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Les briques se mettent en place

Christian Guyard
Les briques se mettent en place

« L'intensification des procédés fait partie des sujets clés de l'innovation pour l'avenir de la chimie en France », Sophie Jullian, IFP.

© © Axelera

Dans un contexte mondial soumis à des pressions environnementales, énergétiques, sociétales, l'industrie chimique prend un virage. Le mouvement Responsible Care a bientôt 20 ans, la Chimie verte, bientôt 10 ans. Les mentalités évoluent et les actions se mettent en place à toutes les échelles.

Une chimie durable, c'est d'abord une industrie européenne toujours active. La montée en puissance de l'Asie a mis la chimie européenne au deuxième rang mondial depuis 2008. Les besoins dans cette partie du monde ne pourront que creuser l'écart. Raison de plus pour que la chimie qui se fera en Europe se démarque par son inventivité, avec des produits qui laisseront de moins en moins de résidus difficiles à traiter et des procédés plus sûrs, économes en énergie et en matières premières. Une occasion de reprendre la main et de faire des produits qui seront meilleurs pour la société, pour l'environnement, pas simplement moins mauvais comme l'exprime Michael Brangart, auteur du livre Cradle to Cradle : Remaking the way we make things. Du berceau au berceau et pas du berceau à la tombe ! Donc penser en flux qui s'échangent. Conclusion : il n'y a pas de chimie verte, mais de la bonne ou de la mauvaise chimie et surtout, pas de sentiment de culpabilité à faire de la chimie. Reste à transformer ces idées en réalité.

La réflexion sur la chimie durable se structure depuis 2004 en Europe autour de la réflexion Suschem du Cefic qui se décline en projets européens et au niveau national dans les différents pays : les Premières rencontres de Suschem France du 26 novembre 2009 ont donné le coup d'envoi dans notre pays. « Il s'agit d'établir une feuille de route pour donner plus de visibilité aux actions en France, accroître les scores des programmes initiés par la France dans les programmes européens, faire en sorte que le terme Chimie durable dise quelque chose aux industriels, PMI incluses, et s'assurer qu'ils ont compris l'intérêt à participer à ces actions. La plateforme Suschem France mettra une touche française dans les actions européennes », déclarait Louis Trépied de la DGCIS Direction générale pour la Compétitivité de l'Industrie et des Services, fin mars à Lyon, lors de la journée de restitution du projet collaboratif de R&D Intensification des Procédés d'Axelera. « L'intensification des procédés fait partie des sujets clés de l'innovation pour l'avenir de la chimie en France », précisait-il. Sophie Jullian de l'IFP, une des chevilles ouvrières de ce programme, soulignait que « ces programmes collaboratifs ne doivent pas être seulement poussés par la technologie mais doivent aussi intégrer les aspects sociaux (emplois, salariés), s'ouvrir réellement aux PMI, et être innovants dans leurs méthodes. » La clôture dans quelques années des projets menés sur la plateforme AxelOne devrait être plus sociale qu'aujourd'hui.

Le projet IP d'Axelera se situe dans un contexte mondial : Japon, Allemagne, Pays Bas, Royaume Uni, Europe ont de tels programmes en cours. Un objectif : l'usine du futur avec ses réacteurs multifonctionnels, dans lesquels se déroulent des procédés modélisés et très contrôlés, optimisés et catalysés. Les cinq partenaires du projet, Arkema, IFP, Rhodia, CNRS et Modelys, se sont partagés les sujets. Dix pilotes ont été réalisés. Rhodia s'est concentré sur des opérations de polymérisation, la distillation réactive et la préparation de poudres minérales. Arkema a privilégié l'acquisition de données réactionnelles, notamment pour les procédés fortement exothermiques et la conception d'un réacteur à déplacement d'équilibre. L'IFP s'est concentré sur le screening de catalyseurs, l'absorption réactive. Tous les acteurs du projet le reconnaissent : on ne peut intensifier que ce que l'on connaît bien. D'où l'accent mis sur l'acquisition de données particulièrement importantes pour les procédés exothermiques qui risquent de s'emballer sauf à maîtriser l'échange de chaleur, c'est-à-dire évacuer les calories grâce à des géométries d'échangeurs adaptées ou à l'emploi de gaz ballast à chaleur spécifique élevée, comme l'a fait Arkema (idée déjà transposée à l'échelle industrielle). Les micro-contacteurs ont permis à Rhodia et Arkema d'explorer dans de bonnes conditions de sécurité des domaines opératoires dangereux.

Intensifier les procédés n'est pas qu'une affaire de contrôle thermique. En connaissant mieux la réaction, les leviers d'intensification de cette réaction dans des appareils conçus autrement, on contrôle mieux la qualité des produits et leur nature (nouveaux produits), on réduit les temps de cycles, l'énergie consommée et in fine les coûts d'investissements et d'opération. Sans entrer dans le détail, les participants au programme IP citent des résultats : Rhodia, grâce à des réacteurs à plaques, obtient un gain de productivité d'un facteur 100 sur une réaction, une division par 20 d'un temps de cristallisation sans modification des propriétés des particules obtenues. Arkema réalise un gain de productivité de 10 sur un procédé existant grâce à de nouvelles conditions opératoires; l'IFP réalise l'amélioration du dimensionnement d'unités industrielles grâce à une acquisition de données plus efficace.

Repenser ses équipements

Le programme a déjà des transpositions industrielles et a généré 17 brevets (6 pour Rhodia, 10 pour Arkema, 1 pour l'IFP) ; il a aussi renforcé les liens avec les laboratoires CNRS. Ce programme a démontré la possibilité d'intensification des procédés au stade laboratoire. Il a aussi mis en évidence la nécessité de collaboration étroite avec les équipementiers pour créer de nouveaux appareillages (formes et matériaux) et l'obligation de disposer des outils d'extrapolation fiables. Autant pour les grandes entreprises que pour les PMI c'est un changement de culture de travail.

Les développements vont se poursuivre, notamment au travers de procédés continus dans des réacteurs plus petits aux performances thermiques nouvelles. Le projet ANR Hexosic, collaboration entre Bluestar Silicones, Boostec Industries, les laboratoires LGPC de Lyon et LGC de Toulouse, débouche sur un nouveau type de réacteur fait en carbure de silicium.

Léger, de forte capacité d'échange thermique, sans joint car brasé totalement, pouvant travailler à plus de 100 bar, il apportera de nouvelles possibilités dans la chimie des silicones. Grâce au projet SAMOI (Sairem, LGPC, Processium), les microondes et leur apport massif et rapide de calories au sein d'un procédé devraient trouver des applications. Là encore, les idées sont bousculées et même inversées : les réacteurs fonctionnent avec un apport de chaleur des parois (chaudes) vers le cœur, les microondes inversent le gradient avec un cœur chaud et des parois froides et l'avantage d'une coupure instantanée de l'apport thermique.

Le cœur du procédé ne doit pas faire oublier l'amont et l'aval, tout ce qui touche au transport des produits, à leur stockage et les opérations de séparation et de conditionnement. Des considérations prises en compte dans le projet ANR PropreSur (réacteur échangeur à plaque Raptor, entre autres).

Trois programmes européens phares

SusChem a lancé trois programmes phares : la maison à énergie intelligente (production et utilisations) orchestrée par Evonik, le centre Bio Base Europe mené par l'Université de Ghent, et F3 Factory, « Future - Fast - Flexible » sous la direction de Bayer Technology Services sur le site de Leverkusen. Ce dernier projet, d'un montant de 30 M€ (dont 18,5 du 7e programme Cadre) entre juin 2009 et mai 2013, pousse la réflexion très loin en matière de modèle économique. Toute la philosophie est dans son nom : plus vite, plus flexible, éco-compatible et repose, bien sûr, sur l'intensification des procédés. Mais il englobe aussi les aspects logistiques et la manière même de travailler. Le caractère « Rapide » s'applique aux délais d'accès au procédé industriel et de mise sur le marché à diviser par deux ; au passage, le reconditionnement d'unité (retrofit) est pris en compte grâce à des équipements modulaires et standard (jusqu'à 60 % d'économies). « Flexible » se pense pour la production répondant à la demande du marché, grâce à un concept d'unités de production prêtes à brancher, une disponibilité élevée (90 %). Le « Futur », c'est la réduction des coûts divisés par 3 et les coûts d'investissements divisés par deux. Des concepts révolutionnaires ! « Plutôt que posséder une usine qui fabrique grâce à des unités bien implantées sur un site, le concept F3 conduit à une usine capable d'accueillir momentanément des équipements performants pour fabriquer un produit à la demande. Ceci est basé sur des PEC Process Equipment Container déplaçables d'un site à un autre, et prêts à être branchés sur les utilités (électricité, eau, gaz etc) d'un site. On transporte un outil de production efficace et flexible », explique Michael Matlosz, directeur de l'Ensic à Nancy, qui a dirigé le programme européen Impulse sur les microréacteurs. Sans oublier : « Complémentaires aux PEC, les PEA Process equipment assembly pour mettre en œuvre les PEC, et le Backbone, la colonne vertébrale, basée sur le site de Bayer TS sur laquelle seront réalisés les essais de ce nouveau type de production. » Le programme comporte 9 sous-programmes : scénarios de production, y compris les aspects technico-économiques (Université technique de Dortmund), méthodes de conception, standardisation des appareils et des connexions, procédés de purification séparation, intensification (laboratoires CNRS Nancy) et jusqu'à la dissémination des résultats et la formation pour lever les barrières à l'innovation dans les entreprises.

Un projet très ambitieux, qui s'appuiera sur des cas réels de production issus de grands groupes qui viendront tester leurs idées, explorer les possibilités. Parmi ceux-ci, Arkema sur l'utilisation du glycérol pour produire de l'acide acrylique ; BASF et Rhodia qui travailleront sur des polymérisations (milieux très visqueux), etc . C'est un tout autre modèle économique qui pourrait se créer. Pas pour bousculer les procédés continus des grands intermédiaires déjà très optimisés mais pour donner plus de souplesse et relocaliser des productions. « C'est un projet de recherche basé sur un gros démonstrateur », insiste Michael Matlosz, qui trouve le sujet intellectuellement très stimulant. Au-delà du plaisir intellectuel, c'est aussi la survie à terme de la chimie européenne qui se joue.

 

L'usine du futur sera flexible et modulaire, avec des éléments prêts à être branchés.

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