Ingénierie des procédés

L'usine de pâte UPM à Paso de los Toros , en Uruguay , transforme le bois en pâte de cellulose pour le papier.

procédés industriels . Il consiste à comprendre et à appliquer les principes et lois fondamentaux de la nature pour permettre à l'homme de transformer les matières premières et l'énergie en produits utiles à la société, à l' échelle industrielle . En exploitant les forces motrices de la nature telles que la pression , la température et les gradients de concentration , ainsi que la loi de conservation de la masse , les ingénieurs des procédés peuvent développer des méthodes de synthèse et de purification de grandes quantités de produits chimiques souhaités. Le génie des procédés se concentre sur la conception, l'exploitation, le contrôle, l'optimisation et l'intensification des procédés chimiques, physiques et biologiques. Leur travail consiste à analyser la composition chimique de divers ingrédients et à déterminer leurs interactions potentielles. Un ingénieur des procédés peut se spécialiser dans plusieurs domaines, notamment :

transformation agricole
production alimentaire et laitière
Production de bière et de whisky
Production de cosmétiques
production pharmaceutique
fabrication pétrochimique
Traitement des minéraux
production de circuits imprimés

diagramme de flux de procédé (DFP) où sont spécifiés les flux de matières , les équipements de stockage (tels que les réservoirs et les silos), les transformations (telles que les colonnes de distillation , les réservoirs récepteurs/de tête, le mélange, les séparations, le pompage, etc.) et les débits , ainsi que la liste de toutes les canalisations et convoyeurs et leur contenu, les propriétés des matériaux telles que la densité , la viscosité , la granulométrie , les débits, les pressions, les températures et les matériaux de construction pour la tuyauterie et les opérations unitaires .

Le diagramme de flux de procédé est ensuite utilisé pour élaborer un schéma de tuyauterie et d'instrumentation (P&ID) qui représente graphiquement le procédé réel. Les P&ID sont conçus pour être plus complexes et précis qu'un schéma de procédé (PFD). Ils offrent une approche de conception plus claire. Le P&ID sert ensuite de base à la conception du « guide d'exploitation du système » ou « cahier des charges fonctionnel », qui décrit le fonctionnement du procédé. Il guide le procédé à travers le fonctionnement des machines, la sécurité de la conception, la programmation et une communication efficace entre les ingénieurs.

À partir du schéma de tuyauterie et d'instrumentation (P&ID), une disposition générale du procédé peut être représentée en vue de dessus ( plan d'implantation ) et en vue de côté (élévation). D'autres disciplines d'ingénierie interviennent, telles que le génie civil pour les travaux de terrassement, la conception des fondations, la conception des dalles en béton, la charpente métallique pour supporter l'équipement, etc. Tous les travaux précédents visent à définir le périmètre du projet, puis à établir un devis pour la mise en œuvre de la conception, et un calendrier précisant les délais pour l'ingénierie, l'approvisionnement, la fabrication, l'installation, la mise en service, le démarrage et la production continue du procédé.

En fonction de la précision requise pour l'estimation des coûts et le calendrier, plusieurs itérations de conception sont généralement proposées aux clients ou aux parties prenantes, qui font part de leurs exigences. L'ingénieur des procédés intègre ces instructions supplémentaires (révisions du périmètre) à la conception globale et des estimations de coûts et des calendriers complémentaires sont élaborés en vue de l'approbation du financement. Une fois le financement approuvé, le projet est mis en œuvre par une équipe de gestion de projet .

Principaux domaines d'intérêt en génie des procédés

Les activités d’ingénierie des procédés peuvent être divisées en les disciplines suivantes :

Conception de procédés : synthèse de réseaux de récupération d'énergie , synthèse de systèmes de distillation ( azéotropique ), synthèse de réseaux de réacteurs, schémas de décomposition hiérarchique, optimisation de superstructure, conception d'usines discontinues multiproduits, conception de réacteurs de production pour la production de plutonium, conception de sous-marins nucléaires.
Contrôle de processus : contrôle prédictif par modèle, mesures de contrôlabilité, contrôle robuste, contrôle non linéaire, contrôle statistique des processus, surveillance des processus, contrôle basé sur la thermodynamique , caractérisé par trois éléments essentiels : un ensemble de mesures, une méthode de prise de mesures et un système de contrôle de la mesure souhaitée.
Opérations de processus : planification des réseaux de processus, planification et optimisation multi-périodes, rapprochement des données, optimisation en temps réel, mesures de flexibilité, diagnostic des pannes.
Outils de support : simulation modulaire séquentielle, simulation de processus basée sur des équations , IA / systèmes experts , programmation non linéaire à grande échelle (PNL), optimisation d’équations différentielles algébriques (EDA), programmation non linéaire en nombres entiers mixtes (PNLNE), optimisation globale, optimisation en contexte d’incertitude, et déploiement de la fonction qualité (DFQ).
Économie des procédés : Cela comprend l’utilisation de logiciels de simulation tels que ASPEN et Super-Pro pour déterminer le seuil de rentabilité, la valeur actuelle nette, les ventes marginales, le coût marginal et le retour sur investissement de l’installation industrielle après l’analyse des transferts de chaleur et de masse de l’installation.
Analyse des données de processus : application des méthodes d’analyse de données et d’apprentissage automatique aux problèmes de fabrication de processus.

Histoire du génie des procédés

Diverses techniques chimiques sont utilisées dans les procédés industriels depuis la nuit des temps. Cependant, ce n'est qu'avec l'avènement de la thermodynamique et de la loi de conservation de la masse dans les années 1780 que le génie des procédés a été véritablement développé et mis en œuvre comme une discipline à part entière. L'ensemble des connaissances que l'on appelle aujourd'hui génie des procédés s'est alors forgé par tâtonnements tout au long de la révolution industrielle.

Le terme « processus » , tel qu’il se rapporte à l’industrie et à la production, remonte au XVIIIe siècle. À cette époque, la demande pour divers produits a commencé à augmenter considérablement, et les ingénieurs en procédés ont été chargés d’optimiser le processus de fabrication de ces produits.

Dès 1980, le concept de génie des procédés émerge du constat que les techniques et pratiques du génie chimique étaient utilisées dans de nombreux secteurs industriels. À cette époque, le génie des procédés était défini comme « l’ensemble des connaissances nécessaires pour concevoir, analyser, développer, construire et exploiter de manière optimale les procédés de transformation de la matière » . À la fin du XXe siècle, le génie des procédés s’était étendu des technologies issues du génie chimique à d’autres applications, notamment le génie métallurgique , le génie agricole et le génie des produits .