Transformation par voie thermique de triglycérides et d'acides gras. Application à la valorisation chimique des déchets lipidiques, Thermal transformation of tryglicerides and fatty acids with application to a chemical upgrading of lipidic wastes

INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE
ECOLE DOCTORALE RP2E
E.N.S.I.C. – NANCY
DEPARTEMENT DE CHIMIE PHYSIQUE DES REACTIONS

THESE
Présentée à l'I.NP.L.
pour l'obtention du grade de

DOCTEUR
Spécialité : Génie des Procédés

Par

Julien GORNAY

Sujet :

TRANSFORMATION PAR VOIE THERMIQUE DE
TRIGLYCERIDES ET D’ACIDES GRAS.
APPLICATION A LA VALORISATION CHIMIQUE
DES DECHETS LIPIDIQUES.

Soutenue publiquement le 31 octobre 2006 devant la Commission d'Examen composée de :

Rapporteurs : MM. P. DAGAUT
D. PIOCH
Examinateurs : MM. G. WILD
E. PLASARI
A.CHAKIR
F. BILAUD
Invité : M. P.A. GLAUDE Les travaux présentés dans ce mémoire ont été réalisés au Département de
Chimie Physique des Réactions, Unité Mixte 7630 du Centre National de la Recherche
Scientifique et de l’Institut National Polytechnique de Lorraine. Je remercie Monsieur
Wild, Directeur de Recherche au CNRS, de m’avoir accueilli au sein du laboratoire qu’il
dirige et d’avoir accepté de participer à mon jury de thèse. Je remercie également
Madame Viriot et Messieurs Scacchi et Marquaire qui l’ont précédé et qui m’ont permis
d’effectuer ma thèse dans les meilleurs conditions.

Je tiens à exprimer ma reconnaissance et mes remerciements à Monsieur Francis
Billaud tant pour ces qualités scientifiques qu’humaines. Je le remercie pour la confiance
qu’il m’a accordée, pour ses idées et ses précieux conseils tout au long de ma thèse. Je
tiens également à remercier Madame Lucie Coniglio pour l’encadrement, la rigueur, les
conseils avisés et l’aide précieuse qu’elle a su m’apporter pendant ces travaux de
recherche.

Que Messieurs Daniel Pioch, Directeur de Recherche au Centre International de
Recherche en Agronomie pour le Développement (CIRAD), et Philippe Dagaut, Directeur
de Recherche au Laboratoire de Combustion et Systèmes Réactifs (LCSR), soient
assurés de ma profonde gratitude d’avoir accepté de juger ce travail en tant que
rapporteurs.

J’exprime mes sincères remerciements à Monsieur Edouard Plasari pour son aide
très précieuse et ses nombreux conseils, lors du dimensionnement du pilote de pyrolyse
effectué pendant ma thèse. Je lui suis reconnaissant de faire partie du jury.

Je tiens à remercier Monsieur Abdelkhaleq Chakir d’avoir accepté de participer à
mon jury de thèse.
Je remercie Monsieur Pierre-Alexandre Glaude pour son savoir faire, ses
précieux conseils prodigués lors de l’étude théorique de pyrolyse, et d’avoir accepté mon
invitation au jury de thèse.

Je tiens à exprimer toute ma reconnaissance aux membres du laboratoire qui ont
participé au bon déroulement de cette thèse par leur disponibilité et leur bonne humeur.
Je remercie particulièrement Messieurs Pierre Pommier et Christian Receveur pour leur
aide technique très précieuse.

Je remercie chaleureusement mes parents, ma sœur, mes grands-parents, ma
famille et mes amis pour leur soutien tout au long de mes études et de ma thèse.

Enfin, je remercie plus spécialement Caroline, ma petite femme, de m’avoir
soutenu, réconforté et encouragé et je tiens à lui dédier ma thèse.

Sommaire

Introduction 1

Chapitre I : Bibliographie. 7
I.1 Corps gras limentaires. 9
I.1.1. Composition des lipides (Karleskind, 1992) 10
I.1.2. Nomenclature des acides gras (Karleskind, 1992). 13
I.1.3. Exemple de compositions d’huiles alimentaires. 17
I.1.4. Economie des huiles alimentaires. 17
I.1.5. Domaines d’application des corps gras. 21
I.2. Les huiles alimentaires usagées. 24
I.2.1. Utilisation des huiles alimentaires comme huiles de friture. 25
I.2.2. Composition chimique des huiles de friture. 26
I.2.3. Aspects réglementaires. 28
I.3. La chimie verte : une alternative aux ressources non renouvelables. 30
I.3.1. Valorisation des huiles alimentaires. 31
I.3.2. Valorisation huiles alimentaires usagées. 33
I.4 Pyrolyse. 37
I.4.1.Pyrolyse des acides gras libres 37
I.4.2. Pyrolyse triglycérides. 38
I.4.3. Pyrolyse des huiles alimentaires usagées. 43
Conclusion. 45

Chapitre II :Thermoconversion d’une huile alimentaire usagée :
le VEGTAMIXOIL® 47
Introduction. 9
II.1. Protocole opératoire. 49
I.1 Compositon dela charge. 49
II.12 Dispoitf expérimental. 50 II.1.2.1. Injection de la charge et du (des) diluant(s). 52
II.1.2.2. Préchauffage et mélange du (des) diluants et
de lacharge vaporisée. 52
II.1.2.3. Four et réacteur. 53
II.1.2.4. Refroidissement et séparation des produits
condensables et incondensables. 54
II.1.2.5. Analyses des produits.
I.13 Mode opératoire. 55
II.1.4 Bilans matière. 5
I.2 Etude parmétrique. 56
I.21 Parmètres étudiés. 6
II.2.2. Produits ciblés. 57
I.23. Résultas. 7
II.2.3.1. Existence d’effets catalytiques aux parois du réacteur. 58
II.2.3.2. Influence de la température et du diluant. 59
II.2.3.3. Influence du temps de passage. 60
II.2.3.4. Influence de la présence d’un initiateur de réaction. 61
II.2.3.5. Influence de la présence d’un inhibiteur de réaction. 63
Conclusion. 64

Chapitre III : Pyrolyse de l’acide octanoïque : étude préliminaire et
mise en évidence des effets de parois. 65
Introduction. 67
III.1. Protocole opératoire. 68
III.1.1. Dispositif expérimental. 68
III.1.2. Composition de la charge. 69
III.1.3. Mode opératoire. 69
III.1.4. Bilans matières.
III.2. Etude paramétrique. 70
III.2.1. Paramètres étudiés. 70 III.2.2. Produits ciblés. 70
III.2.3. Résultats. 71
III.2.3.1. Conversions de l’acide octanoïque. 71
III.2.3.2. Mise en évidence des effets du coke sur
le « petit » réacteur. 73
III.2.3.3. Analyse du coke par MEB. 76
III.2.3.4. Etapes de formation du coke dans le « petit » réacteur. 81
Conclusion. 83

Chapitre IV : Dimensionnement du nouveau pilote de pyrolyse. 85
Introduction. 7
IV.1. Problèmes de l’ancien pilote de pyrolyse et solutions. 88
IV.2. Présentation du nouveau pilote de pyrolyse. 89
IV.2.1. Unité contrôlant les alimentations en diluant et en réactif. 90
IV.2.1.1. Alimentations en diluant. 90
IV.2.1.2. Alimentation réactif.
IV.2.2. Unité de mélange et de préchauffage de l’alimentation du réacteur. 92
IV.23. Unité ractionel. 93
IV.2.4. Unité de refroidissement rapide. 94
IV.2.5. Unités de séparation des produits condensables et incondensables. 95
IV.3. Quelques généralités sur la modélisation des écoulements. 96
IV.3.1. Nombres adimensionnels intervenant dans la modélisation
des transferts de chaleur et de matière. 96
IV.3.2. Modélisation des écoulements dans les réacteurs idéaux,
instruments de mesure des vitesses de réaction. 97
IV.3.2.1. Modèle du réacteur à écoulement piston (RP). 97
IV.3.2.2. Modèle du réacteur parfaitement agité (RPA). 101
IV.3.3. Modélisation des écoulements dans un réacteur tubulaire réel. 103
IV.3.3.1. Macromélange et distribution des temps de séjour. 104
IV.3.3.2. Modèle à dispersion axiale. 106 IV.3.3.3. Modèle de la cascade de réacteurs parfaitement
agités ensérie (CRPAS). 110
IV.3.3.4. Equivalence entre les deux modèles DA et CRPAS. 111
IV.3.3.5. Choix entre modèles DA et CRPAS en fonction
des objectifs 112
IV.4 Dimensionemnt du pilote d pyrolyse. 13
IV.4.1. Dimensionnement du saturateur. 113
IV.4.1.1. Etablissement des équations conduisant au
dimensionnement du saturateur.
IV.4.1.2. Détermination numérique des dimensions du saturateur. 117
IV.4.2. Dimensionnement du réacteur de pyrolyse. 120
IV.4.2.1. Etablissement des équations conduisant au
dimensionemnt duréacteur. 120
IV.4.2.2. Détermination numérique des dimensions du réacteur. 122
IV.4.3. Dimensionnement de la trempe. 124
IV.4.3.1. Etablissement des équations conduisant au
dimensionnement de la trempe.
IV.4.3.2. Détermination numérique des dimensions de la trempe. 129
Conclusion. 131