Domaine technique

L’invention concerne les réacteurs tubulaires radiaux. Typiquement, ces réacteurs peuvent être munis de vis, ces vis, par rotation de type vis sans fin autour de l’axe longitudinal des réacteurs, amènent une charge au moins partiellement solide de l’extrémité amont à l’extrémité aval du réacteur, afin de modifier/traiter la charge en question. Les modifications visées peuvent généralement être d’ordre physico-chimique, par exemple pour modifier la qualité de la charge en modifiant sa structure, certaines de ses propriétés, ou pour réaliser une conversion chimique de celle-ci.

Les modifications visées peuvent également être de type thermique, par un échange de calories avec un fluide liquide ou gazeux d’une température supérieure ou inférieure à la charge : l’objectif est alors de chauffer ou refroidir le produit.

L’invention s’intéresse notamment, sans y être limitée, aux charges de type biomasse, notamment les biomasses de type ligno-cellulosique.

Il est ainsi connu de traiter de la biomasse en vue de produire des sucres, des biocarburants comme le bioéthanol, ou des molécules biosourcées, ce traitement comprenant une étape d’imprégnation en milieu acide puis d’hydrolyse enzymatique, comme cela est décrit dans le brevet WO 2018/015227.

Il est également connu d’utiliser une charge dont une fraction contient de la biomasse et une autre fraction contient une charge différente, afin de produire des hydrocarbures de synthèse par la réaction de Fischer-Tropsch, procédé comprenant au moins une étape de prétraitement et une étape de gazéification, comme cela est par exemple décrit dans le brevet WO 2014/068253. La charge doit, lors du prétraitement, être torréfiée.

Technique antérieure

On connaît, par ailleurs, des procédés de traitement par hydrolyse acide de biomasse lignocellulosique, dont celui décrit dans le brevet pré-mentionné, l’utilisation de réacteurs d’explosion à la vapeur en continu. Ces réacteurs tubulaires possèdent une vis convoyeuse sans fin et peuvent traiter la biomasse en pression, grâce à une alimentation par une vis convoyeuse d’amenée décrite plus haut par exemple. Dans le traitement de la biomasse, les températures vont d’environ 160 à 220°C, les temps de séjour vont d’environ 2 à 60 minutes. L’imprégnation acide facilite l’hydrolyse, et est généralement faite au préalable. En général, seule de la vapeur est injectée pour chauffer le réacteur. La vis sans fin du réacteur tourne dans une enceinte métallique cylindrique, appelée aussi virole, afin de convoyer la biomasse depuis la zone d’alimentation jusqu’à la zone de détente explosive où la biomasse subit une modification physique. Cet outil permet donc un traitement physico-chimique assez efficace de la biomasse, avec un bon contrôle du temps de séjour. Néanmoins, l’hémicellulose et la cellulose ne se convertissent pas à la même vitesse, et il reste difficile de maintenir une bonne réactivité de la cellulose à l’hydrolyse enzymatique sans trop dégrader l’hémicellulose durant le prétraitement. Par ailleurs, l’imprégnation est une étape qui a lieu généralement séparément, et en amont, du réacteur d’hydrolyse acide. La cuisson acide se déroule donc avec une seule liqueur acide (utilisée dans l’imprégnation), ce qui limite la flexibilité des conditions opératoires de cuisson.

On connaît également des réacteurs, appelés couramment digesteurs, utilisés par exemple dans l’industrie papetière. Dans ces réacteurs verticaux descendants, la charge et la liqueur, généralement basique, sont injectées en partie haute et descendent de manière gravitaire. La réaction est réalisée globalement à co-courant, avec un certain nombre de zones de séparation liquide/solide intermédiaires.

L’article « Production de biokérosène et de biogazole par la voie thermochimique » publié le 10 mai 2016 par les Techniques de l’Ingénieur (ref IN303V1 , auteurs L. Bournay, J-P Heraud, A.C Pierron) décrit ainsi les grands principes de la torréfaction, ainsi que les technologies de réacteurs les plus communément utilisées. En particulier, il décrit un four multi-étagé, qui se compose de plusieurs plateaux superposés dans une enceinte de forme cylindrique verticale. La biomasse est introduite en partie supérieure du four, puis s'écoule de plateau en plateau par gravité. La biomasse est mise en mouvement grâce à des racleurs fixés à un arbre tournant autour de l’axe central de l’enceinte. Les racleurs sont positionnés et orientés de telle sorte que les particules de biomasses soient repoussées vers la circonférence externe ou interne de façon alternée d’un plateau à l’autre. Les particules de biomasse s’écoulent alors vers le plateau inférieur par des ouvertures positionnées à la circonférence du plateau. La température du four est régulée par une génération de gaz chauds déportée et une circulation assurée par des ventilateurs. Le gaz chaud traverse chaque section délimitée par deux soles, le contact avec le produit n’est donc pas dense (le gaz ne traverse pas un lit de charge).

Le but de l’invention est alors de perfectionner ces différents types de réacteurs, notamment afin d’en améliorer les performances et/ou la flexibilité. Résumé de l’invention

L’invention a tout d’abord pour objet un réacteur tubulaire muni à une de ses extrémités d’une entrée de charge, notamment au moins partiellement solide, et à son extrémité opposée d’une sortie de charge, tel que ledit réacteur loge un distributeur de fluide dont la paroi externe délimite un espace tubulaire ou annulaire qui est coaxial à l’axe longitudinal du réacteur,

- ledit espace tubulaire ou annulaire comprenant une entrée de fluide à l’une de ses extrémités, et une sortie de fluide (9) notamment à son autre extrémité,

- ledit espace tubulaire ou annulaire comprenant une pluralité de sorties latérales de fluide, lesdites sorties comprenant des orifices traversant la paroi externe du distributeur pour déboucher à l’intérieur du réacteur,

- ledit distributeur de fluide étant entouré, dans le réacteur, sur au moins une partie de la longueur dudit distributeur, d’un filtre confinant la charge dans l’espace entre le distributeur et ledit filtre.

Au sens de l’invention, le terme de « filtre » est à comprendre de façon générique comme tout moyen apte à contenir la charge en filtrant, notamment, au moins partiellement le milieu fluidique (liquide ou gazeux) dans laquelle elle peut être en suspension.

Au sens de l’invention, on comprend par une charge « partiellement solide » une charge solide qui peut aussi comprendre une part variable de liquide, par exemple d’eau.

Un tel réacteur vient modifier radicalement la mise en oeuvre des réactions chimiques ou des échanges thermiques ayant lieu par contact d’une part entre le fluide injecté par le distributeur axial selon l’invention, et d’autre part la charge alimentant le réacteur, notamment la charge de type biomasse lignocellulosique intéressant plus particulièrement la présente invention.

En effet, le réacteur selon l’invention permet de découpler les temps de séjours du fluide, injecté via le distributeur, du temps de séjour du solide, c’est-à-dire de la charge. Ceci permet d’améliorer la sélectivité et/ou le rendement d’une réaction chimique, notamment en limitant la dégradation des produits d’intérêt en composés solubles dans le fluide, quand il s’agit d’un fluide sous forme liquide, qui sont évacués avec le fluide en question. Ceci permet par ailleurs de maximiser l’efficacité des échanges thermiques, en enlevant les contraintes associées, par exemple, aux pertes de charges d’un flux de fluide traversant un lit de solide, puisque l’épaisseur de charge traversée par le fluide est ici faible (elle est limitée au rayon de l’espace annulaire qui se trouve entre le distributeur et le filtre).

Le fluide a ainsi, selon l’invention, un temps de séjour contrôlé dans le réacteur, qui peut être différent du temps de séjour de la charge (généralement un temps de séjour plus court), ce qui peut permettre de limiter l’éventuelle formation de produits secondaires non voulus, produits secondaires pouvant créer des risques d’encrassement du réacteur et/ou venant abaisser le rendement de la transformation voulue de la charge.

En faisant ainsi déboucher, depuis le distributeur axial, le fluide transversalement au sens général d’écoulement de la charge dans le réacteur, on assure un contact charge/fluide en courant traverse (appelé aussi courant croisé) : on maximise ainsi la surface d’échange de matière (et éventuellement de chaleur) entre la charge et le fluide, ce qui permet aussi de limiter la taille des équipements, et ce qui conduit généralement également à une limitation de la consommation énergétique nécessaire par rapport à des réacteurs conventionnels opérant le même traitement.

Si l’on prend l’application de ce réacteur au prétraitement de biomasse lignocellulosique par torréfaction, on en voit tout l’intérêt : le courant croisé permet d’augmenter le coefficient d’échange et donc de réduire la taille de l’équipement.

Si l’on prend l’application de ce réacteur au prétraitement de biomasse lignocellulosique par une liqueur donnée, acide par exemple, on en voit tout l’intérêt : le courant croisé liqueur/charge facilite la réaction, et, en injectant la liqueur à différents niveaux du réacteur via ce distributeur, on va pouvoir maintenir la performance de l’action de l’acide sur la cellulose, tout en diminuant la dégradation de l’hémicellulose.

De façon plus générale, on va aussi pouvoir diminuer les temps de séjour de la charge dans le réacteur, compacter les installations et/ou améliorer les débits de traitement de charge.

De préférence, les orifices des sorties de fluide du distributeur sont répartis régulièrement sur sa paroi externe, notamment sur la circonférence du distributeur axial sur au moins une portion de la longueur dudit distributeur. On vient ainsi assurer une distribution radialement homogène du fluide depuis le distributeur en direction de la zone entre le distributeur et les parois internes du réacteur où se déplace la charge. De préférence, le filtre comporte un composant fritté ou une plaque percée d’orifices ou une grille, par exemple une grille Johnson, entourant le distributeur, de préférence sur toute la longueur dudit distributeur. Ce filtre vient ainsi retenir la charge, ou tout au moins sa fraction solide, dans la zone entre distributeur et filtre, et permet d’égoutter le fluide en excès et/ou le liquide contenu dans la charge initiale dans la zone entre le filtre et les parois internes du réacteur. Cet égouttage peut être utile en vue de leur recyclage éventuel, dans le réacteur, ou en amont ou en aval de celui-ci, dans le procédé de traitement de la charge intégrant un tel réacteur.

Le filtre et le distributeur sont de préférence coaxiaux (et coaxiaux à l’axe longitudinal du réacteur, qui présente ainsi une symétrie de révolution autour de cet axe).

De préférence, l’entrée de charge est munie d’un moyen d’injection et/ou la sortie de charge est munie d’un moyen d’extraction, les moyens d’injection et/ou d’extraction étant choisis parmi des vis sans fin ou des injecteurs/extracteurs vibrants.

Selon une variante de l’invention, le distributeur peut délimiter un espace tubulaire interne et au moins un espace annulaire coaxial et externe audit espace tubulaire interne, chaque espace, tubulaire et annulaire, véhiculant son propre fluide.

Les fluides peuvent être de compositions et/ou de températures différentes, et ces espaces internes au distributeur peuvent alors être conçus pour que chaque fluide soit mis en contact avec la charge dans des portions différentes du réacteur, tout au long du distributeur axial : la charge peut subir une première modification par mise en contact avec un premier type de fluide sur un premier tronçon du distributeur/du réacteur, puis la charge modifiée peut subir une autre modification par mise en contact avec un deuxième type de fluide sur un tronçon suivant.

Il peut s’agir de réactions différentes, ou de même nature, avec le même type de fluide dans des conditions opératoires différentes (par exemple en utilisant le même fluide mais à des températures différentes, à des concentrations d’agent actif différent, ou en utilisant deux fluides ayant des agents actifs différents mais aux propriétés analogues, comme deux solutions acides avec des acides de force différente).

On peut ainsi « découper » le réacteur en différentes zones réactionnelles successives le long du réacteur, selon la direction générale d’écoulement de la charge dans le réacteur, par exemple deux ou trois zones réactionnelles successives, suivant la taille des équipements et les besoins. On peut par exemple « découper » le réacteur en une zone réactionnelle précédée et/ou suivie d’une zone destinée à chauffer ou refroidir la charge. Un mode de réalisation du réacteur selon l’invention peut ainsi comporter, d’amont vers l’aval, une zone de chauffage par un premier fluide caloporteur, puis une zone de réaction avec un autre fluide contenant un réactif, puis enfin une zone de refroidissement avec un autre fluide, réfrigérant cette fois.

Si l’on prend l’application de ce réacteur au prétraitement de biomasse lignocellulosique par torréfaction, on en voit tout l’intérêt : il est possible d’utiliser des gaz de nature et ou de températures différentes selon les zones afin de minimiser les coût opératoires des étapes de séchage et de torréfaction (en optimisant les températures opératoires) et d’intégrer une zone finale de séchage, limitant ainsi le nombre d’équipements : le sécheur, le torréfieur et le refroidissement étant intégrés.

Les fluides distribués par le distributeur peuvent donc avoir un rôle purement thermique, en étant inertes chimiquement vis-à-vis de la charge : ils pourront être des fluides caloporteurs ou réfrigérants. Ils peuvent aussi avoir un rôle chimique/physique vis-à-vis de la charge en contenant au moins un réactif susceptible de la modifier chimiquement/physiquement.

Il est bien sûr possible aussi de prévoir des fluides qui contiennent un ou des réactifs et qui, de par leur température différente de celle de la charge, vont jouer également un rôle thermique, par exemple pour faciliter l’amorçage de la réaction, ou pour en contrôler l’évolution.

Chaque espace tubulaire et annulaire peut s’étendre sur tout ou partie de la longueur du distributeur.

Selon un mode de réalisation, on peut avoir un espace tubulaire interne qui s’étend sur toute la longueur du distributeur et qui est muni de sorties latérales de fluide que sur une portion aval du distributeur, et on peut avoir le ou au moins un des espace(s) annulaire(s) externe(s) qui ne s’étend que sur une portion amont du distributeur, distincte de ladite portion aval.

Si l’espace tubulaire /annulaire défini par le distributeur est unique, on choisit de préférence un espace qui s’étend sur toute la longueur du distributeur, qui, lui-même s’étend sur la majorité de la zone opérationnelle du réacteur, pour assurer une distribution du fluide sur toute la longueur du réacteur.

Si le distributeur délimite plusieurs espaces véhiculant chacun leur fluide, au moins un de ces espaces s’étendra préférentiellement sur une portion donnée du distributeur, et les sorties de fluide de chacun des espaces sont réparties sur la longueur du distributeur de telle façon que la charge soit séquentiellement mise en contact, au fur et à mesure de son avancée dans le réacteur, avec un fluide différent.

L’invention a également pour objet le procédé de mise en oeuvre du réacteur décrit plus haut, où l’on fait circuler un ou des fluides dans le ou les espaces délimités par le distributeur, avec contact en courant croisé du ou des fluides avec la charge en sortie desdits espaces.

Le procédé de mise en œuvre du réacteur selon l’invention traite de préférence une charge comprenant de la biomasse, notamment de type lignocellulosique.

De préférence, dans un mode de réalisation, l’espace annulaire entre le distributeur et le filtre est le lieu de passage d’une charge comprenant de la biomasse, notamment de type lignocellulosique. La taille caractéristique de cette charge est généralement inférieure à 30 cm, de préférence inférieure à 15 cm et notamment inférieure à 5 cm. Pour donner un exemple, la charge peut être constituée de pellets de paille de 8 mm de diamètre et 5 cm de long, ou de plaquettes forestières de 3 à 5 cm de côté. Cette charge peut avoir été préalablement séchée, broyée, mise en forme (pelletisation, briquetisation), imprégnée, par exemple.

Selon une première variante, on fait circuler dans le distributeur un fluide sous forme au moins partiellement gazeuse, notamment pauvre en oxygène, de préférence entre 200 et 350°C, pour assurer une torréfaction de la charge.

Selon une deuxième variante du procédé, on fait circuler dans le distributeur un fluide sous forme au moins partiellement liquide, notamment une solution aqueuse acide ou basique, de préférence entre de préférence entre 80 et 250°C ou encore entre 140 et 250°C, pour assurer une hydrolyse de la charge.

La charge peut généralement comprendre entre 1 et 95%, notamment entre 20 et 80% en poids d’eau.

Dans la première variante du procédé, la charge brute est de préférence de la biomasse lignocellulosique de tout type: paille variées, bois résineux et feuillus, plantes herbacées (miscanthus, cannes ...), etc... La teneur en matière sèche de cette charge brute en entrée de procédé est d’environ 30% à 60% MS pour des copeaux de bois et supérieure à 80% MS pour les pailles. La densité apparente est de 50 à 100 kgMS/m ³ pour des pailles en vrac et 125 à 200 kgMS/m ³ pour des bois en copeaux. Avant le réacteur, la biomasse subit souvent une imprégnation dans une liqueur, ce qui modifie la teneur en matière sèche en entrée de réacteur. On obtient ainsi une teneur en matière sèche de 15 - 30 % MS en fin d’imprégnation. La teneur en matière sèche peut remonter à 35 - 45% en cas de recompression mécanique de la charge, via une vis de type "plug screw" par exemple.

Dans la seconde variante du procédé, l’teneur en matière sèche en entrée de réacteur est généralement beaucoup plus faible, avec des taux supérieurs à 30 % MS, préférentiellement 50% voire 70%, voir encore 90%. Par ailleurs, cette variante permet aussi de travailler avec des biomasses mises en forme qui ont une densité bien plus grande d’environ 1000kgMS/m ³ .

Dans tout le présent texte, l'acronyme "MS" désigne le taux de matière sèche qui est mesurée selon la norme ASTM E1756 - 08(2015) « Standard Test Method for Détermination of Total Solids in Biomass”. (L’humidté d’un matériau se calcule de la façon suivante : c’est le ratio entre la matière sèche et la somme de la matière sèche et de l’eau.)

Avantageusement, le fluide collecté par le filtre dans l’espace entre le filtre et les parois du réacteur peut être recyclé, au moins partiellement, en entrée de fluide d’un espace délimité par le distributeur. Le recyclage peut comporter une étape intermédiaire de nettoyage, régénération, ajustement de la température, ajustement en concentration en agent actif etc... quand cela s’avère nécessaire. (Par exemple quand le fluide liquide collecté se trouve additionné d’eau contenue dans la biomasse injectée dans le réacteur, ou quand il s’est modifié du fait de la réaction avec la charge.)

Avantageusement, le réacteur est disposé selon une orientation sensiblement verticale, avec l’entrée de charge en partie haute, c’est la configuration préférée quand la charge est solide et le fluide est gazeux. Cette orientation favorise une bonne répartition de la charge entre le distributeur axial et le filtre dans le réacteur, elle utilise la gravité pour faciliter le transport de la charge dans le réacteur, ce qui présente deux avantages : d’une part, la densité dans le réacteur peut être plus grande, donc l’équipement peut être de taille limitée, d’autre part le fluide injecté depuis la vis peut être réparti de façon plus homogène à travers la charge. Quand la charge est solide et le fluide plutôt liquide, la configuration préférée est plutôt un réacteur orienté sensiblement verticalement et une entrée de charge en partie basse cette fois, la charge tendant à monter dans le réacteur par mise en suspension dans le liquide.

Optionnellement, le cas échéant, on peut opérer une saturation de la charge avec de l’eau (solvant aqueux) préalablement à son traitement par le ou les fluides véhiculés dans le ou les espaces tubulaires ou annulaires du distributeur, notamment afin que la charge atteigne un taux de matière sèche d’au plus 20%. Liste des figures

La figure 1 représente une vue en coupe longitudinale d’un réacteur selon l’invention selon un premier exemple d’un premier mode de réalisation.

La figure 2 représente une vue en coupe longitudinale d’un réacteur selon l’invention selon un deuxième exemple d’un premier mode de réalisation.

La figure 3 représente une vue en coupe longitudinale d’un réacteur selon l’invention selon un troisième exemple d’un premier mode de réalisation

La figure 4 représente une vue en coupe longitudinale d’un premier exemple de distributeur selon l’invention selon le deuxième mode de réalisation de l’invention.

La figure 5 représente une vue en coupe longitudinale d’un deuxième exemple de réacteur avec un autre type de distributeur selon l’invention selon le deuxième mode de réalisation de l’invention.

Description des modes de réalisation

L’ensemble des figures est très schématique, les différents composants ne sont pas nécessairement à l’échelle, et gardent la même référence d’une figure à l’autre. Les termes « amont » et « aval » utilisés dans le présent texte font référence à la direction générale d’écoulement de la charge dans le réacteur, selon son axe longitudinal X, de haut en bas ou de bas en haut selon les exemples qui vont être décrits.

Le premier mode de réalisation, qui concerne les figures 1 à 3, correspond à un réacteur avec un type de distributeur selon l’invention qui est apte à distribuer un seul type de fluide, avec une orientation verticale préférée.

Le deuxième mode de réalisation, qui concerne les figures 4 et 5, correspond à un réacteur avec d’autres types de distributeurs selon l’invention, qui sont aptes à distribuer plusieurs fluides différents. L’orientation du réacteur peut aussi être verticale, ou être horizontale également.

La figure 1 représente un réacteur 1 de l’invention selon un premier exemple du premier mode de réalisation.

Le réacteur 1 est tubulaire, cylindrique et présente un axe longitudinal X sensiblement vertical. Il est muni à son extrémité amont, en partie haute, d’une entrée de charge 2, l’amenée de charge se faisant par une vis d’injection 21 . Il est muni à son extrémité aval, en partie basse, d’une sortie de charge 3, la sortie de la charge se faisant par une vis d’extraction 31 qui permet de contrôler la vitesse de sortie de la charge traitée. La vis d’extraction 31 et/ou la vis d’injection 21 peuvent être complétées ou remplacées par tout autre moyen d’extraction/injection, comme un extracteur vibrant par exemple pour la vis d’extraction 31 .

La vitesse d’extraction est telle que la charge (au moins partiellement solide) avance à une vitesse comprise de préférence entre 0,1 et 20 m/h, une vitesse qui est compatible avec le temps de séjour requis de la charge dans le réacteur pour réaliser les réactions chimiques voulues. Utiliser un extracteur mécanique permet de maîtriser le temps de séjour de la charge dans le réacteur, et donc d’avoir une bonne homogénéité de traitement de la charge solide.

Le réacteur 1 loge un distributeur axial 5, coaxial à l’axe longitudinal X du réacteur, de type tube. Il loge également une grille 8, qui permet de contenir la partie solide de la charge dans l’espace annulaire qui se trouve entre la grille 8 et distributeur 5, la grille et le distributeur étant coaxiaux). Cette grille 8 remplit donc la fonction de filtre, et le dimensionnement de son maillage est choisi en fonction de la taille des composants de la charge.

Le distributeur 5 est un tube qui définit un espace tubulaire/cylindrique central 51 sur toute la longueur du distributeur. Cet espace tubulaire 51 est alimenté en fluide F par une entrée 6, elle-même connectée à une source du fluide non représentée. L’entrée 6 se trouve dans la partie amont du réacteur, ici en partie haute donc, à proximité de la vis 21 d’injection de la charge. Le distributeur est muni de sorties du fluide F par des perforations/orifices 7 débouchant hors de l’espace tubulaire dans l’espace entre le distributeur 5 et la grille 8, et permettant de laisser sortir le fluide hors du distributeur et venir en contact avec la charge. Ces perforations 7 sont dimensionnées de manière à avoir une bonne répartition du fluide à travers le lit de charge. La figure 1 n’en représente que quelques-unes, pour alléger la figure, mais il y en a sur toute la hauteur du distributeur, réparties sur sa circonférence (ce qui est également le cas pour les figures suivantes). La perte de charge à travers ces orifices 7 est préférentiellement d’au moins 1 bar, afin de limiter l’influence de l’hétérogénéité du chargement en charge au moins partiellement solide dans l’espace annulaire entre le distributeur 5 et la grille 8. On prévoit de préférence des orifices répartis régulièrement à la fois sur la circonférence de la paroi externe du distributeur et sur toute sa longueur. Le fluide F est ensuite extrait du réacteur par une sortie 9 en partie aval, basse ici, du réacteur.

Ici, l’espace interne 51 dans lequel le fluide est destiné à circuler est tubulaire et le centre de l’âme du distributeur est donc vide. Alternativement, on peut prévoir que cet espace interne soit annulaire, avec un centre du distributeur qui serait donc plein, ou tout au moins qui ne serait pas destiné à faire circuler le fluide. En fonctionnement, la charge au moins partiellement solide est donc transportée axialement de l’entrée 2 à la sortie 3, et, tout au long de son trajet, se trouve mise en contact avec le fluide sortant des orifices 7, par un contact dit « croisé » ou « traverse » particulièrement efficace pour maximiser la réaction/conversion/modification voulue de la charge par le fluide.

La figure 2 est un autre exemple du même premier mode de réalisation : toutes choses égales par ailleurs, ne seront décrites que les différences d’avec l’exemple de la figure 1. Ici, le fluide F est injecté non pas en partie haute, mais en partie basse du réacteur, par l’entrée 6’ qui est au voisinage de la sortie 3 de la charge, et le fluide sort du réacteur par une sortie 9’ en partie haute du réacteur 1’ : la charge s’écoule de haut en bas dans le réacteur, alors que le fluide F va « remonter » de bas en haut dans le distributeur 5. Le contact charge/fluide sortant des orifices 7 sur la hauteur du distributeur reste un contact en courant croisé.

La figure 3 est un autre exemple du même premier mode de réalisation : toutes choses égales par ailleurs, ne seront décrites que les différences d’avec l’exemple de la figure 2. Ici, la charge est injectée non pas en partie haute, mais en partie basse du réacteur 1”, par l’entrée 2’ via la vis d’injection 21’, qui est au voisinage de l’entrée 6‘ de fluide F de la charge: la charge s’écoule de bas en haut dans le réacteur, tout comme le fluide F qui « remonte » également de bas en haut dans le distributeur 5. Le contact charge/fluide sortant des orifices 7 sur la hauteur du distributeur reste un contact en courant croisé.

La figure 4 présente un premier exemple du deuxième mode de réalisation : ici le distributeur 5’ est muni de plusieurs espaces internes coaxiaux permettant d’injecter des fluides F1 , F2, F3, F4 de natures et/ou de températures différentes dans des zones définies de l’espace annulaire entre le distributeur 5’ et la grille 8. Par exemple, le fluide F1 peut être à 20°C, le fluide F2 peut être à 280°C, le fluide F3 peut être à 300°C et le fluide F4 à 140°C. On a, comme dans la première variante, un espace tubulaire interne 51 de diamètre d1 qui est alimenté en un fluide F1 , et un espace annulaire 52 autour de cet espace tubulaire 51 , qui est alimenté par un fluide F2, un espace annulaire 52 autour de l’espace 51 alimenté par un fluide F3 et un espace annulaire 53 autour de l’espace 52 alimenté en fluide F4. Les différentes espaces 51 ,52,53,54 sont alimentés par leurs fluides respectifs en entrée du réacteur, dans sa partie aval. De par leur configuration et leur perçages par des orifices 7 (quelques uns représentés seulement), chacun de ces espaces 51 à 53 vont successivement alimenter avec leurs fluides respectifs chacune des quatre zones Z4 à Z1 du réacteur alignées selon l’axe longitudinal X du réacteur (qui est aussi celui du distributeur 5’) :

- L’espace tubulaire 51 se prolonge jusqu’en entrée de la zone Z4, qu’il alimente en fluide F1 par des orifices 7 localisés que dans cette zone , en passant d’un diamètre donné à un diamètre d2 nettement plus grand, qui est le diamètre de la paroi externe cylindrique du distributeur

- l’espace annulaire 52 se prolonge jusqu’en entrée de la zone Z3 où il s’élargit , zone qu’il alimente en fluide F2 par des orifices 7 localisés que dans cette zone,

- l’espace annulaire 53 se prolonge jusqu’en entrée de la zone Z2 où il s’élargit, zone qu’il alimente en fluide F3 par des orifices localisés que dans cette zone, et enfin

- l’espace annulaire 54 s’arrête en sortie de la zone Z1 , qu’il alimente via des orifices localisés dans cette zone.

On voit que l’ensemble des orifices 7 par lesquels le fluide concerné sort du distributeur sont disposés sur la paroi cylindrique externe du distributeur 5’. Pour que les fluides soient correctement distribués, on prévoit une perte de charge suffisante pour compenser, au moins en ce qui concerne les fluides F1 ,F2 et F3, l’augmentation de diamètre externe des espaces tubulaires /annulaires quand ils débouchent dans leurs zones de distribution.

Chacune des zones Z1 à Z4 est également munie, dans son extrémité aval, d’une sortie pour le fluide qui l’alimente (symbolisée par une flèche F1 à F4). Ces fluides peuvent être récupérés et traités éventuellement selon leur qualité pour être recyclés.

La charge qui avance selon l’axe X se trouve donc successivement en contact avec le fluide F4, puis F3, puis F2, puis F1.

La figure 5 présente un deuxième exemple du deuxième mode de réalisation : comme pour l’exemple de la figure 4, il s’agit de traiter une charge avec plusiueurs fluides différents, ici au nombre de 4 également, mais la conception du distributeur 5” est différente : le réacteur est toujours divisé en quatre zones Z1 à Z4 le long de son axe longitudinal X, mais le distributeur 5”, pour les alimenter en fluides F1 à F4, est compartimenté en quatre zones tubulaires 51’, 52,’ 53’ et 54’, chacune de même diamètre et pourvue dans son extrémité amont d’une entrée du fluide concerné et dans son extrémité aval d’une sortie du fluide concerné. Comme dans le cas de la figure 4, l’ensemble des orifices 7 par lesquels les fluides sortent du distributeur 5” sont sur l’enveloppe externe cylindrique du distributeur. Des moyens sont prévus pour solidariser ces 4 portions de cylindres entre elles, notamment des moyens mécaniques. Cette conception de distributeur est plus simple que celle exposée à la figure 4. Elle présente en outre l’intérêt de limiter tout échange thermique possible entre les différents fluides avant qu’ils ne soient injectés dans leur zone dédiée dans le réacteur. Pour les distributeurs selon l’invention destinés à distribuer plus d’un fluide, comme ceux des figures 4 et 5 précédemment décrits, il est à noter que la taille relative des différentes zones Z1 à Z4 est modulable : en conjonction avec le débit /la concentration en agent actif éventuel des fluides, on peut ainsi ajuster au mieux les temps de contact nécessaires, en fonction de la quantité de charge à traiter.

Le nombre de zones est également modulable en fonction du nombre d’étapes de réaction/modifications de la charge voulue, par exemple entre 2 et 5. On peut aussi utiliser un même réacteur, à quatre zones par exemple, et l’adapter en l’alimenter avec un même fluide sur deux de ses zones au moins, quand seulement 1 , 2 ou 3 réactions sont voulues, et non 4.

A noter aussi que l’enveloppe extérieure du distributeur de l’invention n’est pas nécessairement cylindrique (sa section peut être ovale par exemple), ni nécessairement absolument rectiligne, même si cette configuration est la plus simple.

Exemples

Ci-dessous des exemples de mise en oeuvre des réacteurs selon le deuxième mode de réalisation décrit plus haut à l’aide des figures 4 ou 5.

Le procédé est un procédé de séchage et de torréfaction qui possède deux intrants : une charge solide brute, sous forme de pellets de pailles dont la longueur variant entre 5 mm et 20 mm, et de diamètre 6 mm, et une entrée de gaz chaud. Ce gaz est composé de fumée issue d’une chambre de combustion externe, non décrite ici, qui brûle du gaz naturel en mélange avec les gaz de torréfaction provenant du réacteur tubulaire de l’invention. L’teneur en matière sèche d’entrée de la charge est 35 % massique. La charge est initialement à température ambiante.

Le débit de charge est 10t/h.

Exemple 1 selon l’invention :

Ici le réacteur 1 permet de torréfier une charge injecté en partie haute via la vis d’injection 21. La charge suit une trajectoire descendante selon un écoulement piston. Le temps de séjour du produit est très bien maîtrisé, ce qui apport un avantage d’homogénéité de traitement thermique. Selon cet exemple, dont les conditions opératoires sont rapportées dans le tableau 1 ci-dessous, le produit sort refroidi (42°C en moyenne), il n’est pas nécessaire d’ajouter un dispositif spécifique en aval (contrairement à l’exemple 2 comparatif décrit par la suite).

Le réacteur selon l’invention possède 4 zones d’injection de gaz Z1 à Z4. La première zone Z1 est une zone de séchage, la seconde zone Z2 est une zone de chauffe, la troisième zone Z3 est une de torréfaction, la dernière zone Z4 est une zone de refroidissement. Caractéristique de l’équipement :

Exemple comparatif 2 selon l’art antérieur :

Ici l’équipement est un four à soles multiples. La charge fraîche est injectée en haut de l’équipement sur la première sole. Des bras rotatifs munis de socs permettent de faire avancer le produit en spirale sur cette sole jusqu’à atteindre un orifice permettant d’atteindre la seconde sole, et ainsi de suite. L’équipement possède deux zones : une zone de séchage et une zone de torréfaction. Le produit sort de l’équipement chaud. Un dispositif de refroidissement (par exemple refroidisseur à eau muni de vis convoyeuse) doit être prévu en aval. La distribution de temps de séjour du produit dans l’équipement est assez dispersée, l’homogénéité du traitement thermique est donc plus faible que dans le cas de l’exemple 1 . Les conditions opératoires et les outillages utilisés sont décrits dans le tableau 2 ci-dessous

Au-delà de l’homogénéité plus faible du traitement thermique, cet exemple conduit à une densité de traitement 5 fois plus faible que dans le cas de l’exemple 1 (ratio capacité/volume), donc des installations 5 fois plus volumineuses pour une même quantité de charge à traiter. L’exemple de l’invention propose une solution compacte, où l’ensemble des réactions/échanges thermiques nécessaire peut être réalisé au sein d’un seul réacteur.