WO2020126311A1 - Reacteur tubulaire a vis convoyeuse - Google Patents

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WO2020126311A1
WO2020126311A1 PCT/EP2019/082262 EP2019082262W WO2020126311A1 WO 2020126311 A1 WO2020126311 A1 WO 2020126311A1 EP 2019082262 W EP2019082262 W EP 2019082262W WO 2020126311 A1 WO2020126311 A1 WO 2020126311A1
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WO
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screw
reactor
fluid
load
space
Prior art date
Application number
PCT/EP2019/082262
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English (en)
Inventor
Thomas PLENNEVAUX
Laurent Bournay
Pierre-Antoine Bouillon
Romain Rousset
Original Assignee
IFP Energies Nouvelles
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    • B01J19/1843—Concentric tube
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    • B01J2219/1941—Details relating to the geometry of the reactor round circular or disk-shaped
    • B01J2219/1943—Details relating to the geometry of the reactor round circular or disk-shaped cylindrical

Definitions

  • the invention relates to tubular reactors comprising conveyor screws. These screws, by rotation of the worm type around the longitudinal axis of the reactors, bring an at least partially solid charge from the upstream end to the downstream end of the reactor, in order to modify / treat the charge in question.
  • the modifications targeted can generally be of a physico-chemical order, for example to modify the quality of the filler by modifying its structure, certain of its properties, or to carry out a chemical conversion of the latter.
  • the modifications targeted can also be of the thermal type, by an exchange of calories with a liquid or gaseous fluid of a temperature higher or lower than the load: the objective is then to heat or cool the load.
  • the invention is particularly interested in, but not limited to, loads of the biomass type, in particular biomass of the lignocellulosic type.
  • feedstock a fraction of which contains biomass and another fraction contains a different feedstock
  • a process comprising at least one pretreatment step and one gasification step, as for example described in patent WO 2014/068253.
  • the load must be roasted during pretreatment.
  • Processes by acid hydrolysis of lignocellulosic biomass are known in particular, the use of feed screws and biomass pressure build-up before introduction into a reactor: the screw, which rotates in the manner of an endless screw in a fixed enclosure, comes to convey the biomass, by bringing out the biomass at a pressure higher than that which it had in entry, by the conical shape of the screw at least in its most downstream part.
  • the enclosure in which the worm is housed is generally substantially tubular / cylindrical, the longitudinal axis of the enclosure being confused with that of the worm.
  • This type of supply means makes it possible in particular to supply biomass to an impregnation reactor with an acid liquor.
  • the enclosure in which the screw is disposed is provided with an inlet and an outlet for the load at its longitudinal ends, as well as, optionally, at least one lateral inlet and at least one outlet for a fluid, in particular aqueous, intended for washing the biomass during transport, and possibly also for extracting the liquid contained in the biomass.
  • the biomass thus enters under pressure from this means of supply to a reactor, for example a reactor where it will impregnate with an acid liquor for its hydrolysis.
  • This type of feed means with worm is very effective, but limited in its functionality, it is not intended to modify the biomass, but to transport it, possibly by washing it, and ensuring its rise in pressure.
  • This tool therefore allows a fairly effective physicochemical treatment of the biomass, with good control of the residence time.
  • hemicellulose and cellulose do not convert at the same rate, and it remains difficult to maintain good reactivity of cellulose to enzymatic hydrolysis without degrading hemicellulose too much during pretreatment.
  • the impregnation is a step which generally takes place separately, and upstream, from the acid hydrolysis reactor. Acid cooking therefore takes place with a single acid liquor (used in the impregnation), which limits the flexibility of the cooking operating conditions.
  • the object of the invention is then to perfect these various worm gear, in particular in order to change the purpose, or to improve their performance. Summary of the invention
  • the invention firstly relates to a tubular reactor provided at one of its ends with a charge inlet, in particular at least partially solid, and at its opposite end with a charge outlet, and in which is housed a conveyor screw of said load from the load inlet to the load outlet, and such that:
  • said conveyor screw has a hollow core delimiting a tubular or annular space which is coaxial with the longitudinal axis of the reactor and of the screw,
  • tubular or annular space includes a fluid inlet at one of its ends
  • tubular or annular space comprises a plurality of lateral fluid outlets, said outlets comprising orifices passing through the wall of the core of the screw to open out inside the reactor,
  • said filter is opposite all of said lateral outlets.
  • a “partially solid” filler is understood to mean a solid filler which can also comprise a variable proportion of liquid, for example water.
  • filter is to be understood generically as any means capable of containing the charge by filtering, in particular, at least partially the fluid medium (liquid or gaseous) in which it may be in suspension. .
  • It can be a single component, or a combination of several components.
  • it may be a sheet metal pierced with orifices of appropriate size, or the association of a metal grid and a fabric which will act as a filtering medium: the fabric can then be mechanically attached to the grid.
  • a tubular space is a space whose cross section is substantially round
  • an annular space is a space whose cross section is substantially in the shape of a ring.
  • Such a reactor therefore radically modifies the solid material reactors comprising conveyor screws, to transform them into reactors capable of physically and / or chemically and / or thermally modifying (modification of the temperature of the charge) the charge introduced in a more efficient manner, by modifying the design of the conveyor screw: the invention uses a screw whose core is hollow, so as to create an interior space in the screw, which makes it possible to create a circulation of fluid, which, liquid or gaseous, will be able act on the load.
  • the conveyor screw allows very good control of the residence time of the load, which allows increased homogeneity of its treatment in contact with the fluid emerging from the outlets made in the core of the screw, the distribution of charge residence time is very tight, very homogeneous.
  • the use of a conveyor screw gives the system great flexibility in the choice of the conveyor speed and therefore in the residence time in the reactor, by varying the speed of rotation of the screw,
  • the use of a conveyor screw also limits the flow constraints of the load, making the process for implementing such a reactor very robust, flexible and adaptable to different loads with very variable physical and rheological properties.
  • the conveyor screw is capable of transporting all kinds of solid materials, in bulk or not, and of adapting to wide ranges of sizes, compositions, dry matter content, density and types of particle shape. , but also with various rheological characteristics, in particular in terms of apparent viscosity, propensity to stick etc ...
  • the fluid has a residence time also controlled in the reactor, which can be different from the residence time of the feed (generally a shorter residence time), which can make it possible to limit the possible formation of unwanted secondary products , secondary products which can create risks of fouling of the reactor and / or come to lower the yield of the desired transformation of the load, -
  • a residence time also controlled in the reactor which can be different from the residence time of the feed (generally a shorter residence time), which can make it possible to limit the possible formation of unwanted secondary products , secondary products which can create risks of fouling of the reactor and / or come to lower the yield of the desired transformation of the load, -
  • cross flow also called cross flow
  • the orifices of the outlets of fluid from the tubular or annular space are distributed regularly over the circumference of the core of the screw, over at least a portion of the length of said core. This ensures a radially homogeneous distribution of the fluid from the screw in the direction of the area between the screw and the internal walls of the reactor where the load is transported.
  • the filter comprises a sintered compound or a plate pierced with orifices or a grid, for example a Johnson grid, surrounding the conveyor screw, on which a canvas is fixed, as mentioned above, in particular over the entire length of said screw.
  • the filter can combine two of these components.
  • This filter thus retains the charge, or at least its solid fraction, in the zone between the screw and the filter, and makes it possible to drain the excess fluid and / or the liquid contained in the initial charge in the zone between the filter and the internal walls of the reactor.
  • This draining is useful with a view to their possible recycling, in the reactor, or upstream or downstream thereof, in the process for treating the charge incorporating such a reactor.
  • the filter and the screw are preferably coaxial (and coaxial with the longitudinal axis of the reactor, which thus has a symmetry of revolution about this axis).
  • the screw has a constant pitch, or a variable pitch, over all or part of the length of the screw.
  • the pitch value will preferably decrease from upstream to downstream, on at least one portion, in particular on the most downstream portion, of the screw.
  • the step value can vary gradually or in steps.
  • a variable pitch, in particular a decreasing pitch, can make it possible to facilitate the separation of all or part of the liquid possibly contained in the feed entering the reactor or to compress the feed.
  • Another embodiment allowing compression of the solid is the use of a screw and a peripheral grid of conical shape. Using a variable pitch associated with a conical shape is possible.
  • the hollow core of the conveyor screw delimits an internal tubular space and at least one annular space coaxial and external to said internal tubular space, each space, tubular and annular, conveying its own fluid.
  • the fluids can be of different compositions and / or temperatures, and these spaces internal to the screw can then be designed so that each fluid is brought into contact with the charge in different portions of the reactor, all along the screw: the load can undergo a first modification by contacting a first type of fluid on a first section of the screw / reactor, then the modified load can undergo another modification by contacting a second type of fluid on a following section .
  • They may be different reactions, or of the same nature, with the same type of fluid under different operating conditions (for example using the same fluid but at different temperatures, at different concentrations of active agent, or using two fluids with different active agents but with similar properties, such as two acid solutions with acids of different strength).
  • An embodiment of the reactor according to the invention can thus comprise, from upstream to downstream, a zone of heating by a first heat-transfer fluid, then a zone of reaction with another fluid containing a reagent, then finally a zone of cooling with another fluid, refrigerant this time.
  • the fluids distributed by the core of the screw can therefore have a purely thermal role, by being chemically inert vis-à-vis the load: they can be heat transfer fluids or refrigerants. They can also have a chemical / physical role with respect to the filler by containing at least one reagent capable of modifying it chemically / physically.
  • fluids which contain one or more reagents and which, by their temperature different from that of the feed, will also play a thermal role, for example to facilitate the initiation of the reaction, or for monitor its evolution.
  • each tubular or annular space extends over all or part of the length of the hollow core of the screw. If the space is unique, it is preferable to choose a space extending over the entire length of the screw, to ensure distribution of the fluid over the entire length of the reactor. If the screw delimits several spaces each conveying their fluid, at least one of these spaces will preferably extend over a given portion of the screw, and the fluid outlets of each of the spaces are distributed over the length of the screw so that the charge is sequentially brought into contact, as it advances in the reactor, with a different fluid.
  • the internal tubular space extends over the entire length of the screw and is provided with lateral fluid outlets only on a downstream portion of the screw, and the or at least one of the spaces (s) external annular (s) extends (s) only on an upstream portion of the screw, distinct from said downstream portion.
  • the subject of the invention is also the process for implementing the reactor described above, in which one or more fluids are circulated in the space or spaces delimited by the hollow core of the conveyor screw, with cross-current contact. of the fluid or fluids with the charge leaving said spaces.
  • the conveyor screw conveys a load comprising biomass, in particular of the lignocellulosic type.
  • the characteristic size of this charge is generally less than 30 cm, preferably less than 15 cm and in particular less than 5 cm.
  • the load may consist of straw pellets 8 mm in diameter and 5 cm long, or forest chips of 3 to 5 cm per side. This charge may have been previously dried, ground, shaped (pelletizing, briquetting), impregnated, for example.
  • a fluid is circulated in the space delimited by the hollow core of the conveyor screw in at least partially liquid form, in particular an aqueous acidic or basic solution, preferably between 80 and 250 ° C., to ensure hydrolysis of the charge.
  • a fluid is circulated in the space delimited by the hollow core of the conveyor screw in at least partially gaseous form, in particular poor in oxygen, preferably between 200 and 350 ° C., to ensure roasting of load.
  • the filler can comprise between 1 and 95%, preferably between 20 and 80%, by weight of water.
  • the gross load is a lignocellulosic biomass of all types: various straws, coniferous and deciduous woods, herbaceous plants (miscanthus, canes, etc.), etc. dry of this raw load at the process entry is preferably about 30% to 60% dry matter content MS for wood chips and greater than 80% DM for straws.
  • the bulk density is 50 to 100 kg DM / m 3 for loose straws, and 125 to 200 kg DM / m 3 for wood in chips.
  • the dry matter ratio is the ratio between the mass of dry solid and the mass of wet solid.
  • MS designates the dry matter content which is measured according to standard ASTM E1756 - 08 (2015) “Standard Test Method for Determination of Total Solids in Biomass”.
  • the humidity of a material is calculated as follows: it is the ratio between dry matter and the sum of dry matter and water.
  • the dry matter content at the reactor inlet is lower, with rates greater than 30% DM, preferably 50% DM or more , even 70% DM or more, and even 90% DM and more. Furthermore, this variant also makes it possible to work with already shaped biomasses, which have a much greater density of approximately 1000 kgMS / m 3 .
  • the fluid collected by the filter in the space between the filter and the walls of the reactor can be recycled, at least partially, into the fluid inlet of a space delimited by the hollow core of the conveyor screw. Recycling can include an intermediate step of cleaning, regeneration, temperature adjustment, adjustment in concentration of active agent, etc., when necessary.
  • the reactor is arranged in a substantially vertical orientation, with the feed inlet at the top, or at the bottom. This orientation promotes a good distribution of the load between the screw and the filter in the reactor.
  • the density in the reactor can be greater, therefore the equipment can be of limited size, on the other hand the fluid injected from the screw can be distributed more evenly across the load.
  • its orientation can be horizontal or oblique, with path of the ascending or descending load.
  • the load can be saturated with water (aqueous solvent) prior to its treatment with the fluid (s) conveyed in the tubular or annular space (s) of the hollow core of the screw, in particular so that the load reaches a dry matter content of at most 20%.
  • aqueous solvent aqueous solvent
  • FIG. 1 represents a perspective view of a reactor according to the invention according to a first variant.
  • FIG. 2 represents a view in longitudinal section of the reactor according to the invention of FIG. 1.
  • FIG. 3 represents a view in longitudinal section of a reactor according to the invention according to a second variant.
  • FIG. 4 represents a view in longitudinal and transverse section of the screw of the reactor according to the invention according to FIG. 3.
  • upstream and downstream used in this text refer to the general direction of flow of the charge in the reactor, along its longitudinal axis X.
  • FIGS 1 and 2 show a reactor 1 of the invention according to a first variant, and will be described together.
  • the reactor 1 is tubular, cylindrical and has a longitudinal axis X. it is provided at its upstream end with a load inlet 2, and at the downstream end with a load outlet 3. It houses a conveyor screw 4, of longitudinal axis X, screw type endless able to rotate about its axis by a motorized means controllable, known per se and not shown.
  • the screw 4 allows the solid to be conveyed through the reactor 1.
  • the speed of rotation of the screw is such that the load (at least partially solid) advances at a speed preferably between 0.1 and 20 m / h, a speed which is compatible with the required residence time of the load in the reactor to carry out the desired chemical reactions.
  • Using such a screw makes it possible to control the residence time of the charge in the reactor, and therefore to have good homogeneity in the treatment of the solid charge.
  • the reactor is oriented horizontally.
  • the reactors according to the invention can be oriented vertically or substantially vertically, either with an inlet of the load in the upper part, and an outlet of the load in the lower part, its flow in the reactor then being facilitated by gravity, either with an inlet at the bottom and an outlet at the top, the conveyor screw making it possible to also convey the load from bottom to top.
  • the reactors according to the invention can also be oriented horizontally or substantially horizontally, or be oriented in any oblique orientation, with a feed of the load of rising or falling type.
  • the grid 8 makes it possible to contain the solid part of the load in the annular space mentioned above (grid and screws are coaxial). This grid makes it possible to recover the fluid at the periphery of the screw 4, without letting the solid part of the charge conveyed by the screw 4 pass.
  • This grid therefore fulfills the function of filter, and the dimensioning of its mesh is chosen according to the size of the load components.
  • the screw has a hollow core 5 which defines a central tubular space 51 over the entire length of the screw.
  • This tubular space 51 is supplied with fluid F1 by an inlet 6, itself connected to a source of the fluid f 1. It is provided with fluid outlets f1 by perforations / orifices 7 opening out of the hollow core 5 into the 'space between the screw 4 and the grid 8, and allowing to let out the fluid out of the screw and come into contact with the load.
  • These perforations 7 are dimensioned so as to have a good distribution of the fluid through the charging bed.
  • the pressure drop across these orifices 7 is preferably at least 1 bar, in order to limit the influence of the heterogeneity of the load, at least partially solid, in the annular space between the screw 4 and the grid 8.
  • orifices are provided regularly distributed both over the circumference of the core 5 and over its entire length.
  • the internal space 51 in which the fluid is intended to circulate is tubular and the center of the core of the screw is therefore empty.
  • this internal space can be annular, with a center of the screw which would therefore be full, or at least which would not be intended to circulate the fluid.
  • the at least partially solid load is therefore transported by the screw 4 in movement from the inlet 2 to the outlet 3, and, throughout its path, is brought into contact with the fluid f1 leaving the orifices 7 , by a so-called “cross” or “cross” contact which is particularly effective in maximizing the desired reaction / conversion / modification of the charge by the fluid.
  • FIGS 3 and 4 show a reactor 1 'of the invention according to a second variant, and will be described together. It will be described by highlighting the differences from the first variant: here, the reactor is installed vertically, the charge being injected through inlet 2, in the upper part. This allows a good distribution of the load in the annular space between the core 5 ′ of the screw 4 and the grid 8 of cylindrical shape coming to surround the screw at a distance, which has two advantages: the density of the charge in the reactor can be greater, therefore the equipment can be smaller, and the injected fluid is distributed in a particularly homogeneous way through the solid, which allows better control of the chemical reactions.
  • the core 5 ′ of the screw 4 is provided with several internal coaxial spaces making it possible to inject fluids F1, F2 of natures and / or of different temperatures in defined zones of the annular space between the screw 4 and the grid 8.
  • the tubular space 51 is present over the entire length of the screw but widens beyond the section AM, in a downstream section AV, then having a diameter d2, equal to the external diameter of the annular space 52 of the upstream section AM.
  • the hollow core is pierced with orifices 7 ′ ensuring a fluid connection between the annular space 52 of the screw and the space outside the screw between the screw 4 and the grid 8: the load is moving from upstream to downstream at the level of the upstream section AM is then brought into contact only with the fluid F2.
  • the hollow core 5 ′ is pierced with orifices 7 ′ this time ensuring the fluid connection between the tubular space 51 and the space external to the screw between the screw 4 and the grid 8: the load moving at the level of this downstream section AV is then brought into contact with the fluid F1.
  • Fluid outlets 9, 9 ′ can be provided at the level of the walls of the reactor 1 ′, at the level of different zones, and preferably at the level of each of these sections AM and AV (at their downstream ends preferably as shown in FIG. 3), in order to recover several qualities of fluid filtered by the grid 8 and leaving the charge bed (which can then be treated and / or recycled).
  • the reactors can have, on an industrial scale, for example a shell with a length of 10 to 15 m, for example around 12 m for a diameter of 2 to 3 meters, for example 2 , About 6 m in diameter.
  • the generally metallic enclosure, of cylindrical shape in which the endless screw is housed, is called a "ferrule”.
  • the term “length” is understood to mean the dimension of this shell measured along its longitudinal axis X.
  • the screw therefore includes a useful section which can be estimated at 90%, with turns of around 10 to 12 m, in this example 10.8 m.
  • the diameter of the core of the screw is about 0.6 to 1.2 m, especially 0.8 to 1 m, for example 0.9 m.
  • the diameter of the turns of the screw is about 2 to 3 meters, for example equal to 2.40 m, The thickness of the turns of about 1, 5 to 2.5 cm, and equal for example to 2 cm.
  • a cylindrical grid, fitted with a canvas is inserted between the screw and the reactor, acting as a filter basket letting through the extraction liquor.
  • the air gap between the filter, here the grid, and the internal walls of the shell is in the range 3 to 10 cm, it is for example equal to 5 cm.
  • the screw pitch is constant. It is for example between 0.3 and 0.8 m, it is for example around 0.5 m.
  • this pitch can be variable, and can be reduced in particular from upstream to downstream, so as to exert a progressive compression on the biomass aiming, in particular, to promote the extraction of liquor from the biomass when the latter has been previously impregnated with a liquor (that is to say with a generally aqueous solution added with an acid, basic or oxidizing catalyst).
  • the process has two inputs: the solid charge which must be treated, and the fluid, liquid or gaseous, which must pass through the solid charge in cross-current.
  • the solid charge which must be treated
  • the fluid, liquid or gaseous which must pass through the solid charge in cross-current.
  • the process charges are chosen from biomass, alone or as a mixture.
  • the raw biomass is chosen from any type of biomass, preferably solid type biomass, and in particular lignocellulosic type biomass.
  • biomass of marine origin such as macroalgae, which contain not / little lignin but starch.
  • Lignocellulosic biomass essentially comprises three natural constituents present in variable quantities according to its origin: cellulose, hemicellulose and lignin.
  • the lignocellulosic biomass load is preferably used in its raw form, that is to say in the entirety of these three constituents cellulose, hemicellulose and lignin.
  • the lignocellulosic biomass is chosen from grassy biomass, agricultural residues such as straw waste, corn cobs, sugar cane bagasse, operational residues forestry or sawmills such as wood chips or any other type of woody residue or dedicated crops, for example short rotation coppices (“TCR”).
  • the feed can optionally undergo a pretreatment step prior to its introduction into the process step implementing the reactor according to the invention.
  • the objective of the pretreatment step is to allow the injection of the pretreated charge into the reactor according to the invention.
  • the pretreatment step depends on the type of charge considered. It may be a primary grinding step, known per se, making it possible to reduce its particle size to a characteristic size of between 10 and 50 mm. It can also include shaping of the load, such as for example pelletization, compression or any other technique known to a person skilled in the art in order to facilitate its transport, its storage, and its subsequent treatment in the step involving using the reactor according to the invention. It can also include a drying step, or, on the contrary, humidification.
  • the charge undergoes a preliminary stage of saturation with a liquid medium, in particular an aqueous medium (water alone or comprising a catalyst, for example acid or basic or oxidant, we then speak of "liquor", which limits its dry matter content to 20% DM.
  • a liquid medium in particular an aqueous medium (water alone or comprising a catalyst, for example acid or basic or oxidant, we then speak of "liquor"
  • a liquid medium in particular an aqueous medium (water alone or comprising a catalyst, for example acid or basic or oxidant, we then speak of "liquor")
  • the dry matter ratio is the ratio between the mass of dry solid and the mass of wet solid.
  • the saturation step can be carried out in the same reactor as that of the invention.
  • the saturation step can be carried out in another reactor upstream of the reactor according to the invention (either a conventional reactor, or a second reactor according to the invention in series with the other reactor according to the invention .
  • the nature of the injected fluid depends on the use of the reactor.
  • the injected fluid is a hot oxygen-poor gas. It can be any oxygen-depleted inert gas. “Depleted in oxygen” is understood to mean a gas comprising at most 5% by volume of oxygen. Either it is a gas heated beforehand before being injected, for example heated nitrogen, which comes to heat the load by heat transfer, or it is gas resulting from combustion like combustion fumes of roasting gas possibly supplemented with natural gas or fuel oil, which is burned with burners.
  • the term “roasting” is intended to mean a process for heat treatment at a temperature of between 200 and 350 ° C., and generally carried out in an atmosphere depleted in oxygen.
  • the gas flow rate must be sufficient to carry out the drying and then the heating of the solid charge to the roasting temperature.
  • the gas is preferably totally, or partially, recycled after having undergone a combustion step making it possible to provide the heat necessary for drying and raising the temperature of the solid charge. It can be recycled before combustion in order to increase its calorific value (its "burnability").
  • the injected fluid is an at least partially liquid aqueous acid solution, at a temperature between 80 and 250 ° C.
  • the acid used is preferably sulfuric acid.
  • the pH is preferably between 0.5 and 3.
  • the flow rate of the fluid is chosen to be sufficient to obtain good contact with the solid and sufficient extraction of the reaction products. This flow rate makes it possible to define a precise residence time for the fluid, and therefore for the products formed. This makes it possible to control the reaction, and thus to limit the degradation of the products of interest (for example xyloses) into degradation products which lead to degrade the operability (fouling) or the yield of the hydrolysis process described here or of the downstream steps.
  • the residence time of the fluid is generally different from the residence time of the solid.
  • reactor 1 the dimensioning of which has been exemplified above and shown in FIGS. 1 and 2.
  • the screw therefore includes a useful section which can be estimated at 90%, with turns of
  • the core is hollow and defines a tubular cavity
  • the thread pitch is constant and 0.5 m -
  • the air gap between the filter the internal walls of the ferrule is equal to 5 cm
  • the gross load is wheat straw ground to 20 mm with a density of 50 kgMS / m 3 and the following composition:
  • the straw is impregnated beforehand with sulfuric acid so as to have 0.2% by weight of residual acid in the outgoing liquor.
  • the impregnated biomass then has a dry matter content of 20% DM, and is injected directly into reactor 1.
  • this transfer takes place without compression, using a rotary valve for example.
  • the biomass is therefore at 20% DM at the inlet of reactor 1.
  • the speed of rotation of the screw 4 is adjusted so as to ensure a residence time of 2 min and the injection of steam through the orifices 7 of the hollow core is adjusted to ensure a temperature of 215 ° C.
  • the MS feed rate is 50 t / h and that of the extraction liquor is 300 t / h. This makes it possible to work with a single reactor whose filling rate is 80%.
  • Example 2 This example is similar to Example 1, with the same objectives, except that it uses a conventional cooking reactor, which differs from Reactor 1 in the following way:
  • the steam is conventionally injected into the reactor by 4 tapping points from outside the reactor.
  • Example 1 The content of impregnating acid in the biomass is doubled compared to that of Example 1 -
  • the temperature is lower (185 ° C) and the residence time is longer (5 minutes) than in Example 1 -
  • Example 1 There is a better conversion to molecules of interest with Example 1 according to the invention, with 3 times less degradation products (such as furfural, humines ...) compared to Comparative Example 2.
  • Table 1 summarizes the differences and the qualitative gains from using a reactor according to the invention (example 1) compared to using a conventional reactor (comparative example 2).
  • the reactor according to the invention offers many possibilities for improving the yield of a reaction / modification of an at least partially solid charge with a liquid or gaseous reactive fluid. It makes it possible to compact industrial installations. It remains of a simple and flexible design, and is thus particularly suitable for treating loads of the biomass type having a great variability of their characteristics.

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Abstract

La présente invention concerne un réacteur tubulaire (1,1') muni à une de ses extrémités d'une entrée de charge au moins partiellement solide (2) et à son extrémité opposée d'une sortie de charge (3), et dans lequel est logée une vis (4) convoyeuse de ladite charge depuis l'entrée de charge (2) jusqu'à la sortie de charge (3), tel que : - ladite vis convoyeuse présente une âme creuse (5,5') délimitant un espace tubulaire ou annulaire (51,52), - ledit espace tubulaire ou annulaire comprend une entrée de fluide (6), - ledit espace tubulaire ou annulaire comprend une pluralité de sorties latérales (7,7') de fluide, lesdites sorties comprenant des orifices traversant la paroi de l'âme (5) de la vis, - ladite vis convoyeuse (4) est entourée, dans le réacteur, d'un filtre (8) confinant la charge dans l'espace entre la vis et ledit filtre.

Description

REACTEUR TUBULAIRE A VIS CONVOYEUSE
Domaine technique
L’invention concerne les réacteurs tubulaires comprenant des vis convoyeuses. 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 la charge.
L’invention s’intéresse notamment, sans y être limitée, aux charges de type biomasse, notamment les biomasses de type ligno-cellulosiques.
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, notamment des procédés de traitement par hydrolyse acide de biomasse lignocellulosique, l’utilisation de vis d’alimentation et de montée en pression de biomasse avant introduction dans un réacteur: la vis, qui tourne à la manière d’une vis sans fin dans une enceinte fixe, vient convoyer la biomasse, en amenant en sortie la biomasse à une pression supérieure à celle qu’elle avait en entrée, de par la forme conique de la vis au moins dans sa partie la plus aval. L’enceinte dans laquelle est logée la vis sans fin est généralement substantiellement tubulaire/cylindrique, l’axe longitudinal de l’enceinte étant confondu avec celui de la vis sans fin. Ce type de moyen d’amenée permet notamment d’alimenter en biomasse un réacteur d’imprégnation par une liqueur acide. L’enceinte dans laquelle est disposée la vis est muni d’une entrée et d’une sortie pour la charge à ses extrémités longitudinales, ainsi que, optionnellement, au moins une entrée et au moins une sortie latérales pour un fluide, notamment aqueux, destiné au lavage de la biomasse lors de son transport, et éventuellement aussi à l’extraction de liquide contenu dans la biomasse. La biomasse rentre ainsi sous pression depuis ce moyen d’amenée vers un réacteur, par exemple un réacteur où elle va s’imprégner d’une liqueur acide en vue de son hydrolyse. Ce type de moyen d’amenée avec vis sans fin est très efficace, mais limité dans ses fonctionnalités, il n’est pas destiné à modifier la biomasse, mais à la transporter, éventuellement en la lavant, et en assurant sa montée en pression.
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.
Le but de l’invention est alors de perfectionner ces différents équipements à vis sans fin, notamment afin d’en changer la finalité, ou d’en améliorer les performances. 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, et dans lequel est logée une vis convoyeuse de ladite charge depuis l’entrée de charge jusqu’à la sortie de charge, et tel que :
- ladite vis convoyeuse présente une âme creuse délimitant un espace tubulaire ou annulaire qui est coaxial avec l’axe longitudinal du réacteur et de la vis,
- ledit espace tubulaire ou annulaire comprend une entrée de fluide à l’une de ses extrémités,
- ledit espace tubulaire ou annulaire comprend une pluralité de sorties latérales de fluide, lesdites sorties comprenant des orifices traversant la paroi de l’âme de la vis pour déboucher à l’intérieur du réacteur,
- ladite vis convoyeuse est entourée, dans le réacteur, sur au moins une partie de sa longueur, d’un filtre en regard d’au moins une partie desdites sorties latérales . ledit filtre confinant la charge dans l’espace entre la vis et ledit filtre.
De préférence, ledit filtre est en regard de l’ensemble desdites sorties latérales.
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.
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.
Il peut s’agir d’une composant seul, ou de l’association de plusieurs composants.
A titre d’exemple, il peut s’agir d’une tôle percée d’orifices de dimension appropriée, ou de l’association d’une grille métallique et d’une toile qui fera office de média filtrant : la toile peut alors être fixée mécaniquement à la grille.
Un espace tubulaire est un espace dont la section transversale est sensiblement ronde, un espace annulaire est un espace dont la section transversale a sensiblement la forme d’un anneau. Un tel réacteur vient donc modifier radicalement les réacteurs de matière solide comprenant des vis convoyeuses, pour les transformer en réacteurs aptes à modifier physiquement et/ou chimiquement et ou thermiquement (modification de la température de la charge) la charge introduite de façon plus performante, en modifiant la conception de la vis convoyeuse : l’invention utilise une vis dont l’âme est creuse, de façon à créer un espace intérieur dans la vis, qui permet de créer une circulation de fluide, qui, liquide ou gazeux, va pouvoir agir sur la charge.
De multiples avantages découlent de cette nouvelle conception de réacteur : - La vis convoyeuse permet un très bon contrôle du temps de séjour de la charge, ce qui permet une homogénéité accrue de son traitement au contact du fluide débouchant des sorties pratiquées dans l’âme de la vis, la distribution de temps de séjour de la charge est très resserrée, très homogène. L’utilisation d’une vis convoyeuse donne au système une grande souplesse sur le choix de la vitesse de convoyage et donc sur le temps de séjour dans le réacteur, en jouant sur la vitesse de rotation de la vis,
- L’utilisation d’une vis convoyeuse limite aussi les contraintes d’écoulement de la charge, rendant le procédé de mise en œuvre d’un tel réacteur très robuste, flexible et adaptable à différentes charges aux propriétés physiques et rhéologiques très variables. Ainsi, la vis convoyeuse est capable de transporter toutes sortes de matériaux solides, en vrac ou non, et de s’adapter à de larges gammes de tailles, de compositions, de taux de matière sèche, de densité et de types de forme de particules, mais aussi à des caractéristiques rhéologiques variées, notamment en termes de viscosité apparente, de propension à coller etc...
- Le fluide a un temps de séjour également 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 la vis, 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), ce qui maximise la surface d’échange de matière (et éventuellement de chaleur) entre la charge et le fluide, ce qui permet 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.
De préférence, les orifices des sorties de fluide de l’espace tubulaire ou annulaire sont répartis régulièrement sur la circonférence de l’âme de la vis, sur au moins une portion de la longueur de ladite âme. On vient ainsi assurer une distribution radialement homogène du fluide depuis la vis en direction de la zone entre la vis et les parois internes du réacteur où est transportée la charge.
De préférence, le filtre comporte un composé fritté ou une plaque percée d’orifices ou une grille, par exemple une grille Johnson, entourant la vis convoyeuse, sur laquelle on fixe une toile, comme évoqué plus haut, notamment sur toute la longueur de ladite vis. Le filtre peut associer deux de ces composants.
Ce filtre vient ainsi retenir la charge, ou tout au moins sa fraction solide, dans la zone entre vis et filtre, et permettre 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 est 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 la vis sont de préférence coaxiaux (et coaxiaux à l’axe longitudinal du réacteur, qui présente ainsi une symétrie de révolution autour de cet axe).
On peut prévoir que la vis présente un pas constant, ou un pas variable, sur tout ou partie de la longueur de la vis. Dans ce dernier cas, la valeur de pas diminuera de préférence d’amont en aval, sur une portion au moins, notamment sur la portion la plus aval, de la vis. La valeur de pas peut varier de façon progressive ou par pallier. Un pas variable, notamment décroissant, peut permettre de faciliter la séparation de tout ou partie du liquide contenu éventuellement dans la charge entrant dans le réacteur ou mettre en compression la charge.
Un autre mode de réalisation permettant une compression du solide est l’utilisation d’une vis et d’une grille périphérique de forme conique. Utiliser un pas variable associé à une forme conique est possible.
Selon un mode de réalisation de l’invention, l’âme creuse de la vis convoyeuse délimite 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 à la vis peuvent alors être conçus pour que chaque fluide soit mis en contact avec la charge dans des portions différentes du réacteur, tout au long de la vis : la charge peut subir une première modification par mise en contact avec un premier type de fluide sur un premier tronçon de la vis/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 de la vis convoyeuse, 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.
Les fluides distribués par l’âme de la vis peuvent donc avoir un rôle purement thermique, en étant inertes chimiquement vis-à-vis de la charge : ils peuvent 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.
De préférence, chaque espace tubulaire ou annulaire s’étend sur tout ou partie de la longueur de l’âme creuse de la vis. Si l’espace est unique, on choisit de préférence un espace s’étendant sur toute la longueur de la vis, pour assurer une distribution du fluide sur toute la longueur du réacteur. Si la vis délimite plusieurs espaces véhiculant chacun leur fluide, au moins un de ces espaces s’étendra préférentiellement sur une portion donnée de la vis, et les sorties de fluide de chacun des espaces sont réparties sur la longueur de la vis 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.
Selon un mode de réalisation de l’invention, l’espace tubulaire interne s’étend sur toute la longueur de la vis et est muni de sorties latérales de fluide que sur une portion aval de la vis, et le ou au moins un des espace(s) annulaire(s) externe(s) ne s’étend(ent) que sur une portion amont de la vis, distincte de ladite portion aval.
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 l’âme creuse de la vis convoyeuse, avec contact en courant croisé du ou des fluides avec la charge en sortie desdits espaces.
De préférence, dans un mode de réalisation, la vis convoyeuse convoie 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 du procédé, on fait circuler dans l’espace délimité par l’âme creuse de la vis convoyeuse un fluide sous forme au moins partiellement liquide, notamment une solution aqueuse acide ou basique, de préférence entre 80 et 250°C, pour assurer une hydrolyse de la charge.
Selon une deuxième variante, on fait circuler dans l’espace délimité par l’âme creuse de la vis convoyeuse 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.
La charge peut comprendre entre 1 et 95 %, de préférence entre 20 et 80 %, en poids d’eau. Dans une première variante de mise en œuvre du procédé, la charge brute est une biomasse lignocellulosique de tout type : pailles variées, bois résineux et feuillus, plantes herbacées (miscanthus, cannes ...), etc... L’teneur en matière sèche de cette charge brute en entrée de procédé est de préférence d’environ 30% à 60% de taux de matière sèche MS pour des copeaux de bois et supérieure à 80% MS pour les pailles. La densité apparente est de 50 à 100 kg MS/m3 pour des pailles en vrac, et 125 à 200 kgMS/m3 pour des bois en copeaux. Avant d’être introduite dans le réacteur selon la biomasse, elle subit souvent une imprégnation dans une liqueur, ce qui modifie son teneur en matière sèche en entrée de réacteur. On peut obtenir ainsi une teneur en matière sèche de 15 à 30 % MS en fin d’imprégnation. Cette teneur en matière sèche peut remonter à 35 à 45% en cas de compression mécanique de la charge, via une vis conique de type "plug screw" par exemple.
On appelle taux de matière sèche le ratio entre la masse de solide sec et la masse de solide humide. 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’humidité 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.
Dans une deuxième variante de mise en œuvre du procédé, notamment adaptée à une réaction de type torréfaction, l’teneur en matière sèche en entrée de réacteur est plus faible, avec des taux supérieurs à 30 % MS, préférentiellement de 50% MS ou plus, voire 70% MS ou plus, et même de 90% MS et plus. Par ailleurs, cette variante permet aussi de travailler avec des biomasses déjà mises en forme, qui ont une densité bien plus grande d’environ 1000kgMS/m3.
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 l’âme creuse de la vis convoyeuse. 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, ou en partie basse. Cette orientation favorise une bonne répartition de la charge entre la vis et le filtre dans le réacteur. Elle utilise la gravité pour faciliter le transport de la charge dans le réacteur, quand l’entrée de la charge se fait en partie haute, 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. Alternativement, son orientation peut être horizontale ou oblique, avec cheminement de la charge ascendant ou descendant.
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 de l’âme creuse de la vis, 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 perspective d’un réacteur selon l’invention selon une première variante.
La figure 2 représente une vue en coupe longitudinale du réacteur selon l’invention de la figure 1.
La figure 3 représente une vue en coupe longitudinale d’un réacteur selon l’invention selon une deuxième variante.
La figure 4 représente une vue en coupe longitudinale et transversale de la vis du réacteur selon l’invention selon la figure 3.
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.
Les figures 1 et 2 représentent un réacteur 1 de l’invention selon une première variante, et seront décrites ensemble. Le réacteur 1 est tubulaire, cylindrique et présente un axe longitudinal X. il est muni à son extrémité amont d’une entrée de charge 2, et en extrémité aval d’une sortie de charge 3. Il loge une vis convoyeuse 4, d’axe longitudinal X, de type vis sans fin apte à tourner autour de son axe par un moyen motorisé pilotable, connu en soit et non représenté. La vis 4 permet de convoyer le solide à travers le réacteur 1 . La vitesse de rotation de la vis 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 une telle vis 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.
Alternativement, il est envisageable de prévoir une vis dont la forme générale soit conique, notamment au moins dans sa portion la plus avale, si l’on cherche à faire monter en pression la charge en sortie du réacteur tubulaire de l’invention.
Dans l’exemple de réacteur des figures 1 et 2, le réacteur est orienté horizontalement. Mais cette configuration est une possibilité parmi d’autres : En effet, les réacteurs selon l’invention peuvent être orientés verticalement ou sensiblement verticalement, soit avec une entrée de la charge en partie haute, et une sortie de la charge en partie basse, son écoulement dans le réacteur étant alors facilité par la gravité, soit avec une entrée en partie basse et une sortie en partie haute, la vis convoyeuse permettant d’acheminer aussi la charge de bas en haut.
Les réacteurs selon l’invention peuvent aussi être orientés horizontalement ou substantiellement horizontalement, ou être orientés selon toute orientation oblique, avec un acheminement de la charge de type montant ou descendant.
La grille 8 permet de contenir la partie solide de la charge dans l’espace annulaire évoqué plus haut (grille et vis sont coaxiales). Cette grille permet de récupérer le fluide en périphérie de la vis 4, sans laisser passer la partie solide de la charge convoyée par la vis 4. Cette grille remplit donc la fonction de filtre, et le dimensionnement de son maillage est choisi en fonction de la taille des composants de la charge.
La vis présente une âme creuse 5 qui, définit un espace tubulaire central 51 sur toute la longueur de la vis. Cet espace tubulaire 51 est alimenté en fluide F1 par une entrée 6, elle- même connectée à une source du fluide f 1. Il est muni de sorties de fluide f1 par des perforations/orifices 7 débouchant hors de l’âme creuse 5 dans l’espace entre la vis 4 et la grille 8, et permettant de laisser sortir le fluide hors de la vis 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 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 la vis 4 et la grille 8. On prévoit de préférence des orifices répartis régulièrement à la fois sur la circonférence de l’âme 5 et sur toute sa longueur.
Ici, l’espace interne 51 dans lequel le fluide est destiné à circuler est tubulaire et le centre de l’âme de la vis est donc vide. Alternativement, on peut prévoir que cet espace interne soit annulaire, avec un centre de la vis 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 par la vis 4 en mouvement de l’entrée 2 à la sortie 3, et, tout au long de son trajet, se trouve mise en contact avec le fluide f1 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.
Les figures 3 et 4 représentent un réacteur 1’ de l’invention selon une deuxième variante, et seront décrites ensemble. Elle sera décrite en soulignant les différences d’avec la première variante : ici, le réacteur est installé verticalement, la charge étant injectée par l’entrée 2, en partie haute. Ceci permet d’avoir une bonne répartition de la charge dans l’espace annulaire compris entre l’âme 5’ de la vis 4 et la grille 8 de forme cylindrique venant entourer la vis à distance, ce qui présente deux avantages : la densité de la charge dans le réacteur peut être plus grande, donc l’équipement peut être de plus petite taille, et le fluide injecté est réparti de manière particulièrement homogène à travers le solide, ce qui permet un meilleur contrôle des réactions chimiques.
L’autre différence d’avec l’exemple de réacteur des figures 1 et 2 est qu’ici l’âme 5’ de la vis 4 est munie de plusieurs espaces internes coaxiaux permettant d’injecter des fluides F1 ,F2 de natures et/ou de températures différentes dans des zones définies de l’espace annulaire entre la vis 4 et la grille 8. 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 n’est présent que sur un tronçon amont AM de la vis. L’espace tubulaire 51 est présent sur toute la longueur de la vis mais s’élargit au-delà du tronçon AM, dans un tronçon aval AV, en présentant alors un diamètre d2, égal au diamètre externe de l’espace annulaire 52 du tronçon amont AM.
Dans le tronçon amont AM, l’âme creuse est percée d’orifices 7’ assurant une connexion fluidique entre l’espace annulaire 52 de la vis et l’espace extérieur à la vis entre la vis 4 et la grille 8 : la charge se déplaçant d’amont en aval au niveau du tronçon amont AM est alors mise en contact uniquement avec le fluide F2. Dans le tronçon aval AV, l’âme creuse 5’ est percés d’orifices 7’ assurant cette fois la connexion fluidique entre l’espace tubulaire 51 et l’espace externe à la vis entre la vis 4 et la grille 8 : la charge se déplaçant au niveau de ce tronçon aval AV est alors mise en contact avec le fluide F1.
On peut prévoir des sorties de fluide 9, 9’ latérales au niveau des parois du réacteur 1’, au niveau de différentes zones, et de préférence au niveau de chacun de ces tronçons AM et AV (à leurs extrémités aval de préférence comme représenté à la figure 3), afin de récupérer plusieurs qualités de fluide filtré par la grille 8 et sortant du lit de charge (que l’on peut ensuite traiter et/ou recycler).
Les réacteurs peuvent avoir, à l’échelle industrielle, par exemple une virole de longueur de 10 à 15 m, à titre d’exemple d’environ de 12 m pour un diamètre de 2 à 3 mètres, à titre d’exemple de 2,6 m de diamètre environ.
On appelle « virole », de façon connue, l’enceinte généralement métallique, de forme cylindrique dans laquelle est logée la vis sans fin. On comprend par « longueur », la dimension de cette virole mesurée selon son axe longitudinal X.
On peut considérer qu’environ 5% de cette longueur de virole, qui correspond substantiellement à la longueur de la vis sans fin, est utilisée comme zone d’alimentation (dans sa partie la plus amont) et 5 autres % (dans sa partie la plus aval) comme zone de décharge/détente pour la sortie du solide traité.
La vis comprend donc une section utile qu’on peut estimer à de 90%, avec des spires d’environ 10 à 12 m, dans cet exemple de 10,8 m.
Le diamètre de l’âme de la vis est d’environ 0,6 à 1 ,2 m, notamment 0,8 à 1 m, par exemple de 0,9 m.
Le diamètre des spires de la vis est d’environ 2 à 3 mètres, par exemple égal à 2,40 m, L’épaisseur des spires d’environl ,5 à 2,5 cm, et égal par exemple à 2 cm.
Une grille cylindrique, munie sur laquelle est fixée une toile s’insère entre la vis et le réacteur, faisant office d’un panier filtrant laissant passer de la liqueur d’extraction. L’entrefer entre le filtre, ici la grille, et les parois internes de la virole se situe dans la gamme 3 à 10 cm, il est par exemple égal à 5 cm.
Selon un premier mode de réalisation, le pas de vis est constant. Il est par exemple compris entre 0,3 et 0,8 m, il est par exemple d’environ 0,5 m.
Dans d’autres modes de réalisation, ce pas de vis peut être variable, et se réduire notamment d’amont en aval, de manière à exercer une compression progressive sur la biomasse visant, notamment, à favoriser l’extraction de liqueur de la biomasse quand celle-ci a été préalablement imprégnée d’une liqueur (c’est-à-dire d’une solution généralement aqueuse additionnée d’un catalyseur acide, basique ou oxydant).
Exemples
Ci-dessous des exemples de mise en œuvre des réacteurs décrits plus haut:
Le procédé possède deux intrants : la charge solide qui doit être traitée, et le fluide, liquide ou gazeux, qui doit traverser la charge solide en courant croisé. - En ce qui concerne la charge solide :
Les charges du procédé sont choisies parmi la biomasse, seule ou en mélange.
La biomasse brute est choisie parmi tout type de biomasse, de préférence de la biomasse de type solide, et en particulier de la biomasse de type lignocellulosique. On peut aussi utiliser des biomasses d’origine marine, comme les macro-algues, qui contiennent pas/peu de lignine mais de l’amidon.
La biomasse lignocellulosique comprend essentiellement trois constituants naturels présents en quantités variables selon son origine : la cellulose, l'hémicellulose et la lignine. La charge biomasse lignocellulosique est de préférence utilisée sous sa forme brute, c'est-à-dire dans l’intégralité de ces trois constituants cellulose, hémicellulose et lignine. Dans un mode de réalisation préféré de l’invention, la biomasse lignocellulosique est choisie parmi la biomasse herbeuse, les résidus d’exploitation agricole tel que les déchets de paille, rafles de maïs, la bagasse de canne à sucre, les résidus d’exploitation forestière ou de scieries tel que les copeaux de bois ou tout autre type de résidus ligneux ou encore les cultures dédiées par exemple les taillis à courte rotation (« TCR »).
Dans une mode de réalisation préféré de l’invention, la charge peut éventuellement subir une étape de prétraitement préalablement à son introduction dans l’étape du procédé mettant en œuvre le réacteur selon l’invention. L’objectif de l’étape de prétraitement est de permettre l’injection de la charge prétraitée dans le réacteur selon l’invention. L’étape de prétraitement est fonction du type de charge considérée. Il peut s’agir d’une étape de broyage primaire, connue en soi, permettant de réduire sa granulométrie à une taille caractéristique comprise entre 10 et 50 mm. Elle peut aussi comporter une mise en forme de la charge, telle que par exemple une pelletisation, compression ou toute autre technique connue de l’homme du métier en vue de faciliter son transport, son stockage, et son traitement ultérieur dans l’étape mettant en oeuvre le réacteur selon l’invention. Elle peut aussi comporter une étape de séchage, ou, au contraire, d’humidification.
Dans un autre mode de réalisation de l’invention, dans le cas où le fluide est un liquide, la charge subie une étape préliminaire de saturation par un milieu liquide, notamment aqueux, (eau seule ou comprenant un catalyseur par exemple acide ou basique ou oxydant, on parle alors de « liqueur »), ce qui permet limiter son taux de matière sèche à 20%MS. (On appelle taux de matière sèche le ratio entre la masse de solide sec et la masse de solide humide.) Selon une variante, l’étape de saturation peut être réalisée dans le même réacteur que celui de l’invention. Selon une autre variante, l’étape de saturation peut être réalisée dans un autre réacteur en amont du réacteur selon l’invention (soit un réacteur conventionnel, soit un deuxième réacteur selon l’invention en série avec l’autre réacteur selon l’invention.
- En ce qui concerne le fluide :
La nature du fluide injecté dépend de l’utilisation du réacteur.
Dans le cadre d’une torréfaction, le fluide injecté est un gaz chaud pauvre en oxygène. Il peut s’agir de tout gaz inerte appauvri en oxygène. On comprend par « appauvri en oxygène » un gaz comprenant au plus 5 % en volume d’oxygène. Soit il s’agit d’un gaz chauffé au préalable avant d’être injecté, par exemple de l’azote chauffé, qui vient chauffer la charge par transfert de chaleur, soit il s’agit de gaz issu d’une combustion comme des fumées de combustion de gaz de torréfaction éventuellement additionnés de gaz naturel ou de fuel, qu’on vient brûler avec des brûleurs.
On entend par torréfaction, un procédé de traitement thermique à une température comprise entre 200 et 350°C, et réalisé généralement dans une atmosphère appauvrie en oxygène. Le débit du gaz doit être suffisant pour réaliser le séchage puis la chauffe de la charge solide jusqu'à la température de torréfaction. Le gaz est préférentiellement totalement, ou partiellement, recyclé après avoir subi une étape de combustion permettant d’apporter la chaleur nécessaire au séchage et à la montée en température de la charge solide. Il peut être recyclé avant sa combustion afin d’en augmenter le pouvoir calorifique (sa « brûlabilité »). Dans le cadre d’une hydrolyse acide, le fluide injecté est une solution au moins partiellement liquide aqueuse acide, à une température comprise entre 80 et 250°C. L’acide utilisé est préférentiellement de l’acide sulfurique. Le pH est préférentiellement compris entre 0,5 et 3. Le débit du fluide est choisi suffisant pour obtenir un bon contact avec le solide et une extraction suffisante des produits de la réaction. Ce débit permet de définir un temps de séjour précis pour le fluide, et donc pour les produits formés, Ceci permet de contrôler la réaction, et ainsi de limiter la dégradation des produits d’intérêts (par exemple xyloses) en produits de dégradation qui conduisent à dégrader l’opérabilité (encrassement) ou le rendement du procédé d’hydrolyse décrit ici ou des étapes aval. Le temps de séjour du fluide est généralement différent du temps de séjour du solide.
Exemple 1 : selon l’invention
Cet exemple utilise le réacteur 1 dont le dimensionnement a été exemplifié plus haut et représenté aux figures 1 et 2.
Pour rappel :
- Une virole de longueur - 12 m pour un diamètre de 2,6 m de diamètre environ.
- La vis comprend donc une section utile qu’on peut estimer à de 90%, avec des spires de
10,8 m. - Le diamètre de l’âme de la vis est de 0,9 m
- L’âme est creuse et définit une cavité tubulaire
- Le diamètre des spires de la vis est à 2,40 m
- L’épaisseur des spires est de 2 cm
- Le pas de vis est constant et de 0,5 m - L’entrefer entre le filtre les parois internes de la virole est égal à 5 cm
La charge brute est de la paille de blé broyée à 20 mm avec une densité de 50 kgMS/m3 et la composition suivante :
Cellulose : 37,4 % poids Hémicellulose : 28,6 % poids
Lignine et autres : 34,0 % poids
Dans cet exemple, la paille subit une imprégnation préalable à l’acide sulfurique de manière à avoir 0,2 % pds d’acide résiduel dans la liqueur sortante. La biomasse imprégnée possède alors une teneur en matière sèche de 20% MS, et est injectée directement dans le réacteur 1. Ici, ce transfert a lieu sans compression, à l’aide d’une vanne rotative par exemple. La biomasse est donc à 20% MS à l’entrée du réacteur 1.
La vitesse de rotation de la vis 4 est réglée de manière à assurer un temps de séjour de 2 min et l’injection de vapeur à travers les orifices 7 de l’âme creuse est ajustée pour assurer une température de 215°C. Le débit de charge MS est de 50 t/h et celui de liqueur d’extraction est de 300 t/h. Cela permet de travailler avec un seul réacteur dont le taux de remplissage est de 80%.
Cette configuration permet d’atteindre les objectifs suivants dans la sortie liquide :
Garantir une conversion de plus de 90% de l’hémicellulose
- Maintenir un ratio xylose monomérique/xylose oligomérique supérieur à 1 ,
Assurer moins de 10% de produits de dégradation.
Exemple 2 comparatif : selon l’art antérieur
Cet exemple est similaire à l’exemple 1 , visant les mêmes objectifs, sauf en ce qu’il utilise un réacteur de cuisson conventionnel, qui se distingue du réacteur 1 de la façon suivante :
- l’âme de la vis est pleine
- la vapeur d’eau est injectée de façon conventionnelle dans le réacteur par 4 points de piquage depuis l’extérieur du réacteur.
- Il y a compression de la biomasse imprégnée avant introduction dans le réacteur de cuisson (en utilisant une vis sans fin conique, connue sous le terme anglo-saxon de « plug screw »)
- La teneur en acide d’imprégnation de la biomasse est doublée par rapport à celle de l’exemple 1 - La température est plus faible (185°C) et le temps de séjour est plus long (5 minutes) que dans l’exemple 1 - Il n’y a pas de liqueur d’extraction dans l’exemple comparatif, alors que la consommation de liqueur est de 300 t/h pour 0,2% pds d’acide dans l’exemple 1.
Cela implique des différences importantes sur les équipements et les produits :
- Dans l’exemple 2 comparatif, pour traiter la même quantité de biomasse, il est nécessaire de monter en parallèle trois réacteurs, alors que dans l’exemple 1 selon l’invention un seul réacteur suffit, qui plus est, avec un taux de remplissage est élevé.
- On observe une meilleure conversion vers des molécules d’intérêt avec l’exemple 1 selon l’invention, avec 3 fois moins de produits de dégradation (comme le furfural, des humines ...) par rapport à l’exemple 2 comparatif.
Le tableau 1 suivant récapitule les différences et les gains qualitatifs de l’utilisation d’un réacteur selon l’invention (exemple 1 ) par rapport à l’utilisation d’un réacteur classique (exemple 2 comparatif).
Figure imgf000020_0001
En conclusion, le réacteur selon l’invention offre de nombreuses possibilités pour améliorer le rendement d’une réaction/modification d’une charge au moins partiellement solide par un fluide réactif liquide ou gazeux. Il permet de compacter les installations industrielles. Il reste d’une conception simple et flexible, et est ainsi particulièrement adapté à traiter des charges de type biomasse présentant une grande variabilité de leurs caractéristiques.

Claims

Revendications
1. Réacteur tubulaire (1 ,1’) muni à une de ses extrémités d’une entrée de charge, notamment au moins partiellement solide (2), et à son extrémité opposée d’une sortie de charge (3), et dans lequel est logée une vis (4) convoyeuse de ladite charge depuis l’entrée de charge (2) jusqu’à la sortie de charge (3), caractérisé en ce que :
- ladite vis convoyeuse présente une âme creuse (5,5’) délimitant un espace tubulaire ou annulaire (51 ,52) qui est coaxial avec l’axe longitudinal (X) du réacteur (1 ) et de la vis (4),
- ledit espace tubulaire ou annulaire comprend une entrée de fluide (6) à l’une de ses extrémités,
- ledit espace tubulaire ou annulaire comprend une pluralité de sorties latérales (7,7’) de fluide, lesdites sorties comprenant des orifices traversant la paroi de l’âme (5) de la vis pour déboucher à l’intérieur du réacteur,
- ladite vis convoyeuse (4) est entourée, dans le réacteur, sur au moins une partie de sa longueur, d’un filtre (8), en regard d’au moins une partie desdites sorties latérales (7,7”), ledit filtre confinant la charge dans l’espace entre la vis et ledit filtre.
2. Réacteur (1 ,1’) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les orifices (7,7’) des sorties de fluide de l’espace tubulaire ou annulaire sont répartis régulièrement sur la circonférence de l’âme (5,5’) de la vis (4), sur au moins une portion de la longueur de ladite âme (5,5’).
3. Réacteur (1 ,1’) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le filtre comporte un composant fritté, ou une plaque percée d’orifices, ou une grille (8) entourant la vis convoyeuse (4) éventuellement associée à une toile, de préférence sur toute la longueur de ladite vis.
4. Réacteur (1 ,1’) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le pas de la vis (4) est constant, ou est variable sur tout ou partie de la longueur de la vis.
5. Réacteur (1’) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’âme creuse (5’) de la vis convoyeuse (4) délimite un espace tubulaire interne (51 ) et au moins un espace annulaire coaxial (52) et externe audit espace tubulaire interne (51 ), chaque espace, tubulaire et annulaire, véhiculant son propre fluide.
6. Réacteur (1’) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que chaque espace tubulaire et annulaire (51 ,52) s’étend sur tout ou partie de la longueur de l’âme creuse (5’) de la vis (4).
7. Réacteur (1’) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l’espace tubulaire interne (51 ) s’étend sur toute la longueur de la vis (4) et est muni de sorties latérales (7) de fluide que sur une portion aval (AV) de la vis, et en ce que le ou au moins un des espace(s) annulaire(s) externe(s) (52) ne s’étend que sur une portion amont (AM) de la vis (4), distincte de ladite portion aval.
8. Procédé de mise en œuvre du réacteur (1 ,1’) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’on fait circuler un ou des fluides dans le ou les espaces (51 ,52) délimités par l’âme creuse (5,5’) de la vis convoyeuse (4), avec contact en courant croisé du ou des fluides avec la charge en sortie desdits espaces.
9. Procédé de mise en œuvre du réacteur (1 ,1’) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la vis convoyeuse (4) convoie une charge comprenant de la biomasse, notamment de type lignocellulosique.
10. Procédé selon l’une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce qu’on fait circuler dans l’espace délimité par l’âme creuse (5,5’) de la vis convoyeuse (4) un fluide sous forme au moins partiellement liquide, notamment une solution aqueuse acide ou basique, de préférence entre 80 et 250°C, pour assurer une hydrolyse de la charge.
1 1 . Procédé selon l’une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce qu’on fait circuler dans l’espace délimité par l’âme creuse (5,5’) de la vis convoyeuse (4) 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.
12. Procédé selon l’une des revendications 8 à 1 1 , caractérisé en ce que la charge comprend entre 1 et 95 %, de préférence entre 20 et 80 %, en poids d’eau.
13. Procédé selon l’une des revendications 8 à 12, caractérisé en ce que le fluide collecté par le filtre (8) dans l’espace entre le filtre et les parois du réacteur (1 ,1’) est recyclé, au moins partiellement, en entrée de fluide d’un espace délimité par l’âme creuse (5,5’) de la vis convoyeuse (4).
14. Procédé selon l’une des revendications 8 à 13, caractérisé en ce que le réacteur (1 ,1’) est disposé selon une orientation sensiblement verticale, avec l’entrée de charge (2) en partie haute ou basse.
15. Procédé selon l’une des revendications 8 à 14, caractérisé en ce qu’on opère une saturation de la charge avec de l’eau préalablement à son traitement par le ou les fluides véhiculés dans le ou les espaces tubulaires (51 ,52) de l’âme creuse (5,5’) de la vis (4), notamment afin que la charge atteigne un taux de matière sèche d’au plus 20%.
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