Analyse combinée de l'optimisation des procédés et de l'évaluation environnementale pour l'écoconception de voies de synthèse. : Application à une voie de synthèse alternative du carbonate de diméthyle.

Cette thèse a été développée par la nécessité du laboratoire de concevoir une méthodologie multicritère pour le choix de voies de synthèse d’une molécule chimique d’intérêt en incluant des aspects environnementaux, économiques et énergétiques. Pour répondre à cette demande, les principes de la chimie verte sont classiquement utilisés depuis les années 80. Néanmoins, un des problèmes identifiés est le manque de résultats quantitatifs apportés par ces principes. En parallèle, la méthodologie d’analyse de cycle de vie (ACV) est déjà reconnue comme une solution efficace pour l’analyse environnementale. Pour notre étude, nous avons sélectionné comme cas d’étude le carbonate de diméthyle (DMC) car sa production mondiale est en constante augmentation (multiplié par 4 entre 2007 et 2015). En effet le DMC est considéré comme une molécule verte avec des applications très variées. Il est utilisé en tant qu’électrolyte de batterie et pour la production de polycarbonates. Dans un premier temps, trois voies de synthèses pour la production de DMC (2 industrielles et la méthanolyse de l’urée) ont été comparées d’un point de vue environnemental en utilisant l’ACV via les recommandations de la base de donnée ECOINVENT (classiquement utilisée en ACV pour fournir des données d’arrière-plan) et les principes de la chimie verte. Il apparait que les résultats des deux méthodes sont complémentaires mais ne permettent pas une étude approfondie en particulier sur des éléments comme la consommation énergétique. Dans un second temps, l’utilisation combinée de la modélisation-simulation des procédés et de l’analyse de cycle de vie a été appliquée à notre cas d’étude : la production de DMC via la méthanolyse de l’urée. Une étude bibliographique a été réalisée sur les alternatives technologiques pour produire le DMC par la méthanolyse de l’urée afin d’identifier les déficiences des modèles utilisés dans la simulation de la voie de synthèse et les procédés de séparations de mélanges. L’objectif principal de notre étude est l’éco-conception d’un nouveau procédé technologique en considérant les phénomènes réactionnels et l’équilibre de phases réel par l’exclusion des hypothèses effectuées dans les travaux consultés. La modélisation-optimisation de la voie de synthèse du DMC a été réalisée autour de trois scénarios incluant des modèles thermodynamiques de réaction de degrés de complexité différents en utilisant une colonne de distillation réactive. Cette étude cherche à montrer les différences dans l’évaluation environnementale du procédé en considérant un modèle « taux de conversion », un modèle « équilibre chimique » et un modèle « cinétique de réactions consécutives et concurrentes ». Dans un troisième temps, une analyse du procédé du berceau à la porte indique que le train de colonnes interconnectées pour la séparation des mélanges issues de la réaction a des impacts environnementaux importants parmi lesquels la chauffe apparait comme un élément plus important. Ensuite, trois scénarios de séparation ont été étudiés (distillation à haute pression, distillation avec deux colonnes à différentes pressions et distillation extractive avec un nouveau solvant vert, l’ethyl lactate) afin d’optimiser la purification de DMC à partir de son azéotrope avec le méthanolLes différentes études effectuées tout au long de la thèse ont permis de développer les différentes solutions applicables à l’échelle du laboratoire selon l’avancement de la recherche dans la phase de conception d’une nouvelle voie de synthèse. Les avantages et les inconvénients de l’étude à chaque étape de la conception sont listés afin de permettre un usage facile par les différents intervenants de l’équipe de recherche du laboratoire