Biodiesel : combustion des esthers éthyliques d'huiles végétales comme additifs au pétrodiesel, Biodiesel : combustion of fatty acid ethyl esters as additives to petrodiesel

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Sous la direction de Francis Billaud, Lucie Coniglio-Jaubert
Thèse soutenue le 07 octobre 2010: INPL
Le biodiesel est un biocarburant, composé d'un mélange de mono-esters d'acide gras saturés et insaturés avec une longue chaîne carbonée. Ce travail de thèse présente les données de la littérature sur l'origine du biodiesel et son procédé de fabrication ; sont présentées aussi les performances et les émissions des moteurs diesel fonctionnant au biodiesel et la cinétique d'oxydation du biodiesel. Des efforts ont été faits pour mettre en évidence les principales différences entre les esters méthyliques et éthyliques tout en montrant que d'autres recherches sont encore à développer. Pour ces raisons, les délais d'auto-inflammation de cinq esters méthyliques et éthyliques ont été mesurés dans un tube à onde de choc : l'acrylate d'éthyle, l'acrylate de méthyle, le crotonate d'éthyle, le crotonate de méthyle et le butanoate d'éthyle. Les mécanismes cinétiques détaillés d'oxydation des cinq esters étudiés ont été générés automatiquement en utilisant le logiciel EXGAS. L'oxydation du butanoate d'éthyle, molécule modèle d'esters éthyliques d'huiles végétales (EEHV) a été étudiée dans un réacteur piston à pression atmosphérique pour une gamme de température allant de 500 à 1200 K. Les résultats représentent les profils de concentration des réactifs, les intermédiaires stables et les produits finaux. Le modèle cinétique a été validé de façon satisfaisante par une comparaison entre les résultats simulés et expérimentaux
-Biodiesel
-Exgas
-Esters méthyliques et éthyliques
-Transestérification
-Oxydation
-Tube à onde de choc
-Réacteur piston
-Modèle cinétique
An increasingly popular biofuel is biodiesel, composed of a mixture of saturated and unsaturated fatty acid methyl or ethyl esters, with a long aliphatic main chain. This PhD dissertation provides a literature review concerning the origin of biodiesel, its manufacturing process, performance and emissions of diesel engines fueled with biodiesel, and the kinetics of oxidation of biodiesel. Efforts were made to highlight the main differences between methyl and ethyl esters while showing where further research needs to be developed or pursued. For these reasons, the autoignition of five esters were measured behind reflected shock tube: ethyl acrylate, methyl acrylate, ethyl crotonate, methyl crotonate, and ethyl butanoate. Detailed mechanisms for the oxidation of the five studied esters were automatically generated using the version of EXGAS software. In addition, the oxidation of ethyl butanoate as a model compound for Fatty Acid Ethyl Esters (FAEE) has been investigated in tubular plug flow reactor at atmospheric pressure over wide range of temperature (500-1200 K). The results consist of concentration profiles of the reactants, stable intermediates, and final products. The model was again validated satisfactorily by comparison between computed results and the generated experimental data
-Biodiesel
-Methyl esters
-Ethyl esters
-Transesterification
-Oxidation
-Shock tube plug flow reactor
-Kinetics model
-Exgas
Source: http://www.theses.fr/2010INPL044N/document

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INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE

ÉCOLE DOCTORALE : RP2E
Laboratoire Réactions et Génie des Procédés (LRGP)



THÈSE

Présentée et soutenue publiquement le 07/10/2010
Pour l’obtention du grade de Docteur de l’INPL
(Spécialité : Génie des Procédés et des Produits)



Par



Hayet BENNADJI


Biodiesel: Combustion des esters éthyliques d’huiles
végétales comme additifs au pétrodiesel

Biodiesel: Combustion of fatty acid ethyl esters as
additives to petrodiesel



Directeur de thèse : Francis BILLAUD DR CNRS (Nancy)
Co-directeur de thèse : Lucie CONIGLIO-JAUBERT MdC (Nancy)

Composition du jury :

Président du jury : Valérie TSCHAMBER Professeur (Mulhouse)
Rapporteurs : Nabiha CHAUMEIX DR CNRS (Orléans)
Edward BLUROCK Associate Professor (Lund, Suede)
Examinateur : Pierre-Alexandre GLAUDE CR CNRS (Nancy)
Membre invité : Guillaume DAYMA MdC (Orléans) Remerciements
Ce travail de thèse a été réalisé à l'ex-Département de Chimie physique des Réactions
(DCPR), nommé maintenant Laboratoire de Réactions et Génie des Procédés (LRGP) après la
fusion avec les autres laboratoires de l'Ecole Nationale Supérieure des Industries Chimiques
(ENSIC).
Je tiens à remercier en premier lieu Monsieur Gabriel WILD, directeur du LRGP, pour
m’avoir accueilli au sein de son équipe et pour avoir mis à ma disposition tous les moyens
techniques du laboratoire.
Mes sincères remerciements vont également à Madame Lucie CONIGLIO et à Monsieur
Francis BILLAUD, pour leur encadrement, pour la confiance qu’ils m’ont accordée et pour la
formation scientifique qu'ils m'ont permis d'acquérir.
J'exprime mes sincères remerciements à Madame Nabiha SHOUMEIX et à Monsieur
Edward BLUROKS d’avoir accepté de faire la relecture de ce rapport. Je leur suis reconnaissante
pour le temps qu’ils ont consacré à ce travail.
J'adresse mes remerciements à Madame Frédérique BATTIN-LECLERC qui a
gracieusement mis à ma disposition le matériel nécessaire durant mes trois ans de thèse et à
Monsieur Pierre-Alexandre GLAUDE pour son savoir faire, ses précieux conseils prodigués lors
de l'étude théorique de la cinétique de combustion et l'étude expérimentale en tube à onde choc, je
lui suis reconnaissante de faire partie du jury.
Je remercie également Madame Valérie TSCHAMBER, Monsieur Guillaume DAYMA
d’avoir participé à mon jury de soutenance et l’intérêt porté à mon travail.
Je n'oublie pas adresser mes remerciements aux membres de l’ex-DCPR et du laboratoire de
Gestion des Risques et Environnement de Mulhouse: enseignants-chercheurs, personnel technique,
personnel administratif, et doctorants.

Je dédie cette thèse à toute ma famille, qui m’a toujours encouragé:
Ma très chère maman, mon très cher papa et mes chers sœurs et frères


It suddenly struck me that that tiny pea, pretty and blue, was the Earth. I put up my thumb and shut one eye,
and my thumb blotted out the planet Earth. I didn't feel like a giant. I felt very, very small.
Neil Armstrong
This English dissertation is preceded by a summarization in French which brings
together the mainly work accomplished during this thesis.

Ce rapport est écrit en anglais et précédé par un résumé en français qui regroupe
essentiellement les travaux accomplis durant cette thèse.













Résumé

BIODIESEL: COMBUSTION DES ESTERS ETHYLIQUES
D’HUILES VEGETALES COMME ADDITIFS AU
PETRODIESEL

Table des matières
Introduction générale 1
1. Les ressources alternatives au pétrodiesel 1
2. Etudes actuelles sur les moteurs thermiques 2
3. Maîtrise de l’émission des polluants 3
I. Etude bibliographique 7
I.1 Les matières premières 7
I.1.1 Les huiles végétales 7
I.1.2 Les autres sources lipidiques 9
I.1.3 Les alcools 9
I.1.3.1 Le méthanol et le biométhanol 9
I.1.3.2 L’éthanol 10
I.2 Les biocarburants pour le secteur du transport 11
I.3 Généralités sur les moteurs thermiques 13
I.3.1 Moteurs à combustion externe 13
I.3.2 Moteurs à combustion interne 13
I.3.3 Evolution de la législation sur les émissions polluantes 14
I.3.4 Techniques de réduction de la consommation de carburant et des émissions
polluantes des moteurs alternatifs 15
I.4 Utilisation du biodiesel dans les moteurs 17
I.4.1 Utilisation directe des huiles végétales 17
I.4.2 Performances des Esters d'Huiles Végétales (EHV) en tant que carburant 18
I.4.3 Impacts des Esters d’Huiles Végétales sur les émissions 19
II. Dispositifs expérimentaux 23
II.1 Chimie de la combustion 23
II.2 Dispositif expérimental du réacteur tubulaire 26
II.2.1 Descriptif général 26
II.2.1.1 Section alimentation du réacteur 29
I II.2.1.2 Section de mélange et de préchauffage de la charge du réacteur 31
II.2.1.3 Section réaction 32
II.2.1.4 Section de séparation et analyse 33
II.2.2 Bilan de matière 36
II.2.3 Etude paramétrique 36
II.2.4 Mesure du profil de température du réacteur 37
II.2.5 Techniques d'analyses et de mesures 38
II.2.5.1 Etalonnages des régulateurs de débit massique (RDM) 38
II.2.5.2 Etalonnage de l'analyseur IR COSMA-CRISTAL 300 39
II.2.5.3 Etalonnage des chromatographes 39
II.3 Dispositif expérimental du tube à onde choc 45
II.3.1 Principe du tube à onde de choc 46
II.3.2 Description du tube à choc du LRGP (ENSIC-Nancy) 48
II.3.3 Mise en œuvre du tube à onde de choc 49
II.3.4 Etudes paramétriques 51
III. Description du système EXGAS-ESTERS 54
III.1 Description générale du système EXGAS-ESTERS 54
III.1.1 Base C -C 54 0 2
III.1.2 Générateur de mécanismes primaires détaillés de consommation des réactifs 55
III.1.3 Générmécanismes secondaires de consommation des produits primaires
56
III.2 Mécanisme d'oxydation de butanoate d'éthyle à haute température 56
III.3 Mécanismes d'oxydation des esters insaturés à haute température 56
III.4 Conclusion 57
IV. Etude expérimentale et simulation de l'oxydation des esters méthyliques et
éthyliques 58
IV.1 Etude en tube a onde de choc 58
IV.1.1 Conditions expérimentales 58
IV.1.2 Etude paramétrique 59
II IV.1.3 Approche Statistique 60
IV.1.4 Modélisation et simulation des résultats obtenus en tube à choc 60
IV.1.4.1 Comparaison des simulations et des expériences 60
IV.1.4.2 Analyse de flux 61
IV.1.4.3 Analyse de sensibilité 62
IV.2 Etude en réacteur tubulaire à écoulement piston 62
IV.2.1 Conditions opératoires 63
IV.2.2 Identification des produits analysés 63
IV.2.3 Bilan de matière 64
IV.2.4 Reproductibilité des résultats 64
IV.2.5 Etude paramétrique 64
IV.2.6 Modélisation et simulation des résultats obtenus en tube à choc 65
IV.2.6.1 Comparaison simulation et expérience 65
IV.2.6.2 Analyse de flux 66
IV.2.6.3 Analyse de sensibilité 66
IV.3 Conclusion 67
Conclusion & perspectives 68
Publications et communications issues de ce travail de thèse 70
Références bibliographiques 72
Annexes 78
A. Bilan de matière élémentaire et global
B. Calcul du réacteur piston (Plug flow reactor)
C. Mesure des profils de température
D. Courbes d'étalonnage des RDM
E. Description de la méthode d'étalon interne
F. Conditions d’analyse des chromatographes et temps de rétention des produits
G. Calcul du temps de passage
H. Calcul de l'état des gaz après l'onde de choc
III Introduction générale

Introduction générale
1. Les ressources alternatives au pétrodiesel
Issus de programmes lancés à la fin des années 70 pour relâcher la contrainte pétrolière, les
biocarburants ont plus de 20 ans de développement industriel. Ils suscitent aujourd'hui un regain
d'intérêt fort car ils pourraient permettre, dans le secteur des transports, une réduction de la
consommation de pétrole et une diminution des rejets de gaz à effet de serre. Ce regain d'intérêt est
particulièrement visible en Europe où les directives adoptées au début de la décennie fixent des
objectifs ambitieux d'incorporation de biodiesel dans le pétrodiesel (5.75 % volumique en 2010 et
8 % en 2015) et obligent les États membres à développer les filières biocarburants. En effet, le
biodiesel, est une énergie renouvelable considérée comme une sérieuse alternative au pétrole et
peut être produit à partir de sources naturelles telles les graisses animales et tout particulièrement
les matières et huiles végétales comme le colza. Les huiles végétales renferment majoritairement
des triglycérides (triesters du glycérol et d'acides gras : acides carboxyliques à longue chaîne
carbonée, saturés ou portant une, voire deux, liaisons éthyléniques) et, en moindres proportions,
des acides gras sous forme libre, des phospholipides, des stérols, de l'eau et d'autres impuretés.
Elles ne peuvent pas être utilisées directement dans les moteurs Diesel classiques (viscosités
élevées, risques de dépôts, indices de cétane faible, mauvaises caractéristiques à froid, …)
(Ballerini, 2006). C'est la raison pour laquelle les huiles végétales doivent être préalablement
transformées en esters via une transestérification par addition d'un alcool pour produire le
biodiesel qui est donc typiquement un mélange d'esters d'acides gras. Actuellement, le méthanol
est l'alcool majoritairement utilisé et conduit au biodiesel composé d’esters méthyliques d'huiles
végétales (EMHV); leur mélange à raison de 5% en volume au diesel est distribué de façon
banalisée. Néanmoins, la possibilité de produire des esters éthyliques d'huiles végétales (EEHV),
en remplaçant le méthanol par l'éthanol, est en cours de développement (Ballerini, 2006). En effet,
l'éthanol obtenu à partir de la biomasse, conduit à la filière EEHV qui offre l'opportunité de
produire un biodiesel issu exclusivement du végétal. En outre, les carburants EMHV et EEHV
présentent des caractéristiques motrices équivalentes.
Des recherches ont montré que, comparativement à l'utilisation du gazole (pétrodiesel pur)
comme carburant, l'addition d'EMHV et d'EEHV dans les moteurs Diesel conduit à une diminution
des émissions de monoxyde de carbone (CO), d'hydrocarbures imbrûlés et de particules, ainsi qu'à
1 Introduction générale

un bilan global positif en dioxyde de carbone. En outre, les EMHV et les EEHV présentent une
biodégradabilité totale. Makarevicienne et Janulis (2003) ont montré que les émissions d'oxydes
d'azote (NOx), de monoxyde de carbone (CO) et de particules sont significativement plus faibles
en utilisant comme biodiesel les esters éthyliques par rapport aux esters méthyliques. De plus, les
EEHV sont plus rapidement biodégradables que les EMHV.
2. Etudes actuelles sur les moteurs thermiques
L’énergie nécessaire à la propulsion et au fonctionnement de la majorité des véhicules
routiers continuera encore des décennies à être fournie par des moteurs thermiques. Dans le but de
réduire la dépendance énergétique et d’abaisser les niveaux d’émissions de gaz à effet de serre et
des polluants locaux, les travaux de recherche s’intéressent à reformuler le carburant et à améliorer
le fonctionnement des moteurs pour les rendre plus propres et plus économes.
La réduction de la consommation du carburant a été recherchée sur les moteurs à allumage
commandé (dits « à essence ») comme sur les moteurs Diesel (dits par analogie « à allumage par
compression »). Différentes voies ont été explorées :
 Réduction des frottements par optimisation de la lubrification,
 Optimisation de l’injection du carburant dans les cylindres, notamment en exploitant les
techniques de modélisation et de simulation,
 Etude des phénomènes de combustion, détermination des températures optimales qui
permettraient de réduire des émissions des polluants locaux,
 Etudes des potentialités du taux de compression variable et de la réduction de cylindrée
(«downsizing»),
 Optimisation de la composition des carburants pour améliorer les performances du moteur
et pour réduire les émissions,
 Etude des potentialités des moteurs de nouvelle conception : combustion homogène dans
un moteur Diesel dite «HCCI» (Homogeneous Charge Compression Ignition) et
combustion essence par Auto-Inflammation contrôlée dite «CAI».



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