Littérature scientifique sur le sujet « Simulation du procédé photo-Chimique »

La dégradation photochimique de cinq herbicides appartenant à la famille des chlorophénoxyalcanoïques a été étudiée en solution aqueuse par irradiation à 254 nm selon trois systèmes : UV seul, UV/H2O2 et UV/H2O2/ FeIII (photo-Fenton). Le procédé photochimique semble constituer une alternative prometteuse aux méthodes existantes de traitement chimique des eaux polluées; en effet il permet de détruire photochimiquement l'herbicide initial et d'obtenir, dans les conditions opératoires initiales, sa minéralisation complète en CO2 et H2O. Il s'agit d'un procédé d'oxydation avancé, utilisant comme agent oxydant, des radicaux OH. produits in situ photochimiquement. L'évolution de la composition chimique des solutions d'herbicides étudiés a été suivie par chromatographie liquide à haute performance (CLHP). La minéralisation a été évaluée par mesure de la demande chimique en oxygène (DCO) et par le dosage des ions chlorures libérés. La cinétique de photodégradation, la nature et l'évolution des produits formés ainsi que le rendement du procédé ont été déterminés.

Dans ce travail, nous avons utilisé un nouveau floculant organique biodégradable extrait de jus de cactus (figuiers de barbarie, voir photo ci-dessous), dans un procédé physico-chimique (coagulation floculation) afin de traiter des rejets liquides chargés en chrome (VI). Ce bio floculant nous a permis de réduire la turbidité d’un effluent industriel, en passant de 100 NTU à des valeurs au dessous de 2 NTU. L’étude a été réalisée sur des échantillons pseudo industriels préparés au laboratoire et des échantillons industriels issus d’une unité de traitement de surface (chromage). L’étude comparative entres le floculant organique et le floculant industriel PPRQESTOLR 2515.TR (floculant à base d’acrylamide et acrylate de sodium), a montré que notre bio floculant aboutit à des résultats satisfaisants au niveau du pouvoir de floculation. Une neutralisation et coagulation avec la chaux, suivi par une floculation, puis une décantation, pour la solution du chrome (VI) réduit en chrome (III) a montré un effet très significatif sur l’abattement de la turbidité et un pourcentage de rétention de chrome (VI) de plus de 99,5 %. Les résultats obtenus sont très encourageants et incitent notre équipe de recherche à développer cet axe de recherche afin de mettre en place des procédés alternatifs propres pour le traitement des eaux d’une manière générale et qui en même temps permettent la valorisation des ressources naturelles nationales.

La réutilisation des eaux usées est reconnue comme une technique importante dans les régions arides et /ou grandes consommatrices d'eau. L'une des méthodes actuellement très employée consiste à recharger la nappe phréatique avec des effluents secondaires via des bassins d'infiltration. L'épuration biologique et / ou chimique à travers la zone non-saturée représente une caractéristique importante de cette technologie. Les procédés de ce type sont connus sous l'appellation de Soil Aquifer Treatment (SAT) ou géofiltration. Dans ce travail, le procédé a été étudié comme méthode de réhabilitation d'un effluent secondaire d'eaux usées jusqu'au stade d'eau potable. Cette recherche a été principalement axée sur le comportement, le transport des matières organiques (MO) de l'effluent et particulièrement sur leur rôle de précurseurs potentiels de sous-produits de désinfection lors de la réutilisation de la nappe. Dans la zone vadose, la matière organique est principalement éliminée par biodégradation, et à un degré moindre, par adsorption. Les simulations du procédé, en laboratoire, ont été réalisées en réacteurs recirculés aérobies, en mode cuvée, avec un biofilm acclimaté sur des particules de sable siliceux, afin de déterminer la fraction biodégradable des MO. L'évaluation de celle-ci est essentielle pour prédire leur potentiel de dégradation par la biomasse de la zone vadose. L'effluent mis en oeuvre est issu d'une station d'épuration de l'Arizona (États-Unis) avec biofiltre (lit filtrant à support plastique); sa concentration en carbone organique dissous (COD) se situe entre 10 et 15 mg/L. L'effluent mis 5 jours durant en contact avec le biofilm acclimaté du réacteur montre un abattement de 50-60 % du COD. Il a ainsi été déterminé qu'environ 80 % de l'élimination des MO de l'effluent survient dans les premières 24 heures d'expérimentation, alors que le reste, près de 20 %, est éliminé durant les 48 heures suivantes. Dans ces conditions, le délai de 5 jours apparait suffisant pour dégrader les MO présentes dans ces effluents. Les rendements observés augurent bien de la dégradation dans la zone vadose si l'on tient compte de la combinaison des taux et de la hauteur d'infiltration avec des temps de résidence de 2 à 14 jours ainsi qu'il est proposé dans le procédé. Afin d'accroître la biodégradabilité des MO, une ozonation a été effectuée, en amont du bio-traitement, avec un générateur d'ozone à l'échelle du banc d'essai fonctionnant en mode semi-continu (admission continue de gaz, volume stable de liquide). La pré-ozonation a permis d'accroître la biodégradation de 60-70 %. Bien qu'un fort pourcentage de MO soit éliminé dans ce schéma, il ressort que l'ozone n'a qu'un effet modeste sur la transformation des MO dissoutes non-biodégradables en matières biodégradables par rapport à des expériences similaires effectuées avec des matières organiques naturelles (MON) des eaux de surface. L'eau usée ainsi traitée présente des niveaux de COD comparables à ceux d'une eau de surface employée à des fins de consommation. Les caractéristiques des MO de l'effluent ont été comparées à celles des MON. Une ultrafiltration de l'effluent pour déterminer le poids moléculaire apparent des MO, donne une distribution bimodale de leur poids moléculaire par rapport à une distribution logarithmique normale observée avec des MON typiques. En utilisant des résines non- ioniques pour séparer les fractions hydrophobes et hydrophiles des MO, il ressort que l'ozonation ne transforme pas de façon significative la fraction hydrophobe des MO de l'effluent en fraction hydrophile, tel que cela a été observé durant l'ozonation des MON. Ces eaux ont été chlorées en pilote, selon des conditions similaires à celles des réseaux de distribution (CI2:COD=1:1mg/mg, période d'incubation=24 heures) afin de simuler la post-désinfection après récupération. Les sous-produits réglementés (Trihalométhanes THM) et ceux proposés (Acides holoacétiques, HAA6) ont été formés à des taux inférieurs ou proches des normes en vigueur (ou de celles proposées pour HAA6) pour l'eau potable aux États-Unis. Cependant, une nitrification significative a été observée dans nos simulations de traitement par le sol avec un effluent non-nitrifié, conduisant à des teneurs en nitrates supérieures à la norme américaine pour l'eau potable (10 mg/L).

La production d'acide lactique par voie microbienne a été longuement étudiée sous différents aspects: microbiologique (sélection, optimisation de milieu. . . ) et génie des procédés (mise en œuvre intégrant fermentation et séparation). L’objectif de cette étude est de développer un procédé performant de production d'acide lactique par Lactobacillus casei subsp. Rhamnosus. La première partie montre l'influence de paramètres opératoires sur la fermentation lactique. Des expériences ont porté sur l'influence de l'ajout dans le milieu de culture de certains composés (sels minéraux, tween 80 et extrait de levure) par la technique d'impulsion et échelon, du prétraitement appliqué au milieu, des conditions de précultures, du choix de la base régulatrice sur la cinétique microbienne. Dans une deuxième partie, une étude cinétique a été développée en réacteurs discontinus et semi-continus. Dans la troisième partie, un modèle cinétique a été élaboré et teste sur ces modes de cultures. Après une cinétique de la cristallisation du lactate de calcium, le modèle est adapté à la simulation d'un procédé intégrant la fermentation et la séparation du lactate de calcium en continu

L'objectif de cette thèse est de démontrer aux biologistes que la simulation des procédés peut être un moyen pour l'aide à la conception et à la conduite des procédés de fermentation. La thèse explique et montre les étapes nécessaires et la façon dont ces étapes doivent être implantées pour aboutir à des solutions réalistes concernant un procédé de fermentation éthanolique basé sur la levure saccharomyces Cerevisiae. La modélisation couplée à une validation expérimentale rigoureuse constitue l'étape fondamentale pour toute étude d'optimisation quantitative. Une bonne formulation mathématique couplée à une maitrise au niveau physique du problème et à l'utilisation de méthodes d'analyse numériques performantes disponibles sous une forme intelligente et conviviale peut donner des solutions à des problèmes réels industriels. Le domaine de validité de plusieurs modèles cinétiques a été examiné. Nous proposons un nouveau modèle cinétique basé sur le modèle de Sonnleitner qui inclut de nouvelles variables différentielles, pour tenir compte du passage progressif entre les différentes voies métaboliques. Une méthodologie concernant l'optimisation statique d'un procédé continu mono-étage et bi-étage avec recyclage de cellules a été élaborée. Nous proposons aussi un algorithme pour la réalisation d'une optimisation dynamique concernant une fermentation discontinue

Le travail proposé porte sur la simulation de régimes transitoires d'un procédé industriel et son utilisation pour l'étude de la conduite de cet atelier. A partir de l'observation d'un atelier de distillation et de l'analyse de son comportement pendant les phases transitoires est proposée une méthodologie de modélisation réaliste mais complexe pour représenter le fonctionnement d'un procédé. L'examen de la littérature scientifique sur le calcul du régime transitoire des procédés montre que la résolution numérique s'appuie le plus souvent sur la méthode de Bear comme le montrent les quelques logiciels et applications industrielles proposés. Sur la base des modèles présentés dans la littérature les équations retenues pour représenter l'installation étudiée sont exposées. Elles concernent non seulement l'accumulation et le transport de matière et d'énergie mais aussi l'acquisition de l'information et sa conversion en actions sur le procédé. La mise en oeuvre de cette modélisation avec le logiciel SpeedUp exige que le système d'équations différentielles et algébriques soit bien conditionné. L'obtention de tels systèmes est illustrée par des exemples d'opérations tirées du procédé étudié. Cette expérience permet de formuler des règles générales de modélisation. Quelques modèles ainsi écrits sont présentés. La modélisation ainsi définie appliquée à un évaporateur puis à la colonne de distillation conduit à des réponses qualitativement et quantitativement conformes à la réalité. Le choix des variables de commande d'une colonne de distillation est plus particulièrement exposé. Son application à la colonne étudiée invite après une étude en transitoire à choisir un certain jeu de variables intensives. Cette étude donne quelques recommandations pour la bonne conduite des régimes transitoires de procédés fortement perturbés. Le mémoire se termine par un bilan de l'apport potentiel de la simulation dynamique dans le choix de la stratégie de conduite d'un procédé.

La biomasse lignocellulosique est considérée comme une ressource de carbone renouvelable possédant un grand potentiel pour la une valorisation énergétique et chimique. La torréfaction de la biomasse sèche (de type bois) est un procédé de transformation thermique s’effectuant à des températures comprises entre 200°C et 300°C, et un temps de séjour compris entre quelques minutes et plusieurs heures, opérant sous pression atmosphérique et en défaut d’air. Le produit principal de la torréfaction est un combustible solide hydrophobe et stable. Cette opération génère des coproduits gazeux à haute température qui sont habituellement considérés comme des effluents pénalisants, apportant au mieux un appoint d’énergie pour le procédé. Pourtant, de nombreux constituants présents dans les condensats – récupérés par condensation des coproduits de torréfaction – pourraient être valorisés comme produits chimiques bio-sourcés. L'objectif de la thèse est de proposer un procédé de séparation-purification pour les composés condensables présents dans ces effluents gazeux. Ces condensats constituent une phase majoritairement aqueuse, contenant plus de 150 espèces organiques identifiées. Les espèces minoritaires sont présentes dans des proportions variables suivant le bois torréfié. Enfin il s’agit d’un mélange réactif et thermiquement instable, où différents équilibres chimiques sont présents. Une analyse des caractéristiques physico-chimiques des condensats a permis de proposer un milieu modèle limité à une dizaine de composés. Un modèle représentatif du comportement thermodynamique de ce mélange réactif à large spectre de masse moléculaire a été sélectionné et les paramètres d’interaction binaire identifiés. Des données expérimentales d’équilibres liquide-vapeur ont été acquises pour valider en partie ce modèle. Les composés cibles et les objectifs du procédé de valorisation ont été choisis et plusieurs stratégies de valorisation ont été élaborées et simulées sous Prosim+ sur la base de la modélisation thermodynamique. Cette étude a permis d’évaluer ces différentes stratégies en termes d’efficacité énergétique et de pureté des produits finaux pour une potentielle mise en place à l’échelle industrielle de cette filière
Lignocellulosic biomass is considered as a renewable carbon resource with great potential for the energy and chemical recovery. Torrefaction is a thermal process carried out at temperatures below 300°C, under inert atmosphere, at atmospheric pressure, and with residence times for the solid biomass ranging from few minutes to several hours. Torrefied wood is a solid product constituted by more than 70% of the initial mass with properties close to those of coal. The 30% remaining part is a gaseous effluent, composed of about one third of non-condensable gases – carbon monoxide and carbon dioxide – and two thirds of condensable species. Currently, torrefied wood is the main product of interest and is usually transformed into energetic gases by the gasification process or directly used as coal for combustion. Conversely, gaseous by-products are considered at present time as a waste and in the best case are burned to provide energy to the process. Yet, the recovery and valorization of the condensable fraction as bio-sourced chemicals is worth considering. The aim of the thesis is to propose a separation-purification process for condensable chemicals of the waste gas. This condensable fraction is a predominantly aqueous phase, containing more than 150 identified organic species. Minority species are present in varying proportions depending on torrefied wood. Finally, it is a reactive and thermally unstable mixture, where different chemical equilibria are present. An analysis of the physicochemical characteristics of the condensable fraction allowed selecting a limited number of compounds to model the mixture. A representative model of the thermodynamic behavior of the reactive mixture has been selected and the binary interaction parameters identified. Experimental vapor-liquid equilibria data were acquired in part to validate this model. The target compounds and objectives of the recovery process were selected and several development strategies were developed and simulated in ProSim+ on the basis of thermodynamic modeling. This study assessed these different strategies in terms of energy efficiency and purity of the products for potential implementation on an industrial scale of this sector

L'objectif de ce travail etait de concevoir et realiser un reacteur destine a etudier par spectroscopie raman spontanee la phase gazeuse dans le procede de depot chimique en phase vapeur. L'etude a porte sur le choix d'un type de reacteur, la selection d'une configuration de fonctionnement grace a la simulation numerique du procede, la realisation et la mise en uvre de ce reacteur en relation avec le dispositif de spectroscopie raman. Le modele a ete valide sur le plan des ecoulements par visualisation des lignes de courant grace a la tomographie laser. Un reacteur dit sans parois dans lequel le melange reactif est chauffe par melange avec un gaz non reactif porte a haute temperature, en evitant tout contact avec une paroi a ainsi ete construit. Les differentes methodes permettant de mesurer localement la temperature du gaz ainsi que les concentrations des molecules par spectroscopie raman sont presentees. Pour chacune de ces mesures la methode la plus appropriee a ete appliquee a l'etude du melange reactif tic1#4+nh#3. Les poudres qui sont formees par nucleation en phase homogene a partir de ce melange tres reactif des la temperature ambiante ont egalement ete etudiees

Les procédés d'oxydation hydrothermale en milieu fluide supercritique offrent une alternative innovante à la gestion des matériaux énergétiques en "fin de vie" et des rebus de production. Afin d'évaluer et de promouvoir le développement de cette technologie, deux pilotes d'oxydation hydrothermale ont été mis en place. Le premier fonctionne en mode fermé et utilise un réacteur chemisé titane. Il est dédié aux études de faisabilité sur des produits réels tels que des propergols et les différents éléments qui les composent (liants, charges énergétiques). Le second quant a lui fonctionne en mode continu et utilise un nouveau concept de réacteur permettant une multi injection d'oxygène le long du réacteur d'oxydation hydrothermal. Il est dédié à la détermination des données nécessaires au dimensionnement des réacteurs industriels. Des molécules modèles telles que l'acide acétique, le méthanol et le phénol ont été étudiés. Une méthode de calcul a été développée et validée afin d'accéder aux grandeurs cinétiques et notamment à l'ordre par rapport à la concentration en oxygène dans la loi de vitesse globale d'oxydation hydrothermale. Sur la base des données cinétiques obtenues, nous avons validé le logiciel de génie des procédés, Prosim Plus, pour simuler le procédé d'oxydation hydrothermale
Hydrothermal oxidation processes in supercritical fluid provide an innovating alternative for the management of energetic materials at the end of their "lifetime" and of the production's wastes. In order to evaluate and promote the development of this technology, two hydrothermal oxidation pilots were built. The first set up in batch mode; the reactor is protected by a lined titanium. It is dedicated to feasibility studies on real products such as propellants and the various elements of their composition. Concerning the second one, it operates in a continuous mode based on a new concept of reactor : a multi injection of oxygen along the hydrothermal oxidation reactor. This facility is devoted to the determination of data necessary to scale industrial reactors. Model molecules such as acetic acid, methanol and phenol were studied. A calculation method was developed to obtain reaction kinetics parameters, in particular the order compared to oxygen concentration. On the basis of theses kinetics data the software "Prosim Plus" was validated to simulate the hydrothermal oxidation process

Cette étude porte sur la cuisson d'une matrice époxy de type LY556 couramment utilisée pour l'enroulement filamentaire servant notamment à la fabrication de tubes épais pour l'exploitation pétrolière et offshore. Cette résine est connue pour sa forte exothermicité. Ainsi le couplage de la chimie et de la thermique est pris en compte afin de prédire au mieux les gradients de température et de conversion présents au sein de la matrice en vue de la maîtrise de la qualité du matériau produit. Une proposition de modélisation des propriétés thermomécaniques mécaniques évolutives avec le degré de conversion est également présentée, afin d'apporter une réponse à la question du développement des contraintes internes. Un soin particulier a été appliqué à la modélisation de la cinétique chimique avec la prise en compte des phénomènes diffusifs qui ralentissent la conversion d'origine purement chimique. La qualité du couplage thermochimique proposé est validée par une prédiction du champ de température spatial en bon accord avec les mesures par thermocouples faites au cours de la cuisson d'un bloc épais de résine. Il s'en suit une estimation en élasticité des contraintes internes développée par la cuisson. Une première validation du niveau de contraintes obtenues est proposée par la prédiction du phénomène de microflambage d'une fibre de carbone noyée dans la résine LY556.

Les structures de taille submicroniques en 3D sont utiles dans de nombreux domaines (photonique,optique, biologie...). La fabrication de telles structures est difficile. La polymérisation multiphotonique est une technique adaptée, mais les temps de fabrication actuels sont longs (une journée pour fabriquer une structure d’un mm3), rendant la production industrielle couteuse et limitant le développement de ces structures. Nous présentons notre contribution au développement et à l’optimisation d’un procédé de fabrication rapide de ces structures par polymérisation multiphotonique massivement parallélisée. Deux techniques de parallélisation sont étudiées à IMT Atlantique : une avec un élément optique diffractif, et l’autre, plus étudiée dans cette thèse, avec un modulateur spatial de lumière en configuration imagerie et une résine ultrasensible TTA (annihilation triplet-triplet), permettant d’écrire avec 1920×1080 faisceaux en parallèle. L’utilisation de multiples faisceaux d’écriture peut entraîner des effets de proximité qui limitent la résolution. Nous présentons notre simulation numérique du processus photochimique pour comprendre, prédire et corriger ces effets. Ensuite, nous présentons des améliorations effectuées, identifiées grâce aux simulations et à une meilleure compréhension du système optique. La méthode de fabrication développée permet de fabriquer des structures avec une résolution d’environ un micromètre en X,Y et de plusieurs dizaines de micromètres de hauteur sur des surfaces de l’ordre du cm2 en quelques minutes. Enfin, des exemples d’applications en biologie et en ophtalmologie, adaptés à ces performances, sont présentés
Submicron 3D structures are required in many fields (photonics, optics, biology, etc.). Fabricating such structures is difficult. Multiphoton polymerization is a suitable technique, but current fabrication times are long (one day to fabricate a mm3 structure), making industrial production costly and limiting the development of these structures. We present our contribution to the development and optimization of a massively parallelised multiphoton polymerization fabrication process for these structures. Two parallelization techniques are investigated at IMT Atlantique: one using a diffractive optical element and another, studied in this thesis, using a spatial light modulator in an imaging configuration and an ultra-sensitive TTA resist (Triplet-Triplet Annihilation), enabling writing with 1920 × 1080 beams in parallel. The use of multiple write beams can lead to resolution limiting proximity effects. We present our numerical simulation model of the photochemical process to understand, predict and correct these effects. We present possible improvements based on these simulations and the improved understanding of the optical system. The fabrication method we have developed enables us to fabricate structures with a resolution of around one micrometer in X,Y and several tens of micrometers in height on surfaces of the order of cm2 in just a few minutes. Finally, examples of applications in biology and ophthalmology, adapted to the photoplotter performance are presented

Le procédé de calcination-vitrification est la solution utilisée en France depuis plus de 30 ans pour le conditionnement des déchets nucléaires de haute activité issus du retraitement des combustibles usés. L’utilisation des outils numériques s’est rapidement révélée indispensable dans la démarche de compréhension et d’amélioration continue du procédé. Depuis une dizaine d’années, des travaux de simulation numérique des aspects thermiques, hydrauliques et électromagnétiques des fours de vitrification ont été réalisés notamment dans le cadre du développement du creuset froid, un nouveau type de four mis en service en 2010. Dans la continuité de ces travaux, il s’agit dans cette étude d’ajouter aux simulations existantes, les aspects chimiques se déroulant lors de l’élaboration du verre notamment lors de l’alimentation du bain de verre en précurseurs (fritte de verre et déchets calcinés). En ce sens, une modélisation d’un point de vue cinétique et enthalpique du mécanisme réactionnel a été proposée à partir des données d’analyses thermiques. Le couplage de ce modèle avec les outils de simulations magnéto-thermo-hydrauliques a été mis en œuvre et validé à partir des essais réalisés à l’échelle maquette et sur la base des données existantes à l’échelle industrielle. Une attention particulière a été accordée à l’identification de la nature des réactions chimiques
The calcination-vitrification process has been used in France for over 30 years for the containment of high level nuclear waste arising from the spent fuel reprocessing. The use of numerical tools has proved to be essential for the process understanding and optimization. In the past ten years,numerical simulation works on the thermal, hydraulic and electromagnetic aspects involved in the vitrification process have been carried out in the context of the cold crucible development, a new type of furnace commissioned in 2010. As a continuation of these studies, the objective of the phd work is to add to the existing simulations, a modeling of the chemical aspects taking place during the nuclear glass synthesis, especially during the feeding with glass frit and calcine. In this perspective, a kinetic modeling of the reaction mechanism has been proposed based on data from thermal analyses. The coupling of this model with the magneto-thermo-hydraulic simulation tools was implemented and validated based on tests carried out at the mock-up scale and data from the industrial scale. Particular attention has been paid to identifying the nature of chemical reactions

Dans ce travail, la modélisation, la simulation, l'optimisation dynamique et le contrôle d'un processus d'évaporation réactif assisté par plasma (PARE) pour le dépôt de couches minces d'oxyde de zinc (ZnO) sont proposés. Initialement, un modèle dimensionnel à l’état instable a été développé pour le processus. Ce modèle applique des équilibres dynamiques des matériaux au processus et tient compte du transfert de masse par diffusion et convection, ainsi que des réactions en masse et en surface, afin de déterminer l’évolution temporelle de la concentration de l'espèce (O_2(g) , O_((g))^., O_((g))^-, 〖Zn〗_((g)), 〖Zn〗_((g))^+ and 〖ZnO〗_((g))) présente dans l’ensemble du réacteur et calcule l’épaisseur finale du film. Le cas d'étude correspond à un réacteur pilote exploité par le groupe de recherche sur les matériaux semi-conducteurs et l'énergie solaire (SM & SE) de l'Université nationale de Colombie, où les couches minces de ZnO sont utilisées pour la fabrication de différents types de cellules solaires (cellules solaires inorganiques inversées, cellules solaires organiques et cellules solaires à base de pérovskite). Les équations sont discrétisées spatialement en utilisant des méthodes de différences finies, puis mises en œuvre et résolues dans le temps en utilisant Matlab®. Les résultats de la simulation sont validés au moyen de COMSOL MULTIPHYSICS® qui calcule les mêmes résultats. Cependant, pour compléter les autres objectifs du projet, il continuera à utiliser la méthode des différences finies sous Matlab® car elle offre plus de flexibilité dans la perspective de l'optimisation dynamique et du contrôle du processus PARE. Pour corroborer le modèle, des mesures expérimentales de l'épaisseur du film de ZnO ont été effectuées à l'aide d'un moniteur d'épaisseur sur un réacteur pilote conçu et mis en œuvre par le groupe de recherche sur les matériaux semi-conducteurs et l'énergie solaire (SM & SE) de l'Université nationale de Colombie. Après 90 minutes de temps de dépôt, les résultats simulés et les mesures expérimentales montrent un très bon accord : une différence d'environ 20 nm autour de l'épaisseur finale du film mince, montrant ainsi la grande précision du modèle développé. Le problème d'optimisation dynamique est transformé en un problème de programmation non linéaire (PNL) à l'aide du procédé CVP, c'est-à-dire que les variables de contrôle sont approximées à l'aide de fonctions constantes par morceaux. Il est ensuite implémenté dans Matlab et résolu à l’aide de fmincon optimizer. Deux problèmes d’optimisation différents sont proposés. Dans le premier problème, le débit de Zn (V_(w,Zn)) est considéré comme une variable de contrôle ou manipulée u(t) et dans le deuxième problème, le débit de Zn (V_(w,Zn)) et le débit d'oxygène 〖(V〗_(w,O_2 )) sont considérés comme des variables manipulées. Les contraintes de qualité sont établies en fonction des études expérimentales réalisées afin de déterminer les propriétés du produit final telles que la transmittance, la résistivité, l’épaisseur du film et les paramètres du réacteur. Deux problèmes d’optimisation sont résolus en prenant comme variable de contrôle le débit de Zn et le débit d’oxygène afin de minimiser le temps de traitement par lot, tandis que certaines propriétés souhaitées du film mince (transmittance, résistivité et épaisseur) satisfont aux contraintes définies. Le temps de traitement par lot a été réduit de 15% par rapport aux conditions de fonctionnement actuelles du groupe de recherche sur les matériaux semi-conducteurs et l’énergie solaire. Enfin, les profils optimaux du débit de Zn et du débit d'oxygène obtenus dans la partie optimisation ont été utilisés pour développer et simuler un algorithme de contrôle réglementaire à l'aide de la boîte à outils Simulink de Matlab®. [...]
In this work the modeling, simulation, dynamic optimization and control of a Plasma Assisted Reactive Evaporation process (PARE) for the deposition of Zinc Oxide (ZnO) thin films are proposed. Initially, a dimensional unsteady-state model was developed for the process, this model apply dynamic material balances to the process and accounting for diffusive and convective mass transfer, and bulk and surface reactions in order to establish the space-time evolution of the concentration of the species (O_2(g) , O_((g))^., O_((g))^-, 〖Zn〗_((g)), 〖Zn〗_((g))^+ and 〖ZnO〗_((g))) present throughout the reactor and compute the final film thickness. The case of study corresponds to a pilot reactor operated by the Semiconductor Materials and Solar Energy Research Group (SM&SE) of the Universidad Nacional de Colombia where the ZnO thin films are used for the fabrication of different kind of solar cells (inverted inorganic solar cells, organic solar cells and perovskite based solar cells). The equations are spatially discretized using finite difference methods and then implemented and solved in time using Matlab®. The simulation results are validated by means of COMSOL MULTIPHYSICS® which computes the same results; However, to complete the others objectives of the project it will keep using the finite difference method under Matlab® because it offers more flexibility in the perspective of dynamic optimization and control of PARE process. To corroborate the model, experimental measurements of ZnO film thickness were carried out using a thickness monitor on a pilot reactor designed and implemented by the Semiconductor Materials and Solar-Energy (SM&SE) Research Group at Universidad Nacional de Colombia. After 90 min of deposition time the simulated results and the experimental measurements exhibit a very good agreement, just around 20 nm discrepancy in the final thin film thickness hence showing the high accuracy of the developed model. The dynamic optimization problem is transformed into a non-linear programming (NLP) problem using the CVP method, i.e. the control variables are approximated by means of piecewise constant functions. It is then implemented within Matlab and solved using fmincon optimizer. Two different optimization problems are proposed., in the first problem Zn flow rate (V_(w,Zn)) is considered as control or manipulated variables u(t) and in the second problem both Zn flow rate (V_(w,Zn)) and Oxygen flow rate 〖(V〗_(w,O_2 )) are considered as manipulated variables. Quality constraints are established according to experimental studies that were performed in order to determinate the final product properties such as Transmittance, Resistivity, Film thickness and reactor parameters. Two optimization problems are solved taking as control variable the Zn flow rate and Oxygen flow rate in order to minimize batch time while some thin film desired properties (transmittance, resistivity and thickness) satisfy the defined constraints. The batch time was reduced in a 15% with respect to the current operating conditions used by the Semiconductor Materials and Solar Energy research Group. Finally, the optimal profiles of the Zn flow rate and Oxygen flow rate that were obtained in the optimization part were used to develop and simulated a regulatory control algorithm using the Simulink toolbox of Matlab®. The results obtained in the simulation of the control algorithm show that the designed controller has an appropriate performance by following the optimal flow trajectories and the ideal ratio of Oxygen and Zinc