Le peroxyde d’hydrogène par oxydation de l’anthraquinol 44e promotion de Génie Chimique Université de Sherbrooke Décembre 2002

Plan de la présentation Introduction et objectifs du projet Marchés ciblés Technologies de production du peroxyde Bilans de masse Analyse de risques Choix du site

Plan de la présentation (suite) Critères de qualité des effluents Analyse de risques industriels majeurs Analyse économique Analyse de sensibilité Mot de la fin

Introduction Janvier 2002 : annonce de grands investissements de la compagnie Atofina 50 millions de dollars Usine de Bécancour Augmenter sa capacité de production

Introduction (suite) Le peroxyde d’hydrogène (H2O2) est utilisé de plus en plus dans l’industrie des pâtes et papier pour le blanchiment de la pâte Demande croissante due aux restrictions environnementales pour les produits chlorés

Objectifs du projet Étude d’ingénierie préliminaire pour la construction d’une usine de H2O2 70 000 tonnes (70 % )/année Technologie par oxydation de l’anthraquinol Usine au Québec Marché : pâtes et papier

Objectifs du projet (suite) Produire un peroxyde de qualité Procédé sécuritaire Respect de l’environnement Usine rentable

Sous - objectifs du projet Gestion de projet Choix et dimensionnement des différentes unités Analyse économique Analyse de risques Normes environnementales

Étude de marché Par : François Perron

Plan Applications du peroxyde d’hydrogène Offre mondiale Demande mondiale Marché visé Capacité de l’usine

Application du H2O2 Pâte à papier  agent de blanchiment Industrie textile  agent de blanchiment Industrie chimique  réactif pour la synthèse de produits Pharmacie et médecine  désinfectant Industrie alimentaire  stérilisant Environnement  traitement de l’eau potable Métallurgie  Traitement des surfaces

Industrie chimique et pharmaceutique Application du H2O2 Secteur Part du marché Pâtes et papiers 70 % Industrie textile 10 % Industrie chimique et pharmaceutique

Demande mondiale de peroxyde Dans les dernières années l’augmentation annuelle de la demande mondiale de peroxyde d’hydrogène était de 7 à 8 % Cette année la demande devrait connaître une croissance pour se situer à 5 % Une augmentation de l’ordre de 4 à 5 % de la demande de peroxyde d’hydrogène est prévue cette année dans le domaine des pâtes et papiers

Demande mondiale de peroxyde Amérique du Nord Augmentation du marché de 3 à 4 % cette année Europe Augmentation du marché de 2,5 % pour les 5 prochaines années Asie – Pacifique Stable de 1994 à 1998, mais devrait connaître une augmentation de 1 % d’ici l’année 2003 Amérique du Sud Information non-disponible, mais l’Amérique du Sud est la région du monde où l’industrie des pâtes et papier est la plus prospère

La demande Dans plusieurs pays, dont les États-Unis et plusieurs communautés d’Europe : adoption ou projets de lois pour minimiser l’utilisation des produits de blanchiment contenant du chlore

Offre mondiale de peroxyde

Emplacements des 5 plus grands producteurs de peroxyde

Marché Visé Industrie des pâtes et papiers du Nord-Est de l’Amérique du Nord Québec Ontario Nord-Est des États-Unis

Capacité de l’usine envisagé Marché des pâtes et papier du Québec à 50%: 18 000 tonnes/an Marché des pâtes et papiers canadiens à 30%: 18 900 tonnes/an Marché des pâtes et papiers américain à 5%: 16 800 tonnes/an Marché des industries autres à 30% canadien: 10 000 tonnes/an Total: 63 700 tonnes de peroxyde d’hydrogène (70%) par année

Description du procédé Par : André LeBlanc

Méthode compétitive Électrolyse On-Site: Anthraquinone O2 + H2O + 2e-  OOH- + OH- Nouvelle Technologie Investissements coûteux Anthraquinone Technologie connue Méthode actuellement utilisée

Chimie du procédé

Solution de travail Une solution = Une usine Composition déterminante Solvants polaires Solvants non-polaires Changement de composition dans le procédé

Composition initiale de la solution de transport Composant % massique 2-EAQ 13 TMB 29 Alcool C9-C11 58

Hydrogénation de 2-EAQ Grande utilisation du H2 ( > 90% ) Nécessité de conserver le catalyseur dans le réacteur Conversion à 70 % pour limiter les formes non désirables de quinones ( haut ratio anthra/tetra) Réacteur à trois phases Débit d’hydrogène en excès et système de récupération

Oxygénation de 2-EHAQ Utilisation de l’air extérieur Pression d’opération à 3 atm pour maximiser le transfert de masse Utilisation à 70-90 % de l’oxygène Très grande demande énergétique des compresseurs Conversion de 90 % Colonne garnie

Extraction Concentration du peroxyde à 1,5 % massique à l’entrée Concentration à la sortie de 35 % massique Extraction de plus de 95 % du peroxyde Débit d’eau de 30 à 50 fois supérieur que la solution de travail Colonne à plateaux «Sieve»

Régénération et filtration Élimination et régénération des quinones désuètes Catalyseur d’alumine Filtration Empêche d’épandre le catalyseur dans le procédé

Distillation Concentration du peroxyde à 70 % massique à la sortie Colonne à plateaux Distillation sous vide (5 à 15 kPa)

Services Traitement l’eau: Traitement des effluents Échangeurs d’ions Déionisation Traitement des effluents Production d’hydrogène Bouilloire à vapeur

Bilans de matière Par : Guillaume Simard

Débit d’entrées et de sorties des unités Unité de production d’hydrogène Unité de production d’eau déionisée Unité d’hydrogénation Unité d’oxydation Unité d’extraction Unité de traitement des eaux

Unité de production d’hydrogène

Unité de production d’hydrogène 3635 kg/hr de gaz naturel (5280 m3/hr) 10 965 kg/hr de vapeur (18 450 m3/hr) 31 920 kg/hr d’air (26 605 m3/hr) 38 540 kg/hr de résidus de combustion (81 540 m3/hr) 14 870 kg/hr d’eau déminéralisée (15 m3/hr) 736 kg/hr d’hydrogène (441 m3/hr)

Unité de production d’eau déionisée

Unité de production d’eau déionisée 4000 kg/hr d’eau DI pour extr. (4 m3/hr) 20 150 kg/hr d’eau de la ville (20 m3/hr) 15 000 kg/hr d’eau DI pour H2 (15 m3/hr) 1150 kg/hr d’eau pour régén. (1.2 m3/hr)

Unités de production principales

Unité d’hydrogénation 637 236 kg/hr de solution de transport (720 m3/hr) 637 793 kg/hr de solution hydrogénée (720 m3/hr) 557 kg/hr d’hydrogène (6112 m3/hr) 737 kg/hr d’hydrogène 180 kg/hr d’hydrogène

Unité d’oxydation 637 793 kg/hr 646 793 kg/hr de solution hydrogénée (720 m3/hr) 646 793 kg/hr de solution de transport (720 m3/hr) 49 000 kg/hr d’air (5380 m3/hr) 40 000 kg/hr d’air (3797 m3/hr)

Unité d’extraction S. T. de L’oxydation

Unité d’extraction/distillation 638 180 kg/hr de solution de transport (720 m3/hr) 3 387 kg/hr d’eau déionisée (3.4 m3/hr) 12 830 kg/hr de peroxyde d’hydrogène (10.7 m3/hr) 647 793 kg/hr de solution de transport avec peroxyde (720 m3/hr) 170 kg/hr d’eau à traiter (0.2 m3/hr)

Traitement des eaux

Unité de traitement des eaux 15 861 kg/hr d’eau à traiter (16 m3/hr) 177 kg/hr de boues 2000 kg/hr d’eau de regénération (2 m3/hr) 2856 kg/hr d’air (2.9 m3/hr) 15 683 kg/hr d’eau traitée (16 m3/hr) 1 kg/hr de polymère

Par : Marc Leduc Analyse de risques

Analyse des risques Mandats principaux Mandats parallèles Assurer la sécurité des travailleurs Assurer la sécurité du public Protéger l’environnement Minimiser les coûts engendrés par des incidents Mandats parallèles Procédures de démarrage et d’arrêt Numérotation des équipements Diagrammes de procédés

Analyse des risques Risques associés… Outils ? Aux produits chimiques Au procédé Aux équipements du procédé Outils ? MSDS, Matrice d’interaction Diagrammes d’écoulement à jour Check list What If

Analyse des risques What If : Vérifier que le procédé, les équipements et la séquence de ceux-ci sont sécuritaires par design Moins formel que le HAZOP Discussion et modification aux équipements et aux diagrammes d’écoulement Ajout d’équipements Critères de design à considérer (notés) Unité d’hydrogénation considérée plus en détail

Choix du site Disposition Critères de qualité des effluents et CRAIM Par : Julie Néron Carl Graham et Hubert Cabana

Choix du site Choix: Parc de Salaberry-de-Valleyfield Raisons: Proximité Pâtes &Papiers et autres marchés Environnement Industries chimiques Vente d’H2 Proximité États-Unis et Montréal Commodités

Localisation de Salaberry- de -Valleyfield

Terrain 40 hectares Rues Misaine et Sabord Ligne ferroviaire Gaz naturel

Disposition des équipements Dimension de l’usine: 212 X 440 m Terrain de 93 000 m2

Plan général de l’usine

Plan de production d’eau déionisée

Critères de qualité des effluents retenus Aucun règlement Article 20 de la Loi sur la qualité de l’environnement du Québec Critères proviennent du : Ministère de l’environnement du Québec Conseil canadien des Ministres de l’Environnement

Critères de rejet retenus Effluents gazeux Effluents liquides

Analyse des risques d’accidents industriels majeurs Substances identifiées comme étant dangereuses par le CRAIM

Analyse des risques d’accidents industriels majeurs

Analyse des risques d’accidents industriels majeurs Atténuation des impacts

Par : Stéphane Jubinville Analyse économique Par : Stéphane Jubinville

Analyse économique Plan Informer sur le fichier de comptabilité Hypothèses Choix de la méthode d’estimation Structure et fonctionnement Résultats Paramètres retenus Chiffres d’affaires et % TRAM Analyses de sensibilité

Analyse économique Hypothèses Vente et prix de peroxyde et hydrogène stable sur 10 ans Liquidation selon la loi de l’imposition Aucune déductions fiscales sur les années déficitaires Revenus de placement inexistants Facteurs économiques tirés de la littérature valides pour l’industrie du peroxyde Devise stable sur 10 ans L’inflation a été ignorée lors des calculs

Analyse économique Choix de la méthode de calculs Calculs en utilisant comme base le coût des équipements pour l’estimation de paramètres économiques du coût d’investissement global et coût de production

Analyse économique Entrée de données Facteurs relatifs aux équipements Année des prix et transformation en $ actuels Quantité de matières premières Quantité d ’énergie Quantité de main-d ’oeuvre

Analyse économique Entrée de données Choix des facteurs (littérature) Indice Pourcentage Installation Variable Isolation 8 % Contrôle 16 % Tuyauterie 70 % Équip. électrique 15 %

Analyse économique Coût de l’équipement tout compris Section de l’usine Investissement ($CA) Génération d’hydrogène 32 100 000 $ Hydrogénation 5 400 000 $ Oxydation 10 300 000 $ Extraction/distillation 3 700 000 $ Déionisation de l’eau 400 000 $ Traitement des effluents 10 200 000 $ Traitement de la solution de travail 1 700 000 $ Équipements périphériques 4 700 000 $ Total: 68 500 000 $

Analyse économique Valeurs fixées Durée Temps d’entreposage M. P. 30 jours Temps d’entreposage produit 7 jours Compte-clients Compte-fournisseurs Paiement intérêts de prêt Taxes 1 an Salaires 15 jours Nature du fond de roulement Montant ($ CAN) Actif 12 800 000 $ Passif 6 700 000 $ Total: 19 500 000 $

Analyse économique Feuille de coût de production Calcul du coût des opérations pour la production du peroxyde d ’hydrogène pour une année Coût directs M. P., main-d’œuvre, maintenance, services, etc. Frais fixes Dépréciation, taxes, assurances, etc. Coût indirects Services Dépenses générales Administration, ventes, financement, RD Entrées de données Facteurs reliées aux opérations

Analyse économique Feuille de coût de production Calcul du coût des opérations pour la production du peroxyde d ’hydrogène pour une année Valeurs fixées Montant ($CAN) Pourcentage Coût directs M. P., main-d’œuvre, maintenance, services, etc. 28 600 000 $ 54 % Frais fixes Dépréciation, taxes, assurances, etc. 10 500 000 $ 20 % Coûts indirects 6 400 000 $ 12 % Dépenses générales 7 500 000 $ 14 % Total: 53 000 000 $ 100 % Coût par TM de peroxyde 100 %: 1 083 $ N/A

Analyse économique Feuille de l’investissement global Montant nécessaire à investir pour l’ensemble du projet

Analyse économique Valeurs fixées Coût ($CAN) Coût directs généraux % approximatif d’équip. Coût d’équipements tout inclus N/A 68 500 000 $ (48 M$) Bâtiment 15 % 7 300 000 $ Terrain 1 % 500 000 $ Infrastructure 20 % 9 700 000 $ Aménagement du site 10 % 4 900 000 $ Total 90 900 000 $ Coût indirects généraux % approxim. capital fixe Ingénierie 8 % 11 200 000 $ Dépenses construction 3 % 9 800 000 $ Frais contracteurs 7 % 4 200 000 $ Contingence Démarrage 9 % 12 600 000 $ 49 000 000 $ Fond de roulement 19 500 000 $ Total investissement global + ou - 30% 159 400 000 $

Analyse économique Feuille du calcul du TRAM Calcul du rendement sur l ’investissement de l ’entreprise Données des revenus, dépenses, dépréciation, intérêts sur le prêt, etc.

Analyse économique Feuille du calcul du TRAM Entrée de données: Prix de vente du peroxyde d’hydrogène: 2400$ CAN/TM Production totale annuelle 49000 TM / an Montant revenant de la vente d’hydrogène Période de l ’analyse économique 10 ans Taxes 40 % Pourcentage de dépréciation (loi impôt) Équipements 30 % Bâtiment 4 % Pourcentage d’intérêts 7 % Pourcentage du prêt emprunté (61.8 M$) 30 % Période de paiement du prêt 5 ans

21.06% 120 000 000$ CAN Analyse économique Chiffre d’affaires annuel: Pourcentage de TRAM obtenu: 21.06%

Analyse économique Analyse de sensibilité Mêmes hypothèses que celles du fichier Hypothèse supplémentaire L’analyse de sensibilité est structurée de manière à faire varier qu’un paramètre à la fois

Analyses de sensibilité Facteurs critiques Facteurs de décision Durée de remboursement de prêt, proportion d’I.G. Facteurs de marché Intérêts sur prêt, prix de peroxyde, gaz naturel, etc. Facteurs de nature de procédés Avec ou sans hydrogène

Analyses de sensibilité Facteur de décisions administratives Proportion du prêt sur investissement global

Analyses de sensibilité Impact en termes directs: Pourcentage de l’I.G. en prêt Coût($CA) / TM de peroxyde % TRAM 25 1076 (-0.06%) +1.12% 30 1083 (0.0%) ------------ 40 1091 (+0.06%) -1.10%

Analyses de sensibilité Facteur de marché Variation du prix du peroxyde d’hydrogène

Analyses de sensibilité Impact en termes directs: Coût($CA) du peroxyde Coût($CA) / TM de peroxyde % TRAM 2300 ---------------- -1.99 % 2400 ------------ 2500 +1.96 %

Analyses de sensibilité Facteur de nature de procédé Production ou non d’hydrogène Modifications Considération d’achat d’hydrogène pur Enlèvement d’équipement pour production H2 Élimination de l’énergie nécessaire Modification de facteurs économique aménagement du site, infrastructure, bâtiment, etc. Disparition du revenus de vente d’hydrogène Main-d’œuvre

Analyses de sensibilité Facteur de nature de procédé Production ou non d’hydrogène Nature du procédé Coût($CA) / TM de peroxyde % TRAM Production d’hydrogène 1083 21.06 % Achat d’hydrogène 908 40 %

Analyses de sensibilité Conclusion Importance des paramètres suivants: Proportion de l’investissement global en prêt Prix du peroxyde d’hydrogène sur le marché Production ou non d’hydrogène

Analyses de sensibilité Conclusion Rentable Le choix de construire l’usine avec ou sans production d’hydrogène est un choix entre la capacité d’autonomie et la rentabilité liée aux risques contractuels que comporte un partenariat.

Conclusion Étude préliminaire d’une usine de peroxyde d’hydrogène Capacité de production : 70 000 TM/An Procédé Choisi : Procédé à l’anthraquinone Investissement Global : 159,4 M$CAN « Payback » : 10 ans TRAM : 21%

Remerciements M. Maher Boulos M. Jerzy W. Jurewicz Benoit Côté Les professeurs du département Les étudiants de la 44ième promo Atofina?

Fin Des questions?