Projet abouti

ChimieUsine du futur

Intensification des procédés : préfigure l'usine du futur

AXELERA, 

Copyright IFP Energies nouvelles

Un réacteur chimique suffisamment miniaturisé pour que l’on puisse éliminer plus efficacement le dégagement de chaleur lié à la réaction, capable de fonctionner à plus haute température avec une cinétique accrue et sans danger : cet exemple illustre le principe de l’intensification des procédés.  

Le pôle Axelera a labellisé le projet « Intensification des procédés ». Celui-ci a bénéficié d’une subvention dans le cadre du 1er appel à projets (FUI).

Le contexte 

Le concept d’usine du futur consiste à développer de nouveaux procédés respectueux de l’environnement, tout au long de la chaîne de fabrication d’un produit, jusqu’au devenir du produit fini, pendant et après son utilisation. Ces procédés consomment peu d’énergie, utilisent peu de matières premières, rejettent peu d’effluents. Ils utilisent des procédés de transformation efficaces.  

L’intensification des procédés est l’un des moyens pour y parvenir. Elle revoit en profondeur les bases des procédés industriels traditionnels. Elle met en œuvre de nouvelles technologies et de nouveaux procédés qui conduisent à des unités de fabrication plus compactes, avec un plus faible impact visuel et d’encombrement sur l’environnement. Elle vise des unités moins consommatrices en énergie, en eau et en matières premières.  L’intensification des procédés se traduit le plus souvent par une miniaturisation, par des procédés opérant en continu et par l’usage de nouvelles technologies.  

Les objectifs du projet

Le projet était à l’origine du concept d’usine du futur. Il devait développer l’un des principaux outils d’éco-conception : l’intensification des procédés. Cet outil vise une nouvelle façon de produire, avec deux enjeux forts :

• adapter les outils industriels pour s’affranchir des phénomènes de transferts limitant, par exemple  produire en 1 min au lieu de 2 h, en s’exonérant des problèmes d’échange thermique ;
• combiner plusieurs opérations sur un seul équipement.

Initialement, le projet visait les procédés chimiques mais il peut se généraliser à tout procédé de transformation. En chimie, on pense en particulier à la conception de nouveaux réacteurs de synthèse (plus petits, capables de travailler dans des domaines inaccessibles avec les technologies classiques, où les catalyseurs voient leur rôle amplifié, etc.). D’autres opérations unitaires de génie chimique sont aussi visées en priorité, telles que les opérations de mélanges de réactifs, les séparations en présence de réactions, etc.

Les partenaires du projet

• Arkema, porteur du projet, chimiste ayant un vaste domaine de procédés de fabrication.
• Rhodia, chimiste ayant un vaste domaine de procédés de fabrication, complémentaire du précédent. 8 laboratoires du CNRS : laboratoires experts en génie des procédés, déjà impliqués dans l’intensification pour certains d’entre eux, tels que le laboratoire de génie des procédés catalytiques (LGPC).
• IFP Energies nouvelles, centre d’expertise de l’industrie pétrolière impliquée dans le développement et le pilotage de nouveaux procédés, avec l’objectif de les intensifier.

Description des travaux menés

Les travaux ont été ciblés sur des procédés représentatifs de procédés existants, avec un haut potentiel d’amélioration :

• des techniques de laboratoire intensifiées dans le but d’acquérir de façon plus fiable les données de base des procédés,
• des technologies de mélange, de réaction, de cristallisation, de séchage, - des couplages de fonctions telles que réaction et  séparation,
• des techniques d’amélioration des performances des catalyseurs,
• une prise en compte de techniques analytiques adaptées aux nouvelles technologies,
• la conduite avancée pour optimiser la consommation énergétique et la sécurité des procédés.

Premières retombées technologiques et économiques

• Résultats, produits, prototypes, démonstrateurs, services issus des travaux de R&D
Le projet a permis la mise au point de plusieurs prototypes, préfigurant le passage au stade industriel :
• des outils de laboratoire intensifiés pour l’acquisition des données de base des procédés en vue d’optimiser la dépense énergétique ;
• un pilote réacteur filaire constitué d’un long tube de très petit diamètre, celui-ci ayant la taille d’un grain de catalyseur. Il permet une étude fine de ce qui se passe au niveau du grain, contrairement à un lit classique contenant un catalyseur. Ce pilote permet de mettre au point des réactions rapides et de fournir une extrapolation industrielle plus fiable ;
• un réacteur de synthèse innovant à plasma froid moins consommateur en énergie ;
• deux pilotes dédiés à la réaction/adsorption et à la distillation réactive. Ils permettent une moindre consommation de produits, un gain de place et une réduction de coût.

Le projet a permis des avancées significatives au niveau industriel  dans le domaine de la sécurité des procédés industriels et en termes de compétitivité. Un gain sur les installations industrielles grâce au développement de procédés efficaces (7 exemples significatifs) et des gains significatifs sur les performances des réactions (augmentation de rendement, moindre consommation énergétique). Il a aussi conduit à réaliser le cahier des charges fonctionnel de l’usine du futur et d’en concevoir les outils. Certains résultats sont en cours d’industrialisation.    

• Brevets : 17, dont 7 pour le CNRS
• Conférences : 14 participations à des congrès, dont 11 au niveau international
• Thèses : 6
• Emplois : plus d’une centaine d’emplois pérennisés sur plusieurs sites industriels.
• Mises en perspective. Pour enrichir et élargir la réflexion, des contacts ont été pris avec les acteurs du marché, pour partager les méthodologies et les compétences nécessaires à la conception et à l’exploitation de l’usine du futur. Il est apparu que le développement de l’intensification des procédés passait par la mise en commun des expériences de nombreux métiers (mécanique, électronique, analyse, modélisation…etc.), donc par la contribution de nombreuses PME, d’équipementiers et de laboratoires universitaires, aux côtés des grands groupes.  

Colonne de distillation réactive. Copyright Rhodia.

Réacteur à déplacement continu d'équilibre. Copyright Arkéma.