Acv en procédés chimiques - Yosra Laribi

Application de l’ACV dans les procédés chimiques

Yosra LARIBI

Ingénieur Procédés

E-mail: [email protected]

Pourquoi réduire l’impact environnemental dans un procédé chimique ?

Coûts de production dans un procédé chimique

Dans l’avenir, les coûts liés aux déchets et aux consommations d’énergie et de matières premières pourraient exploser!

Pour assurer la rentabilité économique d’un procédé à moyen et long terme, il faut réduire l’impact environnemental.

Extrait d’un cours M2 Maître de conférences Stéphanie Ognier de l’université Pierre et Marie Curie

Intérêt de l’ACV dans un procédé chimique ?

•L’ACV (EN: Life Cycle Assessement) permet de mesurer l’impact environnemental de la fabrication d’un produit sur l’environnement. Elle est basée sur les bilans matière et énergie tout au long de la vie du produit:

•Dans un procédé chimique, l’impact environnemental est lié essentiellement:

•Aux solvants, réactifs & catalyseurs utilisés•Aux différentes énergies apportées au système (exemple: énergies apportées pour refroidir ou chauffer un réacteur)

Energie Energie Energie Energie Energie

Acquisition de matières premières

Fabrication des produits intermédiaires

Fabrication du produitUtilisation/

consommationTraitement en fin de vie

Déchets Déchets Déchets Déchets Déchets

Réutilisation

Recyclage

Extrait du cours M2 de Stéphanie Ognier

Intérêt de l’ACV dans un procédé chimique ?

•L’ACV permet à un ingénieur procédés de :• favoriser un procédé de fabrication par rapport à un autre. Les procédés (appelés en ACV des scénarios) peuvent différer par:

•La technologie utilisée dans les équipements (ex: Réacteur discontinu vs. Réacteur continu)•La voie de synthèse chimique (ex: réduction d’un groupe nitro par hydrogénation catalytique vs. addition d’un hydrure)•La méthode de purification du produit (ex: Cristallisation vs. Chromatographie)

•Localiser les étapes du procédé de fabrication à améliorer de point de vue environnemental et identifier les matières premières à substituer.• Avoir des solutions pour réduire l’impact environnemental et mesurer leur effet par une analyse de sensibilité.

Qu’est ce qu’un ingénieur Procédés doit fournir au spécialiste ACV ?

• Etude de cas d’un procédé de fabrication d’un produit P• Réaction chimique (avec A un réactif en défaut molaire): Réactif A +Réactif B Produit P+Sous-produit SP

Données à fournir au spécialiste ACV1. Définir l’unité fonctionnelle (Functional Unit): quantité

de A entrante à exprimer en kg ou kg/h2. Détails sur la réaction chimique en question et tous les

sous-produits formés en précisant leur devenir3. Si possible, détails sur la rétrosynthèse de A et B

jusqu’à arriver à des composés disponibles dans les bases de données des spécialistes ACV (Eco-invent, ELCD ou EIOLCA) intégrées dans les logiciels Sima Pro ou Gabi.


4. Détails sur toutes les étapes du procédé de fabrication de P« Schéma blocs » (Blocks Diagram) : il s’agit d’un schéma qui détaille toutes les étapes du procédé (appelées opérations unitaires) en précisant pour chaque opération:• Les flux de matières entrantes et sortantes y compris les

déchets.• Les flux énergétiques en cas de chauffe/refroidissement.• L’équipement utilisé et son taux de remplissage à la fin de

l’opération s’il s’agit d’un réacteur, les conditions opératoires (T, P, pH, vitesse agitation…), le rendement et la durée de l’opération.

• Les différents transferts (ex : d’un équipement à un autre).• Les différentes analyses en ligne (In Process Control IPC)

effectuées au cours du procédé pour vérifier par exemple si la teneur en solvant atteinte après séchage du produit est conforme au non à la spécification.


Schéma blocs simplifié d’un procédé chimique : Réactif A +Réactif B Produit P+Sous-produit SP

Reagent A(kg ou kg/h)

Solvent 1 (kg)

1/ChargeT,P, agitation speed ?

Duration= x h

V= ? L

Q (kcal/h)2/Heat

T ?Duration= x h

V= ? L

Reagent B(kg ou kg/h)

3/ReactT,P, agitation speed ?

Duration= x h

REACTION YIELD (YR) ?

V= ? L4/IPC End of

ReactionDuration= x h

V= ? L Transfer from R to waste

Solvent 2 Q (kcal/h)

5/DistilT,P, agitation speed ?

Duration= x h

Distillate(kg)

WASTE

V= ? L6/IPC

End of DistillationDuration= x h

V= ? L

R

R

R

R

R

R


Schéma blocs simplifié d’un procédé chimique : Réactif A +Réactif B Produit P+Sous-produit SP

V= ? L

Q (kcal/h)7/Cool

T ?Duration= x h

V= ? L8/Age

T ?Duration= x h

Crystallization Yield (YC) ?

Transfer from R to F V= ? L

9/Filter cakeT, P ?

Duration= x h

Mother liquid (contains SP & P losses)

V= ? L

Solvent 29/Wash cake

T, P ?Duration= x h

Wash liquid (contains SP & P losses)

V= ? L10/IPC End of

FiltrationDuration= x h

Transfer from F to D V= ? L

Q (kcal/h)11/ DryT,P ?

Duration= x hCondensate

V= ? L12/ End of

DryingT,P ?

Duration= x h

Final Product (Kg ?)Global Yield (Y)=YR*YC ?

R

R

F

F

F

D

D


5. Précisions sur les équipements utilisés (ex pour un réacteur il faudrait indiquer au moins son volume, son diamètre, le type et le diamètre de l’agitateur).

6. Calcul des puissances dissipées par l’agitation (P/V) et par les pompes s’il y en a.

7. Précisions sur les fluides thermiques utilisés pour chauffer et refroidir.

8. Précisions sur les déchets. Généralement, les déchets sont principalement les solvants et les catalyseurs. Il faudrait indiquer s’ils sont recyclés ou pas et si oui, combien d’énergie doit être apportée pour les recycler.

Résultats de l’ACV

• 1ère étape: identification des points à améliorer dans le procédé en question (ex: consommation importante de solvants, importantes pertes du produit…)

• A partir des points à améliorer, le spécialiste ACV peut proposer d’autres procédés alternatifs (appelés des scénarios) et faire une analyse de sensibilité.• Exemple de scénarios: « un procédé où le produit

perdu dans les jus de filtration est récupéré », « un procédé avec recyclage du solvant », « un procédé continu »…

• Ces scénarios doivent être vérifiés par l’industriel car ils doivent être réalisables techniquement et pas très coûteux.


• Les résultats ACV sont sous forme de graphes.• Les graphes permettent de comparer pour chaque

matière première, les quantités émises dans l’air et l’eau & les quantités de ressources extraites par unité fonctionnelle.• Ceci permet d’identifier les matières premières les

plus polluantes (on peut par exemple essayer de les substituer par d’autres matières)

• Différentes catégories de dommages sur l’environnement existent en ACV: « toxicité humaine », « Changement climatique », « Ecotoxicité aquatique », « Ecotoxicité terrestre »…


• Exemple de résultats: contributions au changement climatique (Global Warming Potential GWP)

• Des graphes similaires peuvent être établis pour d’autres catégories de dommage (Ex: potentiel de toxicité humaine) et comparés avec d’autres scénarios

0%

20%

40%

60%

80%

100%

1Global warming Potential (GPW) (kg CO2 Eq/kg réactif A)

Demandes spécifiques

Transport

Traitement desdéchets

Solvant 2

Solvant 1

Agent réducteur

Réactif B

Réactif A


• Analyse de sensibilité• Elle est obligatoire dans le cadre de la norme ISO.• Exemples de paramètres qui peuvent être étudiés

dans le cadre de l’analyse de sensibilité : « récupération du produit P perdu dans les jus mères de filtration », « recyclage du solvant », « régénération du catalyseur », autre méthode pour effectuer l’une des opérations suivantes : « réaction », « cristallisation », « filtration » , « séchage ».


• Exemple: procédé actuel vs. Procédés alternatifs (scénarios)

• Les deux procédés continus 1C et 2C peuvent différer par exemple par l’agent réducteur utilisé dans la réaction ou par la méthode de purification du produit.

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Global warming Potential (GWP)

Hu

man

to

xici

ty P

ote

nti

al (

HT

P) Procédé

continu 1C

Procédé continu 2C

Procédé discontinu de référence

Conclusion

• L’ACV est un outil pertinent pour:• sélectionner le procédé le moins impactant sur

l’environnement et donc le plus rentable économiquement,

• optimiser un procédé pour réduire son impact environnemental.

• Pour être proche de la réalité industrielle, l’analyse ACV doit être accompagnée d’une analyse de coûts et faite en interaction permanente avec l’industriel car une solution apportée par ACV ne sert à rien pour l’industriel si elle coûte trop cher ou si elle est techniquement non réalisable dans l’atelier en question !

Conclusion

• L’ACV est une méthode encore en évolution…• Il est pour l’instant difficile de faire l’ACV sur des

procédés biologiques car la base de données actuellement utilisée (Eco-invent) ne le permet pas.

• Plusieurs incertitudes et hypothèses sont présentes dans les calculs.

• L’ACV est complexe et requiert une grande quantité de données!• D’autres méthodes existent pour évaluer l’impact

environnemental: calculs environnementaux (Environmental Metrics). Ces méthodes sont plus rapides que l’ACV mais beaucoup moins précises.

• L’ACV peut devenir dans les prochaines années une obligation pour les industriels! Depuis 1997, elle est intégrée dans la norme ISO14040.