Brevet FR2505358A3 — publié le 19821112

FR 2505358 A3 19821112 FR 8109098 A 19810507 La présente invention concerne un procédé à faible consommati,n d'énergie pour la production d'éthanol déshydraté notamment à partir de moûts fermentés de matières sucrées L'alcool, et en particulier lléthanol déshydraté, est de plus en plus utilisé comme carburant pour les moteurs à explosion soit en mélange avec de l'essence, soit sous forme d'un mélange ternaire avec de ltessence et du benzol. Certes, cette utilisation est connue depuis longtemps, mais abandonnée du fait du bas prix du pétrole.Du fait des conditions économiques actuelles, plusieurs pays d'Europe et dXAmérique latine notamment ont redécouvert cette utilisation de l'alcool déshydraté : celui-ci est présent en proportion de 5 à 20% dans les carburants L'emploi de l'alcool déshydraté comme carburant ou comme composant d'un mélange carburant présente un certain nombre d'avantages, outre celui de limiter la sortie de devises pour les pays non producteurs de pétrole 1) Du fait de sa propriété anti-détonnante, l'alcool déshydraté permet d'éliminer en grande quantité le plomb dans les super-carburants, d'où une moindre pollution atmosphérique en ce métal; 2) La production d'alcool peut constituer un exutoire temporaire à beaucoup de problèmes posés par des surplus agricoles. Des procédés pour produire de l'alcool déshydraté sont connus. Ils comportent tous, en général, une première phase de distillation conduisant à l'obtention d'un alcool haut en degré et semi-épuré, une deuxième phase de déshydratation azéotropique sous la pression atmosphérique en présence d'un entratneur et une troisième phase pour régénérer l'entraineur. L'entraîneur est généralement un hydrocarbure saturé, aromatique, naphténique ou un mélange de ces corps. De préférence on utilise du benzène. Ces procédés requièrent de l'énergie pour chauffer les colonnes dans lesquelles se déroulent ces différentes phases. Aussi afin d'économiser les sources nobles d'énergie telles que le pétrole, on utilise souvent comme combustible les parties cellulosiques de certains produits agricoles. Par exemple, lors de la production de lté- thanol déshydraté à partir de cannes à sucre, les bagasses, parties ligneuses des cannes à sucre, sont utilisées, comme source d'énergie. Mais actuellement comme on cherche à valoriser au mieux les différents constituants de la biomasse, on préfère utiliser ces bagasses comme matière première pour élaborer d'autres produits tels que des panneaux agglomérés, du furfural ou même de ltéthanol après hydrolyse de la cellulose, et non comme un simple combustible. Certes, il a déjà été proposé de tels procédés permettant d'économiser de l'énergie, par exemple dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique NO 4 217 178, en récupérant la chaleur '.ater.te des vapeurs alcooliques sortant en tête de la colonne de distillation pour chauffer la colonne de déshydratation et celle de régénération. Néanmoins, il reste nécessaire d'apporter une quantité non-négligeable d'énergie à la colonne de distillation. Aussi un des buts de la présente invention est-il de fournir un procédé qui permet d'augmenter la récupération d'énergie par rapport aux procédés actuels. Un autre but de l'invention est de fournir un procédé de ce type qui peut s'intégrer dans les procédés existants Un but supplémentaire de cette invention est de fournir un procédé qui est conduit à des températures et à des pressions pas trop élevées. Un objet de l'invention est un procédé qui fait appel à une technique utilisant le principe des multiples effets en parallèle lors de la distillation. Ces buts et cet objet, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints par le procédé selon la présente invention pour produire de l'éthanol déshydraté notamment à partir de mouts fermentés de matières sucrées, selon lequel on préchauffe ces monts, on les divise en autant de flux que de colonnes de distillation qui sont alimentées en parallèle, chacune d'elles fonctionnant à une pression différente des autres et l'ensemble desdites pressions formant une suite croissante depuis la colonne fonctionnant sous la pression la plus basse à celle fonctionnant sous la pression la plus élevée, et on récupère la chaleur latente des produits volatils issus en tête de chacune de ces colonnes de distillation pour chauffer la colonne fonctionnant à la pression immédiatement-inférieure, seule la colonne de distillation sous la pression la plus élevée étant chauffée par une source d'énergie extérieure. Avantageusement, on recycle vers chacune de ces colonnes les condensats obtenus lors de la récupération de la chaleur contenue dans les produits volatils ci-dessus. De préférence, on récupère la chaleur sensible des sous-produits aqueux issus de chaque colonne de distillation pour chauffer le flux de morts fermentés l'alimentant. Avantageusement, on recycle en tête de chacune des colonnes de distillation au moins une partie des condensats obtenus à partir des produits volatils. De préférence, ce procédé comporte également les étapes suivantes a) on récupère en outre de chacune des colonnes de distillation, de l'éthanol contenant de l'eau; b) on réalise une séparation azéotropique de cet éthanol dans une colonne de déshydratation en présence d'un entraîneur, colonne chauffée au moins partiellement par la chaleur latente des produits volatils issus en tête des colonnes de distillation; c) on récupère à l'issu de l'étape b), d'une part, de l'éthanol déshydraté, et, d'autre part, un mélange composé de l'entraîneur, d'éthanol et d'eau; d) on régénère cet entraîneur en introduisant celui receuilli a l'issue de l'étape c) dans une colonne de régénération. Avantageusement, à l'issue de l'étape d) on recueille des vapeurs en tête de la colonne de régénration dont on récupère la chaleur pour chauffer partiellement la colonne de déshydratation. La description qui va suivre et qui ne présente aucun caractère limitatif, doit être lue en regard de la figure annexée qui illustre schématiquement une installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Ainsi qu'on peut le voir sur cette figure, on introduit des moats fermentés 1 dans un chauffe-vin 2 où ils sont préchauffés. Les moûts fermentés peuvent provenir des sous-produits issus de la fabrication du sucre telles que les mélasses de sucrerie ou des moûts de betteraves et de cannes à sucre. Ces moûts peuvent également provenir de matières amylacées après saccharification comme les grains (maïs, riz, blé), la pomme de terre, le topinambour, le manioc ou la patate douce, ainsi que de matières cellulosiques hydrolysées. Tous ces moûts peuvent être utilisés pour la production d'éthanol déshydraté selon le procédé de la présente invention. A la sortie du chauffe-vin 2, les monts sont séparés en deux flux : le premier 3 et le second 4. Le premier flux 3 des morts préchauffés est introduit en tête du tronçon Sa d'une colonne de distillation sous vide 5, tandis que le second flux 4 est introduit en tête du tronçon 6a d'une colonne de distillation sous pression 6. Il y a lieu de noter dès maintenant que les colonnes de distillation 5 et 6 sont alimentées en parallèle et ont la même fonction de fractionnement. La colonne de distillation sous vide 5 fonctionne sous vide, c'est-à-dire sous une pression comprise entre 3.104 et 1.105 pascals et de préférence entre 4.104 et 7t5 . 10.4 pascals; par contre, la colonne de distillation sous pression 6 fonctionne sous une pression comprise entre 2.105 et 3.105 pascals et de préférence entre 2,3.105 et 2,7 10.5 pascals. Dans les tronçons Sa et 6a, les moûts sont épuisés en alcool et on recueille à la base de ces tronçons des sous-produits liquides ou vinasses 7 et 8 respectivement. Les vinasses 7 sont introduites dans un récupérateur de chaleur 9 dans lequel circule le premier flux 3 de moûts préchauffés et sont évacuées après avoir cédé une partie de leurs calories à ce flux. De même, les vinasses 8 sont introduites dans un récupérateur de chaleur 10, et sont évacuées après avoir cédé une partie de leurs calories au second flux 4. Dans les tronçons 5b et 6b, l'alcool est concentré jusqu'à titrer 96 8 en volume. Au sommet de la colonne de distillation sous pression 6 on récupère des vapeurs d'alcool 11 qui sont condensées, d'une part, dans un premier condenseur-bouilleur 12 situé auprès de la colonne de distillation sous vide 5 et, d'autre part, dans un second condenseur-bouilleur 13 situé auprès d'une colonne de déshydratation 14. Dans les premier et second échangeursbouilleurs 12 et 13, la chaleur latente des sous-produits volatils 11 est cédée aux produits liquides se trouvant dans la colonne soit de distillation sous vide 5 soit de déshydratation 14. Les échangeurs-bouilleurs 12 et 13 peuvent être indifféremment du type à thermo-siphon, à circulation forcée ou de tout autre type. Au sommet de la colonne de distillation sous vide 5, on récupère de même des vapeurs d'alcool 15 qui sont condensées dans un premier condenseur 16, gracie à une circulation d'eau 41. La chaleur récupérée dans le premier échangeur-bouilleur 12 assure le chauffage de la colonne de distillation sous vide 5, et celle récupérée dans le second échangeur-bouilleur 13 partiellement celui de la colonne de déshydratation 14. Bien évidemment, on peut utiliser plusieurs colonnes de distillation en parallèle, chacune fonctionnant à une pression différente des autres, l'ensemble de ces pressions constituant une suite croissante depuis la colonne fonctionnant sous-vide à celle fonctionnant à la pression la plus élevée. On récupère la chaleur sensible des produits volatils issus en tête de chacune des colonnes de distillation pour chauffer la colonne fonctionnant à la pression immédiatement inférieure, ainsi que partiellement la colonne de déshydratation. Selon le procédé de la présente invention, il est donc réalisé un "double effet parallèle" lorsque l'installation comporte deux colonnes de distillation, (ou un "multiple effet parallèle", s'il en comporte plusieurs), lors de la phase de distillation, lequel est combiné avec un "double effet en série" (ou un "multiple effet en série") entre l'une des colonnes de distillation, celle sous pression en l'occurence, et la colonne de déshydratation 14 ceci entraîne une économie d'énergie non négligeable en récupérant une grande partie de la chaleur latente des vapeurs d'alcool. Le condenseur 16 est relié de façon connue à une pompe à vide 42. Les condensats 17 des premier et second condenseurs-bouilleurs 12 et 13 sont recyclés vers la colonne de distillation sous pression 6 dans laquelle ils sont introduits à reflux c'est-à-dire en tête du tronçon 6b. De même, les condensats 18 issus du premier condenseur 16 sont recyclés vers la colonne de distillation sous vide 5 dans laquelle ils sont introduits à reflux c'est-à-dire en tête du tronçon 5b. Sur les trajets des condensats 17 et 18, on peut placer des dispositifs, non représentés sur la figure, qui permettent l'extraction d'impuretés 21 volatiles :ceci est schématisé par les trajets 19 et 20 consti tuants des purges sur les trajets des condensats 17 et 18 respectivement. Par ailleurs on peut prévoir des dispositifs également non représentés sur la figure, pour l'extraction d'alcools supérieurs. Des colonnes de distillation 5 et 6 on récupère un alcool 22 à 96 % en volume qui est introduit dans la colonne de déshydratation 14. La déshydratation est effectuée par distillation azéotropique, l'entraîneur 23 étant généralement du benzène. L'eau est entraînée sous forme d'un azéotrope ternaire 24 eau-alcool-benzène en tête de la colonne, tandis que l'alcool déshydraté 25 est récupéré au pied de celle-ci. Après refroidissement dans un second échangeur 26, l'alcool déshydraté est stocké. Quant à l'azéotrope ternaire 24, il est introduit dans un séparateur 27 où l'on obtient, d'une part une couche légère riche en benzène qui, éventuellement additionnée de benzène pur 23 au moyen du réservoir d'appoint 28, constitue le reflux 29 de la colonne de déshydratation 14, et, d'autre part, une couche lourde riche en alcool hydraté 30. Cette séparation est obtenue à chaud. Les vapeurs issues de la colonne de déshydratation 14 sont introduites avec l'azéotrope ternaire 24 dans le décanteur 27. Les vapeurs 31 issues du décanteur sont condensées dans le chauffe-vin 2 où les moûts fermentés 1 sont ainsi pré-chauffés, puis dans un second condenseur 32, grace à une circulation d'eau 43. Les condensats 44 obtenus dans le chauffevin 2 et le second condenseur 32 sont recyclés vers le décanteur 27. L'alcool hydraté 30 est introduit dans une colonne de régénération 33 qui opère sous une pression comprise entre 1,5.105 et 2.105 pascals. En tête de cette colonne, on recueille, sous forme d'un mélange azéotropique, un alcool 34 contenant tout le benzène contenu dans l'alcool hydraté 30 et à sa base de l'eau épuisée 35 en produits volatils qui est rejetée. Cet alcool 34 est recyclé après condensation dans un troisième condenseur-bouilleur 36, d'une part, selon un premier courant 37 vers la colonne de déshydratation 14, et, autre part, selon un second courant 38 vers la colonne de régénération 33 dans laquelle il est introduit à reflux. On réalise ainsi un autre double effet entre les colonnes de déshydratation 14 et de régénération 33 permettant une économie supplémentaire de chauffage. D'ailleurs, on note que selon le procédé de la présente invention, seule la colonne de distillation 6 sous pression doit être chauffée par un apport d'énergie 39 extérieur, et qu'un apport d'énergie 40 doit être prévu pour la colonne de régénération 33. Dans le cas où l'on travaille avec des débits importants, on utilise de préférence des colonnes équipées de plateaux à soupapes qui permettent à la fois de réduire les dimensions des appareils et d'améliorer les rendements sans augmenter les pressions opératoires, donc sans augmenter les températures de distillation. Ceci est important lorsque l'on utilise des matières organiques d'origine végétale. Selon le présent procédé, la température des produits mis en oeuvre ne dépasse, en aucun point, 1300C. L'exemple suivant de réalisation permet à l'homme du métier de mieux comprendre les avantages de la présente invention. EXEMPLE : Dans une installation de capacité nominale 4.500 hl/j telle que décrite précédemment et représentée schématiquement sur la figure 1, on traite des moûts fermentés de cannes à sucre ou de topinambour titrant 6,50 GL en alcool. On obtient ainsi de l'éthanol déshydraté titrant au moins 99,8 % en volume d'alcool et ayant une acidité infe- rieure à 3 g/hi d'alcool produit. Le rendement en éthanol absolu est supérieur à 97% de l'éthanol potentiel introduit Au cours de ce traitement, on a du apporter 200 kg de vapeur par hectolitre d'éthanol déshydraté produit par cette installation. On remarque qu'une telle installation permet donc d'économiser environ 180 kg de vapeur d'eau par hectolitre d'éthanol déshydraté produit, ce qui représente une économie d'au moins 47% par rapport aux procédés classiques et de l'ordre de 26% par rapport au procédé décrit dans la demande de brevet français publiée sous le N 2 346 450. Si le produit de départ est un mott à 8% en volume d'alcool il a été constaté que la consoQmatioh de vapeur n'est que de l70 kg Dar hectolitre d'alcool déshydraté produit. REVENDICATIONS 1.- Procédé pour la production d'éthanol déshydraté notamment à partir de moûts fermentés de matières sucrées selon lequel on préchauffe lesdits morts ' carac- térisé par le fait que lesdits mouts préchauffés sont divisés en autant de flux que de colonnes de distillation qui sont alimentées en parallèle, chacune d'elles fonctionnant sous une pression différente des autres et l'ensemble desdites pressions formant une suite croissante depuis la colonne fonctionnant sous vide à celle fonctionnant sous la pression la plus élevée, et par le fait que lton récupère la chaleur latente des produits volatils issus en tête de chacune desdites colonnes de distillation pour chauffer la colonne fonctionnant à la pression immédiatement inférieure, seule la colonne de distillation sous la pression la plus élevée étant chauffée par une source d'énergie extérieure. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on récupère la chaleur sensible des sous-produits aqueux issus desdites colonnes de distillation pour chauffer le flux de moats fermentés les alimentant. 3.- Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'il comprend les étapes suivantes a) on récupère de chacune desdites colonnes de distillation, de ltéthanol contenant de l'eau; b) on réalise une séparation azéotropique dudit éthanol dans une colonne de déshydratation en présence. d'un entraîneur, colonne qui est chauffée au moins partiellement par la chaleur latente des produits volatils issus en tête desdites colonnes de distillation; c) on récupère à l'issue de l'étape b) d'une part de l'éthanol déshydraté, et, d'autre part, ledit entraîneur chargé notamment en eau; d) on régénère ledit entraîneur en introduisant celui récupéré à l'issue de l'étape c) dans une colonne de régénération. 4.- Procédé selon 11 une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait qu'à l'issue de ladite étape d), on recueille des vapeurs en tête de ladite colonne de régénération dont on récupère la chaleur pour chauffer au moins partiellement ladite colonne de déshydratation. 5.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que lesdites colonnes de distillation sont au nombre de deux. 6.- Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'une des colonnes fonctionne sous une pression comprise entre 2.105 et 3.105 pascals, et l'autre sous une pression comprise entre 3.104 et 1.105 pascals. 7.- Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'une des colonnes fonctionne sous une pression comprise entre 2,3.lot et 2,7.105 pascals et L'autre sous une pression comprise entre 4.104 et 7,5.104 pascals.