Production de biodiesel et conversion en biodiesel
Surmontez les limites de la production de biodiesel grâce aux réacteurs à ultrasons ! Une cinétique réactionnelle lente et un mauvais transfert de matière peuvent considérablement réduire la capacité, le rendement et la qualité de votre usine de biodiesel. Les réacteurs à ultrasons Hielscher répondent à ces défis en améliorant sensiblement la cinétique de transestérification. Le traitement du biodiesel nécessite ainsi moins de méthanol en excès et des quantités réduites de catalyseur.
Cavitation ultrasonore : une solution de mélange supérieure
La production traditionnelle de biodiesel utilise généralement des réacteurs discontinus, avec la chaleur et le mélange mécanique comme apports d’énergie. La cavitation ultrasonore offre une alternative efficace permettant d’obtenir un meilleur mélange dans la production commerciale de biodiesel. Cette cavitation ultrasonore fournit l’énergie d’activation nécessaire à la transestérification industrielle du biodiesel.
Principaux avantages de la transestérification du biodiesel par ultrasons :
- Taux de conversion plus élevés
- Temps de réaction plus courts
- Meilleure qualité du produit
- Possibilité de convertir les huiles usagées en FAME (esters méthyliques d’acides gras)
Le mélange par ultrasons améliore le taux de conversion du biodiesel, augmente le rendement et réduit les quantités de méthanol en excès et de catalyseur nécessaires.
Transestérification du biodiesel améliorée par ultrasons
La production de biodiesel fait généralement intervenir une réaction chimique appelée transestérification, au cours de laquelle un triglycéride (tel qu’une huile végétale, une graisse animale ou une huile de cuisson usagée) réagit avec un alcool (tel que le méthanol) en présence d’un catalyseur pour produire du biodiesel (esters méthyliques d’acides gras) et du glycérol. Les réacteurs à ultrasons peuvent améliorer le processus de transestérification de plusieurs façons, avec plusieurs avantages à la clé :
- Mélange amélioré : Les ondes ultrasonores peuvent créer des bulles de cavitation qui s’effondrent violemment, provoquant un mélange et une agitation intenses du milieu réactionnel. Cela améliore le contact entre les réactifs et le catalyseur, ce qui permet une transestérification plus rapide et plus complète.
- Cinétique réactionnelle accélérée : Les conditions de haute énergie générées par les ondes ultrasonores peuvent activer la réaction, augmenter sa vitesse et réduire le temps nécessaire pour atteindre un niveau de conversion donné. Cela peut se traduire par des rendements plus élevés et des coûts plus faibles.
- Utilisation réduite de catalyseur : Les réacteurs à ultrasons peuvent améliorer l’efficacité d’utilisation du catalyseur en fournissant davantage de sites actifs pour la réaction. Cela signifie qu’une quantité moindre de catalyseur est nécessaire pour atteindre le même niveau de conversion, ce qui réduit les coûts et l’impact environnemental.
- Qualité du produit améliorée : Les réacteurs à ultrasons peuvent produire un biodiesel présentant une teneur plus faible en acides gras libres, une pureté supérieure et de meilleures propriétés d’écoulement à froid. Cela résulte du mélange amélioré et de la cinétique réactionnelle plus rapide, qui minimisent la formation de sous-produits indésirables et d’impuretés.
Ces avantages du traitement du biodiesel par ultrasons rendent l’utilisation d’une installation équipée de réacteurs à ultrasons très économique, car ces réacteurs améliorent considérablement l’efficacité, la vitesse et la qualité de la transestérification du biodiesel. En résumé, la sonication fait de la transestérification un procédé plus durable sur les plans économique et environnemental.
Problèmes du mélange conventionnel du biodiesel : La réaction d’estérification conventionnelle en traitement discontinu tend à être lente, et la séparation de la phase de glycérine prend du temps, souvent 5 heures ou plus.
Les réacteurs à ultrasons vous aident à accélérer votre procédé de production de biodiesel tout en augmentant son rendement et sa qualité, à des coûts de traitement plus faibles !
Appareil à ultrasons de qualité industrielle UIP2000hdT avec cellule à circulation FC2T500k pour l’estérification et la transestérification du biodiesel en ligne.
Les avantages de la transestérification du biodiesel par ultrasons
- Rendements en biodiesel plus élevés grâce à un meilleur mélange
- Qualité du biodiesel accrue
- Utilisation possible même des huiles de la plus mauvaise qualité comme matière première
- Traitement continu en ligne
- Moins de méthanol
- Moins de catalyseur
- Gain de temps grâce à une conversion rapide
- Économies d’énergie
- Fonctionnement simple et sûr
- Robustesse et faible entretien
- Hautes performances : fonctionnement 24/7 à pleine charge
Le réacteur à ultrasons UIP16000hdT produit environ 32MMGY
« Nous avons été très satisfaits des équipements et du service de Hielscher, et nous avons bien l’intention d’intégrer la technologie de sonication Hielscher à tous nos futurs projets. »
Todd Stephens, Tulsa Biofuels
Les ultrasons pour la production de biodiesel
Le biodiesel est souvent produit dans des réacteurs discontinus. La conversion en biodiesel par ultrasons permet un traitement continu en ligne. La sonication peut permettre d’atteindre un rendement en biodiesel supérieur à 99%. Les réacteurs à ultrasons réduisent le temps de traitement, qui passe de 1 à 4 heures dans un procédé discontinu conventionnel à moins de 30 secondes. Plus important encore, la sonication réduit le temps de séparation de 5 à 10 heures (avec une agitation conventionnelle) à moins de 60 minutes. Elle permet également de diminuer jusqu’à 50% la quantité de catalyseur nécessaire grâce à l’activité chimique accrue en présence de cavitation. La sonication réduit aussi la quantité de méthanol en excès nécessaire. L’augmentation de la pureté de la glycérine constitue un autre avantage.
Production de biodiesel par ultrasons, étape par étape :
- l’huile végétale ou la graisse animale est mélangée avec du méthanol (qui produit des esters méthyliques) ou de l’éthanol (pour les esters éthyliques), ainsi qu’avec du méthanolate ou de l’hydroxyde de sodium ou de potassium
- le mélange est chauffé, par exemple à une température comprise entre 45 et 65degC
- le mélange chauffé est soumis à une sonication en ligne pendant 5 à 15 secondes
- la glycérine se sépare ou est séparée à l’aide de centrifugeuses
- le biodiesel obtenu par conversion est lavé à l’eau
Le plus souvent, la sonication est effectuée à une pression élevée (1 à 3bar, pression relative) à l’aide d’une pompe d’alimentation et d’une vanne de contre-pression réglable à proximité de la cellule à circulation.
La conversion industrielle en biodiesel ne nécessite pas beaucoup d’énergie ultrasonore. Les besoins énergétiques réels peuvent être déterminés à l’échelle de paillasse à l’aide, par exemple, d’un processeur à ultrasons de 1kW tel que l’UIP1000hdT. Tous les résultats de ces essais sur paillasse peuvent être transposés à plus grande échelle de façon linéaire et sans difficulté. Si nécessaire, des appareils à ultrasons certifiés ATEX sont disponibles, tels que le UIP1000-Exd.
Hielscher fournit des équipements industriels de traitement du biodiesel par ultrasons dans le monde entier. Avec des processeurs à ultrasons d’une puissance pouvant atteindre 16kW par appareil, la taille des usines de biodiesel et leur capacité de traitement ne sont pas limitées.
Coûts de fabrication du biodiesel par ultrasons
La sonication est un moyen efficace d’augmenter la vitesse de réaction et le taux de conversion dans la production commerciale de biodiesel. Les coûts du traitement par ultrasons proviennent principalement de l’investissement dans les équipements à ultrasons, des dépenses énergétiques et de l’entretien. L’excellente efficacité énergétique des appareils à ultrasons Hielscher contribue à réduire les dépenses énergétiques et rend ainsi ce procédé encore plus écologique. À l’échelle commerciale, les coûts de sonication qui en résultent varient entre 0,1ct et 1,0ct par litre (0,4ct à 1,9ct/gallon).
En savoir plus sur l’efficacité du procédé et les avantages économiques de la production de biodiesel par ultrasons !
Le mélange par ultrasons réduit la consommation énergétique spécifique de la fabrication du biodiesel, surpassant de loin le mélange magnétique hydrodynamique et les mélangeurs à haut cisaillement.
Installation de production de biodiesel par ultrasons à petite échelle
La sonication peut être utilisée pour convertir l’huile en biodiesel à toute échelle. L’image ci-dessous montre une installation à petite échelle pour le traitement de 60–70L (16 à 19 gallons). Il s’agit de l’installation typique pour les études initiales et la démonstration du procédé.
L’estérification et la transestérification par ultrasons peuvent être réalisées en mode discontinu ou en continu en ligne. Ce schéma montre le procédé discontinu par ultrasons pour la conversion en biodiesel.
3x appareils à ultrasons de 1kW du modèle 1000hdT avec réacteur à ultrasons à circulation pour une conversion en biodiesel hautement efficace.
- un appareil à ultrasons (par exemple UIP500hdT ou UIP1000hdT) avec amplificateur d’amplitude, sonotrode et cellule à circulation
- appareil de mesure de la puissance et de l’énergie
- cuve de traitement de 80L (en plastique, par exemple HDPE)
- élément chauffant (1 à 2kW)
- cuve de prémélange du catalyseur de 10L (en plastique, par exemple HDPE)
- prémélangeur de catalyseur (agitateur)
- pompe (centrifuge, mono ou à engrenages) pour un débit d’environ 10 à 20L/min à 1 à 3 barg
- vanne de contre-pression pour régler la pression dans la cellule à circulation
- manomètre pour mesurer la pression d’alimentation
Réacteurs à ultrasons pour un traitement du biodiesel plus performant
Hielscher Ultrasonics propose des processeurs et des réacteurs à ultrasons haute performance qui amélioreront votre production de biodiesel grâce à des rendements plus élevés, une meilleure qualité du biodiesel, des temps de traitement réduits et des coûts de production plus faibles.
Réacteurs à ultrasons à petite et moyenne échelle pour la transestérification du biodiesel
Pour la production de biodiesel à petite et moyenne échelle jusqu’à 9ton/hr (2900 gal/hr), Hielscher vous propose les UIP500hdT (500 watts), UIP1000hdT (1000 watts), UIP1500hdT (1500 watts) et UIP2000hdT (2000 watts) comme mélangeurs à ultrasons à haut cisaillement avec réacteurs à circulation pour un traitement du biodiesel en ligne fiable et efficace. Ces quatre réacteurs à ultrasons sont très compacts et faciles à intégrer à une installation nouvelle ou existante. Ils sont conçus pour un fonctionnement intensif dans des environnements difficiles. Vous trouverez ci-dessous des configurations de réacteurs recommandées pour différents débits de production.
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ton/hr
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gal/hr
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|---|---|---|
| 1x UIP500hdT (500 watts) |
0,25 à 0,5
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80 à 160
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| 1x UIP1000hdT (1000 watts) |
0,5 à 1,0
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160 à 320
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| 1x UIP1500hdT (1500 watts) |
0,75 à 1,5
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240 à 480
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| 1x UIP2000hdT (2000 watts) |
1,0 à 2,0
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320 à 640
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| 2x UIP2000hdT (2000 watts) |
2,0 à 4,0
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640 à 1280
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| 4xUIP1500hdT (1500 watts) |
3,0 à 6,0
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960 à 1920
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| 6x UIP1500hdT (1500 watts) |
4,5 à 9,0
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1440 à 2880
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| 6x UIP2000hdT (2000 watts) |
6,0 à 12,0
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1920 à 3840
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Réacteurs industriels de production de biodiesel à très haut débit
Pour les usines de production industrielle de biodiesel, Hielscher propose les homogénéisateurs à ultrasons UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), 10 000 (10kW) et UIP16000hdT (16kW) ! Ces processeurs à ultrasons sont conçus pour le traitement continu à des débits élevés. Les UIP4000hdT, UIP6000hdT et UIP10000 peuvent être intégrés dans des conteneurs standards de transport maritime. Les quatre modèles de processeurs sont également disponibles dans des armoires en acier inoxydable. Une installation verticale nécessite très peu d’espace. Vous trouverez ci-dessous des configurations recommandées pour des débits de traitement industriels typiques.
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ton/hr
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gal/hr
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1x UIP6000hdT (6000 watts) |
3,0 à 6,0
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960 à 1920
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|---|---|---|
| 3x UIP4000hdT (4000 watts) |
6,0 à 12,0
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1920 à 3840
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| 5x UIP4000hdT (4000 watts) |
10,0 à 20,0
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3200 à 6400
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3x UIP6000hdT (6000 watts) |
9,0 à 18,0
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2880 à 5880
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| 3x UIP10000 (10 000 watts) |
15,0 à 30,0
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4800 à 9600
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| 3x UIP16000hdT (16 000 watts) |
24,0 à 48,0
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7680 à 15 360
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| 5x UIP16000hdT |
40,0 à 80,0
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12 800 à 25 600
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Contactez-nous ! / Posez-nous vos questions !
L’appareil à ultrasons UIP16000hdT est capable de traiter 32MMGY de biodiesel.
Innovation technologique de l’année Frost & Sullivan
Hielscher Ultrasonics a reçu le prestigieux prix Frost and Sullivan de l’innovation technologique de l’année en reconnaissance du développement par l’entreprise d’une nouvelle technologie ultrasonore pour la production de biodiesel.
Cliquez ici pour en savoir plus sur le prix Frost and Sullivan décerné aux réacteurs de production de biodiesel de Hielscher Ultrasonics !
Transestérification – La conversion chimique en biodiesel
La fabrication de biodiesel à partir d’huiles végétales (par exemple soja, canola, jatropha, graines de tournesol), d’algues, de graisses animales et d’huiles de cuisson usagées fait intervenir la transestérification des acides gras, catalysée par une base, avec du méthanol ou de l’éthanol, pour obtenir les esters méthyliques ou éthyliques correspondants. La glycérine est un sous-produit inévitable de cette réaction.
Les huiles végétales, comme les graisses animales, sont des triglycérides composés de trois chaînes d’acides gras liées par une molécule de glycérine. Les triglycérides sont des esters. Les esters sont des acides, tels que les acides gras, combinés à un alcool. La glycérine (= glycérol) est un alcool lourd. Dans le processus de conversion, les esters de triglycérides sont transformés en esters alkyliques (= biodiesel) à l’aide d’un catalyseur (solution alcaline) et d’un réactif alcoolique, par exemple le méthanol, qui produit un biodiesel constitué d’esters méthyliques. Le méthanol remplace la glycérine. Ce processus de conversion chimique est appelé transestérification.
Après la transestérification, la glycérine, qui constitue la phase la plus lourde, descend au fond. Le biodiesel, qui constitue la phase la plus légère, flotte au-dessus et peut être séparé, par exemple à l’aide de décanteurs ou de centrifugeuses.
Préparation du biodiesel
L’hydroxyde de potassium (0,2 à 0,4kg, catalyseur) est dissous dans environ 8,5L de méthanol dans la cuve de prémélange du catalyseur. Cette opération nécessite une agitation du prémélange de catalyseur. La cuve de traitement est remplie de 66L d’huile végétale. L’huile est chauffée par l’élément chauffant à 45 à 65degC.
Conversion en biodiesel
Lorsque le catalyseur est entièrement dissous dans le méthanol, le prémélange de catalyseur est mélangé à l’huile chauffée. La pompe alimente la cellule à circulation avec ce mélange. La pression est réglée à 1 à 3barg (15 à 45psig) au moyen de la vanne de contre-pression. La recirculation dans le réacteur à ultrasons pour biodiesel doit être effectuée pendant environ 20 minutes. Durant cette période, l’huile est convertie en biodiesel. Ensuite, la pompe et les ultrasons sont arrêtés. La glycérine (phase la plus lourde) se sépare du biodiesel (phase la plus légère). La séparation prend environ 30 à 60 minutes. Une fois la séparation terminée, la glycérine peut être évacuée.
Lavage du biodiesel
Le biodiesel obtenu par conversion contenant des impuretés, un lavage est nécessaire. Pour le lavage, de l’eau est mélangée au biodiesel. La sonication peut améliorer le mélange du biodiesel et de l’eau. La réduction de la taille des gouttelettes augmente ainsi la surface active. Veuillez tenir compte du fait qu’une sonication très intense peut réduire les gouttelettes d’eau à une taille entraînant la formation d’une émulsion presque stable, qui nécessitera des moyens particuliers (par exemple une centrifugeuse) pour être séparée.
Usine de fabrication de biodiesel
Le schéma de procédé ci-dessous montre une installation typique pour la sonication en ligne de l’huile, du méthanol et du catalyseur en vue de leur conversion en biodiesel.
L’estérification et la transestérification par ultrasons peuvent être réalisées en mode discontinu ou en continu en ligne. Le schéma montre le procédé ultrasonore en ligne pour la transestérification du biodiesel (FAME).
Traitement et séparation du biodiesel en continu
Dans une installation de traitement et de séparation du biodiesel en continu, l’huile chauffée et le prémélange de catalyseur sont mélangés en continu à l’aide de pompes réglables. Un mélangeur statique en ligne améliore l’homogénéité du mélange alimentant le réacteur à ultrasons. Le mélange huile/catalyseur traverse la cellule à circulation, où il est exposé à la cavitation ultrasonore pendant environ 5 à 30 secondes. Une vanne de contre-pression est utilisée pour contrôler la pression dans la cellule à circulation. Le mélange soniqué entre par le haut de la colonne du réacteur. Le volume de cette colonne est dimensionné pour assurer un temps de séjour d’environ 1 heure. Pendant ce temps, la réaction de transestérification s’achève. Le mélange glycérine/biodiesel ayant réagi est pompé vers la centrifugeuse, où il est séparé en fractions de biodiesel et de glycérine. Le post-traitement comprend la récupération du méthanol, le lavage et le séchage, et peut également être réalisé en continu.
Cette installation supprime les traitements par lots dans les réacteurs de biodiesel, les agitateurs conventionnels et les grandes cuves de séparation.
Vitesse de réaction de transestérification du biodiesel
Les graphiques ci-dessous montrent des résultats typiques de la transestérification d’huile de colza (de qualité industrielle) avec du méthanolate de sodium (à gauche) et de l’hydroxyde de potassium (à droite). Pour les deux essais, un échantillon témoin (courbe bleue) a été soumis à un mélange mécanique intense. La courbe rouge représente l’échantillon soniqué de formulation identique en matière de rapport volumique, de concentration en catalyseur et de température. L’axe horizontal indique le temps écoulé après le mélange ou la sonication, respectivement. L’axe vertical indique le volume de glycérine qui s’est déposé au fond. Il s’agit d’un moyen simple de mesurer la vitesse de réaction. Dans les deux graphiques, l’échantillon soniqué (rouge) réagit beaucoup plus rapidement que l’échantillon témoin (bleu).
Comparaison du mélange par ultrasons (courbe rouge) et du mélange conventionnel (courbe bleue) pour la production de biodiesel – avec du méthanolate de sodium (à gauche) et de l’hydroxyde de potassium (à droite) comme catalyseurs.
Liens vers des fournisseurs pour la production de biodiesel
Informations chimiques et de sécurité
Veuillez lire attentivement les informations ci-dessous afin de prévenir les complications et les effets néfastes sur la santé.
Produits chimiques utilisés pour le biodiesel
Le méthanol est toxique. Il peut provoquer une détérioration des nerfs en cas d’utilisation prolongée. Il peut également être adsorbé par la peau. En cas de projection dans les yeux, il peut provoquer la cécité, et son ingestion peut être mortelle. Pour cette raison, prenez les précautions nécessaires lors de la manipulation du méthanol. Il est recommandé d’utiliser un bon appareil de protection respiratoire, un tablier et des gants en caoutchouc.
L’hydroxyde de potassium (KOH) est toxique et provoque des brûlures cutanées au contact. Une bonne ventilation est nécessaire.
Assurez-vous que l’espace de travail est largement et soigneusement ventilé afin de permettre l’évacuation des vapeurs. Les appareils de protection respiratoire à cartouches pour vapeurs ne sont pas efficaces contre les vapeurs de méthanol. Un système à adduction d’air (SCBA – appareil respiratoire autonome) offre une meilleure protection contre les vapeurs de méthanol.
Biodiesel et pièces en caoutchouc
Un fonctionnement prolongé avec 100% de biodiesel peut entraîner des problèmes au niveau des pièces en caoutchouc du moteur en contact avec le carburant (pompe, flexibles, joints toriques). Leur remplacement par des pièces en acier ou en caoutchouc haute résistance peut éliminer ce problème. Vous pouvez également mélanger environ 25% de diesel conventionnel (fossile) à votre biodiesel pour prévenir ces problèmes.
Bibliographie / Références
- Ali Gholami, Fathollah Pourfayaz, Akbar Maleki (2021): Techno-economic assessment of biodiesel production from canola oil through ultrasonic cavitation. Energy Reports, Volume 7, 2021. 266-277.
- Abdullah, C. S.; Baluch, Nazim; Mohtar, Shahimi (2015): Ascendancy of ultrasonic reactor for micro biodiesel production. Jurnal Teknologi 77, 2015.
- Ramachandran, K.; Suganya, T.; Nagendra Gandhi, N.; Renganathan, S.(2013): Recent developments for biodiesel production by ultrasonic assist transesterification using different heterogeneous catalyst: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 22, 2013. 410-418.
- Shinde, Kiran; Serge Kaliaguine (2019): A Comparative Study of Ultrasound Biodiesel Production Using Different Homogeneous Catalysts. ChemEngineering 3, No. 1: 18; 2019.
- Leonardo S.G. Teixeira, Júlio C.R. Assis, Daniel R. Mendonça, Iran T.V. Santos, Paulo R.B. Guimarães, Luiz A.M. Pontes, Josanaide S.R. Teixeira (2009): Comparison between conventional and ultrasonic preparation of beef tallow biodiesel. Fuel Processing Technology, Volume 90, Issue 9, 2009. 1164-1166.
- Hamed Mootabadi, Babak Salamatinia, Subhash Bhatia, Ahmad Zuhairi Abdullah (2010): Ultrasonic-assisted biodiesel production process from palm oil using alkaline earth metal oxides as the heterogeneous catalysts. Fuel, Volume 89, Issue 8; 2010. 1818-1825.
Hielscher Ultrasonics fabrique des homogénéisateurs à ultrasons haute performance, de l’échelle du laboratoire à l’échelle industrielle.