Processus d’industrialisationpierre-michel.abadie.pagesperso-orange.fr/ts_cira/soft/AG3200.pdf · pement, les coûts d’investissement, les coûts de production, la flexi-bilité

Processus d’industrialisation

Schémas en industrie de processpar Michel AUROY

Société Française du Génie des ProcédésAncien directeur des relations industrielles et du développement de la société Rhône Poulenc Industrialisation

1. Processus d’industrialisation d’un procédé ..................................... AG 3 200 - 2

2. Schéma bloc .............................................................................................. — 4

3. Schéma procédé....................................................................................... — 5

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.© Techniques de l’Ingénieur, traité l’Entreprise industrielle AG 3 200 − 1

a description d’un procédé, d’un équipement ou d’une installation à l’aide deschémas utilise un langage graphique symbolique, qui doit être commun et

universel pour être compris de tous.Le langage des schémas doit être commun aux différents métiers scientifiques

qui contribuent à la conception et au développement du procédé : chimie, bio-chimie, physico-chimie, génie chimique, instrumentation, mécanique… maisaussi à tous les acteurs de l’entreprise, quels que soient leurs activités ou leurniveau d’exécution et de décision.

Le langage des schémas doit être universel. Les symboles graphiques, mêmes’il n’existe pas de norme internationale unique, doivent être suffisammentclairs et proches les uns des autres pour être utilisés et compris par tous lesmétiers, recherche, ingénierie, production, fabrication d’équipements… quelleque soit la langue parlée d’origine.

Les schémas sont en effet au cœur des méthodes de conception, de dimen-sionnement et de réalisation. Ils font partie intégrante du processus d’industria-lisation, du laboratoire à l’usine, de la conception à l’exploitation et doivent êtreles outils employés par tous les intervenants. La qualité de cette activité est undes facteurs clés de succès à l’industrialisation.

L’objet de cet article est d’essayer d’initier chacun au langage des schémas etde proposer une méthode d’élaboration.

3.1 Contenu d’un schéma procédé................................................................... — 63.2 Symbolisation.............................................................................................. — 6

3.2.1 Les flux ................................................................................................ — 63.2.2 Les appareils ....................................................................................... — 7

3.3 Élaboration du schéma procédé................................................................. — 73.4 Exemple de configuration........................................................................... — 7

4. Schémas d’implantation ........................................................................ — 7

5. Schéma tuyauterie et instrumentation. Appareillage ................... — 105.1 Schéma tuyauterie et instrumentation ...................................................... — 105.2 Spécifications des appareils ....................................................................... — 10

6. Contribution au processus d’industrialisation ................................ — 11

7. Annexes ...................................................................................................... — 11

Pour en savoir plus .......................................................................................... Doc. AG 3 200

L

PROCESSUS D’INDUSTRIALISATION _______________________________________________________________________________________________________

Après une brève présentation du processus d’industrialisation d’un produit etdu procédé pour l’obtenir, afin de se placer dans le contexte industriel, quatreensembles de schémas sont analysés :

— le schéma bloc ou schéma fonctionnel (en anglais « block diagram et enallemand « Grundfließbild »). Il permet de décrire les étapes chimiques et physi-ques du procédé et les flux matières et thermiques depuis les matières premiè-res jusqu’au produit fini ;

— le schéma procédé ou schéma de circulation ou schéma des conditions opé-ratoires (« process flowsheet » - « Verfahrenfließbild ») ;

— les schémas d’implantation ;— le schéma tuyauterie et instrumentation ou schéma de construction

(« piping and instrumentation diagram » ou « mechanical flowsheet » -« Rohrleitungs und Instrumentationfließbild ») avec les fiches de spécificationdes matériels.

1. Processus d’industrialisation d’un procédé Initiation

(découverte) Phase 1

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.AG 3 200 − 2 © Techniques de l’Ingénieur, traité l’Entreprise industrielle

Le processus d’industrialisation d’un procédé s’inscrit dans unedémarche plus générale de mise sur le marché d’un produitnouveau, qui part de la recherche et se poursuit jusqu’au niveau dela production à échelle industrielle.

Cette démarche est de plus en plus réalisée d’une manière systé-matique et formelle par les entreprises les plus innovantes et lesplus compétitives [1].

Elle consiste en une série de phases d’activités et de jalons dedécision autorisant le passage d’une phase à l’autre ou, aucontraire, « tuant » la voie suivie, c’est-à-dire le procédé et même leproduit. La démarche comprend en général 5 à 6 phases (figure 1).

■ La durée de chaque phase est variable en fonction du typed’entreprise (pharmacie, agrochimie, cosmétique, agroalimen-taire…) et des produits (produit de base, produit intermédiaire,matière active, produit formulé…).

La phase d’initiation, par exemple, peut être très courte (2 à3 mois) sans activité réelle de laboratoire pour un produit intermé-diaire ou, au contraire, relativement importante (1 an) dans le casd’une matière active type agrochimie (activité de screening) ouencore plus dans le cas d’une matière active type pharmacie (identi-fication de l’activité potentielle).

La phase d’évaluation, de même, peut varier de 2 à 3 mois àplus d’un an.

La durée totale du processus peut être, en conséquence, de 2 à5 ans pour un produit intermédiaire (1 an, si l’on dispose d’une instal-lation, 4 à 5 ans si l’on doit construire l’installation) à plus de 10 ansen agrochimie ou en pharmacie, où les aspects réglementaires

peuvent demander 3 ans d’étude et d’investigation. Mais la tendancegénérale est d’essayer de réduire ces temps dans des processus deplus en plus performants.

De même, en fonction du type d’entreprise, les phases peuventporter des noms différents (tableau 1).

Figure 1 – Différentes phases d’une démarche de mise sur le marché

Phase 6

Évaluation

Prédéveloppement

Développement

Validationindustrielle

Fiabilisationindustrielle

Jalon 1

Phase 2

Jalon 2

Phase 3

Jalon 3

Phase 4

Jalon 4

Phase 5

Jalon 5

Tableau 1 – Types de phases de la démarche de mise sur le marché suivant le type d’entreprise

Fiabilisation

Productioncommerciale

Commercialisation

Commercialisation

Jalons

Phases

Pharmacie

Agrochimie

Spécialités

Initiation

RechercheScreening

RechercheScreening

Initiation

Évaluation

SélectionPréclinique

ÉvaluationPotentialité

Évaluation

Prédéveloppement

Phase I

Prédéveloppement

Investigation

Développement

Phases II et III

Développement

Extrapolation

Validation(industrielle)

Phase IV

Lancementcommercial

Lancementcommercial

_______________________________________________________________________________________________________ PROCESSUS D’INDUSTRIALISATION

■ Les phases mettent en œuvre des études et des travaux multidis-plinaires, impliquant tous les métiers, de la recherche à la produc-tion, dès la première phase, avec un degré d’intervention variableen fonction de l’avancement du processus (tableau 2). Dès le début,les activités sont tournées vers les attentes et besoins du client (dumarché) et elles doivent être menées en parallèle pour :

— éviter les retours en arrière ;— identifier le plus tôt possible les verrous technologiques et

intégrer les contraintes industrielles ;— anticiper les évaluations technico-économiques ;

Tableau 2 – Implications des différents métiers dans chaque phase du procédé (1)

Phases Initiation Évaluation Pré-développement Développement Validation

industrielle Fiabilisation

Recherche avancée

Recherche appliquée

Technologie (génie chimique / équipements)

Ingénierie

Marketing

Production


(1) fortement impliqué impliqué

❏ peu impliqué

Figure 2 – Les quatre phases de l’industrialisation d’un procédé intégrées au développement d’un produit

Il est difficile de faire figurer sur cette figure les schémas d’une manière simple, car il y a des chevauchements entre les phases, les schémas étant des documents validés (ou à valider) à chaque jalon, comme des « produits » exécutés pendant chaque phase.Les schémas tuyauterie et instrumentation « figés » ou « définitifs » n’apparaissent pas ici, car, en fait, ils doivent être disponibles très tôt dans la phase de réalisation (sorte de jalons intermédiaires entre les études de détails et les achats). Il n’y a pas de véritable jalon unique de validation de ces schémas. Cela se passe au fur et à mesure de l’avancement de la réalisation et le plus tôt possible.

Industrialisation

Produit Procédé

Initiation

Évaluation

Prédéveloppement

Développement

Validation(industrielle)

Voie d’accès

Développementprocédé

Conception del’unité de fabrication

Réalisation

Fiabilisation/exploitation

Schémas blocs(1re version)

Schémas blocs figésSchémas procédé(1re version)

Schémas procédé figésSchémas tuyauterie etinstrumentation (1re version)


— gérer les incertitudes et les risques sur le marché (besoin,taille, évolution), la compétitivité du produit et ses avantagesconcurrentiels majeurs, la faisabilité technique, le coût de dévelop-pement, les coûts d’investissement, les coûts de production, la flexi-bilité de l’exploitation…, tous ces éléments devant être suivis avecrecul et réactualisés à chaque jalon.

■ L’industrialisation d’un procédé démarre dès la deuxième phasedu processus, c’est-à-dire à la phase d’évaluation où il est importantd’identifier les voies d’accès au produit et leur faisabilité indus-trielle. C’est, en fait, un sous-ensemble (sous-processus) de l’indus-trialisation d’un produit. Elle comprend en général quatre phasesmenées en parallèle et de manière intégrée à l’industrialisation duproduit (figure 2, page 3).

● La voie d’accès définit les enchaînements (réactions-sépara-tions-mise en forme) les plus compétitifs, techniquement réalisa-bles à l’échelle industrielle, économiquement acceptables (coûts dedéveloppement, coûts d’investissement, coûts d’exploitation).

Le schéma bloc est l’outil graphique de cette phase.● Le développement du procédé, mené en parallèle avec le déve-

loppement du produit, comporte :— la détermination des données de base nécessaires à l’extrapo-

lation des opérations unitaires, le choix et la conception des équipe-ments de génie chimique, intégrant sécurité et impact surl’environnement d’une part, principes de fonctionnement d’autre

schéma. Les traits, munis de flèches pour indiquer le sens de l’écou-lement, représentent les flux de matières d’entrée, de sortie et deliaisons.

C’est un document qui permet de donner une vision claire desétapes et des paramètres essentiels du procédé, en partant desgrandes lignes pour, progressivement, identifier et définir toutes lesétapes (figure 3 puis figures 4 et 5).

Dans le cas d’un procédé continu, on précise à chaque bloc lesparamètres de marche, les débits des flux, leur nature, les chargesthermiques (figure 5).

On peut noter et souligner également les paramètres sensibles oucritiques et, en particulier, les éléments qui caractérisent les« verrous » ou « points durs » à résoudre pour développer leprocédé.

Dans le cas d’un procédé discontinu (ou section de procédé),chaque étape est décrite à l’aide d’un diagramme séquentiel préci-sant le déroulement des opérations qui sont effectuées à cetteétape, en fonction du temps et en précisant les quantités mises enjeu (figure 6, page 6).

Le contenu des diagrammes séquentiels varie en fonction del’avancement des études. Nécessairement très simplifié au début etne tenant compte que des durées globales par phase, le schémas’enrichit, incluant temps de chargement et de déchargement,profils réactionnels, profils thermiques, profils rhéologiques…


part, et garantissant les propriétés d’usage du produit ;— le prédimensionnement des équipements.

L’élaboration du schéma procédé est au cœur de cette phase.Ses éléments permettent de confirmer la faisabilité industrielle etles coûts.

Le schéma bloc est figé.● La conception de l’unité de fabrication : les équipements sont

choisis et dimensionnés. Cette phase comporte successivement uneétude préliminaire ou avant-projet de l’investissement [2] et uneétude de base. Dans certains cas (ingénierie intégrée…), étude pré-liminaire et étude de base sont enchaînées.

A la fin de cette phase les schémas procédé sont figés. Lesschémas tuyauterie et instrumentation et les schémas d’implanta-tion sont très avancés.

● La réalisation : au cours de cette phase, les schémas tuyauterieet instrumentation et les plans d’implantation sont complétés au furet à mesure de l’avancement des études de détails et des plans desfournisseurs.

Cette phase inclut l’ingénierie de détails, les achats, les approvi-sionnements et la réception des matériels, ainsi que le chantier(c’est-à-dire le montage de l’unité de production).

Elle inclut aussi la formation du personnel d’exploitation et d’entre-tien (manuel opératoire, procédures d’exploitation, consignes).

La fin de cette phase correspond à l’acceptation mécanique del’unité, c’est-à-dire à la remise à l’exploitant d’une installation prêteà démarrer pour les essais à l’eau…

Nota : dans les « essais à l’eau », le fabricant essaie tous les circuits avec de l’eau avantd’introduire les produits…

2. Schéma bloc

Le schéma bloc, ou schéma fonctionnel, est un document fonda-mental de la voie d’accès décrivant l’ensemble des enchaînementsou étapes (réaction, séparation, mise en forme…) qui conduisentdes matières premières au produit fini.

Il est construit d’après un graphisme très simple constitué deblocs rectangulaires et de traits. Chaque bloc représente une fonc-tion à assurer, d’où souvent le nom de bloc fonctionnel donné à ce

Au début de l’industrialisation d’un procédé, le schéma bloc estl’outil le plus pratique pour analyser et concevoir une voie d’accès.Tout choix d’équipement est en général prématuré ; il nécessite desdonnées dont l’acquisition demande du temps de développement etun travail d’optimisation technico-économique. Il n’est pas réalisted’engager la phase de développement avec plusieurs voies d’accès.La phase de la voie d’accès doit être une phase de créativité et desélection. Dans ce but, le schéma bloc sert de base pour évaluer lesprocédés, leur prix de revient et l’investissement approximatif desunités de production en utilisant des méthodes globales à partir deséléments définissant chaque bloc.

C’est aussi à la phase de la voie d’accès que doivent être localisésles points sensibles et critiques du procédé.

Le schéma bloc servira de support à :— l’élaboration de schémas procédé et des bilans ;— la recherche des voies concernant le traitement des divers

rejets ou effluents.

Quelles que soient les phases, il reste :— un document descriptif simple de présentation du procédé ;— un outil d’investigation pour comprendre le fonctionnement

d’une étape de procédé et d’un équipement.

Figure 3 – Bloc fonctionnel : grandes lignes

A et B réactifsC produit fini

Réaction

Séparation 1

Mise en forme

Recyclage

Solvant

RecyclageSéparation 2

Séparation 3

Effluent

A B

C

C


RÉ

AC

TIO

NS

ÉP

AR

AT

ION

1

Stockage

Stockage

Réaction

Dissolution

Cristallisation

Essorage

Recyclage B

Solvant

DistillationEffluent

Effluent

A B

Séchage

Filtration

Précipitation

Air


3. Schéma procédé

Le schéma procédé fait suite au schéma bloc. Il représente demanière symbolique l’ensemble des équipements de procédé, ycompris les stockages, avec toutes les lignes de liaisons principaleset les alimentations en utilités.

Il est élaboré par un homme de procédé au fur et à mesure de laphase développement de procédé et finalisé à la phase de concep-tion de l’installation. Sa réalisation nécessite la participation deschimistes, biochimistes, physico-chimistes, concepteurs du produit,ainsi que celle de spécialistes de génie chimique et d’ingénierie…afin d’intégrer tous les éléments de faisabilité industrielle tels quesécurité, environnement, corrosion, instrumentation, mécanique…

C’est un outil de dialogue entre R et D, ingénierie, usine,« business », « marketing ».

C’est un support pour réaliser l’implantation, le dimensionnementdes appareils, les schémas tuyauterie et instrumentation.

Il sert de base aux estimations des investissements à partir de laliste du matériel principal, estimations plus fiables que celles utili-sant les méthodes basées sur le schéma bloc.

Figure 4 – Bloc fonctionnel : étapes du procédé

SÉPARATION 2

MIS

E E

N F

OR

ME

Solvant Lavage

Air Séchage

Broyage

Tamisage

Compactage

Recyclages

Effluent

C

Figure 5 – Bloc fonctionnel : paramètres de marche

Air 10 000 kg/hSéchage

60 °C 4 000 kcal/h

C 1 000 kg/h

Solvant 50 kg/h

1 050 kg/h

C 998 kg/h

Solvant 1 kg/h

999 kg/h

Air 10 000 kg/h

Solvant 49 kg/h

C 2 kg/h

10 051 kg/h


Fonction à assurerÉtape

Temps (h)

Réaction

Cristallisation

Chargement

Agitation

Chauffage

(Réaction)

Refroidissement de t1 à t2

Transfert

Chargement

Agitation

Refroidissement de ti à te

Ensemencement

Refroidissement de te à tf

Transfert

5 10 15 20


C’est un document de référence dans les réunions de validation,en particulier les réunions de sécurité. Il est utilisé pour la formationdu personnel d’exploitation avant démarrage et au cours de l’exploi-tation pour analyser les dérives de procédé (en tant que schéma deréférence).

3.1 Contenu d’un schéma procédé

Un schéma procédé comporte sous forme graphique, à l’aide desymboles ou de formes simplifiées :

— tous les appareils du procédé avec leur repère d’identification.Une liste de ces appareils est annexée au schéma, avec pour chacund’eux les données du prédimensionnement : dimensions princi-pales, matériau, type… ;

— les lignes reliant les appareils et leur repère en liaison avec :• dans le cas d’un procédé continu, un tableau de données con-

cernant la nature du flux (état physique, densité, viscosité, débit),les conditions (pression, température…),

• dans le cas d’un fonctionnement discontinu, un diagrammeséquentiel d’utilisation ou d’occupation indiquant les données :quantités de produit mises en jeu, état physique, charges thermi-ques, conditions opératoires ;— les lignes utilités aux entrées et sorties des appareils, en préci-

sant le type d’utilité. Les quantités d’énergie thermique figurent sou-vent sur le schéma ;

— les boucles de contrôle ;— les analyseurs.

La robinetterie ne figure pas sur le schéma, sauf si elle est utile àla compréhension du procédé.

L’instrumentation, de même, n’est pas définie à ce stade desétudes, à l’exception des boucles de régulation et des analyseurs et,sauf exception, liée à la spécificité du procédé.

3.2 Symbolisation

Il n’existe pas de symbolisation universelle. Chaque entreprise,chaque bureau d’études a ses standards, mais les figures sont, engénéral, très proches les unes des autres et vite assimilées.

Plusieurs normes cependant existent : NF E 04-202, DIN 30 600BSI, ANSI (ASA) (cf. [Doc. AG 3 200] et [3]).

3.2.1 Les flux

Chaque flux a un numéro pour être facilement repéré dans letableau de données ou le diagramme séquentiel :

Les flèches indiquent le sens d’écoulement des produits et deseffluents, leur origine et leur destination étant précisées en entrée eten sortie du schéma :

Pression, température, débit figurent parfois sur le schéma, ainsique la quantité de chaleur échangée :

Figure 6 – Diagramme séquentiel : cas de deux appareils

On pourrait, dans une autre configuration d’installation, n’envisager qu’un seul appareil remplissantl’ensemble des fonctions.

10

de… vers…

Température (C°)

Débit de gaz (m3/h)

Débit massique (kg/h)

Débit liquide (m3/h)

Pression absolue (bars ou torrs)

Quantité de chaleur (kcal/h)


De même pour les utilités, par exemple, la vapeur :

3.2.2 Les appareils

Les appareils sont représentés d’une manière symbolique, sanséchelle mais en respectant les proportions et les positions relatives.

Si le symbole n’existe pas dans les normes ou dans les standardsde l’entreprise, on peut adopter une représentation simplifiée del’appareil en privilégiant la configuration des fonctions à assurer à laforme des équipements externes ou internes.

En fonction de l’importance et de la complexité du procédé,l’installation est découpée en sections. Le découpage des schémasdoit être cohérent avec ces sections et on n’hésitera pas à diviser unschéma trop chargé pour améliorer la vision du procédé.

Les appareils sont repérés par une lettre liée au type d’appareil,par exemple E pour les échangeurs, C pour les colonnes de distilla-tion… Chaque lettre est suivie de chiffres permettant de repérer

Mais on aurait pu se contenter du symbole graphique échangeurtout type :

■ Pour un procédé continu, les bilans et conditions opératoires,correspondant en général à un point de fonctionnement, sont sou-vent explicités dans un tableau figurant dans un cartouche duschéma du même type que celui du tableau 3 ou en Annexe.

Température

Débit

Gaz Liquide

Pression

Densité

Tableau 3 – Type de tableau donnant les bilans et conditions opératoires à faire figurer

dans le schéma procédé

N° du flux

Unités 1 2 3 …

Constituants


l’appareil dans sa section.On trouvera dans le tableau 4 (Annexe, § 7) la liste des figures

représentant les symboles les plus courants, du plus général au plusspécifique, permettant de réaliser la plupart des schémas enpremière approche. Pour disposer d’une liste relativement exhaus-tive, on devra se reporter aux normes du pays ou/et aux cataloguesde l’entreprise.

3.3 Élaboration du schéma procédé

L’élaboration du schéma procédé constitue un travail majeur etincontournable avant de prendre la décision d’investir dans uneunité de production à échelle industrielle.

Quatre opérations doivent être menées en parallèle, de la visionglobale à la conception des détails, de manière à converger vers unesolution industrielle fiable et compétitive :

— choisir les équipements ;— définir le principe de leur fonctionnement ;— les dimensionner ;— estimer les coûts, analyser les risques.

Le schéma procédé concrétise ce travail. Il est établi à partir duschéma fonctionnel (schéma bloc) suivant la démarche décritefigure 7.

3.4 Exemple de configuration

■ Cas d’un appareil de cristallisation équipé d’un système de refroi-dissement et de chauffage, avec son bac de relais équipé d’unsystème d’agitation pour maintenir la bouillie en suspension(figure 8).

Le graphisme ci-dessous préfigure un échangeur à plaques(autre symbole, différent de celui présenté sur la figure 21 enAnnexe (§ 7) pour un tel appareil) :

■ Dans le cas d’un procédé discontinu, le diagramme séquentielétabli en même temps que le schéma bloc pour préciser les fonc-tions à assurer est complété et renseigné d’une manière quantita-tive. Dans l’exemple cité ici, on ajoutera le profil d’évolution destempératures au cours de la cristallisation : température du produitet température du fluide de réfrigération (figure 9).

4. Schémas d’implantation

Les études d’implantation démarrent effectivement en phase deconception. Mais il est recommandé de schématiser les contraintesde procédé au fur et à mesure du développement, au plus tard à lafin de la phase de développement, sur :

— un plan de masse succinct permettant d’avoir une vued’ensemble du projet, intégrant plus ou moins d’hypothèses enfonction de la connaissance du site ;

— un schéma altimétrique des équipements de procédé permet-tant de définir la position relative des appareils imposée par le pro-cédé (nature des produits, écoulements gravitaires, gardeshydrauliques, respirations, évents…).

En phase de conception, les études d’implantation permettentd’établir des schémas préliminaires. Elles sont réalisées à partir desschémas procédé de la liste des équipements renseignée, descontraintes de procédé et de sécurité en général.

………………………………………………………………………………………………………

–– –– –– –– ––Total

Débit

Température

Pression …

Densité

Viscosité

…


Schéma fonctionnel(schéma bloc)

• Produits finis- état physique- valeurs d’usage- quantités à produire- heures de marche- taux d’exploitation- flexibilité

• Matières premières- disponibilités

• Données de base- propriétés physiques- réactions/cinétiques- équilibres de phase- transfert- stabilité des produits- impuretés- points critiques et sensibles…

Recherche et configuration des équipements principaux (monofonctionnels ou plurifonctionnels à

usages multiples) au cœur du procédé,répondant aux fonctions attendues

Bilans matières et bilans thermiquesPrincipes de fonctionnementConditions opératoires clés

Débits/charges

Identification et représentation des flux d’entrée et sortie et des liaisons. Matières et utilités

Prédimensionnement des équipements principaux

Préparation duschéma procédé

?


Figure 7 – Démarche d’obtention du schéma procédé

Édition du schéma procédé accompagné :- des bilans et conditions opératoires (débits, t, p, densité, viscosité) ;- de la liste du matériel principal dimensionné ;- des diagrammes séquentiels des opérations discontinues (occupation des appareils et fonctionnement) : diagramme général des enchaînements et diagramme de chaque opération, incluant les profils d’évolution des charges et des conditions opératoires dans le temps :

• température • pression • densité • rhéologie

Spécification procédé des équipements prédimensionnés

Estimation de l’investissement de l’installation

Configuration des équipements- périphériques- traitement des effluents (gazeux, liquides, solides)- production d’énergie

FAISABILITÉ• Technique

- sécurité- matériau/corrosion- pressions, pertes de charge- températures, viscosité…- démarrage- complexité

• Économique- coûts des équipements- coûts d’exploitation

• Variantes- analyse de la valeur

SCHÉMA PROCÉDÉVersion 0

ANALYSE- analyse des risques- analyse de la valeurChoix des variantes

SCHÉMA PROCÉDÉ +COMPLÉMENTSVersion 1

LISTE DES ÉQUIPEMENTSRENSEIGNÉS


TIC

FITDY

TIXFIX

FI

TIS

LIX

D

A

P

C

E

M

E20

V6

E14

NORM :

MAXI :


Les schémas d’implantation sont précisés et détaillés durant cettephase au fur et à mesure de l’avancement des études. Ils sont figésà la phase réalisation durant les études de détail, en fonction desétudes d’installation de tuyauterie et des données des fournisseursd’équipements.

Ces schémas sont de plusieurs types :— le plan de masse (general plot plant) (échelle 1/1000 ou 1/2000)

qui permet de visualiser la localisation de l’unité (ou des unités)dans le site d’accueil et l’environnement ;

— le plan d’implantation générale de l’unité (unit plot plant),échelle 1/500) qui donne une vue en plan plus détaillée de l’unité etde l’environnement immédiat (limites d’unité, équipements princi-paux, structures, bâtiments, voies d’accès…) ;

— des plans d’implantation détaillés (échelle 1/200) avec vues enplan et en élévation.

Les plans d’implantation sont, de plus en plus, complétés par desmaquettes virtuelles en 3D, utilisées en particulier pour les étudesd’installation de tuyauteries et pour générer les isométriques destuyauteries. Ces maquettes facilitent le dialogue avec l’usine et sesexploitants. Elles peuvent être par la suite un outil très utile pourformer le personnel.

Les études d’implantation demandent beaucoup d’expérience.Elles font appel à plusieurs disciplines ou métiers et nécessitent unconsensus entre les différents responsables et acteurs du site.

Elles conditionnent :— la sécurité des installations : établissement des zones de dan-

ger à partir des sources potentielles de risques (plans de zones) ;

Figure 8 – Schéma d’ensemble de l’appareil de cristallisation étudié au paragraphe 3.4

R0

A

R

M

V6

P

Figure 9 – Diagramme séquentiel de l’exemple du paragraphe 3.4

Cristallisation

Chargement de x kg

AgitationRefroidissement deti à te → voir profil

Ensemencement par y g

Refroidissement dete à tf → voir profil

Déchargement vers xxx

Heures


regroupement des appareils et opérations dangereuses ; mise enplace des moyens de protection, de détection, d’intervention… ;

— la facilité d’exploitation et d’entretien des unités ;— les possibilités d’évolution à terme.

5. Schéma tuyauterie et instrumentation. Appareillage

5.1 Schéma tuyauterie et instrumentation

Il est établi à partir du schéma procédé et de ses documentsd’accompagnement, des études d’altimétrie et des études d’implan-tation. En parallèle sont lancées les études de spécification desappareils en partant des données de procédé pour aboutir à desdonnées de réalisation.

Il constitue la description de l’unité de production (produit ouutilité) avec :

Figure 10 – Dimensionnement de la tuyauterie et de la robinetterie

DN 40 40/80

50

25/50

25

25/50

25 P21 52001 U4 AE 81

CM

ED


— tous les appareils ou équipements représentés d’une manièresymbolique ou, le plus souvent, d’une manière figurative simplifiée.Il ne s’agit pas d’une représentation à échelle exacte (ou dimension-nement exact), mais les propositions sont respectées, ainsi que lepositionnement relatif des équipements ;

— toute la tuyauterie et toute la robinetterie dimensionnées :standard et dimensions figurant sur la ligne (figure 10) ;

— toute l’instrumentation.La position des tuyauteries, vannes et instrumentation ne

respecte pas les élévations réelles, mais toutes les contraintes deprocédé doivent figurer : pentes cotées, gardes hydrauliques,siphon. Les appareils sont équipés de leurs tubulures de piquage. Laposition relative des vannes ou organes de mesure entre eux et parrapport aux piquages est représentée dans toute la mesure dupossible.

Un exemple d’une telle configuration est donné sur la figure 11.Le schéma tuyauterie et instrumentation est élaboré en grande

partie pendant la phase de conception de l’unité. Il est complété etfinalisé au début de la phase de réalisation qui correspond à ce quel’on appelle les études de détails et, en particulier, pour tout ce quiconcerne les utilités.

Les échanges techniques avec les fournisseurs d’appareils contri-buent largement à l’élaboration du schéma jusqu’à sa finalisation aumoment du choix définitif des appareils.

Le schéma est un document d’information, véritable clé d’accès :— aux spécifications des équipements ;— aux circuits des fluides (produits et utilités) ;— aux postes d’instrumentation.C’est un document de référence à toutes les phases ultérieures de

l’industrialisation, y compris l’exploitation, au même titre que leschéma de procédé, clé d’accès :

— aux conditions opératoires ;— aux bilans ;— aux données fondamentales du procédé.

La mise à jour de tels schémas est fondamentale, en particuliercôté sécurité. Elle suppose la mise en place d’une véritable procé-dure accompagnant toute gestion des modifications, que ce soit à laphase de réalisation, au démarrage ou au cours de l’exploitation.

5.2 Spécifications des appareils

Les études sur les appareils et leurs spécifications démarrent dèsla phase de développement du procédé.

On s’attache à cette phase à définir d’abord les fonctions à assureren évitant de retenir trop vite un équipement plus ou moins bienadapté, conduisant souvent à une impasse technique ou écono-mique. Ensuite, à partir de l’analyse de ces fonctions (schéma fonc-tionnel ou schéma bloc), on étudie les technologies et équipementscapables d’assurer ces fonctions (équipement mono- ou multifonc-tionnel) : acquisition des données de base, essais d’extrapolation(scale up) ou d’intrapolation (scale down), prédimensionnement. Onaboutit ainsi au schéma de procédé et à une liste des appareils prin-cipaux avec leurs données de prédimensionnement : volume,surface d’échange, hauteur, diamètre, nombre de plateaux théori-ques, type de garnissage, …, conditions de fonctionnement, …,nature des produits et des matériaux.

Des fiches (appelées fiches de spécification) sont créées à partirde ces éléments : elles comportent un volet procédé et un voletconstruction. Il y a autant de types de fiches que de typesd’appareils : par exemple, fiche échangeur, fiche réservoir, fiche

Figure 11 – Bac relais de cristallisation dans un schéma tuyauterie et instrumentation

TIAS

LIAS

HM

HM

JIA

LICAS

A

R

M

AI

P

HM

CM

PA

LG LA

PW

HSM


réacteur, fiche colonne, etc. Chaque entreprise, ingénierie ou bureaud’études possède ses propres fiches, mais les différences sont deplus en plus faibles ; des exemples en sont donnés en Annexe, (§ 7).

Les bureaux d’études et d’ingénierie (clients) peuvent laisser plusou moins de choix aux fabricants d’équipements (fournisseurs) quipeuvent ainsi plus ou moins contribuer à la conception.

Pour le client, il est important de savoir transmettre au fournis-seur d’équipement les fonctions attendues et les données physico-chimiques, pour :

— favoriser l’innovation ;— réduire les risques ;— optimiser les choix.Tout spécifier au fournisseur, réduit à un simple rôle de construc-

teur, peut rassurer le client, mais le conduire à faire un choix à termenon compétitif et obsolète, sans bénéficier des améliorations conti-nues apportées par les constructeurs, encore moins de leur propredéveloppement technique. La performance d’une installation estintimement liée aux possibilités des appareils et des machines.

6. Contribution au processus d’industrialisation

Ils constituent de véritables indicateurs de mesure de qualité dontdeux exemples sont donnés ci-après.

7. Annexes

Exemple 1 : mesure de l’état d’avancement du schéma procédéau moment de prendre la décision de passer en phase de conceptionde l’unité :

— à plus de 80 % d’avancement du schéma, il est possible de direoui, à condition de vérifier si les 20 % restant à faire ne cachent pas dedifficulté majeure. Le début de la phase de conception aura pour objec-tif de finaliser au plus vite le schéma ;

— à moins de 50 % d’avancement, on prend un risque très impor-tant à passer en phase de conception de l’unité. Cela traduit uneconnaissance insuffisante du procédé pouvant entraîner des modifi-cations importantes à la réalisation et au démarrage, et des délais demise au point incompatibles avec les attentes des clients potentiels.

Exemple 2 : mesure de la mise à jour du schéma tuyauterie et ins-trumentation ultérieurement au stade de l’exploitation de l’installation :si la dernière mise à jour date de plus d’un an, on peut être inquiet surle niveau de sécurité.


L’élaboration des schémas est une activité importante dans leprocessus d’industrialisation d’un procédé. Ils doivent être aurendez-vous des jalons reliant les phases (figure 12).

Ces schémas ne sont pas les seuls nécessaires pour construire etfaire fonctionner une installation. D’autres schémas sont élaborés,en particulier pendant la phase de réalisation : schéma d’implanta-tion détaillée, isométriques, vues 3D, etc. Mais cet ensembleprésenté ici constitue le cœur même du procédé.

L’élaboration des schémas au cours du processus d’industrialisa-tion ne peut se faire par un homme seul. Elle nécessite une métho-dologie systématique impliquant des métiers et disciplinesnombreux et différents. La qualité du travail ne peut être obtenueque par une équipe, où chacun s’approprie le contenu.

Les schémas sont des documents de conception et de référence,sur lesquels vont s’appuyer les métiers qui vont définir et réaliserl’installation et sur lesquels s’appuient les fabricants pour assurer laformation du personnel, établir les consignes, veiller aux dérives,assurer la maintenance.

Le tableau 4 donne la liste des figures auxquelles on pourra sereporter pour la schématisation symbolique des appareils les pluscourants.

De plus, les exemples 3 et 4 ci-dessous donnent des modèles defiches de spécifications.

Figure 12 – Contribution des différents schémas au processus d’industrialisation

acquisition/transfert de données de base

élaboration

mise à jour

Schémas

Phases

• Schéma bloc (schéma fonctionnel)

• Schéma procédé

• Schémas d’implantation

• Schéma tuyauterie et instrumentation

• Fiches de spécification des matériels

- données procédé

- données construction

Voied’accès

Dévelo-ppementprocédé

Concep-tionunité

Réalisa-tion

Exploita-tion

Exemple 3 : la figure 25, page 17, montre la fiche de spécificationdu bac relais de cristallisation de l’exemple traité au paragraphe 3.4(données procédés). Les autres données seront renseignées au niveaude l’offre. La figure 27, page 19, quant à elle, donne le schéma del’appareil annexé à la fiche au stade de la réalisation. Toutes les dimen-sions sont spécifiées ici.

Exemple 4 : la fiche de spécification de la figure 26, page 18, estcelle de l’échangeur refroidisseur de cristallisation. Cette fiche est pra-tiquement prête pour l’étape de réalisation. La figure 28, page 19 mon-tre le schéma qui y est annexé.

Tableau 4 – Numéros des figures à consulter suivant le symbole recherché

Symboles Figure n°

Bacs et réservoirs 13

Agitateurs 14

Mélangeurs 15

Réacteurs 16

Colonnes de distillation, d’extraction, d’absorption, d’adsorption 17

Réacteur de précipitation. Cristallisoir. Écailleuse 18

Séparateurs. Décanteurs. Filtres 19

Transformation – Mise en forme des solides 20

ÉchangeursSystèmes de refroidissement et de chauffage 21

Pompes 22

Compresseurs. Turbocompresseurs 23

Instrumentation 24


ouvert fermé à toit flottant sphère (gaz liquéfié)

à fond bombé toit conique trémie


Figure 13 – Symboles graphiques pour la représentation des bacs et réservoirs

agitéavec double enveloppe à coquille

Figure 14 – Symboles graphiques pour la représentation des agitateurs

tout type ancre

turbinehélice pales droites

Figure 15 – Symboles graphiques pour la représentation des mélangeurs

tout type discontinu

continu (mélangeur, transporteur à vis, extrudeuse)

ou

statique


Figure 16 – Symboles graphiques pour la représentation des réacteurs

à lit fluide

V6

agité tubulaire

��yyyy

à lit fixe


Figure 17 – Symboles graphiques pour la représentation des colonnes de distillation, d’extraction, d’absorption, d’adsorption

Figure 18 – Symboles graphiques pour la représentation des réacteurs de précipitation, des cristallisoirs, des écailleuses

colonne non garnie colonnes garnies à plateaux à disques agitée

garnissage tout type ��yyanneaux en vrac ��

��

yyyyyy

garnissage ordonné plateaux

tout type

perforé

à cloches

à clapets

Écailleuse à bandeÉcailleuse à tambour


Séparateurs tous types : décantation, essorage, filtration… gaz/solide à tamis séparateur gros classificateur fin

par lavage humide type venturi types cyclone

Dévésiculeur

/


Figure 19 – Symboles graphiques pour la représentation des séparateurs, des décanteurs, des filtres

Séparateur centrifuge

,

,

lavage ,

ou

Décanteuse centrifuge Essoreuse

tout type : axe vertical (ou axe horizontal)

Décanteurs Décanteurs raclés

Filtres,

,

Nutsche presse

rotatif à manches ou à bougies

compartiments

lavage toile

lavage

essorage


Séchoirs

tout type à lit fluidisé

Fours (séchage ; calcination)

rotatif avec brûleur

Broyeurs

+

tout type à boulets

Compacteur

Transporteurs


Figure 20 – Symboles graphiques pour la représentation de la transformation et la mise en forme des solides

Figure 21 – Symboles graphiques pour la représentation des échangeurs et des systèmes de refroidissement et de chauffage

à godets, à griffesà hélice ou vis à secousses à bande

Aérocondenseurs, aéroréfrigérants

à tirage forcé à tirage induit tube à ailettes

Tours de refroidissement

à tirage forcé à tirage naturel(atmosphérique)

Échangeurs

spiraletubulaire à plaques type kettle

Fours

vertical horizontal

Réfrigérant tout type/condenseur tout type Désurchauffeur Réchauffeur tout type Évaporateur tout type Économiseur

Incondensables


centrifuge volumétrique en ligne immergée

à palettes à engrenages à déformation

Pompes tous types

Pompes volumétriques

Pompes spéciales


Figure 22 – Symboles graphiques pour la représentation des pompes

doseuse en général à vis autoamorçante à piston alternative à membrane

VentilateurPompes à vide

tout type à membrane

ER

ED

à anneau liquideappareil à jet tout type

Figure 23 – Symboles graphiques pour la représentation des compresseurs et turbocompresseurs

Compresseurs

tout type type roots à vis

C V

Turbine à vapeur Turbocompresseur

Figure 24 – Symboles graphiques pour la représentation de l’instrumentation

Peson

Soupape Disque de rupture

à dépressionà pression

Fonction instrumentation

Vanne de régulation

Fonction analyseur

Vanne tout ou rien

A


SA

TIO

NR


Figure 25 – Fiche de spécification du bac relais de cristallisation de l’exemple du paragraphe 3.4

SP

EC

IFIC

AT

ION

DE

RE

ALI

SA

TIO

ND

U R

ES

ER

VO

IR IT

EM

N°

:R

SP

EC

IFIC

AT

ION

DE

RE

ALI

DU

RE

SE

RV

OIR

ITE

M N

° :



Figure 26 – Fiche de spécification de l’échangeur-refroidisseur de cristallisation de l’exemple du paragraphe 3.4



Figure 27 – Schéma de l’appareil annexé à la fiche de spécification de la figure 25 au stade de la réalisation

Figure 28 – Schéma de l’appareil annexé à la fiche de spécification de la figure 26

��

95 651 652

3 845 1 125

600

356

1 3202 000

B2 A1

B1 A2

POUR
Processus d’industrialisation
EN

SAVO

Schémas en industrie de processpar Michel AUROY

Société Française du Génie des ProcédésAncien directeur des relations industrielles et du développement de la société Rhône Poulenc Industrialisation

Références bibliographiques[1] COOPER (R.-G.). – Winning at new products.

2e édition : Accelerating the process fromidea to launch. Addison - Wesley PublishingCompany (1997).

[2] VANDAMME (M.-N). – Coûts des investisse-ments industriels. Méthode d’estimation.A 8 070. Techniques de l’Ingénieur. Traitél’Entreprise industrielle, vol. AG 3 (1996).

[3] AUSTIN (D.-G.). – Chemical engineeringdrawing symbols. George Godwin Limited.Londres (1979).

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copieest strictement interdite. − © Techniques de l’Ingénieur, traité l’Entreprise industrielle Doc. AG 3 200 − 1

IR

PLUS

Normalisation

Association française de normalisation (AFNOR)NF E 04-202-1 Août 1996 Tuyauteries, composants de tuyauteries et appa-

reils des processus industriels. Représentationsymbolique. Partie 1 : principes de base.

NF E 04-202-2 Déc. 1996 Tuyauteries, composants de tuyauteries et appa-reils des processus industriels. Représentationsymbolique. Partie 2 : tuyauterie et raccordements.

NF E 04-202-3 Déc. 1996 Tuyauteries, composants de tuyauteries et appa-reils des processus industriels. Représentationsymbolique. Partie 3 : organes d’entraînementmécanique et de déplacement des fluides.

NF E 04-202-4 Déc. 1996 Tuyauteries, composants de tuyauteries et appa-reils des processus industriels. Représentationsymbolique. Partie 4 : matériels thermiques.

NF E 04-202-5 Août 1997 Tuyauteries, composants de tuyauteries et appa-reils des processus industriels. Représentationsymbolique. Partie 5 : séparations des produitssans transfert de chaleur.

NF E 04-202-6 Août 1997 Tuyauteries, composants de tuyauteries et appa-reils des processus industriels. Représentation

symbolique. Partie 6 : séparation des produits avectransfert de chaleur.

NF E 04-202-7 Août 1997 Tuyauteries, composants de tuyauteries et appa-reils des processus industriels. Représentationsymbolique. Partie 7 : matériels de réaction.

NF E 04-202-8 Oct. 1995 Tuyauteries, composants de tuyauteries et appa-reils des processus industriels. Représentationsymbolique. Partie 8 : fragmentation, mise enforme et autres traitements.

NF E 04-202-9 Oct. 1995 Tuyauteries, composants de tuyauteries et appa-reils des processus industriels. Représentationsymbolique. Partie 9 : stockage, manutention.

Deutsches Institut für Normung e.V. (DIN)DIN 30600 11-85 Graphische Symbole : Registrierung. Bezeichnung

Graphical symbols ; registration, designation.

British Standards Institution (BSI)Pour les normes BSI, se reporter à la référence bibliograhique [3].

American National Standards Institute (ANSI)Pour les normes ANSI, se reporter à la référence bibliographique [3].

Documents

Processus d’industrialisationpierre-michel.abadie.pagesperso-orange.fr/ts_cira/soft/AG3200.pdf · pement, les coûts d’investissement, les coûts de production, la flexi-bilité