Vue d'ensemble
Lorsque la réaction de transestérification approche de son terme, le mélange réactionnel contient des esters méthyliques d'acides gras (EMAG), du glycérol brut, de l'alcool résiduel, du catalyseur, des savons ainsi que des mono-, di- et triglycérides incomplètement convertis. La finition regroupe des opérations post-réactionnelles liées entre elles. Dans un procédé de lavage à l'eau, celles-ci comprennent la séparation du glycérol, le lavage destiné à réduire les contaminants résiduels, puis le séchage, d'autres configurations de finition sont également possibles. Chaque étape conditionne la capacité du B100 fini à satisfaire aux limites de propriétés définies dans l'ASTM D6751, la spécification américaine résumée dans les tableaux publics de l'AFDC.
Séparation du glycérol
La séparation ester–glycérol exploite la différence de densité entre les phases. Leurs densités réelles dépendent de la composition et de la température, y compris du méthanol, de l'eau et du catalyseur présents dans le glycérol brut. Cet écart est suffisant pour permettre une séparation par gravité, bien que la vitesse à laquelle les deux phases se dissocient dépende de plusieurs facteurs. Une agitation intense durant la réaction peut disperser le glycérol sous forme de fines gouttelettes au sein de la phase ester, prolongeant considérablement le temps de coalescence. L'agitation, les résidus de catalyseur et le taux de conversion influent sur la séparation. Leur maîtrise doit suivre la conception réelle du procédé plutôt qu'une modification générique de l'agitation ou un objectif de pH aqueux appliqué à un mélange non aqueux. Des quantités significatives de mono-, di- et triglycérides dans le produit peuvent générer une couche d'émulsion à l'interface, ce qui représente une perte de produit et peut compromettre la conformité aux spécifications.
Équipements de séparation
Le guide de production traite des décanteurs gravitationnels, des centrifugeuses et des hydrocyclones pour la séparation ester–glycérol. Les systèmes à décanteur s'appuient uniquement sur le temps de séjour et la gravité, pour les installations de petite taille ou discontinues, le temps de maintien de plusieurs heures requis peut être acceptable, mais les unités en continu nécessitent des cuves proportionnellement plus grandes. Les systèmes centrifuges créent un champ de haute gravité artificiel qui accélère considérablement la séparation, bien qu'ils engendrent un coût d'investissement plus élevé et exigent une maintenance attentive et fréquente. Les systèmes à hydrocyclones semblent sensibles aux composants volatils : le méthanol résiduel peut se vaporiser sous l'effet de la chute de pression rapide à l'intérieur du dispositif, perturbant la séparation, ce risque doit être évalué au regard de la pression, de la température, de la composition et de la conception de l'équipement réels.
Lavage à l'eau de la phase EMAG
Le lavage a pour objectif principal d'éliminer les savons formés lors de la transestérification. L'eau constitue également le milieu permettant l'ajout d'acide pour neutraliser le catalyseur basique résiduel, ainsi que l'élimination des sels résultants et de tout glycérol libre et méthanol demeurant dans la phase ester. Idéalement, le méthanol résiduel est éliminé avant l'étape de lavage afin d'éviter de l'introduire dans les eaux usées, bien que certains procédés l'éliminent avec l'eau de lavage. L'eau tiède adoucie est préconisée : la chaleur réduit le risque de précipitation des esters saturés, et une action de lavage douce est tout aussi importante pour limiter la formation d'émulsions et assurer une séparation efficace des phases. Un traitement approprié de l'eau de lavage contribue à éviter l'introduction d'ions de dureté et d'autres contaminants, l'adoucissement seul ne garantit pas que chaque métal indésirable a été éliminé. De l'eau dissoute peut subsister après la séparation visible de l'eau de lavage. Le résumé de l'AFDC fixe une limite en eau et sédiments de 0,050 % en volume selon la méthode D2709, mais cet essai par centrifugation n'établit pas la teneur en eau dissoute. Le séchage doit être vérifié à l'aide de la méthode appropriée à l'exigence de qualité applicable en matière d'eau.
Séchage et qualité en aval
Les sécheurs sous vide et les évaporateurs à film tombant sont tous deux utilisés pour éliminer l'eau de lavage de la phase ester. Le fonctionnement sous pression réduite permet l'évaporation à des températures plus basses, une attention particulière s'impose avec les évaporateurs à température plus élevée, car une chaleur excessive peut provoquer la polymérisation des esters méthyliques polyinsaturés, rendant le carburant visiblement plus foncé. Le glycérol libre subsistant après un lavage ou une séparation insuffisants peut se déposer lors du stockage, formant une couche visqueuse qui obstrue les filtres à carburant et provoque des problèmes de combustion. Le résumé public actuellement disponible de l'ASTM D6751 par l'AFDC fixe une limite en glycérol libre de 0,020 % en masse et une limite en glycérol total de 0,240 % en masse (toutes deux selon la méthode D6584), ainsi qu'une limite d'indice d'acide de 0,50 mg KOH/g (D664), applicables à toutes les qualités. Le méthanol résiduel constitue également une préoccupation : le méthanol peut abaisser substantiellement le point d'éclair du carburant fini. L'ASTM D6751 traite du contrôle de l'alcool soit par une limite en teneur en méthanol de 0,2 % en masse maximum (EN14110), soit par une exigence de point d'éclair minimum de 130 °C (D93), l'une ou l'autre de ces deux conditions devant être satisfaite.
Phase glycérol et gestion des savons
Les savons se forment principalement lorsque les acides gras libres présents dans la matière première réagissent avec le catalyseur basique, un excès de catalyseur peut accroître la formation de savons. Les savons compliquent la séparation du glycérol en favorisant l'émulsification, et les savons qui demeurent dans la phase ester doivent être éliminés lors du lavage. La formation de savons consomme des matières alcalines, réduisant la quantité disponible pour la transestérification. L'eau peut par ailleurs favoriser indépendamment l'hydrolyse et compliquer davantage le traitement. Maintenir les teneurs en acides gras libres de la matière première dans la plage adaptée à la chimie de réaction choisie, et n'utiliser que la quantité de catalyseur strictement nécessaire, limitent tous deux la production de savons. Le coproduit glycérol brut contient du méthanol, de l'eau, des sels de catalyseur, des esters résiduels et des glycérides n'ayant pas réagi, en plus du glycérol lui-même, sa composition varie selon les conditions du procédé, la quantité de méthanol, d'eau et de catalyseur qui y est dissoute influant directement sur sa densité et ses caractéristiques.