Brevet FR3133195A1 — publié le 20230908

PROCEDE DE FABRICATION D’UN CARBUREACTEUR A PARTIR DE CHARGES D’ORIGINE RENOUVELABLE L’invention concerne un procédé de fabrication d’un carburéacteur comprenant au moins les étapes consistant à : a) fournir des esters méthyliques d’acides gras issus de la réaction de graisses animales et/ou d’huiles usagées de cuisson avec du méthanol dans un réacteur de transestérification, b) fournir des hydrocarbures d’origine fossile, c) préparer une charge hydrocarbonée contenant les hydrocarbures d’origine fossile fournis par l’étape b) et les esters méthyliques d’acides gras fournis par l’étape a) en une teneur d’au plus 5% vol par rapport à la charge hydrocarbonée, d) soumettre la charge hydrocarbonée préparée lors de l’étape c) à un hydrotraitement et obtenir une charge hydrocarbonée traitée, e) fractionner la charge hydrocarbonée traitée obtenue à l’étape d) et récupérer une fraction kérosène en tant que carburéacteur présentant un point d’ébullition final inférieur ou égal à 300°C. PROCEDE DE FABRICATION D’UN CARBUREACTEUR A PARTIR DE CHARGES D’ORIGINE RENOUVELABLE La présente invention concerne le domaine technique du raffinage de charges pétrolières d’origine fossile et de charges d’origine biologique, notamment pour la fabrication de carburéacteur. Plus particulièrement, l'invention concerne un procédé pour obtenir un carburéacteur présentant une composante d’origine biologique (ou renouvelable). Contexte de l'invention Les carburants conventionnels de type carburéacteur, également appelés «carburant jet », « jet fuel » ou « kérosène » sont produits à partir de pétrole brut et contiennent un mélange complexe d'hydrocarbures qui ont typiquement 6 à 18 atomes de carbone. Ces hydrocarbures comprennent des alcanes linéaires et ramifiés, des cycloalcanes et des hydrocarbures aromatiques. Les points de coupe de la fraction jet-fuel varient typiquement entre 140°C et 240°C. Un carburéacteur commercial est typiquement obtenu par mélange de différentes bases carburant. Ces bases carburant peuvent être des coupes de distillation de pétroles bruts, éventuellement hydrotraitées ou parfois soumises à un traitement d’adoucissement (procédé MEROX par exemple). Ces bases peuvent également être des coupes d’un effluent d’hydrocraqueur ou d’un effluent d’un craqueur catalytique (souvent après hydrotraitement). D’autres bases carburant peuvent être préparées par d'autres voies comme la synthèse de Fischer Tropsch suivie d'une étape de craquage. Le choix des bases carburant ainsi que leurs proportions relatives sont effectués pour que les propriétés finales du mélange répondent aux spécifications recherchées. Du fait de la raréfaction des ressources fossiles et de préoccupations environnementales de plus en plus importantes, l'utilisation de molécules issues de la biomasse est de plus en plus recherchée pour remplacer les molécules d'origine fossile. Toutefois, la préparation de jet fuel à partir de molécules issues de la biomasse directement utilisables dans la formulation de jet fuel constitue un véritable enjeu économique et environnemental. En particulier, certains pays comme la France mettent en place de taxes incitatives relatives à l’incorporation d’énergie renouvelable dans les transports et en particulier pour le secteur de l’aviation. Art antérieur Une solution pour obtenir un carburéacteur présentant une composante d’origine biologique consiste à mélanger un jet conventionnel à une base paraffinique issue de charges renouvelables telles que prévues par la norme D7566-21 permettant ainsi la production de carburants d’aviation alternatifs. Les bases pour carburant d’aviation issues de charges renouvelables pouvant être incorporées à du jet fossile sont Les kérosènes paraffiniques synthétiques [SPK], issus de procédés tels que le procédé Fischer-Tropsch, l’hydrotraitement d’esters et d’acides gras [HEFA-SPK] ou produit par la voie Alcohol-to-jet (transformation d’alcool en kérosène) [ATJ-SPK], Les isoparaffines synthétiques produites par hydrotraitement à partir de sucres fermentés [SIP-HFS], Les kérosènes aromatiques synthétiques obtenus par alkylation d’aromatiques légers de source non-pétrolière [SPK/A], Les kérosènes de synthèse obtenus à partir de la conversion hydrothermique d’esters d’acide gras et d’acide gras, Les kérosènes paraffiniques synthétiques [SPK] obtenus à partir d’hydrocarbures, d’esters et d’acides gras hydrotraités. Cette solution nécessite cependant des installations de traitement spécifiques pour produire les bases paraffiniques qui seront mélangées au jet conventionnel. Une autre solution consiste à co-traiter un hydrocarbure d’origine fossile avec une charge d’origine renouvelable, tel que prévu notamment dans la norme ASTM D1655-21c. Ainsi, le document EP2346962 décrit un procédé permettant d’obtenir une coupe kérosène dont une partie est d’origine biologique. A cet effet, une charge d’origine pétrolière mélangée à une charge d’origine biologique est soumise à une étape d’hydrotraitement, puis fractionnée afin de récupérer une coupe kérosène. La charge d’origine biologique utilisée est une huile et/ou une graisse animale, ou un mélange de ces huiles/graisses. Les huiles et/ou graisses utilisées ne sont pas trans-estérifiées. Le document EP2533895 décrit un catalyseur spécifique permettant de produire un biodiesel. Il décrit notamment l’utilisation de ce catalyseur pour traiter une charge qui est un mélange d’un hydrocarbure d’origine fossile (kérosène, diésel, …) et d’une biomasse choisie parmi les huiles et graisses végétales ou animales. Les huiles et/ou graisses utilisées ne sont pas trans-estérifiées. La production de jet n’est pas mentionnée. Par ailleurs, le document EP3813539 décrit un procédé de production d’un biodiesel purifié à partir de matières premières renouvelables (telles que des graisses et des huiles) contenant des matières insaponifiables. Le procédé comprend l’estérification d’huiles ou graisses végétales pour obtenir un biodiesel brut qui est ensuite soumis à une distillation afin de produire un biodiésel purifié et un fond de distillation. Ce dernier contient plus de 2% en masse d’insaponifiables ainsi que des savons, phospholipides, protéines, composés colorés, composés sulfurés, des composés à haut point d’ébullition contenant des groupes acides ou basiques, et des mono-, di- et triglycérides. Ce fond de distillation est ensuite dilué avec une charge d’origine fossile de type distillat moyen, avant d’être soumis à une étape d’hydrodéoxygénation afin de produire des hydrocarbures de type gazole. La production de jet n’est pas mentionnée. Parmi les charges d’origine renouvelables disponibles aujourd’hui, les charges ayant le statut de sous produits animaux au sens du règlement européen 1069/2009 et de ses actes d’exécution (EU) 142/2011, telles que les graisses animales ou les huiles usagées de cuisson (aussi désignées par l’acronyme UCO pour « Used Cooking Oil » en anglais), sont intéressantes afin de limiter l’impact environnemental du carburant produit. Ces charges sont toutefois soumises à des réglementations sanitaires contraignantes. L’utilisation de ces charges entraine des contraintes de traçabilité et des contrôles sanitaires associés notamment à la gestion des effluents aqueux. Plus encore, l’utilisation de ces charges ayant le statut de sous produits animaux nécessite de respecter les conditions de temps/températures et de pression telles que préconisées dans le règlement européen 1069/2009, ces conditions n’étant pas remplies par une étape d’hydrotraitement seule. Il existe donc un besoin pour un procédé de fabrication d’un carburéacteur par co-traitement en unité d’hydrotraitement, en particulier à partir de charges d’origine renouvelable ayant le statut de sous produits animaux, qui permette de s’affranchir des problèmes susmentionnés. Description de l’invention L’invention propose un procédé de de fabrication d’un carburéacteur comprenant au moins les étapes consistant à : a) fournir des esters méthyliques d’acides gras issus de la réaction de graisses animales et/ou d’huiles usagées de cuisson avec du méthanol dans un réacteur de transestérification, b) fournir des hydrocarbures d’origine fossile, c) préparer une charge hydrocarbonée contenant les hydrocarbures d’origine fossile fournis par l’étape b) et les esters méthyliques d’acide gras fournis par l’étape a) en une teneur d’au plus 5%vol par rapport à la charge hydrocarbonée, d) soumettre la charge hydrocarbonée préparée lors de l’étape c) à un hydrotraitement et obtenir une charge hydrocarbonée traitée, e) fractionner la charge hydrocarbonée traitée obtenue à l’étape d) et récupérer une fraction kérosène en tant que carburéacteur, ladite fraction kérosène présentant un point d’ébullition final inférieur à 300°C, mesuré notamment selon la norme ASTM D86-12. Le procédé selon l’invention permet ainsi d'obtenir un carburant d’aviation dont une partie est d’origine renouvelable, étant aussi appelée SAF pour « Sustainable Aviation Fuel » en anglais. En particulier, le procédé selon l’invention peut être mis en œuvre dans les unités d’hydrotraitement existantes. Description des figures : schéma simplifié d'une unité d'hydrotraitement permettant de mettre en œuvre le procédé selon un mode de réalisation l’invention. La représente un schéma simplifié d'une unité 1 d'hydrotraitement permettant de mettre en œuvre le procédé selon l’invention. Cette unité 1 comprend un réacteur 2 dans lequel est introduite la charge à traiter au moyen d'une ligne 3. Ce réacteur contient un ou plusieurs lits de catalyseurs d'hydrotraitement. La charge (C), dans la présente invention, est un mélange d’une charge kérosène d’origine fossile et d’esters méthyliques d’acides gras d’origine renouvelable. Une ligne 4 récupère l'effluent en sortie du réacteur 2 et le conduit à une section de séparation 5. Un échangeur de chaleur 6 est placé en aval du réacteur sur la ligne 4 afin de chauffer la charge circulant dans la ligne 3, en amont du réacteur. En amont de cet échangeur de chaleur 6, une ligne 7, raccordée sur la ligne 3, apporte à la charge à traiter un gaz riche en H 2 . En aval de l'échangeur de chaleur 6, et en amont du réacteur 2, la charge mélangée au gaz riche en H 2 circulant dans la ligne 3 est chauffée par un four 8. Ainsi, la charge est mélangée au gaz riche en hydrogène, puis portée à la température de réaction par l'échangeur de chaleur 6 et le four 8 avant son entrée dans le réacteur 2. Elle passe ensuite dans le réacteur 2. A la sortie du réacteur, le mélange obtenu est refroidi, puis séparé dans la section de séparation 5, par exemple par stripping, ce qui permet d'obtenir : - une fraction gazeuse (G), contenant notamment de l’eau provenant du stripping, des hydrocarbures gazeux, un gaz acide riche en H 2 S, dont une partie est réinjectée dans le gaz riche en H 2 mélangé à la charge, au moyen d'une ligne 9, - une coupe kérosène (K). L’exemple ci-dessous illustre l’invention sans pour autant en limiter la portée. Exemple Une coupe kérosène prélevée en sortie d’une unité de distillation atmosphérique de brut a été mélangée à différentes charges d’origine renouvelable. Les caractéristiques de la coupe kérosène d’origine fossile utilisée, notée « Kero » sont présentées dans le tableau 1 ci-dessous. Caractéristiques Unité Méthode Densité à 15°C kg/m 3 ASTM D4052-18 0,798 Point de congélation °C ASTM D2386-19 / D7153-15e1 / D5972-16 /IP435 (2016) -52,6 Soufre ppm Selon niveau (ASTM D2622-21 ou ASTM D5453-19a) 126 Azote ppm ASTM D4629-17 0 TBP ASTM D2887-19 ASTM D86-12 Point initial °C 98,2 10 % distillé °C 155 20 % distillé °C 167,6 30 % distillé °C 176,8 40 % distillé °C 187,6 50 % distillé °C 197 60 % distillé °C 208,6 70 % distillé °C 219,2 80 % distillé °C 234 90 % distillé °C 251,8 Point final °C 302,8 Les différentes charges d’origine renouvelable utilisées sont les suivantes : Huile de colza, notée « Colza », Graisse animale prétraitée, notée « GA », Ester méthylique de graisse animale, notée « EMAG GA », Ester méthylique d’UCO, notée « EMAG UCO ». Les principales caractéristiques de ces charges sont présentées dans le tableau 2. Analyse Unité Méthode colza GA EMAG GA EMAG UCO Viscosité à 70°C mm²/s NF EN ISO 3104-Aout 1996 15,14 14,91 2,631 2,595 Viscosité à 40°C mm²/s NF EN ISO 3104-Aout 1996 35,88 36,89 4,61 4,422 azote total ppm m ASTM D4629-17 0,59 33,6 93 0,83 Point éclair Abel °C IP170-21 >75 >75 >75 >75 Point d'écoulement °C ISO 3016:2019 -24 18 15 -12 EMAG - ester %m NF14103-20 96,1 98,2 EMAG - ester saturés %m NF14103-20 43,7 6,9 Teneur en soufre mg/kg EN ISO 20846:2019 5,7 11,1 14,7 Acide oléique FFA %m ISO 660:2020 0,03 11,33 0,2 0,11 Impuretés insolubles %m ISO 663:2017 0,01 Matières insaponifiables %m ISO 3596:2000 1,08 0,89 0,35 0,95 Savons mg/kg AOCS 17-95:2017 75 Polymère de type PE mg/kg Polymère de type PE eau %m ISO 8534:2017 0,6 0,5 0,6 1 chlore total mg/kg ASTM D7536-20 1 10 1 1 As mg/kg ASTM D5185-09 P mg/kg ASTM D5185-09 0,1 1,2 Ni mg/kg ASTM D5185-09 0,2 0,2 0,3 0,1 V mg/kg ASTM D5185-09 Cu mg/kg ASTM D5185-09 0,1 Fe mg/kg ASTM D5185-09 1,6 1,5 1,3 1,3 Mg mg/kg ASTM D5185-09 0,1 Na mg/kg ASTM D5185-09 0,4 0,8 0,3 0,7 Pb mg/kg ASTM D5185-09 somme métaux ASTM D5185-09 2,3 3,8 2 2,1 longueurs de chaines ISO 5508:1990 C14 %m 0 1 2,5 0,2 C16 %m 5,5 33,8 29 4,8 C18 %m 90,6 62,9 63,9 91,7 C20 %m 2 1 1 2 C22 %m 1 0 0 0,8 Le catalyseur utilisé est un catalyseur du type CoMo. Les conditions opératoires sont présentées dans le tableau 3. Pression totale en entrée de réacteur (barg) 30 Pression Partielle H2 en sortie de réacteur (bara) 23 H2/HC (NL/L) 150 VVH (h -1 ) 2 Température en entrée de réacteur (°C) 290 Chaque charge d’origine renouvelable est testée à deux taux d’incorporation : 0,5%m et 0,3%m dans le kérosène. Le point de congélation (noté FP) a été déterminé pour les effluents obtenus pour chaque charge, les résultats sont présentés dans le tableau 4 ci-dessous. Chacun de ces effluents correspond à la fraction liquide sortant du réacteur, après séparation des gaz. Dans ce tableau 4, ΔFP correspond à la différence (notée) entre le point de congélation du kérosène hydrotraité seul et en mélange avec une charge avec la charge d’origine renouvelable considérée. ΔFP représente ainsi la dégradation du point de congélation de l’effluent produit pour les différentes charges d’origine renouvelable. [Table 4] Mesures de point de congélation (Méthode ASTM D7153-15) Taux d’incorporation de la charge d’origine renouvelable (%m) FP (°C) ΔFP Kero - -51,8 0 Kero + Colza 0,5 -43,4 8,4 0,3 -46,2 5,6 Kero + EMAG GA 0,5 -45,6 6,2 0,3 -50,1 1,7 Kero + GA 0,5 -45,1 6,7 0,3 -49,3 2,5 Kero +EMAG UCO 0,5 -43,3 8,5 0,3 -47,4 4,4 Les différentes charges d’origine renouvelables n’ont pas toutes le même impact sur le point de congélation : plus la charge contient de longues chaines carbonées et plus elle dégrade les propriétés à froid du produit. L’EMAG de GA, qui contient 29% de C16, est la charge la plus favorable puisqu’elle ne dégrade le point de congélation que de 1,7°C à 0,3%m d’incorporation et de 6,2°C à 0,5%m. On constate que les propriétés à froid du produit sont très vite dégradées lorsque l’on incorpore des charges d’origine renouvelable. On obtient cependant un jet conforme en incorporant 0,3%m de GA, d’EMAG de GA et d’EMAG d’UCO. En revanche, le colza qui a des chaines carbonées plus longues ne permet pas d’obtenir un jet conforme même à 0,3%m d’incorporation. Le tableau 5 rassemble les autres propriétés des effluents obtenus lors du coprocessing avec des EMAG, plus précisément de la fraction 140°C+ de l’effluent sortant du réacteur d’hydrotraitement. On constate que les fractions 140°C+ des effluents obtenus respectent la plupart des spécifications d’un jet A1. Unité Méthode Spec. Jet A1 ASTM D1655-21 Charge Kero Kero +0,3% EMAG GA Kero +0,3% EMAG UCO FP °C ASTM D5972-16 -52,2 -48,7 -46,7 -47max Bocle mm ASTM D5001-10 0,68 0,67 0,61 0,85 max Point éclair Abel °C IP170-21 51 51,5 52,5 38 min Teneur en Soufre mg/kg NF EN ISO 20846- octobre 2019 4,9 3,1 3000 max Corrosion Cuivre 2heures à 100°C ASTM D130-19 1a 1a 1a 1 Point de fumée mm ASTM D1322-19 24,6 24,7 24,7 18 min Viscosité à -20°C mm 2 /s NF EN ISO 3104-Août 1996 4,157 4,289 4,293 8 max Viscosité à -40°C mm 2 /s NF EN ISO 3104-Août 1996 8,815 8,31 8,773 12 max Pouvoir calorifique PCI MJ/kg ASTM D3338-20 43,328 43,338 43,325 42,8 min Masse volumique à 15°C kg/m 3 ASTM D4052-18 798,6 798,6 789,4 775-840 Point initial °C ASTM D2887-19 162,1 162,5 167,7 10% récupéré à 176,8 178,6 179,2 50% récupéré à 197 198,8 197,9 90% récupéré à 236,8 238,5 238,4 Point final 262,8 265 266,7 300 max Teneur en aromatiques par HPLC %vol ASTM D 6379-21 16,7 16,5 17,6 25 max Teneur EMAG mg/kg IP585/10 (2015) mg/kg IP583/10 (2015) Procédé de fabrication d’un carburéacteur comprenant au moins les étapes consistant à : a) fournir des esters méthyliques d’acides gras issus de la réaction de graisses animales et/ou d’huiles usagées de cuisson avec du méthanol dans un réacteur de transestérification, b) fournir des hydrocarbures d’origine fossile, c) préparer une charge hydrocarbonée contenant les hydrocarbures d’origine fossile fournis par l’étape b) et les esters méthyliques d’acides gras fournis par l’étape a) en une teneur d’au plus 5% vol par rapport à la charge hydrocarbonée, d) soumettre la charge hydrocarbonée préparée lors de l’étape c) à un hydrotraitement et obtenir une charge hydrocarbonée traitée, e) fractionner la charge hydrocarbonée traitée obtenue à l’étape d) et récupérer une fraction kérosène en tant que carburéacteur, ladite fraction kérosène présentant un point d’ébullition final inférieur ou égal à 300°C. Procédé de fabrication selon la revendication 1, dans lequel les graisses animales et/ou huiles usagées de cuisson utilisées à l’étape a) sont des sous-produits animaux. Procédé de fabrication selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les esters méthyliques d’acides gras fournis à l’étape a) comprennent au moins 9%m ou au moins 20%m d’esters méthyliques d’acides gras dont la chaîne carbonée contient de 12 à 16 atomes de carbone. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les hydrocarbures d’origine fossile fournis à l’étape b) sont choisis parmi des coupes kérosènes. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel l’étape a) comprend : (i) l’obtention de méthanol d’origine renouvelable, (ii) suivie de la réaction de graisses animales et/ou d’huiles usagées de cuisson avec le méthanol obtenu à l’étape (i) dans un réacteur de transestérification. Procédé de fabrication selon la revendication 5, dans lequel, au cours de l’étape (i), on réalise une étape de conversion d’un gaz de synthèse comprenant du CO/H 2 en méthanol d’origine renouvelable, ce gaz de synthèse étant issu de la biomasse. Procédé de fabrication selon la revendication 6, dans lequel l’étape de conversion est précédée de l’une des étapes suivantes : - une étape de gazéification de biomasse, - une étape de pyrolyse de biomasse, - une étape de de production de biogaz contenant du méthane et du CO 2 , optionnellement par digestion anaérobie de biomasse en présence d’un ou plusieurs microorganismes, suivie d’une oxydation partielle du biogaz en présence de dioxygène. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel l’étape d) est mise en œuvre sous une pression de 15 à 130 bars et à une température de 250 et 380°C, en présence d’un catalyseur d’hydrotraitement et de dihydrogène. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le catalyseur d’hydrotraitement comprend au moins un métal des groupes 6, 9, 10, 11 du tableau périodique des éléments, optionnellement sur un support choisi parmi l’alumine, la silice alumine, l’alumine phosphatée, l’alumine borée, la silice alumine phosphatée, seules ou en mélange.