L’aluminium de première fusion est, de nos jours, produit principalement par l’électrolyse de l’alumine à 960 °C appelé procédé Hall-Héroult. L’électrolyse est réalisée par le passage du courant électrique entre des anodes en carbone et une cathode en carbone par l’intermédiaire d’un électrolyte (cryolithe : Na3AlF6). Ces anodes sont composées de coke de pétrole et d’anodes usagées (mégots) collés ensemble par du pitch (brai de houille). Dans ce procédé, les anodes sont attaquées lors de l’électrolyse mais également en raison de réactions parasites avec l’air et le CO2 provoquant une surconsommation de ces anodes et créant de la charbonnaille. La charbonnaille est définie par l’ensemble des particules d’anode tombant dans le bain électrolytique et générant de nombreux problèmes électriques. Ce projet de recherche porte sur la compréhension de la consommation (réactivité) des anodes en carbone, utilisées dans le procédé électrochimique, par le CO2 à 960 °C. Dans le but de mieux comprendre cette consommation des anodes, l’étude de la réactivité est divisée en trois sections principales; la réaction du CO2 avec l’anode dite de Boudouard en régime chimique, la réactivité avec de grosses particules et la proposition d’une nouvelle représentation de l’anode. La réaction de Boudouard (CO2 + C → 2 CO) sous régime chimique est contrôlée par les propriétés intrinsèques du matériau carboné (impuretés et niveau de graphitisation). Dans ce projet, les paramètres (taille des particules, masse initiale, débit) du régime chimique, c'est-à-dire sans limitation du transport de masse, ont été déterminés pour des particules d’anode broyées. Le test de réactivité utilisé pour ces particules est un réacteur thermogravimétrique (TGA). La vitesse de réaction apparente obtenue à partir des données brutes du TGA permet d’évaluer la réactivité de l’anode en fonction du pourcentage de gazéification. Les conditions obtenues sont une masse initiale de 2 mg, un temps de broyage des particules de 10 minutes, un débit de 100 ml/min de CO2 et une température de 960 °C. Avec une préparation similaire à l’échantillon d’anode, des particules cuites provenant de chaque constituant d’une anode (coke, pitch et mégot) ont été placés dans le TGA et leur vitesse de réaction apparente a été mesurée. La détermination de la réactivité sous régime chimique de ces matériaux démontre que la vitesse de réaction apparente du pitch (pour un pitch ayant un niveau de graphitisation similaire au coke et pour des matières premières utilisées dans ce projet) n’est pas plus élevée que celles du coke et du mégot (ce qui est en contradiction par rapport à la littérature), ainsi le phénomène de charbonnaille, attribué à une supposée sélectivité du CO2 sur le pitch n’est pas confirmée. La consommation de l’anode en carbone dans la cuve d’électrolyse est contrôlée par les impuretés, par le niveau de graphitisation mais également par le transport de masse à travers sa structure poreuse. Dans ce projet, la gazéification des grosses particules pourrait se rapprocher de la consommation de l’anode industrielle dans une cuve d’électrolyse. La vitesse de réaction apparente mesurée pour 9 tailles de particules d’anode (allant de 33 µm à 4 380 µm de diamètre) a permis de révéler l’effet de la taille, de la porosité et de la masse de l’échantillon sur la réactivité. Trois tailles de particules comprises entre 725 et 2 190 µm ont particulièrement été étudiées car elles sont proches de la taille standardisée (ISO 12981-1; - 1 400 + 1 000 µm). Les surfaces et les volumes spécifiques différentiels de ces trois tailles de particules gazéifiées à 5 pourcentages (0; 15; 25; 35 et 50%) déterminés par adsorption d’argon et par infiltration de mercure ont permis d’évaluer les contributions des gazéifications sous-critique (taille de pores inférieure à la taille critique des pores) et sur-critique (taille de pores supérieure à la taille critique des pores) sur la gazéification totale des anodes sous CO2 à 960 °C. La détermination de la taille critique des pores (TC) pour les 3 tailles de particules (20 µm pour 725 µm et 40 µm pour les particules de 1 200 et 2 190 µm) et la mesure des contributions sous-critique et sur-critique ont permis de révéler que les pores ayant une taille supérieure à cette taille critique jouerait un rôle prépondérant dans la réactivité au CO2 des anodes. En se basant sur une dimension intermédiaire de cet intervalle de taille de particules et sur la norme ISO 12981-1 (utilisée pour mesurer la réactivité au CO2 des particules de coke), les particules comprises entre - 1 400 + 1 000 µm ont été choisies pour mettre en évidence l’effet de la porosité sur la réactivité de l’anode et de ses constituants (coke, pitch, mégot et matrice liante) sous CO2 à 960 °C. La matrice liante est un mélange de fines particules de coke (inférieur à 150 µm) et le pitch. La mesure de la vitesse de réaction apparente de ces matériaux permet d’évaluer que la matrice liante semble avoir une réactivité légèrement plus grande que celles du coke, du mégot et de l’anode et très largement supérieure à celle du pitch (valable pour les matériaux utilisés dans ce projet). Ces différences peuvent s’expliquer par le ratio des impuretés catalysantes et inhibitrices, (Vanadium + Nickel) / Soufre, qui est très élevé dans le cas de la matrice liante et du coke mais également à un niveau de graphitisation légèrement plus faible. L’utilisation du facteur d’efficacité apparent permet de mettre en évidence l’effet de la structure du matériau sur la réactivité de particules de grandes tailles par rapport à la vitesse de réaction en régime chimique. En associant les vitesses de réaction apparente des deux régimes (chimique et particules de grandes tailles) pour les 5 matériaux (anode, coke, pitch, mégot et matrice liante), il est possible de révéler l’effet de la structure. Ainsi, pour l’anode et le pitch, le facteur d’efficacité est très faible (inférieure à 0,3) indiquant par conséquent qu’une structure adaptée de l’anode peut diminuer la réactivité globale. Lors de la caractérisation de ces matériaux afin de comprendre leurs réactivités, il a été révélé que la surface spécifique initiale de l’anode ne peut être estimée par la moyenne pondérée des surfaces de ses constituants (coke, pitch, mégot et matrice liante). Ainsi, malgré une similitude chimique, une division par matière première (coke, pitch et mégot) ou physique (coke, mégot et matrice liante) ne semble pouvoir expliquer cette grande surface spécifique et une nouvelle représentation de l’anode doit être envisagée. En raison d’un manque de support lors de la cuisson, le pitch, cuit seul ou bien cuit sous forme de matrice liante, ne peut pas s’étaler lors de sa pyrolyse. Ainsi, le mixage et la cuisson de trois recettes de coke et de pitch (coke/pitch : 100/0, 95/5 et 85/15 en masse/masse) révèlent une très grande surface spécifique initiale pour la recette 95/5. La réactivité de cette recette et celle de 100/0 sont très similaires alors que celle de 85/15 est très faible alors que celle de l’anode se situe à un niveau intermédiaire. En conséquence, en se basant sur les surfaces spécifiques initiales et sur les réactivités de ces trois recettes, il est possible d’estimer qu’une anode entière est composée de particules de coke partiellement enrobé de pitch (95/5) et totalement enrobé (85/15). / Primary aluminum is mainly produced by electrolysis of alumina at 960 °C by the Hall-Héroult process. The electrolysis is carried out by passing the electric current between carbon anodes and a carbon cathode through molten cryolite (Na3AlF6) that acts as electrolyte. The anodes are consisted of petroleum coke and anode butts bonded together by coal tar pitch. The anodes are consumed in the cell by the electrolysis reaction but also by air and CO2 gas reactions. The anode-gas reactions cause an overconsumption of the anodes and create dusting phenomenon. The dusting is defined by the falling out of anode particles in the electrolytic bath that generates many electrical problems. This research project focuses on the understanding of CO2 consumption (reactivity) of carbon anodes at 960 °C to increase the service life of anodes. In order to reveal the mechanism of the CO2 reactivity of anodes, the present study was divided into three main sections; 1) the reaction of CO2 and carbon, called Boudouard reaction, under chemical regime, 2) the CO2 reactivity of large particles under mass transport limitations and 3) the proposal of a new representation of the anode. The Boudouard reaction (CO2 + C → 2 CO) under chemical regime is controlled by the intrinsic properties of the carbonaceous materials, i.e. the impurities and of graphitization levels. In this project, the parameters (particle size, initial mass and CO2 flow) of chemical regime (without mass transport limitations) were determined for milled anode particles. A Thermo-Gravimetric Analyzer (TGA) was used to measure the CO2 reactivity of anode particles. The apparent reaction rate versus gasification percentage was obtained from the TGA raw data to estimate the carbon activity under CO2 atmosphere. The experimental conditions for chemical regime with TG instrument included an initial mass of 2 mg, 10 minutes of milling and a CO2 flow rate of 100 ml/min at 960 °C. A similar preparation was applied to the anode samples and each constituent of anode (coke, pitch and butt) was prepared and baked separately. The anode constituents were placed in the TGA and their apparent reaction rate was measured. The chemical reactivity of anode constituents showed that the apparent reaction rate of the pitch material (with a similar level of graphitization than that of coke material and for the raw materials used in this project) was not higher than that of the coke and the butt particles (which is in contradiction to the literature) and thus the dusting phenomenon which is attributed to a supposed selectivity of CO2 on pitch constituent was not confirmed. The consumption of the industrial carbon anodes in the electrolytic bath is controlled by the impurities, the level of graphitization and also by the mass transport through its porous structure. In this project, the gasification of large particles could be assimilated at the consumption of industrial anodes. The apparent reaction rates were measured for 9 particle sizes of anode (between 33 µm and 4380 µm of diameter). A larger particle size decreased the reaction rate. Three sizes of anode particles (725, 1200 and 2190 µm) were specifically studied because they are close to the particle sizes recommended by the ISO standard 12981-1 where - 1400 + 1000 µm is used to measure the CO2 reactivity of coke particles. The specific differential surface areas and volumes measured by argon adsorption and mercury infiltration were determined for the 3 particle sizes consumed at 5 gasified percentages (0; 15; 25; 35 and 50%). With the pore volumes, it was possible to weight the internal and external gasification on overall gasification. The determination of the critical pore size (TC) for the 3 particle sizes (20 µm to 725 µm particles and 40 µm for 1200 and 2190 µm particles) and the weights of internal and external gasifications revealed that the pores having a size greater than this critical size could have an essential weight on the overall CO2 reactivity of the anodes. Based on the ISO standard 12981-1, the particles between - 1400 + 1000 µm were chosen to demonstrate the effect of porosity on the CO2 reactivity of the anode and its constituents (coke, pitch, butt and binder matrix) under CO2 at 960 °C. The measurement of apparent reaction rates of these materials revealed the reactivity of binder matrix was slightly higher than those of the coke, butt and anode samples and was much greater than the reactivity of pitch material (considering the materials studied). These differences could be explained by the ratio of catalysts/inhibitor, (Vanadium + Nickel) / Sulfur, which was very high for the binder matrix and coke samples, used in this project and a lower level of graphitization for binder matrix. The butt was also highly reactive because the catalyst effect of sodium on the Boudouard reaction at 960 °C is very important. The apparent effectiveness factor allowed to highlight the effect of structure on the reactivity of large particle sizes compared to the reaction rate under chemical regime. The ratio of apparent reaction rate under mass transport limitations over the rate under chemical regime for the 5 materials (anode, coke, pitch, butt and binder matrix) indicated the porosity impact. The apparent effectiveness factor for anode and pitch samples was very low (less than 0.3 for 4 gasification percentages of 15; 25; 35 and 50%) revealing that a suitable structure of carbon material may decrease the overall reactivity. After characterization of anode and its constituents, it was assumed that the initial surface area of the anode could be estimated by the weighted average of the surface areas of its components (coke + butt + pitch and coke + butt + binder matrix). The binder matrix is a mixture of the fine particles of coke and the pitch material. In spite of similar chemical compositions, classification of raw materials as coke + pitch + butt and coke + butt + binder matrix could not explain the large specific area of anode. Consequently, a new representation of the anode should be considered. Due to the lack of support during baking, the pitch material, baked alone or baked in binder matrix, could not be spread during its pyrolysis. Thus, three recipes of pitch/coke mixtures (coke/pitch: 100/0, 95/5 and 85/15 w/w) were mixed and baked, separately. The 95/5 mixture presented a very large initial surface area (similar to that of anode). The CO2 reactivity was measured in TG instrument at 960 °C. The reactivity of 95/5 composition was very similar to that of 100/0 while the reactivity of 85/15 composition was very low. The anode reactivity had an intermediate level. According to the initial specific surface area and the CO2 reactivity of these three recipes, it was possible to approximate the surface area and the CO2 reactivity of the carbon anode with a mixture of coke particles partially coated (95/5) and fully coated (85/15) with pitch. Consequently, this new assembly could be useful to better understand the wetting of coke by pitch during baking.

Pour déchiffrer le rôle de minerais sulfureux sur la cyanuration de l’or, une étude détaillée sur l’importance relative des phénomènes de passivation (PP) et d’interactions galvaniques (IG) a été menée dans le présent travail de thèse. Une électrode tournante à disque (RDE) Au/Ag plongée successivement dans une série de pulpes préparées à partir d’une large gamme de sulfures métalliques a révélé l’impact négatif de ces derniers sur la lixiviation de l’or. Puisque les contacts galvaniques permanents entre électrode tournante à disque d’or (RDE) et suspensions de minerais sulfureux sont difficiles à mettre en œuvre, les tests standards de cyanuration réalisés en mode RDE/slurry ont plutôt tendance à surestimer l’importance des PP sur l’effet aidant des IG, intrinsèquement présents dans les particules minérales. Ainsi, un nouveau réacteur électrochimique à lit fixe (PBER) a été développé et testé pour découpler et quantifier les contributions individuelles des PP et d’IG sur la lixiviation de métaux précieux (or et argent, PM) lors de la cyanuration de minerais riches en sulfures. Le réacteur a été chargé de mélanges homogénéisés, de sulfures et de poudres d’or et d’argent, où y sont établis les contacts galvaniques permanents à l’échelle inter-particulaire entre tous les constituants. Les IG améliorent, à des degrés variables, la lixiviation des métaux précieux, particulièrement celles dues à la pyrite, à la chalcopyrite et à un minerai industriel ont été tellement positives qu’elles l’emportent largement sur les effets négatifs dus aux PP. L’extension de la nouvelle approche du PBER pour prendre en considération les caractéristiques minéralogiques de plusieurs systèmes multi-minéraux a montré que les IG Au- sulfures ont été le paramètre le plus important contrôlant la lixiviation de l’or. Finalement, plusieurs stratégies ont été testées pour améliorer la cinétique de cyanuration de l’or en présence de sulfures inhibiteurs. La galène neutralise largement l’effet négatif de la dissolution des minéraux sulfureux sur la lixiviation de l’or. Des tests de pré-oxydation menés sur des sulfures individuels puis sur leurs mélanges associés ont montré que les IG sulfure-sulfure se produisant lors de l’étape de pré-oxydation au sien du mélange peuvent donner lieu à des résultats totalement différents pendant la cyanuration. / To elucidate the role of sulfide ores on gold cyanidation, a detailed study on the relative importance of passivation phenomena (PP) and galvanic interactions (GI) was carried out in the present thesis work. A Rotating Disc Electrode (RDE) Au/Ag disc immersed successively in slurries of a wide range of sulfide rich ores emphasized the negative impact of sulfide minerals on the gold leaching rate. Because permanent GI between gold RDE and slurried sulfide-rich ores are uneasy to achieve, the standard gold RDE/slurry cyanidation arrangement has a tendency to inflate overly the importance of PP over the corrective trend of GI inherently present within the ore grains. A new packed-bed electrochemical reactor (PBER) was thus developed and tested to decouple and quantify the individual contributions of PP and GI on precious metal (gold and silver, PM) leaching rates during cyanidation of sulfidic ores. The PBER was filled with mixtures of sulfide minerals, gold and silver powders, where permanent (inter)particle-particle electrical contacts were ensured among all constituents. GI were found to ameliorate, to various degrees, the leaching of PM, particularly those due to pyrite, chalcopyrite and an industrial ore were so positive that they largely outweighed the negative impact of PM passivation. Extending the new PBER approach to consider the mineralogical characteristics of several multi-mineral systems indicated that GI between gold and sulfide mineral particles were the most important parameters affecting gold leaching. Several leveraging strategies were tested to increase gold cyanidation kinetics in the presence of PM-leaching inhibiting sulfide minerals. Galena was found to largely neutralize the negative effect of sulfide minerals dissolution on gold leaching. Pre-oxidation tested on individual sulfide minerals and on their associated mixtures revealed that GI occurring between conducting phases present in the ore may give rise to totally different cyanidation responses.

Cette thèse a pour objet la construction d'estimateurs non-linéaires à base d'observateurs asymptotiques. Dans un premier temps nous développons un observateur destiné à estimer des concentrations en réactifs dans un réacteur de polymérisation du groupe TOTAL. Dans un deuxième temps, nous nous posons des questions d'ordre plus théorique sur l'utilisation des symétries dans la conception d'observateurs non-linéaires. Le réacteur que nous avons considéré est un réacteur de polymérisation haute pression qui produit des polymères de type plastique composés de deux ou trois monomères. L'estimation des concentrations en certains réactifs dans les différentes zones du réacteur repose sur la modélisation de la réaction. Le modèle consiste principalement un bilan de matière, d'énergie, et l'utilisation de modèles de cinétique chimique. Ensuite via les équations du modèle et les mesures de températures et débits, on remonte aux concentrations en temps réel. L'estimateur construit est non-linéaire, et la convergence repose sur une structure triangulaire. Cet estimateur a été installé et validé sur l'unité industrielle. La convergence de l'estimateur envisagé est indépendante du choix des unités dans lesquelles on écrit les bilans. Nous nous sommes interrogés sur la possibilité, quand on fait un observateur pour les concentrations, d'écrire des termes de correction indépendants des unités. A cet effet nous avons considéré un exemple plus académique : un réacteur chimique exothermique, pour lequel on mesure les températures et les débits, et où la cinétique chimique est d'ordre 1. On veut estimer certaines concentrations, et l'on souhaite que les propriétés de convergence soient indépendantes des unités. Cette étude a montré qu'une approche basée sur les symétries pouvait suggérer des termes de correction nonlinéaires puis des changements de variables propices à l'étude de la convergence globale, pour des observateurs dont la forme est du type observateur de Luenberger ou filtre Kalman Etendu. Ensuite, nous avons développé une méthode générale pour écrire de manière systématique les termes de corrections qui préservent les symétries. La contribution théorique principale de la thèse est de donner une méthode pour construire tous les termes de corrections non-linéaires qui préservent les symétries. On remet ensuite en perspective la notion d'erreur entre l'état et son estimée en proposant la notion d'erreur invariante. La dynamique de cette erreur invariante possède alors des propriétés fort intéressantes. En particulier, elle est indépendante de la trajectoire du système pour un système invariant à gauche sur un groupe de Lie. On applique alors cette nouvelle théorie des observateurs invariants à principalement trois exemples, un réacteur chimique pour lequel on construit un observateur globalement convergent, un exemple de voiture non-holonome où l'on construit un observateur presque globalement convergent, et un exemple emprunté au domaine de la navigation inertielle aidée par des mesures de vitesse pour lequel on obtient la convergence locale autour de toute trajectoire et tel que le comportement global de l'erreur est indépendant de la trajectoire et des entrées. Bien que nous n'ayons abordé en détail que les situations où la dimension du groupe reste inférieure à celle de l'état, il est très naturel d'envisager de traiter avec une approche analogue des cas plus généraux. Tel est l'objet de la dernière partie de la thèse avec quatre exemples. La synthèse d'observateur réduit pour une classe de système Lagrangien dont on mesure la position : le groupe de transformation est celui des changements de coordonnées sur l'espace de configuration. Les modèles de type Saint-Venant qui interviennent dans les modèles océanographiques : l'espace d'état est de dimension infinie car les modèles sont à base d'équations aux dérivées partielles. La fusion de données en navigation inertielle avec comme mesure une image et donc une sortie de dimension infinie. Enfin, l'estimation paramétrique d'un système quantique à deux états où la dimension du groupe est un peu plus grande que celle de l'état.

Les 50 dernières années ont été caractérisées par le développement rapide de l’astrochimie. Plus de 150 réactions entre espèces neutres ont déjà été étudiées aux basses températures qui sont celles du le milieu interstellaire et des atmosphères planétaires. Néanmoins, les constantes de vitesse, et la nature des produits, restent inconnus pour de nombreuses réactions potentiellement importantes pour caractériser ces milieux. Nous avons effectué des études cinétiques pour des processus réactifs, et non réactifs, entre des atomes dans un état électronique excité [C(1D), O(1D) et N(2D)] et plusieurs molécules stables afin de quantifier leur importance dans la chimie des atmosphères planétaires. Nous avons aussi étudié la réaction entre les atomes de carbone dans leur état électronique fondamental (3P) et l’eau, confirmant l’importance, pour certaines réactions avec barrière, de l’effet tunnel pour la réactivité à basse température. Les constantes de vitesse et les rapports de branchement pour ces processus ont été déterminés dans la gamme de température entre 50 et 296 K en utilisant un appareil CRESU, les atomes étudiés ont été produits par photolyse à l’aide d’un laser pulsé (PLP) et détectés par fluorescence induite dans l’ultraviolet sous vide (VUV LIF). / The last 50 years have been characterized by the fast development of astrochemistry as a science. To date, more than 150 gas-phase neutral-neutral reactions have been investigated at low temperatures relevant to planetary atmospheres and in cold regions of the interstellar medium. However, the rate constants and nature of the products for many potentially important gas-phase processes remain unknown. We performed kinetic studies of reactive and non-reactive removal processes between electronically excited atoms [C(1D), O(1D) and N(2D)] with several molecules in order to quantify their importance in the chemistry of planetary atmospheres. Furthermore, we also investigated the reaction between carbon atoms in their ground electronic state (3P) with water, providing new evidence of a quantum mechanical tunnelling mechanism at low temperatures, which could play an important role in the chemistry of interstellar clouds. Rate constants and branching ratios for these processes were determined over the 50 - 296 K temperature range using a CRESU (Cinétique de Réaction en Ecoulement Supersonique Uniforme) apparatus coupled with pulsed laser photolysis (PLP) and vacuum ultraviolet laser induced fluorescence (VUV LIF).

La crise environnementale a conduit l’industrie automobile à faire face à des contraintes croissantes tandis que les limitations drastiques de polluants entrent en vigueur. Afin de réduire les émissions polluantes issues de la combustion, l’une des solutions adoptées est de post-traiter les fumées à l’aide de systèmes de post-traitement catalytique à l’image du catalyseur 3 voies (TWC) pour les moteurs à essence ou le catalyseur d’oxydation (DOC)pour les moteurs diesel. Ces appareils présentent une structure en nid d’abeille constituée d’un réseau de canaux à l’échelle millimétrique appelés monolithes et dont les parois intérieures sont recouvertes d’une fine couche de métal précieux aux propriétés catalytiques. Les polluants sont transformés via l’interaction entre les molécules présentes dans la phase gaz et les sites actifs du métal précieux. Etant donné les conditions laminaires d’écoulement au sein des monolithes, un mélange faible et une diffusion moléculaire limitée peuvent être rencontrés au voisinage de la paroi réactive. Le taux de conversion des polluants peut être alors insuffisant pour des conditions opératoires données. Dans le but d’optimiser les transferts,des obstacles peuvent être introduits par déformation mécanique des parois du canal catalytique au cours du processus de fabrication.Les simulations numériques peuvent contribuer à l’émergence de solutions innovantes basées sur une compréhension et une maitrise profonde des phénomènes sous-jacents. Afin d’atteindre cet objectif, le premier élément clé a été de formuler et d’intégrer dans le code de dynamique des fluides AVBP une approche numérique combinant d’une part des conditions aux limites dédiées à la prise en compte de parois réactives,et d’autre part, la résolution de la cinétique chimique gaz et surface via un solveur d’EDP.L’approche a permis la prise en compte de la cinétique détaillée et l’interaction entre la phase gaz et les parois réactives. L’outil développé a été validé en premier lieu à l’aide de calculs de réacteurs hétérogènes zéro-dimensionnels. Les résultats ont montré un parfait accord avec le solveur de référence SENKIN. L’approche a été validée ensuite en l’appliquant à la simulation de deux canaux réactifs aux parois planes et en comparant les résultats numériques aux résultats expérimentaux de Dogwiler et al. L’approche développée s’est révélée être capable de reproduire les principales caractéristiques de la combustion catalytique pour différents points de fonctionnement. Enfin, l’outil développé a été appliqué à l’étude de l’impact de l’introduction d’obstacles pariétaux sur les taux de conversion des systèmes catalytiques. Les résultats ont permis d’ouvrir des perspectives très intéressantes quant à la contribution de la CFD2D et de la chimie hétérogène détaillée à l’optimisation du design des systèmes de post traitement catalytique. En particulier, l’étude de l’influence des obstacles pariétaux a montré que le design de la géométrie des monolithes constitue un fort potentiel d’optimisation de l’efficacité des systèmes de conversion catalytique et ce, à moindre coût grâce à une utilisation optimisée du métal précieux rendue possible par une meilleure interaction entre l'écoulement, les réactions chimiques dans la phase gaz et la paroi réactive. / The environmental emergency has led automotive industry to deal with growing constraints as drastic regulations of pollutant emissions are emerging. In order to reduce emissions resulting from the combustion process, one of the solution adopted is to post process pollutants by the means of catalytic after-treatment systems such as three-way converters (TWC) for gasoline applications oroxidation catalysts (DOC) for Diesel applications. These devices present a honeycomb shape which consists in a grid of millimeter-scale narrow channels called monoliths whose interior wall are coated with precious metals presenting catalytic properties.Pollutants are converted through the chemical interaction involving gas-phase molecules and active precious metal sites. Given the laminar flow encountered within these monoliths, weak mixing and molecular diffusion could occur near the catalytic walls. Pollutant conversion rates may therefore prove insufficient for certain operating conditions. In order to promote transfers, obstacles could be introduced by mechanically deforming the channel wall during the manufacturing process. Numerical simulations can contribute to the emergence of innovative technologies based on a profound understanding and mastering of the underlying phenomena that simulation allows. In order to achieve this goal, a first key element was the formulation and integration into the AVBP CFD code of a numerical approach combining specific boundary conditions for reactive walls and ODE solvers for the gas phase and surface chemistry.The approach allowed to account for detailed kinetics and the interplay between the reactive surface and the gas-phase. The resulting tool was first validated using a zero-dimensional heterogeneous reactor computations. The results were shown to perfectly match the ones obtained with the reference kinetic solver SENKIN.Furthermore, the approach was then validated by applying it to the simulation of two planar reactive channel flows, and comparing the predictions with experimental findings of Dogwiler et al.. The developed approach proved to be able of reproducing main features of the catalytic combustion observed for different operating points. Finally, the developed tool was applied to explore the impact of introducing wall obstacles on the conversion rate of catalytic devices. The resulting findings have proved to open very interesting perspectives for contributing to the optimization of the design of catalytic converters using 2D CFD and detailed heterogeneous chemistry. In particular, the study of the impact of wall obstacles indicates the potential for contributing to further increase the efficiency of catalytic converters via the design of monolith geometries that would allow a more efficient and thus less costly usage of Pt-coating as a consequence of optimized interactions between the gas flow, gas phase chemistry and surface chemistry.

Lors de l'extinction d'un arc de disjoncteur, on observe une brutale diminution de la conductance de l'arc, le plasma est alors soumis à un fort soufflage qui peut conduire à des écarts à l'équilibre chimique. Les modèles fondés sur l'hypothèse de l'équilibre thermodynamique local (E.T.L.) prévoient une diminution de la conductance mais ne rendent pas bien compte de l'ensemble des mécanismes régissant l'extinction. La forte convection est responsable de la présence d'une certaine quantité de gaz froid qui n'a pas été totalement dissocié dans les parties chaudes du plasma. Les particules froides peuvent se recombiner rapidement avec les électrons ce qui modifierait la résistivité du milieu. Pour mettre en évidence ce phénomène qui apparaît dans les disjoncteurs nous avons développé un modèle de l'extinction d'un arc de SF6 pour une géométrie simplifiée à deux dimensions. Ce modèle couple un modèle de cinétique chimique avec un modèle hydrodynamique et permet de calculer les densités des espèces. La mise en place de ce modèle s'est caractérisée par des calculs préliminaires pour l'initialisation : la composition du plasma à l'équilibre est obtenue à l'aide d'un modèle collisionnel ; un modèle hydrodynamique à deux dimensions a été développé et nous permet de calculer les champs de température et de vitesses en régime stationnaire. Le modèle a été complété par une étude sur la cinétique du SF6 qui nous a permis de mettre en évidence les différents processus réactionnels qui gouvernent la disparition des électrons. Nous avons simulé l'extinction de l'arc pour une intensité initiale de 50 A et pour des pressions fixées à 0.1 et 0.4 MPa, le modèle cinétique est couplé au modèle hydrodynamique à partir de l'équation des gaz parfaits et de la relation liant la densité de masse aux densités des espèces. Les principaux résultats du modèle hydrodynamique confirment que la vitesse de refroidissement est de l'ordre de -108 K.s-1. Les résultats sur la cinétique montrent que la convection agit sur les molécules de S2 qui se retrouvent, au bord de la décharge et pour des températures comprises entre 4000 K et 6000 K, en surpopulation par rapport à l'équilibre. Par processus d'échange de charge entre les particules S2 et S+ la surpopulation de S2 va conduire à une surpopulation des ions S2+. Ces ions vont principalement se recombiner avec les électrons provoquant une baisse de la population électronique, et une modification de la résistivité du milieu.

La modélisation de la chimie de combustion de mélanges d'hydrocarbures (alcanes, aromatiques et naphténiques), représentatifs de combustibles industriels nécessite l'utilisation de schémas cinétiques détaillés complexes. La raideur du système différentiel associé rend impossible tout couplage avec des codes industriels en raison de son coût de calcul prohibitif. Une solution possible consiste à diminuer la taille de ces mécanismes. La présente étude se propose donc de réduire, sans dégrader son caractère prédictif initial, un mécanisme détaillé du kérosène (225 espèces et 3493 réactions irréversibles) dans les conditions du réacteur parfaitement agité (PSR) sur un vaste domaine de pression, richesse et température. La méthode utilisée se déroule en trois étapes. Les deux premières consistent à simplifier le modèle initial par élimination des espèces (méthode des flux atomiques) puis des réactions (analyse des composantes principales de la matrice des vitesses) inutiles à la description du processus de combustion. Le mécanisme squelettique obtenu est ensuite réduit par la mise en état stationnaire de certaines espèces dont les concentrations peuvent être explicitées en fonction des espèces différentielles au sein d'un système algébro-différentiel. La technique d'itérations internes, utilisée pour la résolution des expressions algébriques, est couplée à un accélérateur de convergence afin de réduire significativement le temps de calcul nécessaire aux simulations. Les programmes utilisés, au cours de cette procédure de réduction, ont été automatisés afin d'en rendre l'utilisation simple et rapide. Cette méthodologie a rendu possible l'analyse détaillée des voies réactionnelles de consommation des 3 réactifs initiaux ainsi que l'évaluation de la sensibilité des réactions impliquées. On peut ainsi, sans connaissances cinétiques particulières, élaborer des schémas réduits présentant une diminution d'un facteur 15 (globalement) à 50 (localement) du temps de calcul. Plus de 65% des profils de fractions molaires des espèces sont correctement reproduits avec une déviation relative par rapport au modèle initiale inférieure à 10%.

Le travail présenté dans ce mémoire est consacré à la combustion turbulente non-prémélangée dans des écoulements rapides, et éventuellement diphasiques. Pour ce type de conditions, il devient nécessaire, du point de vue de la modélisation, de tenir compte du couplage existant entre les effets de compressibilité, les processus de mélange turbulent et la cinétique chimique. Dans ces écoulements, la conversion de tout ou partie de l'énergie cinétique de l'écoulement sous forme d'enthalpie sensible va influencer le développement des réactions chimiques et peut contribuer notablement à la conversion des réactifs en produits de combustion ainsi qu'à la stabilisation des flammes. De plus, les échelles de temps caractéristiques du mélange turbulent et de la cinétique chimique sont susceptibles d'être du même ordre de grandeur et l'hypothèse de chimie infiniment rapide n'est pas toujours applicable. Dans cette étude, une approche basée sur l'évaluation de la PDF jointe de deux quantités scalaires est retenue : la première variable permet de quantifier la richesse locale du mélange, la seconde caractérise l'écart à l'état d'équilibre chimique. Une hypothèse de "chimie brusque" permet d'introduire une dépendance explicite entre ces deux variables pour s'en tenir à la seule détermination de la PDF de la variable de mélange. Cette approche est étendue au cas de la combustion supersonique en considérant de surcroît les variations d'enthalpie totale. Enfin, les fuctuations de composition induites par la vaporisation d'un des deux réactifs sont elles-aussi prises en compte. Le modèle complet est implanté dans un code de calcul Navier-Stokes tridimensionnel compressible et réactif. Dans le cadre de cette étude, la résolution est couplée à une méthode d'adaptation de maillage qui permet d'améliorer significativement la représentation des zones de mélange et des fortes discontinuités. L'approche proposée est ensuite validée en s'appuyant sur différentes géométries : jets co-courants supersoniques H2-air vicié, jets fortement sous-détendus, chambre de combustion de type Scramjet. Enfin, le modèle est aussi employé pour effectuer un calcul de la configuration Mascotte de l'Onera dans un cas sous-critique. Les simulations numériques correspondantes conduisent à des résultats encourageants et ouvrent de nombreuses perspectives aussi bien quant à l'utilisation du modèle le cadre d'approches U-RANS ou LES que vis-à-vis de son extension à des conditions de combustion extrêmes (super-critiques).

Dans le cadre des recherches réalisées au département de Chimie de l'Ecole des mines de Saint Etienne, s'est développée depuis 1968 une technique consistant à utiliser un réacteur à lit fluidisé pour déterminer une cinétique d'adsorption ou de déshydratation. Cette technique diffère des méthodes classiques de la cinétique hétérogène surtout par le fait qu'un écoulement gazeux traverse la couche solide étudiée. Bien qu'il soit nécessaire pour suivre l'évolution d'une réaction d'analyser la phase gazeuse émanant du réacteur, l'utilisation du lit fluidisé présente de nombreux avantages. En particulier, le réacteur est parfaitement isotherme quelle que soit la masse du produit étudié. On ne peut, cependant, éviter les variations de composition de l'atmosphère gazeuse en contact avec le solide, ce qui rend difficile l'interprétation des résultats expérimentaux

Cette thèse présente les résultats de travaux de recherche d'une part concernant les réactions en phase gazeuse de petites molécules à des températures extrêmes et d'autre part portant sur la photophysique de nanoparticules de carbone. Les résultats obtenus, au moyen d'une combinaison de méthodes sophistiquées, sont d'intérêt pour la combustion et les milieux astrophysiques. Les coefficients de vitesse des réactions à hautes températures (300-1116K) entre le radical cyanure CN avec deux hydrocarbures (C₂H₄ et C₂H₆) ont été mesurés à l'aide d'un nouvel prototype d'étude de réaction à haute température en phase gazeuse: le réacteur à haute température couplé à la technique PLP-LIF (Pulsed Laser Photolysis-Laser Induced Fluorescence). Ces réactions se sont montrées rapides et révélant une barrière d'énergie. Le préalable à l'étude de la cinétique de ces réactions est la détermination de la température rotationnelle de l'écoulement par spectroscopie du radical CN et l'étude de sa relaxation vibrationnelle par des calculs semi-empiriques. Comme deuxième expérience, on s'est intéressé à la réaction d'attachement électronique à basse température (39-170K) sur la molécule POCl₃ au moyen du dispositif CRESU (Cinétique de réaction en Ecoulement Supersonique Uniforme). Le coefficient d'attachement électronique de cette réaction a été déterminé montrant une faible dépendance de la température du gaz. On a aussi montré l'inversion des voies de sortie, dissociative et non dissociative, aux alentours de la température T=170K mettant en jeux deux produits ioniques majoritaires. La dernière partie de la thèse expose notre perspective de recherche pour étudier la photophysique de nanoparticules de carbones produites par combustion. On a pu mettre en œuvre un système de production de nanoparticules de suie à l'aide d'un brûleur. Cette expérience consiste à sonder l'interaction de celles-ci avec des rayons X mous (1eV-1keV) par détection de photoélectrons et spectrométrie de masse à temps de vol.