Brevet FR2951194A1 — publié le 20110415

DISPOSITIF DE PRODUCTION D'UN BIODIESEL DOMAINE D'APPLICATION DE L'INVENTION La présente invention a trait au domaine de la fabrication d'un biodiesel à partir d'huiles ou de graisses animales et aux adaptations permettant de diminuer la surface et le coût d'une installation permettant de mettre en œuvre une telle fabrication. DESCRIPTION DE L'ART ANTÉRIEUR Il existe dans l'art antérieur et notamment dans le domaine public une pluralité de procédés et de dispositifs permettant de réaliser par transestérification la fabrication d'un biodiesel. La demanderesse a constaté que les installations existantes présentaient une pluralité d'inconvénients, et parmi ceux-ci . - elles sont conçues pour de très grandes quantités 20 de biodiesel ce qui requiert un dimensionnement, un coût et une durée d'utilisation adaptés, - elles ne regroupent pas l'ensemble des fonctionnalités du procédé mais se situent en aval d'une phase de préparation de la matière à traiter, phase 25 réalisée séparément ; ainsi, par exemple, des graisses animales ne peuvent pas être utilisées directement dans l'installation proprement dite, mais doivent faire l'objet d'un traitement en amont, - la composition du réactif et son dosage doivent 30 être adaptés à chaque application et dépendent des résultats de ce traitement , - la consommation d'énergie et l'encombrement pour la mise en œuvre du procédé subdivisé en plusieurs phases réalisées dans des installations différentes et séparées 35 ne sont pas négligeables, - etc... - 2 DESCRIPTION DE L'INVENTION Partant de cet état de fait et d'un cahier des charges préétabli, la demanderesse a mené des recherches visant à proposer une solution de fabrication de biodiesel plus adaptée à des petites quantités de graisses animales évitant les inconvénients de l'art antérieur en permettant notamment de rendre très compacte une telle installation. Ces recherches ont abouti à des dispositifs de transestérification permettant d'obvier aux inconvénients précités. Selon l'invention, le dispositif de transestérification de graisses animales de l'invention est du type de celui comprenant un bâti accueillant une pluralité de modules fonctionnels participant au procédé de transestérification remarquable en ce que le bâti accueille au moins un réacteur et un fondoir assurant par chauffage la fonte de la graisse animale qui, une fois fondue, fera l'objet de la réaction. Cette caractéristique est particulièrement originale en ce que la fonctionnalité de fonte de la graisse est classiquement réalisée dans un appareillage séparé du dispositif de transestérification. La réunion de ces modules fonctionnels permet d'obtenir une installation polyvalente et peu encombrante. Cette réunion est possible notamment du fait que l'objectif visé est de traiter de petites quantités de graisses et de produire de petites quantités de biodiesel. Ce choix a des conséquences sur l'ensemble des modules fonctionnels participant au procédé de transestérification comme cela apparaîtra ci-dessous. Une première conséquence concerne le temps de mise en œuvre. En effet, à partir de l'instant où seules de petites quantités sont traitées et où une production à grande échelle n'est pas envisagée, les choix technologiques diffèrent. Ainsi, le retour de matière non traitée ou le - 3 - recyclage peuvent être réalisés sans perte de productivité. De même, la mise sous pression n'est plus nécessaire. De plus, certains moyens de mise en mouvement peuvent être partagés et enfin la sécurité en est renforcée. Une des raisons pour lesquelles cette réunion n'est jusqu'ici pas mise en œuvre est que les grandes quantités envisagées dans les dispositifs et procédés de l'art antérieur sont susceptibles de produire une atmosphère explosive rendue dangereuse par la présence d'un fondoir qui assure une fonction de chauffage d'une matière combustible. Une autre conséquence concerne l'encombrement d'un tel dispositif qui est largement réduit en regard des installations existantes et qui peut donc être installé au plus prés de la zone de stockage ou de production de la matière à traiter. Cette proximité permet de contrôler totalement le type de matière à traiter en connaissant parfaitement ses caractéristiques physico-chimiques ce qui simplifie le procédé et le dispositif de transestérification. Selon une caractéristique particulièrement avantageuse, un bac de décantation est prévu pour traiter les graisserons non fondus issus du fondoir, le résultat 25 de la décantation étant ré-injecté dans le fondoir, ce qui permet de réaliser une fonte complète en réalisant plusieurs cycles et de disposer d'une quantité de graisse à filtrer très rapidement. En effet, en regard des quantités envisagées, l'opérateur peut allonger la durée de la fonte et de la décantation (en augmentant le nombre de cycles de décantation par exemple) afin d'exploiter un maximum de graisses sans contraintes de temps, une bonne fonte et/ou une bonne décantation permettant de garantir la qualité de la graisse fondue en sortie de ce module fonctionnel. Selon une autre caractéristique particulièrement 30 35 - 4 avantageuse, le filtre utilisé en sortie de fondoir assure une filtration par gravité ce qui évite l'utilisation d'une quelconque énergie pour cette base. Pour ce faire, ledit filtre est avantageusement disposé sous ladite sortie. Cette exploitation d'un filtre à gravité est permise du fait de la qualité de la matière filtrée et du fait que la durée de l'opération ne constitue pas un critère de conception. Selon une autre caractéristique particulièrement avantageuse, le réacteur comporte un évent et une soupape évitant toute mise en pression garantissant une réaction en toute sécurité. Dans un même souci de sécurité, l'alimentation en réactif (nécessaire à la réaction) est automatisée et rendue dépendante de la température du contenu du réacteur, ce dernier ne doit pas dépasser une certaine température pour qu'une électrovanne autorise l'entrée du réactif. Selon une autre caractéristique particulièrement avantageuse, le réacteur est équipé d'un dispositif de trop plein garantissant le dosage du volume contenu et permettant le retour du volume en trop vers le fondoir. L'utilisation d'une telle technique permet une gestion du volume au moindre coût. Ainsi, la proximité de l'installation de préparation, fonte, filtration, affinage de la graisse avec celle de réaction trouve toute son utilité en gérant directement l'éventuel excédent de matière à traiter. La garantie d'un volume constant de matière à traiter à l'intérieur du réacteur permet de pré-doser le réactif autorisant l'exploitation du dispositif par un simple opérateur et non un chimiste. Selon une autre caractéristique particulièrement avantageuse de l'invention, le mélange à l'intérieur du réacteur est réalisé par une mise en mouvement en circuit fermé, mise en mouvement réalisée par une pompe assurant également l'alimentation en graisse du réacteur. Selon une autre caractéristique particulièrement - 5 avantageuse, le dispositif est conçu pour proposer une configuration modulaire où au moins un deuxième réacteur est susceptible d'être intégré au bâti. Dans une configuration à deux réacteurs, une opération de pré- estérification dite acide peut être réalisée. Cette opération a pour objet de diminuer l'indice d'acide de la graisse (cas de graisse fortement dégradée) et permet l'estérification "proprement dite" (dite aussi estérification basique). Selon un autre mode de réalisation privilégiant la compacité, le dispositif comporte un seul réacteur commun aux deux étapes: Etape 1: Estérification acide + décantation. Aprés réaction, le surnageant (composé de résidus de méthanol + eau + acide) est alors éliminé par un dispositif de "trop plein". Etape 2: Dans le même réacteur, le méthoxyde est injecté pour la réaction d'estérification basique. Ainsi, du fait que seules de petites quantités sont visées, le dispositif de l'invention réunissant tout ou partie des caractéristiques ci-dessus décrites, est en comparaison des installations de l'art antérieur, compact, d'un faible coût et présente une pluralité d'autres avantages, comme par exemple : - le traitement sur place de la matière grasse à éliminer présente l'avantage technique de pouvoir disposer d'une matière à traiter peu altérée, non encore considérée comme un déchet et de connaître parfaitement ses caractéristiques, - les petites quantités envisagées évitent les situations susceptibles de créer une atmosphère explosive, - les petites quantités envisagées permettent une exploitation sur un cycle de durée plus longue autorisant un filtrage par gravité, - la maîtrise du volume et de la nature du contenu du réacteur permet notamment de prévoir des quantités pré- - 6 - dosées de réactif rendant l'utilisation du dispositif possible pour des opérateurs non spécialistes, - etc... Les concepts fondamentaux de l'invention venant d'être exposés ci-dessus dans leur forme la plus élémentaire, d'autres détails et caractéristiques ressortiront plus clairement à la lecture de la description qui suit et en regard des dessins annexés, donnant, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation d'un dispositif conforme à l'invention. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La figure 1 est un dessin schématique d'une vue de face d'un mode de réalisation d'un dispositif conforme à l'invention dont les parois ont été retirées pour une meilleure visibilité; La figure 2 est une vue de côté du dispositif de la figure 1; La figure 3 est une vue de dessus du dispositif de la figure 1; La figure 4 est un dessin schématique d'un autre mode de réalisation du dispositif conforme à l'invention. DESCRIPTION DES MODES DE RÉALISATION PRÉFÉRÉS Tel qu'illustré sur le dessin des figures 1 à 3, le dispositif référencé D dans son ensemble comprend un bâti 100 accueillant une pluralité de modules fonctionnels participant au procédé de transestérification à des fins de production d'un biodiesel sur la base de graisses animales. Le bâti 100 forme un volume sensiblement parallélépipèdique et comprend une plate forme 110 au-dessus de laquelle s'élève une structure de montants et de traverses permettant le support desdits modules fonctionnels ainsi que de parois de fermeture de volume, parois qui, venant se fixer aux montants et aux traverses pour former une enceinte autour du dispositif ont été retirées à des fins d'une meilleure visibilité de - 7 l'invention. Comme illustré, ce volume parallélépipèdique repose sur des moyens de roulement 111 qui, fixés sous la plate-forme, facilitent le déplacement du dispositif D. Conformément à l'invention, le bâti de ce dispositif de transestérification accueille un fondoir 200 pour la graisse animale à des fins de purification. Ce fondoir 200 comprend un bac de fonte 210 associé à des moyens de chauffe (non illustrés). Il est selon un mode de réalisation préféré, équipé d'une double paroi avec une huile caloportrice et un système de chauffe qui est électrique. Ce fondoir est également équipé en partie supérieure de moyens de malaxage 220 et d'une trémie d'alimentation 230. La partie inférieure est équipée d'une conduite d'évacuation 240 communiquant avec un module de traitement des graisserons 250 assurant la filtration des résidus non fondus afin de séparer par décantation les parties non susceptibles de fondre (qui seront jetées) et de ré- alimenter le fondoir avec la matière exploitable grâce à un bac de récupération 251 accessible depuis l'extérieur du parallélépipède de façon à récupérer ladite matière exploitable sans ouverture de l'enceinte. Ce cycle continu permet de ne pas prendre trop de temps lors de la première fonte de la graisse dans le fondoir sans perte de matériau exploitable puisque la graisse non fondue ou restée attachée à des parties non exploitables est susceptible de repasser dans le fondoir, une fois filtrée. De plus, il est possible d'imaginer qu'avant son passage dans le réacteur, la matière grasse passe plusieurs fois à travers le fondoir et à travers son module de traitement avant d'être injectée dans le réacteur. Afin de profiter de la graisse la plus affinée, la conduite de sortie 260 du fondoir se situe à mi-hauteur du bac de cuisson 210. Cette conduite de sortie 260 5 10 15 20 25 30 35 -8- communique avec un module de filtration 300 qui assure la filtration de la graisse avant son passage dans le réacteur 400. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, ce module de filtration assure la filtration sans pression et par gravité, évitant ainsi toute consommation d'énergie pour cette phase. Afin de bénéficier des effets de la gravité, ce filtre est disposé sous l'orifice de sortie de la graisse pratiqué dans le bac de fonte 210. De plus, ce filtre 300 est disposé de façon à être positionné en saillie du parallélépipède défini par le bâti de dispositif de sorte qu'une fois les parois installées, le filtre reste accessible hors de l'enceinte sans démontage des parois pour en faciliter la maintenance. Le passage de la graisse fondue du bac de cuisson 210 à travers le filtre 300 jusqu'au réacteur 400 est réalisé au moyen d'une pompe 500. Le réacteur 400 reçoit la graisse fondue filtrée ainsi que le réactif qui est transféré d'un réservoir 600. Le déplacement du réactif du réservoir à réactif 600 vers le réacteur 400 est commandé par une électrovanne du type de celle répondant aux normes d'atmosphères explosives ATEX. L'ouverture et la fermeture de cette électrovanne sont automatisées et sont rendues dépendantes de la température du contenu du réacteur 400 de sorte que le réactif ne puisse être transvasé si le contenu du réacteur dépasse une certaine température. En effet, bien que de bonnes conditions de réaction nécessite une montée de température, la pénétration de graisse fondue chaude dans le réacteur ainsi que la proximité du fondoir sont susceptibles de voir une température trop haute apparaître. Le réactif ne sera alors injecté qu'après une baisse de la température. Selon un mode de réalisation, la fonction de chauffe du réacteur est mise en œuvre par un moyen électrique. 10 15 20 25 30 35 - 9 - Selon un autre mode de réalisation particulièrement avantageux, cette fonction est mise en œuvre par un échangeur thermique permettant de récupérer les calories résiduelles du fondoir disposé à proximité du fait de la compacité du dispositif, avantage nouveau du à la présence originale du fondoir sur le même châssis que le réacteur. Selon un autre mode de réalisation, la fonction de chauffe du réacteur est mise en œuvre par la récupération des calories résiduelles d'un réseau de chaleur existant dans le site où est installé le dispositif. Ladite pompe 500 assure également, selon une caractéristique particulièrement avantageuse, le flux de liquide nécessaire au bon mélange recherché pour la réaction de transestérification. Bien entendu, le circuit d'alimentation en graisse fondue est alors fermé. L'utilisation d'une seule et même pompe 500 pour la fonction de transfert de la graisse fondue vers le réacteur et pour la circulation du mélange à l'intérieur du réacteur évite l'utilisation d'une pompe pour chaque fonction. Selon un mode de réalisation préféré, une lame hélicoïdale est avantageusement placée dans le flux de liquide dans le réseau de canalisations afin d'assurer une fonction de mixeur statique optimisant le mélange. Afin de permettre un dosage de la quantité de réactif à injecter, le volume de graisse injectée dans le réacteur est maintenu constant par l'exploitation d'un dispositif de "trop plein" (non illustré) garantissant le dosage du volume contenu et permettant le retour du volume en trop vers le fondoir 200 ou vers le bac de récupération 251. Ce moyen simple de contrôle de la quantité de graisse injectée permet de simplifier la gestion du fonctionnement du dispositif et de le rendre moins onéreux tout en garantissant une totale sécurité. De plus, toujours dans un souci de sécurité, le réservoir constituant le réacteur 400 est équipé d'une soupape et d'un évent y associé (non illustrés) afin - 10 - d'éviter toute mise en pression au-delà des conditions nécessaires à une bonne réaction. Selon un mode de réalisation préféré, la fonction de soupape est mise en oeuvre par un bouchon de grand diamètre en matière plastique emmanché dans un trou pratiqué en partie supérieure du réacteur, le bouchon ayant au centre un trou assurant le fonction d'évent. Une fois la réaction réalisée, le contenu du réacteur est décanté dans un réservoir de décantation 700. la séparation de la glycérine (d'avec le biodiesel brut) après décantation peut être réalisée au moyen d'une mesure de conductivité car la différence est importante entre les deux liquides. Cette mesure permet alors de piloter une vanne de dérivation. Ladite séparation peut être également réalisée par détection optique (la couleur des liquides étant différentes). Le liquide décanté est filtré dans un dernier filtre 800 utilisant selon un mode de réalisation préféré une technique de percolation du biodiesel dans un mélange de bois étuvé et de zéolithes. Différents moyens de filtration sont néanmoins envisageables seuls ou en combinaison (en cascade) selon la qualité souhaitée (destination/utilisation du biodiesel). Par mi ces moyens 25 - des sciures de bois étuvées (comme proposé plus haut), - des résines échangeuses d'ions, - des solides microporeux de type tamis moléculaires, - une filtration mécanique (maxi 1 micron) pouvant être 30 constitué par une céramique, - etc... Ainsi selon l'exemple décrit plus haut, ces moyens filtrants de purification sont des zéolithes (pouvant être hydrophobes) ou aluminosilicates cristallisés dont la 35 10 15 20 structure de la cellule unitaire consiste en un assemblage tétraédrique d'oxyde de silicium et d'aluminium. 510 - 11 - De plus la glycérine peut elle-même être purifiée par distillation des résidus alcool. Le mode de réalisation illustré par le dessin de la figure 4 propose une réaction en deux phases où la graisse subit avant l'estérification proprement dite une réaction de pré-estérification acide dans un réacteur auxiliaire 900 afin de rendre son indice d'acide optimal pour l'opération d'estérification. La présence de ce deuxième réacteur autorise une grande latitude quant à la graisse pouvant être traitée (jusqu'à plus de un pour cent d'acide gras libre). En outre, la présence d'un réservoir de réactif permet d'intégrer des réactifs différemment dosés adaptés à ladite variabilité de la graisse à traiter. On comprend que le dispositif qui vient d'être ci-dessus décrit et représenté, l'a été en vue d'une divulgation plutôt que d'une limitation. Bien entendu, divers aménagements, modifications et améliorations pourront être apportés aux exemples ci-dessus, sans pour autant sortir du cadre de l'invention. 10 15 20 25 30 35 REVENDICATIONS1. Dispositif (D) de transestérification de graisses animales du type de celui comprenant un bâti (100) accueillant une pluralité de modules fonctionnels participant au procédé de transestérification, CARACTÉRISÉ PAR LE FAIT QUE le bâti (100) accueille au moins un réacteur (400) et un fondoir (200) assurant par chauffage la fonte de la graisse animale qui, une fois fondue, fera l'objet de la réaction. 2. Dispositif (D) selon la revendication 1, CARACTÉRISÉ PAR LE FAIT QU'un bac de décantation (251) est prévu pour traiter les graisserons non fondus issus du fondoir, le résultat de la décantation étant ré-injecté dans le fondoir (200). 3. Dispositif (D) selon la revendication 1, CARACTÉRISÉ PAR LE FAIT QUE le filtre (300) utilisé en sortie de fondoir (200) assure une filtration par gravité. 4. Dispositif (D) selon la revendication 1, CARACTÉRISÉ PAR LE FAIT QUE le réacteur (400) comporte un évent et une soupape évitant toute mise en pression garantissant une réaction en toute sécurité. 5. Dispositif (D) selon la revendication 1, CARACTÉRISÉ PAR LE FAIT QUE l'alimentation en réactif est automatisée et rendue dépendante de la température du contenu du réacteur (400), ce dernier ne devant pas dépasser une certaine température pour qu'une électrovanne autorise l'entrée du réactif. 6. Dispositif (D) selon la revendication 1, CARACTÉRISÉ PAR LE FAIT QUE le réacteur (400) est équipé d'un dispositif de trop plein garantissant le dosage du volume contenu et permettant le retour du volume en trop vers le fondoir (200). 7. Dispositif (D) selon la revendication 1, CARACTÉRISÉ PAR LE FAIT QUE le mélange à l'intérieur du réacteur (400) est réalisé par une mise en mouvement en circuit fermé, mise en mouvement réalisée par une pompe- 13 - (500) assurant également l'alimentation en graisse fondue du réacteur (400). 8. Dispositif selon la revendication 1, CARACTÉRISÉ PAR LE FAIT QU'il comprend au moins un deuxième réacteur (900) où la graisse subit, avant l'estérification proprement dite, une réaction de pré-estérification acide afin de rendre son indice d'acide optimal pour l'opération d'estérification.10