Édito

Comme le printemps, la newsletter ICÉEL est de retour en ce mois de mars, enfin me direz-vous !

Après avoir (re)découvert le Carnot dans notre première lettre de 2018, nous souhaitons ici vous éclairer sur notre proximité avec le monde socio-économique qui est in fine la raison d’être des instituts CARNOT. En effet, nos travaux de recherche sont guidés en grande partie par la volonté de répondre aux défis sociaux économiques majeurs de l’énergie et de l’environnement et, par conséquent d’accompagner les entreprises d’horizons divers face aux mutations de leurs environnements technologiques qui forment leur marché. Les exemples de projets et plateformes mentionnés dans nos articles sont une parfaite illustration de ce rôle d’interface que nous occupons.

Ainsi notre tour d’horizon des forces vives d’ICÉEL nous emmène aujourd’hui au Laboratoire Réactions et Génie des Procédés de Nancy (LRGP), composante historique du Carnot. Les plus impatients d’entre vous peuvent dès la lecture de cet édito terminé, découvrir les thématiques de recherche et ses activités conjointes avec de nombreux industriels, faisant avancer la recherche industrielle sur les procédés chimiques de transformation de la matière et sur leur mise en œuvre en termes de génie des procédés où l’optimisation des ressources et de l’énergie reste le maître mot.

Pour les lecteurs intéressés par les thématiques de ressources & environnement et manufacturing, rassurez-vous, nous vous proposons également dans cette lettre de vous replongez au cœur de 2 projets ICÉEL : l’un sur une utilisation originale de la fabrication additive et l’autre sur une plateforme inédite en France mais récemment née en Lorraine, qui répond au doux nom d’Hydroval !

A ICÉEL, nous parions qu’après lecture de ces projets, vous allez avoir envie d’en savoir davantage ; nous vous donnons donc rendez-vous au salon Global Industrie qui se tient toute cette semaine du 27 au 30 mars. Durant toute la durée du salon, vous pourrez observer de plus près des équipements développés pour les entreprises tel que le drone d’inspection de l’Institut de Soudure ; oui un drone, qui ne prend pas que des photos !

Alors si vous vous sentez l’âme d’un pilote n’attendez plus, réservez votre badge et rendez-vous au village Carnot (Hall 4 stand 4N103).

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Focus LRGP

Le Laboratoire Réactions et Génie des Procédés, est une unité mixte de recherche du CNRS (UMR7274) situé à Nancy dans les locaux de l’ENSIC.  L’ensemble des équipes de recherche est réparti dans les locaux de l’école, hormis une partie de l’équipe BioProMo, localisée sur le site de Nancy Brabois (ENSAIA et Plateforme SVS). 

Composante historique du Carnot, le LRGP développe des connaissances scientifiques et technologiques nécessaires à la conception, l’étude, la conduite et l’optimisation des procédés complexes de transformation physico-chimiques et biologiques, de la matière et de l’énergie.

Les recherches concernent le génie chimique dans son ensemble : étude des processus couplés de transfert de matière, de chaleur et d’écoulements, de la cinétique et de la thermodynamique, de la chimie-physique et de la biologie. Les interactions et les interdépendances complexes entre processus sont considérées aux différentes échelles spatio-temporelles.

Cette approche intégrative couvre un vaste domaine dimensionnel qui s’étend des petites aux grandes échelles. D’une part, les nano et micro échelles permettent une meilleure prise en compte des phénomènes locaux, en intégrant ou développant des approches très fondamentales de la physique, de la chimie quantique ou de la génomique. D’autre part, les grands systèmes considèrent l’échelle du réacteur, du procédé, de l’usine, voire du territoire.

Nous vous proposons aujourd’hui de découvrir trois des plateformes du LRGP :

Plateforme de rhéologie

La rhéologie est la science des écoulements et déformations de la matière. Elle a pour vocation d’établir des relations entre les contraintes qui s’exercent sur un matériau et la manière dont il se déforme ou s’écoule en réponse à ces contraintes. Elle concerne essentiellement les milieux plus ou moins visqueux, pâteux ou élastiques qualifiés de « matière molle » ou « fluides rhéologiquement complexes ».

Les fluides complexes, qui englobent les solutions de polymères, les polymères fondus, les dispersions (solides/liquide, liquide/liquide, gaz/liquide), les surfactants, les poudres ou des mélanges de ces divers composés, sont couramment mis en œuvre en génie des procédés et des produits. Leur comportement rhéologique a un impact direct sur l’agitation, le mélange, les transferts de matière et de chaleur, le pompage, l’étalement, la filtration… Elle intéresse donc la plupart des secteurs industriels (chimie, pharmacie, cosmétiques, agroalimentaire, matériaux de construction, pétrole, …) ainsi que de nombreux phénomènes naturels (glaciers, laves, avalanches, boues torrentielles, …).

Dans ce contexte, le LRGP possède une plateforme rhéologie, qui comprend une quinzaine de rhéomètres à déformation et contrainte imposée et deux viscosimètres. Couplées à des mesures optiques (microscopie, spectrophotométrie, diffusion de lumière) ou conductimétriques in situ les mesures rhéologiques permettent également le suivi en temps réel des propriétés de milieux formulés complexes évolutifs, voire réactifs, lors de leur élaboration ou transformation.

La plateforme du LRGP permet notamment de réaliser :

  • Des caractérisations structurelles des échantillons (spectroscopie, mécanique, rhéophysique)
  • Des caractérisations à petite échelle de certains procédés (agitation/mélange, emulsification, synthèse)
  • Des caractérisations rhéologiques de milieux granulaires et pulvérulents
  • Des mesures sous haute pression et haute température
  • Des mesures de rhéologie inter faciale

Plateforme de séparation membranaire

La séparation des gaz par procédés membranaires correspond à une technologie mature appliquée dans l’industrie depuis plus de trente ans. La méthode repose sur le transport sélectif des gaz à l’échelle moléculaire à travers une matrice polymère dense sous l’effet d’un gradient de pression ; les performances dépendent des caractéristiques moléculaires des gaz, de la membrane et des conditions expérimentales de pression et température. Par rapport à la séparation par adsorption sur des solides (Pressure Swing Adsorption) ou par absorption dans un liquide, la perméation gazeuse est un procédé continu, compact qui ne demande pas de régénération.  La perméation gazeuse un procédé est simple, flexible, sans pièces mobiles, facilement transportable et modulable qui peut convenir pour tous types de débits.

Les compétences et les moyens techniques d’ICÉEL permettent de réaliser des études théoriques (faisabilité, simulation) et expérimentales (mesures des caractéristiques de perméabilité, de transfert de matière) avec de nombreux gaz (N2, CO2,NH3, H2, CH4, …)  concernant des domaines tels que le biogaz, le captage de CO2, le séchage ou la récupération de COV.

Simulation des procédés de séparation membranaire

Afin de proposer une solution aux industriels et bureaux d’études désireux de dimensionner ou d’optimiser une installation, le LRGP travaille depuis longtemps sur la conception d’outils numériques permettant de simuler la séparation multiconstituants à travers un module membranaire de perméation gazeuse. C’est ainsi qu’est né, courant 2011, le logiciel M3PRO développé par l’équipe spécialisée dans la séparation membranaire ; depuis ce logiciel n’a eu de cesse d’évoluer.

Ainsi, aujourd’hui, le logiciel MEMSIC™ vient prendre la relève. Cette version, disponible sous la forme d’un module CAPE-OPEN compatible avec les logiciels de simulation des procédés (Aspen, Hysys, Pro/II, PROSIM, …) ou sous une forme standalone, permet de modéliser la séparation membranaire d’un mélange gazeux multiconstituants en fonction de la pression, de la température, des débits entrants, de la nature des constituants, etc. Quatre modèles d’écoulement sont proposés : l’écoulement parfaitement agité, l’écoulement piston croisé et les écoulements parallèles co- et contre-courant.

Couplé à un logiciel de simulation de procédés, la version CAPE-OPEN de MEMSIC, permet non seulement le dimensionnement d’installations de perméation gazeuse mais aussi l’optimisation des paramètres de fonctionnement et l’analyse de sensibilité.

Plateforme métrologie des aérosols

Le LRGP dispose d’un plateau technique dédié à l’étude de la filtration des aérosols ou à la séparation gaz/particules. Ce plateau dispose de nombreux générateurs d’aérosols (solide ou liquide) dans une large gamme de tailles s’étalant du nanomètre au micromètre. D’un point de vue métrologique, il est constitué d’instruments de mesure très spécifiques pour la caractérisation des aérosols en termes de distribution granulométrique, de charge électrique, de masse…

Le couplage de ces différents appareils de mesure couplé à un traitement spécifique de données permet de caractériser plus finement les aérosols en termes de morphologie pour les particules nano structurées (tailles des particules primaires, nombre de particules primaires par agglomérat, dimension pseudo-fractale, masse volumique effective…).

Projet européen HYPACTOR

Retour sur la contribution de l’Institute de Soudure avec Fethi DAHMENE,, l’un des ingénieurs en charge du projet.

L’hydrogène a été évalué comme un vecteur d’énergie important pour le futur, de par la réponse qu’il apporte aux problématiques sociétales et économiques. L’objectif principal du projet Hypactor est de fournir des recommandations aux comités de normalisation afin de garantir une utilisation en toute sécurité des réservoirs sous pression composites (COPV) destinés au stockage et au transport de l’hydrogène.

Pour atteindre cet objectif, le projet s’est focalisé sur l’étude du comportement des COPV faces aux impactes mécaniques et en particulier aux trois problématiques suivantes : :

  • Comprendre et caractériser la relation entre l’impact, les dommages et la perte de performance des COPV de type IV, à court terme et aussi après plusieurs sollicitations en service.
  • Développer des modèles numériques pour la prédiction de la performance résiduelle à court terme des réservoirs impactés
  • développer et mettre en œuvre des procédures de contrôle périodiques pertinentes (non destructive) et définir des critères d’acceptation des COPV en service soumis à des impacts mécaniques.

Ce projet de grande envergure implique un consortium d’acteurs aux expertises complémentaires :

– Procédés  et équipements composites sous pression (CEA, WRUT)

– Technologies avancés de compression d’hydrogène (AIR LIQUIDE)

– Fournisseur d’équipements sous pression (HEXAGON)

– Expertise en caractérisation, contrôles non-destructif (Institut de Soudure, WRUT)

– Modélisation (NTNU)

– Management de projets européen (Ayming)

L’Institut de Soudure a contribué à la caractérisation des défauts générés dans les réservoirs de type 4 de par ses compétences avancées en contrôles non destructifs. Pour le contrôle périodique, , notre choix s’est porté sur la méthode  d’émission acoustique, qui nous a permis de mettre en évidence les réservoirs impactés défectueux  , présentants des pertes de performance.

Durant toute la durée du projet, une matrice d’essai de grande envergure a été réalisée en combinant impact, endommagement, perte de performance et l’émission acoustique. Cela a permis d’établir des critères d’acceptation rejet grâce à la validation de 114 essais hydrauliques et 2 essais pneumatiques sur des réservoirs sains et endommagés. Certains essais se sont fait notamment en parallèle du projet H2E qui vise à contribuer à l’émergence d’une filière hydrogène-énergie durable et compétitive en France et en Europe.

Suite à nos essais et analyses par émission acoustique, nous avons pu mettre en place une base de données unique en Europe.

Hypactor a aussi été l’opportunité d’appliquer et évaluer pour la première fois en Europe, une inspection périodique utilisant la méthode d’ émission acoustique modale (ISO DIS19016) et de fournir des recommandations pour la norme ISO/TC58/SC4/WG15). 50 essais combinés, émission acoustique/ émission acoustique modale ont ainsi été réalisés. Les résultats ont montrés que la norme doit encore être optimisée afin d’être validée et applicable aux réservoirs de type 4.

Les résultats obtenus vont nous permettre de proposer des procédures de contrôles adaptées pour les industriels. En attendant le développement de futures procédures, nous sommes les seuls à proposer des critères d’acceptation-rejet en émission acosutique fiables pour cette technologie.

Notre retour d’expérience sur les réservoirs de type 4 nous place comme acteur prépondérant dans l’étude des futurs réservoirs de 5ième génération actuellement en cours de développement.

Nos projets de recherche

Comment récupérer les métaux stratégiques ?

Face à la complexité des problématiques d’approvisionnement en métaux stratégiques, la majorité des recherches en ressources s’orientent vers la récupération de ces derniers à partir des coproduits et/ou sous-produits d’une chaîne de valorisation des ressources primaire (naturellement présents en sous-sols) et secondaires (recyclés).

A l’heure actuelle, il existe des stations de traitement, modélisation et valorisation des ressources minérales ; elles permettent de mener des projets de recherche de tous types : applications pour des industriels (Areva, Imerys, Eramet, Technip…),  projets nationaux (ANR…) et européens.

Cependant, les critères de sélection utilisés ne concernent que des compétences reconnues et des moyens expérimentaux en Minéralurgie. Or, pour la plupart des métaux contenus dans des minerais ou résidus à faibles teneur en substances utiles, les procédés modernes doivent nécessairement combiner les traitements physiques (minéralurgie) et chimiques (hydrométallurgie).

La mise en place du projet Hydroval a donc eu pour objectif de positionner la Lorraine non seulement sur l’hydrométallurgie mais aussi sur l’extraction et la séparation métaux critiques et stratégiques comme les terres-rares contenues dans des matrices secondaires à faible teneur. La station HYDROVAL qui complète la station STEVAL (également sous le périmètre ICÉEL) est un outil important permettant de renforcer la stratégie des laboratoires de l’Université de Lorraine dans le domaine de l’hydrométallurgie en favorisant des projets fédérateurs locaux, nationaux, européens et internationaux à haut TRL.

Ce projet qui a fédéré 5 composantes d’Icéel (Georessources, Institut Jean Lamour, LRGP, LES, LIEC) illustre parfaitement les liens existant entre tous les laboratoires du périmètre du Carnot sur de nombreuses thématiques.

Les équipes de recherche ont souhaité s’orienter vers des alternatives peu communes de récupération des métaux « terres rares légères » (considérées comme les plus stratégiques) par la voie de bioaccumulation. Cela a été rendu possible grâce à l’utilisation de  plantes hyperaccumulatrices comme la fougère Dicranopteris Dichotoma qui possède la faculté de concentrer les éléments de terres rares légères sur des résidus miniers.

 

En place depuis 2017, la plateforme contribue à développer un procédé complet de valorisation des métaux bio-accumulées dans les plantes lors des étapes de dépollution intégrant les étapes de lixiviation, de purification et production d’un produit semi-fini à l’échelle du pilote.

Ce projet ambitieux, par son approche multidisciplinaire, a connu des retombées immédiates avec la construction d’un réseau de laboratoires sous une bannière commune Lorraine.

Projet COLFFA

L’utilisation de contacteurs à lit fixe est largement répandue au sein des industries de procédés (biochimiques, pétrolières…), en vue faciliter l’écoulements de gaz/liquides en milieux poreux. Ils permettent notamment de mettre en oeuvre des procédés comme la désulfuration des gazoles, la distillation de l’air, la chromatographie ou encore la mise en place de lits bactériens pour la dépollution de l’eau.

Le projet COLFFA vise à mieux maîtriser et optimiser la fabrication de ces contacteurs de manière innovante et proposer à terme aux industriels une méthodologie leur permettant d’améliorer grandement le design de leurs réacteurs et séparateurs.

Les équipes de COLFFA se sont concentrés sur l’étude de géométries optimales innovantes pour ces contacteurs. Pour concilier nouveauté, faisabilité et industrialisation (pièces de grande taille), c’est la fabrication additive par stratoconception, breveté par le CIRTES qui a été adoptée. C’est la première fois qu’un procédé de fabrication additive est couplé à l’industrie de la chimie de cette manière.

L’idée étant de pouvoir réaliser des géométries non accessibles aux méthodes de fabrication usuelles, tout en permettant l’insertion des capteurs (sondes électrochimiques affleurant à une interface) et la visualisation des écoulements par technique optique (LDA).

Afin de s’assurer que le modèle développé soit représentatif de la réalité quelle que soit la géométrie en cours d’optimisation, les équipes de recherche ont conçu une maquette à l’échelle 1 de géométries proposées au cours du processus d’optimisation. Celle-ci  a pu être instrumentée permettant de valider  les simulations.

La complexité du projet a nécessité la mise en commun de connaissances expertes de la part des laboratoires.

Différentes thématiques phares du LRGP telle que l’intensification des procédés, les écoulements polyphasiques ou encore le génie des réacteurs ont été directement concernées par ce projet.

Pour le CIRTES, le projet, a permis d’explorer les potentiels de fabrication de formes internes pour structurer les écoulements réalisables par leur procédé de stratoconception, de l’intégration d’instrumentation complexe et de mise en oeuvre de nouveaux matériaux.

COLFFA a pu démontrer la faisabilité d’un design particulier avec son instrumentation et la simulation associée grâce à la réalisation d’une maquette transparente par fabrication additive dans laquelle ont été implantés des capteurs (sondes électrochimiques).

A terme, les marchés ciblés seront essentiellement les équipementiers pour l’industrie de procédés mais également les fournisseurs de logiciels de CFD (pour leurs proposer la démarche d’optimisation).

Suite à ces résultats plus que positifs, la prochaine étape sera maintenant de concevoir la méthodologie d’optimisation de la forme, objectif du projet COLFFA 2 actuellement en cours et donc à suivre…