Étude expérimentale et théorique de la transestérification des huiles végétales par catalyse hétérogène : approche muti-étagée du procédé de synthèse du biodiesel

Experimental and theoretical study of the transesterification of vegetable oils by heterogeneous catalysis : multi-stage approach of the biodiesel synthesis process

• Auteur / Autrice : Florent Allain
• Direction : Laurent Falk, Jean-François Portha
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés et des produits
• Date : Soutenance le 12/12/2014
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : RP2E - Ecole Doctorale Sciences et Ingénierie des Ressources, Procédés, Produits, Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire réactions et génie des procédés
• Jury : Président / Présidente : Éric Schaer
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-François Joly
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anne-Marie Billet, Pascal Fongarland

Mots clés

Mots clés contrôlés

Carburants diesel

Synthèse (chimie)

Biocarburants

Simulation, Méthodes de

Procédés chimiques

Estérification

Huiles végétales

Mots clés libres

Étagement

Modélisation

Procédé Esterfip-H

Régime transitoire

Diffusion

Cinétique

Staging

Modeling

Esterfip-H process

Transient regime

Diffusion

Kinetics

Résumé

Un excès de réactif est souvent utilisé pour améliorer les conversions des réactions chimiques équilibrées. Un exemple est la synthèse du biodiesel par catalyse hétérogène, réaction soumise à des limitations thermodynamiques et physico-chimiques, qui est généralement effectuée avec un large excès de méthanol, conduisant à un coût de séparation important. L’étude expérimentale et la modélisation numérique du système réactif de la transestérification d’huile végétale sur un catalyseur hétérogène à base d’aluminate de zinc nous permet de déterminer quels sont les phénomènes les plus limitants lors de la synthèse du biodiesel et de comprendre l’effet de l’excès de méthanol. On observe ainsi des limitations liées à la cinétique, thermodynamique ou encore à la diffusion dans le catalyseur. Cette étude nous conduit de plus à l’identification de la loi cinétique et de ses paramètres et aux constantes de diffusion des espèces. Une technique de déplacement d’équilibre par étagement d’un réactif sur une série de réacteurs est étudiée dans le but de réduire l’excès mis en place. Bien que prometteuse dans des cas spécifiques, elle n’est pas applicable au système considéré dans ce travail. Enfin une simulation numérique du procédé Esterfip-H de synthèse du biodiesel dans son ensemble, mettant en place un modèle hétérogène de réacteur considérant les limitations au transfert de matière ainsi qu’un modèle thermodynamique permettant la simulation des étapes de séparations, est réalisée. L’optimisation du modèle nous permet de réduire la consommation énergétique du procédé ainsi que l’excès de méthanol nécessaire à une conversion élevée tout en en conservant sa configuration actuelle

The conversions of chemical equilibriums are often enhanced through the use of an excess of reactant. An example is the heterogeneously catalyzed biodiesel synthesis, a reaction that is limited by its thermodynamics as well as chemical and physical phenomena, and which is usually carried out with an excess of methanol, leading to high separation costs. The experimental and theoretical study of the system of vegetable oils transesterification on a zinc aluminate catalyst enables us to precisely determine the limiting phenomena occurring during biodiesel synthesis as well as to understand the effects of an excess of methanol on the system. Limitations are identified in the kinetics and thermodynamics of the system as well as in the diffusion inside the catalyst particles. The study also enables us to determine the kinetic rate law, its parameters and the diffusion coefficients of the species. An equilibrium shifting technique of reactant staging on a series of reactors is studied in order to reduce the excess of reactant needed. Even though promising in specific cases, it cannot be applied for the considered system. Finally a numerical simulation of the Esterfip-H process of biodiesel synthesis is conducted, using a heterogeneous model of reactors and a thermodynamics model to simulate the separation steps. The optimization of this model enables us to reduce the energy consumption of the process as well as to reduce the methanol excess that is needed while conserving the current process configuration