Article

1 - INTENSIFICATION DES PROCÉDÉS PAR MODIFICATIONS GÉOMÉTRIQUES

2 - APPORTS DE LA FABRICATION ADDITIVE

3 - EXEMPLES D’APPLICATIONS

4 - VERROUS ET PERSPECTIVES DE LA FABRICATION ADDITIVE

5 - CONCLUSION

6 - GLOSSAIRE

Article de référence | Réf : BM7947 v1

Apport de la fabrication additive à l’intensification des procédés

Auteur(s) : Jean-Marc COMMENGE, Laurent FALK, Raphael FAURE, Matthieu FLIN

Date de publication : 10 août 2021

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Présentation

RÉSUMÉ

L’intensification des procédés est un concept applicable à de nombreuses industries de transformation de la matière et de l’énergie. De nombreuses opérations unitaires sont toutefois limitées par les caractéristiques géométriques des équipements (réacteurs, échangeurs de chaleurs, mélangeurs…) qui leur sont associées. Les procédés de fabrication de ces équipements peuvent être une limite au développement d’appareillages plus complexes, pour atteindre des niveaux de compacité et d’efficacité supérieurs aux solutions existantes. Cet article a pour objectif de présenter et d’exemplifier les nouvelles opportunités offertes par la fabrication additive pour la conception et la réalisation d’équipements permettant l’intensification des procédés.

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ABSTRACT

Contribution of Additive Manufacturing to Process Intensification

Process intensification is a concept applicable to many industries based on heat and mass transfer operations. Several unit operations are however limited by the geometric characteristics of the equipment (reactors, heat exchangers, mixers, etc.) associated with them. Manufacturing processes of the devices can be a limit to the development of more complex equipment, to achieve levels of compactness and efficiency higher than existing solutions. The objective of this article is to present and exemplify the new opportunities offered by additive manufacturing for the design and production of equipment allowing process intensification.

Auteur(s)

  • Jean-Marc COMMENGE : Professeur à l’Université de Lorraine - Laboratoire Réactions et Génie des Procédés, - Université de Lorraine, CNRS, LRGP, F-54000 Nancy, France

  • Laurent FALK : Directeur de recherche CNRS - Laboratoire Réactions et Génie des Procédés, - Université de Lorraine, CNRS, LRGP, F-54000 Nancy, France

  • Raphael FAURE : Responsable d’équipe Conception et Fabrication - Campus Innovation Paris, Air Liquide R&D, - 1 chemin de la Porte des Loges, 78354 Les Loges en Josas

  • Matthieu FLIN : Coordinateur de projet R&D - Campus Innovation Paris, Air Liquide R&D, - 1 chemin de la Porte des Loges, 78354 Les Loges en Josas

INTRODUCTION

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.

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KEYWORDS

heat exchanger   |   3D printing   |   equipments design   |   parts production   |   reactor

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-bm7947


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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) -   *  -  European roadmap for process intensification, https://efce.info.

  • (2) - HORBEZ (D.) et al -   L’usine du futur pour l’industrie de procédés.  -  Livre blanc, SFGP (2019).

  • (3) -   *  -  Techniques de L’ingénieur, rubrique Intensification des procédés et méthodes d’analyse durables, [42493210].

  • (4) -   *  -  Techniques de L’ingénieur, rubrique Procédés de fabrication additive, [42633210].

  • (5) - COMMENGE (J.M.), FALK (L.) -   Reaction and Process System Analysis, Miniaturization and Intensification Strategies.  -  Chap. 2 dans Micro Process Engineering – A comprehensive Handbook, volume 3 : system, process and plant engineering, Ed. V. Hessel, A. Renken, J.C. Schouten et J. Yoshida, Wiley-VCH, Weinheim, Allemagne (2009).

  • (6)...

NORMES

  • Fabrication additive – Principes généraux – Partie 2 : Vue d'ensemble des catégories de procédés et des matières premières. - ISO 17296-2 :2015 -

  • Fabrication additive – Principes généraux – Partie 3 : Principales caractéristiques et méthodes d'essai correspondantes. - ISO 17296-3 :2014 -

  • Préparation des éprouvettes de matériaux thermoplastiques par des techniques sans moule – Partie 1 : Principes généraux, et frittage laser des éprouvettes. - ISO 27547-1 :2010 -

  • Fabrication additive – Principes généraux – Terminologie. - ISO/ASTM 52900 :2015 -

  • Fabrication additive – Principes généraux – Principes essentiels et vocabulaire. - ISO/ASTM DIS 52900 -

  • Fabrication additive – Principes généraux – Exigences pour l’achat de pièces. - ISO/ASTM 52901 :2017 -

  • Fabrication...

1 Annuaire

HAUT DE PAGE

1.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)

Add-Up, fabricant et distributeur de machines LB-PBF et DED-P, services de productions de pièces, services de formation

https://addupsolutions.com/fr

AFHS 3D (ancienne fonderie BOUTTE), production de moules sable par fabrication additive, pour procédés fonderie

https://www.afhs3d.fr

EOS, fabricant et distributeur de machines pour production de pièces en fabrication additive par fusion laser (métal, polymères)

https://www.eos.info/en

HIETA (UK), conception et fabrication d’équipements pour la fabrication additive (échangeurs de chaleur, turbomachines, brûleurs)

https://www.hieta.biz

Poly-Shape (Groupe Add-Up), production de pièces par LB-PBF et DED

https://www.poly-shape.com

SLM Solutions GmbH, fabrication de machines LB-PBF

https://www.slm-solutions.com

TEMISTH, conception d’échangeurs de chaleur innovants pour la fabrication additive

http://temisth.com

VOLUM-E,...

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