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Procédés : La chimie gagne en intensité

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Enquête L'intensification des procédés permet aux chimistes de mieux répondre à des contraintes de coût, de sécurité et de qualité.

Ce qu'il y a de bien avec l'intensification des procédés, c'est que chacun peut choisir sa définition. Et qu'elles sont toutes justes ! Chez les industriels, forcément pragmatiques, on traduira intensification des procédés par « réduction des coûts d'investissement » ou « efficacité énergétique ». Du côté des chercheurs, on parlera plus volontiers de réacteurs microstructurés, de microfluidique...

En réalité, ces points de vue convergent sur un même objectif : s'affranchir des processus physiques de transfert de chaleur ou de matière qui, dans des équipements de production, ont tendance à ralentir ou à entraver le bon déroulement de la synthèse chimique. Par des moyens qui vont de la structuration interne des équipements au rapprochement entre des opérations jusqu'ici distinctes. L'intensification est aussi synonyme de passage à une production en continu, et non plus par lots (« batch »). « Le principe est de remettre la réaction chimique au coeur du procédé », résume Claude de Bellefon, qui dirige le Laboratoire de génie des procédés catalytiques (LGPC), à Lyon. Il y a quelques années, certains pouvaient imaginer remplacer les grosses cuves des usines chimiques par des centaines de petits réacteurs en batteries, parcourus de microcanaux et produisant en continu de manière optimale. Aujourd'hui, les ambitions sont moindres, ou les visions moins délirantes, mais l'intensification des procédés (IP) reste un thème majeur pour l'industrie pharmaceutique et la chimie fine, qui produisent en relativement faibles quantités.

Les industriels font déjà de l'IP « sans le savoir ». Rhodia a mis en place dans ses usines des distillations réactives (deux opérations en une), ou encore des colonnes séparant trois composés dans un seul équipement. « Pour nous, il est aussi judicieux de travailler sur la partie aval du procédé, la séparation, car elle représente une part majeure de l'investissement », explique Dominique Horbez, expert procédé chez Rhodia. Arkema, qui pratique aussi la distillation réactive (catalytique), exploite par ailleurs un micromélangeur pour la synthèse d'un polymère. « L'investissement est plus faible, la qualité du produit meilleure. Et il suffit de mettre des équipements en parallèle pour s'adapter au carnet de commandes », résume Jean-Luc Dubois, le directeur scientifique catalyse et procédés d'Arkema. Quant à Air liquide, c'est avec des méthodes d'intensification qu'il a créé ces petites unités de production qui permettent aux industriels de produire eux-mêmes les gaz qu'ils utilisent, évitant le transport et le stockage.

 

Inventer les équipements de demain

Plus généralement se pose la question du potentiel d'intensification d'un procédé : où et comment intensifier ? « Il faut aussi détecter quels sont les résultats que l'on peut en attendre, en termes d'efficacité énergétique, d'environnement, de rendement, de sécurité... », indique Laurent Falk, le directeur de recherche au Laboratoire réactions et génie des procédés de Nancy (LRGP). Aux côtés de Rhodia et de Bluestar Silicones, le LRGP participe au projet Procip, qui doit déboucher sur une méthodologie, et sur un logiciel d'aide au choix d'une technologie ou d'un équipement pour intensifier une opération. Au-delà des aspects méthodologiques, les laboratoires de génie chimique, c'est leur rôle, inventent les équipements intensifiés de demain. Au LRGP de Nancy, on calcule, fabrique et teste des microréacteurs en faisant varier l'agencement et la forme des canaux. L'architecture de certains systèmes biologiques, comme les alvéoles pulmonaires, est une source d'inspiration. Le laboratoire a, en particulier, montré que l'on pouvait faire circuler des fluides dans un réseau de microcanaux avec une faible consommation d'énergie.

Les réacteurs-échangeurs en continu réalisent deux opérations dans un seul équipement avec des canaux de taille millimétrique. Il en existe au catalogue d'équipementiers comme Corning ou Alpha Laval. Le projet Rapic, associant notamment le CEA, Rhodia, et le Laboratoire de génie chimique de Toulouse (LGC), étudie la géométrie interne d'un réacteur-échangeur dans le but de le rendre compétitif avec des équipements « batch ».

 

Parallélisation massive des unités de production

Si les chercheurs commencent à avoir des idées sur la manière de concevoir des micro ou des milliréacteurs efficaces, une interrogation subsiste : comment vont-ils se comporter en présence de liquides visqueux et de mélange de liquides, de gaz et de solides, situation fréquente en chimie ? Pour ces systèmes multiphasiques, des solutions dédiées existent, comme ce procédé intensifié mis au point par le LGPC pour le laboratoire pharmaceutique GlaxoSmithKline : la diffusion d'un réactif gazeux à travers un film liquide (réacteur « à film tombant »), réalisée sur des plaques rainurées par des microcanaux. « Le phénomène de transfert du réactif est considérablement accéléré et la vitesse globale de la réaction est multipliée par 200 », affirme Claude de Bellefon. Empiler des plaques (jusqu'à 20) offre des capacités de production compatibles avec les besoins de l'industrie pharmaceutique, de l'ordre de une à dix tonnes par an. Pour atteindre des capacités de production industrielles avec des équipements micro ou milli-structurés, la mise en parallèle des unités est une solution pour la pharmacie. « En chimie fine, il s'agit de produire des centaines de litres, voire des mètres cubes à l'heure. L'extrapolation est plus difficile », reconnaît Michel Cabassud, chercheur au LGC. Paralléliser à grande échelle suppose de maîtriser l'homogénéité des flux. L'autre moyen est d'élargir les canaux... au risque de perdre les bénéfices de l'intensification en termes d'échanges thermiques et de matière.

Pendant que l'on cherche à étendre les procédés intensifiés à une dimension industrielle, une autre voie de recherche regarde au contraire ce qui se passe à très petite échelle. Ainsi, l'Institut Fraunhofer ICT utilise des microcanaux pour engendrer des gouttelettes ou de petites bulles qui fonctionnent chacune comme un réacteur fermé. De multiples microréacteurs de quelques nanolitres, super-intensifiés, pouvant servir à fabriquer des particules ou des microcapsules, avec des applications en médecine.

L'INTENSIFICATION À L'OEUVRE

  • FABRIQUER UN EXPLOSIF

INSTITUT FRAUNHOFER

Pour la fabrication de la nitroglycérine, l'Institut Fraunhofer ICT de Pfinztal (Allemagne) a mis au point un microréacteur qui améliore la sécurité du procédé. La fabrication traditionnelle, dans une cuve agitée, est réalisée très lentement en raison de la chaleur dégagée. Dans le microréacteur, parcouru de canaux de diamètre inférieur au millimètre, la synthèse est réalisée en continu, avec des quantités de réactifs en présence très faibles et une évacuation de la chaleur très efficace. « Une unité, qui comprend aussi les équipements de lavage et d'extraction du produit, a une capacité d'environ 1 kg/mn, soit 2 à 3 tonnes par semaine », indique Stefan Löbbecke, qui dirige l'équipe du Fraunhofer. L'équipement est opérationnel chez un industriel.

  • MAÎTRISER LA QUALITÉ

BLUESTAR SILICONES

Pour le fabricant de silicones, près de Lyon, l'intensification est un moyen d'améliorer le contrôle du procédé, et donc la qualité du produit fabriqué. Dans le cadre du projet Hexosic, mené avec les laboratoires LGC de Toulouse et LGPC de Lyon, l'industriel étudie la synthèse dans un réacteur-échangeur en carbure de silicium. Un équipement qui, en évacuant efficacement la chaleur, permet de produire en continu, et en évitant des points chauds préjudiciables à la qualité du produit.Le matériau a été choisi pour ses performances thermiques et de résistance à la corrosion. La PME Boostec fabrique l'équipement en carbure de silicium.

  • OUVRIR DES VOIES DE SYNTHÈSE

LA MESTA (AET GROUP)

Producteur de chimie fine à façon, La Mesta, à Gilette (Alpes-Maritimes), utilise un réacteur intensifié en continu pour réaliser certaines réactions difficiles en mode « batch » (fabrication par lots). Ainsi, des synthèses faisant intervenir le phosgène, réactif dangereux, sont rendues possibles grâce au miniréacteur Raptor, qui bénéficie d'un mélange dynamique et d'échanges thermiques efficaces, couplé avec un générateur de phosgène en continu in situ : le réactif est directement utilisé par la synthèse, sans besoin de stockage. Le procédé intéresse la pharmacie et des industriels des arômes et des cosmétiques. La Mesta, après avoir fabriqué des échantillons pour divers clients, va mettre en oeuvre une unité de plusieurs tonnes par an d'un produit fini.

 

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