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RÉSUMÉ
Cet article aborde les principes de mise en œuvre de l’oxydation hydrothermale, les conceptions développées à la fois pour exploiter les propriétés remarquables de l’eau supercritique vis-à-vis de la minéralisation des déchets organiques et pour gérer les difficultés induites par le fonctionnement de procédés continus sous pression et température. Il résume quelques notions de base sur la réaction de combustion dans l’eau supercritique, et le comportement des charges salines. Il promeut l’apport de la mécanique des fluides numérique dans l’étude et l’extrapolation industrielle de ces procédés, pour lesquels le fort couplage entre chimie et thermohydraulique reste un sujet de développement.
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Hubert-Alexandre TURC : Ingénieur - Commissariat à l’Énergie Atomique, DES/ISEC/DPME/SEIP - Centre de Marcoule, Bagnols-sur-Cèze, France
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Antoine LEYBROS : Ingénieur - Commissariat à l’Énergie Atomique, DES/ISEC/DMRC/STDC/LPSD - Centre de Marcoule, Bagnols-sur-Cèze, France
INTRODUCTION
Avec l’augmentation de la production annuelle de déchets et la raréfaction des options de mises en décharge, l’élimination et/ou le recyclage des matériaux composant ces déchets sont devenus une impérieuse nécessité pour nos sociétés industrielles. La gestion des déchets organiques passe généralement par des traitements thermiques (exemple [G 2 051]), lesquels permettent notamment de valoriser l’énergie calorifique libérée par la minéralisation des déchets.
Depuis les premiers développements en 1980, certains procédés innovants de traitement des déchets organiques ont vu le jour et, parmi eux, les procédés dits d’oxydation hydrothermale, procédés extrêmement performants du point de vue de leur polyvalence, de leur efficacité, et de leur compacité. Ces procédés permettent la minéralisation dans l’eau supercritique, particulièrement adaptée pour le traitement de substances réfractaires, pour le traitement de substances organiques dangereuses ou toxiques présentes isolément, dans des effluents industriels, ou des eaux usées urbaines.
Les températures mises en œuvre (en dessous de 600 °C), ainsi que les effluents gazeux et aqueux générés compatibles avec l’environnement, positionnent l’oxydation en eau supercritique comme un concurrent pertinent aux procédés thermiques classiques (température entre 850 et 1 100 °C). La mise en œuvre de l’oxydation dans les conditions de l’eau supercritique, de par ses températures et ses pressions élevées, a nécessité la conception de réacteurs innovants permettant le contrôle de la réaction, ainsi que la gestion de la corrosion de la précipitation de la charge minérale. Les développements industriels de ce procédé sont présentés.
Le lecteur trouvera en fin d’article un glossaire et un tableau des sigles et des notations utilisés.
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MOTS-CLÉS
oxydation hydrothermale eau supercritique déchets organiques mécanique des fluides numérique
VERSIONS
- Version archivée 1 de févr. 2017 par Hubert-Alexandre TURC, Antoine LEYBROS
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Procédés d’oxydation hydrothermale
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3. Précipitation/dépôt des sels minéraux
L’apparition de dépôts de sels dégrade le bon fonctionnement des réacteurs d’oxydation hydrothermale, par la diminution des transferts de chaleurs aux parois, à cause de l’encrassement, par l’apparition de corrosion entre la couche saline et la paroi interne, néfaste à la tenue mécanique des équipements sous pression, et par le colmatage, entraînant des difficultés de régulation de la pression opératoire pour des réacteurs opérant en continu . Le mécanisme de dépôt des sels issus de l’oxydation de déchets contenant des hétéroatomes est une combinaison de l’effet des conditions opératoires hostiles et de la nature desdits sels. La solubilité, le diagramme de phase de chaque espèce (des exemples de diagrammes de phase à 25 MPa sont présentés figure 4) et les modes de nucléation sont parmi les points clés pour la compréhension de ce mécanisme.
Un système eau-sel de type I est caractérisé par une courbe critique continue du point critique de l’eau jusqu’au point critique du sel. Un changement de phase isobare aboutit à la formation d’une phase liquide saturée et d’une phase supercritique saturée, dans les conditions supercritiques. La précipitation s’effectue à partir de gouttelettes au fur et à mesure de l’augmentation de température et aboutit à la formation de cristaux poreux d’une taille de quelque dizaines de microns.
A contrario, la courbe critique du système eau-sel de type II présente des discontinuités. Le même changement de phase isobare aboutit à la formation d’une phase supercritique et d’une phase solide. Les cristaux formés sont de l’ordre du micron et ont tendance à s’agglomérer.
Dans les conditions de l’oxydation hydrothermale, la plupart des sels présentent une solubilité faible en raison des conditions particulières de l’eau supercritique. Quelle que soit la...
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Précipitation/dépôt des sels minéraux
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - JAPAS (M.L.), FRANCK (E.U.) - High pressure phase equilibria & PVT data of the water/oxygen system including water/air to 673 K and 250 MPa. - Ber. Bensunges. Phys. Chem. 89, pp. 1268-1275 (1985).
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(2) - UEMATSU (M.), FRANCK (E.U.) - Static Dielectric Constant of Water Steam. - J. Phys. Chem. Ref. Data, 9, pp. 1291-1306 (1980).
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(3) - AKIYA (N.), SAVAGE (P.E.) - Roles of water for chemical reactions in high-temperature water. - Chem. Rev., 102, pp. 2725-2750 (2002).
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(4) - SAVAGE (P.E.), GOPALAN (S.G.), MIZAN (T.I.), MARTINO (C.J.), BROCK (E.E.) - Reactions at supercritical conditions: applications and fundamentals. - AiChE J., 41, pp. 1723-1778 (1995).
-
(5) - LEYBROS (A.), ROUBAUD (A.), GUICHARDON (P.), BOUTIN (O.) - Supercritical water oxidation of ion exchange resins: Degradation mechanisms. - Process Saf. Environ Protect., 88, pp. 213-222 (2010).
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...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
SCFI – AquaCritox® – Smarter Environmental Technology : http://www.scfi.eu/
Superwater Solutions : http://www.superwatersolutions.com/
General Atomics : http://ga.publishpath.com/hazardous-waste-destruction
Aquarden : http://aquarden.com/
374Water : http://374water.com/
Circular Materials : http://circularmaterials.it/
HAUT DE PAGE
Modar Inc. – Processing Methods for the oxidation of organics in supercritical water – WO 81/03169
Modar Inc – Method for supercritical water oxidation – WO 92/21621
Modell – Supercritical water oxidation process and apparatus of organics with inorganics WO93/00304 – PCT/US92/05320
Modar Inc – Method and apparatus for solids separation in a wet oxidation type process – WO/8902874 – PCT/US88/03239
General Atomics – Downflow hydrothermal treatment – EP 1076042
Chematur Engineering AB – A high pressure and high temperature system – WO 01/17915
Aerojet General Co – Supercritical water oxidation reactor with wall conduits...
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