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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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Mécanismes réactionnels de l’oxydation hydrothermale
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1. Propriétés de l’eau supercritique aux performances de l’oxydation hydrothermale
Aux conditions normales de pression et de température, un corps pur peut se trouver sous les trois états classiques : solide, liquide ou gaz. L’étude du diagramme de phase (figure 1) met en évidence, à l’extrémité de la courbe de coexistence liquide-gaz, la présence d’un point singulier appelé « point critique ».
Un fluide est dit « supercritique » si la température et la pression sont simultanément supérieures à la température critique et à la pression critique. Les coordonnées du point critique de l’eau sont P c = 22,1 MPa et T c = 647 K (221 bar / 374 °C).
L’eau voit ses propriétés thermodynamiques et de transport modifiées lors du passage du point critique. Les propriétés physiques de l’eau supercritique ont des caractéristiques intermédiaires entre celles de l’eau liquide et celles de la vapeur d’eau (tableau 1). Le diagramme de phase donné figure 1 met également en évidence quelques courbes d’isodensité dans le domaine supercritique de l’eau.
L’article Gazéification de biomasse en eau supercritique [J 7 010] donne plus de détails sur les propriétés physico-chimiques de l’eau supercritique.
Des études des diagrammes de phase des systèmes aqueux binaires ont été réalisées avec l’eau et les composés suivants : CO2, N2, O2, dans des domaines allant jusqu’à 200 MPa et 450 °C ...
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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).
-
(2) - UEMATSU (M.), FRANCK (E.U.) - Static Dielectric Constant of Water Steam. - J. Phys. Chem. Ref. Data, 9, pp. 1291-1306 (1980).
-
(3) - AKIYA (N.), SAVAGE (P.E.) - Roles of water for chemical reactions in high-temperature water. - Chem. Rev., 102, pp. 2725-2750 (2002).
-
(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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