes. La pression dans la cellule augmente lentement de 1 à 5 bars absolus et la température mesurée au fond de la cellule s'établit à -50°C environ. Puis, l'agitateur a été arrêté et les phases ont décanté lentement. La pression dans la cellule et la température mesurée au fond de la cellule ont augmenté lentement de 5 à 14 bars absolus et de -50°C à -30°C respectivement. Quatre phases sont clairement apparues :

- un résidu se dépose en fond de la cellule,

- une phase liquide dense légèrement brune très fluide,

- une phase surnageante foncée visqueuse,

- une phase gazeuse incolore.

Ces différentes phases ont été ensuite récupérées et analysées après élimination du C0 ₂ par détente à la pression atmosphérique. La récupération des hydrocarbures dissous dans la phase fluide liquide dense, qui était essentiellement constituée de C0 ₂ liquide, n'a pas permis une quantification fiable. La phase surnageante est récupérée sous forme d'un liquide visqueux noir, essentiellement constitué d'hydrocarbures et ne contenant pas de minéral. Toutefois, il est vraisemblable qu'une partie de la phase bitumineuse pourtant séparée durant l'opération, s'est redéposée sur le résidu lors de cette séparation expérimentale, réduisant d'autant la mesure du taux de bitume effectivement séparé de la phase minérale.

Les trois charges ont été traitées sur notre installation et le taux d'extraction du bitume (en % massique) sont présentées dans le tableau 4 ci-dessous :

Tableau 4

Malgré la sous-estimation du taux d'extraction du bitume résultant des limites de la méthode de mesure utilisée, on constate que le procédé consistant à combiner un fort refroidissement du sable bitumineux avec une intense agitation mécanique du mélange du sable bitumineux avec des pellets de carboglace conduit à une forte attrition de la couche de bitume entourant la phase minérale et permet ainsi de récupérer les hydrocarbures présents dans le sable bitumineux.

Exemple 4 : extraction selon l'invention

Dans une variante de l'essai précédent, on a déposé initialement dans la cellule 15 g de sable et 25 g de pellets de carboglace. La pression dans la cellule a augmenté lentement de 1 à 5 bars absolus et la température mesurée au fond de la cellule s'établit à -48°C environ. Après 10 min d'agitation, on a introduit environ 5 g de C0 ₂ liquide sur-refroidi par passage dans un serpentin maintenu dans un bain à -40°C. On voit alors qu'une large partie de ce fluide s'est vaporisée instantanément à l'entrée dans la cellule. La pression a été maintenue à 5 bars absolus et la température s'est stabilisée vers -55°C. L'agitation a été arrêtée au bout de 20 min et les phases ont décanté lentement avec apparition des quatre phases comme précédemment. La pression dans la cellule et la température mesurée au fond de la cellule augmentent lentement de 5 à 15 bars absolus et de -50°C à -34°C respectivement.

Les résultats mesurés comme dans l'exemple 3 sont les suivants :

Tableau 5 On peut donc légitimement penser que l'utilisation de moyens optimisés de mise en œuvre du procédé selon l'invention permettra d'obtenir à un taux d'extraction élevé des hydrocarbures présents dans le sable bitumineux, en notant que le bitume ainsi récupéré est exempt de minéral et peut donc être introduit dans la chaîne de valorisation sans traitement supplémentaire.

Exemple 5 : Exemple comparatif

Dans cet exemple comparatif, on présente une vérification expérimentale de l'intérêt d'effectuer l'extraction de la phase bitumineuse dans les sables bitumineux (SB) au moyen d'un procédé consistant d'abord à mettre au contact le sable bitumineux avec des pellets de C0 ₂ solide tout en effectuant un apport significatif d'énergie mécanique au mélange et ensuite à introduire dans ce mélange, du C0 ₂ liquide qui permet la liquéfaction de tout le C0 ₂ présent et ce pendant un temps suffisant et à une température inférieure à la température de transition vitreuse du bitume, tout cela pour que - in fine - la phase bitumineuse soit efficacement séparée de la phase inorganique (sable) qui la contient. Cette phase bitumineuse peut alors être finalement récupérée par exemple par séparation gravitaire du mélange multiphasique créé : phase inorganique / C0 ₂ liquide / bitume.

Deux expériences ont donc été réalisées et reproduites au laboratoire consistant chacune en une succession de plusieurs étapes opérées dans tous les cas avec une masse de 200 g d'une même qualité de sable bitumineux (SB) contenant 11% en poids de bitumine, 83% en poids de phase inorganique et 6% en poids d'eau.

La première expérience a mis en œuvre le principe du procédé décrit dans la demande de brevet WO 2013/139515.

Du C0 ₂ liquide a été introduit dans un réacteur cylindrique à fond conique d'un volume de 2L contenant 200 g de sable bitumineux et équipé d'un agitateur mécanique à axe vertical et muni de 5 étages de pales horizontales inclinées nécessaires pour homogénéiser le mélange C0 ₂ liquide / sable bitumineux. Cette mise en contact solide / liquide a été effectuée en mode semi-continu puisque le C0 ₂ liquide a été introduit en continu dans le fond du réacteur et en large excès (environ 10 g C0 ₂ liquide / 1 g sable bitumineux). Cette opération, dont la durée a été de 100 minutes, a permis de réaliser simultanément d'une part le maintien du mélange C0 ₂ liquide / sable bitumineux à une pression totale de 10 bar et une température constante de - 40°C et d'autre part - grâce à une agitation mécanique dont la vitesse de rotation est fixée à 420 tours/min, un contact aussi intime que possible du sable bitumineux avec le C0 ₂ liquide.

En fin d'expérience le sable bitumineux traité a été récupéré dans le réacteur vide après décompression de l'appareillage, puis soumis à une analyse de sa teneur en bitume. Celle-ci a été typiquement égale à 7,5% en poids, ce qui signifie que le procédé d'extraction de bitume n'a été efficace qu'à hauteur de 32%. Une deuxième expérience a été effectuée en deux étapes.

La première étape a consisté à placer comme précédemment 200 g du même sable bitumineux (SB) au sein du même réacteur et à ajouter 500 g de C0 ₂ solide, introduit manuellement sous forme de pellets de forme cylindrique disponibles commercialement et ayant un diamètre moyen de 3 mm et une longueur moyenne de 5 mm. Le réacteur a ensuite été fermé et la pression totale était alors de 1 bar. Le mobile d'agitation a ensuite été mis en fonctionnement à la même vitesse que précédemment (420 tours/min) et le temps de cette mise en contact solide / solide à très basse température (proche de la température des pellets de C0 ₂ : - 78°C) a été ajusté à 10 minutes.

Après les 10 minutes de cette première étape de contact cumulant un fort refroidissement du sable et une forte dissipation d'énergie mécanique du système sable bitumineux / C0 ₂ solide, la deuxième étape de cette deuxième expérience a été opérée, la procédure étant strictement identique à celle décrite au cours de la première expérience.

A la fin de cette seconde expérience, le sable bitumineux purifié a été récupéré comme cela a été fait précédemment et la teneur résiduelle en bitume de ce sable a été mesurée et trouvée typiquement égale à 5,3%.

Cela signifie que cette seconde expérience a permis d'atteindre un taux d'extraction de bitume dans le sable bitumineux initial de 52% . La comparaison des résultats obtenus par les deux expériences qui ont été décrites permet donc de confirmer que le fait de faire précéder le procédé décrit dans la demande de brevet WO 2013/139515 par une mise en contact préalable du sable bitumineux avec du C0 ₂ solide associé à une dissipation forte d'énergie mécanique a été un facteur très favorable à l'amélioration du taux d'extraction du bitume dans les sables bitumineux.