Décembre 2001 - n°63

L'Équipe de Génie Chimique de Lille

Une équipe commune Chimie-Lille et Centrale-Lille

C'est en 1998 que l'équipe de Génie Chimique de Lille prend sa forme actuelle : une unité commune Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Lille - Ecole Centrale de Lille, intégrée au sein du Laboratoire de Catalyse de Lille (UPRESA CNRS 8010), Université des Sciences et Technologies de Lille. Mais, cela fait bien plus longtemps - près de 25 ans - que le Génie Chimique s'est imposé comme une pièce maîtresse de l'expertise technologique lilloise.

M. Stanislas PIETRZYK, Professeur au sein de l'unité de Génie Chimique, et Mme Nouria FATAH, Maître de Conférences, nous invitent aujourd'hui à faire connaissance avec leur équipe.

Une Recherche de pointe au profit d'un enseignement d'excellence

L'Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Lille et l'Ecole Centrale de Lille sont les deux entités fondatrices de l'équipe de Génie Chimique. Les deux écoles d'ingénieurs ont en commun un excellent niveau de formation et une orientation forte vers le Génie des Procédés.

En 1977, elles se rapprochent à travers l'exploitation d'un même Hall de Génie Chimique : une structure rarissime en France, composée de nombreuses installations semi-industrielles dédiées à l'enseignement.

En 1981, M. PIETRZYK, spécialiste du génie chimique, se joint aux équipes en place et, quelques années plus tard, le Laboratoire de Génie Chimique et d'Automatique (LGCA) voit le jour. L'entité est alors régie par un statut associatif, mais est implantée au cœur de l'Industrie.

C'est au début des années 90, en emménageant dans ses locaux actuels situés au sein de l'Ecole Centrale de Lille et en obtenant un statut de "Jeune Equipe" du ministère de la Recherche, que le LGCA se renforce rapidement pour atteindre sa taille actuelle en quelques années puis s’associe au Laboratoire de Catalyse de Lille (UPRESA 8010 CNRS) en 1998.

Aujourd'hui sous la direction du Professeur Edmond PAYEN, l'Unité CNRS compte 75 personnes, dont 15 collaborent dans le cadre de l'activité Génie Chimique.

Le LGCA, toujours placé sous la tutelle conjointe de l'ENSCL et de l'Ecole Centrale de Lille, s'intitule désormais Equipe de Génie Chimique et se positionne aux côtés des deux autres entités de l'UPRESA : l'équipe de Catalyse Homogène, implantée au sein de l'ENSCL, et l'équipe de Catalyse Hétérogène, située sur le campus de l'Université des Sciences et Technologies de Lille (USTL).

Son objectif : approfondir ses études en matière de génie chimique et les étendre à de nouvelles applications, de la catalyse au procédé.

Les systèmes catalytiques : de la compréhension des phénomènes au niveau moléculaire à la conception de nouveaux procédés industriels

Au cœur des activités de l’entité de Génie chimique : l’étude, la mise au point, la modélisation de nouveaux réacteurs pour tous types de réactions catalytiques mais plus particulièrement en réaction d’oxydation des alcanes légers de type propane, butane et en synthèse de Fischer Tropsch.

"La catalyse de l'oxydation ménagée connaît aujourd'hui un regain d'intérêt, en particulier appliquée aux alcanes légers sur de nouveaux catalyseurs (hétéropolyanions)", souligne M. PIETRZYK. "Notre objectif est d'améliorer la réactivité de certains composés alcanes en les dotant d'une double liaison. Deux possibilités s'imposent alors : la déshydrogénation ou l'oxydation…"

De fait, parmi les sujets de recherche de l'Equipe de Génie Chimique de Lille, se distinguent tout particulièrement :

- l'oxydation sélective de l'isobutane en acide méthacrylique sur de nouveaux catalyseurs (hétéropolyanions) ;

- l'oxydation ménagée du propane en propène sur un catalyseur NiMoO4 ;

- la déshydrogénation oxydante du propane en propène sur des catalyseurs V2O5 / TiO2 en régime transitoire ;

- la synthèse de Fisher-Tropsch : réaction d'hydrogénation du monoxyde de carbone (transformation du gaz de synthèse CO+H2 en un mélange d'hydrocarbures) sur des catalyseurs à base de cobalt

-l’oxydation sélective du propane en acide acrylique

-la fluidisation gaz-solide pour les grosses particules et les poudres microniques

- l'étude des propriétés physiques et rhéologiques des solides divisés (poudres microniques).

Soulignons que le programme de recherche sur les solides divisés cible précisément l'étude des contacteurs gaz - solide dans la mise en suspension des poudres microniques (diamètre des particules inférieur à 50 µm).

"Sous l'action des forces interparticulaires, des agglomérats se forment lors de la mise en suspension de poudres microniques, d'où l'apparition d'un passage préférentiel du gaz dans la structure cohésive générant un très mauvais contact entre la phase gaz et la phase solide", nous explique Mme FATAH.

"Notre but est donc de comprendre les divers mécanismes mis en jeu dans un contacteur gaz-solide, tout particulièrement dans le processus de la réaction catalytique et ceci afin d'optimiser les applications industrielles, depuis l'élaboration des poudres jusqu'aux procédés".

Installations expérimentales et techniques de mesure

"Nos travaux ont montré que la seule connaissance des propriétés physiques des poudres restait insuffisante, d'une part pour prévoir le mouvement collectif des particules dans une opération donnée et, d'autre part, pour dimensionner des installations mettant en œuvre ces poudres", ajoute Nouria FATAH.

Deux plate-formes technologiques ont donc été conçues au sein de l'Equipe de Génie Chimique de Lille :

• l'une dédiée à la caractérisation des propriétés texturales et physiques des poudres :

masse volumique réelle (pycnomètre à hélium), diamètre des particules (analyse informatique d'images, granulométrie laser, technique du tamisage en voie sèche), porosité (porosimètre à mercure), surface spécifique (analyseur automatique de l'adsorption des gaz) et forme des particules (traitement informatique d'images)…

• l'autre centrée sur la mesure des propriétés d'écoulement des poudres à travers six tests rhéologiques dédiés à la mesure de la consolidation, du tassement, de l'écoulement des poudres dans un silo, de la dispersibilité, de l'angle de glissement et de l'angle de talus.

Soulignons l' équipement du Laboratoire en matière de réacteurs expérimentaux : montages pour divers tests catalytiques (études de catalyseurs ou des conditions de fonctionnement du réacteur : pression, température, débits gazeux…), réacteurs en régime stationnaire (pour la synthèse de Fischer-Tropsch, par exemple), systèmes de tests en régime transitoire, réacteurs en lit fixe, en lit fluidisé ou en lit circulant…

Autant d'équipements associés à des instruments analytiques de pointe : chromatographes en phase gazeuse et spectromètre de masse quadripolaire, placés en sortie de réacteurs pour une analyse en continu des produits de réactions.

Des contrats de recherche internationaux et des prestations au service des PME régionales

Particulièrement bien équipée, l'Equipe de Génie Chimique a su développer en interne ses propres méthodes de mesure - à l'exemple des tests rhéologiques décrits précédemment - et a pu compter sur le soutien financier du Conseil Régional pour l'acquisition de matériels liés à l'étude des solides divisés.

Le Laboratoire entretient des relations étroites avec le milieu industriel et d'autres équipes de recherche publique, en France comme à l'étranger. Des coopérations se poursuivent d'ailleurs de longue date avec les Universités de Pologne (Cracovie, Lublin) et de Hongrie (Budapest) pour la mise au point de nouveaux catalyseurs dans l'oxydation ménagée d'alcanes légers.

Dans le domaine des poudres, plus spécifiquement, plusieurs contrats et prestations industriels ont été signés ces dernières années. " avec les sociétés Verrerie Cristallerie d’Arques (VCA), Crompton & Knowles (Colorants), Seghers Better Technology (traitement des déchets) ou encore des partenariats avec des professionnels de l'équipement, tels que le Groupe Beckman-Coulter, spécialiste de la granulométrie laser, avec qui notre équipe a organisé en 1999 un séminaire européen sur la synthèse et caractérisation des poudres", ajoute Nouria FATAH.

Point commun à l'ensemble de ces collaborations : la volonté d'améliorer la qualité des poudres grâce à la maîtrise de leurs propriétés d'usage, dans le but d'optimiser les procédés.

"De nombreux secteurs d'activités sont concernés", ajoute M. PIETRZYK. "agro-alimentaire, cosmétique, pharmaceutique (microencapsulation), mais aussi environnement ou industrie des lessives et détergents…"

Au cœur des objectifs de l'équipe Génie Chimique de Lille : initier de nouveaux contrats de recherche et de prestations de service pour le compte de l'Industrie, concrétiser à court terme un projet de coopération bilatérale franco-polonais et continuer d'enrichir son parc instrumental.

Contact :

Mme Nouria FATAH, Maître de Conférences

M. Stanislas PIETRZYK, Professeur