Chemical Engineer ?

Crédits: BASF

Chemical Engineer ?
Pour nous, le choix est fait.

Science is about what is,
Engineering is about what can be.
– Neil Armstrong

Et vous ?

PS: « Chemical Engineer » ressemble mais diffère de « Chimiste » ou « Chemist ».

CarteReacteurPiston

   En effet, Chemical Engineer signifie en français Ingénieur en Génie Chimique, discipline qui a fondé le génie des procédés (process engineering). Maintenant, quand on fait du génie chimique, on fait aussi du génie des procédés,  le premier étant une branche du deuxième.

ChemicalInProcessEngineering

Bienvenus sur le blog,
Nous avons plein d’exemples pour vous !

L’équipe reacteurpiston.fr

La production d’hydrogène

    Le dihydrogène est la plus petite et la plus simple des molécules de l’univers, composée seulement de deux atomes comportant chacun un proton et un électron. L’atome d’hydrogène est l’élément le plus abondant de l’Univers, et représente 75 % de la masse « connue », soit plus de 90 % en nombre d’atomes. Dans toute la suite on assimilera le nom « hydrogène » à la molécule de « dihydrogène » H2, l’atome d’hydrogène H seul n’existant pas sur Terre.

    En 2010, la production mondiale d’hydrogène H2 s’élevait à environ 60 millions de tonnes/an, et a augmenté de près de 4 %/an jusqu’à ce jour : l’intensification de l’agriculture et le recours aux engrais azotés (l’ammoniac est fabriqué avec de l’hydrogène et est un précurseur de ces engrais), les normes de plus en plus sévères sur la teneur en soufre des carburants et l’essor des moyens de transport utilisant l’hydrogène comme vecteur énergétique ont poussé cette production vers le haut.

Graphique Production H2 - blanc

Sources : Techniques de l’Ingénieur / IFP Énergies Nouvelles

    À titre d’exemple de l’importance de l’hydrogène en génie chimique / génie des procédés, plus particulièrement en raffinage, dans les années 1990, il fallait 12 Nm3 d’hydrogène pour désulfurer 1 m3 d’essence contre 50 Nm3 pour 1 m3 de gazole. Ces ordres de grandeurs ne peuvent qu’augmenter à l’avenir du fait du raffinage de pétroles bruts toujours plus lourds et de normes environnementales toujours plus contraignantes.

Les procédés de production d’hydrogène

    Le procédé de production d’hydrogène le plus répandu est le procédé SMR (Steam Methane Reforming) et met en œuvre la réaction de vaporeformage du gaz naturel, c’est-à-dire la conversion du méthane en présence de vapeur d’eau.

Usine Production H2 - Grand

Sources: Air Liquide

    Le vaporeformage d’autres charges hydrocarbonées est aussi possible, telles que du G.P.L. (mélange de propane et butane) ou du naphta (issu de la distillation du pétrole), mais ces matières premières sont minoritaires pour ce procédé. La gazéification du charbon est aussi une alternative, mais possède un rendement en hydrogène beaucoup moins intéressant que le procédé SMR et est émettrice importante de gaz à effet de serre.

    Le reformage catalytique des coupes pétrolières à bas indice d’octane (naphta) en produits à plus haute valeur ajoutée produit aussi de l’hydrogène en quantité appréciables : cet hydrogène est majoritairement consommé au sein même de la raffinerie qui l’a produit et n’est donc pas utilisé à d’autres fins que le traitement des essences et des hydrocarbures.

Le procédé conventionnel : Le procédé SMR

Le procédé SMR est un procédé multi-étapes, qui peut être simplifié en six étapes élémentaires qui seront détaillées dans un article à venir.

ProcédéSMR

Sources: Air Liquide

Pré-article signé Jean-Patrick Barbé,
Ingénieur ENSIC,
Doctorant

La suite à venir …
(Restez informés en likant la page Facebook)

La chromatographie: changement d’échelle

   La chromatographie sur couche mince CCM est bien connue comme étant une technique d’analyse rapide de laboratoire. Une petite quantité d’un mélange est déposée sur une plaque de silice où progresse par capillarité un éluant. Les composés du mélange, ayant des affinités différentes pour la silice, se déplacent à des vitesses différentes sur la plaque et sont ainsi séparés. Un coup d’œil, éventuellement sous lumière UV, permet de dissocier les composés du mélange.

figure 1fig. 1 – Principe de la chromatographie sur couche mince CCM – source: metaphysik.fr

   Dans le cas de la CCM, les quantités misent en jeu sont très faibles et on ne cherche en général pas à récupérer les fractions purifiées.

 Le génie des procédés s’inscrit dans une autre démarche avec la chromatographie préparative. Celle-ci vise à récupérer les fractions purifiées et à « produire » des quantités beaucoup plus importantes.

  L’éluant conserve son rôle de fluide vecteur. Cependant, plusieurs aspects diffèrent :

  • La plaque de silice est remplacée par une colonne. Cette colonne est remplie d’une phase dite « stationnaire » qui peut être de la silice, une résine échangeuse d’ions …
  • La capillarité n’étant plus suffisante, une pompe est requise pour faire circuler le fluide au sein de la phase stationnaire. Pour ce fluide, le terme « phase mobile » est utilisé.
  • Les produits purifiés sont collectés en sortie de colonne.

   A titre d’exemple, ci-dessous, un mode de fonctionnement appelé « chromatographie d’élution » dans le cas d’un mélange binaire.

Figure 2

fig. 2 – Schéma de principe de la « chromatographie d’élution », illustré dans le cas d’un mélange binaire (le composé rouge est ici plus retenu par la phase stationnaire que le composé bleu, le rouge sort donc plus tard).

Ce principe de séparation peut être mis en œuvre à différentes échelles:

figure 3

fig. 3 – Colonnes de chromatographie : de la petite échelle « pilote » à des unités industrielles – source: novasep

   La phase stationnaire est en général constituée de petites « particules ».  Ces solides finement divisés sont disposés en « lit fixe ». La phase mobile s’écoule dans ce milieu poreux.

figure 4

fig. 4 – « Lit »de résine échangeuse d’ions dans une colonne de laboratoire.

Applications

   De nombreux produits sont purifiés grâce à ce type de technique. De façon non exhaustive, nous pouvons citer :

▪ Le domaine de l’agro-alimentaire, avec, par exemple, la séparation du glucose et du fructose. L’intérêt du fructose est son fort pouvoir sucrant. Pour cette séparation, la phase stationnaire est une résine échangeuse d’ions sous forme Ca2+. L’affinité du fructose pour cette phase est supérieure à celle du glucose.

▪ Le domaine de la pétrochimie : Des zéolithes, cristaux de SiO4/AlO4, sont utilisés pour séparer le paraxylène (précurseur du PET, le polymère des bouteilles en « plastique ») des autres composants dans la coupe C8-aromatique obtenue par distillation. Certaines installations permettent de traiter jusqu’à 1 million de tonnes de xylènes par an. Nous sommes bien loin de la CCM !

linde

source: Linde

▪ Le domaine de la pharmacie : dans le cas de mélanges racémiques, la chromatographie sur phase chirale permet de séparer les énantiomères.  Cette application est extrêmement importante. Il suffit pour en être convaincu de rappeler les dramatiques conséquences de la thalidomide administrée aux femmes enceintes dans les années 1960. Si la molécule cible était active, son énantiomère était quant à lui extrêmement toxique.

Continue reading

Mécanique des fluides & Procédés

   Parmi les disciplines utilisées en génie des procédés, on trouve la mécanique des fluides qui étudie l’écoulement des liquides et des gaz. En effet, la majorité des opérations de génie chimique ont lieu partiellement ou totalement en phase fluide. Il faut alors transporter des fluides dans des tuyaux.

UsineVillePipe

   Ceci afin de mettre en contact des réactifs, ou les porter à température adaptée dans des échangeurs de chaleur. Pour cela, il faut dimensionner correctement des circuits, en les munissant de pompes. Il faut ensuite agiter de manière adéquate les cuves où ont lieu les réactions pour obtenir des concentrations et températures homogènes, Figure 1.

Simulation numérique d'écoulement

   Les produits fabriqués sont souvent complexes, c’est-à-dire qu’il contiennent de nombreux ingrédients. Ils peuvent être alors polyphasiques (émulsions, suspensions, aérosols, mousses, etc.) et non-newtonien (leur viscosité varie avec la force qu’on leur applique ou dans le temps ou ils peuvent avoir un comportement à la fois solide et liquide), ce qui rend l’étude de leur écoulement difficile.

Effet Weissenberg

Effet Weissenberg, avec un fluide non-newtonien , contraire à l’habituel Vortex.

       On trouve aussi des écoulements en milieux poreux dans les lits fixes par exemple. Pour intensifier la production, on réalise de plus en plus des écoulement à petites échelles au sein de microcanaux ou de microréacteurs, ce qui relève du domaine de la microfluidique.

Pré-article signé Cécile Lemaitre,
Maître de conférence à l’ENSIC,
Membre de l’équipe de recherche GEMICO
« Génie chimique des milieux rhéologiquement complexes »

Chauffe-Ballon – Taille XXL

   Pour effectuer des réactions à l’échelle du laboratoire, on utilise fréquemment des chauffes-ballons.

Chauffe-ballon

    On utilise aussi parfois des réacteurs munis d’une double enveloppe, dans laquelle circule un fluide calo- ou frigo-porteur pour chauffer ou refroidir le mélange réactionnel.

MiniReacteur

   Au niveau industriel, alors que les quantités produites sont bien plus importantes, et on ne plus utiliser de tels dispositifs pour chauffer ou refroidir des réacteurs de plusieurs m^3 ! On utilise alors des réacteurs industriels, agités par des turbines ou des hélices par exemple (voir l’article précédent en  [Agitation]), et chauffés ou refroidis par des dispositifs spécifiques :

  • Des réacteurs à demi-serpentin soudés sur la surface externe du réacteur. Il s’agit d’un ou de plusieurs tubes, enroulés autours du réacteur, et qui permettent de diriger l’écoulement du fluide frigo- ou calo-porteur autour du réacteur.

SerpentinExterne

On utilise également la notion de demi-coques externes.DoubleCoque

Note: Pour refroidir, les fluides frigoporteurs utilisés sont de l’eau à température ambiante ou de l’ammoniac liquide (efficace mais toxique).
          Pour chauffer, les fluides caloporteurs  sont en général de la vapeur ou de l’eau au point de bulle.

vapeur

  • Des réacteurs à dispositifs internes, tels que des serpentins, disposés de façon héliocoïdale autour de l’agitateur, ou bien en épingle contre la paroi.

SepentinInterne

 

  • Des échangeurs de chaleur, détaillés par la suite, montés sur une boucle externe en recyclage.

Cuve agitée combinée à un échangeur de chaleur (alimenté par une pompe)

     Les méthodes du Génie des Procédés, et notamment les bilans de matière et d’énergie, permettent alors de calculer le temps de chauffage ou de refroidissement de tels réacteurs, pour un débit  de fluide calo- ou frigo- porteur. De même, ces méthodes permettent de calculer le débit de fluide à assurer pour maintenir un réacteur à une température donnée (connaissant les capacités calorifiques, les températures chaud/froid et la quantité de chaleur à évacuer).

   On trouve aussi dans l’industrie chimique de nombreux échangeurs en ligne, sur des procédés continus (régime permanent: entrées et sorties de matière en continu), et permettant de réchauffer ou refroidir des fluides qui circulent d’une étape de synthèse à une autre. Les plus fréquemment rencontrés sont:

  • Des échangeurs « tubes et calandre »
Faisceau de tubes en maintenance, sans sa calandre
Faisceau de tubes en maintenance, sans sa calandre
Echange de chaleur au sein d'un échangeur tubes-calandres
Echangeur tubes-calandres
  • Des échangeurs à plaques.

Echangeur à plaques 2

    De même, les méthodes du Génie des Procédés permettent de calculer les conditions et dimensions optimales de tels échangeurs, pour assurer les objectifs de refroidissement ou de réchauffage, tout en limitant la consommation d’énergie.

Energie

Signé Eric Schaer,
Professeur à l’ENSIC,
Membre de l’équipe PRISM au LRGP

Ecoulement au sein d’un réacteur chimique

   Dans l’industrie chimique, les réactions chimiques prennent place dans des réacteurs. Parfois aussi appelés cuiseurs, fermenteurs, convertisseurs ou digesteurs, ils sont véritablement au cœur de tous les procédés industriels de synthèse.

dts

   Les déterminations expérimentales des « distributions de temps de séjour » des réacteurs chimiques sont des techniques qu’il est aisé de mettre en pratique et qui apportent une grande quantité d’informations. Elles sont utiles à la fois pour modéliser puis optimiser le fonctionnement hydrodynamique (c’est-à-dire l’écoulement) des réacteurs mais également pour détecter d’éventuels dysfonctionnements, comme des « zones mortes », où le liquide n’est pas en mouvement alors qu’il le devrait.

ProcedeLoupeDTS

Pré-article signé Romain Privat,
Maître de conférence à l’ENSIC et
Membre de l’équipe ThermE au LRGP

Likez la page Facebook pour rester informer,
La suite à venir…

Production d’oxygène et d’azote à partir d’air

   C’est au début du XXème siècle que deux inventeurs, l’allemand Carl von Linde et le français Georges Claude, inventèrent quasiment simultanément deux procédés servant à liquéfier de l’air. Leur idée folle à l’époque: séparer par distillation l’oxygène et l’azote de l’air en grandes quantité afin de pouvoir créer son industrie et son commerce.

   Mais le challenge était réel pour ces deux inventeurs : comment créer suffisamment de froid pour refroidir ce mélange à des températures bien inférieures à 0 °C, de l’ordre de – 180 °C, pour le liquéfier et ainsi rendre possible sa distillation ?

Cryogénie

    Aujourd’hui, l’oxygène O2 est la troisième molécule la plus produite dans le monde (en tonnage), derrière l’azote N2 (4 fois plus) et l’acide sulfurique H2SO4 qui domine de loin.

UsineAirLiquide

Source : Air Liquide

   L’industrie de production de ces deux gaz est aussi l’une des industries les plus électro-intensives qui soit dans le monde : on estime à environ 3 000 MW la puissance instantanée de toutes les ASU (Air Separation Units) du monde, soit environ la puissance de 2 réacteurs nucléaires EPR de 1 600 MW. Il faut en moyenne 0,4 kWh pour produire 1 Nm3 de O2 ou de N2 gazeux.

Le procédé de séparation des gaz de l’air (ASU)

   Ce procédé, dont le schéma est ci-dessous, sera détaillé dans un prochain article. Il repose principalement sur une colonne à distiller à températures négatives.

Process Cryogénie Air

Source : Air Liquide
Legende

Propriétés physico-chimiques

ProductiondHydrogene

Pré-article signé Jean-Patrick Barbé,
Ingénieur ENSIC
Doctorant

.

La suite à venir…

L’usine du futur 4.0

  Le concept d’« Industrie 4.0 » vient d’Allemagne. Il définit une nouvelle organisation des usines, également nommées smart factories ou usines intelligentes, afin de mieux servir ses clients, grâce à une flexibilité accrue de la production et l’optimisation des ressources.

Usine Modulaire

  Le projet « Industrie 4.0 » vise à développer de nouvelles organisations de production sur toute la chaîne de valeur. L’« Industrie 4.0 » est annoncée comme la 4ème révolution industrielle.

  La 1ère révolution industrielle fut déclenchée dans les années 1780 par la création de la première usine de production mécanisée notamment grâce à l’invention de la machine à vapeur. La 2ème révolution industrielle débuta en 1850, avec l’invention de l’électricité puis de la production de masse. Dans les années 1970, se déclencha la 3ème révolution industrielle, l’ère de la production automatisée avec le développement de l’électronique et les débuts de l’automatisme et de l’informatique industrielle. La 4ème révolution industrielle débute, avec l’internet des objets connectés et le cloud, pour fabriquer des produits grâce à des systèmes intelligents, tels que les systèmes de simulation et les capteurs…

Les 6 principes clés de l’usine 4.0

  • L’usine est virtualisée afin de pouvoir simuler et suivre en 3D les produits, les processus et l’environnement de production,
  • Les systèmes sont interopérables : ils ont la capacité de communiquer et d’interagir entre eux,
  • Les décisions sont décentralisées : les systèmes cyber-physiques peuvent prendre des décisions de façon autonome,
  • L’analyse et la prise de décision s’effectuent en temps réel, grâce à une communication permanente et instantanée,
  • Elle est orientée service : maintenance améliorée et offre de nouveaux services,
  • Elle est modulaire : elle s’adapte rapidement à une demande changeante.

Bénéfices attendus

  L’« Industrie 4.0 » vise à rendre le produit à la fois plus attractif et plus abordable pour le client, par le développement de la personnalisation du produit, et la diminution du délai de mise sur le marché, tout en augmentant la qualité, et les services proposés.

Laurent Falk,
Directeur du LRGP (Laboratoire
Réactions et Génie des Procédés) &
Directeur de recherche sur l’axe « Intensification
et Architecture des Procédés »

Chemical Engineer: A typical day on a distillation department

   Après un précédent article sur les colonnes à distiller,  voici en vidéo la journée type d’une ingénieur en génie chimique (chemical engineer en anglais).

   Travaillant dans le centre d’expertise en distillation de son entreprise, elle occupe un poste clé entre le laboratoire, les installations des usines et d’autres domaines de son industrie.

  Amenée à se déplacer sur site et même à l’étranger, elle apprécie aussi travailler en projet pour des raisons similaires: apprendre des collègues plus expérimentés ou venant des disciplines des plus variées.

Crédits: BASF