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PLAN DE TRA V AIL Outils pour l’ingénierie des procédés durables une approche m

PLAN DE TRA V AIL Outils pour l’ingénierie des procédés durables une approche multicritère 1.1 Concept de développement durable en Génie des Procédés 1.2 Frontières du système 1.3 Conception de procédés durables 1.4 conclusion 1.5 Bibliographie 2 • Stratégies d’optimisation du procédé 2.1 Introduction 2.2 Exemples d’études et types d’optimisation résultants 2.3 Méthodes d’optimisation 2.4 Conclusion 2.5 Bibliographie 3 • Représentation et modélisation des procédés 3.1 Introduction 3.2 Aspect informatique 3.3 Représentation des phénomènes par les graphes de liaison ou « Bond Graph » 3.4 Application des graphes de liaison au génie des procédés : cas des systèmes de dimension finie • INTRODUCTION chimie verte » introduisent bien ce caractère préventif, avec le souci de privilégier la prévention de la pollution par rapport à l’élimination des déchets. La clé du développement de procédés acceptables du point de vue de la préservation de l’environnement réside dans une large substitution des technologies anciennes par l’utilisation de milieux de synthèse innovants, de techniques d’activation des réactions, parmi lesquelles les catalyses tiennent une place particulière. Cette apparition de nouveaux outils pour la syn-thèse s’accompagne d’une évolution des procédés pour les mettre en œuvre. Il est donc absolument indispensable de former, d’informer, de sensibiliser les ingénieurs, techniciens expérimentés aux moyens dont ils disposent pour œuvrer vers ce nouveau concept de procédés durables dans La première partie intitulée «Outils pour l’ingénierie des procédés durables» regroupe trois chapitres autour des outils et méthodes disponibles i) pour intégrer au mieux les critères sociaux et environnementaux en plus des critères classiques techniques et économiques dans la conception des procédés pour optimiser les procédés, pour modéliser les procédés avec des outils de conception assistée par ordinateur proposant une plus grande flexibilité en vue d’intégrer les nouveaux dispositifs technologiques. L’approche ici se situe à un niveau global, celui de la chaîne de production. Génie des procédés et la modélisation moléculaire semble offrir de belles perspectives scientifiques au se vice du génie des procédés durables. Le lecteur puisera ici au gré des chapitres indépendants, des concepts, des pistes, des idées… Pour la conception des procédés de production de demain. Discipline émergente, en pleine Évolution, le Génie des Procédés Durables se construit pour répondre au mieux aux besoins économiques, sociétaux et environ ne men taux de la planète 1 • MÉTHODOLOGIE DE CONCEPTION DE PROCÉDÉS DURABLES : 1.1 Concept de développement durable en Génie des Procédés Traditionnellement, la conception de procédés est guidée par des considérations techniques et économiques. Cependant, il devient évident que ces deux types de critères ne suffisent plus et que les deux autres dimensions du développement durable, à savoir environnementale et sociale, doivent faire partie intégrante de la phase de conception (Azapagic et al., 2004). TL’application des concepts de développement durable en Génie des Procédés s’inscrit dans un effort continu pour garantir les écosystèmes, les équilibres sociaux et la prospérité écono- mique. Elle vise, selon la définition de l’EFCE (European Federation of Chemical Engineers), une amélioration systématique et globale de la protection environnementale, l’exploitation des matières premières, l’efficacité énergétique, la sécurité et la protection de la santé, dans tous types de procédés de conversion et de production de matière. Au sein du Génie des Procédés, les activités axées sur le développement de procédures systé- matiques pour la conception et l’exploitation de procédés et de systèmes, englobant le concept de « chaîne logistique chimique » s’insèrent dans une démarche de développement durable (figure 1.1). Elles visent l’amélioration du processus de décision, à différents niveaux, depuis l’extraction des matières premières, la gestion de l’innovation, la conception, l’exploitation, la conduite et la supervision du procédé, l’élaboration et la distribution du produit, la gestion multisite jusqu’à l’analyse d’impact, en mettant en jeu des critères souvent contradictoires. Ce chapitre est exclusivement dédié à la phase de conception de procédés. CYCLE DE VIE SYSTEME Augmentation de de la prise en compte globale du développement durable (DD) PROCEDE PRODUIT Augmentationde l’échelle du système Extraction Mat. premières Gestion innovation Conception Elaboration, distribution Exploitation Conduite Supervision Gestion multisite Analyse Impact DD DD DD DD DD DD DD: Développement Durable Figure 1.1 – Nouvelles frontières en Génie des Procédés Quelques critères environnementaux (liés par exemple aux émissions) et sociaux (liés par exemple à la sécurité) ont certes déjà été intégrés dans des environnements de simulation tels que Chemcad (Chemstations, 2003) et permettent l’évaluation d’impacts environnementaux incluant le réchauffement climatique, la destruction de la couche d’ozone, l’acidification… Néanmoins, cette étape est souvent réalisée lorsque les composantes techniques et économiques ont été finalisées. Une telle approche peut ainsi conduire à une performance environnementale sous-optimale puisque les choix de conception s’avèrent plus limités dans les phases ultérieures de la conception de l’unité et risquent de compromettre des voies de procédés plus « durables » vis-à-vis de la composante environnementale. De plus, dans un certain nombre d’approches, même s’ils sont intégrés à la phase de conception, les critères environnementaux sont sou- vent pris en compte au niveau imposé par la législation et concernent quasi-exclusivement les contributions directes de l’unité, sans considération des impacts amont et aval. Ainsi, le concepteur peut aboutir à un schéma d’unité qui réduit les impacts environnementaux de ce procédé particulier, lequel peut accroître l’impact amont (par exemple à travers un choix de matières premières et de sources d’énergie non- durables) et donc global. La conception de procédés durables nécessite ainsi une approche systémique dans laquelle les aspects liés au développement durable doivent être de façon inhérente intégrés à la phase de conception. En pratique, cela signifie que les critères environnementaux et sociaux doivent être pris en compte dès la phase de conception, en plus des critères traditionnels, techniques et économiques, nécessitant une approche pluridisciplinaire (figure 1.2). Critères techniques Critères environnementaux Conception de Procédés Durables Critères économiques Critères sociaux Figure 1.2 – Critères considérés pour la conception de procédés durables L’objectif de ce chapitre est de montrer quelles sont les nouvelles frontières du système d’étude lorsqu’on s’intéresse à la conception durable d’un procédé, à quel stade les différents critères de sélection du procédé doivent être pris en compte et comment les quantifier prati- quement. Il se situe donc sur un plan méthodologique afin de guider le concepteur dans sa démarche, face à l’abondante littérature sur le développement durable et ses applications dans le domaine des procédés : citons les ouvrages synthétiques de (Azapagic et al., 2004 ; Dewulf et Van Langenhove, 2006 ; Abraham, 2006 ; Allen et Shonnard, 2001 ; ce dernier étant plus axé sur la composante environnementale). 1.2 Frontières du système Les ingénieurs de procédés sont familiers avec l’approche système qui étaie la conception : le procédé d’intérêt est défini comme un système autour duquel une frontière délimite tous les éléments le constituant et leurs interactions (figure 1.3). Traditionnellement, la frontière du système borne le procédé, sans considérer les activités amont et aval. De plus, la conception reste le plus souvent ciblée sur les éléments qui affecte- ront l’exploitation du procédé au stade suivant et ne s’intéresse pas à la construction de l’unité Entrants Matières premières Energie Système (ensemble de procédés) Sortants Produit(s) Emissions Rejets Frontière du système Figure 1.3 – Approche système et frontière du système en conception classique de procédés et à son démantèlement, lesquels ont un fort impact économique, environnemental et social, ce qui peut conduire globalement à des mauvaises appréciations des différents critères. Prenons pour illustration le cas de l’hydrogène considéré comme un « combustible propre ». Si l’on considère une limite étroite autour du procédé (approche « porte-à-porte » ou « gate- to-gate »), une pile à combustible alimentée en hydrogène a une efficacité relativement modé- rée (rendement électrique de l’ordre de 50-60 %) mais est attractive en tant que système « zéro-émission ». Cependant, l’hydrogène n’est pas une source mais un vecteur énergétique et sa production nécessite une quantité substantielle d’énergie. À l’heure actuelle, les procédés de production d’hydrogène utilisés font intervenir des matières premières non-renouvelables sans procédé associé de traitement ou de séquestration du CO2 émis (75 % de l’hydrogène est actuellement produit par reformage à la vapeur du méthane). Si l’on considère ce type de mode de production, l’hydrogène n’apparaît plus comme un vecteur énergétique durable en élargissant les frontières (approche « du berceau-au portail » ou « cradle-to-gate »). Une analyse plus rigoureuse (figure 1.4) implique une prise en compte globale de l’analyse du cycle de vie . Figure 1.4 – Étapes dans le cycle de vie d’un produit sourespri maires Limite du système : du «berceau àla tombe» T L Li im mi it te e dduu ssyystsètmème e: d: udu«b«ebrecrecaeuauauaupoprtoaritla»il» Procédé d’extraction des matières premières Fabrication du produit Utilisation du produit Ré-utilisation ou recyclage du produit Traitement des déchets T T T T T = Transport E m i s s i o n s e t r e j e t s Notons qu’une approche intégrée de la réduction de la pollution qui consiste à prévenir les émissions dans l’air, l’eau, le sol, en prenant en compte également la gestion des déchets est de plus en plus requise par la législation. Ainsi, la directive 96/61/CE uploads/Philosophie/ chimie-verte-chapitre-22.pdf