Apport de la fabrication additive à l’intensification des procédés

L’intensification des procédés de transformation de la matière et de l’énergie est passée en moins de 20 ans de l’état de concept à la réalité industrielle. Telle que définie dans « European Roadmap for Process Intensification », l’intensification des procédés représente un ensemble de principes innovants souvent radicalement différents, dans la conception des procédés et des équipements. Les avantages significatifs concernent l'efficacité globale d’un procédé, caractérisée par une diminution des coûts opératoires et des coûts d’investissement, une réduction des rejets et une amélioration notable de la sécurité des procédés.

Depuis l’émergence du concept dans les années 1980, ces principes ont trouvé plusieurs applications dans les domaines de la pétrochimie où de la chimie fine et en particulier en chimie pharmaceutique. Au-delà des concepts théoriques permettant de mieux appréhender les phénomènes physico-chimiques mis en jeu, il est indispensable de disposer de solutions technologiques innovantes pour fabriquer les équipements intensifiés. Grâce aux nouvelles techniques de fabrication, il est possible de réaliser des équipements aux géométries et dimensions associées qui permettent une augmentation drastique des transferts de matière et de chaleur tout en offrant une compacité importante des équipements tels que réacteurs, échangeurs de chaleur, mélangeurs, séparateurs… qui sont les équipements clés des procédés industriels.

Du point de vue conceptuel, on peut imaginer et dimensionner tous types d’équipements performants. Mais la réalisation pratique, notamment l’usinage et l’assemblage des pièces constitutives, selon la nature des matériaux, peut présenter de nombreuses limitations ne permettant pas de réaliser techniquement ou économiquement des géométries complexes. S'il n’est pas possible de fabriquer un équipement compact avec une grande surface d’échange pour évacuer la chaleur dégagée par une réaction chimique, il est nécessaire d’adapter les conditions de réaction, par exemple par dilution, pour réaliser la synthèse dans le réacteur moins performant. On conçoit ainsi que les limitations d’usinage et de fabrication des équipements entraînent de fait une limitation du potentiel d’intensification de ces équipements. C’est notamment le cas de l’intensification par modification géométrique, présentée dans cet article.

Depuis une quinzaine d’années, la fabrication additive, ou impression 3D, offre de nouvelles opportunités pour la conception et la réalisation de ces équipements, en levant certains verrous propres aux méthodes traditionnelles de fabrication. Avec l’émergence de solutions de fabrication additive présentant des capacités et des productivités de fabrication augmentée, il est envisageable aujourd’hui de produire des équipements dont l’utilisation dans les procédés industriels peut être compétitive. La fabrication additive apparaît comme une technologie clé dans de nombreuses feuilles de route.

Cet article a pour objectif de présenter les avantages et les inconvénients de la fabrication additive pour l’intensification des procédés par modifications géométriques, d’expliquer comment la conception de tels équipements doit être revue et de détailler des exemples de réalisation pour la fabrication d’équipements, par fabrication additive, pouvant prétendre à l’intensification du procédé dans lequel ils sont utilisés. L’article aborde également les limitations actuelles à l’utilisation de ces nouveaux procédés de fabrication et les perspectives de développements envisagées pour les prochaines années. Cet article fait ainsi le lien entre deux grandes rubriques des éditions Techniques de l’Ingénieur, l’intensification des procédés et méthode d’analyse durable et les procédés de fabrication additive.