Le séchage de denrées alimentaires est une filière clé de la transformation des aliments, tant dans nos pays que dans les pays en voie de développement. Cette opération, largement utilisée dans l’industrie agro-alimentaire, permet d’augmenter significativement la durée et la diversité d’utilisation de nombreux aliments. Néanmoins, au cours d’une opération de séchage, l’élévation de la température et l’exposition à des débits d’air importants peuvent entraîner des altérations biologiques, chimiques et mécaniques du produit. La méthode, les conditions et le temps de séchage sont donc des facteurs influençant directement la qualité des produits séchés et doivent donc être bien contrôlés.<p><p>Dans ce travail de thèse, nous nous intéressons au séchage de tranches de mangues. L’ob- jectif principal est de contribuer au développement d’une nouvelle technologie de séchage, adaptée aux pays en voie de développement et fonctionnant entièrement à l’énergie solaire. Cette nouvelle technologie a pour but d’améliorer la qualité du séchage et la productivité des séchoirs.<p><p>D’après les techniques traditionnelles de séchage présentées dans la littérature, nous choi- sissons la structure générale qu’aura la nouvelle technologie de séchage :un capteur solaire couplé à une tour de séchage, alimentée en air par des ventilateurs placés à l’entrée du capteur solaire et reliés à un panneau photovoltaïque. Cette technologie fonctionne en mode indirect :les zones de chauffe de l’air et de séchage sont différentes. Les tranches de mangues à sécher sont placées sur des plateaux dans la tour de séchage et l’écoulement de l’air se fait perpen- diculairement à ces plateaux. Nous avons l’idée originale d’ajouter des éponges et un grillage métalliques afin d’augmenter les transferts de chaleur à l’intérieur du capteur solaire.<p><p>Un premier prototype de cette nouvelle technologie est dimensionné, sur base de l’expres- sion de bilans de matière et d’énergie. Un cahier des charges doit être rempli, notamment en termes de temps de séchage, de température de l’air sortant du capteur, d’humidité finale des mangues séchées et de masse de mangues fraîches à sécher.<p><p>D’après l’étude de ce prototype, imaginé et construit en collaboration avec la société Solvay, nous développons, pour la nouvelle technologie de séchage, un modèle du capteur solaire et un modèle de l’écoulement de l’air au sein de cette technologie. Le modèle du capteur solaire est utilisé pour déterminer le coefficient de transfert de chaleur par convection entre l’air au sein du capteur et ses parois. Nous montrons que ce coefficient est très élevé, à tel point qu’il est indissociable de celui qu’aurait un capteur idéal. Les performances du capteur solaire sont donc très bonnes. Nous montrons qu’elles sont particulièrement améliorées par l’ajout des éponges et du grillage métalliques dans le capteur. Le modèle de l’écoulement de l’air décrit le lien entre la puissance fournie à l’air et le débit d’air qui circule dans le séchoir. Nous l’utilisons pour déterminer le coefficient de perte de charges d’un plateau chargé de mangues.<p><p>A plus petite échelle, nous étudions la vitesse de séchage d’une tranche de mangue, au sein d’un petit séchoir disponible au laboratoire TIPs de l’ULB. Plusieurs expériences de séchage y sont réalisées dans des conditions bien contrôlées. D’après ces essais, nous développons un modèle mathématique original de la vitesse de séchage d’une tranche de mangue qui nous permet de prédire la vitesse de séchage de tranches de mangues dans des conditions opératoires données. Une très bonne correspondance est obtenue entre les simulations du modèle et les résultats expérimentaux. Il peut donc être utilisé pour prédire la vitesse de séchage de tranches de mangues pour une large gamme de conditions opératoires.<p><p>Ce modèle est couplé à des bilans de matière et d’énergie, relatifs à la tour de séchage. Nous obtenons dès lors un modèle de fonctionnement de la tour de séchage de la nouvelle technologie.<p><p>L’ensemble des modèles développés pour caractériser le fonctionnement du capteur solaire, l’écoulement de l’air dans la technologie de séchage et le fonctionnement de la tour de séchage sont alors combinés pour obtenir un modèle complet de fonctionnement de la nouvelle tech- nologie de séchage. Ce modèle est validé et le fonctionnement de cette nouvelle technologie est optimisé par l’ajout d’une phase de permutation des plateaux après la moitié du temps de séchage. Ce modèle complet de la technologie de séchage est alors utilisé pour dimensionner des séchoirs de terrain pour une période donnée de l’année, en un endroit donné.<p><p>Nous terminons ce travail de thèse en présentant une comparaison entre un séchoir de terrain de la nouvelle technologie et un séchoir Atesta, qui est la technologie traditionnelle de séchage de mangues la plus répandue en Afrique de l’Ouest. Nous concluons que la quantité d’eau évaporée par unité de temps est bien supérieure pour le séchoir de terrain que pour l’Atesta. Le coût de fonctionnement d’un séchoir de terrain est plus faible que celui d’un séchoir Atesta car le séchoir de terrain fonctionne entièrement à l’énergie solaire et non pas au gaz, comme c’est le cas pour le séchoir Atesta. La qualité des mangues séchées obtenues dans un séchoir de terrain est supérieure à celle obtenue dans un séchoir Atesta car il n’y a pas de contact avec les gaz brûlés et la convection de l’air y est forcée. Néanmoins, l’encombrement au sol des séchoirs de terrain reste un point négatif en comparaison avec le séchoir Atesta du fait de la grande taille du capteur solaire. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Ce travail s'intéresse a` l'identification des mécanismes physiques en jeu lors de la déshydratation assistée thermiquement. Une cellule de filtration/compression a été instrumentée avec des capteurs de pression liquide. Ces mesures permettent de suivre la formation du gâteau de filtration, sa consolidation puis les évolutions thermomécaniques induites par l’apport de chaleur. Sous l'effet du chauffage, elles montrent l'apparition d’un gradient de pression liquide, qui induit un écoulement additionnel. Un modèle mathématique est ensuite proposé. Des caractérisations en cellule de compression/perméabilité sont utilisées pour de´terminer les lois d'évolution des propriétés du milieu poreux. Le modèle permet de retrouver les évolutions des grandeurs macroscopiques et locales mais pas les cinétiques. Ceci a été attribué au modèle de déformation du milieu poreux choisi. / In the scope of thermally assisted mechanical dewatering process, this work focuses on the identification of physical mechanisms involved in the thermally assisted mechanical dewatering. Operating conditions ensure that the water is expelled in liquid phase. An experimental study on talc and cellulose saturated suspensions highlights the gains in terms of final dry solid contend involved by the thermal intensification. The filtrationcompression test cell is instrumented with pore liquid sensors along the cake thickness that allows to measures the pressure of the interstitial liquid phase. Obtained data highlight an increase of the liquid pressure in the heated side of the cake during thermally assisted mechanical dewatering. Indeed, as the temperature increases the water density decrease. As the cake consolidation restricts the flow a liquid pressure gradient reappears inside the cake. As the temperatures on the filter side of the cake increase, the thermally induced liquid pressure gradient vanishes with an additional filtrate outflow. In order to measure the porous media properties a compression-permeability cell has been build. This apparatus allows permeability measurement to be conducted for different temperature and loading on the porous media. A physical model including the thermal pressurization has been implemented in COMSOL Multiphysics in order to simulate the process. The model confirms the thermal pressurization occurring during thermally assisted mechanical dewatering, but because of deviation in the calculated mechanical behavior and temperature of the porous media, the model can’t depict the experimental additional filtrate outflow.

La déshydratation, l’oxydation et la fracturation sont les trois principaux processus couplés subis par l’argilite callovo-oxfordienne recoupée par les galeries du Laboratoire Souterrain de Meuse/Haute-Marne de l'Andra lors de l'excavation de galeries. Une série de forages à différents temps après l'ouverture de la galerie a permis d'étudier l'évolution des perturbations en fonction du temps, jusqu'à 18 mois. Les profils de teneur en eau et les analyses isotopiques montrent une déshydratation en surface des parois d'environ 50%. Le front de déshydratation est rapidement sub-stationnaire car il résulte d'un équilibre entre la recharge par l'eau de la formation et l'évaporation imposée par la pression partielle de l'eau dans l'air de la galerie. La zone perturbée affecte principalement les premiers 70 cm, et ne se fait plus sentir à partir de 1 m 50. L’oxydation des pyrites provoque la formation de fluides sulfatés acides qui dissolvent les minéraux environnants, libèrent dans la solution des ions Ca2+, K+ et Na+ puis lors de la déshydratation de l’argilite, l'évaporation de l'eau porale induit la précipitation de minéraux sulfatés principalement. La dégradation de la matière organique dans les conditions des galeries montre une dégradation limitée, due soit à une oxydation très discrète, soit à une dégradation lente non détectable aux temps courts. Une série d'expérience de mise en équilibre d'eau avec une roche plus ou moins oxydée a permis d'évaluer l'impact de la présence des phases minérales néoformées sur les caractéristiques chimiques des eaux de réhydratation. Cette approche expérimentale a été confrontée aux résultats de modélisation géochimique. Les résultats obtenus permettent de mieux préciser les caractéristiques géométriques, minéralogiques et physico-chimiques de cette zone perturbée qui est susceptible d'évoluer par la suite en condition de réhydratation et d'élévation de température lors du stockage / Dehydration, oxidation, and fracturing are the three main and coupled processes underwent by Callovian-Oxfordian argillite cut by the galleries of the Laboratoire Souterrain of Meuse / Haute-Marne of Andra during the excavation. Several boreholes drilled at different times after the opening of the gallery were used to study the evolution of disturbances with time up to 18 months. Profiles of water content and isotopic analysis show dehydration at the surface of the walls of about 50%. The area of dehydration is rapidly sub-stationary because it results from a balance between the suction by the pore water and the evaporation imposed by the partial pressure of water in the air of the gallery. The disturbed area mainly affects the first 70 cm, and not exceeds 1 m 50. The oxidation of pyrite causes the formation of acid sulphate fluids which dissolve the surrounding minerals in the solution, release Ca2+, K+ and Na+ in the pore water then during the dehydration of argillite, the evaporation of the pore water leads to the precipitation of sulphate minerals mainly. The degradation of organic matter in the galleries shows a limited deterioration due to a very moderate oxidation or the slow degradation is not detectable at short times. Several experiments of equilibration between more or less oxidized samples and water were used to evaluate the impact of the presence of new-formed mineral phases (sulphates) on the chemical composition of the rehydration water. This experimental approach has been compared to results of geochemical modelling. The results obtained allow us to define geometrical, mineralogical and physico-chemical properties of the disturbed zone which could evolve thereafter during rehydration and temperature rise in storage condition

L'objectif de ce travail est d'avoir une meilleure compréhension du processus de germination en surface dans les réactions de transformations chimiques de solides.<br />Ces réactions se déroulent généralement selon deux processus distincts : la germination et la croissance. L'étude bibliographique montre que les modèles cinétiques sont basés soit sur des lois considérant la germination comme instantanée, soit sur des lois d'Avrami dont une des hypothèses est la germination en volume, soit sur des modèles de germination en surface. Les observations au microscopes montrant que la germination dans les décompositions des solides a lieu en surface, les deux premiers types de modèles ne sont pas correctement utilisables. Dans le cas des modèles de germination en surface, la croissance étant isotrope ou anisotrope, deux grandeurs cinétiques interviennent : la fréquence surfacique de germination  et la réactivité surfacique de croissance , supposées être des constantes en conditions isotherme et isobare. Des études précédentes ont montré que la germination est un processus beaucoup plus difficile à quantifier que la croissance.<br />Pour mieux comprendre les phénomènes qui régissent le processus de germination, nous avons choisi d'étudier une réaction « modèle » qui est la déshydratation de Li2SO4,H2O.<br />Des expériences de thermogravimétrie, à 80°C sous pression de vapeur d'eau contrôlée, sur des monocristaux, montrent que les courbes cinétiques (t) sont des sigmoïdes et présentent des temps de latence. Des observations avec des microscopes optiques et électroniques permettent de visualiser les surfaces et le volume en cours de réaction, et montrent que la germination a lieu en surface et que la croissance est isotrope et dirigée vers l'intérieur du monocristal.<br />Les courbes cinétiques sont calculées par la méthode de Monte Carlo sur la base d'un modèle cinétique de germination-croissance isotrope, tenant compte de la géométrie des monocristaux. Les simulations sont en très bon accord avec les courbes expérimentales, ce qui permet de déterminer les valeurs des paramètres  et . Nous avons montré que la fréquence surfacique de germination  est très dépendante de l'état de surface des monocristaux.<br />Un modèle spécifique de germination, basé sur l'apparition de lacunes d'eau et leur agglomération jusqu'à former un germe, nous permet d'obtenir des distributions de dates d'apparition du premier germe. Ces distributions calculées peuvent être comparées qualitativement avec les distributions expérimentales de temps de latence. Ces comparaisons, couplées avec les images in situ, laissent à penser que les arêtes et les faces des monocristaux n'ont pas la même réactivité et jouent un rôle différent dans le processus de germination. <br />A partir des temps de latence mesures expérimentalement et d'un modèle cinétique décrivant plus précisément le début des courbes (t) (pour  ≤ 0,004), il est possible de déterminer une relation entre la date d'apparition du premier germe et la fréquence surfacique de germination . Cette relation théorique a été validée par l'expérience.

Le volcanisme des zones de subduction est associé à la déshydratation de la plaque lithosphérique subduite. La présence d'eau permet d'abaisser les conditions nécessaires au déclenchement de la fusion partielle du manteau.<br /><br />Un modèle numérique bidimensionnel en éléments finis a été développé afin de déterminer l'influence des paramètres géométriques de la subduction sur cette fusion partielle. Ce modèle intègre de manière couplée la résolution des équations de la mécanique des fluides, le calcul de la fusion partielle et les transferts d'eau entre les différentes phases minéralogiques du manteau et de la croûte. Du point de vue technique, les équations de conservation de l'énergie sont résolues par une méthode de type Galerkin tandis que les équations de conservation de la masse et du moment utilisent une procédure de pénalisation. La prise en compte des transferts de fluides se fait par le biais d'une méthode de traceurs. Chacun d'entre eux porte une information de composition minéralogique et de teneur en eau. En fonction des conditions de pression et de température, nous pouvons déterminer, à partir d'un diagramme de phase, les teneurs maximales en eau que peut accepter un traceur et donc évaluer la migration du fluide.<br /><br />Les résultats obtenus sont en accord avec les données géochimiques enregistrées en surface dans les laves des arcs<br />volcaniques. Ainsi, une augmentation de l'épaisseur de la croûte chevauchante est associée à une diminution de la production magmatique totale, tandis qu'une augmentation du taux de convergence des plaques est corrélée avec une augmentation du taux de fusion partielle.

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

L'influence de la température et de la pression de vapeur d'eau sur la déshydratation de la boéhmite et sa transformation en alumine de transition a été étudiée. La boéhmite n'est pas un monohydrate d'alumine mais un oxyhydroxide d'aluminium dont la maille contient deux ions aluminium en positions cationiques trivalentes, deux ions oxygènes en positions anioniques divalentes et deux hydroxyles en positions anioniques monovalentes. Lors d'une augmentation modérée de la température (inférieure à 300°C), la boéhmite subit une déshydratation partielle qui conduit à un composé sous stœchiométrique en hydroxyles et qui est provoquée par l'association des hydroxyles deux par deux qui s'éliminent sous forme d'eau en laissant dans le réseau une position anionique monovalente vide et une autre occupée par un ion oxygène (en substitution de l'hydroxyle). C'est une réaction non renversable avec la diminution de la température. La déshydratation de la boéhmite en alumine de transition est le résultats de la succession et superposition partielle de trois équilibres : la déshydratation partielle de la boéhmite sans changement de phase, la transformation du réseau de la boéhmite (au-delà d'un certain degré de déshydratation) en réseau d'alumine de transition (spinelle) partiellement hydratée, la déshydratation de l'alumine de transition qui se poursuit jusqu'à 900°C ou plus. Les trois réactions sont endothermiques et leurs chaleurs de réaction ont été calculées. Il existe un domaine de température et de pression de vapeur d'eau où la boéhmite et l'alumine de transition coexistent. La température de déshydratation et de transformation, en alumine de transition de la boéhmite augmente avec la pression de vapeur d'eau appliquée. A une température donnée l'alumine de transition contient un plus grand nombre d'hydroxyles lorsqu'elle est formée sous une pression de vapeur d'eau supérieure.

Ce travail est lié au sujet "Energies Propres". Le diméthoxyméthane (DMM) a un fort potentiel de stockage d'hydrogène comme source pour des applications mobiles du fait de son contenu élevé en hydrogène et de sa non toxicité. Il a été montré que le DMM peut être reformé à 100% pour produire de l'hydrogène sur un catalyseur complexe formé d'un solide acide tel que Nb2O5 ou du phosphate de niobium (NbP) associé à un catalyseur de type CuZnO/Al2O3. D'autre part, des catalyseurs V2O5/NbP et V2O5/TiO2–SO42- ont été préparés et évalués dans la réaction d'oxydation sélective du méthanol en DMM. Les propriétés acides et redox de surface de ces catalyseurs ont été corrélées à leur performance catalytique. Les propriétés d'adsorption de Nb2O5 et NbP, testés en réaction de déshydratation du méthanol, ont été aussi évaluées.

Nous avons voulu aborder de façon systématique le problème de l'influence de l'atmosphère gazeuse sur la vitesse d'une réaction de décomposition d'un solide. Pour cela, nous avons choisi d'étudier des systèmes univariants dont l'évolution était bien déterminée : Nous nous sommes placés dans le cas très fréquent où une interface plan séparant l'ancienne phase de la nouvelle se propage à vitesse constante vers l'intérieur du cristal. Cette constante d'avancement interfacial est une fonction de la pression du gaz émis par la réaction. Afin de préciser de quelle manière cette influence se fait sentir, nous avons été amené à imaginer des mécanismes mettant en jeu des processus connus : Réaction d'interface, adsorption, changement de phase, ..., mais qui n'avaient jamais été clairement juxtaposés. Aux systèmes envisagés, nous avons appliqué un traitement quasi-chimique qui a rendu relativement aisée l'écriture des réactions : Les solides étudiés ont été identifiés à un ensemble d'éléments structuraux, fonction de la nature des liaisons à l'intérieur du cristal. L'expression de la vitesse <i>v</i> de la réaction en fonction de la pression PG du gaz - pur ou appartenant à un mélange binaire - émis par la réaction a pu être donnée dans le cas de chaque régime pur. Ainsi, outre le type de courbe <i>v(P)</i> monotone décroissante pour laquelle existait une justification théorique, et que nous avons retrouvé dans de nombreux cas purs, nous avons mis en évidence la possibilité d'obtenir une courbe <i>v(P)</i> présentant un maximum. Ceci est l'indice d'une véritable catalyse par la phase gazeuse, alors que jusqu'à présent, seuls les solides étaient considérés comme catalyseurs. Des exemples expérimentaux de chaque type de courbe corroborent nos modèles réactionnels. Une grande partie des hypothèses nécessaires à leur élaboration semble vérifiable par l'expérience ; ainsi avons-nous pu mettre en évidence que le sulfate de lithium monohydraté, tout comme le borax, était le siège de réaction unique dans la gamme de pression et de température considérées ; une substance présentait une courbe <i>v(P)</i> monotone décroissante, l'autre une courbe à maximum. Il est également apparu sur un exemple concret - celui du chlorure de baryum dihydraté - que les conditions thermodynamiques d'apparition des phases nouvelles sont prépondérantes dans l'étude d'une courbe <i>v(P)</i>. Aussi, pour chaque réaction étudiée. avons-nous soigneusement envisagé chacun des aspects structuraux, thermiques et massiques. Nous avons par ailleurs souligné l'influence, sur la vitesse de réaction, de la nature et de la pression partielle de gaz supposés chimiquement inertes, pour une pression partielle constante du gaz émis. De tels résultats peuvent s'interpréter en admettant une adsorption concurrente du gaz inerte et du gaz émis sur les sites de l'interface solide-gaz. En définitive, nous avons montré de façon quantitative l'importante influence de l'atmosphère gazeuse sur la cinétique d'une réaction de décomposition mettant en jeu des constituants formant un système univariant.

Les centrales nucléaires jouent un rôle important au niveau mondial dans la production d'électricité aujourd'hui. Dans l'histoire humaine, deux accidents tragiques ont déjà eu lieu, à Tchernobyl et Fukushima, provoquant des fuites des matières radioactives. Pour éviter ce genre d'accident dans la future, la construction en béton prend un rôle important en tant que matériau de construction de confinement qui est la dernière barrière pour isoler la matière radioactive de l'environnement. La compréhension des transferts dans le béton dans des circonstances graves, en particulier à étudier le comportement du béton sous haute température jusqu'à 200°C. Dans la première partie, un modèle de déshydratation a été appliqué dans le modèle thermo-hygro. Le modèle thermo-hygro a ensuite été mis en oeuvre pour simuler une maquette dont les résultats expérimentaux sont disponibles dans la littérature, sans tenir compte des comportements mécaniques. Enfin, des études paramétrique ont été réalisées pour étudier l'influence de certains paramètres. Le modèle à ensuite été appliqué à des structures sous vitesse de chauffage différente, et le modèle à ensuite été appliqué à des structure sous rythme de chauffage différents et celles avec des épaisseurs différentes pour comparer les profiles de température et de pression de gaz à travers de la mur. / Nuclear power plant now takes an important part in the world's electricity generation. In human history, there have already been two tragic accidents in Chernobyl and Fukushima causing severe radioactive matter leakage. To pre- vent this kind of accident from happening again, concrete structure plays an important role as material of containment building, which is the last barrier to isolate the radioactive matter from the environment. Hence, the transfer properties of concrete under severe circumstances, especially high tempera- ture, are important for this usage. This PhD thesis aims to investigate the behavior of the concrete under high temperature up to 200°C. In the first part, a dehydration model was proposed. The model consists of different dehydration sub-models for main hydrates in the cement paste. In the second part, the dehydration model was implemented in a thermo-hygral model. The thermo- hygral model was then used to simulate a mock-up for which experimental results are available in the literature, without considering the mechanical behaviors. At last, parametric studies were performed to investigate the influ- ence of some parameters, and the model was then applied to structures under different heating rates, and structures with different thicknesses to compare the temperature and gas pressure profiles across a wall.