Brevet FR2920100A3 — publié le 20090227

FR 2920100 A3 20090227 FR 0855678 A 20080822 MICROFILTRATION D'HUILE USAGEE SUR MEMBRANE VIBRANTE La présente invention concerne le recyclage d'huile usagée, en particulier d'huile lubrifiante usagée. Le procédé intègre une procédure de microfiltration sur membrane vibrante permettant d'éliminer les contaminants physiques. Les huiles sont utilisées à des fins de lubrification, hydrauliques, de transfert de chaleur, diélectriques ou autres, et sont contaminées à l'emploi par des impuretés physiques ou chimiques qui les rendent inadaptées au but pour lequel elles étaient initialement prévues. L'expression huile usagée signifie tout produit de ce type, semi-solide ou liquide, totalement ou partiellement constitué d'huile minérale ou d'huile synthétique. Les aspects économiques constituent un paramètre primordial dans l'adoption d'un procédé particulier de recyclage d'huile usagée, et les coûts de recyclage sont typiquement très sensibles à l'échelle de l'opération, aussi les rendements et les débits des procédés de retrait de contaminants sont-ils très importants. Il est également essentiel d'être capable de traiter efficacement tout un éventail d'huiles usagées, car la qualité d'une huile usagée peut sérieusement affecter les performances techniques des procédés de régénération, et leur capacité à générer des produits lubrifiants ou similaires d'une qualité suffisante. Qu'une huile usagée soit recyclée en vue d'une réutilisation par une restauration substantielle de ses propriétés initiales, ou pour générer un produit de qualité inférieure tel qu'un combustible, le retrait de ces contaminants peut être effectué par un certain nombre d'étapes. Les contaminants physiques tels que les cendres, les additifs, les particules métalliques, la poussière environnementale, etc., peuvent être retirés par des procédés de séparation mécanique tels que la sédimentation, la centrifugation et la filtration. Parallèlement aux avancées continuelles obtenues dans la structure et les matériaux des membranes filtrantes, des efforts considérables de développement ont été réalisés dans l'application de cette technologie au recyclage d'huile usagée.35 Un procédé de recyclage de la technique antérieure comprend un traitement par microfiltration visant à retirer la plupart des impuretés physiques de l'huile usagée en utilisant des membranes dont la taille de pores va de 0,01 pm à 1 m. Après une sédimentation initiale, l'huile usagée est chauffée entre 50 et 90 C, et passée à travers un système dynamique de filtration sur membrane dans lequel elle traverse une membrane poreuse. La membrane doit être nettoyée périodiquement pour conserver son efficacité de filtration, et ce nettoyage est typiquement réalisé par un lavage à contre-courant, c'est-à-dire en inversant le flux d'huile à travers la membrane, et en utilisant le liquide propre du côté du perméat pour déloger la couche de crasse formée sur la membrane pendant la filtration. Cependant, quand l'huile usagée devient plus concentrée, la couche distincte de crasse est moins bien définie et ne peut donc plus être facilement retirée. L'alternative consistant à retirer physiquement la membrane est coûteuse, et entraîne une perte substantielle de production. Pour résoudre ces inconvénients, on a découvert qu'il peut s'avérer avantageux de faire vibrer la membrane. Un chauffage de l'huile pour réduire sa viscosité, combinée à l'action dynamique de la membrane, permet d'obtenir un régime de flux turbulent qui génère des débits satisfaisants tout en rendant la membrane moins sensible à un encrassement par les contaminants. Quand l'huile usagée non filtrée devient plus concentrée en contaminants, on observe une réduction de débit, et bien qu'un flux satisfaisant à travers la membrane puisse être maintenu en augmentant la pression d'écoulement poussant l'huile à travers la membrane pour contrebalancer les restrictions provoquées par l'encrassement de la membrane, cette opération s'avère désavantageuse, car la membrane, fragile, peut être endommagée par l'application d'une pression excessive, et la qualité du perméat est réduite. Un but de l'invention est de proposer un procédé qui résout ou qui améliore sensiblement les inconvénients précités, ou plus généralement de proposer un procédé amélioré pour la régénération d'huile usagée. Un autre but de l'invention est de proposer un procédé amélioré pour la filtration d'huile usagée sur membrane vibrante, et un procédé de régénération d'huile usagée permettant par exemple d'utiliser celle-ci comme stock de base pour mélanger différents types de lubrifiants. Selon un aspect, la présente invention concerne un procédé de traitement d'une huile usagée contenant des contaminants pour recueillir une huile régénérée présentant une concentration inférieure de contaminants, le procédé comprenant les étapes suivantes : a) diriger un courant d'huile usagée sous une pression d'entraînement contre la surface externe d'une membrane de microfiltration poreuse ayant une taille de pores de 0,01 lm à 1 lm ; b) faire vibrer la membrane pour séparer le courant d'huile usagée en un rétentat sur le côté externe de la membrane et une huile régénérée sur le côté interne de la membrane ; c) centrifuger le rétentat pour séparer un composant riche en contaminants d'un concentré d'huile usagée ; d) diluer le concentré d'huile usagée avec un solvant pour obtenir une solution d'huile avec une viscosité équivalente de 50 à 90 cSt à 40 C ; e) diriger un courant de la solution d'huile sous pression contre la surface externe d'une membrane de microfiltration vibrante ayant une taille de pores de 0,01 lm à 1 lm et extraire une solution de perméat du côté interne de la membrane ; et f) évaporer le solvant de la solution de perméat pour produire une huile régénérée et une vapeur de solvant. Avant l'étape a), l'huile usagée est maintenue dans une cuve de sédimentation pour pouvoir séparer les débris et l'eau libre, de sorte que le courant d'huile usagée présente une teneur en eau libre inférieure à 5 % en volume. L'huile usagée provenant de la cuve de sédimentation est de préférence chauffée à une température comprise entre 60 C et 120 C avant l'étape a). L'huile usagée entre 60 C et 120 C est exposée à un vide pour évaporer 35 l'eau et les fractions volatiles et abaisser la teneur en eau libre de l'huile30 usagée à moins de 1 % en volume avant que l'huile usagée ne soit dirigée contre la membrane de microfiltration. Le procédé est de préférence employé dans un mode discontinu dans lequel les étapes b) et e) sont exécutées en utilisant la même membrane de microfiltration. Le procédé peut éventuellement être mis en oeuvre en mode continu en utilisant une seule membrane de microfiltration, ou dans un mode continu en cascade dans lequel les étapes b) et e) sont exécutées en utilisant des membranes de microfiltration distinctes. La pression d'entraînement est modulée durant l'étape b) en fonction d'une mesure de la vitesse d'extraction d'huile régénérée à l'étape b) et d'un profil d'extraction souhaité déterminé par une évaluation du degré de contamination de l'huile usagée, et lorsqu'une pression d'entraînement maximale a été atteinte et la vitesse d'extraction d'huile régénérée chute en dessous d'un minimum, le rétentat est alors centrifugé. La solution d'huile est de préférence exposée à un vide pour évaporer le solvant. De préférence, la vapeur d'huile est condensée et récupérée pour être réutilisée à l'étape d). De préférence, l'huile régénérée est en outre post-traitée par nettoyage à l'argile ou extraction par solvant pour en retirer la couleur ou l'odeur. Cette invention propose un procédé de microfiltration qui permet de produire économiquement une huile régénérée sensiblement exempte d'impuretés métalliques. Les variations des niveaux de contamination de l'huile usagée de départ ont moins d'impact sur le procédé, et la membrane est moins sensible à un encrassement irréversible. Des formes préférées de la présente invention vont maintenant être décrites à titre d'exemple par renvoi aux dessins annexés, dans lesquels : la figure 1 est une illustration schématique d'un système de régénération d'huile usagée selon le procédé de l'invention. Considérons la figure 1, où le procédé de la présente invention peut être mis en oeuvre en mode discontinu en utilisant le système illustré. L'huile usagée est initialement traitée dans la cuve de sédimentation 1 pour séparer l'eau libre et les débris. Elle est maintenue dans la cuve 1 entre 8 et 24 heures, jusqu'à ce que la teneur en eau libre soit inférieure à 5 % en volume. L'huile usagée provenant de la cuve de sédimentation 1 est ensuite transférée dans une cuve de stockage 2. Un courant d'huile usagée est acheminé par une pompe 3 à travers un réchauffeur 4, qui chauffe l'huile à une température d'alimentation comprise entre 60 et 120 C. Le courant d'huile usagée chauffée passe ensuite dans un évaporateur instantané 5, dans lequel un vide est créé pour abaisser la teneur en eau de l'huile usagée à un niveau inférieur à 1 % d'eau en volume. Le courant d'alimentation déshydraté est ensuite acheminé par la pompe 6 à travers un préfiltre 7 avec une taille de pores de 20 à 100 lm pour retirer les grosses particules et les débris avant de pénétrer dans le système de microfiltration sur membrane vibrante 8. Le système à membrane 8 peut comprendre une membrane microporeuse inorganique (par ex. céramique ou métallique) ou une membrane organique (par ex. une membrane polymère). La taille des pores de la membrane ne doit pas être inférieure à 0,01 pm pour assurer un débit satisfaisant à travers le système. La taille maximale des pores peut dépendre de la spécification de l'huile recyclée ; cependant, quand la taille de 95 % des particules rejetées doit être supérieure à 0,2 m, la taille nominale des pores de la membrane doit être inférieure à 0,2 m. La pression d'entraînement est contrôlée par la valve 9 côté rétentat du système de filtration sur membrane 8. Le perméat provenant du système de filtration sur membrane 8 est extrait vers une cuve de récupération 12. La pression d'entraînement à travers le système de filtration sur membrane 8 est modulée en fonction d'une mesure de la vitesse d'extraction d'huile régénérée vers la cuve 12 et d'un profil d'extraction souhaité déterminé par une évaluation du degré de contamination de l'huile usagée. La pression minimale de fonctionnement doit être supérieure à environ 2 bars pour garantir que la membrane ne sera pas déchirée par le cisaillement dû aux vibrations. Une fois que le système a atteint la pression de fonctionnement, le filtre doit vibrer pour résister à l'encrassement. Quand une pression d'entraînement maximale a été atteinte et la vitesse d'extraction d'huile régénérée chute en dessous d'un minimum, la viscosité du rétentat vaut à peu près le double de celle de la charge initiale. Ce rétentat est alors traité dans le décanteur centrifuge 10 à environ 1500-3500 g pour séparer un composant riche en cendres de viscosité élevée d'un concentré enrichi en huile, lequel est ensuite renvoyé dans la cuve de stockage 2. Le concentré est dilué avec un solvant léger introduit depuis la cuve de stockage 13 pour obtenir une solution d'huile avec une viscosité de 50-90 cSt à 40 C. Le solvant peut être organique ou inorganique, avec une bonne solubilité dans l'huile, une couleur claire de manière à ne pas obscurcir l'huile, et un point d'ébullition bas. Cette solution d'huile est ensuite introduite dans le système à membrane 8 pour la seconde passe , la solution de perméat en ressortant étant transférée dans l'évaporateur instantané 5 où la vapeur de solvant est extraite et traverse le condenseur 14 pour rejoindre la cuve de stockage 13. Une fois le solvant retiré, l'huile régénérée est dirigée vers la cuve 12. Un contrôleur 11 contrôle le fonctionnement du système de la manière décrite ci-dessus sur la base de signaux d'entrée provenant de capteurs de débit et de pression (non représentés). Le contrôleur 11 contrôle également la température du courant d'huile provenant du réchauffeur 4, température qui est initialement maintenue à la limite inférieure de la plage de température d'alimentation, et qui est augmentée lorsque le procédé avance. La viscosité de l'huile usagée augmente avec des niveaux croissants de contamination. Cette augmentation de température a donc tendance à maintenir la viscosité de l'huile usagée côté rétentat de la membrane microporeuse, ou au moins à réduire la diminution de viscosité qui se produirait lorsque l'huile usagée côté rétentat devient plus concentrée en contaminants. Similairement, la température est modifiée pour compenser les changements de viscosité en fonction du niveau de contamination variable de l'huile usagée introduite depuis la cuve 2. Le taux de récupération global obtenu par le procédé se situe entre 50 et 80 % en volume. Les exemples suivants sont fournis en tant qu'illustration supplémentaire non limitative de l'invention. Exemple 1 Dans le procédé discontinu, une huile moteur usagée sans eau libre ni débris a été chauffée à 85 C et transférée dans le système de filtration sur membrane vibrante qui contenait une membrane polymère poreuse avec une taille nominale de pores de 0,05 m. Le courant d'huile usagée a été dirigé pour s'écouler de façon tangentielle à la membrane que l'on faisait vibrer en continu en mode torsion à une amplitude de 0,06 radian ou 16 mm et à une fréquence de 50 Hz. Lors de la première passe, la pression d'entraînement a été initialement maintenue à 2,4 bars jusqu'à ce que le flux à travers la membrane chute à 250 litres/heure, moment auquel la pression a été progressivement augmentée jusqu'à un maximum de 5 bars pour maintenir le flux à travers la membrane. Quand la vitesse d'extraction d'huile régénérée a chuté en dessous de 100 litres/heure, le rétentat a été centrifugé. Le rétentat a été traité à 1500 g pendant 20 minutes, et un concentré qui représentait 90 % en poids du rétentat a été décanté. Le concentré a été dilué avec du kérosène jusqu'à une viscosité de 75 cSt à 40 C avant la seconde passe et la récupération du kérosène. Le tableau 1 compare les propriétés mesurées de l'huile usagée et de l'huile régénérée. Tableau 1 Contaminant Huile moteur Huile % usagée régénérée Changement Fe (ppm) 86 7 92 0/0 Cr (ppm) 2 0 100 % Ni (ppm) 0 0 0 5 Al (ppm) 8 0 100 % Pb (ppm) 12 10 17% Cu (ppm) 39 27 31 0/0 Sn (ppm) 0 0 0 Ag (ppm) 0,3 0,2 33 0/0 Ti (ppm) 0 0 0 Si (ppm) 15 7 53 % B (ppm) 29 2 93 % Na (ppm) 70 1 99 0/0 K (ppm) 98 0/0 Eau (%) 0,50 80 0/0 Indice d'acidité 1,29 0,22 83 0/0 Cendres (% en poids) 0,837 0,159 81 0/0 Viscosité à 40 C (cSt) 79,8 41,5 48 0/0 Viscosité à 100 C (cSt) 10,6 7,0 34 % Dans des modes de réalisation préférés du procédé de l'invention, l'huile régénérée est encore traitée par nettoyage à l'argile ou extraction par solvant pour en retirer la couleur ou l'odeur. Exemple 2 Dans un procédé expérimental, 500 ml de l'huile régénérée produite par le procédé de l'exemple 1 ont été post-traités par extraction par solvant. L'huile régénérée a été mélangée avec de la N-méthyl-2-pyrrolidone (NMP) dans un rapport de 1 : 3, et chauffée à 125 C pendant 30 minutes. Après mise en contact avec l'huile, une phase solvant se sépare du mélange, car le solvant NMP et l'huile sont de densités différentes et généralement immiscibles. Le mélange a été transféré dans une ampoule à décanter, et décanté pendant 12 heures. Après séparation, le raffinat a été analysé et comparé à l'huile régénérée de départ pour examiner les performances de retrait des contaminants. L'huile régénérée présentait une couleur 8.0 selon ASTM D1500, et après le procédé d'extraction par solvant, ce chiffre a été réduit à 1 o une couleur de 3.0. Le tableau 2 compare la concentration de contaminants dans l'huile 15 Tableau 2 Contaminant Huile réaénérée Après extraction % Retrait (Dom) par le solvant NMP (Dom) Fe (Fer) 10 2 80 % Cr (Chrome) 0 0 NA Ni (Nickel) 0 0 NA Al (Aluminium) 0 0 NA Pb (Plomb) 11 0 100 0/0 régénérée de départ et après l'extraction par solvant utilisant la NMP. 0/0 Cu (Cuivre) 25 0 100 0/0 Sn (Etain) 0 0 NA Aq (Argent) 0 0 NA Ti (Titane) 0 0 NA Si (Silicium) 8 7 13 % B (Bore) 2 0 100 % Na (Sodium) 0 0 NA K (Potassium) 88% Ba (Baryum) L'huile régénérée a été mélangée avec 12 % en poids d'absorbant à base d'argile, et chauffée à 100 C pendant 120 minutes. L'argile utilisée a été éliminée par filtration, et l'échantillon résultant d'huile régénérée limpide et de couleur vive a été analysé pour la teneur en métaux. 1 o Le tableau 3 compare la concentration de métaux dans l'huile régénérée de départ et après le nettoyage à l'argile. Tableau Métal Huile régénérée Après nettoyage à % Retrait (ppm) l'argile Virgin Purocel (léger) DY 2,5-3 (ppm) Fe 5 2 60 % Cr 0 0 0 Ni 0 0 0 Al 0 0 0 Pb 15 4 73% Cu 26 2 92 % Sn 0 0 0 Ag 0 0 0 Ti 0 0 0 Si 12 10 17 % B 3 0 100 % Na 0 0 0 K REVENDICATIONS 1. Procédé de traitement d'une huile usagée contenant des contaminants pour recueillir une huile régénérée présentant une concentration inférieure de contaminants, le procédé comprenant les étapes suivantes : a) diriger un courant d'huile usagée sous une pression d'entraînement contre la surface externe d'une membrane (8) de microfiltration poreuse ayant une taille de pores de 0,01 lm à 1 lm ; b) faire vibrer la membrane (8) pour séparer le courant d'huile usagée en un rétentat sur le côté externe de la membrane (8) et une huile régénérée sur le côté interne de la membrane (8) ; c) centrifuger le rétentat pour séparer un composant riche en contaminants d'un concentré d'huile usagée ; d) diluer le concentré d'huile usagée avec un solvant pour obtenir une solution d'huile avec une viscosité équivalente de 50 à 90 cSt à 40 C ; e) diriger un courant de la solution d'huile sous pression contre la surface externe d'une membrane (8) de microfiltration vibrante ayant une taille de pores de 0,01 lm à 1 lm et extraire une solution de perméat du côté interne de la membrane (8) ; et f) évaporer le solvant de la solution de perméat pour produire une huile régénérée et une vapeur de solvant. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel, avant l'étape a), l'huile usagée est maintenue dans une cuve de sédimentation (1) pour pouvoir séparer les débris et l'eau libre, de sorte que le courant d'huile usagée présente une teneur en eau libre inférieure à 5 % en volume. 3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2 dans lequel l'huile usagée provenant de la cuve de sédimentation (1) est chauffée à une température comprise entre 60 C et 120 C avant l'étape a). 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 dans lequel, avant l'étape a), l'huile usagée entre 60 C et 120 C est exposée à un videpour évaporer l'eau et les fractions volatiles et abaisser la teneur en eau libre de l'huile usagée à moins de 1 % en volume avant que l'huile usagée ne soit dirigée contre la membrane (8) de microfiltration. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 mis en oeuvre dans un mode discontinu dans lequel les étapes b) et e) sont exécutées en utilisant la même membrane (8) de microfiltration. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 dans lequel la solution d'huile est exposée à un vide pour évaporer le solvant. 7. Procédé selon la revendication 6 dans lequel la vapeur de solvant est condensée et récupérée pour être réutilisée à l'étape d). 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 dans lequel l'huile régénérée est en outre post-traitée par extraction par solvant pour en retirer la couleur ou l'odeur. 9. Procédé selon la revendication 8 comprenant les étapes suivantes : mélange de N-méthyl-2-pyrrolidone (NMP) avec l'huile régénérée dans un rapport compris entre un tiers et un cinquième de partie de NMP par partie d'huile régénérée en rapport volumique pour obtenir un mélange ; chauffage du mélange à une température comprise entre 100 C et 150 C pendant 30 minutes ; et récupération de l'huile régénérée. 10. Procédé selon la revendication 8 ou la revendication 9 dans lequel l'huile régénérée est en outre post-traitée par nettoyage à l'argile pour en retirer la couleur ou l'odeur. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 dans lequel l'huile régénérée est en outre post-traitée par nettoyage à l'argile pour en retirer la couleur ou l'odeur. 12. Procédé selon la revendication 10 ou la revendication 11 comprenant : le mélange de l'huile régénérée avec un absorbant à base d'argile dans unrapport compris entre 15 % et 20 % en poids d'argile ; la réaction de l'argile et de l'huile régénérée mélangées pendant 30 à 120 minutes ; et la récupération de l'huile régénérée par filtration pour éliminer l'argile.