L’objet de cette thèse est l’étude de la séparation membranaire de l’air appliquée à la réduction desémissions d’oxyde d’azote (NOx) des moteurs Diesel. Il a en effet été démontré précédemment quel’utilisation d’air dopé en azote pour la combustion Diesel entrainait une diminution des émissions deNOx. Les travaux présentés ici ont consisté à produire des outils de modélisation d’un module deséparation membranaire des gaz de type fibres creuses et à valider expérimentalement ces outils.Deux approches de modélisation ont été retenues, une approche génie chimique a conduit à unmodèle monodimensionnel applicable en régime stationnaire ; une approche dynamique des fluidesa permis de développer un modèle bidimensionnel valable en régime transitoire. Le premier modèlea été utilisé pour le dimensionnement de modules, le second pour simuler les performances deséparation de ces modules. Par ailleurs, l’influence du taux de dopage en azote de l’air sur la quantitéde NOx émis a été numériquement étudiée à l’aide d’un outil commercial. Enfin, la possibilitéd’implanter un tel module sur un moteur Diesel de série et les paramètres limitants ont été étudiés àl’aide d’un code commercial et d’un modèle développé par Renault. / The purpose of this work is the study of the air membrane separation applied to the reduction ofnitrogen oxides (NOx) emissions of Diesel engines. As a matter of fact, previous works proved thatusing nitrogen-doped air in Diesel combustion led to lower NOx emissions. The study presentedherein consisted in developing a set of modeling tools simulating a gas separation hollow fibersmembrane module and in experimentally validating these tools. A chemical engineering approachresulted in a monodimensional model suitable for stationary regime; a flow dynamic approach led toa bidimensional model dedicated to transitory regime. The first model was used to design modulessize, the second one to simulate separation performances of these modules. Beside, the impact ofnitrogen doping on NOx emissions was numerically studied with a commercial software. Finally, thefeasibility of the introduction of such a module in a mass-produced Diesel engine was investigatedwith a model developed at Renault on a commercial software.

La synthèse d'acide polyamique (APA) comportant des blocs élastomères de type oligo-oxyéthylène et -oxypropylène et des polyimides correspondants (PEI) a été étudiée et leurs propriétés de perméation gazeuse déterminées pour He, N2, O2, H2, CH4 et CO2. Il a été montré que la présence de la phase élastomère augmentait de façon très importante les coefficients de perméabilité au gaz comparativement aux polyimides aromatiques conventionnels. La perméabilité du CO2, augmentée de façon préférentielle par rapport celles de tous les autres gaz, conduit à des sélectivités idéales tout à fait remarquables, en particulier vis-à-vis de N2 (≈40). L’incorporation de nanoparticules de silice dans les PEI (de 1 à 15% en masse) a été effectuée lors de l’étape de cyclo-déshydratation de l'APA, soit par ajout de silice hydrophobes (16 nm) ou hydrophiles (12 nm), soit par méthode Sol-Gel à partir de précurseurs alcoxysilanes (TMOS et TEOS). L'influence des charges SiO2 sur les propriétés de perméation gazeuse a été étudiée par la méthode du temps de retard (time-lag) essentiellement sur la série préparée avec des particules préformées. On a observé que les nano-charges de silice ne semblent pas interférer dans le processus de cyclisation et que les propriétés mécaniques sont renforcées ; la perméabilité aux gaz varie surtout selon la quantité de charges incorporées mais aucune augmentation spectaculaire de perméabilité n’a pu être observée. On peut en déduire que, vraisemblablement, c’est la phase élastomère qui est le lieu d’incorporation des particules de SiO2. Ces résultats montrent l’intérêt des membranes PEI et PEI/SiO2 dans des applications industrielles de séparation de gaz, notamment pour la séparation de mélanges CO2/N2 / The synthesis of polyamic acids (PAA) with oligo-oxyethylene and -oxypropylene rubbery blocks and the related polyimides (PEI) has been studied and their gas permeation properties determined for He, N2, O2, H2, CH4 and CO2. It was shown that the rubbery phase dramatically increased the gas permeability coefficients compared to conventional aromatic polyimides. The permeability of CO2 is preferentially increased in comparison to all other gases, leading to remarkable ideal selectivities, especially for the N2 mixture (≈40). The incorporation of silica nanoparticles in PEI (from 1 to 15 wt%) was carried out during the cyclo-dehydration of the PAA by adding fumed hydrophobic (16 nm) or hydrophilic (12 nm) silica, or by Sol-Gel approach using alkoxysilane precursors (TMOS and TEOS). The effect of SiO2-fillers on the properties of gas permeation has been studied by the time-lag method mainly on the series prepared with fumed silica. It was observed that nano-particles of silica do not seem to disturb the PAA cyclization process and that the mechanical properties are improved; the gas permeability varies essentially depending on the amount of fillers incorporated but no spectacular increase in permeability could be shown due to the nano-particles amounts. Apparently, it can be deduced that it is the rubbery phase which accommodates the SiO2 particles. These results showed the value of PEI and PEI/SiO2 membranes in industrial applications of gas separation, especially for the separation of CO2/N2 mixtures

L'utilisation de membranes pour la séparation/purification de mélanges de gaz permet d'envisager la mise en œuvre de procédés continus et faiblement énergivores. Les performances des membranes étant directement reliées à la méthode utilisée pour leur synthèse/modification, une nouvelle génération de membranes est attendue à partir de la méthode originale de dépôt « dynamique » développée et mise au point dans ce travail, en milieu CO2 supercritique (CO2SC). Les propriétés des fluides supercritiques, intermédiaires entre celles d'un liquide et d'un gaz (densité et diffusivité élevées, viscosité faible), laissent en effet présager la formation de microstructures originales. Les précurseurs sont solubilisés dans le CO2 sous pression puis transportés jusqu'au support membranaire. Cette méthode a été explorée pour : i) la synthèse directe de membranes à base de silice sur des supports macroporeux et ii) la modification de membranes zéolithiques MFI par des alcoxydes (MDES, TEOS) ou par des oligomères fluorés. Dans le premier cas, l'étude des paramètres de dépôt montre que la maîtrise des phénomènes chimiques de la transition sol-gel (contrôlés principalement par la température) dicte la microstructure du matériau final, au travers du degré de condensation/réticulation des clusters déposés. La modification des membranes zéolithiques MFI par un alcoxyde permet de doubler la permsélectivité He/SF6 initiale, sans forte baisse de perméance (Π(He)~10-6 mol.Pa-1.s-1.m-2). Dans ce cas, la force, la nature et la disponibilité des sites acides de la charpente MFI sont des critères clés pour la fixation de l'alcoxyde. Les membranes MFI modifiées par un oligomère fluoré sont imperméables au SF6 et la permsélectivé He/N2 peut atteindre une valeur de 136 à 25°C (Π(He)~10-8 mol.Pa-1.s-1.m-2). Cette nouvelle méthode dynamique de dépôt/modification développée dans ce travail apparaît comme une approche très versatile qui permet de contrôler la structure du matériau déposé en ajustant les paramètres du procédé. / Using membranes for the separation/purification of gas mixtures makes possible the implementation of continuous processes with low energy consumption. Membrane performance being directly related to their synthesis/modification method, a new membrane generation is expected from the original "dynamic" deposition method which has been designed and developed in this work, in supercritical CO2 (scCO2) media. Indeed, the properties of supercritical fluids are intermediate between those of liquids and gases (high density and diffusivity, low viscosity), original membrane microstructures are expected to be derived from this process. The selected precursors are solubilized in compressed CO2 and then transported to the membrane support. This method has been explored for both: i) the synthesis of silica-based membranes on macroporous supports and ii) the modification of MFI zeolite membranes by either alkoxides (MDES, TEOS) or fluorinated oligomers. In the first case, an investigation of the deposition parameters demonstates that the sol-gel chemistry (controlled mainly by temperature) masters the final material microstructure, through the degree of condensation/crosslinking of the deposited clusters. Modification of MFI zeolite membranes with alkoxides can double their initial He/SF6 permselectivity without lowering too much their permeance (Π(He)~10-6 mol.Pa-1.s-1.m-2). In this case, the alkoxide fixation is monitored by the strength, nature and availability of acid sites in the MFI network. MFI membranes modified with fluorinated oligomers are SF6-tight and their He/N2 permselectivity can reach 136 at 25°C (Π(He)~10-8 mol.Pa-1.s-1.m-2). This new dynamic deposition/modification method developed in this work appears as a versatile approach in which the final material structure can be controlled by adjusting the process parameters.

A produção de petróleo no pré-sal pode ser associada a contaminantes como o CO2. As plataformas instaladas neste polo possuem o sistema de remoção de CO2 usando permeação em membrana polimérica, que separa a corrente de gás em uma pobre em CO2 e outra rica neste. Este trabalho propõe um modelo para simulação da separação de gases utilizando permeador de gases do tipo espiral em contra-corrente. Este modelo utiliza equações baseadas em fenômenos de transporte e termodinâmica, tais como: comportamento real dos gases, variação da permeância com temperatura, transferência de calor dentro do equipamento e efeito Joule-Thomson. A validação foi feita utilizando dados da literatura para separações isotérmicas e dados obtidos em permeador instalado em plataforma de petróleo. Utilizou-se metodologia de reconciliação de dados e agrupamento para tratamento dos dados industriais, o que permitiu maior eficiência na reconciliação dos parâmetros do modelo. A partir da modelagem proposta determinaram-se os parâmetros de processos mais relevantes, permitindo a simulação de condições operacionais diferentes das utilizadas na regressão e a verificação da influência da variação de cada uma das condições operacionais. / The production of oil in pre-salt field is associated with contaminants such as CO2. The rigs installed in this field have a CO2 removal system using permeation on polymer membrane, which separates the gas stream in a stream with low CO2 content and another one with high CO2 content. This paper proposes a model for simulation of gas separation using spiral type permeator of gases in countercurrent flow. This model uses equations based on transport and thermodynamic phenomena such as: real behavior of gases, permeance dependence with temperature, heat transfer inside the equipment and Joule-Thomson effect. The validation was performed using literature data for isothermal separations and data from permeator installed on the oil rig. Was used data reconciliation methodology and clusterization for treatment of industrial data, allowing more efficient reconciliation of the model parameters. From the proposed model were determined the most relevant process parameters, allowing the simulation of operating conditions different than those used in the regression and verification of the influence of the change of each of the operating conditions.

A produção de petróleo no pré-sal pode ser associada a contaminantes como o CO2. As plataformas instaladas neste polo possuem o sistema de remoção de CO2 usando permeação em membrana polimérica, que separa a corrente de gás em uma pobre em CO2 e outra rica neste. Este trabalho propõe um modelo para simulação da separação de gases utilizando permeador de gases do tipo espiral em contra-corrente. Este modelo utiliza equações baseadas em fenômenos de transporte e termodinâmica, tais como: comportamento real dos gases, variação da permeância com temperatura, transferência de calor dentro do equipamento e efeito Joule-Thomson. A validação foi feita utilizando dados da literatura para separações isotérmicas e dados obtidos em permeador instalado em plataforma de petróleo. Utilizou-se metodologia de reconciliação de dados e agrupamento para tratamento dos dados industriais, o que permitiu maior eficiência na reconciliação dos parâmetros do modelo. A partir da modelagem proposta determinaram-se os parâmetros de processos mais relevantes, permitindo a simulação de condições operacionais diferentes das utilizadas na regressão e a verificação da influência da variação de cada uma das condições operacionais. / The production of oil in pre-salt field is associated with contaminants such as CO2. The rigs installed in this field have a CO2 removal system using permeation on polymer membrane, which separates the gas stream in a stream with low CO2 content and another one with high CO2 content. This paper proposes a model for simulation of gas separation using spiral type permeator of gases in countercurrent flow. This model uses equations based on transport and thermodynamic phenomena such as: real behavior of gases, permeance dependence with temperature, heat transfer inside the equipment and Joule-Thomson effect. The validation was performed using literature data for isothermal separations and data from permeator installed on the oil rig. Was used data reconciliation methodology and clusterization for treatment of industrial data, allowing more efficient reconciliation of the model parameters. From the proposed model were determined the most relevant process parameters, allowing the simulation of operating conditions different than those used in the regression and verification of the influence of the change of each of the operating conditions.

In dieser Arbeit wird ein Simulationsprogramm für das Gas-Verhalten in Heizungssystemen entwickelt. Der Gaseintrag durch das Membranausdehnungsgefäß und Dichtungsstellen, die Entstehung und Ansammlung von Gasblasen und die Funktionen der Heizungsanlage werden in einem Programm dynamisch simuliert. Mit diesem Programm wird eine Parameter-Studie durchgeführt. Die Einflüsse verschiedener Faktoren auf das Vorhandensein des Gases und die Leistung der Heizungsanlage werden ausgewertet, wie zum Beispiel der Druck und Temperatur im Heizungssystem, die Gasgehalten im Füllwasser, die Auswirkung eines atmosphärischen Entgasungsgeräts. Die Ergebnisse zeigen, dass der Einfluss der Gaspermeation auf das Auftreten von Gasblasen im Heizungssystem im Vergleich zum Anfangsgasgehalt im Füllwasser sehr gering ist. Bei höherer Temperatur dringt viel mehr Sauerstoff in das System ein. Die meisten Gasblasen sammeln sich in dem Heizkörper in der höchsten Etage mit dem kürzesten Kreislauf an. Das atmosphärische Entgasungsgerät wirkt besser als das MAG bei der Druckhaltung. Jedoch wird mehr Rost in der Heizungsanlage durch den von dem Behälter des Entgasungsgeräts eingetragenen Sauerstoff erzeugt. / The purpose of this paper is to find out how and how much gas get into the heating system through permeation, when and where the gas bubbles get accumulated in the heating system and how well an atmospheric degassing device works. For this propose a dynamic timestep simulation was made with C# program to simulate heating system and the gas behaviors in the system. Sensibility tests were made for different factors such as sealing material, temperature and gas concentration in water. In addition, the speed of the gas permeation in the dynamic simulation gets compared with the values of static calculation in the literature. The results showed, that different sealing material and different temperature could make a big difference for the amount of gas that permeate in to the system. But compare to the initial gas concentration in the filling water is gas permeation alone is not a decisive factor for the presence of gas bubbles in the heating system and does not have a major impact on the performance of the heating system. More oxygen enters the system and get consumed by corrosion at higher operation temperatures. The results also showed, that the atmospheric degassing device works better than MAG at the pressure maintenance and getting rid of gas bubbles. However, oxygen gets constantly introduced in to the heating system through the container of the atmospheric degassing device. More rust is therefore generated.

Gegenstand dieser Arbeit ist es, die Temperaturbeständigkeit von bikontinuierlichen Kompositmembranen bestehend aus Zeolith 4A und Visiomer HEMATMDI zu überprüfen und das Verhalten ihrer Permeanz im Verlauf der Temperaturerhöhung zu untersuchen. Weiterhin wird ihre Verwendbarkeit für technisch und industriell relevante Prozesse der Gastrocknung nachgewiesen. Zunächst wird thermogravimetrisch untersucht, bei welcher Temperatur Zersetzungserscheinungen an der polymeren Komponente auftreten. Anschließend wird thermogravimetrisch der Wassergehalt von Zeolith 4A im Bereich dieser Temperatur bestimmt. Hierauf folgen Permeationsmessungen mit Sauerstoff und Stickstoff an der bikontinuierlichen Kompositmembran. Die Temperatur wird hierbei schrittweise bis knapp unter die Zersetzungstemperatur des Polymers erhöht. Die Eignung der Membranen zur Gastrocknung wird exemplarisch an der Trocknung von Erdgas gezeigt. Es werden die Permeanzen für Wasserdampf und Methan als Hauptbestandteil von Erdgas mittels Einzelgasmessungen experimentell bestimmt. Aus diesen Permeanzen errechnet sich die ideale Selektivität der bikontinuierlichen Kompositmembran von Wasserdampf gegenüber Methan. Mit ihrer Hilfe lässt sich die Eignung der Membran zur Trocknung von Erdgas abschätzen. / The aim of this work is to study the temperature resistance of bicontinuous composite membranes, composed zeolite 4A and Visiomer HEMATMDI, and their permeances with rising temperatures. Furthermore their suitability for gas drying is investigated.

Bei einem thermischen Energieversorgungssystem, insbesondere einer Warmwasserheizungsanlage, spielen die in Wärmeträgermedium (Wasser) gelösten Gase (Sauerstoff und Stickstoff) für einen einwandfreien Betreib eine große Rolle, weil einerseits der im Wasser gelöste Sauerstoff zu einer Korrosionsreaktion an metallischen Anlagenbauteilen führt, was wiederum eine Reihe von negativen Konsequenzen, wie Verschleiß der Bauteile, Verstopfung der Rohrleitungen oder Durchrostung, hat. Andererseits kann der im Wasser gelöste Stickstoff aufgrund seiner reaktionsträgen Eigenschaft zu einer Gasblasenbildung führen, die wiederum eine Zirkulationsstörung im Wasserkreislauf bzw. eine Beeinträchtigung der Wärmeversorgung der Heizkörper bewirkt. Die Folgen dieser Systemstörungen sind hohe Wartungs- und Reparaturkosten sowie Reklamationen bei Planern, Anlagenherstellern und Kunden. Erkennt man die Ursachen für das Vorhandensein der Gase in der Heizungsanlage, so können Gegenmaßnahmen rechtzeitig ergriffen werden. Dadurch kann das Problem zum Teil behoben oder zumindest das Schadensausmaß begrenzt werden. Ziel dieser Arbeit ist es, das Gasproblem aufgrund der Gaspermeation in Heizungsanlagen quantitativ zu beurteilen und anschließend anhand der daraus gewonnenen Erkenntnisse mögliche Lösungsansätze zur Reduzierung bzw. Beseitigung des Gasproblems vorzuschlagen.

Bei einem thermischen Energieversorgungssystem, insbesondere einer Warmwasserheizungsanlage, spielen die in Wärmeträgermedium (Wasser) gelösten Gase (Sauerstoff und Stickstoff) für einen einwandfreien Betreib eine große Rolle, weil einerseits der im Wasser gelöste Sauerstoff zu einer Korrosionsreaktion an metallischen Anlagenbauteilen führt, was wiederum eine Reihe von negativen Konsequenzen, wie Verschleiß der Bauteile, Verstopfung der Rohrleitungen oder Durchrostung, hat. Andererseits kann der im Wasser gelöste Stickstoff aufgrund seiner reaktionsträgen Eigenschaft zu einer Gasblasenbildung führen, die wiederum eine Zirkulationsstörung im Wasserkreislauf bzw. eine Beeinträchtigung der Wärmeversorgung der Heizkörper bewirkt. Die Folgen dieser Systemstörungen sind hohe Wartungs- und Reparaturkosten sowie Reklamationen bei Planern, Anlagenherstellern und Kunden. Erkennt man die Ursachen für das Vorhandensein der Gase in der Heizungsanlage, so können Gegenmaßnahmen rechtzeitig ergriffen werden. Dadurch kann das Problem zum Teil behoben oder zumindest das Schadensausmaß begrenzt werden. Ziel dieser Arbeit ist es, das Gasproblem aufgrund der Gaspermeation in Heizungsanlagen quantitativ zu beurteilen und anschließend anhand der daraus gewonnenen Erkenntnisse mögliche Lösungsansätze zur Reduzierung bzw. Beseitigung des Gasproblems vorzuschlagen.