Conception de processus pour l'ingénierie durable: calculs et pratiques exemplaires

L'ingénierie durable des processus intègre les principes de durabilité dans la conception, l'exploitation et l'optimisation des processus et des opérations de fabrication afin de minimiser l'impact environnemental à chaque étape de l'élaboration et de l'exploitation des processus. La conception des processus a un impact considérable sur la performance durable des processus chimiques, car les décisions les plus critiques sont prises aux premiers stades de l'élaboration des processus. Ce guide exhaustif explore les calculs, les méthodologies et les pratiques exemplaires essentiels qui permettent aux ingénieurs de créer des processus qui répondent aux besoins actuels sans compromettre la capacité des générations futures de satisfaire les leurs.

Comprendre la conception durable des processus

La conception durable des procédés décrit des concepts ou des stratégies pour remplacer les procédés de production non efficaces et non renouvelables. Le domaine a évolué de façon significative au cours des dernières décennies, passant d'une approche de lutte contre la pollution à une approche holistique qui tient compte de l'ensemble du cycle de vie des procédés et des produits.

Dans le cadre du développement durable, il convient non seulement de prendre en considération les aspects économiques, sociaux (sécurité, sans risque), environnementaux (prévention de la pollution et contrôle réglementaire), énergétiques, matériels et économiques des procédés et produits, mais aussi d'évaluer, d'optimiser et de contrôler les aspects économiques afin d'atteindre les objectifs de durabilité.

Calculs fondamentaux dans la conception durable des processus

Des calculs précis constituent l'épine dorsale de la conception durable des processus, fournissant les bases quantitatives nécessaires à une prise de décision éclairée et à une optimisation.Ces calculs permettent aux ingénieurs de comprendre les flux de ressources, de déceler les inefficacités et de concevoir des processus qui réduisent au minimum les déchets tout en maximisant la productivité.

Analyse du bilan des matières et de l'énergie

Les bilans matières et énergie sont fondamentaux pour de nombreuses disciplines de l'ingénierie et jouent un rôle majeur dans les décisions relatives au développement durable. Un bilan matières et énergie est essentiellement un compte rendu quantitatif de la redistribution des matériaux et/ou énergie qui se produit quand quelque chose se produit. Ces calculs sont basés sur le principe fondamental de la conservation de la masse et de l'énergie, qui stipule que la matière et l'énergie ne peuvent être créées ou détruites, seulement transformées.

L'analyse des flux de matières et d'énergie (MEFA) est un outil efficace qui nous permet de proposer des systèmes durables dans plusieurs cas. La méthodologie consiste à créer un schéma des flux de matières et d'énergie dans le système cible, à établir les limites du système et à appliquer les principes de conservation pour suivre les intrants, les extrants et l'accumulation au sein du système.

Pour les processus à l'état d'équilibre, l'équation générale de l'équilibre des matériaux peut être exprimée comme suit:

Input = Sortie + Accumulation

Pour les opérations à l'état d'équilibre où l'accumulation est nulle, cela simplifie l'entrée = sortie. Les bilans énergétiques suivent des principes similaires mais tiennent compte de diverses formes d'énergie, notamment l'enthalpie, l'énergie cinétique, l'énergie potentielle et le transfert de chaleur. Le texte se concentre sur la comptabilité des matériaux et de l'énergie en opérations par lots et en continu, en mettant l'accent sur les unités génériques de processus, les flux, les tableaux de flux et les calculs de tableurs, avec une approche unifiée des calculs du bilan énergétique réactif et non réactif.

Analyse du débit des matériaux (AMF)

L'analyse des flux de matières est une procédure quantitative permettant de déterminer le flux de matières et d'énergie à travers l'économie, en utilisant des méthodes d'entrées-sorties, y compris des informations matérielles et économiques. L'analyse des flux de matières (AMF) est un outil de gestion des matières qui appuie l'étude détaillée des flux d'entrées, de traitements et de sorties de matières dans différents systèmes de production, y compris la quantification, l'évaluation, l'amélioration et la planification stratégique.

Une méthode largement appliquée pour l'analyse du métabolisme urbain est l'analyse des flux de matières (AMF), qui est une évaluation systématique de l'état et des changements des flux et des stocks de matières dans un système défini fondé sur le principe du bilan massique.

Identification des inefficacités des ressources et des points de production de déchets
Quantification des intrants et des extrants matériels au-delà des frontières du système
Évaluation du potentiel de recyclage et de valorisation
Suivi des stocks de matières et de leur évolution dans le temps
Appui aux stratégies d'économie circulaire

Le MFA permet de déterminer le potentiel de recirculation des matériaux et de l'énergie, ainsi que de comparer l'efficacité des procédés industriels préétablis et d'évaluer la possibilité de récupération des matières premières secondaires dans les mines urbaines, ce qui en fait un outil inestimable pour concevoir des procédés qui réduisent au minimum la consommation de matières vierges et maximisent la récupération des ressources.

Calculs de la consommation d'énergie

Les calculs de la consommation d'énergie sont essentiels pour évaluer la durabilité des conceptions de procédés, qui doivent tenir compte de diverses formes d'utilisation de l'énergie, notamment :

Consommation directe d'énergie:[ Énergie utilisée directement dans les opérations de procédé telles que le chauffage, le refroidissement, le mélange et la séparation
Consommation indirecte d'énergie:[ Énergie intégrée dans les matières premières et les services publics
Pertes d'énergie:[ Pertes de chaleur, pertes de frottement et autres inefficacités
Possibilité de récupération d'énergie:[ Possibilités d'intégration de la chaleur et de récupération de chaleur résiduelle

La vision globale, qui combine les flux de matières et d'énergie, est connue sous le nom d'équilibre exergétique des matières, en se concentrant sur la qualité de l'énergie et des matériaux au fur et à mesure de leur transformation, ce qui donne une signification plus complète à l'efficacité du système et à la performance environnementale.

Mesure de l'efficacité des ressources

Le bilan des matériaux fournit un cadre pour quantifier l'efficacité des ressources, avec des mesures d'efficacité des ressources comme le rendement, la conversion, la sélectivité et la production de déchets, toutes dérivées directement des calculs du bilan des matériaux.

Rendement:[ Le rapport du produit désiré obtenu au maximum théorique
Sélectivité:[ Le rapport entre le produit désiré et le total des produits formés
Conversion: La fraction des réactifs convertie en produits
Économie atomique:[ Pourcentage d'atomes réactifs qui finissent dans le produit désiré
Facteur électronique:[ Rapport masse/produit désiré
Intensité énergétique: Énergie consommée par unité de produit
Intensité de l'eau:[ Eau consommée par unité de produit

Ces mesures fournissent des mesures quantitatives du rendement des processus et permettent de comparer les différentes solutions de conception, et permettent de cerner les possibilités d'amélioration et de suivre les progrès vers les objectifs de durabilité.

Évaluation du cycle de vie dans la conception du processus

L'évaluation du cycle de vie (ACV) est devenue un outil important pour quantifier la performance environnementale d'un produit ou d'un service sur toute sa durée de vie. L'ACV fournit un cadre complet pour évaluer les impacts environnementaux des processus du berceau au tombeau, y compris l'extraction, la fabrication, l'utilisation et l'élimination ou le recyclage des matières premières.

Méthodologie et application de la LCA

Avec les progrès réalisés dans la compréhension de la durabilité, l'intégration de la durabilité dans la conception, l'optimisation et le contrôle des procédés chimiques est devenue un point fort de la recherche récente dans l'ingénierie des systèmes de procédés, avec une évaluation de la durabilité au-delà du processus effectué pour décider quelle solution de rechange est plus durable en effectuant l'évaluation du cycle de vie (ACV) des considérations pour identifier les étapes plus importantes contribuant à l'impact du cycle de vie.

La méthodologie de l'ACV comprend généralement quatre phases principales :

Objectif et portée Définition :[ Établir l'objet de l'étude, les limites du système, l'unité fonctionnelle et le niveau de détail
Inventaire du cycle de vie (LCI):[ Collecte de données sur tous les intrants et sorties associés au système
Évaluation des impacts du cycle de vie (ELCV):[ Évaluation des impacts environnementaux potentiels à partir des données de l'inventaire
Interprétation :[ Analyser les résultats, identifier les questions importantes et tirer des conclusions

L'application du MEFA permet de quantifier les flux de matières et d'énergie, qui non seulement servent de base à l'ICL, mais permettent aussi d'évaluer l'environnement de manière plus précise et détaillée. Le couplage de l'analyse des flux de matières et d'énergie (MEFA) avec l'évaluation du cycle de vie (ALV) dans une perspective de métabolisme urbain (UM) représente une approche avancée de l'évaluation de la durabilité.

Intégration des objectifs de développement durable

Le concept de durabilité absolue a été utilisé pour quantifier les performances des systèmes d'ingénierie sur les 17 Objectifs de développement durable (ODD), adoptés par 193 États membres des Nations Unies (ONU) en 2015 et servant de guide aux décideurs pour lutter contre les défis critiques auxquels l'humanité est confrontée.Un cadre pour la conception de processus durables rend explicitement compte des performances réalisées dans les Objectifs de développement durable (ODD), qui est calculé à l'aide de mesures standard d'évaluation du cycle de vie (AMT) parallèlement au concept de limites planétaires (PB).

Cette intégration permet de garantir que les conceptions de processus contribuent positivement aux objectifs de durabilité à l'échelle mondiale, en abordant des questions telles que l'action climatique, l'eau potable et l'assainissement, l'utilisation d'énergies propres et abordables, ainsi que la consommation et la production responsables.

Intégration des processus pour la durabilité

Une méthode systématique de conception durable des procédés chimiques a été développée depuis les années 70, l'une des approches largement reconnues étant l'intégration des processus. L'intégration des processus représente une approche holistique de la conception des processus qui vise à optimiser l'utilisation des ressources dans l'ensemble des systèmes de processus plutôt que d'optimiser les unités individuelles en isolement.

Analyse de Pinch et intégration de la chaleur

Le développement de techniques d'intégration des procédés a principalement porté sur la synthèse du réseau d'échangeurs de chaleur dans les années 1970, avec le premier guide d'utilisation publié par l'IChemE, où le réseau d'échangeurs de chaleur a été conçu pour atteindre les objectifs minimums d'utilité à chaud et à froid pour une usine de traitement.

Les étapes clés de l'analyse des pincements sont les suivantes :

Extraction des données: Identification de tous les flux chauds (requis de refroidissement) et des flux froids (requis de chauffage)
Construction de courbes composites : création de diagrammes température-enthalpie pour les flux chauds et froids
Identification des points de pivotement: Trouver le point d'approche le plus proche entre les courbes composites chaudes et froides
Cible : Déterminer les besoins minimaux en matière de chauffage et de refroidissement
Conception de réseaux: développement de réseaux d'échangeurs de chaleur pour atteindre les objectifs

L'intégration des procédés entraîne une réduction de la consommation de services publics, ce qui se traduit par une réduction des coûts d'exploitation et des émissions de CO2, ce qui fait de l'intégration de la chaleur l'une des stratégies les plus rentables pour améliorer la durabilité des procédés, ce qui permet souvent de rembourser rapidement les investissements tout en réduisant sensiblement l'impact environnemental.

Intégration de masse et réduction de l'eau

De la fin des années 1980 au début du XXIe siècle, les techniques d'intégration des procédés ont été étendues pour la prévention de la pollution par la synthèse des réseaux d'échangeurs de masse et l'intégration de masse, ce qui permet l'utilisation minimale d'agents de séparation de masse tels que les adsorbants, les solvants, etc., ce qui se traduit par une réduction des rejets des usines de traitement.

Certains cas spécialisés d'intégration de masse sont à mentionner, comme l'intégration de l'eau et de l'hydrogène, où les techniques d'intégration des procédés permettent d'identifier les débits minimaux d'eau douce et d'eaux usées après que leur potentiel de récupération soit maximisé parmi les différents processus d'utilisation de l'eau dans l'usine.

Les stratégies de minimisation de l'eau comprennent :

Réutilisation directe: Utilisation de l'eau d'une opération directement dans une autre sans traitement
Réutilisation de la régénération : Traiter l'eau pour éliminer les contaminants avant réutilisation
Recyclage de régénération: traiter l'eau et la rendre à la même opération
Analyse des cascades : adéquation systématique des sources d'eau et des puits en fonction des exigences de qualité

Approches de programmation mathématique

Deux approches distinctes au sein de la famille d'intégration de processus comprennent l'analyse de pincement et les techniques de programmation mathématique, avec à la fois leurs avantages et leurs limites respectifs - l'analyse de pincement fournit de bonnes perspectives aux concepteurs, mais a une capacité limitée dans l'optimisation des coûts, tandis que la programmation mathématique est capable de surmonter ces limites et de traiter des cas complexes, bien qu'elle souffre de l'absence de bonnes perspectives pour les concepteurs de processus.

Les formulations de programmation mathématique pour l'intégration des processus impliquent généralement:

Variables de décision représentant les débits, les températures et la taille des équipements
Fonctions objectives minimisant les coûts, la consommation d'énergie ou l'impact environnemental
Contraintes visant à assurer les bilans massiques et énergétiques, les limitations d'équipement et les exigences de sécurité
Algorithmes d'optimisation pour trouver des solutions optimales ou quasi-optimales

Les méthodes modernes combinent souvent les deux méthodologies, en utilisant l'analyse de pince pour les premières idées et le dépistage, puis l'optimisation mathématique pour la conception détaillée.

Outils et logiciels de simulation de processus

Un simulateur de processus (AspenPlus, gPROMS, Hysys, Aveva Pro/II – pour n'en nommer que quelques-uns) est un outil universellement utilisé dans le monde entier dans les domaines de l'éducation et de la pratique industrielle, y compris les modèles de processus, les bases de données, les solutions numériques, etc., et permettant la modélisation et/ou la simulation d'une large gamme de processus.

Simulation statique et dynamique

Des plateformes avancées de simulation de processus comme AVEVA Process Simulation soutiennent la simulation à l'état stable et dynamique dans un environnement unique, permettant aux ingénieurs de tester, d'optimiser et d'adapter les technologies à faible émission de carbone sur l'ensemble du cycle de vie du processus, de la conception conceptuelle à l'élaboration de stratégies de gestion et d'exploitation.

La simulation en état d'équilibre porte sur:

Bilans matières et énergie à l'équilibre
Taille de l'équipement et évaluation des performances
Optimisation et analyse de sensibilité des processus
Évaluation économique et estimation des coûts

Adresses de simulation dynamique:

Procédures de démarrage et d'arrêt
Conception et réglage du système de commande
Réponse aux perturbations et aux troubles
Analyse de la sécurité et scénarios d'urgence

Capacités de simulation axées sur la durabilité

La simulation de processus AVEVATM aide à l'échelle de l'industrie durable avec des processus intégrés d'hydrogène, des processus pour les énergies renouvelables et des calculs de gaz à effet de serre.

Les ingénieurs peuvent concevoir, tester et optimiser des processus industriels qui, traditionnellement, exigent beaucoup de temps et de ressources, comme la production chimique, la production de carburant et d'électricité ou l'électrolyse de l'hydrogène, dans un environnement virtuel qui reflète le monde réel.

Outils intégrés pour la conception durable

Un outil intégré, ProCACD, pour la synthèse, la conception et l'innovation durables des processus représente l'évolution vers des plateformes globales qui combinent plusieurs aspects de la conception durable. L'efficacité de la réaction de l'EPA pour la durabilité environnementale des chimies avec un outil multi-objectif d'évaluateur de processus (GREENSCOPE) fournit des scores pour les indicateurs sélectionnés dans les domaines de l'efficacité économique, matérielle, environnementale et énergétique.

Ces outils intégrés permettent aux ingénieurs de :

Évaluer simultanément plusieurs dimensions de durabilité
Comparer objectivement les configurations de processus alternatives
Identifier les compromis entre des objectifs concurrents
Générer des solutions pareto-optimales pour les problèmes multi-objectifs
Documenter et communiquer les résultats en matière de durabilité

Meilleures pratiques pour la conception durable des processus

La mise en oeuvre des pratiques exemplaires dans la conception de processus durables exige une approche systématique qui tient compte des facteurs environnementaux, économiques et sociaux tout au long du processus de conception.

Approche hiérarchique de la conception

Une approche hiérarchique de la conception des processus aide à gérer la complexité et garantit que les considérations de durabilité sont intégrées à tous les niveaux :

Lot vs. Continu:[ Sélectionner le mode de fonctionnement approprié en fonction de l'échelle de production, des caractéristiques du produit et des considérations de durabilité
Structure des intrants-sorties:[ Définir la structure globale des procédés, y compris les matières premières, les produits et les sous-produits
Structure du cycle:[ Identifier les possibilités de recyclage des matières et de l'énergie dans le cadre du processus
Système de séparation:[ Concevoir des séquences de séparation efficaces pour réduire au minimum la consommation d'énergie et la production de déchets
Intégration de la chaleur:[ Appliquer l'analyse de pincement et l'intégration de la chaleur pour minimiser la consommation d'utilité
Conception de l'équipement:[ Taille et précision de l'équipement pour répondre efficacement aux exigences de performance

Cette approche hiérarchique permet de faire en sorte que les décisions importantes qui ont une incidence sur la durabilité soient prises dès le début du processus de conception, lorsqu'elles ont le plus d'impact et qu'elles sont les moins coûteuses à mettre en œuvre.

Stratégies de réduction des déchets

La réduction des déchets suit une hiérarchie d'approches privilégiées, souvent résumées comme les « 3R » ou élargies pour inclure des stratégies supplémentaires :

Réduire: Réduire au minimum la production de déchets à la source grâce à l'optimisation des processus, à une meilleure sélectivité et à une utilisation efficace des matières premières
Réutilisation:[ Trouver des applications pour les flux de déchets dans le processus ou dans d'autres processus sans traitement significatif
Recycle:[ Récupérer et retransformer les matériaux pour une utilisation identique ou différente
Recover: Extraire des matériaux ou de l'énergie précieux provenant des flux de déchets
Traitement:[ Procéder à la transformation des déchets pour en réduire l'impact environnemental avant élimination
Éliminer: éliminer en toute sécurité les déchets résiduels qui ne peuvent être réduits, réutilisés, recyclés ou récupérés

L'automatisation peut détecter et corriger les erreurs en temps réel, en minimisant les déchets de chaque produit et permet des processus de recyclage avancés afin que les matériaux puissent être réutilisés dans le cycle de production.

Intégration des ressources renouvelables

Le remplacement des technologies fossiles par des technologies à base de carbone renouvelable revêt une importance vitale pour le développement de processus chimiques durables à l'avenir, mais il faudrait évaluer soigneusement les effets au-delà des changements climatiques afin de s'assurer que cette transition vers des produits chimiques défossilisés est véritablement durable.

Les stratégies d'intégration des ressources renouvelables comprennent :

Matériels d'alimentation renouvelables:[ Utilisation de la biomasse, du CO2 ou d'autres sources de carbone renouvelables au lieu de combustibles fossiles
Énergie renouvelable:[Processus d'alimentation à l'énergie solaire, éolienne, hydroélectrique ou autre source d'énergie renouvelable
Principes de chimie verte:[ Conception de synthèses chimiques qui utilisent et génèrent des substances ayant une toxicité minimale
Processus à base de bio[ Utilisation de catalyseurs et de procédés biologiques qui fonctionnent dans des conditions légères

Certains éléments sont liés aux concepts d'économie d'énergie ou d'efficacité énergétique, à l'utilisation des énergies renouvelables, etc., tandis que d'autres aspects sont axés sur les approches de gestion des matériaux en réduisant au minimum les besoins en matières premières par unité de produit(s) de valeur, en réutilisant, en recyclant, en utilisant des matériaux renouvelables, etc.

Intensification du processus

L'intensification des processus vise à améliorer de façon spectaculaire l'efficacité, la sécurité et la durabilité des processus grâce à des équipements et des méthodes novateurs.

Réacteurs multifonctionnels: Combinant réaction et séparation en une seule unité
Microréacteurs:[ Utilisation de réacteurs à petite échelle avec transfert de chaleur et de masse amélioré
Distillation réactive: Effectuer simultanément la réaction et la séparation
Processus de membrane:[ Utilisation de membranes sélectives pour des séparations efficaces
Autres sources d'énergie:[ Utilisation de micro-ondes, d'ultrasons ou d'autres intrants énergétiques non conventionnels

L'intensification des processus peut entraîner des empreintes de moindre importance du matériel, une réduction des coûts d'investissement, une amélioration de la sécurité et une réduction de l'impact environnemental.

Surveillance et amélioration continues

Les systèmes de contrôle automatisés peuvent surveiller et ajuster la consommation d'énergie en temps réel, en optimisant la consommation d'électricité, de chaleur et d'autres formes d'énergie, ce qui réduit l'empreinte environnementale des opérations industrielles mais offre également des économies importantes pour les entreprises.

Parmi les programmes de surveillance et d'amélioration efficaces, mentionnons :

Principaux indicateurs de performance (ICP):[ Établissement de mesures pour suivre les performances en matière de durabilité
Surveillance en temps réel:[ Utilisation de capteurs et d'analyses de données pour suivre en continu les performances du processus
Comparaison des résultats par rapport aux normes et aux meilleures pratiques de l'industrie
Analyse des causes de la root:[ Enquêter sur les écarts et identifier les causes sous-jacentes
Culture d'amélioration continue :[ Encourager tout le personnel à identifier et à mettre en oeuvre des améliorations

Les approches de contrôle des processus devraient agir contre les instabilités inattendues lorsque le processus devient instable au fil du temps et/ou en raison de changements dans la composition des aliments pour animaux et le débit, la température et la pression, et devraient être en mesure de faire des transitions vers des conditions d'exploitation différentes et des états différents pour répondre aux demandes de l'entreprise et des consommateurs, aux exigences économiques, aux spécifications des procédés et des produits, aux nouvelles réglementations environnementales, à la sécurité, à la gestion des événements chroniques à faible dose, etc.

Méthodes et outils de calcul avancés

La conception moderne de processus durables repose sur des méthodes de calcul sophistiquées et des outils de calcul qui permettent aux ingénieurs d'analyser des systèmes complexes et d'optimiser simultanément plusieurs objectifs.

Optimisation multi-objectif

Le problème multi-objectifs est résolu en utilisant la méthode de contrainte d'epsilon pour obtenir Pareto frontières optimales qui révèlent le compromis entre les dimensions environnementales et économiques du problème de conception durable des processus. L'optimisation multi-objectifs reconnaît que la conception durable des processus implique l'équilibre d'objectifs concurrents tels que la réduction des coûts, l'impact environnemental et les risques de sécurité tout en maximisant la qualité et le rendement des produits.

Les approches communes à l'optimisation multi-objectifs comprennent:

Méthode de la somme pondérée:[ Combiner plusieurs objectifs en un seul objectif en utilisant des facteurs de pondération
Méthode de contrainte d'Epsilon: Optimiser un objectif tout en limitant les autres
Optimisation de la voie de communication:[ Identifier l'ensemble de solutions non dominées
Programmation de buts:[ Minimiser les écarts par rapport aux valeurs cibles spécifiées
Algorithmes évolutionnaires:[ Utilisation de méthodes inspirées par la nature pour explorer l'espace de solution

Ces méthodes permettent aux décideurs de comprendre les compromis et de choisir des solutions qui correspondent le mieux à leurs priorités et à leurs contraintes.

Optimisation de la superstructure

Un outil général, Super-O, pour la synthèse de processus basée sur l'optimisation de superstructure représente une approche avancée de la conception de processus. L'optimisation de la superstructure implique la création d'une représentation complète de toutes les configurations de processus possibles et l'utilisation d'optimisation mathématique pour identifier la meilleure conception.

L'approche de la superstructure comprend généralement :

Définition d'une superstructure qui inclut toutes les solutions de remplacement possibles
Formuler des modèles mathématiques pour chaque opération et connexion d'unité
Établir une fonction objective et des contraintes
Résoudre le problème d'optimisation résultant en utilisant des algorithmes appropriés
Analyser la solution optimale et la sensibilité aux paramètres

Des méthodes telles que l'optimisation de la superstructure, l'intégration des processus, l'intensification des processus, entre autres, et leurs applications à la conception et à la synthèse durables des systèmes énergétiques sont devenues un domaine de recherche actif, particulièrement utile pour les systèmes complexes où la configuration optimale n'est pas évidente et où les considérations de durabilité interagissent avec les facteurs techniques et économiques de manière non intuitive.

Rapprochement des données et analyse des erreurs

Les techniques de rapprochement des données, souvent utilisées en génie chimique, utilisent des méthodes statistiques pour ajuster les données mesurées afin de satisfaire aux contraintes de l'équilibre des matériaux, ce qui améliore non seulement la précision des estimations du flux des matériaux, mais aussi permet de déceler des erreurs ou des fuites potentielles de mesure dans le système.

Le rapprochement des données est essentiel pour :

Amélioration de la précision des mesures de procédé
Détecter et diagnostiquer les erreurs de mesure
Identification des fuites ou des flux non mesurés
Fournir des données fiables pour optimiser les processus
Soutenir la conformité réglementaire et la déclaration

La technique utilise des mesures redondantes et des principes de conservation pour estimer les valeurs réelles les plus probables des variables de processus, en tenant compte de l'incertitude de mesure et des erreurs systématiques.

Économie circulaire et écologie industrielle

L'économie circulaire représente un changement fondamental du modèle linéaire traditionnel de "prise-make-dispose" vers un système régénératif où les ressources sont utilisées le plus longtemps possible, en extrayant la valeur maximale avant récupération et régénération.

Principes de l'économie circulaire dans la conception des processus

Avec l'économie circulaire (CE) qui gagne en traction dans le monde entier, les autorités locales s'emploient à élaborer des stratégies circulaires au niveau urbain, en élaborant et en suivant ces stratégies qui nécessitent des informations quantitatives détaillées sur les flux de matières et d'énergie, qui peuvent être obtenues par une analyse du métabolisme urbain (UM).

Les principes clés de l'économie circulaire pour la conception des processus sont les suivants :

Concevoir les déchets:[Éliminer les déchets et la pollution grâce à une conception soignée
Conserver les produits et les matériaux en usage : Conception pour la durabilité, la réutilisation, la remanufacturation et le recyclage
Systèmes naturels régénérés:[ Retourner des nutriments précieux dans le sol et les autres écosystèmes
Utilisation des énergies renouvelables:[Procédures d'énergie utilisant des sources d'énergie renouvelables
Penser dans les systèmes:[ Considérer le contexte et les interconnexions plus larges

Une transition durable de l'économie circulaire exige la conception de stratégies globales qui visent non seulement à réduire les produits du système par la recirculation des matériaux, mais aussi à réduire ses apports grâce à une utilisation réduite et plus efficace des ressources.

Symbiose industrielle

La symbiose industrielle consiste à créer des réseaux où les déchets ou sous-produits d'un procédé deviennent des matières premières pour un autre, en imitant les écosystèmes naturels où les déchets d'un organisme deviennent des aliments pour un autre, ce qui peut améliorer considérablement l'efficacité des ressources et réduire l'impact environnemental au niveau des grappes industrielles ou régionales.

La réussite de la symbiose industrielle nécessite:

Proximité géographique des installations participantes
Exigences en matière de flux de déchets et de matériaux compatibles
Viabilité économique des échanges de matières
Cadres réglementaires facilitant les échanges plutôt que les obstacles
Confiance et collaboration entre les organisations participantes
Infrastructures de collecte, de stockage et de transport des matériaux

L'analyse des flux de matières joue un rôle crucial dans l'identification des possibilités de symbiose industrielle en cartographie des flux de matières et en identifiant les correspondances potentielles entre les générateurs de déchets et les utilisateurs potentiels.

Concepts de bioraffinerie

Trois domaines technologiques (interreliés entre eux) qui ont une incidence sur la durabilité de la terre, à savoir les processus chimiques liés au captage et à l'utilisation du CO2, les bioraffineries et le dessalement de l'eau, sont choisis pour mettre en lumière les points de vue ainsi que la nécessité de développer davantage les outils assistés par ordinateur.

Les considérations de conception de la bioraffinerie comprennent :

Sélection des matières premières et viabilité de la chaîne d'approvisionnement
Sélection de technologies de conversion (biochimique, thermochimique ou hybride)
Optimisation du portefeuille de produits pour maximiser la valeur
Intégration avec les infrastructures et les industries existantes
Intégration de l ' eau et de l ' énergie pour réduire au minimum la consommation de ressources
Évaluation de l'impact sur l'environnement tout au long du cycle de vie

Défis et orientations futures

Bien que des progrès importants aient été réalisés dans la conception de processus durables, plusieurs défis demeurent qui exigent la poursuite de la recherche et du développement.

Limites actuelles

Ces méthodes utilisent les dernières avancées en matière d'ingénierie des systèmes de procédés, mais elles sont en retard dans l'utilisation des progrès en génie durable, avec plus de travail nécessaire pour examiner les impacts sur la limite du cycle de vie complet, et pour s'assurer que les conceptions durables ne dépassent pas la capacité de la nature de fournir les biens et services nécessaires à l'écosystème.

Les principaux défis à relever sont les suivants :

Définition des limites du système:[ Détermination des limites appropriées pour l'analyse sans rendre le problème insoluble
Disponibilité et qualité des données:[ Obtention de données fiables sur les impacts environnementaux et les flux de ressources
Gestion de l'incertitude:[Gérer l'incertitude dans les conditions futures, la performance technologique et les impacts environnementaux
Intégration à plusieurs échelles:[ Relier les décisions au niveau des processus avec la chaîne d'approvisionnement et les impacts à l'échelle mondiale
Dimensions sociales:[ Intégrer adéquatement les aspects de la durabilité sociale dans les méthodes quantitatives de conception

Les principaux obstacles sont les écarts d'horizons temporels, l'inadéquation des limites du système, la qualité et la disponibilité des données, et la sous-représentation des processus industriels, qui sont particulièrement aigus lorsqu'on tente de coupler différentes approches de modélisation ou d'intégrer les différentes échelles d'analyse.

Nouvelles possibilités

La communauté du génie des systèmes de processus a la possibilité non seulement de mettre au point les méthodes nécessaires et les outils connexes, mais aussi de contribuer au développement durable grâce à des solutions novatrices.

Intelligence artificielle et apprentissage automatique:[ Utilisation de l'IA pour optimiser les processus complexes, prédire les performances et identifier les modèles dans les grands ensembles de données
Jumelles numériques:[ Création de répliques virtuelles de processus pour l'optimisation en temps réel et la maintenance prédictive
Matériaux avancés:[ Développer de nouveaux catalyseurs, sorbants et membranes qui permettent des processus plus efficaces et sélectifs
Traitement modulaire et distribué:[ Conception de systèmes flexibles et évolutives qui peuvent être déployés plus près des sources ou des marchés de matières premières
Intégration avec des énergies renouvelables:[ Conception de processus qui peuvent fonctionner de manière flexible avec des sources d'énergie renouvelables variables

Avec l'adoption de l'Accord de Paris en 2015, il est devenu impératif que l'industrie chimique, qui représente environ 10 % des émissions anthropiques mondiales de CO2, se transforme progressivement en filières de production plus durables, ce qui rend crucial de tenir compte des paramètres environnementaux lors de l'analyse des processus actuels à base de carbone fossile et de la conception de filières de production chimique alternative et plus propre.

Rôle de l'éducation et de la formation

Le programme EngD a pour objectif de développer des solutions durables pour l'industrie, telles que de nouvelles techniques de procédé et/ou des matériaux qui minimisent considérablement l'empreinte écologique, avec une forte demande d'ingénieurs de procédé hautement qualifiés et spécialisés pour faciliter la transition vers des processus de production durables.

L'intégration des processus est également largement enseignée dans les programmes universitaires et appliquée par le biais de cours de conception et du projet de conception principal dans le monde entier. L'éducation et la formation jouent un rôle crucial dans le développement de la prochaine génération d'ingénieurs capables de concevoir et de mettre en œuvre des processus durables.

Intégrer les principes de durabilité dans les programmes d'études d'ingénierie
Offrir une expérience pratique avec des outils et des méthodes modernes
Développer des compétences interdisciplinaires pour relever des défis complexes en matière de durabilité
Encourager la réflexion des systèmes et les perspectives du cycle de vie
Encourager l'innovation et la résolution créative des problèmes

Lignes directrices pratiques pour la mise en œuvre

Pour réussir à concevoir des processus durables, il faut adopter une approche structurée qui tient compte des facteurs techniques, économiques, environnementaux et organisationnels.

Planification et exécution des projets

Une approche systématique des projets de conception de processus durables comprend:

Définit les objectifs et la portée:[ Énoncer clairement les objectifs de durabilité et les limites du projet
Équipe multidisciplinaire :[ Inclure l'expertise en génie des procédés, en sciences de l'environnement, en économie et en opérations
Conduire l'évaluation de base:[ Comprendre le rendement actuel et identifier les possibilités d'amélioration
Générer et filtrer des solutions de rechange:[ Développer plusieurs options de conception et éliminer des solutions de rechange nettement inférieures
Analyse détaillée :[ Effectuer une analyse technique, économique et environnementale rigoureuse des solutions de rechange prometteuses
Optimisation:[ Utiliser des outils appropriés pour optimiser les conceptions sélectionnées
Évaluation des risques :[ Identifier et évaluer les risques techniques, économiques et environnementaux
Planification de la mise en oeuvre:[ Élaborer des plans détaillés pour la construction, la mise en service et l'exploitation
Surveillance et vérification :[ Établir des systèmes pour suivre les performances et vérifier les avantages de la durabilité

Engagement des parties prenantes

La conception de processus durables et efficaces exige la participation de divers intervenants, notamment :

Intervenants internes :[ Gestion, exploitation, entretien, sécurité et personnel environnemental
Partenaires externes:[ Régulateurs, membres de la collectivité, clients, fournisseurs et investisseurs
Experts techniques: Consultants, fournisseurs de technologie et établissements de recherche

Une participation efficace des intervenants implique une communication claire des objectifs, un partage transparent de l'information, l'examen de diverses perspectives et la résolution concertée des problèmes.

Documentation et gestion des connaissances

Une documentation complète est essentielle pour :

Attirer la justification et les décisions de conception
Faciliter l'approbation réglementaire et les permis
Appui aux opérations et à l'entretien
Permettre une amélioration continue
Partage des enseignements tirés de l ' expérience dans l ' ensemble de l ' organisation
Démontrer les résultats en matière de durabilité aux parties prenantes

Les systèmes modernes de gestion des connaissances peuvent aider à organiser et rendre accessibles les nombreuses informations générées au cours des projets de conception de processus durables.

Demandes d'études de cas

Les applications du monde réel montrent comment les principes et les calculs de conception de processus durables sont appliqués dans la pratique dans diverses industries.

Capture et utilisation du carbone

Cette approche est appliquée à la conception d'une hydrogénation du CO2 au procédé du méthanol, où les performances économiques et les ODD sont les objectifs optimisés, ce qui montre que la conception optimale environnementale réduit l'impact sur l'ODD 13 (action climatique) par rapport à la contrepartie fossile de l'activité courante (BAU), mais elle se fait au détriment d'autres catégories.

Cette affaire illustre l'importance d'une évaluation globale de la durabilité qui tient compte des catégories d'impact multiples plutôt que de se concentrer uniquement sur les changements climatiques. Elle montre comment l'optimisation multi-objectifs peut révéler des compromis et aider les décideurs à choisir des conceptions qui correspondent le mieux à leurs priorités.

Dessalement de l'eau

Le dessalement de l'eau représente un autre domaine d'application important où les principes de conception durable des processus sont essentiels.

Efficacité énergétique des processus de dessalement
Gestion de l'élimination des concentrés
Intégration avec les sources d'énergie renouvelables
Minimisation de l'utilisation et du rejet de produits chimiques
Impacts environnementaux sur le cycle de vie

Les calculs de bilan matériel et énergétique sont essentiels pour optimiser les processus de dessalement, tandis que LCA contribue à garantir que les solutions sont vraiment durables en considérant le système complet.

Production de biocarburants

Les études de cas sur la production de biodiesel, l'utilisation des énergies renouvelables dans la fabrication de denrées alimentaires et les effets de la mise en réseau entre la production de ciment et certaines industries sont présentées dans le cadre du MEFA.

Les procédés de biocarburant qui réussissent sont généralement les suivants :

Approvisionnement durable en matières premières qui ne concurrence pas la production alimentaire
Efficacité de conversion élevée grâce à des conditions de processus optimisées
Utilisation appréciable des coproduits et sous-produits
Intégration des flux de chaleur et de matériaux pour réduire au minimum la consommation d'électricité
Solde énergétique net positif et réduction des gaz à effet de serre

Considérations réglementaires et stratégiques

La conception de processus durables doit s'orienter vers un paysage réglementaire de plus en plus complexe, tout en répondant aux initiatives volontaires de durabilité et aux pressions du marché.

Règlement environnemental

Les principaux cadres réglementaires qui influent sur la conception durable des processus sont les suivants :

Règlement sur la qualité de l'air:[ Limites des émissions de polluants, de polluants atmosphériques dangereux et de gaz à effet de serre
Règlement sur la qualité de l'eau:[ Limites de décharge pour les polluants conventionnels et toxiques
Règlements sur la gestion des déchets:[ Exigences relatives à la manutention et à l'élimination des déchets dangereux et non dangereux
Règlements de sécurité chimique:[ Enregistrement, évaluation et autorisation des produits chimiques
Normes d'efficacité énergétique:[ Exigences ou incitations pour les opérations éconergétiques

La conception de processus durables devrait viser à dépasser les exigences réglementaires minimales, à anticiper les règlements futurs et à démontrer un leadership environnemental.

Initiatives et normes volontaires

De nombreuses organisations participent à des initiatives volontaires de développement durable, notamment :

ISO 14001 Systèmes de gestion de l'environnement
ISO 50001 Systèmes de gestion de l'énergie
Programme de soins responsables pour l'industrie chimique
Objectifs scientifiques de réduction des gaz à effet de serre
Normes et certifications de durabilité propres à l'industrie

Ces initiatives fournissent des cadres pour une amélioration systématique et démontrent leur engagement envers la durabilité auprès des intervenants.

Incitations économiques

Divers mécanismes économiques peuvent soutenir la conception de processus durables :

Prix du carbone par les impôts ou les systèmes de plafonnement et d'échange
Crédits et subventions pour les énergies renouvelables
Incitations fiscales à l'amélioration de l'efficacité énergétique
Obligations vertes et mécanismes de financement durables
Prix préférentiels pour les produits durables

La compréhension et l'exploitation de ces incitations peuvent améliorer la viabilité économique des conceptions de processus durables.

Conclusion et perspectives d'avenir

La conception durable des processus représente une capacité essentielle pour relever les défis environnementaux du XXIe siècle tout en maintenant la prospérité économique. L'objectif de l'ingénierie durable des systèmes de processus présente des défis considérables en raison de la nature complexe des systèmes inter-industriels, écologiques, économiques et sociétaux.

Le domaine continue d'évoluer rapidement, en raison des progrès des capacités de calcul, de la sensibilisation croissante à l'environnement et de l'augmentation des pressions sur la réglementation et le marché en faveur de la durabilité.

Pour réussir dans la conception de processus durables, il faut intégrer de multiples disciplines, tenir compte de multiples objectifs et réfléchir à plusieurs échelles, de la moléculaire au planétaire. Il faut une analyse quantitative rigoureuse combinée à la résolution créative de problèmes et à la réflexion sur les systèmes.

Au fur et à mesure que nous avancerons, les principes et les pratiques de la conception durable des processus deviendront de plus en plus au centre de l'enseignement et de la pratique en génie. La prochaine génération d'ingénieurs doit être dotée non seulement de compétences techniques, mais aussi de la perspective et de l'engagement plus larges nécessaires pour créer des processus qui répondent véritablement aux besoins des générations actuelles et futures tout en respectant les frontières planétaires.

Pour plus d'information sur les pratiques de génie durable, visitez la page American Institute of Chemical Engineers Sustainability Resources[. Des directives supplémentaires sur l'évaluation du cycle de vie sont disponibles à la page de l'EPA.[La norme ISO 14001 Environmental Management[ fournit un cadre pour la gestion systématique de l'environnement.Pour les techniques d'intégration des processus, l'institution d'ingénieurs chimiques offre des ressources et une formation précieuses.