le génie des procédés moderne vert - pole … · - et aux demandes du 21ème siècle clairement...

Le gnie des procds moderne vert

Jean Claude CHARPENTIER

Les 2me Rencontres de la chimie durable en Poitou- Charentes CCI Niort 19 Septembre 2013 J.C.Charpentier Laboratoire Ractions et Gnie des Procds CNRS/ENSIC/UL Nancy (F)

Dans le cadre du dveloppement durable des questions dnergies (conomies et nouvelles nrgies renouvelables),

de la protection de lenvironnement,

de la mondialisation des marchs comportant

la problmatique des produits cibls first on the market ,

..

et de la demande de procds et dinnovations technologiques durables

Vous avez dit Le Gnie Chimique et des Procds moderne vert ?

Ou Comment produire durablement des molcules aux enjeux environnementaux et conomiques

Jean-Claude Charpentier

Laboratoire Ractions et Gnie des Procds CNRS/ENSIC cole Nationale Suprieure des Industries Chimiques

Universit de Lorraine, Nancy

[email protected]

)


Procds durables (verts) et propres

Petit rappel de vocabulaire introductif: On va utiliser les notions de

- dveloppement durable: avec ses 3 composantes: conomie, Environnement, Socit: Profit, Planet, People

- chimie verte: i.e. 12 Principes de la Chimie Verte: Notion de Green Chemistry

- Procds: i.e. procds de production dun produit (chimique, ptrolier, textile, pharmaceutique, cosmtique,

- alimentaire, papetier, verre, sidrurgie, bitume, nuclaire, lectronique, etc..)

Notion de Green Engineering

- Gnie Chimique et Gnie des Procds, en langue anglaise: Chemical Engineering et non Chemistry Engineering

- Paradigmes: concepts, mthodologie propre une discipline scientifique,

- par exemple pour le Gnie des Procds, les paradigmes sont

- les oprations unitaires (distillation, absorption, extraction, fluidisation, filtration, schage, etc..)

- les transferts coupls (matire, chaleur, quantit de mouvement) et le gnie de la raction chimique

- Et notions et vocabulaires interchangeables: durable ou vert (sustainable)


Les 12 principes de la Chimie Verte


plan

LE MONDE DES INDUSTRIES CHIMIQUES ET CONNEXES AU COEUR

DUN GRAND NOMBRE de DEFIS SCIENTIFIQUES ET TECHNOLOGIQUES Dus - la croissance rapide des connaissances en chimie et biochimie

- au comportement non durable de lhumanit (question dnergies et de matires premires) - et aux demandes du 21me sicle clairement focalises sur des exigences socitales

QUATTEND-ON DU GENIE CHIMIQUE ET DES PROCEDES et POURQUOI ?

Les dfis pour la conception de procds propres et durables pour llaboration de

produits avec des proprits dusage requises, first on the market: Dveloppement Durable

Avec LAPPROCHE MODERNE MULTIECHELLE DU GENIE DES PROCEDES EN 2013 :

Vous avez dit le GENIE du TRIPLET PROCESSUS molculaires-PRODUITS- PROCEDES (G3P)

Et alors, LE GENIE DES PROCEDES: QUO VAMUS ?

Lapproche intgre multidisciplinaire et multichelle de temps et despace pour une technologie-cl

au service dun grand nombre de besoins de lhumanit ( Energie, Environnement, Eau, Sant,

Alimentaire.et Business!! ),

i.e. (vers un Gnie des Procds verts (durable) pour la conception de lusine du futur....

mais Comment?)

4 pistes proposes: Charpentier, lactualit chimique, Avril 2011, 351, 14


Une vision de lusine du futur mettant en oeuvre le Gnie des Procds Moderne Durable Vert avec lIntensification des Procds ( droite), comparer avec une usine

conventionnelle ( gauche). (Rendering courtesy of DSM)

Oprant avec des PROCEDES NON POLLUANT, TRES EFFICACES mettant en oeuvre

lIntensification des procds pour la production de produits verts (cibls)

ECONOMIES de 30 % (MATIERES PREMIERES + ENERGIE + COTS OPERATOIRES)

Mais de moins en moins un rve!...Cest lobjet de cette confrence


3- Elaboration des proprits dusage: dveloppement dun gnie multidisciplinaire orient produit portant sur la technologie des solides et sur

la mise en uvre des fluides complexes Gnie du Produit

4 pistes

proposes pour un gnie des procds moderne pour les industries chimiques et connexes:

1- Augmenter la productivit et la slectivit avec des oprations intelligentes et un contrle

multi chelle des processus

2- Conception de nouveaux quipements bass sur des principes scientifiques et de

nouveaux modes de production: intensification des procds (avec racteurs multifonctionnels ou micro structurs) (microfluidique)

4- Implmenter la modlisation et la simulation informatique multichelle et

multidisciplinaire du gnie des procds aux situations de la vie relle:

de lchelle de la molcule jusquaux chelles de la production

(incluant automatique, contrle et scurit produits/procds)

GENIE DES PROCEDES

VERT (durable)

GREEN PROCESS

ENGINEERING (sustainable)

GREEN PROCESS

ENGINEERING

(sustainable)

GENIE DES

PROCEDES

VERT (durable)


Quest-ce donc que le gnie des Procds?

Dfinition anglo-saxonne du terme Chemical Engineering

Cest la profession pour laquelle des connaissances en mathmatiques,

chimie, physique et autres sciences naturelles acquises par les tudes, par

lexprience et par la pratique sont appliques avec jugement pour

dvelopper les faons conomiques et environnementalement acceptables

dutiliser les matires premires et lnergie pour le bnfice de lhumanit.

Parfois rsum par

Le domaine du Gnie Chimique consiste dans les transformations

physiques, chimiques et biologiques de la matire premire en produits


Cest une Science de lIngnieur* multidisciplinaire qui intgre les concepts des sciences de base:

-Thermodynamique chimique et biologique,

-Catalyse et cintique chimique,

-Cintique physique (transfert de chaleur, de masse et de quantit de mouvement),

-Mcanique des fluides et des milieux poreux et disperss,

-Dynamique des systmes,

-Optimisation, Simulation, Automatique, Contrle, Scurit

-Sciences conomiques.

* Science de lIngnieur: science sous contrainte avec obligation de russite

Le but du Gnie des Procds est le dveloppement de concepts scientifiques, de mthodologies et de technologies pour mieux comprendre, concevoir, dessiner, construire,

extrapoler lchelle industrielle et faire fonctionner de faon optimale

les procds qui transforment les matires premires et lnergie en des produits utiles au consommateur pour leurs proprits dusage.


EVOLUTION du GENIE CHIMIQUE et DES PROCEDES DEPUIS 63 ANS

Transformations Physico Chimiques

(et Biologiques)

Matires

Premires

1950

Energie

1950

1996 Emotion du public

Contraintes environnementales

et socitales

DEVELOPPEMENT

DURABLE

Produits

dchets

Proprits

dusage

2013 Confrence

2me

Rencontre

chimie

durable en

Poitou

Charentes

CCI Niort

02/09/2013

Information, contrle

de procds

1970


Proprits dusage dun produit (end-use properties)

Les proprits dusage sont conditionnes par

Maitrise de la MORPHOLOGIE, GRANULOMETRIE, POROSITE des SOLIDES (technologie des poudres et solides diviss)

et des TAILLES de BULLES DE GAZ et des GOUTTES de LIQUIDE

(technologie et chimie des surfaces fonctionalises)

Produits beaucoup plus complexes en termes de structures molculaires que les

produits chimiques traditionnels labors avec les procds eux aussi traditionnels.

Forme

Couleur

Toucher

Maniement

Cohsion

Friabilit

Douceur aprs hydratation

Aptitude se dissoudre

dimension

Rugosit

Got, Succulence

Flaveur

Esthtique

Proprits sensorielles

Relargage contrl de mdicaments encapsuls

Emulsions (Pico, nano, micro) mono disperses


Paradigmes Historiques du Gnie des Procds

pour transformer la matire premire et lnergie en produits

1er Paradigme: Oprations Unitaires

2me Paradigme: Phenomnes de Transport

initi par Arthur D. Little ca. 1907

livre: Principles of Chemical Engineering by Walker, Lewis and

McAdams (1923)

centr sur les quipements, leurs constructions and performances

distillation, absorption, extraction, filtration, fluidisation, broyage,..

apparus en 1960s

livre: Transport Phenomena by Bird, Stewart and Lightfoot (1960)

centr sur les transferts de matire, chaleur et de quantit de mouvement

dans les quipements et leur modlisation pour extrapolation labo-unit

industrielle

3me Paradigme: Approche Systme INTEGREE MULTIECHELLE (G3P)

pour un Gnie des Procds Vert moderne ( intensification des procds,

laboration des proprits dusage requises pour le Produit Vert dsir, etc)

(vers lUsine du Futur) (Charpentier J.C., Chem Eng Res Des, 2010, 88, 248)





lIntensification des procds pour la production de produits valeur dusage cible


Mais de moins en moins un rve!...Cest lobjet de cette confrence


lINTENSIFICATION des PROCEDES rfre des technologies complexes qui remplacent des quipements chers, de grandes dimensions,

nergivores et polluant ou bien certains procds actuels par

- ceux qui combinent de multiples oprations dans un unique quipement (Ex: distillation ractive) ou dans

un moindre nombre dquipements par une Approche Simplifie Intgrative au stade du process design

- ou ceux qui sont plus petits, moins chers, moins polluant, exigeant moins dnergie, plus surs et plus

efficaces (microfluidique)

- ou de nouveaux modes opratoires avec des solvants notriques verts (fluides supercritiques, liquides

ioniques) ou avec application de forces motrices externes (sources et formes alternatives dnergie)

Ide de DEVELOPPEMENT DURABLE

Produire beaucoup plus et mieux avec beaucoup moins ce qui

Amliore limage de la chimie (conception de procds propres et efficaces)

pour lusine du futur


This is the most unit of its kind!

EFFICIENT

UNE USINE

dans une

BOITE

CHAUSSURE

- Vision

TU Delft 2000

70 cm

DSM 2005 DEVIENT

REALITE


Mixing principles hessel 10


Racteur Microstructur film tombant (IMM)

Intensification of G/L absorption in microstructured falling film. Application to the treatment of

chlorinated VOCs - part I: Comparison between structured and microstructured packings in

absorption devices H. Monnier , L. Falk , F. Lapicque , R. Hadjoudj , C. Roizard

Chemical Engineering Science 2010, Volume 65, 6425 - 6434


Les temps changent. But imagine and remind


The Old: 1920s El Dorado Field, KS


Les temps changent.

Certes les temps ont chang avec les sites industriels conventionnels actuels,

mais il reste concevoir et passer lusine du futur comportant des

technologies et procds propres, surs, efficaces et conomes en matires premires et nergie

i.e.procds zro pollution, zro dfaut, zro accident et fournissant des produits premiers sur le march

pour obtenir un produit concurrentiel cibl pour sa valeur dusage .

Cest le but du Gnie des Procds Moderne avec ses concepts comme lintensification des procds ou le gnie des produits.


LE MONDE DES INDUSTRIES CHIMIQUES ET CONNEXES AU COEUR

DUN GRAND NOMBRE de DEFIS SCIENTIFIQUES ET TECHNOLOGIQUES dus

- au comportement non durable de lhumanit (question dnergies et de matires premires)

- la croissance rapide des connaissances en chimie et biochimie

- et aux demandes du 21me sicle clairement focalises sur des exigences

socitales


Ressources naturelles

Produits et Services

Pollution, Dchets et Perturbations

environnementales

Seulement 25 %poids de ce qui entre dans le tuyau sort sous forme de produits et services

(Source: World Resource Institute)

UN DEVELOPPEMENT NON DURABLE: (NON-SUSTAINABLE MANKIND)

Besoin damliorer lefficacit des procds de production dun:

FACTEUR 4 (Von Weizsacker, 1998)

FACTEUR 10 (Schmidt-Bleek, 1993)

FACTEUR 20 (AllChemE, 2001)

Source:

World Research Institute

(2005)


(1950) Gnie Chimique

Cration en France

Toulouse, Nancy

LES CONNAISSANCES EN CHIMIE CROISSENT RAPIDEMENT

Plus de 14 millions de composs molculaires ont t synthtiss en 2012

Seulement un petit nombre parmi eux se trouve dans la nature

Les autres sont et seront conus et obtenus par les ingnieurs et les scientifiques pour rpondre

aux besoins de lhomme et sa qute de connaissance (voir lre post-gnome)

ALORSde grands dfis attendent le Gnie des Procds pour obtenir les produits dsirs et lesquels dans le cadre des demandes du 21me sicle ?

(2013) Les 2me s Rencontre

s de la chimie durable

en Poitou Charentes

CCI Niort 02/09/2013


Et elles sont clairement focalises sur des exigences socitales comme

- Squestration du CO2

- Combustion en boucle chimique (captage de CO2 avec pnalits dnergies limites)

- Reformage et Oxydation catalytique du mthane pour produire du gaz de synthse (CO+H2)

- Exploitation durable de nouvelles sources nergtiques (gaz et huiles de schistes, solaire, vent.)

- Synthse de biocarburants 1re, 2me et 3me gnration (essences, gasoils, production de H2)

- Stratgie long terme pour lutilisation durable de leau

- Analyse du Cycle de Vie, Conception focalise sur le cycle de vie, Prendre en compte la synergie des sous-

produits et les notions dcosystmes si on veut progresser vers le Dveloppement Durable (Sustainability)

- etc

Demandes du 21me sicle concernent - Conversion de la biomasse

- Dvloppement de biomatriaux

- Prparation de nanoparticules

- Biotechnologies

- Relargage contrl de mdicaments

- Utilisation de liquides ioniques et systmes aqueux biphasiques (chimie verte)

-Fabrication de racteurs polyphasiques micro-structurs pour des ractions slectives (procds

verts)

- etc.


Diagramme simplifi dun captage de CO2 par un solvant


Formules Chimiques de diffrentes amines utilises dans les

procds dabsorption par voie chimique


Absorption ractive

Nouvelles technologies pour CO2/Amines

- Choisir le "meilleur" contacteur

(i.e. le caractriser)

- En dvelopper de nouveaux ?

- Assurer l'extrapolation et la mise en

uvre l chelle industrielle


Lavage de gaz par un solvant slectif: Capture de CO2 par les amines


Diffrentes chelles de simulation

- a/ film de liquide cisaill par un gaz

- b/ chelle de la cellule lmentaire reprsentative dun garnissage structur

- c/ chelle dun bloc de garnissage

- d/ chelle dune colonne (Sulzer Chemtech)

-


(a) Garnissage cascade Mini Rings (Koch-Glitsh) et (b) garnissage IMTP (Koch-Glitsh)

(a) Garnissage structur M250.X (Sulzer) (b) Structure lmentaire dun garnissage structur


Principe de la Combustion en Boucle Chimique

Chemical Looping Combustion

Air

Reactor

Oxidation of MeO:

MexOy-1+1/2O2 MexOy

Fuel

Reactor

reduction of MeO

2(n+m)MexOy+CnH2m

(2n+m)MexOy-1+mCO2+mH2O

Air

Depleted Air

Fuel

Flue Gas

MexOy

MexOy-1

He

at

Re

lease

CO2 for transportation and Storage

Fuel gas

CO2

Air

H2O

fuel reactor

depleted air

air

reactor

deux types de looping:

Boucle sur l'oxygne (oxydes mtalliques, CaS)

Boucle sur le CO2 (carbonates)


H H C H

H H

H C H

H

NN NN NN NN NN NN NN NN NN NN NN NN NN

NN NN NN NN NN NN NN NN

Chemical Looping Combustion

31

H H

C

H H C H

H

NN

Racte

ur

Air

R

acteu

r Fue

l

Sparation du CO2 avec une pnalit nergtique minimale

Oxyde mtallique rduit

Oxyde mtallique

Azote

Combustible

Dioxyde de carbone

eau


Solution alternative aux Amines, l'Oxycombustion, la

Gasification

Avantages spcifiques

sparation CO2 intrinsque

pas dUnit de Sparation dAir

Un trs bon candidat priori pour capter le CO2

Mais...!!!

Dveloppement de procds spcifiques (pas de retrofit !!)

Mise en oeuvre de procds complexes (T, lit fluidis...)

Incertitude sur les matriaux

Intrt du CLC pour le captage du CO2

Pnalit nergtique limite:


La plupart des demandes du 21me sicle sont rpertories dans des feuilles de route Europennes et Nord Amricaines publies depuis une dizaine dannes, qui attirent lattention sur une inquitude globale plantaire o le gnie des procds devra jouer un rle crucial:

- Durabilit, sant, scurit et environnement, nergie, eau, nourriture et boisson,

- gnie des bio systmes, nergie solaire, fusion nuclaire, etc.

Ainsi les procds existant et les nouveaux procds devront tre progressivement adapts

aux principes de la chimie verte.

Et les feuilles de route, proposes pour rpondre aux besoins des industries chimiques et annexes qui doivent satisfaire la fois les demandes conomiques changeantes et rester

mondialement comptitives

- militent pour faire voluer le gnie des procds vers un gnie des procds moderne volontairement concern par le dveloppement durable (le gnie des procds vert)

- confront de nouveaux dfis portant sur des systmes complexes la fois

lchelle des molcules, lchelle des produits et lchelle des procds


Parmi les tches mobilisant le gnie des procds en 2013,

les questions dnergies comme:

- Diminuer la consommation nergtique par lintensification des procds, leur optimisation nergtique et une utilisation rationnelle de lnergie (faire mieux avec moins).

- Rationnaliser lutilisation des nergies fossiles : dvelopper des procds propres de nouvelles gnrations et concevoir des procds originaux de capture et de stockage de dioxyde de carbone en relation avec les Gosciences.

- Introduire une part dnergie renouvelable issue en particulier de la biomasse vgtale et/ou de dchets en relevant les dfis de ladaptation des procds et du recyclage/rutilisation.

- Matriser la production de biofuels et de gaz de synthse partir de la pyrolyse-gazification de vgtaux tout en prservant lquilibre cologique et conomique des productions agricoles.

Une attention particulire est apporter la filire nuclaire en termes de procds, de fiabilit et de scurit tant dans son fonctionnement que dans le dmantlement des installations.


Le Gnie des procds moderne:

Que lui demande ton ?

- tre un gnie des procds moderne vert, (i.e.,approche verte du Gnie des Procds), cest

dire

- tre un gnie des procds durables concern par le couple produits verts/procds

verts pour produire durablement des molcules aux enjeux environnementaux et

conomiques et ce, pour un consommateur exigeant et changeant souvent quant sa

demande de la valeur dusage du produit ( pharmacie, alimentaire, cosmtique,)

- laide dune approche multi-chelle de type molcules-produits-procds

Pourquoi?

Toujours pour amliorer le comportement non durable de lhumanit


Ressources naturelles

Produits et Services

Pollution, Dchets et Perturbations

environnementales

Seulement 25 %poids de ce qui entre dans le tuyau sort sous forme de

produits et services

(Source: World Resource Institute)

UN DEVELOPPEMENT NON DURABLE:

NON-SUSTAINABLE MANKIND

Besoin damliorer lefficacit des procds de production dun:

FACTEUR 4 (Von Weizsacker, 1998)

FACTEUR 10 (Schmidt-Bleek, 1993)

FACTEUR 20 (AllChemE, 2001)

Source:

World Research Institute

(2005)


Pour un comportement dveloppement durable, lapproche du Gnie des Procds doit donc se focaliser sur

MEILLEURS

PROCEDES

MEILLEURS PRODUITS

Environnement PLUS PROPRE & PLUS VERT

PLUS GROS PROFITS


Un comportement DEVELOPPEMENT DURABLE ncessite des efforts bien quilibrs dans 3 domaines

Economie (Profit)

Environnement (Planet)

Societ (People)


lINTENSIFICATION des PROCEDES rfre des technologies complexes qui remplacent des quipements chers, de grandes dimensions,

nergivores et polluant ou bien certains procds actuels par

- ceux qui combinent de multiples oprations dans un unique quipement (Ex: distillation ractive) ou dans

un moindre nombre dquipements par une Approche Simplifie Intgrative au stade du process design

- ou ceux qui sont plus petits, moins chers, moins polluant, exigeant moins dnergie, plus surs et plus

efficaces (microfluidique)

- ou de nouveaux modes opratoires avec des solvants notriques verts (fluides supercritiques, liquides

ioniques) ou avec application de forces motrices externes (sources et formes alternatives dnergie)

Ide de DEVELOPPEMENT DURABLE

Produire beaucoup plus et mieux avec beaucoup moins ce qui

Amliore limage de la chimie (conception de procds propres et efficaces)

pour lusine du futur





lIntensification des procds pour la production de produits concurrentiels (cibls)


Mais de moins en moins un rve!...


.

Pas toujours un rve (de nombreux projetssources de financement)

The European funding policy

- Factory of the future and Flexible Future Production Strategies Nanosciences, Nanotechnologies, Materials Calls EU FP7 NMP-2009 and European Commission 2010 Research-Industrial Technologies, Factories of the Future

PILLS 2009 www.fp7pills.eu,- COPIRIDE 2009 www.copiride.eu,- F3 FACTORY 2009, www.f3factory.com

- Projet Institut de lusine dcarbone du futur INDEED (Appel projets Instituts

dExcellence en Energies Dcarbones (IEED))

- The consortium of CARENA CAtalytic REactors based on New mAterials Collaborative project to create technologies enabling efficient conversion of light alkanes and

CO2 into higher value chemicals

- Projet ANR FUTUR PROD (Systmes de Production du Futur)

Mais aussi dj des ralisations


Concevoir des procds propres et trs efficaces en

raffinage et ptrochimie

Unit FCC

pour la

valorisation

des bruts

lourds pour

produire de

lessence

(conversion

profonde

16,000 bpsd)

usine TAMOIL

Collombey (CH)


Esterfip H process

Premire unit industrielle : Ste en France (dmarrage 03/2006)

160 000 tonnes / an de biodiesel

Puret de Glycerine > 98.5% sans tape de purification

Activit Catalytique stable pendant 9 mois

Concevoir des procds

propres et trs efficaces

en raffinage et biochimie (diesel partir biomasse 1G)


Et elles sont clairement focalises sur des exigences socitales comme

- Squestration du CO2

- Combustion en boucle chimique (captage de CO2 avec pnalits dnergies limites)

- Reformage et Oxydation catalytique du mthane pour produire du gaz de synthse (CO+H2)

- Exploitation durable de nouvelles sources nergtiques (gaz et huiles de schistes, solaire, vent.)

- Synthse de biocarburants 1re, 2me et 3me gnration (essences, gasoils, production de H2) - Stratgie long terme pour lutilisation durable de leau

- Analyse du Cycle de Vie, Conception focalise sur le cycle de vie, Prendre en compte la synergie des sous-produits et les

notions dcosystmes si on veut progresser vers le Dveloppement Durable (Sustainability)

- etc

Demandes du 21me sicle concernent - Conversion de la biomasse

- Dvloppement de biomatriaux

- Prparation de nanoparticules

- Biotechnologies

- Relargage contrl de mdicaments

- Utilisation de liquides ioniques et systmes aqueux biphasiques (chimie verte)

-Fabrication de racteurs polyphasiques micro-structurs pour des ractions slectives (procds

verts)

- etc.


thanol

diesters ( EMHV )

Les filires actuelles pour Biocarburants 1re gnration


Valorisation du Bois


Biocarburants 2me Gnration


Biomasse 2G


Principales voies de fabrication de carburants 2me Gnration


Perspectives march

carburants alternatifs Mbdoe

Biodiesel-1G 0.67 Mbdoe

Source: Axens estimates, April 2009

Biodiesel-2G 0.18 Mbdoe

GTL liquids 0.55 Mbpdoe

CTL liquids 0.68 Mbdoe

Ethanol-1G 1.34 Mbdoe

Ethanol-2G 0.87 Mbdoe

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

2005 2010

est.

2015

est.

2020

est.

2025

est.

2030

est.


hydrogne

biodisel

hydrogne

Biocarburants de 2me et 3me gnrations

2G

Biomasse

ligno-cellulosique

3G

Micro-organismes

photosynthtiques

Pilotes

Dmonstrateurs

Recherche en

Gnie des

Procds


De la Cellule au Photobioracteur

Ingnierie des photobioracteurs


Biofuels


Alors QUATTEND-ON DU GENIE CHIMIQUE ET DES PROCEDES et POURQUOI ?

Relever les dfis pour

la conception de procds propres et durables pour llaboration de produits avec des proprits dusage requises par consommateur exigeant, et produits first on the market:

donc

Comment Intensifier les Procds dans le cadre du Dveloppement Durable


INTENSIFICATION DES PROCEDES

DEUX DEFIS POUR

LE GENIE DES PROCEDES


-1er DEFI: Production de PRODUITS de COMMODITES et dINTERMEDIAIRES

(ammoniaque, carbonate decalcium , ethylene, benzene, butadiene, amines,) (40% demande des marchs)

Supplying high volume bulk chemicals

Issue: Quels procds pour produire avec les plus faibles prix possibles?

LE CLIENT ACHETE UN PROCEDE

NON POLLUANT, SANS DEFAUTS, PARFAITEMENT SECURISES

(Gnie des Procds Verts (Green Process Engineering)) Mais

la production dans le futur doit saccrotre (X facteur 6 en 2050, en supposant un taux de croissance de 4%),

et donc les sites industriels ne pourront plus tre construits dans un esprit

JUST A BIT BIGGER

Alors le dfi est de sorienter vers

CHANGEMENT de TECHNOLOGIE (i.e. Intensification des Procds)

et/ou INNOVATION (i.e. Nouveaux procds),

Mais Innovation.


Oui mais toujours ce vieux problme dextrapolation grande chelle

Waiting until kilo-lab (or later) does not work apparently!

In pharma, reactor is part of approval

Au contraire, pourquoi ne pas soccuper du problme en y apportant une innovation?

Fournir aux chimistes organiciens lchelle du labo un racteur piston quils

pourraient aimer ou, mme prfrer une round bottom flask?? (IMPULSE et suite)

Oui, mais Innovation.


Integrated

Multiscale

Process

Units with

Locally

Structured

Elements

Industrial leaders : GSK, Degussa, P&G, Siemens

Consortium : 20 partners from 8 European countries

Project resources : 17 M over 4 years (of which 10,5 M from the European Commission)

Project duration :February 2005 to January 2009

Project goal :

Effective targeted integration of innovative process

equipment (such as microreactors, compact heat

exchangers, thinfilm devices and other micro and /

or mesostructured components) to attain radical

performance enhancement for whole process

The IMPULSE Project : a European response

to a global challenge 6th European Framework Programme for

Research and Technological Development

Microstructured components in PRODUCTION :

the concept of Structured Multiscale Design

Une nouvelle approche pour la conception des procds chimiques !

STRUCTURED

MULTISCALE

DESIGN

Principle : construction of largescale production systems

with smallscale innerstructuring at specifically

targeted points (= locally structured elements)

Claim : an opportunity for a RADICAL increase in

process performance and a MAJOR contribution

to process intensification for the chemical industries

Need : a rational engineering design methodology

to put Structured Multiscale Design into practice !

Approche : placer la chimie au centre !

Plutt quadapter la chimie aux limites des quipments existant,

Adapter les quipements pour IMPOSER les conditions locales opratoires

requises par la chimie dsire!


IMPULSE: Rsultats en 2009

(www.impulse-project-net)

Secteur des Biens de Consommation ( Procter&Gamble)

Oxydation de SO2 pour fabrication de surfactants, encapsulation de parfums, production

dmulsions contrles: faisabilit sur site industriel

Extrapolation par paralllisation dquipements microstructurs fonctionnant en continu amliorant la qualit des produits et diminuant frais investissements et fonctionnement

Secteur Pharmaceutique (GlaxoSmithKline)

Pour une Hydognation continue avec un prototype de dmonstration (racteur

microstructur) fonctionnant en rgime chimique avec meilleurs rendement, slectivit et

scurit quen technologie conventionnelle (cuve agite en discontinu)

Secteur Chimie de Spcialits (Solvent Innovation, Evonik-Degussa)

Pour fabrication de liquides ioniques, avec ractions trs exothermiques en milieu liq/liq, un racteur

microstructur fonctionnant en continu a amlior la scurit et la qualit des produits en

rduisant lemploi de solvants.


- 2me DEFI: aujourdhui pour la production de produits de CHIMIE FINE et SPECIALITES

60% des produits vendus par une socit chimique, pharmaceutique, agroalimentaire, cosmtique.sont

- CRISTALLINS, POLYMERIQUES ou SOLIDES AMORPHES possdant une forme physique clairement definie pour rpondre

aux qualits standards imposes

- ou bien EMULSIONS et PRODUITS PTEUX la proprit dusage est une microstructure de phases disperses

maintenue par des forces de liaison qui produisent la texture dsire du produit

PRODUITS COURTS TEMPS DE VIE et HAUTES MARGES BENEFICIAIRES

Le consommateur achte le PRODUIT LE PLUS EFFICIENT et LE PREMIER SUR LE MARCHE

(il paie un prix lev, mais attend un large bnfice)

(Conception et production de Produit Verts - avec proprit dusage impose)

(Green Product Design and Engineering) (small scale, fast switch over, versatile batch equipment)


Donc

Suite aux 2 Dfis prcdents poss soit par les industries de procds (Commodits et intermdiaires)

soit par les industries de chimie fine et spcialits (pharma, sant, cosmto, alimentaire)

Le Gnie des Procds moderne durable (vert) doit satisfaire

- La demande des marchs pour des produits spcifiques verts avec des proprits dusage requises

aux chelles des nano et microstructures

- Et les contraintes sociales et environnementales des procds industriels durables (verts)

aux chelles meso et macro de production

Cela demande une approche pluridisciplinaire des diffrents processus physico-chimiques,

non-linaires, non- quilibrs et processus de transport et de transfert aux diffrentes chelles

de la chane de production (bio)chimique,

i.e.,

APPROCHE SYSTEME INTEGRE pluridisciplinaire

AUX DIFFERENTES ECHELLES de TEMPS et dESPACE de la CHANE DE PRODUCTION CHIMIQUE

Echelle de temps : 10-15 108 secondes

Echelle despaces : 10-8 106 mtres

pour une bonne comprhension de la relation qui existe entre les phnomnes intervenant une chelle infrieure avec les proprits et le comportement une chelle suprieure

(depuis chelle molculaire jusqu chelle des procds sur site industriel)


Le Gnie des Procds Moderne: Lapproche multi-chelle de temps et despace de la chane de

production chimique

Aujourdhui le gnie des procds moderne est concern par la comprehension, la conception

lexprimentation, la modlisation et simulation, et le fonctionnement optimal de tous les processus complexes qui interviennent aux diffrentes chelles de la chane de production chimique,

depuis les chelles des nano et microsystmes o les composs chimiques doivent tre synthtiss et caracteriss

au niveau molculaire, (chimie verte)

jusquux chelles industrielles des procds durables fonctionnant en continus ou en batch (procds verts)


- La qualit dun produit est dtermine aux chelles nano and micro et - Un produit avec une proprit dsire doit tre tudi la fois pour sa

structure et pour sa fonction

La cl du succs? Cest:

LA CHAINE DE PRODUCTION CHIMIQUE: MODLISATION MULTICHELLE

- Dobtenir la proprit dusage dsire et ensuite de contrler la qualit du produit

en contrlant la formation de la microstructure

Cette comprhension aide faire le saut depuis lchelle nano de la valeur dusage jusquaux chelles meso and macro du procd de production qui assure la qualit du produit requise

par le consommateur

(APPROCHE INTGRE MULTICHELLE DUN SYSTEME COMPLEXE)

- Alors une bonne comprhension de la relation structure/proprit la fois aux 2 chelles

chelle molculaire (e.g., physique et chimie des surfaces)

chelle Microscopique (e.g., couplage mcanismes ractionnels et mcanique

des fluides)

est de premire importance pour tre capable de concevoir les procds de production


Paradigms of Chemical and Process Engineering

1er Paradigme: Operations Unitaires

2me Paradigme: Phnomnes de Transport

initiated by Arthur D. Little ca. 1907

book: Principles of Chemical Engineering by Walker, Lewis and McAdams (1923)

focus on equipments, construction and performances

appeared in 1960s

book: Transport Phenomena by Bird, Stewart and Lightfoot (1960)

focus on momentum, heat and mass transfer, modelling

3me Paradigme: Modelisation de lApproche Multichelle pour un gnie des procds moderne (vert/durable) (pour lintensification des procds, pour laborer les proprits dusage,..) (Charpentier, Chem Eng Res Des, 2010, 88, 248-254)

Lois dextrapolation Bottom up

chelles Nano Mega chelles

Lois dextrapolation Top-down


Les dfis de la

modlisation et simulation en gnie des procds pour le couple produits/procds verts

Simulation procds

Simulation par Champ de F (Atomes)

Modlisation Meso (Nano-objets)

nm m mm m

Anne

Heure

Minute

Seconde

Microseconde

Nanoseconde

Picoseconde

Ech

elle

de te

mps

Echelle d'espaces

Mecanique Quantique (Electrons)

HY=EY

Simulation de Racteur

I-1 I+1

Simulation CFD locale


Simulation multichelle de la thermo hydraulique

diphasique des racteurs nuclaires


Vision multi-chelle d'un procd catalytique lit fluidis

Echelles hydrodynamiques

MICRO MESO MACRO


Les chelles de temps et despace couvertes dans lapproche

multichelle despace et de temps

Organiser les niveaux de complexit


Organiser les niveaux de complexit croissante souligne

la prsentation moderne du gnie des procds

Echelle-Macro

Units de

Production

Usines

Echelle-Mega

Environnement

Atmosphre

Ocans

Sols

Echelle-Meso

Reacteurs

Echangeurs

Separateurs

Pompes

Echelle-Nano

Processus

Moleculaires

Sites actifs

Echelle-Micro

Particules

Gouttes

Bulles

Mouillage

Particules

entre

COMPLEXITE

STRUCTURE MOLECULAIRE

DYNAMIQUE DES FLUIDES

REACTION

COMPLEXITE

entre PROCEDE

BUSINESS

COMPRENDRE et DECRIRE les relations entre les vnements aux chelles NANO et MICRO

pour mieux convertir les MOLECULES en PRODUTS UTILES aux chelles du PROCEDE

Transformer les MOLECULES INTO MONEY


AINSI ORGANISER A DIFFERENTES ECHELLES

LA COMPLEXITE DU CONCUBINAGE

ENTRE LA PHYSIQUE ET LES PROCESSUS MOLECULAIRES

EST DEVENU NECESSAIRE

POUR COMPRENDRE ET DECRIRE LES RELATIONS ENTRE LES PHENOMENES INTERVENANT AUX ECHELLES

NANO ET MICRO POUR MIEUX CONVERTIR LES MOLECULES EN PRODUITS A VALEUR DUSAGE REQUISE A

LECHELLE DES PROCEDES

Cest lapproche moderne du Gnie Chimique et des Procds

(i.e. obtenir des produits durables (verts) avec des procds durables (verts) et propres)

(Charpentier, Chem Eng Res Des., 2010, 88 , 248-254)


CES CONCEPTS ET METHODES REQUIS

pour une APPROCHE INTEGREE PLURIDISCIPLINAIRE ET PLURIECHELLE

Gnie du triplet Processus-Produit-Procd (G3P)

Concernant le couple produits/procds verts (pour dveloppement durable)

sont et seront obtenus grce aux

AVANCEES en

MODELISATION MOLECULAIRE

PUISSANCE DE LOUTIL INFORMATIQUE

INSTRUMENTATION SCIENTIFIQUE

en collaboration avec

Chimistes, biologistes, cotoxicologistes, mathmaticiens et

physiciens et spcialistes de linstrumentation


Mesoscale & macroscale

Complex hydrodynamics (GSL catalytic reactor, non newtonian rheology,

) & complex geometries

Avances en Gnie des Procds dues

Modlisation Molculaire et Outils Informatiques

Nanoscale

to better control catalysis and surface states of catalyst.

use of molecular modeling

Microscale

complex and particular systems whose properties are controlled by

interfacial phenomena, fractal structure of porous media.

progress in computational chemistry very useful

progress in Computational Fluid Dynamics (CFD)

(Mcanique des Fluides Numrique)

Falk L., Charpentier J. C., Keynote Lecture WCCE 8, Montral, 2009


CHEMICAL REACTION ENGINEERING LABORATORY

Past & Present Future

REACTION ENGINEERING

Art Science

S23


Traditional

Scale-up in Size

Approaches for Scale-up

Emerging (Dream ?) Apply Fundamentals on:

Molecular scale

Reactor Scale

Eddy / Particle

Integration of Knowledge from Catalyst Science and Reaction / Process Engineering

Multi-Scale Analysis

10-12

10-3

101

L, m


Heureusement pour la conception des procds modernes avec technologies innovantes,

tout ne sera pas conu in silico .par modlisation numrique

MAIS !!!

Le goulot dtranglement pour les bons modles de systmes complexes et multiphasiques

est la comprhension de la physique, chimie et biologie des interactions plutt que le

raffinement des codes de calcul

ET

Besoin de modles utiles pour un Gnie des Procds Vert

avec moins danatomie et plus de physiologie

Et pour llaboration de ces modles citons EINSTEIN:

Keep things as simple as possible, but not simpler

Donc pour llaborationt des modles, il faut continuer de dvelopper et dutiliser

- Des techniques exprimentales trs fines et non intrusives

- Des codes de simulation dchelle trs fins pour des gomtries simples


(used in medical world) information both at MICROSCOPIC and MACROSCOPIC scale on physical and

chemical phenomena such as

structure and dynamics of structures (molecular and micron-scale)

rate of particle agglomeration

rate of coalescence of bubbles and drops

rate of nucleation in crystallization

rate of coagulation of colloids

Nuclear Magnetic Resonance (NMR)

Avances en Gnie des Procds dues

Fine non intrusive instrumentation and Image Processing

Magnetic Resonance Imaging (MRI) and computed Tomography Technique

(-ray, X-Ray,..) coupled with 3D Image Analysis Technique

Structural heterogeneity of materials and porous media; concentration, temperature, velocity profiles;

flow distribution; access to local momentum, heat and mass transfer

High throughput measuring techniques (exprimentation hauts dbits): kinetics, thermodynamics thanks to NANO and MICRO-technology

Falk L., Charpentier J. C., Keynote Lecture WCCE 8 Montral, 2009


En intgrant les considerations prcdentes sur lvolution du Gnie des

Procds

Conduisant vers

Un Gnie des Procds vert

avec laide de lapproche intgre multichelle espace/temps

(G3P) LE GENIE DU TRIPLET : PROCESSUS

PRODUIT

PROCEDE

Les recherches sont engages simultanment dans

4 pistes parallles et complmentaires


3- Elaboration des proprits dusage: dveloppement dun gnie multidisciplinaire orient produit portant sur la technologie des solides et sur la mise en uvre des fluides complexes: Gnie du Produit

1- Augmenter la productivit et la slectivit avec des oprations intelligentes et un

contrle multi chelle des processus i.e. Molecular information engineering, Nano and Micro

faonnage de matriaux poreux et cristallins (nanotechnology)

2- Conception de nouveaux quipements bass sur des principes scientifiques et de nouveaux modes de production :intensification des procds (avec racteurs multifonctionnels ou micro structurs ou nouveaux modes poratoires)

4- Implmenter la modlisation et la simulation informatique multichelle et

multidisciplinaire du gnie des procds aux situations de la vie relle: de lchelle de la molcule jusquaux chelles de la production Automation, Contrle et scurit , LCA

Gnie des Procds

Vert avec approche

multichelle

Green Process

Engineering with multiscale approach

Gnie des Procds

Vert avec approche multichelle

Gnie des Procds

Vert avec approche multichelle


2- INTENSIFICATION DES PROCEDES

Stratgie pour effectuer une rduction significative de la taille des sites industriels

conduisant des rductions de cots dinvestissement et des cots opratoires

Producing much more and better with using much less

afin dobtenir UN OBJECTIF DE PRODUCTION IMPOSE

- Intensification des Procds en utilisant des racteurs multifonctionnels

- Intensification des Procds en utilisant de nouveaux modes operatoires ou de

nouveaux fluides verts green ou lapplication de forces motrices externes

- Intensification des Procds en utilisant la microenginirie et microtechnologies

- Intensification des Procds en utilisant une Approche Systme pour simplifier le Procd avec une Integration au niveau conceptuel du procd (least number of processing steps)


2-1 INTENSIFICATION DES PROCEDES avec REACTEURS MULTIFONCTIONNELS qui dans le mme quipement couplent ou dcouplent les processus elementaires (tranfert - reaction -

separation) pour augmenter la productivit, selectivit ou pour facilitater la separation des sous-

produits indsirables

Distillation catalytique

Absorption avec raction chimique

Extraction deux phases liquide-liquide avec reaction (ou extraction reactive)

Racteurs chromatographiques

Cristallisation et distillation ractives

Reacteurs membranaires : MC, MD, emulsification membranaire, membranes liquide support

Garnissages structurs, monolithes, lits de catalyseurs hierarchiquement structurs

Cela conduit aux demandes socitales de durabilit (conomies dnergies et de

matires premires, etcavec

TECHNOLOGIES PLUS COMPACTES, SECURISEES, MOINS DE CONSOMMATION DENERGIES, et

ENVIRONMENTALLY FRIENDLY SUSTAINABLE (PROCEDES VERTS et PROPRES)


2.2 INTENSIFICATION DES PROCEDES avec de

NOUVEAUX MODES OPERATOIRES

(new green process or green media) (solvants notriques: fluides supercritiques,

liquides ioniques, liquides fluors)

et/ou

APPLICATION de FORCES MOTRICES EXTERNES (i.e.

alternative sources and forms of energy)


Procd Dimersol: en chimie

+ +

6 % 5 9 % 3 4 %

Isooctnes (fabriqus partir du Butne en utilisant une catalyse liquide biphasique

avec un solvant organique)

sont utiliss comme matriau de dpart pour

les plastifiants PVC

0.5 Mt produits / an


Produits

Reactifs

solvant + catalyseur

Reactifs

Produits

Ni

Catalyse Biphasique Liquide-Liquide avec liquide ionique non aqueux


Butnes

Catalyseur

Vers la section de

lavage et de

distillation

Procd Dimersol

Procd Difasol

Products

Ractifs Phase Active

Contenant le catalyseur

Vers la section de

distillation

4 racteurs de 120 m3

1 racteur de 50 m3

consommation catalyseur (Sels de Ni) divise par 10

Meilleur rendement en dimres

20t/h alimentation


Sources et formes alternatives dnergies

Energy source Intensified element

(examples)

Possible magnitude of intensification

Potential sustainability-related effects

Reaction time 1000 times

Equipment size 100 times High gravity field

Liquid-side mass transfer 200 times

Energy, material efficiency, waste reduction, safety

Interfacial area 500 times Electric field

Heat transfer 10 times Energy

Reaction time 1250 times Electromagnetic field - microwaves Distillation time 20 times

Energy, material efficiency

Electromagnetic field - light

Product yield/selectivity

Several times, in some cases 100% selectivity can be achieved, not achievable by conventional methods

Material efficiency, waste reduction, safety

Reaction time 25 times

Gas-liquid mass transfer 5 times Acoustic field - ultrasound

Liquid-solid mass transfer 20 times

Energy, material efficiency

Supersonic shockwave Gas-liquid mass transfer coefficient

10 times Energy, material efficiency

(Stankiewicz, Chem. Eng. Res. Des., 2006, 84, 511)


Utilisation de la Microfluidique

pour

lIntensification des Procds avec

des racteurs et mlangeurs micro structurs


Droplet formation hessel 12


Comparaison of the 3 micromixers H29

59


Laboratory application H22


Application de la technologie microfluidique (microchannel) non seulement pour le criblage de catalyseurs ou de principes actifs pharmaceutiques ou

cosmtiques,

mais

pour la production aux chelles du laboratoire et du pilote industriel


Racteurs Microstructurs vs Racteurs Conventionels -Domaines de Variation Typiques pour les Parametres de Conception-

Volume interne 1-1000 L 100 ml-30,000 L

Aire dinterface/Volume 10,000-50,000 m2/m3 100-1000 m2/m3

Coeff.transfert chaleur 10-25,000 kW/m2/K

Epaisseur de film ~25 L ~250 L

Temps de Mlange < 1 sec > 1 sec

17-25 kW/m2/K

Puissance fournir 10 X less

Racteurs Microstructurs

Racteurs Conventionels

Paramtres de conception

X


Racteurs Microstructurs

pour lIntensification des Procds

Source: Britest

Department of Chemical Engineering

Indian Institute of Technology Delhi, India


Canaux et rservoirs miniaturiss

- Grand rapport surface/volume

- Mlangeage et dosage prcis

- Contrle thermique amlior

- Suret de fonctionnement et de manipulation

- Cots rduits en ractifs

Intgration des Systmes hardware, wet- ware, and software

- Investigation plus dtaille pour lespace paramtrique

- Amlioration de la recherche de lefficacit

- Meilleures statistiques des rsultats

Avantages des Systmes Microstructurs ractionnels


MICROMELANGEUR SUPERFOCUS A PLUS LARGE-CAPACITE DE PRODUCTION

(350 l/h; 10 bar)

Racteurs Microstructurs: units de production

avec des Micro racteurs: technologies micro process

P. Lb et al., Chem. Eng. Tech. 27,

3 (2008) 340-345


Non seulement aux chelles du laboratoire et du pilote,

mais

Application de la technologie

microfluidique (microchannel) de plus

grandes chelles de production (jusqu plusieurs tonnes/heures)

WHY?


(a) Une miniature dans G. Agricola, De Re Metallica,, 1556

(b) Bassin de sdimentation dans une station de traitement deaux, 2006


This is the most unit of its kind!

EFFICIENT

UNE USINE

dans une

BOITE

CHAUSSURE

- Vision

TU Delft 2000

70 cm

DSM 2005 DEVIENT

REALITE


Hessel 11 PARAGDIM CHANGE : microreactor

based PI

66


De fait les micromlangeurs et racteurs microstructurs avec de nombreuses microstructures sophistiques

qui favorisent le micromlange et les transferts de matire et de chaleur sont maintenant utiliss comme outils

de production industrielle avec une large gamme de dbits de fluides:

- - Quelques l/h dans les industries pharmaceutiques, cosmtiques, alimentaires pour la synthse de produits de spcialits ou pour la gnration de crmes, de mousses ou dmulsions,

- - Plusieurs dizaines de m3/h pour les industries chimiques et ptrolires, par exemple - - Production de polymres

- - Oxydation catalytique partielle du mthane

- - Rformage catalytique la vapeur avec diminution des missions polluantes

- - Synthse Fischer-Tropsch pour convertir la biomasse en carburants

- - Industries de chimie fine en synthse organique pour la production de produits oxygns, comme H2O2, Oxyde de Propylne

Un des principaux avantages est quun grand nombre des procds discontinus peuvent

tre conduits en continus en utilisant ces nouvelles technologies qui savrent beaucoup

plus souples que les procds traditionnels. Lintgration des racteurs microstructurs au

sein des installations existantes est ainsi facilite.


Pour PRODUCTION INDUSTRIELLE

62


Racteurs Microstructurs- Scnarios Industriels Actuels (2012)


INTENSIFICATION des PROCEDES avec EQUIPEMENTS MICROSTRUCTURES en PRODUCTION CHIMIQUE

Mlangeurs et racteurs microstructurs couvrent maintenant une grande gamme de dbits

Small interdigital micromixers : a few mL/h (laboratory)

Caterpillar micromixers : ~100L/h (pilot-production)

Starlaminators series 300-30,000L/h (unit-production)

Cependant obstacles surmonter avant que lIntensification des Procds soit encore plus rpandue en

production:

- Maturit et comptitivit conomique de ces nouvelles technologies comparable avec technologies

conventionnelles (quipements multifonctionnels lexception distillation catalytique et racteurs

membranaires)

- Conservatisme des socits propritaires dinstallation de production en discontinu ne permet pas

daccepter facilement des solutions de production en continu (avec dispositifs microstructurs)

Mais il existe aujourdhui de srieux efforts pour des transferts radicaux dinnovation technologique dans la pratique industrielle


Il existe aujourdhui de srieux efforts pour des transferts radicaux dinnovation technologique avec des changements faisant appel aux technologies micro-procds et intensification des

procds dans la pratique industrielle

(i.e. au niveau de la Commission Europenne)

Programmes de financements europens

.

Factory of the future and Flexible Future Production Strategies

Nanosciences, Nanotechnologies, Materials Calls EU FP7 NMP-2009

and European Commission 2010 Research-Industrial Technologies, Factories of the Future PILLS 2009 www.fp7pills.eu,- COPIRIDE 2009 www.copiride.eu,- F3 FACTORY 2009, www.f3factory.com

La politique de financements europens

is to exploit the full potential of microprocess technologies to the realisation

of new, intensified process and plant concepts for speeding up market penetration, for

enhancing the product life-cycle and improving sustainable production .


Politique de Financements Europens

5 grands projets lancs avec la participation de partenaires industriels majeurs dont

les 3 projets:

- PILLS 2009 process intensification methodologies for liquid-liquid systems in structured equipment www.fp7pills.eu,

- COPIRIDE 2009 combining process intensification-driven manufacture of micro-structured reactors and process design regarding to industrial dimensions and environment www.copiride.eu,

- F3 FACTORY 2009, EU Large scale Project, stands for flexible, fast and future production processes www.f3factory.com

Dans le cadre de ces projets, linnovation technologique doit se faire 2 niveaux:

- Au niveau du racteur: transformer la production batch en continu ce qui doit tre favoris par et

- Dvelopper des capacits de production modulaires, compactes, fast-responsive et flexibles dans lesquelles les nouveaux racteurs microstructurs pourront tre insrs.


Une amlioration radicale de la durabilit dans la conception des procds (questions dnergies et denvironnement) est aujourdhui techniquement concevable

avec lintensification des procds par le dveloppement dquipements multifunctionels, en utilisant de nouveaux opratoires, ou par la miniaturisation des procds (microfluidique).


LIntensification des Procds pour la

Scurit des Procds:

SMALLER

is

SAFER!

Bhopal, December 3, 1984 BHOPAL LESSON:

The disaster could have been

avoided!

Union Carbide design 41 tons of

methyl isocyanate (MIC)

PI design less than 10 kg of MIC

(D. Hendershot, CEP, 2000)


Pour un Gnie des Procds Moderne dans les industries chimiques et annexes

4 pistes simultanes de recherche scientifique et technologique Charpentier, Ind Eng Chem Res., 2007, 46, 3465

3- Elaboration des proprits dusage: dveloppement dun gnie multidisciplinaire orient produit portant sur la technologie des solides

et sur la mise en uvre des fluides complexes (Gnie du Produit)

1- Augmenter la productivit et la slectivit avec des oprations intelligentes et un contrle

multi chelle des processus i.e. Molecular information engineering, Nano and Micro faonnage

de matriaux poreux et cristallins (nanotechnology)

2- Conception de nouveaux quipements bass sur des principes scientifiques et de nouveaux modes de production : intensification des procds (avec racteurs multifonctionnels ou micro structurs ou nouveaux modes poratoires )

4- Implmenter la modlisation et la simulation informatique multichelle et multidisciplinaire du gnie des procds aux situations de la vie relle: de lchelle de la molcule jusquaux chelles de la production Automation, Contrle et scurit,

Analyse du Cycle de Vie (LCA)


Les dfis de la

modlisation et simulation en gnie des procds pour le couple produits/procds verts

Simulation procds

Simulation par Champ de F (Atomes)

Modlisation Meso (Nano-objets)

nm m mm m

Anne

Heure

Minute

Seconde

Microseconde

Nanoseconde

Picoseconde

Ech

elle

de te

mps

Echelle d'espaces

Mecanique Quantique (Electrons)

HY=EY Simulation de

Racteur

I-1 I+1

Simulation CFD locale


Predictions

Rsultats

Thermodynamiques

10-16

10-14

10-6

10-4

10-2

100

102

104

chelle Molculaire

Hydrodynamique, Phnomnes de transport

Scurit

chelle du site de

production

HPC (Calculs Hautes Performances)

(CFD, couplage chimie,

transfert, hydrodynamique)

Simulation dynamique

Automatisation Contrle de Procds

Supervision

longueur [m]

1 2 3 4


PSM process system modeling, CFD computational fluid dynamics, CCH computational chemistry,

FV finite volume, FE finite element, LB lattice-Boltzmann approach, MC Monte Carlo,

MM mesoscale, microFE micro-finite element, MD molecular dynamics, QCH quantum chemistry.

http://www.sciencedirect.com.gate6.inist.fr/science/article/pii/S0098135410001894#gr1#gr1


EN CONCLUSION

De trop nombreux congrs en chimie et gnie des procds dans la dernire dcennie ont alarm sur les

faiblesses et les menaces. Au contraire jai essay dinsister sur les forces et opportunits

WE MUST BE CONFIDENT!!!!!

En dcoupant le GATEAU Gnie des Procds de diffrentes faon, tout spcialement avec la force contenue dans

le GENIE DES PROCEDES VERT avec Intensification des Procds et Gnie des Produits et avec le

paradigme concernant lapproche intgre multichelle (G3P) pour le couple produits/procds verts,

Jessaie de convaincre que le GATEAU est plus riche et plus gros!

En effet le GENIE DES PROCEDES VERT reprsente une contribution-cl pour aider relever les DEFIS de

lINNOVATION INDUSTRIELLE pour le DEVELOPPEMENT DURABLE (i. e. nergie et environnement)

et pour amliorer la QUALITE DE VIE

tout en prennisant une production comptitive

Lire les livres

Gnie des Procds Durables, du concept la concrtisation industrielle M. Poux, P. Cognet, C. Gourdon, Dunod, Paris, 2010

Le Gnie des procds et lentreprise: projets industriels et management du changement Dal Pont J.P., Hermes Lavoisier, Paris, 2011

Scurit des procds chimiques: Connaissances de base et mthodes danalyse de risques Laurent A., Editions Tec & Doc., Lavoisier, Paris, 2011


Pour lapplication de lapproache multichelle

pour un gnie des procds moderne (durable, vert)

(molecules into money)

Citations of the french revolutionnaire DANTON

DE LAUDACE

TOUJOURS DE LAUDACE

ENCORE DE LAUDACE

Pour rpondre comment Sciences et Technologies-cls peuvent soutenir la

socit pour faire face aux dfis questions dnergies et denvironnement

(dveloppement durable)

dans le contexte DEMANDES des MARCHES VS DEVELOPPEMENTS TECHNOLOGIQUES

Ce qui require Energy Resources Savings and Environmental Protection

tout en prennisant la production

Charpentier, Ind Eng Chem Res 2007, 46, 3465

intro 1intro 2

le génie des procédés moderne vert - pole … · - et aux demandes du 21ème siècle clairement...

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