Cette thèse a été développé par la nécessité du laboratoire d’obtenir une approche pour le choix de voies de synthèse d’un point de vue environnemental. Pour répondre à ce choix, les principes de la chimie vertes sont classiquement utilisés depuis les années 80. Un des problèmes identifiés est le manque de résultats quantitatifs apportés par ces principes. Afin de réalisée l’analyse environnementale, la méthodologie d’analyse du cycle de vie (ACV) est apparue comme une solution efficace. L’étape d’inventaire du cycle de vie apparait classiquement comme l’étape la plus chronophage, à une étape précoce de la conception il apparait la difficulté de rassemblement des données. L’utilisation de la simulation des procédés est apparue comme une solution pour fournir les données d’inventaire à l’ACV.
L’étape d’inventaire de l’ACV est identifiée comme l’étape la plus chronophage. Il apparait en plus une difficulté dans la collecte des données pour l’ACV de procédés à une étape précoce de la conception. Pour combler cette double difficulté la simulation des procédés apparait comme une solution.
Dans un premier temps, trois voies de synthèses ont été comparés d’un point de vue environnemental en utilisant l’ACV via les recommandations de la base de donnée ECOINVENT (classiquement utilisée en ACV pour fournir des données d’arrière-plan) et les principes de la chimie verte. Il apparait que les résultats des deux méthodes sont complémentaires mais ne permettent pas une étude approfondie en particulier sur des éléments comme la consommation énergétique.
La seconde étude prend en compte la simulation des procédés avec le même procédé de production de DMC conçue autour de trois scénarios présentant des modèles thermodynamique différent. Cette étude cherche à montrer les différences de résultats obtenus avec trois stades de la conception du procédé (modèle conversion, équilibre et cinétique). Il apparait au cours de cette étude le grand intérêt de réaliser la simulation avec un modèle de conversion qui permet d’identifier certains points chauds du procédé. En revanche les modèles de conversion et d’équilibre ne permettent pas d’identifier les impacts sur les différentes catégories étudiées. Le scénario de séparation et en particulier la chauffe sont apparu comme des éléments importants du procédé.
Ces deux premières études permettent de d’identifier les éléments d’analyse possible pour des étapes de conceptions précoce de voies de synthèses et de procédés.
Ensuite trois scénarios de séparations du procédé ont été modélisés et comparés. Ces différents scénarios entrainent différents résultats en terme de bilan énergétique mais aussi de bilan matière. Les trois scénarios sont dans un premier temps comparés d’un point de vue économique et environnemental. Il apparait que les trois scénarios ne permettent pas les même récupération d’énergie du point de vue de l’analyse de pincement. Les trois scénarios optimisés d’un point de vue environnemental sont ensuite comparés.
L’optimisation énergétique du procédé par l’analyse de pincement permet de réaliser le scale-up du procédé pour la comparaison avec des procédés industriels. En effet il apparait compliqué de comparer des résultats issus de laboratoires a des résultats industriels, cette affirmation rend plus compliqué l’analyse de cycle de vie au niveau de conception le plus faible.
Le procédé le plus intéressant d’un point de vue environnemental sera comparé avec le procédé industriel le plus répandue. Ces résultats donneront lieux à une publication. Une analyse économique a également permit de conforter la faisabilité du procédé.
Ces différentes études permettent de développer les différentes solutions applicables au laboratoire selon le niveau de conception. Les avantages et les inconvénients de études à différents niveaux de conception sont listés afin de permettre un usage facile par les différentes composantes du laboratoire. |
This thesis was developed out of the laboratory's need to obtain an approach for the choice of synthesis routes from an environmental point of view. To address this choice, the principles of green chemistry have been classically used since the 1980s. One of the problems identified is the lack of quantitative results provided by these principles. In order to carry out the environmental analysis, the Life Cycle Assessment (LCA) methodology has emerged as an effective solution. The life cycle inventory stage appears classically as the most time consuming stage, at an early stage of the design it appears difficult to collect data. The use of process simulation appeared as a solution to provide inventory data to the LCA.
The inventory stage of the LCA is identified as the most time consuming stage. In addition, there is a difficulty in collecting data for LCA of processes at an early stage of design. To overcome this double difficulty, process simulation appears to be a solution.
In a first step, three synthesis routes were compared from an environmental point of view using LCA via the recommendations of the ECOINVENT database (classically used in LCA to provide background data) and the principles of green chemistry. It appears that the results of the two methods are complementary but do not allow for an in-depth study, particularly on elements such as energy consumption.
The second study considers process simulation with the same DMC production process designed around three scenarios with different thermodynamic models. This study seeks to show the differences in results obtained with three stages of the process design (conversion, equilibrium and kinetic model). It appears from this study that it is of great interest to carry out the simulation with a conversion model which allows the identification of certain hot spots in the process. On the other hand, the conversion and equilibrium models do not allow the identification of the impacts on the different categories studied. The separation scenario and in particular the heating appeared to be important elements of the process.
These first two studies allow the identification of possible analysis elements for early design stages of synthesis routes and processes.
Then three process separation scenarios were modelled and compared. These different scenarios lead to different results in terms of energy balance but also material balance. The three scenarios are first compared from an economic and environmental point of view. It appears that the three scenarios do not allow the same energy recovery from the point of view of the pinch analysis. The three environmentally optimised scenarios are then compared.
The energy optimisation of the process by means of pinch analysis allows the process to be scaled up for comparison with industrial processes. Indeed, it appears complicated to compare laboratory results with industrial results, which makes the life cycle analysis at the lowest design level more complicated.
The most interesting process from an environmental point of view will be compared with the most common industrial process. These results will be published. An economic analysis also confirmed the feasibility of the process.
These different studies allow the development of different solutions applicable to the laboratory according to the level of design. The advantages and disadvantages of studies at different design levels are listed to allow easy use by the different components of the laboratory. |