FR2600063A1 - Procede et installation de traitement des matieres vegetales pour produire notamment du furfural - Google Patents

Abstract

LA PRESENTE INVENTION CONCERNE UN PROCEDE ET UNE INSTALLATION DE TRAITEMENT DE MATIERES VEGETALES POUR PRODUIRE NOTAMMENT DU FURFURAL. L'INSTALLATION COMPREND ESSENTIELLEMENT UNE UNITE A DE VAPO-CRAQUAGE POUR SEPARER PAR VOIE THERMOMECANIQUE DES MATIERES INSOLUBLES TELLES QUE LIGNINE ET CELLULOSE, ET DES MATIERES SOLUBLES TELLES QUE PENTOSANES ET PENTOSES, UN POSTE 8 D'INJECTION D'ACIDE DANS LES MATIERES SORTANT DU VAPO-CRAQUAGE, UNE UNITE B PERMETTANT L'EXTRACTION PAR L'EAU DES PENTOSANES ET PENTOSES ET LEUR SEPARATION D'UN RESIDU SOLIDE, CETTE UNITE ETANT RACCORDEE A UNE UNITE C DE TRANSFORMATION DES PENTOSES EN FURFURAL, LAQUELLE UNITE EST RELIEE A UNE UNITE D DE PURIFICATION DU FURFURAL SORTANT DE L'UNITE C. LE PROCEDE ET L'INSTALLATION DE CETTE INVENTION PERMETTENT LA PRODUCTION COMBINEE, AVEC UN HAUT RENDEMENT, DE FURFURAL ET D'ALIMENT CELLULOSIQUE POUR BETAIL.

Description

La présente invention a essentiellement pour objet un procédé de traitement de matières végétales du type ligno-cellulosique, pour produire notamment du furfural.

Elle vise également une installation pour la mise en oeuvre de ce procédé.

On connait déià des unités de vapo-craquage de matières végétales diverses telles que bois, tiges et rafles de mais, bagasse et autres,- ces unités permettant la production in situ du furfural. Toutefois, ce genre d'unités procure un rendement de furfural produit qui demeure relativement faible.

D'un autre côté, on connait des unités de vapo-craquage de matières végétales pour fabriquer une pulpe ou pâte contenant des matières telles que par exemple la cellulose et les pentosanes, ces matières permettant par exemple de fabriquer du papier ou des aliments pour le bétail.

Toutefois, ces unités ne produisent pas de furfural ou bien n'en fabriquent qu'en très faible quantité.

I1 est donc devenu essentiel de proposer un procédé et une installation qui soient capables de produire efficacement d'une matière combinée du furfural et des aliments cellulosiques pour le bétail, puisqu'aucune installation aujourd'hui connue ne permet d'arriver à ce but.

La présente invention a pour but de combler cette lacune en proposant un procédé et une installation de traitement de matières végétales qui permettent la production combinée de furfural et d'aliment pour bétail avec une efficacité, un rendement et une fiabilité tout à fait remarquables.

A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de traitement de matières végétales ligno-cellulosiques pour produire notamment du furfural et du type consistant à faire subir aux matières végétales un vapo-craquage assurant notamment la digestion de ces matières pour obtenir notamment une pâte contenant des matières insolubles telles que cellulose et lignine et des matières solubles telles que pentosanes et pentoses, caractérisé en ce que les matières sortant du vapo-craquage sont lavées à l'eau pour en extraire les pentosanes et pentoses, ce lavage étant effectué après introduction d'un acide dans ces matières afin d'augmenter la solubilité des pentosanes et pentoses, qui sont par la suite traités pour produire le furfural, tandis que le résidu des matières insolubles lavées est séparé pour constituer un aliment nutritif pour le bétail.

Suivant une autre caractéristique de ce procédé, le liquide contenant les extraits de pentosanes et pentoses est chauffé, et, dans ce liquide, on introduit avant et/ou après chauffage de celui-ci, un complément d'acide agissant comme catalyseur pour la transformation des pentosanes en pentoses et des pentoses en furfural, et on introduit le liquide ainsi obtenu dans une enceinte de réaction à plusieurs étages dont au moins un étage reçoit un complément d'acide et dont tous les étages sont soumis à un strippage par de la vapeur pour entraîner en phase gazeuse dans l'enceinte le furfural au fur et à mesure de la transformation des pentoses en furfural, lequel furfural en phase vapeur est ensuite condensé.

On précisera encore ici que le chauffage du liquide contenant les extraits de pentosanes et pentoses est réalisé par échange de chaleur avec les effluents liquides sortant de l'enceinte de réaction précitée, pendant un temps inférieur ou égal à 10 secondes.

Suivant encore une autre caractéristique de ce procédé, l'introduction d'acide précitée consiste à ajouter aux matières sortant du vapo-craquage de l'acide phosphorique ou acétique suivant environ 0,5 à 5% en poids de l'équivalent sec de la matière sortant du vapo-craquage.

On précisera encore ici que la séparation du résidu des matières insolubles lavées s'effectue par filtration ou autre moyen approprié à une température comprise entre environ 300C et 800C.

Quant au complément d'acide précité, il est constitué par de l'acide sulfurique, phosphorique, nitrique ou chlorhydrique à une concentration en acide comprise entre environ 0,05 et 0,8 N.

Selon encore une autre caractéristique de ce procédé, le liquide contenant les extraits de pentosanes et pentoses est chauffé à une température comprise entre environ 150 et 2100C après avoir été comprimé à une pression comprise entre environ 10 et 25 bars absolus.

On précisera encore ici que le liquide dans l'enceinte de réaction y séjourne pendant un temps compris entre 1 et 10 minutes et est chauffé par la vapeur d'entraînement à une température comprise entre environ 170 et 230 C.

L'invention vise encore une installation pour la mise en oeuvre du procédé répondant à l'une ou l'autre des caractéristiques ci-dessus, cette installation étant du type comprenant une unité de vapo-craquage pour séparer par voie thermo-mécanique des matières insolubles telles que lignine et cellulose, et des matières solubles telles que pentosanes et pentoses, et est caractérisée en ce qu'elle comprend successivement, en aval de ladite unité, un poste d'injection d'acide dans les matières sortant du vapo-craquage, une unité permettant l'extraction par l'eau des pentosanes et pentoses et leur séparation d'un résidu solide, cette unité étant raccordée à une enceinte de réaction à au moins un étage assurant la transformation des pentosanes en pentoses et des pentoses en furfural, laquelle unité est reliée à un système de condensation du furfural.

Selon une autre caractéristique de cette installation, on prévoit au moins une conduite d'injection d'acide vers au moins un étage de l'enceinte de réaction, et au moins une conduite d'injection d'acide dans le conduit d'acheminement du liquide provenant de l'unité d'extraction-séparation précitée, ce dernier conduit débouchant au niveau du premier étage de l'enceinte de réaction.

L'installation de cette-invention est encore caractérisée par un échangeur de chaleur traversé par le flux de liquide sortant de l'enceinte de réaction et par le liquide provenant de l'unité d'extraction-séparation des pentosanes et pentoses.

L'installation de l'invention est encore caractérisée par un condenseur traversé par le flux de furfural en phase gazeuse sortant de l'enceinte de réaction, par au moins un appareil de sousrefroidissement du furfural, et par un système de récupération de la chaleur associé au condenseur et à l'appareil de sous-refroidissement précité.

Mais d'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux dans la description détaillée qui suit et se réfère aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple, et dans lesquels :
- la figure 1 est un schéma bloc illustrant les principales unités d'une installation conforme aux principes de l'invention, et
- la figure 2 est une vue schématique illustrant en détail l'une des unités de l'installation visible sur la figure, et à savoir l'unité assurant la transformation des pentosanes en pentoses et des pentoses en furfural.

En se reportant à la figure 1, on voit qu'une installation conforme aux principes de l'installation comprend essentiellement une unité A de vapo-craquage, une unité B d'extraction à l'eau des pentosanes et pentoses et de laquelle on sépare un résidu destiné à constituer un élément nutritif pour le bétail, une unité
C de transformation des pentosanes en pentoses et des pentoses en furfural (cette unité C étant représentée en détail sur la figure 2), et une unité D de purification du furfural par distillation.

Dans l'unité de vapo-craquage A, qui est d'un type connu en soi, une matière végétale d'origine agricole ou forestière et du type ligno-cellulosique, c'est-à-dire comprenant essentiellement de la lignine et de la cellulose, est introduite par le conduit 1.

Cette matière est soumise à un chauffage à la vapeur sous une température élevée comprise entre 160 et 2500C environ et sous une pression correspondante comprise entre 5 et 40 bars environ. On a montré en 2 une conduite d'alimentation de vapeur d'eau à l'unité A, et en 3 une conduite assurant le rejet de la vapeur à l'atmosphère.

Les produits de digestion sortant de l'unité de vapo-craquage A par la conduite 4 sont essentiellement de la cellulose, des dérivés de l'hémicellulose (pentosanes et pentoses), et de la lignine, étant entendu que la composition dépend évidemment de la matière végétale introduite dans l'unité A.

Plus précisément, les produits précités sortant par la conduite 4 forment deux catégories de produits, et à savoir d'une part des produits solides non extractibles à l'eau (cellulose et lignine essentiellement), et des produits solubles dans l'eau (pentosanes et pentoses essentiellement) qui constituent la matière première permettant de fabriquer du furfural. Ces produits constituant la pulpe et formant une pâte sont envoyés par la conduite 4 dans l'unité B pour notamment en extraire les pentosanes et les pentoses.

Dans l'unité B, la pulpe ou pâte est lavée avec de l'eau introduite par un conduit 5 pour en extraire les pentosanes et les pentoses qui sont des produits solubles. Cette extraction est de préférence effectuée en plusieurs étages à contre-courant de façon à en augmenter l'efficacité, à réduire la consommation d'eau et à augmenter dans le filtrat la teneur en pentosanes extraits.

Dans l'unité B, on sépare par filtration les pentosanes et les pentoses acheminés vers l'unité C par une conduite 6, d'un résidu ou gâteau destiné à constituer un aliment nutritif pour le bétail, qui est évacué par une canalisation 7.

Un vide d'environ 800 à 200 mm de mercure dans l'unité B est nécessaire, et cela, selon la matière végétale qui est traitée. La filtration s'effectue suivant une température comprise entre 30 et 800 C, et de préférence entre 50 et 600C pour favoriser l'extraction des monomères que sont les pentoses, et des oligomères que sont les pentosanes. On insistera ici sur le fait que l'unité B permet avantageusement d'obtenir simultanément un filtrat de pentosanes et pentoses qui se prête parfaitement à la fabrication ultérieure de furfural, et un résidu solide formant un aliment nutritif pour le bétail à base de lignine et de cellulose qui a acquis d'excellentes propriétés de digestibilité.

On ajoutera qu'en amont de l'unité B, on procède à une introduction d'acide par une conduite 8 dans la ligne 4 de transport de la pulpe ou pâte sortant de l'unité de vapo-craquage A et envoyée vers l'unité B.

Cet acide peut être de l'acide phosphorique ou acétique qui acidifie très légèrement la pulpe ou pâte diluée passant dans la conduite 4. Cet acide peut représenter entre 0,5 et 5% en poids de la matière sèche, c'est-à-dire de l'équivalent sec de la matière sortant de l'unité A de vapo-craquage.

Cette injection d'acide en amont de l'unité B augmente de manière surprenante la solubilité des pentosanes qui seront par la suite traités pour produire le furfural.

L'acide phosphorique ou acétique injecté en aval du vapo-craquage (A) et immédiatement en amont du lavage (B) agit à la manière d'un catalyseur de la réaction d'hydrolyse qui suit (C5H804) n + n H20 H+ n C5H1005.

D'autres acides, tels que par exemple les acides sulfurique, chlorhydrique, ou nitrique peuvent être utilisés, mais les acides phosphorique ou acétique présentent l'avantage, à faible concentration, d'être comestibles et c'est pourquoi ils seront à ce titre, préférés.

Au cours du lavage dans l'unité B, une grande partie de l'acide, jusqu'à environ 75 à 90% de la quantité initiale, passe dans le filtrat 6 qui constitue l'alimentation de l'unité C de production de furfural. Ce processus de lavage avec acide permet d'extraire environ 85 à 95% des pentosanes et des pentoses, la quantité de pentosanes et de pentoses étant augmentée d'environ 3 à 5% grâce à l'addition d'acide étant entendu, comme expliqué plus haut, que l'apport d'acide n'affecte aucunement la digestibilité et les qualités organoleptiques de la matière nutritive sortant par la conduite 7 de l'unité B.

Dans l'unité C qui sera maintenant décrite en détail en se reportant à la figure 2, les pentosanes seront transformés en pentoses et les pentoses en furfural qui sortira de l'unité C par la conduite 9 pour être envoyé à la distillation D.

Plus précisément, le filtrat 6 est pompé par une pompe P à une pression comprise entre environ 10 et 25 bars et, après préchauffage dans un échangeur 13 à une température comprise entre 150 et 2100C, est envoyé par une conduite 14 en tête d'une enceinte de réaction 15 qui, suivant un exemple de réalisation, est une colonne à plateaux 16.

Un complément d'acide, qui peut être de l'acide sulfurique, phosphorique, nitrique ou chlorhydrique à une concentration en acide comprise entre environ 0,05 et 0,8
N, est introduit dans l'unité C par une conduite 11. Plus précisément et comme on le voit sur la figure 2, ce complément d'acide est introduit, grâce à une pompe 17 sur le conduit 11 dans l'enceinte ou colonne 15 par un conduit 18 qui se divise de préférence en une pluralité de portions de conduites 18a avec vannes 19, débouchant chacune au-dessus d'un plateau 16 de l'enceinte 15.

On peut effectuer un prélèvement sur ce complément d'acide pour l'envoyer dans le filtrat passant dans la conduite 6, 14 et arrivant en tête de l'enceinte 15. A cet effet, on peut prévoir une portion de conduite 20 avec vanne 20a reliant la conduite 18 de transport d'acide à la conduite 14 située en aval de l'échangeur 13 et acheminant le filtrat à la colonne 15. On peut également prévoir une portion de conduite 21 reliant la conduite 18 à la conduite 6 de transport du filtrat située en amont de l'échangeur 13. L'une et/ou l'autre conduite 20, 21 peuvent être utilisées dans l'unité C.

En fond de colonne 15, de la vapeur d'eau est envoyée par une conduite 12 et, comme on le voit bien sur la figure 2, les effluents liquides sortant de la colonne 15 quittent cette colonne par la conduite 22, et subissent un échange de chaleur, dans l'échangeur 13, avec le filtrat 6 passant dans la colonne 15, pour être finalement évacués par la conduite 10.

En tette de la colonne ou enceinte 15, grâce au strippage continu à la vapeur, du furfural en phase vapeur est produit au fur et à mesure de la transformation des pentoses en furfural, et est évacué par une conduite 23.

On notera ici que le liquide dans l'enceinte de réaction 15 y séjourne pendant un temps compris entre 1 et 10 minutes et est chauffé par la vapeur d'entrainement à une température comprise entre environ 170 et 2300C.

Il est important d'insister sur le fait que l'injection d'acide dans la colonne 15, le temps de séjour du liquide dans cette colonne et le strippage continu à la vapeur permettront avantageusement d'effectuer une réaction d'hydrolyse complète des pentosanes en pentoses et d'obtenir un excellent rendement de production de furfural sortant en tête de l'enceinte 15 par le conduit 23.

Les vapeurs de furfural et d'eau passant dans la conduite 23 sont condensées dans un train d'échangeurs 24, 25 et 26 pour finalement produire un liquide final sortant par la conduite 9 pour aller vers la distillation
D, comme on le voit bien sur les figures 1 et 2.

De l'eau déminéralisée et convenablement traitée est envoyée à l'unité par la conduite 27. Cette eau est préchauffée par passage dans l'échangeur 25, mélangée en 28 à des condensats recirculés par une pompe 29 à partir d'un ballon de chaudière 30, et partiellement vaporisée dans l'échangeur 24. Le mélange de vapeur et de condensats sortant par la conduite 31 à une pression comprise entre environ 3 et 5 bars absolus, est séparé dans le ballon 30 pour former une phase vapeur évacuée par la conduite 32 et une phase liquide envoyée à la pompe 29 par le conduite 33.

A la sortie de l'échangeur 25, un sousrefroidissement de la solution aqueuse de furfural est réalisé dans l'échangeur 26 traversé par une voie 34 d'eau de refroidissement.

On remarquera ici que la quantité de vapeur basse pression passant dans le conduite 32 peut représenter de 60 à 90% de la vapeur haute pression utilisée dans l'enceinte ou colonne d'entralnement 15.

Ceci constitue un avantage considérable du procédé en ce que la vapeur basse pression est utilisable par exemple dans l'unité D de purification du furfural.

Revenant à la figure 1, on voit que la solution de furfural 9 sortant de l'unité C qui vient d'être décrite en détail, est mélangée à des condensats de vapeur d'eau riches en furfural qui sont acheminés par une ligne 35 reliant l'unité A à la conduite 9 au point 36. La solution de furfural est ensuite acheminée par le conduit 37 à l'unité D pour être purifiée. Cette unité de purification du furfural est d'un type connu en soi et utilise par exemple une distillation azéotropique, une décantation, une déshydratation sous vide puis une purification finale par distillation du furfural.

On a montré schématiquement sur la figure 1 les divers fluides sortant de l'unité D, et à savoir le flux de furfural purifié 38, le flux de résidus lourds et de solutions acides 39, et le flux 40 de solvants légers tels que méthanol et acétone.

On a donc réalisé suivant l'invention un procédé et une installation dans lesquels les pentosanes provenant d'une unité de vapo-craquage sont tout d'abord traités par injection d'acide puis par lavage à l'eau et filtration de façon à obtenir un aliment nutritif pour le bétail et un filtrat de pentoses qui est par la suite souris à un strippage continu à la vapeur de façon à.

produire du furfural suivantun rendement élevé.

On comprend donc tout l'intérêt que représentent un tel procédé et une telle installation qui permettent la production combinée de furfural et d'aliment cellulosique pour le bétail.

Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et illustré qui n'a été donné qu'à titre d'exemple.

C'est ainsi qu'à la place de l'enceinte de réaction ou colonne à plateaux 15, on pourrait parfaitement utiliser une suite de réacteurs agités et montés en série, sans pour cela sortir du cadre de l'invention.

Dès lors, l'invention comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits, ainsi que leurs combinaisons si celles-ci sont effectuées suivant son esprit.

Claims (12)

REVENDICATIONS

1. Procédé de traitement de matières végétales ligno-cellulosiques pour produire notamment du furfural et du type consistant à faire subir aux matières végétales un vapo-craquage assurant notamment la digestion de ces matières pour obtenir en particulier une pulpeou pâte contenant des matières insolubles telles que cellulose et lignine et des matières solubles telles que pentosanes et pentoses, caractérisé en ce que les matières sortant du vapo-craquage sont lavées à l'eau pour en extraire les pentosanes et pentoses, ce lavage étant effectué après introduction d'un acide dans ces matières afin d'augmenter la solubilité des pentosanes qui sont par la suite traités pour produire le furfural, tandis que le résidu des matières insolubles lavées est séparé pour constituer un aliment nutritif pour le bétail.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le liquide contenant les extraits de pentosanes et pentoses est chauffé, et dans ce liquide, on introduit avant et/ou après chauffage de celui-ci, un complément d'acide agissant comme catalyseur pour la transformation des pentosanes en pentoses et des pentoses en furfural, et on introduit le liquide ainsi obtenu dans une enceinte de réaction à plusieurs étages dont au moins un étage reçoit un complément d'acide et dont tous les etages sont soumis à un strippage par de la vapeur pour entraîneur en phase gazeuse dans l'enceinte le furfural au fur et à mesure de la transformation des pentoses en furfural, lequel furfural en phase vapeur est ensuite condensé.

3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le chauffage du liquide contenant les extraits de pentosanes et pentoses est réalisé par échange de chaleur avec les effluents liquides sortant de l'enceInte de réaction précitée, pendant un temps inférieur ou égal à 10 secondes.

4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que-l'introduction d'acide précitée consiste à ajouter aux matières sortant du vapo-craquage de l'acide phosphorique ou acétique suivant environ 0,5 à 5% en poids de l'équivalent sec de la matière sortant du vapo-craquage.

5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la séparation du résidu précité s'effectue par filtration ou autre moyen approprié à une température comprise entre environ 300C et 800C.

6. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le complément d'acide précité est constitué par de l'acide sulfurique, phosphorique, nitrique ou chlorhydrique à une concentration en acide comprise entre environ 0,05 et 0,8 N.

7. Procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le liquide contentant les extraits de pentosanes et pentoses est chauffé à une température comprise entre environ 150 et 2100C après avoir été comprimé à une pression comprise entre 10 et 25 bars absolus.

8. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le liquide dans l'enceinte de réaction y séjourne pendant un temps compris entre 1 et 10 minutes, et est chauffé par de la vapeur d'entraînement à une température comprise entre environ 170 et 2300C.

9. Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 8, et du type comprenant une unité de vapo-craquage (A) pour séparer par voie thermo-mécanique des matières insolubles telles que lignine et cellulose, et des matières solubles telles que pentosanes et pentoses, caractérisée en ce qu'elle comprend successivement en aval de ladite unité, un poste (8) d'injection d'acide dans les matières sortant de vapo-craquage, une unité (B) permettant l'extraction par l'eau des pentosanes et pentoses et leur séparation d'un résidu solide, cette unité étant raccordée à une enceinte de réaction (15) à au moins un étage assurant la transformation des pentosanes en pentoses et des pentoses en furfural, laquelle unité est reliée à un système de condensation de furfural (24, 25, 26).

10. Installation selon la revendication 9, caractérisée par au moins un conduit (8) d'injection d'acide vers au moins un étage (16) de l'enceinte de réaction (15) et par-au moins une conduite (20, 21) d'injection d'acide dans le conduit (6, 14) d'acheminement du liquide provenant de l'unité (B) d'extraction-séparation précitée, lequel conduit (14) débouche au niveau du premier étage de l'enceinte de réaction (15).

11. Installation selon la revendication 9 ou 10, caractérisée par un échangeur de chaleur (13) traversé par le flux de liquide (22) sortant de l'enceinte de réaction (15) et par le liquide (6) provenant de de l'unité d'extraction-séparation (B).

12. Installation selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisée par un condenseur (24, 25) traversé par le flux de furfural en physe gazeuse (23) sortant de l'enceinte de réaction (15), par au moins un appareil (26) de sous-refroidissement du furfural, et par un sytème (27 à 33) de récupération de la chaleur associé au condenseur et à l'appareil de sous-refroidissement précité.