Στην παρούσα Διδακτορική Διατριβή παρουσιάζονται τρíα νέα στοχαστικά μοντέλα, τα οποία αναπτύχθηκαν με σκοπό την εξομοίωση της διάδοσης των streamers και των leaders, και της επακόλουθης ηλεκτρικής διάσπασης σε διάκενα αέρα μεγαλύτερα από 5cm υπό ατμοσφαιρική πίεση. Η εξομοίωση της διαδικασίας διάσπασης με την χρήση των στοχαστικών μοντέλων, οδήγησε στην εξαγωγή αποτελεσμάτων που αφορούσαν την τάση διάσπασης U50 καθώς και την τυπική απόκλιση σ, όταν τα διάκενα καταπονούνται από συνεχείς και κρουστικές (1,2/50μsec) τάσεις, θετικής πολικότητας. Εξήχθησαν επίσης αποτελέσματα που αφορούσαν τη μέση και στιγμιαία ταχύτητα διάδοσης των streamers μέσα σε διάκενα αέρα μήκους έως 20cm. / At the present PhD Thesis three new stochastic fractal models were introduced. The stochastic models were developed in order to simulate the propagation of streamers and leaders in air gaps, in a wide range of gap distances, under the application of DC and impulse (1,2/50μsec) voltage of positive polarity. Various results, concerning breakdown voltage U50 and standard deviation σ, were obtained. Results concerning mean and instantaneous propagation velocity of streamers (only for gaps up to 20cm), were also obtained.

Différentes études ont été réalisées depuis les années 1778 pour étudier la formation des clathrates hydrates de gaz, notamment dans des conditions de haute pression et de basse température pour reproduire les conditions de production pétrolière. Mon travail de thèse concerne principalement l’étude du comportement thermodynamique des hydrates d’hydrocarbures gazeux : CO2 CH4, C2H6, C3H8, et C4H10, pris purs ou bien en mélanges. Les résultats expérimentaux de ce travail, complétés des résultats expérimentaux de la littérature, ont été utilisé afin d’optimiser les paramètres interne du modèle thermodynamique lié à la base de données du logiciel GasHyDyn.Ce modèle optimise les paramètres de Kihara, et nous permet dans un deuxième temps de conserver, ou bien d’écarter tel ou tel jeu de données, considéré comme des points d’équilibres, ou bien des points hors équilibre.Nous discutons finalement de la raison de la nature hors équilibre de certains points, considérés pourtant par leurs auteurs comme des points d’équilibres. Cette nature nous semble liée à des considérations cinétiques d’une compétition entre les différents gaz pour intégrer la structure hydrate en cours de croissance. / Many studies have been conducted since 1778’s to study the formation of clathrate hydrates of gas, especially under conditions of high pressure and low temperature to reproduce the conditions of oil production. My thesis mainly concerns the study of the thermodynamic of gas hydrates in presence of hydrocarbon: CO2 CH4, C2H6, C3H8, and C4H10 pure or in gas mixtures. The experimental results of this work complete the literature experimental results, were used to optimize the internal parameters related to the thermodynamic model data base GasHyDyn software.This model optimizes the parameters of Kihara and allows us to retain a second time , or to exclude a particular data set, considered as points of equilibrium , or balance points out .We finally discuss the reason for non-equilibrium of certain points, however, considered by their authors as equilibrium points. This seems kind of kinetic considerations related to a competition between gas hydrate structure to integrate during growth .

Les hydrates de gaz sont une façon non conventionnelle de piéger et de stocker des molécules de gaz par cristallisation d’eau à haute pression et à basse température. Les sels d'ammonium quaternaire forment des semiclathrates hydrates à pression atmosphérique et des hydrates mixtes en présence de gaz. Il est important de connaître leurs propriétés thermodynamiques, afin d'évaluer leurs applications potentielles : une des ces-ci est la capture du dioxyde de carbone à partir des gaz de combustion. Dans nos expériences, les semiclathrates ont été fabriqués à partir de sels de peralkylammonium (TBAB, TBACl, TBAF), et de bromure de tétra-butylphosphonium (TBPB) en combinaison avec plusieurs gaz : CO2, N2, CH4. La pression de formation a été fortement réduite par rapport aux hydrates de gaz respectifs.Afin de déterminer les coefficients d'activité des hydrates en présence de sels, un modèle eNRTL a été conçue. Des systèmes comportant un sel ou deux sels ont été modélisés en présence d’hydrate de CH4 et sont en accord avec la littérature. Un système en présence de TBAB et de CH4 a été également étudié : la modélisation diffère des données expérimentales de la littérature, probablement en raison d’une structure différente. Cependant, les résultats sont prometteurs, et le modèle donne une bonne prédiction. Sur la base des résultats expérimentaux, un procédé à l'échelle pilote a été conçu. Ce nouveau procédé consiste à former des hydrates mixtes de TBAB et de CO2 dans une colonne à bulles. Les hydrates sont ensuite retirés de la colonne et après dépressurisation, les hydrates mixtes se transforment en hydrates de TBAB, libérant du CO2, qui est renvoyé à la colonne à bulles. / Gas hydrates are a non conventional way of trapping and storing gas molecules trough the crystallization of water under the high pressure and low temperature conditions. Quaternary ammonium salts form hydrates at atmospheric pressure and can also form mixed hydrates in the presence of gas. It’s important to know their thermodynamic properties in order to evaluate their potential applications: one of these applications is the capture of carbon dioxide from flue gas. The semiclathrates studied were made from peralkylamonium salts (TBAB, TBACl, TBAF) and tetrabutyl phosphonium bromide (TBPB) plus several gases: CO2, N2, and CH4. The formation pressure was greatly reduced with regards to the respective gas hydrates. An eNRTL model for determining the activity coefficients of hydrate forming systems with salts has been used. Single and double salts systems were analyzed in the presence of CH4 and the data obtained is in a good agreement with the literature. The TBAB and CH4 semiclathrates system was also investigated with the results being different of those of the literature probably due to a difference on the structure of the semiclathrate. However, the results are promising, and the model gives a good predictionBased on the experimental results, a pilot plant scale process was designed. This new process consists in forming mixed hydrates of TBAB and CO2 in a bubble column. The hydrates are then removed from the column and after expansion, the mixed hydrates transform into TBAB hydrates releasing CO2, which can be returned to the bubble column.

Cette thèse porte sur l'étude de la caractérisation et le traitement de saumures alcalines. La carbonatation directe de saumures résiduaires (SR), par introduction d'une partie du CO2 issu de fumées industrielles, est réalisée dans un souhait de réduction des émissions de CO2 et en vue d'une valorisation potentielle des produits obtenus. Cette recherche se concentre sur l'étude des composés carbonatés, l'objectif général est d'établir le lien entre la réactivité des carbonates et leur valorisation (ici, désulfuration de fumées acides). Les SR sont complexes, l'étude de leur composition chimique et minéralogique a été réalisée en partie par spectroscopie Raman afin de mettre en évidence les interactions OH-Cl dans les échantillons humides. Les différents hydroxydes sont consommés au cours de la carbonatation pour précipiter des carbonates de calcium (calcite, aragonite). La composition chimique détermine les réactions de carbonatation alors que les paramètres physiques influencent la vitesse des réactions ainsi que la morphologie et la pureté des carbonates. L'évolution des phases au cours de la carbonatation des SR a été suivie par spectroscopie et un premier modèle statistique de prédiction des concentrations en carbonates a été développé. La deuxième partie de ce travail porte sur la caractérisation des carbonates obtenus et des paramètres, tel que l'hydratation, pouvant influencer leur valorisation. L'importance de l'hydratation dans la réactivité des produits DECALCO a été observée de l'échelle microscopique au pilote semi-industriel. Les essais de désulfuration de fumées acides ont été menés avec des taux de conversion du SO2 atteignant 65 à 70 % / This study is a contribution to the characterization and the treatment of alkaline industrial wastes. The direct carbonation of residual brines (RB) by CO2 bubbling results in a gas emission reduction and a potentially valorization of resulting products. This research was focused on carbonate products. The main objective is to link reactivity and valorization (here, desulfurization of industrial fumes). The RB are complex, their chemical and mineralogical composition was studied in particular by Raman spectroscopy to monitor OH-Cl interaction in humid samples. The different hydroxides phases are consumed during carbonation to precipitate calcium carbonates (calcite and aragonite). The chemical composition of RB determines the main part of the reaction of carbonation whereas physical parameters influence the reaction kinetics, the by-products morphology and purity. The feasibility of on-line monitoring of the phases evolution during carbonation using spectroscopy has been validated and a first statistical model for the prediction of carbonate concentration has been developed. The second part of this works concerns the characterization of precipitated carbonates and some parameters as hydration which can influence their valorization. The importance of hydration on the carbonates reactivity was observed in microscopy and at pilot scale. Desulfurization tests of industrial fumes in semi-humid way provided a conversion rate of SO2 ranging between 65 and 70%

La gazéification de la biomasse par voie thermochimique constitue une ressource en énergie renouvelable ayant un grand potentiel de développement. Parmi les différentes techniques possibles, la voie cogénération Chaleur/bio-SNG (Substitute Natural Gaz) est proche de la maturité technologique. Un des verrous technologique de cette technologie est l’élimination des goudrons contenu dans le gaz issu du gazéifieur. Le présent travail de recherche constitue une contribution à la levée de ce verrou. La technique d’élimination des goudrons par lavage au moyen d’un solvant non miscible à l’eau ayant été sélectionnée pour un pilote de démonstration, le présent travail de recherche s’est principalement focalisé sur l’acquisition de données d’équilibre bi et triphasique des composés modèles des goudrons - eau – solvant de lavage. De telles données sont en effet indispensable pour la mise au point du modèle thermodynamique permettant la modélisation et l’optimisation du lavage. Les analyses des phases liquides en équilibre on été réalisées par CPG-FID ou CPG-SM. Dans certains cas les niveaux de concentration étaient particulièrement faibles. Les concentrations réciproque obtenues et les coefficients de partage qui s’en déduisent vérifie respectivement la corrélation empirique de Hands et la relation de Van’t Hoff. L’équilibre liquide-liquide-vapeur des binaires eau – solvant de lavage ont été étudiés par la méthode statique. Les concentrations des phases en équilibres ont été corrélées par les modèles NRTL et UNIQUAC au moyen du logiciel commercial ‘Simulis Thermodynamic’. Les paramètres d’interaction ainsi ajustés permettent une bonne restitution des données expérimentales. / Gasification of biomass is a promising thermochemical renewable energy resource. Among all biomass conversion processes, gasification by heat cogeneration / bio-SNG (Substitute Natural Gas) is the promising one. But still, one of the deadlocks to be raised is the reduction of the high level of tar present in the product gas. The objective of this work is to perform a data base which will be useful at the operation of tar removal from aqueous medium. The present work has mainly focused on the acquisition of bi and triphasic equilibrium data model molecules of tars - water - washing solvent. Such data are indeed essential for the development of the thermodynamic model for the modeling and the optimization of the washing process. Analyses of liquid phases in equilibrium have been performed by GC-FID or GC-MS. In some cases the concentration levels were particularly low (up to 10-10 mole fraction of anthracene in the aqueous phase). Reciprocal concentrations obtained and the partition coefficients which are deduced from the empirical correlation satisfy each of Hands and the Van't Hoff relationship. Liquid-liquid-vapor equilibrium of binary systems (water-extracting solvent) was studied with the static method. The concentrations of the phases in equilibrium were correlated by the NRTL and UNIQUAC models using the commercial software 'Thermodynamic Simulis'. The interaction parameters adjusted allow a good reproduction of experimental data.

Le biogaz doit être purifié pour devenir un combustible renouvelable. De nombreux traitements actuels ne sont pas satisfaisants car, pour des raisons de coûts les procédés de séparation privilégiés aboutissent souvent au rejet direct ou indirect du sulfure d'hydrogène (H2S) à l’atmosphère, c’est le cas de la séparation à l’eau sous pression. Les objectifs de la thèse portent d’abord sur l’étude et la modélisation des méthodes connues de séparation de l'hydrogène sulfuré du méthane. Les concentrations typiques varient de 200 à 5000 ppm, et la séparation devra réduire la teneur résiduelle en H2S à moins de 1 ppm. Parallèlement seront étudiées les méthodes de traitement de H2S. Une fois la (ou les) méthode(s) de séparation sélectionnée(s), des essais de validation seront effectués sur un système traitant de l’ordre de 85 Nm3/h de méthane où seront injectées des quantités de H2S variant entre 1 et 100 ppm.Cette thèse requiert des modélisations réalistes sous Aspen Plus® ou sous un code équivalent pour établir a priori des efficacités de séparation selon différentes conditions opératoires et en prenant en compte le paramètre température. L’énergie dépensée pour la séparation effective sera un des critères fort de la comparaison, de même que l’économie de matière.Une approche système est indispensable pour étudier la rétroaction de la méthode de valorisation du H2S sur la ou les méthodes séparatives. A priori c’est aussi l’outil Aspen Plus® ou équivalent qui permettra cette approche système.L’étude du procédé sera menée selon la double approche modélisation et expérimentation, pour l’étude expérimentale des méthodes séparatives, l’échelle du banc sera semi-industrielle et le banc permettra d’étudier les méthodes de séparation jusqu’à -90°C. / Biogas must be purified for becoming a renewable fuel. At now, the most part of the purification techniques are not satisfactory because they imply hydrogen sulfides (H2S) rejection to the atmosphere. One example of these methods is the treatment with high pressure water. The first objective of the thesis is modeling the conventional methods for separating H2S from methane. Typical concentrations of H2S in methane vary from 200 to 5000 pm. Separation methods must decrease the concentration of H2S in methane to less than 1 ppm. At the same time, methods for H2S treatment will be studied.Once the most appropriated separation methods will be selected, some test will be carried out on a pilot plant capable of treating 85 Nm3/h of methane, where quantities of H2S ranging from 1 and 100 ppm will be injected. These tests will allow validating the modeling of the separation process. On the basis of the obtained results, a specific test bench will be conceived and constructed for validating the selected process.The thesis work requires simulating the separation process using the software Aspen Plus® or an equivalent one. The effectiveness of different operative conditions will be tested, varying also the parameter temperature. The energy necessary for the separation will be one of the most important criteria for the comparison, as well as the mass consumption of the different fluids involved in the process.A system approach is fundamental for evaluating the backward effect of the H2S valorization method on the separation techniques. The process simulator (Aspen Plus® or equivalent) will allow the system approach.The study will involve modeling and experimental parts. The experimental part will be carried out taking advantage of a semi-industrial size test bench, allowing studying the separation methods down to -90°C.

AD is regarded as a sustainable technology that could assist the UK Government meet internationally agreed GHG emission targets by 2050. However, the mature status of the technology is based on expensive systems that rely on high energy feedstock to be profitable. Meanwhile, the natural biodegradation of cow slurry is a recognised contributor to climate change despite having a relatively low CH4 potential because of the large volumes produced. Economic mixing is essential to the cost-effectiveness of farm AD but techniques applied are not always appropriate as slurry is a shear thinning thixotropic Herschel-Bulkley fluid and therefore challenging to mix. The apparent viscosity of slurry and the shear stress induced was most influenced by solids content (exponential change) followed by temperature (linear). Most shear thinning occurred before a rising shear rate of 20s-1 was achieved with the fluid acting near-Newtonian above. Thixotropic recovery occurred within 1 hour of resting. Rheological values were also much higher than previously reported. Highest CH4 production occurred in the first 10 days of the batch process using a range of mixing regimes with different shear rates and rest periods. During fed-batch operations, changing shear rate had a minimal effect on CH4 production using a 30-day HRT whereas shorter rest periods increased production. Specific CH4 production rate was highest when feeding and mixing coincided. However, when HRT was reduced (OLR increased) the CH4 produced by all mixed regimes significantly increased with highest values being achieved using high intensity mixing rested for short periods. Lower HRTs also requires smaller digesters. Parasitic mixing energy invariably had the most influence on net energy production. Signs of instability were evident after 20 days using the low HRT. Significant microbial adaptation was also observed as the experiments progressed. The research outcomes demonstrate that mixing regime and HRT can be managed to maximise net energy production whilst reducing capital expenditure.