Добірка наукової літератури з теми "Réacteurs chimiques – Conception et construction"

L'article présente brièvement l'état de l'épuration des effluents des collectivités en France et au Québec. Il souligne ensuite quelques changements importants intervenus depuis dix ans dans le monde grâce aux progrès de la recherche et qui pourraient marquer l'avenir. En France, 95 % des agglomérations de plus de 10 000 équivalents-habitants disposent d'une station d'épuration. Le rythme de construction a atteint 730 installations nouvelles dans l'année 1976 mais il est redescendu à moins de 300/an. Sur les 11 310 stations de plus de 200 équivalents-habitants recensées, 5 % réalisent seulement un traitement primaire et la moitié en nombre, représentant plus de 60 % de la capacité de traitement utilisent le procédé des boues activées. Les investissements à réaliser entre 1994 et 2005 pour satisfaire aux exigences de la directive européenne du 21 mai 1991 sont évalués à environ 36 milliards de francs français, correspondant à la création de capacités de traitement supplémentaires de 17 millions d'équivalents-habitants et à des améliorations plus ou moins importantes d'un grand nombre de stations existantes. Au Québec, la construction des stations d'épuration s'est faite essentiellement dans les années 80 et 90. Aujourd'hui, près de 80 % de la population est desservie par des installations d'épuration, soit environ 4,9 millions d'habitants pour un débit hydraulique de 5,3 millions de m3/j. Parmi les 450 ouvrages municipaux ceux des Communautés Urbaines de Montréal et de Québec représentent, à eux seuls, près de 60 % de la capacité installée. Les stations physico-chimiques, bien que peu nombreuses, sont les plus importantes (6 stations pour 2,28 millions d'habitants) suivies par les boues activées (40 stations pour 0,69 million d'habitants) et la biofiltration (9 stations pour 0,75 million d'habitants). Environ 320 stations, de dimension plus modeste utilisent des étangs aérés, desservant en moyenne une population de 3 500 habitants. Sur le plan de l'évolution des techniques, la décennie écoulée a vu apparaître ou se confirmer des évolutions qui marqueront sans doute profondément la conception et l'exploitation des stations d'épuration dans les années à venir : - l'objectif maintenant presque généralisé d'éliminer les nutriments azote et phosphore et le développement rapide des techniques correspondantes; - la prise de conscience de l'importance des flux polluants véhiculés par les eaux pluviales et un début d'adaptation des stations d'épuration; - le développement limité mais réel des traitements anaérobies qui ont survécu à la démobilisation des surlendemains de la crise énergétique; - le fort développement des systèmes d'épuration biologique à culture fixée et notamment des biofiltres; - l'apparition prometteuse des membranes dans les systèmes d'épuration biologique permettant d'envisager de nouveaux objectifs de traitement; - la prise en compte de la fiabilité des systèmes d'épuration avec un poids de plus en plus important par rapport aux performances de pointe - une vision plus intégrée de la prévention des pollutions tant dans l'industrie (technologies propres) que dans les agglomérations (gestion intégrée de l'ensemble réseau-station d'épuration).

En 1994, l'attribution du prix Nobel à Cliff Shull et Bert Brockhouse pour leurs travaux de pionniers pendant les années 50, concernant tant la diffusion élastique des neutrons que la diffusion inélastique, a été la reconnaissance éclatante de l'importance de la diffusion neutronique pour toute la communauté scientifique.Le grand intérêt du neutron pour la recherche s'appuie principalement sur ses propriétés physiques particulières :- les neutrons utilisés pour la caractérisation de la matière (et fournis en relativement grandes quantités par les réacteurs ou les sources à spallation) disposent de longueurs d'onde et d'énergies correspondant directement aux distances interatomiques et aux énergies d'agitation de la matière. Ainsi, par diffusion neutronique, on peut étudier en même temps la structure et le comportement dynamique de la matière ;- le fait que le neutron soit doué d'un moment magnétique lui permet d'interagir avec tout atome porteur d'un moment magnétique. Ceci permet de caractériser intimement le comportement magnétique de la matière à l'échelle microscopique ;- la possibilité de pouvoir varier facilement le contraste d'un même élément en utilisant ses différents isotopes fait du neutron un outil irremplaçable en chimie et physique du solide ainsi qu'en biologie et matière molle ;- enfin, n'ayant pas de charge électrique, les neutrons peuvent pénétrer la matière sans être absorbés significativement, ce qui rend possible une caractérisation non destructive des contraintes et textures sur de grosses pièces des matériaux.Toutes les qualités des neutrons mentionnées ci-dessus permettent de comprendre l'importance de la diffusion neutronique pour des domaines très nombreux et très différents à la fois en recherche fondamentale mais aussi pour des applications industrielles. L'utilisation de l'outil-neutron demande toutefois non seulement une bonne connaissance des différents mécanismes d'interaction entre le neutron et la matière, mais également une haute spécificité dans la conception et l'utilisation des diffractomètres et spectromètres neutroniques. Pour ces raisons, l'accès aux neutrons est souvent limité, sinon réservé à des spécialistes, ce qui freine tout naturellement l'utilisation par des chercheurs non familiarisés à ce domaine.Pour combattre ce déficit d'information et cet état de fait, en accord avec de nombreux collègues Rennais, nous avons proposé à la Société Française de Neutronique d'organiser une École d'été qui s'adresse plus spécialement à de non-spécialistes de la diffusion neutronique. Le public visé concernait donc à la fois les chercheurs confirmés mais peu familiarisés avec le domaine neutronique, mais aussi les jeunes chercheurs dès le niveau doctorant. En effet pour ces derniers, l'utilisation des “grands instruments" s'avère nécessaire pour qu'ils soient à la hauteur de leur sujet de thèse. Pour cette raison, il était évident d'intégrer cette École d'été dans le programme de l'École Doctorale “Sciences des Matériaux" de l'Université de Rennes 1 qui rassemble chimistes, physiciens et géologues. Dans le même contexte, notre intérêt était de proposer un large spectre de cours couvrant la diversité des applications de la diffusion neutronique dans les différents domaines de recherche en chimie et physique des matériaux, en sciences de la terre ainsi qu'en sciences pour l'ingénieur. Un deuxième but était de montrer de plus la complémentarité des neutrons et des rayons X et plus spécifiquement des X produits par rayonnement synchrotron.Dans l'avenir, nous sommes persuadés que la diffusion neutronique va jouer un rôle clé pour le développement de nouveaux matériaux et de leur caractérisation. Dans cette optique, des efforts considérables ont été déjà engagés aux États-Unis ainsi qu'au Japon où deux nouvelles sources de neutrons sont en cours de construction. Du point de vue européen, si les sources de l'ILL et d'ISIS peuvent encore être considérées comme des leaders au point de vue mondial, il est évidemment souhaitable que la nouvelle source neutronique à spallation (European Spallation Source : ESS) soit rapidement réalisée. Aujourd'hui ce projet est bien avancé, cette source devrait dépasser le flux des sources actuelles par près de deux ordres de grandeur et ainsi de maintenir au meilleur niveau les compétences Européennes. Il est évident qu'une utilisation efficace et intelligente des sources existantes, mais aussi de celles de la nouvelle génération, implique une certaine infrastructure nationale tant au niveau de la conception, de la réalisation que du fonctionnement des différents spectromètres. Ceci implique un très fort engagement des universités dans les différents projets de recherche. Le devoir des universités qui en résulte est donc d'intégrer l'utilisation des “grands instruments" dans leur programme d'enseignement. Dans ce sens, nous souhaitons que ce cours, entièrement rédigé en français, contribue à la fois à aider les chercheurs “non spécialistes” à accéder plus facilement au domaine neutronique, mais aussi à servir de base aux enseignants pour l'organisation et la préparation de leurs cours.Nous tenons à remercier tous les collègues qui ont accepté de rédiger de façon détaillée les cours qu'ils avaient présentés oralement dans la grande salle du VVF de Trégastel, ainsi que toutes les personnes qui ont contribué à la réussite du séjour ou à la réalisation de ce fascicule. Nous gardons un excellent souvenir de l'atmosphère de l'École qui a eu lieu à Trégastel, en plein centre de la côte de granite rose en Bretagne, en mai 2001 et était jumelée avec les Journées de la diffusion neutronique, elles aussi organisées sous l'égide de la SFN.Nous souhaitons que la lecture de cet ouvrage soit utile à un maximum de chercheurs.

En esta tesis doctoral se presenta una investigación sobre la comprensión del concepto de transformación de funciones y su aplicación a la Física, particularmente a la ecuación sinusoidal de la onda. La investigación se llevó a cabo en el marco de la Teoría APOE y se realizó con estudiantes universitarios de un curso de Cálculo y estudiantes avanzados del profesorado de Matemática. El primer paso del ciclo de investigación definido por la Teoría APOE para realizar el estudio sobre la comprensión del concepto de transformación de funciones consistió en la realización del análisis teórico, etapa que comenzó con la descripción de la descomposición genética —descripción detallada de las construcciones mentales que el individuo debería realizar para poder enfrentarse satisfactoriamente a un concepto matemático en particular—, y culminó con la propuesta de una descomposición genética inicial. En la segunda etapa del ciclo de investigación, que es el diseño e implementación de la instrucción, en base a la descomposición genética inicial, se diseñaron las actividades y ejercicios que luego se implementaron en el ciclo de enseñanza ACE —definido por la Teoría APOE— en sus tres etapas: (A) actividades, (C) discusión en el aula y (E) ejercicios. Para implementar la última etapa del ciclo ACE, se diseñó un instrumento en función de la descomposición genética inicial y se predijeron las construcciones mentales —Acción, Proceso y Objeto— que podrían encontrarse en cada una de las categorías de análisis definidas. Finalmente se realizó la observación, el análisis y la verificación de los datos para poder contabilizar y clasificar las construcciones mentales del concepto matemático estudiado y analizar la descomposición genética. Una vez terminado el análisis de las producciones escritas, y luego de clasificar a los estudiantes según las construcciones mentales evidenciadas, se seleccionaron cuatro que se encontraban en distintos niveles y se les realizó una entrevista semiestructurada. El análisis de los resultados reveló que las construcciones mentales previstas en la descomposición genética inicial aparecieron mayoritariamente en las producciones escritas. Podría decirse que la descomposición genética inicial ha sido verificada empíricamente, por lo que puede constituir un modelo útil de cognición, aunque factible de ser mejorado, dado que, como sostiene la Teoría APOE, la descomposición genética no es única y tampoco tiene limitaciones en cuanto a su evolución. Se pudo identificar en cada estudiante la construcción mental —Acción, Proceso u Objeto— del concepto transformación de funciones. Esto no quiere decir que hayan evidenciado solo una de las construcciones, sino que dieron muestras de otras construcciones mentales, moviéndose entre Acción, Proceso y Objeto según la característica de la consigna que tenían que resolver. Tanto el refinamiento de la descomposición genética como el trabajo sobre la construcción de Esquemas por parte de los estudiantes queda como propuesta para futuras investigaciones. Se espera que los resultados obtenidos en esta investigación aporten información sobre cómo los estudiantes construyen el concepto de transformación de funciones y cómo esa construcción incide en su aplicación a la ecuación sinusoidal de la onda. Pueden surgir otras líneas de trabajo similares, referidas a la Modelización Matemática de otro tipo de fenómenos físicos, químicos, biológicos, etc. Además, los resultados de esta investigación podrán ser utilizados como base para diseñar, en el marco de la teoría APOE, instrumentos para la enseñanza del concepto de transformación de funciones y su aplicación a la Modelización Matemática en general. In this doctoral thesis there is an investigation into the understanding of the concept of transformation of functions and its application to physics, particularly to the sinuidal equation of the wave. The research was carried out within the framework of APOS Theory and was carried out with university students of a calculation course and advanced students of the Math teachers. The first step of the research cycle defined by the APOS Theory to carry out the study on the understanding of the concept of transformation of functions consisted of the area of the theoretical analysis, a stage that began with the description of genetic decomposition —detailed description of the mental constructions that the individual should perform in order to face a particular mathematical concept—, ended with the proposal a initial genetic decomposition. In the second stage of the research cycle, which is the design and implementation of the instruction, based on the initial genetic decomposition, the activities and exercises were de signed that were then implemented in the ACE teaching cycle —defined by the APOS Theory— in its three stages: (A) activities, (C) discussion in the classroom and (E) exercises. To implement the last stage of the ACE cycle, an instrument was designed according to the initial genetic decomposition and mental constructions —Action, Process and Object— were predicted that could be found in each of the defined analysis categories. Finally, the observation, analysis and verification of the data were carried out to account and classify the mental constructions of the mathematical concept studied and analyze genetic decomposition. Once the analysis of the written productions is finished, and after classifying the stu dents according to the evidenced mental constructions, four that were at different levels were selected and a semi-structured interview was conducted. The analysis of the results revealed that the mental constructions provided for in the initial genetic decomposition appeared mostly in written productions. It could be said that the initial genetic decomposition has been empirically verified, so it can constitute a useful model of cognition, although feasible to be improved, since, as the APOS Theory maintains, genetic decomposition is not unique and does not have limitations as soon as to its evolution. The mental construction —Action, Process or Object— of the concept transformation of functions could be identified in each student. This does not mean that they showed only one of the constructions, but rather that they showed signs of other mental constructions, moving between Action, Process and Object according to the characteristic of the task they had to solve. Both the refinement of genetic decomposition and work on the construction of Schemes by students remains a proposal for future research. The results obtained in this research are expected to provide information on how stu dents build the concept of functions transformation and how this construction affects its application to the wave sinusoidal equation. Other similar lines of work may arise, referring to Math ematical Modeling of another type of physical, chemical, biological phenomena, etc. In addition, the results of this research may be used as a basis for di-to follow, within the framework of APOS Theory, instruments for teaching the concept of functions transfor mation and its application to Mathematical Modeling in general. Dans cette thèse de doctorat, on présente une enquête sur la compréhension du concept de transformation des fonctions et de son application à la Physique, en particulier à l'équation sinusoïdale de l`onde. La recherche a été menée dans le cadre de la Théorie APOS et a été réalisée avec des étudiants universitaires d'un cours de calcul et des étudiants avancés du pro fessorat de Mathématiques. La première étape du cycle de recherche défini par la Théorie APOS pour mener à bien l'étude sur la compréhension du concept de transformation des fonctions consistait en la réali sation de l'analyse théorique, une étape qui a commencé par la description de la décomposition génétique —description détaillée des constructions mentales que l'individu devrait effectuer afin de faire face à un concept mathématique particulier— en général, et a abouti à la création de la décomposition génétique initiale. Dans la deuxième étape du cycle de recherche, qui est la conception et la mise en œuvre de l'instruction, sur la base de la décomposition génétique initiale, les activités et les exercices ont été conçus et ensuite ont été mis en œuvre dans le cycle d'enseignement ACE —défini par la Théorie APOS— à ses trois étapes: (A) activités, (C) discussion en classe et (E) exercices. Pour mettre en œuvre la dernière étape du cycle ACE, un instrument a été conçu en fonction de la décomposition génétique initiale et des constructions mentales ont été prédites —Action, Processus et Objet— qui pouvaient être trouvées dans chacune des catégories d'analyse définies. Enfin, l'observation, l'analyse et la vérification des données ont été effectuées afin de tenir compte et de classer les constructions mentales du concept mathématique étudié et d'analyser la décomposition génétique. Une fois que l'analyse des productions écrites des étudiants est terminée, et après les avoir classés selon les constructions mentales comme en témoigne, cinq étudiants qui étaient à différents niveaux ont été sélectionnés et un entretien semi-structuré a été mené. L'analyse des résultats a révélé que les constructions mentales prévues dans la décomposition génétique initiale sont apparues principalement dans les productions écrites réalisées. On pourrait dire que la décomposition génétique initiale a été vérifiée empiriquement, donc elle peut constituer un modèle utile de cognition, bien qu'il puisse être amélioré, car, comme la théorie de l'APOS maintient, la décomposition génétique n'est pas unique et n'a pas de limites en termes de son évolution. La construction mentale —Action, Processus ou Objet— du concept de transformation des fonctions a pu être identifiée chez chaque élève. Cela ne veut pas dire qu'ils ont montré une seule des constructions, mais plutôt qu'ils ont montré des signes d'autres constructions mentales, se déplaçant entre Action, Processus et Objet selon les caractéristiques de la tâche qu'ils devaient résoudre. Le raffinement de la décomposition génétique et des travaux sur la construction de Schémas par les étudiants restent une proposition de recherche future. Les résultats obtenus dans cette recherche devraient fournir des informations sur la fa çon dont les élèves construisent le concept de transformation des fonctions et comment cette construction affecte son application à l'équation sinusoïdale de l´onde. D'autres lignes de travail similaires peuvent survenir, se référant à la Modélisation Mathématique d'un autre type de phénomènes physiques, chimiques et biologiques, etc. De plus, les résultats de cette recherche peuvent être utilisés comme base pour concevoir, dans le cadre de la Théorie APOS, des instruments pour enseigner le concept de transformation des fonctions et son application à la Modélisation Mathématique en général.

L'épuisement des ressources et l'accumulation des gaz polluants dans l'atmosphère suscitent aujourd'hui des inquiétudes grandissantes. La transition énergétique en cours nécessite que certains procédés de transformation de la matière et de l'énergie soient partiellement modifiés ou profondément repensés pour s'adapter à des conditions de fonctionnement plus durables. L'électricité et l'hydrogène bas carbone peuvent se substituer aux énergies fossiles conduisant ainsi à un mix énergétique dont l'empreinte Gaz à Effet de Serre (GES) est faible. Outre l'hydrogène, la production de carburants alternatifs et des produits à forte valeur ajoutée est une autre piste pour accompagner la transition énergétique. La recherche de procédés optimaux, durables et économiques est donc un défi majeur auquel les ingénieurs procédés sont confrontés. Le présent travail s'est ainsi focalisé sur l'intensification des procédés de transformation de la matière et de l'énergie, au travers d'unités multifonctionnelles qui exploitent les synergies entre fonctions élémentaires de transformation (réaction, transfert, séparation, etc.) au sein d'un équipement intensif. La notion de réacteurs multifonctionnels, couplant plusieurs fonctions élémentaires, a connu un réel succès d'estime lorsque des démonstrateurs historiques ont vu le jour (procédé Eastman-Kodak, etc.), mais leur implémentation ne s'est pas généralisée par manque de méthodologie de conception pratique. Ce travail porte sur l'application de certaines méthodologies d'intensification pour la compréhension et l'amélioration des performances d'un procédé mettant œuvre des réactions exothermiques équilibrées. La synthèse directe du diméthyl éther (DME) à partir de CO₂ et d'H₂ est retenue comme cas d'étude. Différentes voies exploratoires de développement du procédé de synthèse directe du DME ont été étudiées en s'appuyant sur la modélisation et la simulation. Le réacteur-échangeur de chaleur, le réacteur multifonctionnel (réacteur-échangeur de chaleur-séparateur membranaire), les procédés hybrides de briques élémentaires et un procédé plaçant le réacteur refroidi dans un environnement de procédé classique en présence d'autres opérations unitaires et de recyclages, sont étudiées sous différents angles. Différents cas et stratégies d'optimisation ont été traités qui se distinguent par les variables de décision et la méthode de résolution. Les différentes méthodologies appliquées ont permis de démontrer leur pertinence en termes de solutions obtenues et d'ouverture vers l'innovation des procédés. A l'échelle de l'équipement, l'optimisation des profils représente le cœur de la méthodologie. Les résultats mettent en évidence le potentiel des réacteurs multifonctionnels : une conversion de CO₂ par passe de l'ordre de 98%, un rendement en DME de l'ordre de 95% et une possibilité d'élimination d'une colonne de distillation sont obtenus. Dans le but d'évaluer les caractéristiques du maximum atteignable dans un réacteur multifonctionnel, un procédé hybride de briques élémentaires a été optimisé. A l'échelle du procédé, le comportement du réacteur a été étudié pour comprendre l'impact de l'intégration du réacteur dans une boucle de recyclage et estimer les effets locaux et globaux sur les multiples critères de performances. Sur la base de critères de rendement global en DME, de conversion globale de CO₂, de TRL, etc., la comparaison des différents designs a montré qu'une réduction du nombre d'équipements d'un facteur 11 est possible dans le cas du choix d'un réacteur multifonctionnel
The depletion of resources and the accumulation of pollutant gases in the atmosphere are nowadays of growing concern. The current energy transition requires that certain material and energy transformation processes be partially modified or profoundly reconsidered to fit more sustainable operating conditions. Low-carbon electricity and hydrogen can substitute fossil fuels, leading to an energy mix with a low greenhouse gas (GHG) footprint. In addition to hydrogen, the production of alternative fuels and high value-added products is another way to support the energy transition.Looking for optimal, sustainable and economical processes is therefore a major challenge that process engineers are facing. The present work has thus focused on the intensification of mass and energy transformation processes, through multifunctional units, which take advantage of the synergies between elementary functions of transformation (reaction, transfer, separation, etc.) within an intensive equipment. The concept of multifunctional reactors, coupling several elementary functions, has been a real success when historical demonstrators were created (Eastman-Kodak process, etc.), but their implementation has not been generalized, due to a lack of practical design methodology.This work focuses on the implementation of some intensification methodologies to understand and improve the performance of a process involving balanced exothermic reactions. The dimethyl ether (DME) direct synthesis from CO₂ and H₂ is considered as a case study. Different exploratory ways for the DME direct synthesis process development have been investigated based on modeling and simulation. Reactor- Heat exchanger, multifunctional reactor (reactor-heat exchanger-membrane separator), hybrid elementary block processes and a process involving the cooled reactor in a conventional process environment in the presence of additional unit operations and recycle loop are studied from different angles. Different optimization cases and strategies have been addressed which differ by the decision variables and the solving method. The different methodologies applied have demonstrated the relevance of the solutions obtained and the opening towards process innovation.At the equipment level, the profiles optimization represents the heart of the methodology. The results demonstrate the potential of multifunctional reactors: a CO₂ conversion per pass of 98%, a DME yield of 95% and the possibility to remove a distillation column are obtained. In order to assess the maximum achievable performance in a multifunctional reactor, a hybrid process of elementary blocks has been optimized. At the process scale, the reactor behavior has been studied to further understand the impact of the reactor integration in a recycle loop and to estimate the local and global effects on the multiple performance criteria. Based on various criteria (overall DME yield, overall CO₂ conversion, TRL, etc.), the comparison of the different designs revealed that a reduction of the equipment number by a factor of 11 is possible in the case of a multi-functional reactor choice

L'efficacité globale du procédé de vaporeformage du gaz naturel est affectée par la limitation au transfert thermique au sein du lit catalytique et la génération d'un excès de vapeur d'eau non valorisable. Une des clés possibles pour le rentabiliser davantage consiste à optimiser les transferts thermiques en faisant évoluer le design du réacteur. Un échangeur-réacteur microstructuré a ainsi été retenu. Cet appareil de par la taille submillimétrique de ses canaux permet d'intensifier les transferts de chaleur et de matière. Cependant, la modification de l'architecture traditionnelle oblige à développer de nouveaux catalyseurs (MgAl2O4) déposables dans les microcanaux et permettant d'atteindre conversion élevées (80%, 20 bar, 850°C) à faibles temps de passage (150 ms). La faisabilité du concept et la performance des catalyseurs ont été validées sur un canal dans les conditions industrielles du procédé. Un modèle de réacteur piston hétérogène a été utilisé pour estimer la cinétique de la réaction de reformage. Pour le design de l'échangeur-réacteur, deux approches de modélisation ont été développées en considérant l'équilibre thermodynamique à la surface du catalyseur ou en tenant compte du couplage entre la réaction et les transferts de chaleur et de matière. La simulation de ces modèles a permis de proposer la géométrie des canaux qui correspond au design optimal. Deux méthodologies de design ont été développées ainsi qu'un modèle permettant d'interpréter les résultats expérimentaux en tenant compte de la possibilité du bouchage des canaux. L'échangeur-réacteur fabriqué permet de réduire le coût de production pour une unité fonctionnant sans export de vapeur
Steam Methane Reforming (SMR) of natural gas is characterized by generation of an excess of steam and their low thermal efficiency resulting in a very large device with important heat losses. One of the possible keys to make this process more profitable is to optimize heat transfer by changing the reactor design. A microstructured heat exchanger reactor has been retained. It enables to have fast heat and mass transfers and therefore allow increasing catalytic activity. However, this change in production technology must be accompanied by the development of highly active catalysts (MgAl2O4) that enable to reach high methane conversion (80%, 20 bar, 850°C) at low residence time (150 ms). The concept feasibility and catalysts performance have been validated on one channel in industrial process conditions. Then, a detailed model for acquisition of reaction kinetics has been developed and validated from experimental catalytic tests. For heat exchanger reactor design, two modeling approaches have been developed: by considering that the catalyst is highly active and enables to reach instantaneous equilibrium conversion on the coated catalytic walls of the reactor and by tacking the measured kinetics. Simulation of these models by considering technical constraints on the design enabled to find channel characteristic dimensions, heat power needed and the optimum number of channel which determine the heat exchanger reactor volume. Two fast methods for preliminary design of heat-exchanger reactors have been developed. By using heat exchanger reactor, it is possible to suppress steam excess generation and to reduce syngas production cost

La technologie silicium permet aujourd'hui de concevoir de réacteurs micro-structurés dans lesquels les transferts de matière et de chaleur sont améliorés en raison du grand rapport surface sur volume caractéristique des petites échelles. Malgré le nombre croissant de recherches dans ce domaine, assez peu de dispositifs sont aujourd'hui disponibles pour l'étude de réactions gaz-liquide, à haute pression et à haute température. En s'aidant notamment de la Mécanique des Fluides Numérique, différents types de micro-contacteurs gaz-liquide (à film et à phases dispersées) ont donc été conçus et réalisés. Les plus aboutis en terme d'hydrodynamique (contacteurs à écoulement de Taylor) ont été caractérisés à l'aide de réactions supports exigeantes : une hydrogénation catalytique asymétrique (30°C, 1-5bar) ainsi qu'une oxydation partielle d'hydrocarbure en phase liquide (200°C, 25bar). La mise en œuvre de cette dernière avec une alimentation gaz riche en oxygène a permis d'augmenter significativement la productivité du réacteur, et ce dans des conditions de sécurité totale grâce à l'emploi de canaux réactionnels de petites dimensions
Current silicon micro-machining techniques make now possible the manufacturing of micro-structured reactors with inner dimensions as low as a few micrometers. A major consequence of their high surface-to-volume ratio is a significant increase of heat and mass transfers which make them appropriate for the investigation of demanding reactions. In spite of the increasing amount of research in this field, very few devices can be used at both high pressure and temperature for the study of gas-liquid reactions. Therefore, several film and dispersed phase contactors have been designed and manufactured, notably with the help of Computational Fluid Dynamics. Taylor flow based contactors, considered as the more convenient in terms of hydrodynamics, were caracterized using an asymetric hydrogenation (30°C, 1-5bar) as well as a partial liquid phase oxidation (200°C, 25bar). Thanks to the intrinsic safety of micro-channels, the latter was also conducted with an enriched oxygen gas feed, thus leading to a significant improvement of the reactor’s productivity

L'objectif de ce travail est de développer des nouveaux réacteurs permettant une bonne maîtrise des réactions de précipitation, processus chimique rapide donnant naissance à une phase solide. Ces nouveaux réacteurs doivent être des mélangeurs rapides capables d'influencer, voire de contrôler les propriétés des particules fabriquées. Deux approches expérimentales ont été adoptées : (1) l'étude des phénomènes de mélange des réactifs et (2) l'étude de l'influence des conditions opératoires sur la précipitation d'un produit modèle. Le produit modèle choisi pour cette étude est la pseudo-boehmite. La pseudo-boehmite, catalyseur industriel, doit satisfaire de nombreuses propriétés : surface spécifique, volume poreux, taille des pores, cristallinité, distribution de taille des particules et morphologie des agglomérats. Ces propriétés sont très sensibles aux conditions opératoires et hydrodynamiques des réacteurs de précipitation. D'où l'intérêt d'utiliser la pseudo-boehmite comme produit modèle pour la précipitation. Quatre réacteurs originaux sont étudiés : le Réacteur à Disque Tournant, le Réacteur à Effet Vortex, le Réacteur avec Alimentation par le Fond et le Réacteur à Jets Lamellaires. L'étude du micromélange, réalisée à l'aide de la réaction chimique test mise au point par l'équipe du Professeur Villermaux et du macromélange, réalisée à l'aide de réacteurs de visualisation et de réactions de décoloration acide-base, ont permis de développer et de modéliser ces nouveaux réacteurs. Les réactions de précipitation de la pseudo-boehmite ont permis de dégager les grandes tendances de l'évolution des propriétés des particules en fonction des conditions opératoires. En vue de comprendre l'effet du mûrissement sur les particules de pseudo-boehmite, forme d'alumine mal cristallisée, l'influence des conditions de mûrissement (température, pH, puissance moyenne d'agitation et concentration de la suspension de particules) sur l'évolution des propriétés des particules est étudiée. Les caractéristiques des particules étudiées sont: la distribution de taille des particules, la taille des cristallites, la cristallinité, la surface spécifique, le volume poreux total et la teneur en eau. Le mécanisme de mûrissement des particules de pseudo-boehmite initialement amorphes a ainsi été mis en évidence et modélisé. Le Réacteur à Disque Tournant a été sélectionné pour réaliser des simulations à l'aide du code commercial FLUENT. L'hydrodynamique et le mélange des réactifs ont été simulés à l'aide du modèle k-e. Les effets de l'influence de la concentration des réactifs, de la vitesse d'agitation et de la position des tubes d'alimentation ont été simulés et comparés aux résultats expérimentaux.

L'hydrolyse d'amidon de manioc par la termamyl (novo nordisk) en reacteur continu a membrane a recyclage (rcmr) a ete etudiee. Ce procede presente deux principaux avantages par rapport au procede traditionnel tel qu'effectue en reacteur ferme avec deux etapes de liquefaction et saccharification : d'une part, le rcmr permet la reutilisation des enzymes et amene directement a la production de sirops exempts d'enzyme et d'amidon non hydrolyse ; d'autre part, la termamyl, preparation enzymatique liquefiante tres performante, permet la production d'oligosaccharides de degre de polymerisation faible a partir d'amidon natif en une seule etape. Apres une etude preliminaire de l'hydrolyse en reacteur ferme, la faisabilite de l'operation en reacteur a membrane a ete prouvee. En effet, le colmatage des membranes est limite puisque la densite de flux de permeat reste egale a 80 l. H - 1. M - 2 apres 6h d'hydrolyse et l'accumulation des composes de hauts poids moleculaires n'est pas trop importante. Par ailleurs, la perte d'activite enzymatique est suffisamment faible pour obtenir des taux de conversion en oligosaccharides de degre de polymerisation inferieur ou egal a 5 compris entre 50 et 70%. L'etude de l'hydrolyse en reacteur continu a permis la mise en avant des conditions optimales: un ph de 5,8, une temperature de 80\c, une concentration en amidon egale a 100 g. L - 1, une concentration enzymatique comprise entre 1,8 et 3,7 ml. L - 1, et un temps de passage inferieur a 1,2 h. Avec ces conditions optimales, une hydrolyse de 12 h a ete menee sans probleme majeur. Une modelisation cinetique de l'hydrolyse en reacteurs ferme et continu a finalement ete realisee.

Dans ce travail, un reacteur calorimetrique a ete concu et realise dans le but de conduire des identifications de cinetiques et de thermicites par excitation parametrique. Les differents organes du calorimetre ont ete identifies par des modeles de type boite noire et de representation. La regulation du debit du fluide caloporteur et de la temperature de la masse reactionnelle est decrite. On montre par une etude des sensibilites parametriques faite dans le domaine frequentiel, que les constantes de transfert thermiques hr et hj, de chaque cote de la paroi du reacteur peuvent etre identifiees separement selon une methodologie particuliere. Les resultats obtenus lors d'identifications montrent que l'on peut attendre de bonnes estimations. Une methodologie de choix de modeles est proposee pour conduire l'identification selon les cinetiques etudiees

Dans ce travail, des modeles numeriques ont ete developpes pour simuler le comportement de plusieurs reacteurs classiques de depot assiste par plasma radiofrequence. Ces modeles prennent en compte les phenomenes dissociatifs dus a l'utilisation d'une decharge, les phenomenes de transfert de quantite de mouvement et de transfert de matiere. Le premier objectif de l'auteur a ete de reproduire les resultats experimentaux dans deux types de reacteurs de conception tres differente, dans le cas du nitrure de silicium depose a partir de silane et d'ammoniac. Pour cela, un mecanisme chimique complexe prenant notamment en consideration une faible reactivite du radical triaminosilyl et l'abstraction d'hydrogene sur les especes aminosiliciees stables, a ete envisage. L'analyse des resultats de modelisation montre que la consommation du silane et ses consequences sur les taux de production des differentes especes radicalaires jouent un role preponderant sur la vitesse de depot et la composition du materiau. Une comparaison de plusieurs reacteurs a ete alors effectuee. Les reacteurs a injection distribuee ont ete montres comme offrant le meilleur compromis entre uniformite des depots et de composition, alors que pour des reacteurs a injection localisee, il est impossible d'obtenir des depots d'epaisseur constante et de composition voulue. L'influence des dimensions des reacteurs a egalement ete analysee. Par ailleurs, une etude sur la chimie des decharges dans les melanges silane-protoxyde d'azote pour le depot de silice a ete initiee. Dans ce travail, la modelisation a ete utilisee sous tous ces aspects. Elle a permis la determination d'un mecanisme chimique, la comprehension des processus gouvernant les procedes, ainsi que l'aide a la conception et a l'optimisation des procedes

L'etude entreprise ici porte sur la mise au point d'un procede extrapolable de production de spores de c. Globosum, spores qui possedent des proprietes phytosanitaires interessantes. Le procede que nous avons concu consiste a cultiver ce champignon en milieu liquide dans une colonne a bulles. Dans ce type de reacteur la croissance de c. Globosum s'effectue en pelotes. Lorsque les pelotes ont atteint leur maturite, elles sont separees du milieu liquide, melangees a un support solide particulaire convenable et le tout est place en couche fixe dans une colonne ou l'oxygene de l'air peut diffuser librement. Au bout de 360 heures le nombre de spores produites atteint la valeur palier de 6?10#8 par gramme de matiere seche de melange pelotes-support. Les deux reacteurs utilises, colonne a bulles et colonnes a couche fixe, sont des appareils dont on sait modeliser le fonctionnement et pour lesquels les regles d'extrapolation sont connues. Le procede propose peut donc aisement etre transpose a grande echelle

Dans le cadre des procedes biotechnologiques de traitement d'effluents gazeux contenant des traces de composes organiques volatils (cov) un nouveau systeme de contact gaz-liquide a ete etudie. Il s'agit de l'aero-ejecteur, dont les performances hydrodynamiques (pertes de charge) et de transfert (d'oxygene et d'ethanol) ont ete etudiees dans une installation experimentale qui l'associe a une colonne a bulles. Le contacteur propose a ete dessine pour provoquer un contact gaz-liquide intense a partir d'un ecoulement tres turbulent, l'objectif etant de diminuer l'energie necessaire au transfert et l'encombrement du reacteur. Les caracteristiques de base de ce contacteur sont : sa faible perte de charge, qui permet d'utiliser des soufflantes (et non des compresseurs), ce qui est une necessite industrielle emsp14;; sa capacite maximale de transfert est largement superieure aux besoins, ce qui permet d'eliminer plus de 90% des polluants par un seul passage de gaz. L'etude bibliographique presente une vue d'ensemble des differentes methodes de traitement d'effluents gazeux contenant des cov a l'etat de traces. Elle expose aussi les differents types de contacteurs gaz-liquide existants, notamment les contacteurs de type venturi. L'etude hydrodynamique de l'aero-ejecteur a porte sur la determination de la perte de charge d'une buse interne responsable du niveau d'intensite turbulente genere. Elle a porte aussi sur la determination de la perte de charge de l'aero-ejecteur avec son admission de liquide fermee, alimentee en air et alimentee en liquide, pour differents points de fonctionnement. L'influence de la pression de refoulement ainsi que du sens du refoulement (vers le haut, vers le bas) ont aussi ete etudiees. Finalement la consommation energetique de l'aero-ejecteur a ete evaluee. La modelisation de l'ecoulement dans l'aero-ejecteur a ete realisee en prenant en compte les effets essentiels dus a la compressibilite du gaz. Ce modele sera la base de l'optimisation de l'aero-ejecteur. L'etude des performances de transfert de l'aero-ejecteur a ete realisee sur un dispositif associant l'aero-ejecteur a une colonne a bulles qui sert de separateur gaz-liquide tout en participant au transfert. Deux constituants de solubilite tres differente dans l'eau ont ete utilises pour determiner les coefficients volumetriques de transfert de film k#la et k#ga. Il s'agit de l'oxygene (relativement peu soluble) et de l'ethanol (relativement tres soluble), ce dernier etant de plus un solvant type rencontre dans les effluents gazeux contenant des cov. Ces resultats ont ete finalement correles avec la consommation energetique de l'aero-ejecteur. Les tests sur pilote industriel confirment les capacites de ce nouveau type de contacteur gaz-liquide.