Une approche progressive, de la boîte noire au flowsheet
La démarche de conception s'apparente à un processus itératif matérialisé sur la Figure suivante par deux boucles successives : une première visant à générer les alternatives plausibles puis une seconde visant à sélectionner l'alternative probable, c'est-à-dire la meilleure solution. Grâce au processus d'évaluation et de sélection, le nombre de solutions plausibles diminue au fur et à mesure de l'avancement du projet. Corrélativement, les informations sur les solutions restantes sont de plus en plus précises.
Pour réduire le nombre des alternatives plausibles et arriver au plus tôt à l'alternative probable, la démarche mise en œuvre va consister en une série de phases d'activités et de jalons de décision autorisant à passer d'une phase à l'autre. Les critères de décision sont traditionnellement techniques (voir liste des contraintes internes sur le Diagramme des contraintes[2]) et économiques.
La Figure suivante représente la planification temporelle des différentes phases d'un projet de conception, de l'identification des besoins jusqu'à la construction, ainsi que la précision de l'évaluation économique à chaque jalon de décision.
En phase d'initiation, on se contentera d'estimations très simples et rapides, mais pas très précises, pour arriver, au stade de la construction, à des calculs aussi détaillés que possibles. Une classification des méthodes employées pour évaluer le coût du procédé est proposée dans le Tableau qui suit. Sont également mentionnées dans ce tableau les connaissances nécessaires pour le calcul du coût et la précision escomptée.
Méthode | Budget | Données nécessaires | Précision |
|---|---|---|---|
Globale | Ordre de grandeur | Produits et réactifs, analogie via procédé similaire | ± 40% |
Modulaire | Budget préliminaire | Connaissance des équipements principaux | ± 25% |
Semi-détaillée | Budget objectif | Choix et dimensionnement des équipements Tuyauteries principales et instrumentations | ± 12% |
Détaillée | Budget contractuel | Ingénierie complète, données de site | ± 3% |
L'appellation des différentes phases associées à la conception d'un procédé, ainsi que leurs durées, vont sensiblement varier d'un auteur à l'autre [ Auroy, 2000[5] ; Azapagic, 2006[6] ; Albert, 2003[7]]. Par contre, le nombre de phases est traditionnellement de 4 :
La première repose essentiellement sur une évaluation du potentiel économique (EP), défini comme la différence entre le revenu annuel des ventes et le coût d'achat annuel des matières premières ;
La seconde phase vise à définir les enchaînement les plus compétitifs, techniquement réalisables à l'échelle industrielle et économiquement acceptables. Elle nécessite d'avoir une idée assez précise des différents courants qui sortent du procédé et de leurs valeurs économiques. Le schéma de blocs est l'outil graphique de cette phase. Les solutions alternatives sont triées en utilisant des arguments d'ordre de grandeur[*] pour simplifier les bilans de matière, les équations de dimensionnement des équipements et les calculs de coût. En général, ces calculs sont souvent suffisamment précis pour éliminer 90% des solutions alternatives qui ne donneront pas lieu à une opération rentable. À l'issu de cette phase, le budget est connu à ± 25% ;
Pour les résultats de cette analyse préliminaire les plus prometteurs, des informations plus détaillées sont prises en compte dans les calculs, l'effort d'ingénierie étant alors justifié. La troisième phase vise ainsi à affiner le dimensionnement les équipements principaux, puis à choisir et dimensionner les équipements secondaires. L'élaboration du schéma de procédé est au cœur de cette phase. L'intégration énergétique, le contrôle/commande du procédé et les aspects prévention et sécurité sont également pris en compte. À l'issu de cette étude, le schéma de blocs est figé, le flowsheet très avancé et le budget affiné à ± 12% ;
Enfin, la dernière phase vise à définir l'implantation des appareils et leurs connections, puis à construire un nouveau diagramme appelé « schéma tuyauterie et instrumentation » ou encore « schéma de construction »[*]. À l'issu de cette étude, le flowsheet est figé, le schéma de construction très avancé et le budget affiné à ± 3%. Il sera mis à jour au cours de la construction de l'unité de production.
On pourra noter au passage que les deux dernières phases sont en interaction forte et ont tendance à se chevaucher dans le temps (cf. le schéma Les différentes phases d'un projet industriel[8] par rapport à la planification de la Conception et des Études Détaillées). Il en est de même entre la dernière phase de conception et le début de la construction de l'unité.
Un projet de conception de procédé nécessite donc de mener en parallèle des études à caractère scientifique et technique et des évaluations économiques. Pour des questions de lisibilité du document, nous présenterons dans la suite les deux aspects, mais de manière séparée.