Les méthodes de synthèse des biocarburants à partir des corps gras

Les méthodes de synthèse des biocarburants à partir des corps gras

Un certain nombre de méthodes sont actuellement disponibles et ont été bien établies pour la production de biocarburants à partir des corps gras. Les huiles brutes méritent d’être modifiées afin de réduire leurs viscosités, de sorte que le produit obtenu possède des propriétés appropriées pour être utilisé comme carburant. De nombreuses procédures sont disponibles pour que cette modification produise une meilleure qualité de biodiesel. Cela peut être accompli par quatre manières principales : le mélange avec du gazole, la microémulsion, le craquage thermique et par réaction de transestérification.

Mélange avec du gazole

Les huiles végétales brutes peuvent être mélangées directement ou diluées avec du carburant diesel pour améliorer la viscosité afin de résoudre les problèmes associés à l’utilisation d’huiles végétales pures à viscosités élevées dans les moteurs à allumage par compression [1]. En 1980, Caterpillar Brésil, utilisait des moteurs à chambre de précombustion avec un mélange volumique de 10% d’huile végétale 90% de gazole pour maintenir la puissance totale sans aucune modification ou ajustement du moteur. À ce stade, il n’était pas pratique de substituer 100% d’huile végétale au carburant diesel, mais un mélange volumique de 20% d’huile végétale et de 80% de carburant diesel a été adopté. Schlick et al. [2] ont évalué les performances d’un moteur diesel Ford à injection directe de 2,59 L et 3 cylindres de la série 2600 fonctionnant avec de l’huile de soja non raffinée et de l’huile de tournesol mélangées avec du carburant diesel à 25 :75 v / v. La puissance est restée stable pendant 200 h de fonctionnement. Des dépôts excessifs de carbone sur toutes les pièces de la chambre de combustion empêchent l’utilisation de ces mélanges de carburant, au moins dans ce moteur et dans les conditions de fonctionnement spécifiées.

Ziejewski et al. [3] ont étudié la dilution de 25 %v d’huile de tournesol et 75 %v de diesel ayant une viscosité de 4,88 cSt à 40 ° C. Ils ont constaté que sur la base des performances du moteur, les mélanges des carburants testés semblent être une bonne alternative de point de vue des performances. En revanche, cette utilisation d’huile a posé beaucoup de problèmes du point de vue de la durabilité du moteur. Ces problèmes se résument à des dépôts de carbone sur les injecteurs et dans la chambre de combustion et une incompatibilité avec les lubrifiants du moteur. De plus les viscosités plus élevées du mélange conduisent à des fuites internes plus faibles dans le système d’injection conduisant à des débits volumétriques moyens plus élevés pour tous les carburants alternatifs que pour le gazole, ce qui a influencé le rapport énergétique qui était plus élevé par rapport à celui du gazole malgré leurs valeurs calorifiques inférieures. Toutefois la consommation d’énergie spécifique reste inférieure à celle du gazole. Au niveau, de l’opacité des fumées, elles étaient, pour tous les mélanges, inférieures à celles du diesel.

Avinash Kumar Agarwal et al [4] ont étudié expérimentalement les performances et les caractéristiques d’émission d’un moteur à allumage par compression alimenté en huile de Karanja et ses mélanges (10%, 20%, 50% et 75%). Les paramètres de performance évalués comprennent le rendement effectif, la consommation spécifique de carburant (BSFC), la consommation spécifique d’énergie (BSEC), et la température des gaz d’échappement, tandis que les émissions d’échappement (CO, HC, NO et l’opacité des fumées) ont été comparées à celles du gazole. Ces paramètres ont été évalués dans un moteur monocylindre à allumage par compression. Ce dernier a fonctionné avec succès lors des tests sur l’huile de Karanja et ses mélanges même sans préchauffage. Même si, en utilisant du carburant préchauffé, l’efficacité du moteur s’est légèrement améliorée. Les performances et les caractéristiques d’émission de l’huile de Karanja et de ses mélanges se sont avérées comparables à celles du gazole. L’efficacité thermique du moteur avec des mélanges d’huiles préchauffés est autour de 30% et pour les mélanges non chauffés avec des proportions inférieures à 50%, elle était de 24 à 27%.

La densité de fumée des gaz d’échappement des mélanges préchauffés ainsi que des mélanges non chauffés était presque similaire à celle du carburant diesel. Les émissions de HC des mélanges (10% et 20%) non chauffés et préchauffés sont inférieures à celles du gazole. Les émissions de NO de tous les mélanges avec et sans préchauffage sont inférieures à celles du gazole dans toutes les conditions de charge. L’utilisation directe d’huiles végétales et/ou l’utilisation de mélanges d’huiles a généralement été considérée comme non satisfaisante et peu pratique pour les moteurs diesel à injection directe et indirecte. La viscosité élevée, la teneur en acides gras libres, ainsi que la formation de gomme due à l’oxydation et à la polymérisation pendant le stockage et la combustion, les dépôts de carbone et l’épaississement de l’huile lubrifiante sont des problèmes évidents.

Micro émulsion 

La formation de microémulsions (co-solvabilité), est une solution potentielle pour résoudre le problème de la viscosité élevée des huiles végétales. Une microémulsion est définie comme une dispersion à l’équilibre colloïdal de microstructures de fluides optiquement isotropes dont les dimensions sont généralement comprises entre 1 et 150 nm et formées spontanément à partir de deux liquides normalement non miscibles et d’un ou plusieurs amphiphiles ioniques ou non ioniques [1,5,6]. Les carburants à base de microémulsion sont parfois appelés ‘carburants hybrides’ [7], bien que les mélanges de carburant diesel conventionnel avec des huiles végétales aient également été appelés carburants hybrides. Les microémulsions sont des fluides isotropes stables et clairs à trois composants : une phase huileuse, une phase aqueuse et un tensioactif. Ziejewski et al. [8] ont préparé une émulsion de 53% (vol) d’huile de tournesol raffinée, 13,3% (vol) d’éthanol et 33,4% (vol) de 1-butanol. Cette émulsion non ionique avait une viscosité de 6,31 cSt à 40 ° C, un indice de cétane de 25 et une teneur en cendres inférieure à 0,01%. Des viscosités plus faibles et de meilleurs modèles de pulvérisation (plus réguliers) ont été observés avec une augmentation du 1 butanol. Lors d’un test d’endurance de 200 h en laboratoire, aucune détérioration significative des performances n’a été observée, mais un collage irrégulier des aiguilles d’injecteurs, des dépôts de carbone lourds, une combustion incomplète et une augmentation de la viscosité de l’huile de lubrification ont été signalés.

La pyrolyse

La pyrolyse est la conversion d’une substance organique en une autre au moyen de chaleur à l’aide d’un catalyseur [1,9]. Les matériaux pyrolysés peuvent être de l’huile végétale, de la graisse animale ou des acides gras. La conversion des huiles végétales et des graisses animales composées principalement de triglycérides en utilisant des réactions de craquage thermique représentent une technologie prometteuse pour la production de biocarburants dans les domaines où l’industrie de la transformation hydro catalytique est bien établie, car la technologie est très similaire à celle du raffinage du pétrole conventionnel[10]. Les propriétés combustibles des fractions de produit liquide de l’huile végétale décomposée thermiquement sont susceptibles d’approcher les carburants diesel. De nombreux chercheurs ont rapporté la pyrolyse des triglycérides pour obtenir des produits adaptés aux moteurs diesel. La recherche sur la pyrolyse des triglycérides est divisée en procédés catalytiques et non catalytiques .

L’équipement de craquage thermique et de pyrolyse est coûteux pour des débits modestes. De plus, bien que les produits soient chimiquement similaires à l’essence et au carburant diesel dérivés du pétrole, l’élimination de l’oxygène pendant le traitement thermique élimine également les avantages environnementaux liés à l’utilisation d’un carburant oxygéné .

L’estérification et la transestérification

L’estérification

La réaction d’estérification est une réaction chimique par laquelle une molécule d’acide gras libre interagit avec un alcool pour produire un ester d’alkyl plus une molécule d’eau. Pratiquement, un excès d’alcool est introduit car l’estérification est une réaction réversible et nécessite une quantité suffisante d’alcool pour mener à bien les réactions du sens direct. La réaction d’estérification est généralement une étape de prétraitement avant de passer à la réaction de transestérification, pour les matières premières à forte teneur en acides gras libres car ces derniers dans les conditions de la réaction de transestérification ont tendance à se saponifier.

La Transestérification

La transestérification est la réaction entre une huile pure composée majoritairement de triglycérides avec un alcool pour former des esters d’alkyl et du glycérol, elle consiste en trois réactions consécutives et réversibles. Les triglycérides sont convertis en diglycérides, puis en monoglycérides et finalement en glycérol. Une molécule d’ester d’alkyl se forme à chaque étape. Un catalyseur et un excès en alcool sont souvent utilisés pour améliorer la vitesse de réaction et le rendement et pour déplacer l’équilibre vers le produit en raison du caractère réversible de la réaction [17,18]. Plusieurs recherches ont été réalisées sur la réaction de transestérification afin de produire du biodiesel avec une meilleure conversion, parmi ces recherches, on cite la réaction de transestérification catalytique et la non catalytique (Supercritique et par Co-solvant)[6,19,20]. Et pour encore plus d’efficacité, plusieurs chercheurs ont développé des méthodes d’intensification de la réaction de transestérification en utilisant des intensificateurs (microondes, ultrasons, réacteur statique et micro réacteur, etc…) dans le but d’augmenter le taux de conversion en un temps de réaction court.

Transestérification catalytique 

La réaction de transestérification peut être catalysée à la fois par des catalyseurs homogènes et hétérogènes. Les catalyseurs basiques tels que le méthylate de sodium, l’hydroxyde de sodium, l’hydroxyde de potassium et le méthylate de potassium sont les plus utilisés [11,20,24–27]. Le processus de transestérification catalysée par les oxydes des métaux alcalins est le plus efficace pour convertir les triglycérides en esters lorsque le taux d’acides gras libres est inférieur à 1% [28]. C’est le procédé le plus utilisé car il ne nécessite que des températures modérées et des pressions plus basses et avec une efficacité de conversion élevée (98%). Ce processus ne nécessite que peu de temps et se réalise en une seule étape. Cependant, il devient moins efficace lorsque le niveau d’acides gras libres (AGL) dépasse 1% car les AGL réagissent avec les catalyseurs alcalins les plus courants (NaOH, KOH et CH3ONa) et forment du savon qui inhibe la séparation de l’ester de la glycérine. Une certaine quantité de catalyseur alcalin est consommée dans la production de savon et, par conséquent, l’efficacité du catalyseur diminue [29].

Dans le processus de transestérification acide, des catalyseurs acides comme l’acide sulfurique, l’acide phosphorique, et l’acide sulfonique sont utilisés. Dans ce procédé, un acide fort est utilisé comme catalyseur pour l’estérification des AGL et la transestérification des triglycérides. Ce processus ne donne pas de savon en raison de l’absence de matière alcaline. L’estérification des AGL en esters d’alkyl est cependant relativement rapide; la transestérification des triglycérides est très lente et prend plusieurs jours. Un autre problème majeur avec l’utilisation d’un catalyseur acide est la formation d’eau qui reste dans le mélange réactionnel et arrête finalement la réaction bien avant d’atteindre une conversion complète .

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I : ETAT DE L’ART
I.1.INTRODUCTION
I.2.LEGISLATION
I.3.LES METHODES DE SYNTHESE DES BIOCARBURANTS A PARTIR DES CORPS GRAS
I.3.1. Mélange avec du gazole
I.3.2. Micro émulsion
I.3.3. La pyrolyse
I.3.4. L’estérification et la transestérification
I.4.LES PARAMETRES INFLUENÇANT LA REACTION
I.4.1. Type et excès d’alcool
I.4.2. Effet du type et de la quantité de catalyseur
I.4.3. Effet de la température et du temps
I.4.4. Degré d’agitation
I.5.CINETIQUE DE LA REACTION DE TRANSESTERIFICATION
I.6.INTENSIFICATION DE PRODUCTION DE BIODIESEL
I.6.1.ULTRASONS
I.6.2.MICROONDES
I.6.3.MICRO REACTEUR
I.6.4.MELANGEURS STATIQUES
I.6.5.REACTEURS A FLUX OSCILLATOIRE
I.6.6.REACTEURS ROTATIFS / A TUBES ROTATIFS
I.7.PURIFICATION DU BIODIESEL
I.8.EFFETS DE LA COMPOSITION DU BIODIESEL SUR SES PROPRIETES PHYSICOCHIMIQUES ET SUR LE FONCTIONNEMENT DU MOTEUR A COMBUSTION INTERNE
I.9.SYNTHESE
CHAPITRE II : MATERIELS ET METHODES
II.1.MATIERES PREMIERES
II.2.PRODUCTION CONVENTIONNELLE DE BIODIESEL (BATCH)
II.3. INSTALLATION DE PRODUCTION EN CONTINU DE BIODIESEL
II.3.1. Conception générale
II.3.2. Séparation des produits
II.4.METHODES D’ANALYSE ET DE CARACTERISATION
II.4.1.1.1.CHROMATOGRAPHIE EN PHASE GAZEUSE (CPG-DIF)
II.4.1.1.2.CHROMATOGRAPHIE EN PHASE GAZEUSE (CPG-SM-DIF)
II.5.SYNTHESE
CHAPITRE III : MISE EN ŒUVRE D’UNE INSTALLATION DE PRODUCTION DE BIOCARBURANT
III.1.INTRODUCTION
III.2.MODELISATION ET SIMULATION DE L’INSTALLATION
III.2.1. Description des géométries
III.2.2. Méthodologie numérique
III.2.3. Caractérisation du degré de mélange
III.2.4. Résultats et discussion
III.3.MISE EN ŒUVRE EXPERIMENTALE POUR LA TRANSESTERIFICATION DES HUILES VEGETALES
Conversion du biodiesel dans les réacteurs batch et continu
Purification du biodiesel
Efficacité de la conversion du biodiesel
Caractérisation physique des biodiesels
Effet des conditions opératoires et Optimisation de la réaction de transestérification
III.4.APPLICATION SUR L’ESTERIFICATION DES RESIDUS GRAISSEUX
III.4.1. Protocole expérimental
III.4.2. Influences des conditions opératoires
III.5.SYNTHESE
CHAPITRE IV : ETUDE CINETIQUE DES REACTIONS D’ESTERIFICATION ET DE TRANSESTERIFICATION
IV.1.INTRODUCTION
IV.2.MODELE CINETIQUE
IV.2.1. La réaction de transestérification
IV.2.2. La réaction d’estérification
IV.3.PROTOCOLE EXPERIMENTAL D’ECHANTILLONNAGE
IV.3.1. Transestérification
IV.3.2. Estérification
IV.4.ESTIMATION DES PARAMETRES CINETIQUES
IV.5.ANALYSE DU MODELE CINETIQUE
IV.6.EXPLOITATION DU MODELE CINETIQUE
TRANSESTERIFICATION
ESTERIFICATION
IV.7.SYNTHESE
CHAPITRE V : INFLUENCES DES PROPRIETES PHYSICOCHIMIQUES DES BIODIESELS SUR LE MOTEUR A COMBUSTION INTERNE
V.1.INTRODUCTION
V.2.CARBURANTS TESTES
V.3.BANC D’ESSAI MOTEUR
V.3.1. Mesure des émissions
V.4.RESULTATS ET DISCUSSIONS
V.4.1. Analyse des paramètres de performance
V.4.2. Analyse des émissions polluantes
V.5.SYNTHESE
CONCLUSION GENERALE

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