Les autres domaines de recherche qui sont maintenant commercialisés comprennent la nanotechnologie, la biotechnologie et le développement de biocarburants pour compléter les approvisionnements en pétrole. Des avantages significatifs pour l’environnement sont issus de la recherche visant à développer des processus qui conduisent à l’amélioration de l’indice d’octane de l’essence, aux peintures à base d’eau, aux remplacements des chlorofluorocarbones (CFC) et au développement de la chimie verte en tant que domaine de recherche actif.

De la recherche à la production

La recherche effectuée dans les laboratoires de l’industrie et des universités n’est que la première étape. Ces découvertes doivent être converties en processus industriels réalistes. C’est le travail de l’ingénieur chimiste qui est chargé de traduire la chimie de laboratoire à une plus grande échelle. Faire passer la production de quelques grammes dans des conditions de laboratoire à des milliers de tonnes dans une installation industrielle à grande échelle est un travail très laborieux pour les chimistes et les ingénieurs chimistes. Les étapes intermédiaires entre le laboratoire et la production à grande échelle impliquent des équipements capables d’imiter le processus à grande échelle et de permettre de trouver les conditions les plus favorables pour un rendement élevé du produit obtenu à un taux convenable (figure 7).

Figure 7 Un exemple montrant quelques réacteurs batch pilotes qui sont séparés et
opèrent en parallèle. Un ordinateur contrôle chacun d’eux et les utilisateurs peuvent réaliser des séries
d’expériences, en modifiant la température, la pression et la composition du catalyseur.
Avec l’aimable autorisation de la Cambridge Reactor Design Ltd.

La photographie ci-dessous (figure 8) montre une étape intermédiaire dans laquelle une usine pilote, a été réalisée, pour trouver les conditions les plus appropriées au nouveau procédé OMEGA pour produire de l’éthane-1,2-diol. Il s’agit d’une étape très importante car souvent, les conditions qui conviennent au procédé en laboratoire ne conviennent pas nécessairement lorsque le procédé est transféré à un équipement à plus grande échelle. De nombreuses expériences sont donc réalisées dans des conditions très soigneusement contrôlées pour obtenir un rendement maximal. Les chimistes et les ingénieurs chimistes qui effectuent ce travail doivent également garder à l’esprit que le rendement maximal peut impliquer des coûts supplémentaires qui rendent le procédé non rentable.

Figure 8 L’usine pilote du nouveau procédé OMEGA pour fabriquer de l’éthane-1,2-diol.
Avec l’aimable autorisation de Shell International Ltd.

Si ces travaux sont couronnés de succès, l’étape suivante consistera à fabriquer la matière à une échelle commerciale qui, comme dans le cas de l’éthane-1,2-diol, représente plusieurs centaines de milliers de tonnes par an (figure 9). La rentabilité du produit réside dans la conception du réacteur à l’échelle industrielle nécessaire à la fabrication sûre des produits souhaités. Le coût d’investissement d’une telle usine est susceptible de se chiffrer en millions de dollars.

Figure 9 L’usine réelle du nouveau procédé OMEGA de fabrication d’éthane-1,2-diol, construite après des essais réussis sur l’usine pilote. Cette usine produit 750 000 tonnes de ce diol chaque année. Avec l’aimable autorisation de Shell International Ltd.

La conception d’une usine est un projet d’équipe et les chimistes, les concepteurs d’usine et les ingénieurs chimistes sélectionnent les matériaux appropriés pour la construction de l’usine. Bien que l’image courante soit celle d’usines chimiques faites d’acier rutilant, de nombreux autres matériaux sont utilisés dans leur construction, notamment une grande variété de métaux, de plastiques, de verre et de caoutchouc. Les matériaux de construction étant eux-mêmes des produits chimiques, le choix de matériaux qui ne réagissent pas avec les produits chimiques impliqués dans le processus est essentiel pour éviter les interactions dangereuses, la panne de l’usine ou la contamination du produit.

Les matériaux de construction doivent être

• inertes vis-à-vis des réactifs, des intermédiaires et des produits
• capables de résister à des pressions et des températures très élevées lorsque cela est nécessaire
• durables.

L’industrie chimique : quel niveau de sécurité et quel niveau de réglementation environnementale ?

La sécurité doit être en tête des préoccupations de l’industrie chimique et pour une bonne raison. Nombre de ses produits sont potentiellement dangereux à un moment ou à un autre de leur fabrication et de leur transport. Ces produits chimiques peuvent être solides, liquides ou gazeux, inflammables, explosifs, corrosifs et/ou toxiques. Les processus de fabrication impliquent fréquemment des températures et des pressions élevées, ainsi que des réactions qui peuvent être dangereuses si elles ne sont pas soigneusement contrôlées. Pour cette raison, l’industrie fonctionne dans les limites de sécurité exigées par la législation nationale et internationale.

Figure 10 L’acide fluorhydrique est un liquide très corrosif. Ici, il est
chargé automatiquement dans un camion-citerne.
Avec l’aimable autorisation de Mexichem Fluor.

Risques et blessures

Bien qu’elle ait affaire à des opérations dangereuses, l’industrie chimique a en fait un nombre d’accidents inférieur à celui de l’industrie dans son ensemble. Entre 1995 et 2005, dans l’ensemble de l’industrie européenne, tous types confondus, il y a eu plus de 4 accidents pour 1000 employés, soit deux fois plus que dans l’industrie chimique. Les données américaines, enregistrées sous forme de jours perdus en raison d’accidents, montrent une différence encore plus marquée ; le nombre de jours perdus dans les grandes entreprises de l’industrie chimique en raison d’accidents est 4 fois inférieur à celui de l’industrie manufacturière en général.

Figure 11 Le personnel reçoit une formation approfondie sur l’utilisation des vêtements et des équipements de sécurité. Sur cette photographie, la maintenance est effectuée sur un réacteur utilisé pour produire des hydrofluoroalcanes. Avec l’aimable autorisation d’Arkema.

Réglementations environnementales

Il existe de sérieuses préoccupations concernant l’impact potentiel de certains produits chimiques manufacturés sur les organismes vivants, y compris nous-mêmes, et sur l’environnement naturel. Ces préoccupations comprennent la pollution de l’air, de la terre et de la mer, le réchauffement de la planète et le changement climatique, l’appauvrissement de la couche d’ozone dans la haute atmosphère et les pluies acides.

L’industrie chimique a une initiative mondiale intitulée Gestion responsable. Elle a débuté au Canada en 1984 et est maintenant pratiquée dans plus de 60 pays. Elle engage les associations nationales de l’industrie chimique et les entreprises à :

• Améliorer continuellement les connaissances et les performances en matière d’environnement, de santé, de sécurité et de sûreté de nos technologies, de nos procédés et de nos produits tout au long de leur cycle de vie afin d’éviter de nuire aux personnes et à l’environnement.
• Utiliser efficacement les ressources et minimiser les déchets.
• Rendre compte ouvertement des performances, des réalisations et des lacunes.
• Écouter, s’engager et travailler avec les gens pour comprendre et répondre à leurs préoccupations et à leurs attentes.
• Coopérer avec les gouvernements et les organisations dans le développement et la mise en œuvre de réglementations et de normes efficaces, et les respecter ou les dépasser.
• Fournir de l’aide et des conseils pour favoriser la gestion responsable des produits chimiques par tous ceux qui les gèrent et les utilisent tout au long de la chaîne de produits.

Aux États-Unis, les entreprises chimiques dépensent plus de 12 milliards de dollars par an dans des programmes d’environnement, de santé et de sécurité. Cela a, par exemple, permis de réduire de 80 % les rejets dangereux dans l’air, la terre et l’eau au cours des 25 dernières années. Une autre mesure environnementale concerne l’utilisation de l’énergie. Au cours des 20 années qui ont suivi 1994, l’industrie chimique aux États-Unis a économisé environ 20 % d’énergie par unité de production et, au cours de la même période, l’énergie économisée par unité de production dans l’UE a diminué de 55 %. L’émission de gaz à effet de serre par unité de production (l’intensité de gaz à effet de serre) a diminué de 58 % et 75 % aux États-Unis et dans l’UE, respectivement entre 1990 et 2014.

Des réglementations sont en vigueur dans tous les grands pays. En Europe, elles sont appliquées par le biais de REACH (Registration, Evaluation Authorisation and restriction of Chemicals). Elles changent fondamentalement la façon dont les produits chimiques sont fabriqués, vendus et utilisés, en fournissant un cadre normalisé unique pour la gestion sûre des produits chimiques. REACH impose aux fabricants et aux importateurs la responsabilité de veiller à ce que toutes les substances chimiques produites en quantités supérieures à une tonne par an n’aient pas d’effets néfastes sur la santé humaine ou l’environnement. L’industrie fournit des informations documentées complètes pour tous les produits chimiques et substances connexes admissibles, ce qui permet aux utilisateurs des produits chimiques de s’assurer que des contrôles adéquats sont en place. Les produits chimiques qui sont produits dans des quantités de 1000 tonnes ou plus par an doivent avoir été enregistrés avant décembre 2010 et ceux de plus d’une tonne doivent être enregistrés avant juin 2018.

Seulement une petite proportion des déchets chimiques sont toxiques ou dangereux. La plupart d’entre eux, ainsi que les matériaux qui résistent à la décomposition naturelle, sont incinérés à haute température. Dans la mesure du possible, les déchets eux-mêmes fournissent le combustible pour ce processus. Les gaz produits sont soigneusement nettoyés et « épurés » avant d’être rejetés dans l’atmosphère, ne laissant que des cendres à éliminer. Des exemples de la façon dont les sous-produits sont traités sont vus tout au long des unités de ce site web.

Quels sont les défis de l’industrie chimique aujourd’hui ?

L’industrie chimique subit d’énormes changements dans le monde entier. Comme nous l’avons vu plus haut, l’un d’eux concerne l’émergence des pays du Moyen-Orient et de la Chine, de l’Inde et du Brésil en tant que fabricants de produits chimiques à une échelle gigantesque, pour leur propre consommation mais aussi pour l’exportation dans le monde entier. Les entreprises de ces pays investissent également dans des usines aux États-Unis et en Europe, tandis que les entreprises américaines et européennes investissent dans des usines dans ces grands pays émergents, ce qui rend l’industrie dans son ensemble totalement internationale dans sa façon de mener ses affaires. Le défi pour les entreprises américaines et européennes est de réduire leurs coûts tout en s’assurant qu’elles se conforment aux meilleures pratiques en matière de protection de l’environnement. Ce souci de l’environnement est abordé dans les unités séparées sur les produits chimiques individuels.

Une nouvelle révolution s’annonce. Le pétrole et le gaz naturel devenant de plus en plus rares et chers, les chimistes cherchent de nouvelles matières premières pour compléter ou même remplacer le pétrole et le gaz naturel. Et ils redécouvrent les vertus du charbon (dont l’offre est encore énorme, même s’il s’agit d’un combustible fossile qui ne peut être remplacé) et de la biomasse.

Nous bouclons ainsi la boucle. A la fin du 19ème siècle et dans la première partie du 20ème siècle, l’industrie chimique organique était largement basée sur le charbon et la biomasse. Le charbon était fortement chauffé en l’absence d’air pour former du gaz de houille (un mélange d’hydrogène, de méthane et de monoxyde de carbone). Un liquide (le goudron de houille) était formé comme sous-produit et contenait de nombreux produits chimiques organiques utiles, dont le benzène, et le résidu solide était du coke, une forme impure de carbone. Le coke était la source de ce que nous appelons aujourd’hui le gaz de synthèse. On faisait passer de la vapeur sur lui à haute température pour obtenir du monoxyde de carbone et de l’hydrogène. La biomasse était une autre source de produits chimiques organiques. Par exemple, la source de nombreux produits chimiques C2 était l’éthanol, produit par la fermentation de la biomasse. Les produits chimiques C3 et C4 tels que la propanone et le butanol étaient également produits à grande échelle par la fermentation de la biomasse.

Depuis lors, à partir des années 1940, l’industrie a trouvé des moyens de plus en plus performants d’utiliser les produits issus du raffinage du pétrole pour produire non seulement tous les produits chimiques mentionnés ci-dessus mais bien d’autres encore. Un exemple est la croissance de l’industrie pétrochimique, avec la panoplie de nouveaux polymères, détergents, et myriade de produits chimiques sophistiqués produits à faible coût.

Par conséquent, le plus grand défi est peut-être de trouver des moyens de réduire notre dépendance aux ressources non renouvelables. Ainsi, alors que les réserves de pétrole et de gaz naturel s’amenuisent, nous devons trouver des moyens d’utiliser les anciennes technologies basées sur la biomasse pour produire des produits chimiques d’une manière aussi acceptable que possible pour l’environnement, en termes d’énergie dépensée et d’effluents produits. Par exemple, certains éthènes et toute une série de polymères, ainsi que de très grandes quantités d’éthanol, sont maintenant produits à partir de la biomasse.

Un autre défi consiste à réduire notre dépendance à l’égard des ressources non renouvelables pour produire de l’énergie. La façon la plus simple d’y parvenir est de trouver des moyens de faire fonctionner nos usines chimiques à des températures plus basses à l’aide de catalyseurs ou en utilisant des voies alternatives. Cela a déjà commencé sérieusement, comme indiqué dans la dernière section. La consommation d’énergie par unité de production a diminué d’environ 55 % dans l’UE depuis 1994 et d’environ 22 % aux États-Unis depuis 1990. En conséquence, l’émission de dioxyde de carbone a diminué approximativement de la même manière sur les mêmes échelles de temps.

Les nouvelles technologies basées sur les nanomatériaux seront également au premier plan dans les avancées futures de l’industrie chimique et il sera important de s’assurer que la production de ces matériaux révolutionnaires est sûre et qu’elle présente des avantages économiques.

L’industrie chimique doit relever de nombreux défis au 21ème siècle qui doivent être surmontés afin de rester au cœur de chaque grand pays. Ce n’est que par ce biais que l’industrie peut aider la société à maintenir et à améliorer son niveau de vie, et ce de manière durable.

Une grande partie des données utilisées dans cette unité provient de travaux publiés par le CEFIC (Conseil Européen des Fédérations de l’Industrie Chimique, The European Chemical Industry Council) et l’American Chemical Council.