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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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This article gives an overview of the principles for implementing hydrothermal oxidation technology, and the designs developed to make use of the remarkable properties of supercritical water in the mineralization of organic waste, and to manage difficulties induced by the operation of these processes under pressure and temperature conditions. It summarizes some basic notions on the reaction of combustion in supercritical water, and the behavior of salt loads. It promotes the contribution of computational fluid dynamics to the study and industrial scale-up of these processes, where the strong coupling between chemistry and thermohydraulics is an area of development.
Auteur(s)
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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
KEYWORDS
hydrothermal oxidation | supercritical water | organic effluent | computational fluid dynamics
VERSIONS
- Version archivée 1 de févr. 2017 par Hubert-Alexandre TURC, Antoine LEYBROS
DOI (Digital Object Identifier)
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Développements industriels et commerciaux
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5. Modélisation par mécanique des fluides numérique
Les réacteurs d’oxydation hydrothermale qu’ils soient mis en œuvre en continu ou en discontinu sont le siège de phénomènes physico-chimiques fortement couplés (échanges thermiques, régimes d’écoulement allant du laminaire au turbulent, réactions chimiques très exothermiques, précipitation minérale…). Avec l’amélioration des moyens de calculs, l’approche par CFD (Computational Fluid Dynamics : mécanique des fluides numérique) a pris un essor reconnu dans la communauté des fluides supercritiques, pour préparer les outils de dimensionnement et de conception permettant de passer du laboratoire à l’échelle industrielle.
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Une connaissance précise des données thermophysiques (densité, enthalpie, capacité calorifique) et de transport (viscosité, conductivité thermique) est requise pour les mélanges eau/air/déchet organique/CO2. De surcroît, ces données de base sont, avant tout, établies sur des corps purs ou au mieux sur des mélanges binaires ; leur détermination est complexe sur des équipements sous pression, aussi est-il recherché des modèles prédictifs permettant de restituer le comportement des mélanges dans les conditions de service. Du fait des fortes variations de ces propriétés au voisinage du point critique, le calcul de ces propriétés est une tâche difficile. Les équations d’état cubiques conventionnelles (Peng-Robinson, Soave-Redlich-Kwong) ne sont pas suffisamment précises dans ces conditions, bien que des équations avec une correction dite de translation de volume permettent une représentation acceptable sur des zones restreintes de température. Les données thermophysiques peuvent être prédites avec des erreurs moyennes de l’ordre de 7 %. De plus, la présence de sels dans le milieu aqueux peut perturber les équilibres et nécessiter l’utilisation d’équations d’état (Anderko-Pitzer) permettant la modélisation en haute température de systèmes électrolytiques.
Pour les équations des bilans de quantité de mouvement des modèles de CFD, des données précises pour la viscosité et la conductivité thermique sont nécessaires. Le calcul de la viscosité en fonction de la température réduite et de la densité peut être effectué avec le modèle IAPWS de Huber ou la méthode TRAPP jusqu’à (900 °C/1 000 MPa) avec une...
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Modélisation par mécanique des fluides numérique
BIBLIOGRAPHIE
-
(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...
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