Réalisation d’une unité de production de biocarburants à échelle industrielle.
Voici donc le flow-sheet de notre production de biodiesel à échelle industrielle.
Remarque : Il ne nous a pas été demandé d’effectuer un bilan sur les procédés de lavage et séchage. Cependant, il nous semble important d’indiquer leur emplacement dans le procédé industriel de fabrication de biocarburant car leur consommation en eau et énergie n’est pas négligeable loin de là.
Nous devons donc déterminer un maximum d’information concernant les éléments de cette production affin d’optimiser au mieux son bilan énergétique et la rendre la plus écologique possible .Les inconnues les plus importantes sont les volumes du réacteur (ainsi que la méthode de mélange choisies) et des décanteurs, cela est compréhensible ces deux éléments sont la clé d’une réaction réaliser avec succès et un biodiesel le + pur possible.
Le raisonnement général pour aboutir aux différentes inconnues est un raisonnement d’induction.
Il faut donc remonter les différentes étapes du procédé et compléter au fur et à mesure les inconnues présentes sachant qu’il nous a été demandé de modéliser une unité produisant 5 m³/h de biodiesel.
Nous utiliserons chaque fois nos données de laboratoires lors de calcul quantitatif.
Cette partie commencera par les bilans de matières suivies des bilans d’enthalpie et pour terminer les volumes des différents composants (réacteurs, décanteur, colonne, échangeur)
A) Bilans de matières
Nous commencerons par les bilans de matières des produits intervenant dans cette fabrication :
Il n’a pas de perte de biodiesel lors des lavages et lors des décantations donc la quantité de biodiesel à la sortie du réacteur doit être de 5m³/h (valeur imposée).
Sachant cela et utilisant les données de nos réactions effectuer en laboratoires, nous en déduisons qu’il nous faut 5*(volume de l’huile initiale/biodiesel produit)= 5*(750/650)=5.77 m³/h d’huile en entrée de production.
Après avoir chauffé l’huile à 55° grâce à un échangeur de chaleur l’huile rentre dans le réacteur. Pour calculer l’énergie nécessaire au chauffage de l’huile il faut passer par les bilans d’énergies développés dans la deuxième partie traitant des bilans d’enthalpies.
Ensuite pour déterminer le volume de méthanol (en m³) par h, il suffit de tenir compte de la stœchiométrie de la réaction.
Nous trouvons qu’il faut un rapport de 3 moles de méthanol pour 1 moles de triglycérides donc le volume de méthanol à introduire dans le réacteur après avoir chauffé préalablement l’huile à55° est de (5.77/3)=1.92 m³/h.
Notre réaction est maintenant terminer, nous reviendrons sur l’étape de décantation plus tard car elle ne modifie pas la quantité de matière sortant du réacteur. Néanmoins, elle sépare le glycérol obtenu qui sera traité différemment de l’huile.
Cela nous mène donc à l’étape de neutralisation par l’acide chloridrique. La quantité d’acide à injecter dans la solution obtenue est donnée par le nombre de moles nécessaire pour réagir avec toutes les molécules de NaOH. La quantité de NaOH étant de 2.4g pour 750ml d’huile (Nombre de moles (NaOH) =2.4/40=0.06).
Nous calculons donc qu’il nous faut (volume de méthanol entrant par heure/volume de méthanol par 1 réaction)*nombre de moles de NaOH=((1.92/0.00025)*0.06)=460.8 moles de HCl. Ce qui correspond à (nous utilisons de l’acide à 37% en masse.
Les dernières étapes d’évaporation et de décantation n’influencent pas les bilans de matières. Mais le volume d’eau nécessaire au lavage doit être de 5m³/h affin de maximiser la capacité des molécules d’eau à capter les molécules de savon, d’acide présentes. Les échanges entre les molécules d’eau et de biodiesel.
Voilà pour les bilans de matières, le choix de commencer par les bilans de matières est justifié en effet sans les débits des fluides, nous n’aurions pu déterminer les bilans d’enthalpies ainsi que les volumes des échangeurs, des réacteurs et des décanteurs.
B) Bilans d’enthalpies et calcul des débits.
Ce bilan commence par la mise en chauffe de l’huile : il faut rechercher la puissance nécessaire pour passer de l’huile de 20°C à 55°C (température de la réaction) sachant que le débit entrant est de 5.77m³/h.
Cette puissance est de la forme :
Q=F*Cp ∆T Cp (J/m³*K), F : débit d’huile
L’analyse dimensionnelle nous montre que cette équation n’est pas correcte.
Elle devient avec comme unités (Watt/s) :
Q’=F * Cp * ∆T *σ * 1/3600 σ : densité de l’huile (0.88)
Le facteur 1/3600 est la pour transformer les heures apparaissant dan le débit en minutes.
Q’=………………..W/s
La grande partie de cet apport énergie viendra de la récupération lors du refroidissement du biodiesel à la fin du procédé (voir B).
Il faut se rendre compte que cette puissance se transmet généralement à l’huile par l’intermédiaire d’une vapeur saturé en contact avec la paroi du récipient dans lequel l’huile se trouve qui en se condensant libère de l’énergie (l’évaporation étant endothermique sa réaction inverse (condensation) ne peut être qu’exothermique).
Nous pouvons donc trouver la quantité de vapeur saturé pour chauffer l’huile de sa température initiale à celle de son entrée dans le réacteur.
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L’étape suivante consiste à trouver le débit sortant de ce réacteur qui nous aidera à choisir le volume approprier du réacteur (voir C) et cela dans le but de nous assurer que nos réactifs sont restés suffisamment longtemps en présence pour avoir réagit.
Avant tout calcul, il faut savoir que le débit est univoquement par le temps de réaction c'est-à-dire le temps durant lequel un fluide se trouve dans un réacteur(ou un décanteur, on parle alors de temps de chute (voir C)).
Nos nombreuses réactions effectuées en laboratoires s’étant déroulés pendant 1h nous fixons donc ce temps à 1h.Les débits étant en m³/h il n’y pas de changements d’unités à faire.
Le débit de sortie est donc simplement la somme des débits des réactifs entrants et ceux-ci aurons réagit pendant 1h.
D’après nos données cela donne :
G=5.77m³/h+1.92m³/h=7.69m³/h
Ceci est donc le débit de produit qui sort du réacteur en 1h.
Celui-ci sera diminué lors de l’élimination du glycérol après décantation.
Grâce à ce débit nous pouvons choisir le volume approprié pour notre réacteur
Après la réaction une étape de décantation apparait pour séparer le biodiesel du glycérol (et éventuellement du savon…).
Il nous reste maintenant à étudier le dernier transfert de chaleur effectué grâce à un échangeur. Son but est d’amener le biodiesel à température ambiante.
L’énergie récupérée est réutilisé au début de procédé pour chauffer l’huile se préparant à entrer en réaction.
Cette énergie est donnée par
Q’=F * Cp * ∆T *σ * 1/3600 où Cp : capacité calorifique du biodiesel
F : débit du biodiesel (5m³/h)
∆T : différence de températures (=55°-15°=35°)
σ : densité du biodiesel (0.94)
Remarque : Il ne serait pas possible d’utiliser cette énergie récupérée pour chauffer notre biodiesel lors de son passage dans l’évaporateur car il nous faut chauffer le biodiesel jusqu’à 70°.
Une fois les 50° dépassé, le fluide de transport (vapeur saturée) utilisé aura tendance à recevoir cette énergie pour être en équilibre thermique avec le biodiesel.
C) Choix des différents volumes.
Nous savons maintenant quel débit rentre dans le décanteur par heure, cela nous permet de choisir le volume approprié à une bonne décantation.
Remarque : Lors de l’entrée de notre solution celle-ci peut perturber la décantation de notre liquide c’est pour quoi elle doit être introduit EN HAUT de notre « cuve ».
Le raisonnement est similaire à celui utilisé pour déterminer le débit sortant :
-Nous devons connaitre le temps de chute d’une particule de glycérol
-Connaissant le débit d’entrée et cette vitesse de chute une condition apparaitra sur les dimensions de notre cuve de décantation.
Généralement cette vitesse est donnée par la distance parcourue divisée par le temps mis pour effectuer ce déplacement :
La distance maximum parcourue est de … cm et correspond à la chute d’une particule se trouvant au sommet de la cuve jusqu'à la l’interface biocarburant/glycérol.
Le temps de décantation est fixé à 15minutes à mettre en secondes
Vc = (25*10-2)/15*60=2.78*10-4=0.3 mm/s
Généralement, les cuves utilisées sont des parallélépipédiques, il faut donc tenir compte de la vitesse horizontal dépendant du débit de fluide entrant en plus de notre première formule.
La vitesse de la particule à donc 2 composantes une vitesse de chute verticale Vc et une vitesse horizontale Vp.
Schéma MATLAB
Maintenant la vitesse est donnée par le débit sur la section traversée par ce débit :
Vp=débit/section=F/ (l*H) où H est la hauteur de la cuve
l la largeur de la cuve
CONDITION DE DECANTATION :
Une goutte en suspension (glycérol) est séparée du fluide (biodiesel) si elle touche le fond avant d’atteindre la face opposée à sa face d’entrée.
Dans le cas de notre cuve, cette condition est exprimée par :
L/Vp > H/Vc
C'est-à-dire que la longueur divisée vitesse horizontal doit être plus grande que (la hauteur de cuve divisée par la vitesse de chute).
Remplaçons la vitesse horizontale par son expression calculée ci-dessus :
L*l*H/F > H/Vc il vient l*L > F/Vc
Il y a donc une condition sur la surface au sol : pour qu’une particule décante il faut que la section de la cuve soit plus grande que son débit d’entrée sur sa vitesse de chute.
Nous remarquons que la hauteur n’influence pas la décantation ce qui peut paraitre troublant mais c’est normal. En effet si H est deux fois plus grand la vitesse de chute est elle aussi deux fois plus grande (elle y est proportionnelle) ce qui ne change donc pas la condition.
Généralement la hauteur et la largeur mesurent un mètre et on choisi la longueur pour que la condition soit vérifiée.
La récolte du glycérol à l’échelle industrielle pourrait se faire en plaçant un râteau en fond de cuve évacuant le glycérol du côté d’entrée de la solution pour éviter de perdre du glycérol dans le biodiesel suite à un effet tourbillonnant du biodiesel lors de sa sortie du décanteur. Fluide déborde et emporte dans son sillage du glycérol.
Le volume de notre cuve doit être de :
Vol1=F/Vc=7.69/(0.0003*3600)=7.2m³
Maintenant il nous reste à déterminer le volume de l’échangeur .Connaissant le temps de séjour qui est de plus ou moins 10 minutes nous déduisons par une règle de trois le volume de l’évaporateur.
En 1h, 5m³ passe par l’évaporateur donc pour 10 min le volume est de (5/6) m³
D) Type de matériel optimisant le rendement.
Il nous reste à choisir les différents d’éléments apparaissant dans ce procédé industriel car il en existe de plusieurs sortes.
Pour le réacteur chauffant deux choix s’offre à nous : un réacteur mélangeur ou un réacteur tubulaire.
Comparons leurs avantages et inconvénients affin de choisir celui qui nous fournira un rendement plus intéressant.
Le réacteur mélangeur est donc une cuve possédant un fluide entourant le réacteur affin de bien contrôler l’homogénéité de la solution de plus le mélange est bien appliqué.
Cependant des courts-circuits sont possibles : l’huile peut sortir du réacteur après un temps inférieur à 1h dans ce cas nous n’obtiendrons pas de biodiesel.
La solution serait de choisir un volume plus important et un temps de réaction plus important est préférable mais cela est couteux.
Le réacteur tubulaire, lui, est un tube méandreux dont la vitesse du fluide dépend de la section de ce tube.
Il permet une meilleure conversion de la réaction car les courts circuits ne sont pas possibles, il y a donc un très bon contrôle de la réaction.
Cependant l’effet de mélange est bien moins important que dans un réacteur mélangeur mais ce problème peut être réglé en diminuant la section de tel sorte que la vitesse soit importante et crée des tourbillons près des méandres du tube.
C’est pourquoi nous aurions choisis un réacteur chauffant tubulaire.
Pour les décanteurs :-Le premier est comme annoncer auparavant parallélépipédiques
-Le deuxième est n’est pas très important il peut être cylindrique ou coniques.
Pour terminer il reste à choisir le type d’échangeur, nous choisirons plutôt un échangeurs à tubes coaxiaux……
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Mer 27 Fév - 23:18
