Procédé de préparation de biodiesel par estérification du méthanol à l'aide d'ultrasons

La présente invention concerne un procédé de production de biodiesel par estérification du méthanol à l'aide d'ultrasons. En utilisant diverses graisses de déchets animaux, des huiles de cuisson usagées provenant de l'industrie de la restauration et des huiles de cuisson usagées comme matières premières, le procédé accélère l'estérification du méthanol grâce aux effets de cavitation, de chauffage et d'oscillation à haute fréquence des ultrasons pour produire du biodiesel. Les avantages du procédé comprennent l'augmentation de l'activité des réactifs en ajustant l'intensité des ultrasons, améliorant ainsi le taux de conversion du méthanol ; utiliser diverses graisses animales et végétales usagées, des huiles de cuisson usagées provenant de l'industrie de la restauration et des huiles de cuisson usagées comme matières premières, ce qui permet d'obtenir un faible coût ; et éliminer l'utilisation de tout catalyseur, évitant ainsi la pollution environnementale provoquée par la manipulation du catalyseur. Aucune modification ou ajustement n'est requis sur l'équipement de production de biodiesel existant, et aucun équipement à haute température et haute pression n'est requis pendant le processus de réaction, ce qui simplifie le processus de production et réduit les coûts de production.

Le biodiesel est un nouveau type de carburant produit à partir de graisses animales et végétales. Selon l'analyse chimique, le carburant biodiesel est un méthane riche en graisses obtenu en décomposant des glycérides avec de l'acide oléique insaturé C18 comme composant principal. Comparé au diesel conventionnel, le biodiesel surpasse le diesel conventionnel en termes de point de colmatage du filtre froid, de point d'éclair, d'efficacité de combustion, de teneur en soufre, de teneur en oxygène, de consommation d'oxygène de combustion et de pollution de l'eau, tandis que d'autres indicateurs sont comparables. En raison de leurs performances environnementales inégalées, de leurs excellentes performances de démarrage du moteur à basse température, de leur pouvoir lubrifiant supérieur, de leur sécurité, de leur efficacité énergétique et de leur nature renouvelable, les moteurs alimentés au biodiesel répondent non seulement à la norme d'émission Euro II actuelle, mais également aux normes Euro III plus strictes qui seront bientôt mises en œuvre en Europe. De plus, comme le biodiesel émet beaucoup moins de dioxyde de carbone que ce que les plantes et les animaux en absorbent au cours de leur croissance, il contribue au réchauffement climatique, un problème environnemental majeur et nocif pour l’humanité. Le biodiesel est donc un diesel véritablement vert. Des bases de production commerciale de biodiesel ont été établies dans plusieurs pays et régions des États-Unis, d’Europe et d’Asie, et le biodiesel est largement utilisé comme carburant alternatif.

Les méthodes courantes de production de biodiesel sont les suivantes :

1. Pyrolyse : Cette méthode utilise des températures élevées pour décomposer les molécules à longue chaîne des huiles animales et végétales en molécules plus courtes, convertissant ainsi la matière organique de poids moléculaire élevé en hydrocarbures relativement simples. Les produits de craquage sont similaires au diesel classique. Cependant, le procédé de pyrolyse est complexe et nécessite un équipement volumineux, ce qui entraîne des coûts de production élevés et une commercialisation limitée.

2. Transestérification : C’est actuellement la méthode la plus couramment utilisée. Sous catalyseurs acides (ou alcalins) et à haute température (230-250°C), les alcools comme le méthanol ou l'éthanol subissent une réaction de transestérification avec les triglycérides, principaux composants des huiles végétales naturelles ou des graisses animales. Les groupes méthoxy remplacent les groupes glycéryle sur les acides gras à longue chaîne, réduisant ainsi la viscosité de l'huile et améliorant ses propriétés de fluidité et de vaporisation, répondant ainsi aux exigences d'utilisation du carburant. Cependant, les inconvénients suivants existent : 

① Le catalyseur acide (ou basique) est difficile à récupérer ; 

② La teneur en acides gras libres et en eau influence de manière significative la réaction catalytique acide (ou basique) ; 

③ Le processus est complexe, nécessitant un excès d'alcool, nécessitant un équipement de récupération d'alcool dans les processus ultérieurs et entraînant une consommation d'énergie élevée ; 

④ La couleur est foncée car les acides gras insaturés présents dans les graisses sont susceptibles de se détériorer à haute température ; 

⑤ Le produit d'estérification est difficile à récupérer, ce qui entraîne des coûts élevés ; et ⑥ Le processus de production implique l'évacuation de déchets liquides alcalins.

3. Estérification supercritique du méthanol sans catalyseur : Cette méthode produit du biodiesel grâce à un processus d'estérification du méthanol sans catalyseur à une température supercritique de 350 à 400 °C et une pression de 45 à 65 MPa. Bien que cette méthode simplifie la séparation des produits de la réaction de transestérification traditionnelle et résolve le long temps de réaction associé à l'estérification conventionnelle du méthanol sans catalyseur, elle est complexe, nécessite un équipement volumineux et entraîne des coûts de production élevés.

La présente invention vise à surmonter les inconvénients des procédés de production de biodiesel de l'art antérieur mentionnés ci-dessus, fournissant ainsi un procédé simple et peu coûteux pour produire du biodiesel par estérification du méthanol à l'aide d'ultrasons, qui élimine l'utilisation de catalyseurs et de solvants organiques et permet d'obtenir un taux de conversion de méthanol élevé. 

La présente invention concerne un procédé de production de biodiesel par estérification du méthanol à l'aide d'ultrasons. Le procédé utilise diverses graisses de déchets animaux, des huiles de cuisson usagées provenant de l'industrie de la restauration et des huiles de cuisson usagées comme matières premières. La cavitation ultrasonique, le chauffage et l'oscillation à haute fréquence accélèrent l'estérification du méthanol pour produire du biodiesel. Le procédé comprend les étapes suivantes :

1) Le méthanol et l'huile brute sont mélangés dans un rapport molaire de 20 à 50 : 1, et une réaction d'échange d'ester est effectuée à une température de 40 °C à 64 °C, une vitesse d'agitation de 1 500 à 2 000 tr/min, une puissance ultrasonique de 2 kW à 10 kW et une fréquence ultrasonique de 20 à 60 kHz pendant pas plus de 2 heures.

Les huiles brutes comprennent diverses graisses de déchets animaux, des huiles de cuisson usagées provenant de l'industrie de la restauration et des huiles de cuisson usagées.

2) La solution mélangée après la réaction est laissée au repos pendant au moins 8 heures, permettant à la solution mélangée de se séparer en couches et de séparer la glycérine dans la couche inférieure.

3) La couche supérieure de la solution mélangée est distillée entre 70 et 100°C jusqu'à ce que tout le méthanol soit récupéré. Le distillat restant est le biodiesel. Le procédé de production de biodiesel par estérification du méthanol à l'aide d'ultrasons, décrit ici, utilise les effets de cavitation, de chauffage et d'oscillation à haute fréquence des ultrasons pendant le processus de production de biodiesel. Les noyaux de gaz microscopiques (noyaux de cavitation) présents dans le mélange de méthanol et d’huile de base subissent un processus dynamique de vibration à haute fréquence, de croissance, d’effondrement et de fermeture sous l’influence du champ sonore ultrasonique. Lorsque les bulles de cavitation s’effondrent, elles génèrent une température et une pression élevées localisées dans l’espace extrêmement petit qui les entoure en très peu de temps. La température élevée augmente l'activité des réactifs, favorisant la formation de radicaux libres et l'apparition de réactions de craquage ; la haute pression génère des ondes de choc et des microjets, entraînant des collisions intenses entre molécules, accélérant ainsi la réaction chimique complète d'estérification du méthanol pour produire du biodiesel. 

Par rapport aux technologies existantes, les avantages du procédé proposé par la présente invention sont :

1) En ajustant l'intensité ultrasonore générée par l'oscillateur ultrasonique, l'activité des réactifs est augmentée, favorisant la formation de radicaux libres et l'apparition de réactions de craquage dans les réactifs. Cela crée également de fortes collisions entre les molécules réactives, accélérant l’estérification du méthanol et améliorant le taux de conversion du méthanol.

2) La présente invention peut utiliser diverses huiles usagées animales et végétales, des huiles de cuisson usagées provenant de l'industrie de la restauration et des huiles usagées telles que l'huile de gouttière comme matière première, ce qui permet d'obtenir un faible coût.

3) La présente invention n'utilise aucun catalyseur, évitant ainsi la pollution environnementale provoquée par la manipulation du catalyseur.

4) Cette méthode ne nécessite aucune modification ou ajustement de l'équipement de production de biodiesel existant, et ne nécessite pas d'équipement à haute température et haute pression pendant le processus de réaction, simplifiant ainsi le processus de production et réduisant les coûts de production.