DOSSIER Edited by/sous la direction de : C. Barrère-Tricca

Transcription

1 Photos: Corbis, DOI: /ogst/ , IFPEN, X. D o s s i e r This paper is a part of the hereunder thematic dossier published in OGST Journal, Vol. 68, No. 6, pp and available online here Cet article fait partie du dossier thématique ci-dessous publié dans la revue OGST, Vol. 68, n 6, pp et téléchargeable ici DOSSIER Edited by/sous la direction de : C. Barrère-Tricca IFP Energies nouvelles International Conference / Les Rencontres Scientifiques d IFP Energies nouvelles MAPI 2012: Multiscale Approaches for Process Innovation MAPI 2012 : Approches multi-échelles pour l'innovation des procédés Oil & Gas Science and Technology Rev. IFP Energies nouvelles, Vol. 68 (2013), No. 6, pp Copyright 2013, IFP Energies nouvelles 951 >Editorial 977 >Molecular Simulation of Adsorption in Microporous Materials Modélisation moléculaire de l adsorption dans les solides microporeux M. Yiannourakou, P. Ungerer, B. Leblanc, X. Rozanska, P. Saxe, S. Vidal-Gilbert, F. Gouth and F. Montel 995 >Sulfur Deactivation of NO x Storage Catalysts: A Multiscale Modeling Approach Empoisonnement des matériaux de stockage des NO x par le soufre : approche multi-échelles N. Rankovic, C. Chizallet, A. Nicolle, D. Berthout and P. Da Costa 1007 >From Detailed Description of Chemical Reacting Carbon Particles to Subgrid Models for CFD De la description détaillée des particules de carbone chimiquement réactives aux modèles de sous-maille pour la CFD S. Schulze, M. Kestel, P.A. Nikrityuk and D. Safronov 1027 >Development of a General Modelling Methodology for Vacuum Residue Hydroconversion Développement d une méthodologie générale de modélisation pour l hydroconversion de résidu sous vide L. Pereira de Oliveira, J.J. Verstraete and M. Kolb 1039 >A General Approach for Kinetic Modeling of Solid-Gas Reactions at Reactor Scale: Application to Kaolinite Dehydroxylation Une approche générale de la modélisation cinétique des réactions solide-gaz à l échelle du réacteur : application à la déshydroxylation de la kaolinite L. Favergeon, J. Morandini, M. Pijolat and M. Soustelle 1049 >A Multiscale Approach for Modeling Oxygen Production by Adsorption Modélisation de la production d oxygène par adsorption par une approche multi-échelle D. Pavone and J. Roesler 1059 >Bubbles in Non-Newtonian Fluids: A Multiscale Modeling Bulles en fl uide non Newtonien : une approche multi-échelle X. Frank, J.-C. Charpentier, F. Cannevière, N. Midoux and H.Z. Li 1073 >Multiscale Study of Reactive Dense Fluidized Bed for FCC Regenerator Étude multi-échelle d un lit fl uidisé dense réactif de type régénérateur FCC G. Moula, W. Nastoll, O. Simonin and R. Andreux 1093 >CO 2 Capture Cost Reduction: Use of a Multiscale Simulations Strategy for a Multiscale Issue Réduction du coût du captage de CO 2 : mise en œuvre d une stratégie de simulations multi-échelle pour un problème multi-échelles L. Raynal, A. Gomez, B. Caillat and Y. Haroun 1109 >International Conference on Multiscale Approaches for Process Innovation MAPI January 2012 Round Table Discussion Conférence internationale sur les approches multi-échelles pour l innovation des procédés MAPI janvier 2012 Comptes-rendus des discussions de la table-ronde H. Toulhoat

2 Oil & Gas Science and Technology Rev. IFP Energies nouvelles, Vol. 68 (2013), No. 6, pp Copyright Ó 2013, IFP Energies nouvelles DOI: /ogst/ IFP Energies nouvelles International Conference Rencontres Scientifiques d'ifp Energies nouvelles MAPI 2012: Multiscale Approaches for Process Innovation MAPI 2012 : Approches multi-échelles pour l'innovation des procédés Éditorial RENCONTRE SCIENTIFIQUE IFP ENERGIES NOUVELLES MAPI 2012 APPROCHES MULTI-ÉCHELLES POUR L'INNOVATION DES PROCÉDÉS VERS LE 3 e PARADIGME DU GÉNIE DES PROCÉDÉS : LES APPROCHES MULTI-ÉCHELLES DE LONGUEUR ET DE TEMPS COMME OUTIL EFFICACE POUR UNE INNOVATION DE PROCÉDÉS DURABLES 1 TENDANCES ET DEMANDES ACTUELLES DES INDUSTRIES CHIMIQUES ET ANNEXES : UN BESOIN D'INNOVATION DES PROCÉDÉS COMBINANT L'ATTRAIT DES MARCHÉS AVEC LA DEMANDE DES CONSOMMATEURS (MARKET PULL) ET LA DEMANDE TECHNOLOGIQUE AVEC DES SOLUTIONS D'INGÉNIERIE (TECHNOLOGY PUSH) Aujourd hui l industrie chimique et les industries connexes (pe trochimie, industries de sante, cosme tique, alimentaire, environnement, production d e nergie, textile, papier, verres, bitume, side rurgie, mate riaux de construction, e lectronique, etc.) sont en rapide e volution pour faire face a` des exigences et des contraintes environnementales et de sureté sans pre ce dent de la part de la socie te civile. En paralle` le, la connaissance chimique croıˆ t aussi rapidement et le taux de de couverte augmente chaque jour. Le de veloppement de la synthe` se chimique combinatoire en utilisant les nano et micro technologies est un exemple patent. Alors qu attendons-nous d un génie des procédés moderne pour assurer la compe titivite, l emploi et le de veloppement durable (durabilite ) dans les industries pe trolie` res, chimiques et annexes? Il existe deux demandes : connaıˆtre les produits et les proce de s qui seront compe titifs dans l actuelle e conomie mondialise e : les mots-cle s sont globalisation des marche s, acce le ration des partenariats et innovation de proce de s ce qui conduit principalement a` une acce le ration de la vitesse d innovation des produits. Cela signifie qu il devient de plus en plus difficile d eˆ tre le premier sur le marche avec un produit innovant et il s en suit que l acce le ration simultane e du de veloppement du couple produit/proce dé est d importance primordiale ; de plus les pays industrialise s connaissent une croissance rapide dans la demande-client pour des produits à proprie te s d usage cible es et en meˆ me temps des contraintes issues du public et des me dias portant sur les proce de s dans les domaines de la se curite et de l environnement, combine es avec des outils de réglementation comme l analyse du cycle de vie du produit «du berceau a` la tombe» (voire par exemple la norme europe enne pour les produits chimiques Regulation, Evaluation, Authorization of CHemicals (REACH)). Pour re pondre a` de telles demandes socie tales de produits et de proce de s durables et offrir une contribution au combat contre la destruction environnementale et le comportement non durable de la production mondiale actuelle, la chimie et le ge nie des procédés sont de sormais

3 952 Oil & Gas Science and Technology Rev. IFP Energies nouvelles, Vol. 68 (2013), No. 6 confronte sa` de nouveaux de fis portant sur des syste` mes complexes a` la fois a` l e chelle des mole cules, a` l e chelle des produits et a` l e chelle des proce de s: en effet pour les produits de commodite s et pour les produits interme diaires a` forts tonnages pour lesquels les brevets ne portent pas habituellement sur les produits, les procéde s ne peuvent plus eˆ tre durablement se lectionne s sur les seuls critères de l exploitation e conomique «comptable». Au contraire, il faut e tablir une compensation avec a` la fois une se lectivite accrue et des e conomies lie es au procédé luimeˆ me. Le défi est de produire d e normes quantite s au moindre couˆ t avec des technologies non polluantes, une re duction des matières premières et des pertes d e nergie et le recyclage des produits et sous-produits. Pour la production de ces produits a` forts tonnages qui repre sentent encore aujourd hui un secteur majeur de l e conomie (40 % des marche s), le client achète un proce de qui ne pollue pas (ou pollue peu), et qui est parfaitement se curisé et automatisé, ce qui requie` re l utilisation a` l e chelle du procédé des outils et me thodologies du génie des proce de s systémique (PSE) et du génie des procédés assiste par ordinateur (CAPE). De plus n oublions pas que les capacités de production mondiale doivent s accroıˆ tre d un facteur 6 d ici a` 2050, si l on suppose un taux de croissance de l e conomie mondiale de 4 % par an. Ainsi tendre vers des équipements pour une production a` l e chelle mondiale pourra bientoˆ t ne cessiter un changement partiel ou total de technologie, sachant que les technologies actuelles ne peuvent plus être mises en œuvre dans un esprit «on construit toujours plus gros», si l on doit appre hender des capacite s de production encore jamais rencontre es dans les industries chimiques et annexes. On est ainsi confronte a` une demande d innovation des procédés de production conduisant a` un changement dans les technologies afin d extrapoler fiablement de nouveaux proce de s, en passant d une e chelle interme diaire a` une tre` s grande échelle pour laquelle nous n avons pas d expérience ante rieure ; Par ailleurs, la chimie fine, la chimie de spe cialite s et la production de principes actifs et de mate riaux hautement spe cialise s avec les industries correspondantes (santé, cosme tique, agro-alimentaire) mettent en jeu l interface chimie/biologie. Ils impliquent e galement l upgrading et la conversion des bruts lourds pe troliers et des interme diaires, la conversion des produits de rive s du charbon ou des gaz de synthe` se en fuel, hydrocarbures et produits oxygéne s. Cette progression est la conse quence des demandes des marche s pour lesquels les ventes et la compe titivite sont domine es non pas par les spécifications techniques du produit mais plutoˆ t par la valeur d usage du produit. Pour un consommateur qui n apprécie ge ne ralement plus (ou pas seulement) un produit pour ses spécifications techniques, mais plutoˆ t pour ses crite` res de qualite comme les proprie te s sensorielles et pour ses fonctions comme la performance ou la conve nience, le controˆ le de cette valeur d usage a` l e chelle mole culaire, l expertise dans la conception du procéde, l ajustement continuel aux demandes changeantes du consommateur, et la rapidite de la réaction et de la réponse aux conditions du marche sont les e le ments dominants e conomiques qui doivent eˆ tre pris en compte par le ge nie des procédés moderne. Le facteur-cle pour la production de produits pharmaceutiques ou cosme tiques n est pas le couˆ t, mais le temps d arrive e sur le marche, i.e., la rapidite de la de couverte et de la production de ces produits. De plus pour les produits ou` la valeur ajoute e est une nano structure spe cifique, le consommateur paiera un surcouˆ t pour une telle fonction, qu elle soit dans un aliment, une poudre de lavage, un additif pour carburant, une peinture ou dans un enduit. Ainsi pour ces produits a` court temps de vie et a` haute valeur ajoute e, le consommateur ache` te un produit qui est le plus efficace et le premier sur le marche, paie un prix e leve et attend un large be ne fice. Et ces produits a` grandes marges béne ficiaires, conçus «sur mesure» pour le consommateur en ce qui concerne leur formulation et leur fabrication requie` rent aussi de nouveaux équipements dont la conception de passe le seul objectif de produire un unique produit de bonne qualite et a` bas couˆ t. Au contraire le besoin exprimé aujourd hui porte sur une demande

4 E ditorial 953 d innovation de procédés avec des technologies polyvalentes et des équipements de production géne riques, de petites dimensions, facilement lavables, de sencrassables, de sinfectables, transformables et ope rationnels pour d autres fabrications (productions flexibles, proce de s continus ou en batch, conceptions modulaire, etc.). Les conside rations précédentes sur la demande et la conception des produits de sire setde leurs proce de s de production intensifie s soulignent le besoin d innovation de proce de s qui comprend l inte gration des connaissances aux multi-échelles utilise es par le génie du produit dans celles a` l e chelle de l usine du proce de de production de ce produit parce que tout naturellement les conditions de production de termineront en fin de compte les proprie te s du produit. Ainsi un besoin d innovation de proce de s qui est concerne par une approche multi-e chelle des phe nome` nes rencontre s dans la conception du produit et dans le ge nie du proce de associe doit eˆ tre pris en compte par l approche du ge nie des procédés durable. Mais Comment? La réponse est en pre sentant l approche moderne du génie des proce de s qui est concerne a` la fois par le ge nie du produit et l ingénierie de production associe e, ce qui requie` re l organisation des e chelles et des niveaux de complexite et ensuite l utilisation de la mode lisation et de la simulation aux situations réelles de production depuis l e chelle mole culaire jusqu aux échelles complexes de production avant la commercialisation. 2 L'APPROCHE ACTUELLE COMPLÉMENTAIRE DU GÉNIE DES PROCÉDÉS : L'APPROCHE INTÉGRÉE MULTIDISCIPLINAIRE ET MULTI-ÉCHELLE DE TEMPS ET D'ESPACE POUR L'INNOVATION DES PROCÉDÉS : MAPI Le but du ge nie des procédés est le de veloppement de concepts, de me thodologies et de technologies pour mieux comprendre, concevoir, dessiner et faire fonctionner de fac on optimale les procéde s de transformations physico-chimiques et biologiques de la matière première et de l e nergie en des produits utiles au consommateur. Cela concerne la synthe` se des mate riaux nano et microstructure s, la conception, l extrapolation ou l intrapolation, le controˆ le et l automatisation des proce de s industriels effectue s par des séparations physico-bio-chimiques ou par des re actions chimiques, catalytiques, biochimiques, e lectrochimiques, photochimiques et agrochimiques. Mais, comme nous l avons souligne pre ce demment, l accent mis aujourd hui sur l e laboration des proprie te s d usage de certains produits nécessite l utilisation d une large varie te de technologies incluant notamment le nouveau roˆ le des micro technologies, c est a` dire l utilisation de micro me langeurs, de micro échangeurs de chaleur et de matière, et de réacteurs micro structure s pour l intensification de certains procédés de production. De plus il est important de souligner que 60 % de tous les produits vendus par les industries chimiques et connexes sont des solides cristallins, amorphes ou polyme riques. Ces mate riaux doivent avoir une forme clairement définie pour posse der les qualite s d usage souhaite es. Il en va de meˆ me pour les produits paˆ teux et les e mulsions. Ainsi cette production concerne globalement des mate riaux hautement spécialise s, des principes actifs et des produits de chimie de spe cialite qui sont en fait beaucoup plus complexes en termes de structure mole culaire et de microstructures que les produits traditionnellement fabriqués par la chimie lourde. Voila` pourquoi le ge nie des proce de s moderne est concerne par la compre hension et le de veloppement de proce dures syste matiques (approche syste mique) pour la conception et le fonctionnement optimal de tous les syste` mes complexes de production chimiques et autres, depuis les systèmes nano et micro utilise s pour l analyse, les tests et la production des produits jusqu aux systèmes rencontre sa` l e chelle du proce de industriel fonctionnant en batch ou en continu. Ces systèmes et processus complexes interviennent aux diffe rentes e chelles d espace et de temps rencontrées dans ce qu on de finit comme la chaîne de production chimique «Chemical supply chain»(fig. 1).

5 954 Oil & Gas Science and Technology Rev. IFP Energies nouvelles, Vol. 68 (2013), No. 6 Time scale Month Week Day h min s ms ns ps Plants Site Process units Single and multiphase systems Particles, thin films Molecule Chemical scale cluster Molecules Enterprise Small Intermediate Large 1 pm 1 nm 1 μm 1 mm 1 m 1 km Length scale Aujourd hui le génie chimique et des procédés est concerné par/avec la compréhension et le développement de procédures systématiques pour la conception, l expérimentation, la modélisation et la simulation et la conduite optimale des différents processus qui interviennent aux différentes échelles de la chaîne de production chimique : depuis les échelles nano et micro où les composés chimiques doivent être synthétisés et caractérisés au niveau moléculaire ; jusqu aux échelles industrielles des procédés continus ou en batch. Figure 1 Les multi-échelles de la chaîne de production chimique. Cette chaıˆ ne débute avec les produits chimiques et autres que l industrie doit synthe tiser et caracte riser a` l e chelle mole culaire. Les mole cules sont ensuite agglome re es en clusters, particules ou films minces. Ces syste` mes mono ou polyphasiques forment des me langes microscopiques de produits solides, paˆ teux ou d e mulsions. La transition alors de la chimie ou biologie vers l ingénierie comprend la conception et l analyse des unite s de production, qui sont elles-meˆ mes inte gre es dans un proce de de production qui devient un des e le ments d un site industriel qui comprend plusieurs procédés de production. Finalement ce site est une partie de l entreprise commerciale qui est tirée par des conside rations des marche s reque rant la qualite du produit. Dans la chaıˆ ne de production chimique, il faut bien souligner une fois encore que la qualité du produit est de termine e aux e chelles nano et/ou micro et qu un produit posse dant une proprie te de sire e doit eˆ tre e tudie pour a` la fois sa structure et sa fonction. En effet la cle du succe` s est d obtenir la valeur d usage et ensuite de controˆ ler la qualite du produit en controˆ lant la formation de la nano et/ou micro structure. Ainsi une parfaite compre hension de la relation structure/proprie te a` la fois a` l e chelle mole culaire (i.e. physique et chimie de surface) et a` l e chelle microscopique (i.e. couplage des me canismes re actionnels et de la me canique des fluides) est de premie` re importance pour eˆ tre capable de concevoir les proce de s de production. Cela aide a` faire le saut depuis l e chelle nano jusqu a` l e chelle macro du proce de de production qui assure la qualite de sire e par le consommateur a` l e chelle du produit. De plus la plupart des processus chimiques sont non-line aires, hors-e quilibre, appartenant ainsi a` ce qu on appelle des syste` mes complexes pour lesquels une structure multi-e chelle est de nature commune. Cela nécessite une approche de type système inte gre pour une mode lisation multidisciplinaire et multi-e chelle des phe nome` nes complexes, simultane set

6 E ditorial 955 souvent couple s de transferts de matie` re, de chaleur et de quantite de mouvement et des processus de cine tique réactionnelle qui interviennent aux diffe rentes échelles : diffe rentes e chelles de temps (10 15 a` 10 8 s) depuis les femtosecondes et picosecondes pour les oscillations d atomes d hydroge` ne sur la surface des particules de nano catalyseurs ou bien pour le mouvement des atomes dans une mole cule pendant la réaction chimique, les nanosecondes pour les vibrations mole culaires, les heures pour les ope rations industrielles et les sie` cles pour la destruction des polluants dans l environnement ; diffe rentes e chelles de longueurs (10 9 a` 10 6 m) qui sont rencontre es dans la pratique industrielle avec des approches a` l e chelle des Angstroms (pour les structures e lectroniques) a` l e chelle nano (pour les processus mole culaires, les sites actifs), a` l e chelle micro (pour les bulles, gouttes, mouillage des particules solides, les tourbillons), a` l e chelle meso pour les unite s de production (re acteurs, échangeurs, colonnes), a` l e chelle macro pour les sites de production (usines, complexes pe trochimiques, etc.) et a` la mega e chelle (atmosphe` re, oce ans et sols e.g., jusqu a` des milliers de kilome` tres pour la dispersion des e missions dans l atmosphère). Ainsi il devient ne cessaire d organiser les e chelles et les niveaux de complexite pour comprendre et de crire les événements aux e chelles nano et micro et pour mieux convertir les mole cules en produits utiles et requis a` l échelle du procédé, i.e. organiser les niveaux de complexite en traduisant les processus mole culaires en lois phe nome nologiques macroscopiques pour cre er et controˆ ler les proprie te s d usage requises et les fonctions du produit manufacture par un proce de batch ou en continu (i.e., transformer les mole cules en argent!). On de finit cette approche comme «le Ge nie du triplet Processus-Produit-Proce dé (G3P)» ( the triplet molecular Processes-Product-Process Engineering (3PE) approach ) : Elle inte` gre des phe nome` nes complexes multidisciplinaires, non-line aires et hors-e quilibre, se produisant aux diffe rentes échelles de temps et de longueur intervenant pour la mise en œuvre du proce de (Fig. 1), afin de comprendre comment des processus physico-biochimiques et de transfert a` une échelle donne e sont reliés a` des proprie te s et a` un comportement a` une échelle supérieure : c est ce qu on appelle organiser les niveaux de complexite des diffe rentes échelles de la chaıˆ ne de production chimique (Fig. 2). Plus ge ne ralement l ide e associe ea` la mode lisation multi-e chelle est la communication entre les e chelles. Et il est clair que l engouement pour les approches multi-e chelles et l inte gration et les solutions de modèles mixtes construits a` partir de plusieurs mode` les partiels est tire par la conception des produits pour laquelle les caracte ristiques aux e chelles nano et micro sont perc ues comme vitales pour les «concepteurs de produits». Et si on y ajoute et combine les approches aux e chelles meso et macro qui sont conside re es comme vitales pour les «concepteurs de proce de s» aux e chelles des unite set des sites de production, la mise en valeur de l approche multi-e chelle pour l innovation des proce de s (MAPI) continuera de prendre de plus en plus d importance. Ainsi, en plus des paradigmes de base et irremplac ables du ge nie chimique que sont: les ope rations unitaires (distillation, absorption, se chage, cristallisation, fluidisation, etc.) et, les transferts couple s de chaleur, de matie` re et de quantite de mouvement et les fondamentaux et outils traditionnels du ge nie chimique (thermodynamique, catalyse, génie de la séparation, simulation, optimisation et controˆ le des proce de s, conside rations technico-e conomiques, etc.), cette approche multi-e chelle G3P, qui peut eˆ tre conside rée comme le 3 e paradigme du ge nie des proce de s est donc un atout supple mentaire conside rable pour le de veloppement et le succe` s de cette science de l inge nieur qu est le ge nie des procédés, en termes de concepts et paradigmes pour la conception et la production de produits, notamment dans le cas d une approche tire e par les marche s«market driven». Et il faut souligner que cette approche inte gre e multi-échelle G3P pour l innovation des proce de s qui combine a` la fois un attrait des marche s (market pull) et une demande

7 956 Oil & Gas Science and Technology Rev. IFP Energies nouvelles, Vol. 68 (2013), No m 10 7 Chimie catalyse/ réaction réacteur Usine Dynamique des fluides et transport Moléculaire/ électronique Figure 2 Organiser les niveaux de complexité dans les e chelles de temps et d espace couvertes par l approche intégrée multi-échelle. technologique (technology push) rec oit maintenant de plus en plus d attention et de succe` s graˆ ce aux de veloppements technologiques conside rables obtenus dans l instrumentation scientifique analytique fine, dans les techniques instrumentales non invasives couple es avec le traitement du signal et de l image, et graˆ ce aux avance es informatiques et a` la puissance des outils informatique (clusters de calcul, super computers, cloud computers, graphic processing units, parallèlisation des codes nume riques, etc.) qui permettent le de veloppement et l application de modèles descriptifs pour la conduite en re gime transitoire ou permanent a` l échelle conside re e : mole cules, structure du catalyseur, sites et dynamique locale du fluide, e tat de surface et dynamique du fluide, particule de catalyseur, unite de production, usine, toute la chaıˆ ne de production, et meˆ me au-dela` si on inclut les syste` mes de controˆ le et de support ope rationnels. 3 L'APPLICATION DE LA MODÉLISATION ET DE LA SIMULATION INFORMATIQUES MULTI-ÉCHELLE AUX SITUATIONS RÉELLES POUR L'INNOVATION DES PROCÉDÉS : DEPUIS L'ÉCHELLE MOLÉCULAIRE JUSQU'À CELLE DU SITE DE PRODUCTION INCLUANT LE CONTRÔLE, LA SÉCURITÉ ET L'IMPACT ENVIRONNEMENTAL DU PROCÉDÉ L approche inte gre e multidisciplinaire et multi-e chelle du génie du triplet processus-produitproce de (G3P) pour ge rer la complexite des phe nomènes rencontrés comprend la mode lisation et la simulation utilise e pour extrapoler depuis les échelles des nano et microstructures des valeurs d usage des produits jusqu a` la mesoe chelle de l e quipement de production de ces produits. Mais la taˆ che du génie des proce de s est aussi de concevoir et d imple menter le système complet de production jusqu aux échelles macro et mega de l ensemble des unite s de production et de leur environnement. Ce syste` me complet comporte a` la fois les procédés individuels et l ensemble des unite s ne cessaires a` la production du produit de sire et l inte gration de ces proce de s individuels dans le site global de production, en termes de mate riaux, d e nergie et de services et logistiques qui doivent aussi prendre en compte les demandes a` la fois du consommateur et plus largement de la socie te. Naturellement il est aujourd hui totalement irre aliste et utopique de penser qu avec un seul outil de simulation on pourrait simuler simultane ment tous les phe nomènes physico-chimiques, hydrodynamiques et de transfert intervenant a` toutes les e chelles de temps et d espace rencontre es dans les unite s et le site de production (Fig. 3),

8 E ditorial 957 (par exemple concevoir une raffinerie ou un complexe de production papetière a` partir des e quations de Schro dinger!). Mais pour l innovation des proce de s, cela continue d eˆ tre l objectif du ge nie des proce de s que d analyser et de modéliser la complexite des phe nome` nes a` l e chelle conside re e de la figure 2 pour fournir des résultats ne cessaires a` la compre hension et a` la mode lisation des phe nomènes intervenant a` une e chelle supérieure dans l e quipement ou le re acteur utilise pour la production du produit. Ainsi en partant de l e chelle mole culaire, il est ne cessaire de trouver des me thodes et des outils de simulation pour l inte gration fonctionnelle des diffe rentes étapes et e chelles du procéde individuel, puis pour l inte gration des proce de s individuels de production dans l ensemble du site ou complexe industriel. Cette approche inte gre e multi-e chelle ne cessite des simulations informatiques qui soient capables de concevoir des e tapes individuelles, de structurer le proce de dans son ensemble, et de placer le proce dé individuel de production du produit dans l ensemble du contexte de production industrielle. 3.1 Les modèles rencontrés dans les approches multi-échelles Les ordinateurs ont ouvert la voie a` la mode lisation et la simulation aux différentes e chelles de la figure 3. Les modèles peuvent être pre sente s avec des échelles de temps et de longueurs de croissantes et peuvent eˆ tre distingue s entre modèles continus, mode` les a` la mesoe chelle, mode` les de dynamique mole culaire (MD), mode` les de me canique quantique (QM) et ils peuvent eˆ tre interconnecte s dans un ensemble multi-échelle. Les mode`les continus comme la me canique des fluides ne gligent la nature discrète des atomes, mole cules, ou des particules et sont relie s aux proprie te s macroscopiques des mate riaux. Ainsi ils permettent de simuler a` des e chelles de longueurs allant jusqu aux dimensions des re acteurs. Ils fournissent des informations importantes sur les tempe ratures, les vitesses ou les champs de concentrations de particules et sur les temps de se jour des phases du re acteur qui peuvent eˆ tre utilise s comme re sultat et comme entrant pour les simulations a` plus petites e chelles de temps et de longueur. Les mode` les continus de crivent aussi les cine tiques de taille es de réaction des pre curseurs pour Année Heure Minute Seconde Échelle de temps I-1I+1 Simulation procédés Microseconde Nanoseconde Picoseconde Femtoseconde HΨ=FΨ Mécanique Quantique (Electrons) Simulation par champ de F (Atomes) Modélisation meso (Nano-objets) Simulation CFD locale Simulation de réacteur Échelle de longueur Å nm μm mm m Figure 3 Les e chelles de simulation et de modélisation en génie des procédés.

9 958 Oil & Gas Science and Technology Rev. IFP Energies nouvelles, Vol. 68 (2013), No. 6 identifier les e tapes limites de réaction et pour de velopper des taux plus rigoureux de formation de particules comme entrants pour les modèles de bilans de population ou bien pour identifier les dimensions de nano clusters les plus abondants (par exemple dans des ope rations comme la cristallisation, l agglome ration de particules ou la synthe` se de nanoparticules en phase gazeuse). Les modèles de bilans de population de particules de crivent l e volution de la dimension des particules et de la distribution de morphologie. Ils peuvent tous eˆ tre couple s avec les mode` les de la me canique des fluides nume rique. Cependant ils requie` rent la connaissance de taux comme les taux de coagulation, d agglome ration et de formation de particule qui peuvent être eux-meˆ mes eˆ tre obtenus a` partir des simulations aux e chelles meso, de la dynamique mole culaire ou de la me canique quantique. Les mode` les de re acteurs et d unite s de production base s sur la me canique des fluides nume rique simulent les e coulements laminaires ou turbulents, les tempe ratures, et les champs de concentration de particules en prenant en compte la géome trie du re acteur, la chimie et la dynamique des particules. Avec la demande croissante a` la fois de l ame lioration de la prédiction des phe nomènes physiques et d une augmentation des besoins en puissance informatique, les e coulements turbulents requie` rent l utilisation soit de mode` les additionnels comme le mode` le de Reynolds-Navier-Stokes moyenne (RANS) (mode` le standard k-e et le modèle de tension de forces de Reynolds), la simulation de grands tourbillons (LES), ou la résolution a` toutes les e chelles de turbulence comme la simulation nume rique directe (DNS). Ainsi la simulation directe nume rique est un outil puissant avec la prolife ration des moyens informatiques tre` s performants. Son utilisation est unique pour pre dire les processus physico chimiques en rapport avec les équations de base qui de crivent les phe nomènes e tudie s, en proposant des solutions a` toutes les échelles de temps et de longueur. Cependant les proble` mes souleve s lors des ope rations industrielles requie` rent souvent des solutions a` de trop larges gammes d e chelles. C est pourquoi une approche qui devient de plus en plus a` la mode pour diminuer les couˆ ts de calculs informatiques est la simulation de grands tourbillons (LES) ou` les caractéristiques et les interactions a` grande e chelle sont prédites explicitement mais les fluctuations et les interactions aux petites e chelles sont modélise es pour réduire les temps résolution et de calcul. Toutefois la mode lisation de ces fluctuations a` petites échelles tout spe cialement pour les e coulements turbulents, avec réaction et polyphasiques est encore aujourd hui un de fi d importance et les couˆ ts de calcul informatique ont souvent limite l application des me thodes LES et RANS aux phe nome` nes locaux pour faire connaıˆ tre par exemple les gradients de concentration de nanoparticules dans les tourbillons au sein de re acteurs polyphasiques. Les mode`les a` la mesoe chelle repre sentent les agglome rats de particules (gaz, liquides, solides) comme des corps ge ome triques, par exemple des sphe` res, et utilisent des mode` les de taux de croissance ou d e volution pour de crire leur mouvement, leur changement de taille, et leur chevauchement pendant des ope rations comme la croissance de surface, l agglome ration, la coagulation, la cristallisation, et plus ge ne ralement pour toute fragmentation de particules. Par exemple de tels mode` les fournissent des informations importantes sur l e volution des dimensions fractales et des taux d agglome ration et de coagulation qui peuvent eˆ tre utilise s comme entrant dans les mode` les continus de bilans de population de particules tandis que les nombres de coordination des particules primaires sont ne cessaires pour la mise en œuvre de la simulation dynamique mole culaire. De meˆ me des mode` les de base qui prennent en compte les de tails significatifs et pertinents des interactions fluides-particules comme les mode` les de type Lattice-Boltzmann et les interactions particules-particules comme les mode` les discrets de particules (DPM) ou les mode` les d e coulements de type Euler-Euler sont utilise s pour développer des lois de fermeture qui alimentent les mode` les continus qui sont ensuite utilise s pour simuler nume riquement les structures des e coulements a` plus grande échelle. C est le cas par

10 E ditorial 959 exemple pour décrire la formation et l e volution des structures he te roge` nes qui affectent fortement les performances du proce de mis en œuvre. Les mode`les de dynamique mole culaire (MD) prennent en compte la nature discrète des atomes, ce qui est ne glige dans les modèles de type continus ou mesoe chelle et ce qui limite leur mise en œuvre a` de plus petites e chelle d espaces et de temps. Ils sont par exemple employe s pour mode liser l e vaporation, les taux et me canismes de l agglome ration jusqu a` la coalescence ou les me canismes d ablation laser. Dans un proce de comme la synthe` se de nano particules en phase gaz, les simulations MD fournissent des informations détaille es sur les me canismes et les taux d agglome ration en fonction des diame` tres de particules, de la composition, et de la phase cristalline, ce qui concerne la majeure partie des performances de la particule produit (la proprie te d usage). Ces simulations MD sont aussi utilise es comme entrant dans l utilisation des mode` les a` la mesoe chelle ou pour de crire l e volution des concentrations de surface dans l utilisation des mode` les de bilans de population de particules. Les simulations de me canique quantique (QM) sont applique es pour de velopper des champs de force simples pour les modèles de dynamique mole culaire MD ou pour de terminer les proprie te s thermochimiques et les me canismes réactionnels qui sont requis ensuite pour la simulation des écoulements réactionnels qui utilise la me canique des fluides nume rique. La me canique quantique est utilise e pour calculer la structure e lectronique des mate riaux et les mode` les de la me canique quantique de crivent les mole cules et la matie` re de fac on tre` s précise mais leurs utilisations sont limite es a` de tre` s petits syste` mes allant de 1 a` approximativement 100 atomes ce qui est du aux couˆ ts prohibitifs de calculs informatiques. Parmi les nombreuses me thodes de la me canique quantique, la the orie de fonction de densite (DFT) est aujourd hui tre` s employée depuis le développement de fonctionnalite s ame liore es qui ne peuvent pas eˆ tre obtenues analytiquement et qui de crivent l e change et les interactions relie es pour résoudre le proble` me important des nombreuses interactions e lectrons e lectrons. En effet l utilisation de cette the orie ne ne cessite pas un important besoin en moyens informatiques quand il est compare aux autres me thodes. L obtention de fonctionnalite s par approximation et ajustement est la principale raison pour laquelle la DFT conduit a` de bons re sultats dans de nombreux cas. Il existe toutefois un désavantage qui est que les approximations locales ne permettent pas de prendre en compte correctement les forces de Van de Waals. Toutefois la the orie DFT donne acce` s aux me canismes et vitesses de re actions, aux structures cristallines et aux structures des nano clusters et leur comportement dynamique, ou est utilise e pour rechercher les proprie te s thermochimiques de mole cules que l on cherche a` de velopper, par exemple dans le cas de syste` mes re actionnels en phase gazeuse. Et finalement les calculs utilisant la me canique quantique conduisent aux simulations de la matière les plus pre cises, et des me thodes comme la DFT combine es avec les nouveaux outils informatiques tre` s performants étendent son domaine d application au dimensionnement particule/cluster, ce qui est utile pour la science des nanomate riaux. De meˆ me pour ame liorer les proprie te s de certains catalyseurs par une connaissance détaille e de l occurrence de la re action au niveau atome/mole cule sur la surface du catalyseur, l utilisation du mode` le empirique champ de force réactif ReaxFF qui s appuie sur les calculs de la me canique quantique de base DFT s est ave re eˆ tre une approche efficace pour extrapoler les informations depuis les e chelles de temps et d espaces microscopiques jusqu aux échelles mesoscopiques, surmontant ainsi les limitations dans les capacite s informatiques. Et comme ce mode` le peut prendre en compte la formation et la rupture des liaisons atomiques a` un bien moindre couˆ t informatique que la DFT, de plus grands systèmes (10 6 atomes) peuvent eˆ tre simule s avec des trajectoires a` des échelles de temps de l ordre de nanosecondes. En résume on peut dire qu aux échelles nano et micro les ordinateurs ont ouvert la voie et participe a` l innovation de procédé pour les voies de synthe` se re actionnelle ou pour la mode lisation de proprie te s mole culaires ou physiques comme par exemple l estimation de

11 960 Oil & Gas Science and Technology Rev. IFP Energies nouvelles, Vol. 68 (2013), No. 6 proprie te s thermodynamiques et de transport tels les coefficients de diffusion et les viscosite s. De plus il ne fait plus aucun doute que la mode lisation mole culaire et l application des principes des techniques informatiques de la me canique mole culaire statistique (i.e. la dynamique mole culaire (MD) et les diffe rentes techniques de type Monte-Carlo (MC)) ainsi que la me canique quantique ont aujourd hui un roˆ le important et croissant dans l approche oriente e proble` me concerne e dans l innovation des proce de s. Par exemple, les relations entre la structure des mate riaux et les proprie te s physicochimiques (i.e. structure électronique, conductivite électronique, coefficient effectif de mole cules de gaz) a` l e chelle nano pour une particule de catalyseur et a` l e chelle d une tranche du lit catalytique peuvent eˆ tre élabore es a` partir de simulations a` l e chelle meso (i.e. de type Monte-Carlo et Coarse Grained Molecular Dynamics). Un autre exemple concerne la conception d un produit pour lequel le proble` me de conception mole culaire est transforme en un proble` me conception mole culaire assiste e par ordinateur (CAMD) et la solution pour obtenir la mole cule ou un me lange de mole cules de sire es comporte des approches a` diffe rentes échelles. Ainsi pour la conception de solvants qui comportent des mole cules relativement petites, la proprie te d usage cible e est concerne e a` l e chelle macroscopique alors que pour la conception de me dicaments qui comportent de grosses, voir meˆ me de tre` s grosses mole cules, la proprie te cible e est concerne e aux e chelles microscopiques et/ou mesoscopiques. Et dans ce dernier cas comme dans celui de mole cules tre` s complexes pour lequel est requis un tre` s important niveau d informations sur la structure mole culaire, les me thodes CAMD utilisent des mode` les spécifiques base s comme dans les cas pre ce dents sur les relations proprie te s-structures mole culaires de la proprie te d usage cible e. Mais il existe encore de nombreux de fis a` relever dus notamment aux nombreux degre s de liberte a` satisfaire pour la description a` l e chelle mole culaire des syste` mes re els (i.e. la description des interactions mole culaires) et qui ne cessitent des temps de calcul sur ordinateur devenant rapidement excessifs. Ne anmoins en confrontant la conception mole culaire avec la re alite et sa complexite il semble s e tablir aujourd hui un consensus selon lequel la simulation et les techniques assiste es par ordinateur sont utiles pour le criblage (screening) initial en re solvant quelques proble` mes rencontre s durant les premières étapes de la conception du produit et qu elles contribuent ainsi a` la conception de ce produit en raccourcissant le temps et en diminuant les efforts pour résoudre ces proble` mes, mais les mesures expe rimentales sont encore essentielles pour la conception finale. Et ainsi a` partir des résultats combine sdela the orie mole culaire, de la simulation informatique et des mesures expérimentales, une meilleure compre hension des relations structures/propriéte s se développe qui, couple e avec la science du ge nie des proce de s aux échelles microscopiques (hydrodynamique, transferts de matière et de chaleur), forme aujourd hui la base de la conception des nouveaux mate riaux et procédés. Toutefois le principal de fi reste encore souvent d eˆ tre capable de combiner les simulations informatiques des modèles a` diffe rentes e chelles, afin de bien comprendre comment les phe nomènes a` une échelle de terminent les proprie te s et comportements a` l e chelle supe rieure. A` ce titre un de fia` long terme est souvent de combiner la thermodynamique et la physique des processus locaux de formation de structures comme ceux rencontre s dans la formation de re seaux, la séparation de phases, l agglome ration, la nucle ation, la cristallisation, etc., avec la me canique des fluides nume rique (CFD) des e coulements polyphasiques. Par ailleurs aux e chelles macroscopiques, la mode lisation dynamique des synthe` ses et des proce de s est e galement de plus en plus de veloppe e. La raison en est que pour eˆ tre compétitif dans la production de produits cible s, livre s juste a` temps sur le marche a` un consommateur dont les besoins changent constamment, cela demande l analyse et l optimisation de la chaıˆ ne de production et le temps pris par chaque ope ration individuelle et/ou dans chaque équipement (e changeurs, re acteurs, pompes, cuves de stockage, etc.). Les procéde s ont aussi a` eˆ tre simule setévalue s en termes de couˆ t. En effet sur le site de production la

12 E ditorial 961 localisation a` tout moment d un composant particulier dans la chaıˆ ne de production n est pas toujours bien définie, i.e. un lot de produits (un batch) peut se trouver dans une cuve agite e, un filtre, un se choir, une pompe, une presse et une cuve de stockage simultane ment. Les outils de la simulation des e ve nements en temps réels (event-driven simulations) aident a` re soudre ces proble` mes. Ils permettent de simuler les e coulements et la composition des produits dans chaque équipement individuel et de montrer quelle strate gie alternative de choix d usine et de stockage conduit au meilleur be ne fice en termes de couˆ t. Dans certaines occasions il a e te observe que cette simulation dynamique des proce de s permet de voir en quelques secondes si le goulot d e tranglement peut advenir dans le site de production pendant la dure e de plusieurs jours, mois ou meˆ me années. Et ces empeˆ chements de bon fonctionnement peuvent eˆ tre e limine s par l apport d e quipements additionnels ou par l utilisation de ressources additionnelles en main d œuvre ou e nerge tiques. Il est a` souligner que l inte gration et l utilisation des techniques de simulation des e ve nements en temps réels pour satisfaire les demandes quotidiennes de mise en œuvre de mode` les divers et de plus en plus complexes en génie des proce de s occupe aujourd hui une place de plus en plus importante. Par exemple, on peut citer le programme européen CAPE-OPEN intitule «Next generation computer aided process engineering open simulation environment» dont le but est de proposer des standards de compatibilite entre les outils de modélisation et les logiciels de simulation de procéde s qui proviennent de diffe rents ope rateurs et vendeurs de pre -solveurs, solveurs, post-solveurs, de clients utilisateurs et de chercheurs acade miques europe ens dans les domaines de l informatique et de la simulation de proce de s. Cela permet de promouvoir l adoption d un standard de communications entre des syste` mes de simulation a` tout niveau d e chelles de temps et de longueur (mode` les de proprie te s des produits, ope rations unitaires, utilite s nume riques pour les simulations dynamiques, statiques et des batchs) pour simuler les proce de s et pour permettre aux clients d inte grer les informations d un ensemble de programmes de simulation dans un autre ensemble (voir CAPE-OPEN Laboratories Network-CO-LaN Consortium, Et dans le futur pour l innovation de procédés il est clair qu on aura besoin de davantage d outils CAPE (ge nie des proce de s assiste par ordinateur) afin d assurer la compe titivite des industries chimiques, tout spécialement en de veloppant des standards spécifiques d interfac age pour assurer l interope rabilité des composants des programmes de CAPE- OPEN qui soutiendront une croissance et une compe titivite durable. De toute fac on on peut dire qu il existe encore des de fis et des opportunite s pour le ge nie des proce dés syste miques qui concerne plusieurs classes de produits chimiques, leur conception et le proce de de fabrication associe (en respectant les importantes contraintes e nerge tiques et environnementales et la proposition de re alisations durables), en meˆ me temps qu un besoin d outils approprie s. En effet dans tous les cas, le proble` me de conception inte gre e du produit et du procéde est re solu en résolvant simultane ment certains aspects de la conception individuelle a` la fois du produit et du proce de. Ainsi il apparaıˆ t clairement que pour l innovation des proce de s il existe encore un besoin d un cadre pour l approche inte gre e multi-e chelle processus mole culaire-produit-proce de en utilisant les me thodologies et outils assiste s par ordinateur afin de de velopper des approches systémiques pour l obtention des solutions basées sur des modèles qui peuvent s appliquer a` une grande varie te de produits et a` leur proce de de production associe,et des approches qui aident a` trouver une solution, tout spe cialement en termes de mise du produit sur le marche au plus vite et au moindre couˆ t. On peut meˆ me ajouter que la grande gamme des échelles de la chaıˆ ne de production chimique et la diversite croissante des me thodes de proce de s appelle pour un effort commun avec la me thodologie de l intensification des procéde s (PI) qui a pour but une meilleure utilisation des ressources physiques et une réduction simultanée du nombre et de la dimension des e quipements du proce de.

13 962 Oil & Gas Science and Technology Rev. IFP Energies nouvelles, Vol. 68 (2013), No. 6 4 MAPI : LA CONFÉRENCE INTERNATIONALE SUR L'APPROCHE MULTI-ÉCHELLE POUR L'INNOVATION DES PROCÉDÉS SOULIGNANT LE 3 e PARADIGME DU GÉNIE DES PROCÉDÉS CONCERNÉ PAR LE COUPLE PRODUITS DURABLES/PROCÉDÉS DURABLES L aptitude et les capacités croissantes a` suivre les phe nomènes intervenant aux échelles nano et mole culaire a conduit a` un engouement et une fascination pour des activite s de recherche a` ces e chelles, tout spe cialement pour les voies de synthe` se chimique et pour la conception de produits chimiques. Si incontestablement de nombreuses de couvertes nous attendent a` ces e chelles, toutefois les de fis urgents pre cédemment mentionne s de demande pressante d innovation des proce de s pour des types de produits et des segments de marche qui concernent diffe rents types d industries requie` rent des de veloppements comple mentaires et une utilisation de me thodologies rationnelles pour le transfert des recherches et de couvertes aux échelles nano et mole culaires vers les e chelles de production et de la pratique commerciale. Cela ne pourra eˆ tre re alise qu en se focalisant simultane ment sur le de veloppement des proce de s et l extrapolation des proce de s, et en de veloppant des techniques et des outils de mode lisation et de simulation pour des analyses multi-e chelles qui re duiront les risques lors de l extrapolation. Et il faut mentionner qu un proce de conc u et construit sur la base des principes de la chimie verte pour produire le produit re clamé par le consommateur, sera re ellement un procédé «vert», si et seulement si, il est extrapole correctement. Cela conduit au de veloppement de nouveaux proce dés «verts» (durables), ce qui inclut par exemple la conception et la notion d intensification des proce de s. Écrit clairement, l innovation de proce de s requie` re la me thodologie d approche du 3 e paradigme du génie des proce de s, a` savoir les approches inte gre es multi-échelles qui conduisent a` la fois a` la production de produits durables et a` la mise au point de proce de s durables, ce qui ne cessite une bonne connaissance et compre hension de l interconnexion qui existe entre les phe nome` nes qui interviennent aux diffe rentes échelles. Et comme nous l avons pre ce demment longuement de crit et explique, dans les anne es récentes des progre` s significatifs ont éte réalise s a` diffe rents niveaux, que ce soit expe rimentalement ou au niveau des calculs, avec la description des catalyseurs, des adsorbants, des solvants, des charges complexes et des e coulements polyphasiques. Individuellement ces efforts ont de ja` eu un impact sur la conception et la modélisation des proce de s et sur la performance des proce de s. Pour illustrer, nous pre sentons sur la figure 4 une me thodologie de de veloppement de proce de base e sur l utilisation de diffe rents outils de simulation numérique a` diffe rentes e chelles, une simulation a` une échelle donne e fournissant des informations pour une autre e chelle selon une approche couple e d e chelles. Ainsi pour réduire de fac on significative le couˆ t des proce de s de traitement de gaz ou des proce de s de captage de CO 2, on peut utiliser plusieurs types de simulations. Tout d abord une rapide e tude technico-e conomique effectue e avec des outils de simulation approprie s peut être mene e a` l e chelle globale du procéde pour montrer l importance des couˆ ts d investissement et des couˆ ts associe s de conception de colonne. Ensuite les simulations de processus (concernant la thermodynamique et la cine tique chimique et les transferts de matie` re) peuvent être utilise es pour identifier les e tapes limitantes les plus importantes qui controˆ lent la conception des colonnes d absorption. Enfin les simulations de me canique des fluides nume rique (CFD) peuvent être effectue es pour de terminer les caractéristiques des écoulements dans les colonnes a` garnissage. La CFD est utilise e avec plusieurs approches, depuis les petites e chelles jusqu aux grandes e chelles en passant par les e chelles me so. Par exemple la CFD peut eˆ tre utilise ea` des petites e chelles locales pour les e coulements gaz-liquides avec des simulations de type Volume Of Fluid (VOF) mais e galement a` l e chelle de la colonne pour e tudier les effets d entre e. La combinaison de toutes ces simulations, effectue e selon une me thodologie de bi-couplage d e chelles, permet

14 E ditorial 963 Φ 9 m Gaz purifié Liquide faiblement chargé en amine HP CO 2 Absorbeur 8 m Gaz de cheminée Régénérateur 0.21 m Liquide fortement chargé en amine 100 μm 0.2 cm 3 cm cm Figure 4 Les différentes e chelles des diffe rentes simulations pour un procédé de traitement de gaz ou pour un procéde captage de CO 2 en post-combustion. de de terminer les conceptions optimales et les choix appropriés de technologies de garnissages et de distributeurs. Ainsi il est clair que les approches multi-e chelles font maintenant leur entre e en force et offrent des opportunite s pour l innovation. Mais il ne faut pas oublier que l approche multi-échelle inte gre e requie` re encore des descriptions de taille es, des expe riences, des mode lisations et des simulations aux diffe rentes e chelles de la chaıˆ ne de production chimique, i.e., mole cules, espe` ces mole culaires dans les charges entrantes, structure des catalyseurs, sites catalytiques et dynamique des fluides, états de surface et dynamique des fluides locale, particules de catalyseur, unite de production, site industriel de production et meˆ me a` de plus grandes e chelles pour prendre en compte les syste` mes de controˆ le et les supports ope rationnels. Cela requie` re aussi et encore pour une première étape d investigation la compre hension des e changes et effets combine s entre les phe nomènes concernés seulement par un petit nombre d e chelles parmi toutes les échelles concerne es par l approche inte gre e G3P (le ge nie du triplet processus mole culaires-produit-proce de ), i.e., les diffe rentes échelles qui concernent les processus mole culaires, les sites catalytiques et la particule, ou bien les différentes e chelles qui concernent les particules catalytiques et les fluides en contact, ou bien encore les différentes e chelles rencontre es dans les interactions fluide-particule et particule-particule dans les re acteurs ou contacteurs polyphasiques, etc. C est ce qui e tait propose dans la confe rence internationale MAPI avec 3 niveaux de mode lisation : depuis la description des charges jusqu a` la mode lisation multi-e chelle de la re action, mode lisation depuis l e chelle mole culaire jusqu aux e chelles meso- macro des catalyseurs et des mate riaux poreux, des me thodes des e le ments discrets jusqu a` la mode lisation multi-e chelle du re acteur.

15 964 Oil & Gas Science and Technology Rev. IFP Energies nouvelles, Vol. 68 (2013), No. 6 Le but e tait de faire dialoguer des scientifiques qui effectuent des recherches dans les domaines de la mode lisation mole culaire, de la mode lisation de la reconstruction mole culaire, de la dynamique des fluides, de la conception et de la simulation de proce de s. Les 3 pre sentations ple nie` res, les 23 communications orales et les 21 pre sentations sous forme d affiches ont mis en exergue les approches de type modèles couple sa` diffe rentes e chelles qui ont utilise les mode` les et simulations que nous avons mentionne s dans les chapitres pre ce dents, a` savoir les mode` les continus, les mode` les aux échelles meso, les mode` les de dynamique mole culaire, et les simulations de me canique quantique, par exemple pour pre dire les voies dominantes pour des re actions fluide-solide en partant des me canismes au niveau mole culaire, ou bien pour prédire les proprie te s physiques et chimiques de charges depuis une analyse de taille e de leurs composants et une reconstruction mole culaire, ou bien encore l exemple de mode lisation multi-e chelle de l hydrodynamique de re acteurs polyphasiques. Il faut souligner que dans la plupart des pre sentations les approches multi-e chelles de couplage de modèles ont concerne 2ou3échelles de longueur. Elles sont focalise es sur des re actions ou des ope rations d adsorption qui mettent en œuvre 2 ou 3 phases. Les industries concerne es sont chimiques, pe trolie` res, charbonnie` res aussi bien que les industries concerne es par la production d e nergie ou par la protection de l environnement. Et de fait la confe rence internationale MAPI a éte une bonne opportunité pour faire le point sur les recherches courantes qui portent sur ces approches multi-e chelles dans ces secteurs industriels et ce, afin d e valuer le potentiel et la possibilite d e tudes et de recherches plus inte gre es et de discuter sur les avance es et actions futures a` mener en recherche et les diffe rents de fis rencontre s pour l innovation de procéde s. Le présent nume ro d OGST contient des contributions qui illustrent clairement les conside rations pre ce dentes sur les approches multi-e chelles pour l innovation des proce de s. Elles concernent le couplage de mode` les aux e chelles nano, meso et micro comme par exemples pour suivre la de sactivation par le soufre des catalyseurs de stockage de NO x ou pour la simulation mole culaire de l adsorption et de la diffusion dans des mate riaux microporeux. Elles concernent e galement la modélisation multie chelle jusqu a` l e chelle du re acteur comme par exemple pour suivre les processus de conversion et d hydrotraitement de coupes lourdes pe trolie` res, ou pour suivre la production d oxyge` ne sur lit de cristallites adsorbants pour des applications dans les technologies CCS, ou encore pour de crire les e coulements fluide-particule solide et les processus de transfert de masse et de chaleur et réactionnels a` la surface de ces particules dans les proce de s me tallurgiques ou de gaze ification de charbon. Elles concernent finalement les me thodes d approches multi-e chelles depuis les me thodes d e le ments discrets jusqu a` la mode lisation multi-e chelle du re acteur, voir meˆ me du site de production avec comme exemples la simulation d un e coulement de bulles dans des fluides non-newtoniens, ou la recherche d une grille d e chelles ade quate pour la mode lisation de la vitesse globale de réaction héte roge` ne de combustion du coke de posé dans les re ge ne rateurs FCC a` lits fluidise s, ou encore la pre sentation d une strate gie de simulations multi-e chelle de réduction des de penses d investissements de capture de CO 2 post-combustion dans le cas d un procéde par absorption/de sorption d amine dans des colonnes a` garnissage. Jean-Claude Charpentier Membre du Comite E ditorial d OGST Ce cile Barrère-Tricca Coordinatrice de la Rencontre Scientifique MAPI

16 Editorial 965 Editorial IFP ENERGIES NOUVELLES INTERNATIONAL CONFERENCE MAPI 2012 MULTISCALE APPROACHES FOR PROCESS INNOVATION TOWARDS THE 3rd PARADIGM OF CHEMICAL ENGINEERING: THE TIME AND LENGTH MULTISCALE APPROACHES AS AN EFFICIENT TOOL FOR SUSTAINABLE PROCESS INNOVATION 1 CURRENT TRENDS AND DEMANDS IN CHEMICAL AND RELATED INDUSTRIES: NEEDS OF PROCESS INNOVATION LINKING MARKET PULL WITH THE USER'S REQUIREMENTS TO TECHNOLOGY PUSH WITH THE ENGINEERING SOLUTIONS The chemical and related industries including petroleum, pharmaceuticals and health, agriculture and food, environment, energy production, textile, iron and steel, bitumous, building materials, glass, surfactants, cosmetics and perfume, and electronics, etc., are today in a phase of rapid evolution. This development is due to unprecedented demands and constraints, stemming from public concern over environmental and safety issues. Chemical knowledge is also growing rapidly, and the rate of discovery increases every day. The development of combinatory chemical synthesis with the use of nano-and micro technology is a current example. What do we expect from a modern chemical and process engineering to assure competitiveness, employment and sustainability in the oil, chemical and related industries? There are two major demands: knowledge of which products and processes will be competitive in today s global economy. Here the keywords are globalization of business, partnership, and process innovation, mainly involving an acceleration of the speed of product innovation. Currently, as a result of the increased competitive pressure in the market, 1 year for the half-life of product innovation (time to market) is today often considered long. This means that it is increasingly difficult to be first on the market with an innovative product, and thus speeding up the product/process development is of paramount importance; moreover in industrialized countries, there is rapid growth in consumer demands for targeted end-use product properties, together with process constraints stemming from public and media concerns over environmental and safety issues, in combination with tools like stakeholders analysis, indicators and LCA (from the cradle to the grave), e.g. the European Registration, Evaluation, Authorization, of CHemicals (REACH) regulations for chemical products. To respond to such required development demands for sustainable products and processes and to offer a contribution to fight against the often non-sustainable mankind of the today world production, the following multiscale challenges are faced by chemical and process industries, involving complex systems at the process scale, at the product scale, and at the molecular scale:

17 966 Oil & Gas Science and Technology Rev. IFP Energies nouvelles, Vol. 68 (2013), No. 6 for the production of commodity and intermediate products where patents usually do not concern the process, the processes can no longer be selected on a basis of economical exploitation alone. Rather, the compensation resulting from increased selectivity and savings linked to the process itself must be considered, and the issue is who can produce large quantities at the lowest possible price with non-polluting technologies, reduction of raw materials and energy losses and product/by-product recyclability. For such high-volume bulk chemicals that still remain a major sector of the economy (40% of the market), the client will buy a process that is not polluting and perfectly controlled and safe, which requires the use of Process System Engineering (PSE) and Computer-Aided Process Engineering (CAPE) methodologies and tools at the process-scale. Furthermore it has to be added that the trend towards global-scale facilities may soon require a total or more probably a partial change of technology, with the current technologies no longer capable of being built just a bit bigger, if one has to handle throughputs never seen before in chemical and related industries. Indeed worldwide plant capacity must increase by a six-fold by 2050 if a growth rate of 4% is assumed. So we are faced with a demand on process innovation with the need for a change in technologies to scale-up the reliability of new processes from the current semi-work scale to a vast scale where there is no previous experience; new specialities, active material chemistry and related industries involve the chemistry/ biology interface of the agriculture, food and health industries. Similarly, they involve upgrading and conversion of petroleum feedstock and intermediates, conversion of coal-derived chemicals or synthesis gas into fuels, hydrocarbons or oxygenates. This progression is driven by today s market objectives, where sales and competitiveness are dominated not only by the technical specification of a product but rather by the end-use property of this product as well as its quality features, such as sensory properties, and functions, such as performance and convenience. This control of the end-use property at the molecular-scale, expertise in the design of the process, continual adjustments to meet the changing demands, and speed in reacting to market conditions are the dominant elements. The key to the production of pharmaceuticals or cosmetics is not their cost, but their time to market, i.e., the speed of their discovery and production. Moreover for products where the value is added by a specific nanostructure, the customer will pay a premium for such a function, be it in a food, in a cleaner, in an oil additive, in paint or in a coating. More generally for the short-lifetime and high-margin products, the client buys the product that is the most efficient and the first on the market, but pays high prices and expects a large benefit. Moreover these high-margin products require new plants, which are no longer optimized to produce one product at good quality and low cost. The need in process innovation is for multipurpose technologies and generic equipments, which will not be optimized but that can be easily cleaned and easily switched over to other recipes (flexible production, small-scale batches modular set-ups and so on). The aforementioned considerations emphasize the requirement of process innovation that involves the integration of product systems engineering with the process plant scale because naturally the processing conditions will ultimately determine the product properties. So a need of process innovation which is concerned by the multiscale phenomena encountered in the product design and associated sustainable process engineering must be taken into account by the modern sustainable chemical engineering. But how? The answer is in presenting, successively, the current approach of the chemical engineering for product design and associated engineering, which involves the organization of scales and complexity levels and the application of multiscale and multidisciplinary computational modeling and simulation to real-life situations, from the molecular scale to the overall complex production scale for commercialization.

18 Editorial THE TODAY'S COMPLEMENTARY APPROACH IN CHEMICAL ENGINEERING: THE INTEGRATED MULTIDISCIPLINARY AND TIME AND LENGTH MULTISCALE APPROACH FOR PROCESS INNOVATION The purpose of basic research in chemical engineering is still the development of concepts, methods and techniques to better understand conceive and design processes to transform raw material and energy into useful products. This involves the synthesis of nano- and microstructures materials, design, scale-up or scale-down operation, control and optimization of industrial processes through physical-bio-chemical separations as well as through chemical, catalytic, biochemical, electrochemical, photochemical and agrochemical reactions. But the today emphasis on end-use properties requires also a wide variety of technologies including the new role of micro technology, i.e., the use of micro structured mixers and catalytic reactors for process innovation. Moreover it is important to note that today 60% of all products sold by chemical and related companies are crystalline, polymeric, or amorphous solids. These materials must have a clearly defined shape at the product scale in order to meet the designed and desired quality standards. This also applies to paste-like and emulsified products. We have mentioned that actual developments require also increasingly specialized materials, active compound and special effects chemicals which are in fact much more complex in terms of molecular structure than traditional high-volume bulk industrial chemicals. Thus the modern chemical engineering is also concerned with understanding and developing systematic procedures for the design and optimal operation of chemical and related process systems, ranging from the nano- and micro systems used for product analysis, tests or production to industrial-scale continuous and batch processes, all within the concept of the chemical supply chain (Fig. 1). This chain begins with chemical or other products that industry must synthesize and characterize at the molecular level. The molecules are then aggregated into clusters, particles, or thin films. These single or multiphase systems form microscopic mixtures of solid, paste-like, or emulsion products. The transition from chemistry and biology to engineering involves the design and analysis of production units, which are integrated into a process, which becomes part of a multi-process industrial site. Finally this site is part of the commercial enterprise driven by market considerations and demands for inclusion of the product quality. In the supply chain, it should be emphasized again that product quality is determined at the molecular nano- and/or micro scales and that a product with a desired property must be investigated for both structure and function. Indeed the key to success is to obtain the desired end-use properties, and then to control product quality, by controlling the nanoand/or microstructure formation. So a thorough understanding of the structure/property relationship at both the molecular scale (e.g., surface physics and chemistry) and the microscopic scale (e.g., coupling reaction mechanisms and fluid mechanics) is of primary importance to be able to design production processes. This helps to make the leap from the nanoscale to the production process macroscale that ensures the customer quality requirements at the product scale. Moreover most of chemical processes are non-linear and non-equilibrium, belonging to the so-called complex systems for which multiscale structure is the common nature. This requires an integrated system approach for a multidisciplinary and multiscale modeling of complex, simultaneous and often coupled momentum, heat and mass transfer phenomena and kinetic processes taking place on different scales: different time scales (10 15 to 10 8 s) from femtoseconds and picoseconds for the oscillation of a hydrogen atom on the surface of catalyst nano particle or for the motion of atoms in a molecule during a chemical reaction, nanoseconds for molecular vibrations, hours for operating industrial processes, and centuries for the destruction of pollutants in the environment;

19 968 Oil & Gas Science and Technology Rev. IFP Energies nouvelles, Vol. 68 (2013), No. 6 Time scale Month Week Day h min s ms ns ps Plants Site Process units Single and multiphase systems Particles, thin films Molecule Chemical scale cluster Molecules Enterprise Small Intermediate Large 1 pm 1 nm 1 μm 1 mm 1 m 1 km Length scale Chemical and process engineering is now concerned by/with the understanding and development of systematic procedures for the design, experimentation, modeling and simulation and optimal operation of chemical processes occuring at the different scales of the chemical supply chain: FROM nano and microsystems-scales where chemicals have to be synthesized and characterized at the molecular-level TO industrial-scale continuous and batch processes Figure 1 The time and length multi scales of the chemical supply chain. different length scales (10 9 to 10 6 m) are encountered in industrial practice with approaches on the Angstroms (for the electronic structure), on the nanoscale (for molecular processes, active sites), on the microscale (for bubbles, droplets, particle wetting, and eddies), on the mesoscale for unit operation (reactors, exchangers, columns); on the macroscale for production units (plants, petrochemical complexes, etc.) and on the megascale (atmosphere, oceans and soils e.g., up to thousands of kilometres for dispersion of emissions into the atmosphere). So organizing scales and complexity levels in process engineering is necessary to understand and describe the events at the nano and micro scales and to better convert molecules into useful and required products at the process scales i.e., organizing levels of complexity, by translating molecular processes into phenomenological macroscopic laws to create and control the required end-use properties and functionality of products manufactured by continuous or batch processes (transforming molecules into money). This approach is defined as le Ge nie du triplet Processus-Produit-Proce de (G3P) or the molecular Processes-Product-Process Engineering (3PE) approach : an integrated system approach of complex multidisciplinary non-linear and non-equilibrium phenomena occurring on different length and time scales of the chemical supply chain, in order to understand how physical-bio-chemical phenomena at a smaller length-scale relate to properties and behaviour at a longer length-scale, e.g., organizing levels of complexity (Fig. 2). More generally, the associated idea of multiscale modeling is the computation of some desired information on a fine scale to pass a coarser scale or vice versa, i.e. emphasizing the communication of information between scales. And it is clear that the rise in interest in multiscale modeling approaches and the integration and solution of composite models built from several partial models is driven primarily by product design where the nano and micro scales characteristics are seen as vital to designer products. Combined with the meso and macroscale which are typical issues seen

20 Editorial m 10 7 Catalyst/reaction chemistry Reactor Plant Fluid dynamics and transport Molecular/ electronic Figure 2 Organizing the complexity levels in the time and length scales covered by the integrated multiscale approach. as vital to designer process at the equipment and plant levels, the emphasis on multiscale approach and representation will continue to grow for process innovation (MAPI). So, in addition to the basic and irreplaceable notions of unit operations and to the coupled heat, mass and momentum transfers, the traditional tools of chemical engineering, as well as the fundamentals of chemical and process engineering (separation engineering, catalysis, thermodynamics, process control, economic considerations, etc.), this integrated multidisciplinary and multiscale approach, that may be considered as the 3 rd paradigm of chemical engineering, is beneficial and has considerable advantages for the development and success of this engineering science in terms of concept and paradigms for product design and engineering, especially in case of market driven approach. And it should be underlined that the multiscale 3PE integrated approach for a process innovation that combines a market pull and a technology push is now receiving more and more attention and successes thanks to the considerable developments in the analytical scientific instrumentation and non-invasive instrumentation techniques coupled with image processing, in the powerful computational tools and capabilities (clusters, supercomputers, cloud computers, graphic processing units, numerical codes parallelization, etc.), and in the development and application of descriptive models of steady state and dynamic behaviour of the objects at the scale of interest: molecules, structure of the catalyst, sites and local fluid dynamics, surface state and local fluid dynamics, catalyst particle, process unit, process plant, supply chain, and beyond including all control and operational support systems. 3 THE APPLICATION OF THE MULTISCALE AND MULTIDISCIPLINARY COMPUTATIONAL MODELING AND SIMULATION TO REAL-LIFE SITUATIONS FOR PROCESS INNOVATION: FROM THE MOLECULAR SCALE TO THE OVERALL COMPLEX PRODUCTION SCALE INTO THE ENTIRE PRODUCTION SITE, INCLUDING OPTIMAL PROCESS CONTROL, SAFETY ANALYSIS AND ENVIRONMENTAL IMPACT The 3PE molecular Processes-Product-Process integrated approach of complexity concerns the modeling to scale from the nanostructures and microstructures of the product end-use properties to the scale of the equipment manufacturing the product. However the task of chemical engineering has been and always will be to design and implement the complete