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L'étude des phénomènes fondamentaux de transport et de thermodynamique apparaissant lors de l'évaporation en milieu poreux permet l'investigation d'applications pratiques variées. Dans ce travail, nous développons des modèles fondamentaux d'évaporation en milieu poreux que nous appliquons ensuite au séchage en lit fluidisé de deux matériaux granulaires poreux : le PVC et la levure. Les modèles mis au point sont réalisés suivant une approche multiéchelle. Nous nous intéressons tout d'abord aux phénomènes se déroulant à l'échelle d'un pore. Les modèles développés à cette échelle sont ensuite exploités dans le cadre d'une étude à l'échelle d'un grain poreux. Le couplage des modèles de grain avec un modèle à l'échelle du réacteur permet alors l'étude des applications industrielles. A l'échelle du pore, nous étudions les phénomènes de transport dans un capillaire initialement rempli de liquide qui s'évapore vers l'atmosphère ambiante. L'objectif est de prédire le taux d'évaporation dans cette configuration. Nous nous intéressons successivement à la modélisation du transport de matière par convection-diffusion en phase gazeuse et la modélisation de l'impact de films liquides adsorbés à la paroi du capillaire sur le transport de matière. Ces deux modèles sont confrontés à des expériences d'évaporation en capillaires cylindriques visualisées à l'aide de deux dispositifs optiques. Le premier offre un suivi d'ensemble au cours du temps du capillaire, alors que le second, un interféromètre de Mach-Zehnder, permet une visualisation locale de la région entourant le ménisque. Le modèle portant sur le transport de matière par convection-diffusion mène à la définition d'un critère non dimensionnel permettant d'évaluer si la convection dans la phase gazeuse dans le capillaire doit être prise en compte pour évaluer le taux d'évaporation. Le modèle de film permet de prédire l'impact de celui-ci sur l'évaporation en présence d'un gaz inerte lorsque les mouvements convectifs en phase gazeuse sont négligeables. La confrontation de ce modèle avec les profils d'épaisseur des films obtenus à l'aide de interféromètre de Mach-Zehnder ne permet pas de valider le modèle, et ce, suite à une trop grande incertitude sur l'évaluation des interactions entre la paroi et le liquide. A l'échelle d'un grain, nous développons un modèle discret par réseau de pores et deux modèles continus pour tenter de prédire le taux d'évaporation et la distribution des phases dans le milieu poreux. Le modèle par réseau de pores prend en compte les transports de matière par diffusion en phase gazeuse, par convection dans les pores remplis de liquide et par convection dans les films liquides. Les effets visqueux en phase liquide sont également modelisés. Pour la prise en compte de ces derniers, nous montrons l'importance de l'usage d'un algorithme approprié. Nous évaluons ensuite au travers de trois nombres sans dimensions l'impact du transport par film et des effets visqueux sur l'évaporation et la distribution des phases. Cette analyse dimensionnelle est ensuite appliquée à l'étude de réseaux de pores pour lesquels la section des liaisons les constituant est idéalisée par des polygones réguliers. Pour les modèles continus après une vérification simplifiée de l'applicabilité de cette démarche, nous développons deux modèles simples. Dans les deux modèles, l'étape de séchage à vitesse constante est supposée limitée par le transport de matière externe au grain. Le premier modèle, dit à front pénétrant, suppose que l'étape de séchage à vitesse décroissante correspond à l'existence d'un front d'évaporation qui s'enfonce dans la matrice poreuse. Le second modèle, dit à surface d'échange variable, attribue cette même étape du séchage à une diminution progressive de la surface d'évaporation en surface du grain. A l'échelle du réacteur, nous présentons deux modèles visant à simuler deux types d'essais différents : le séchage en lit fluidisé et la thermogravimétrie analytique. Ces deux modèles sont couplés aux différents modèles à l'échelle de grain pour étudier le séchage de PVC et de levure tant en lit fluidisé que lors des essais de thermogravimétrie analytique. Dans le cas du PVC, le modèle par réseau de pores ne peut pas être appliqué de par la nécessité d'une trop grande puissance de calcul. Au niveau des modèles continus, nous montrons que l'application du modèle à surface d'échange variable permet de reproduire les courbes de séchage expérimentales des essais en lit fluidisé. Dans le cas de la levure, nous appliquons le modèle par réseau de pores et le modèle à front pénétrant. L'utilisation du modèle par réseau de pores nécessite une connaissance plus détaillée de la structure poreuse des grains. Le traitement d'une analyse par microtomographie nous permet d'obtenir un réseau de pores expérimental. Celui-ci est utilisé pour montrer que la méthode de caractérisation de la porosité par intrusion de mercure ne semble pas adaptée à un matériau deformable comme la levure. Le même réseau est utilisé pour simuler le séchage de grains de levure à l'aide du modèle par réseau de pores. Les simulations sont réalisées sur des réseaux équivalents à des coupes dans le solide. Le modèle par réseau de pores et le modèle à front pénétrant permettent tous deux de modéliser correctement le séchage de levure en lit fluidisé moyennant l'ajustement de leurs paramètres ajustables, respectivement la conductibilité des films liquide et la tortuosité. Pour l'essai de thermogravimétrie, ils ne parviennent à approcher que la première étape de celui-ci. Les avantages, défauts et complémentarités de ces deux modèles sont discutés. Nous évaluons ensuite l'impact du rétrécissement de la levure et des types d'eau sur le séchage de ce matériau. Le rétrécissement est, pour ce faire, mesuré à l'aide d'un stéréomicroscope. Ces premières mesures, exploratoires, mènent à la définition d'un modèle empirique de retrait du solide au cours de son séchage. En le prenant en compte dans les modèles déjà appliqués à la levure, nous montrons que le retrait a un impact significatif sur l'étape de séchage à vitesse décroissante. Cet impact peut cependant être masqué intégralement par la réévaluation des paramètres ajustables des différents modèles. Finalement, l'étude des types d'eau au travers d'un modèle simple appliqué à l'essai de thermogravimétrie analytique montre que les types d'eau ne doivent pas être pris en compte pour modéliser le séchage de levure. A l'issue de ce travail, nous disposons donc de modèles fondamentaux d'évaporation en milieu poreux. Ceux-ci peuvent être appliqués à des cas d'intérêt industriel, comme nous le réalisons pour le PVC et la levure. Ils peuvent servir à améliorer la compréhension de ces procédés. Ils représentent donc des outils de choix pour la conception, le dimensionnement et l'optimisation du séchage.

Le procédé industriel pour purifier des solutions concentrées de chlorure de sodium consiste en la précipitation des ions calcium sous forme de carbonate de calcium et des ions magnésium sous forme d'hydroxyde de magnésium. Ces impuretés étant en faible concentration, la précipitation est menée en réacteur à lit fluidisé en présence d’une forte charge solide. La maîtrise de la qualité du précipité, constitué. Dans un premier temps, une méthode analytique fiable est développée pour déterminer quantitativement la composition d’un mélange de polymorphes : la spectroscopie Raman associée à une méthode de résolution de courbes. Ensuite, la précipitation du carbonate de calcium en réacteur fermé permet d’identifier les paramètres clés du procédé pour maîtriser la composition polymorphique. A partir de ces résultats, un nouveau procédé de purification en réacteur continu à lit fluidisé est conçu et mis en œuvre. L’étude expérimentale réalisée dans celui-ci permet de définir les paramètres opératoires conduisant à une parfaite maîtrise de la qualité du précipité et une conduite optimale de la purification / The purification process of sodium chloride solutions consists of the precipitation of Ca2+ and Mg2+ ions as calcium carbonate and magnesium hydroxide. The impurity content is low, so the best results can be obtained when the precipitation takes place in a fluidized bed reactor where the solid concentration is high. The improvement of the precipitate quality, mainly composed of CaCO3, is necessary for the good running of the process, thus the control of the calcium carbonate polymorphism is essential. First, a reliable method for the quantitative determination of the polymorphic composition using Raman spectroscopy combined with multivariate curve resolution is developed. Then the key parameters which control the polymorphic. composition are identified through the experiments carried out in a batch reactor. Based on these results, a new process using a fluidized bed reactor is designed and experimentally tested. From these experiments, the optimal operating conditions allowing a high level of purification and a very good solid/liquid separation are determined

Ce projet de maîtrise s'effectue en collaboration avec un partenaire industriel, soit le groupe process analytical support group chez Pzer Global Manufacturing Services. L'objectif général de ce partenariat est d'accroître le niveau d'automatisation dans la chaîne de fabrication de l'industrie pharmaceutique. Notamment, des améliorations sont possibles dans l'instrumentation des équipements ainsi que dans l'asservissement de ceux-ci par des stratégies d'optimisation en temps réel. Cet ouvrage s'attaque spécifiquement au cas du séchoir à lit fluidisé. Ce procédé est décrit par une dynamique non linéaire si bien que les outils disponibles pour concevoir une commande prédictive couplée d'un observateur n'offrent pas présentement la flexibilité requise pour répondre à l'objectif du projet. La programmation d'une application de type interface graphique permet à son utilisateur de concevoir ces stratégies pour le procédé de son choix. L'application a été validée en concevant cinq observateurs non linéaires pour le séchage de granules pharmaceutiques. L'objectif est de pouvoir fournir une mesure de teneur en eau ande remplacer la sonde proche infrarouge actuellement utilisée. Il a été montré que certains observateurs sont en mesure de reproduire précisément les données expérimentales tout en montrant un effort de calcul plus acceptable. Ainsi, l'application permet de déployer facilement des solutions efficaces et mesurables pour l'asservissement de procédés pharmaceutiques,dont l'instrumentation du séchoir à lit fluidisé est un exemple spécique. Le déploiement au sein du groupe de recherche de l'application et son amélioration fait partie des travaux futurs. / This work is in partnership with the process analytical support group at Pzer Global Manu-facturing Services. The objective is to increase the level of automation in the pharmaceutical manufacturing process. Possible improvements lie in the instrumentation and control of the equipment. This work particularly aims the discontinuous fluid bed drying (FBD) case. A nonlinear dynamic describes the FBD operation as well as many other pharmaceutical process. Actual predictive control conception tools are not flexible enough. Hence, the programming of a graphical user interface software allows the user to design a control algorithm for nonlinear processes. Validation is ensured by generating five nonlinear estimators to monitor the drying. One of these, based on the moving horizon estimator, could replace the near-infrared probe on the fluid bed dryer as a moisture content soft sensor. Results show that the estimator reproduce accurately the pilot scale experimental data with a moderate computational effort. Thus, the software allows to easily implement control and observation strategies for the pharmaceutical industry Future works imply the deployment and the improvement of the software.

L'urgence de réduire la pollution des gaz de combustion dans le transport maritime nécessite des approches innovantes pour atténuer les impacts environnementaux. Cette thèse de doctorat examine le développement et l'optimisation des lits fluidisés bouillonnants adaptés au contexte marin et des épurateurs de gaz pour réduire les émissions de gaz d'échappement des navires, y compris le CO₂, les NOₓ et les SOₓ. Nous explorons la conception, les tests et l'amélioration des systèmes de nettoyage des gaz d'échappement pour se conformer aux réglementations de l'OMI. Le chapitre 1 passe en revue les différents types de laveurs de gaz pour les opérations maritimes, en évaluant les risques d'émissions secondaires et les efforts pour réduire le CO₂ grâce à la capture du carbone à bord et aux carburants alternatifs. Le chapitre 2 aborde les défis posés par les vagues de mer sur les lits fluidisés flottants, en utilisant un lit monté sur hexapode pour simuler les conditions marines, analysées par analyse d'image numérique (DIA) et vélocimétrie par image de particules (PIV). Le chapitre 3 examine l'hydrodynamique et le mélange des solides dans les lits fluidisés bouillonnants marins sous différents schémas de distribution de gaz et orientations de lit, en comparant les configurations verticales conventionnelles avec des configurations inclinées et sous l'action du roulis. Le chapitre 4 introduit des éléments internes mobiles dans les lits fluidisés bouillonnants pour traiter la maldistribution des gaz et la formation de bouchons ou 'slugs', en testant divers types de garnissage, y compris les anneaux Super Raschig, pour leur efficacité dans des conditions marines. Le chapitre 5 aborde la maldistribution induite par le roulis en testant des stratégies géométriques internes de lit, telles que les motifs rhombiques et en arête de poisson, et les ensembles de déflecteurs verticaux, pour leur impact sur la stabilité de la fluidisation. Nos résultats fournissent des informations significatives sur la conception et l'exploitation des réacteurs à lit fluidisé dans des environnements marins dynamiques, contribuant à l'avancement des opérations maritimes durables et efficaces. / The urgency of reducing flue gas pollution in maritime transport necessitates innovative approaches to mitigate environmental impacts. This dissertation investigates the development and optimization of marinized bubbling fluidized beds and gas scrubbers as potential solution for reducing ship exhaust emissions, including carbon dioxide (CO₂), nitrogen oxides (NOₓ), and sulfur oxides (SOₓ). We explored the design, testing, and enhancement of exhaust gas cleaning systems, focusing on retrofitting existing vessels to comply with International Maritime Organization (IMO) regulations. Chapter 1 reviews various types of scrubbers for seaborne operations, assessing secondary emission risks and efforts to reduce CO₂ through on-board carbon capture and alternative fuels. Chapter 2 addresses the challenges posed by sea waves on floating fluidized beds, using a hexapod-mounted bed to simulate marine conditions, analyzed through Digital Image Analysis (DIA) and Particle Image Velocimetry (PIV). Chapter 3 examines the hydrodynamics and solids mixing in marinized bubbling fluidized beds under different gas distribution patterns and bed orientations, comparing conventional vertical setups with inclined and rolling configurations. Chapter 4 introduces mobile internal elements into bubbling fluidized beds to address gas maldistribution and slug formation, testing various packing types, including Super Raschig rings, for their effectiveness under marine conditions. Chapter 5 tackles roll-induced maldistribution by testing geometric strategies of bed internals, such as rhombic and herringbone patterns, and vertical baffle arrays, for their impact on fluidization stability. Our findings provide significant insights into the design and operation of fluidized bed reactors in dynamic marine environments, contributing to the advancement of sustainable and efficient maritime operations.

Considérant l'effet des parois sur la croissance des bulles, nous avons récemment utilisé des plaques ondulées comme cloisons dans des lits minces fluidisés gaz-solide à multi-compartiments. Des analyses approfondies de la dynamique des bulles et du transfert de chaleur paroi-lit dans des lits fluidisés à cloisons planes (FWBFB) ou ondulées (CWBFB) ont été effectuées pour une variété de déclinaisons pariétales et des conditions d'opération couvrant une large gamme d'angles d'ondulation (θ = 120 °, 90 °), de distances moyennes inter-paroi (C), de hauteurs initiales de repos du lit et des rapports de vitesses superficielles du gaz aux vitesses minimales de barbotage, Ug/Umb. Il a été observé que le débit de gaz nécessaire pour amorcer le barbotage était plus faible dans le cas du CWBFB. Par ailleurs, un réseau de zones cou (distance minimale) et hanche (distance maximale) du CWBFB a également favorisé la rupture des bulles, une haute fréquence des bulles, une faible vitesse de montée des bulles et donc tous convergeant vers une meilleure distribution de gaz. Le CWBFB a offert un fonctionnement de fluidisation gaz-solide stable, une faible hauteur de désengagement de transport (HDT) comparé à FWBFB. CWBFB offert significanlty supérieur coefficient de transfert de mur-à-lit chaleur comapred à FWBFB. Des simulations complètes de type mécanique des fluides numériques (CFD) transitoires Euler-Euler 3-D ont également été menées, ce qui a permis de mieux comprendre les effets de parois ondulées sur l'augmentation de la force de traînée sur les particules dans des zones à hautes pressions convergentes-divergentes des parois ondulées. Ceux-ci ont indiqué des changements notables dans le régime de fluidisation en remplaçant les parois planes par des parois ondulées et ont en outre révélé que les zones cou étaient responsables de la création des instabilités comparativement aux zones hanche. La moyenne dans le temps des contours de la fraction volumique simulée de gaz a corroboré avec les résultats expérimentaux que le CWBFB a offert la meilleure distribution de gaz par rapport à FWBFB. Les profils axiaux de la moyenne dans le temps de la fraction volumique solide simulée ont montré que CWBFB réduit de façon nette la HDT. / With the endeavor of approaching an ideal allothermal gasifier, recently our group proposed a reactor concept of allothermal cyclic multi-compartment bubbling fluidized beds for biomass gasification with steam. The concept consisted of multiple intercalated parallelepipedic slim gasification and combustion compartments to enhance unit heat integration and thermal efficiency while preventing contact between flue gas and syngas to generate a N2-free high-quality biosyngas. However, the efficiency of contacting between gas and particles in bubbling fluidized beds is dictated to a large extent by the bubble dynamics which impacts mixing, heat and mass transfers. Literature showed that the decrease in clearance between flat walls for slim fluidization enclosures or in diameter for cylindrical vessels would make fluidized beds very sensitive to wall effects and prone to operate in slug flow regime. Since the occurrence of slugging in multi-compartment slim beds could reduce their thermal and chemical efficiency, the objective of current work was to devise suitable strategies in treating the incipient bubbles to suppress the slugging behavior of bed. By considering the effect of walls on bubble growth, we recently employed corrugated plates as separating walls in slim multi-compartment gas solid fluidized beds. Thorough analyses of bubble dynamics and wall-to-bed heat transfer in flat- (FWBFB) and corrugated- (CWBFB) wall bubbling fluidized beds were performed for a variety of wall declinations and operating conditions covering a range of corrugation angles (θ=120o, 90o), average inter-wall clearances (C), initial rest bed heights (Hi) and ratios of gas superficial velocity to minimum bubbling velocity, Ug/Umb. It was observed that gas flowrate required to achieve the incipient bubbling condition was lower in case of CWBFB. A network of neck (minimum clearance) and hip (maximum clearance) locations in CWBFB also promoted bubbles breakup, higher bubble frequency, lower bubble rise velocity and thus all converging into a better gas distribution. CWBFB offered stable gas-solid fluidization operation and lower transport disengagement height as compared to FWBFB. During the experimental work, digital image analysis technique and fast response heat flux probes were employed to study the effects of operating and geometrical parameters on bubble dynamics and wall-to-bed heat transfer. Two artificial neural network correlations valid both for FWBFB and CWBFB were recommended for the estimation of bubble frequency and size (equivalent diameter). Full 3-D transient Euler-Euler CFD simulations with kinetic theory of granular flow were also carried out which helped shaping an understanding of the effects of corrugated walls on increasing the drag force on particles in the converging-diverging high-pressure zones in corrugated walls. The dynamic fluctuations in the simulated solid phase volume fraction, granular temperature and granular pressure were monitored to determine their standard deviations. These revealed notable shifts in the fluidization regime by replacing flat walls with corrugated walls and further revealed that necks were responsible for inception of instabilities as compared to hips. Time averaged contours of simulated gas volume fraction corroborated with experimental findings that CWBFB offered better gas distribution as compared to FWBFB. Axial profiles of simulated time averaged solid volume fraction and granular temperature showed that CWBFB significantly reduced the transport disengagement height as compared to FWBFB.

Le contrôle de la qualité est une étape critique lors de la fabrication de produits pharmaceutiques. Pour accomplir cette tâche, différentes méthodes de laboratoire peuvent être utilisées, mais celles-ci sont habituellement coûteuses et exigent beaucoup de temps. Une alternative suggérée par l'agence réglementaire Food and Drug Administration est l'utilisation d'outils permettant l'analyse en continu, dont entre autres les outils spectroscopiques comme le proche infrarouge par exemple. Une des applications de cette technologie est le suivi de l'humidité d'une poudre pharmaceutique lors de son séchage dans un lit fluidisé. Une sonde à réflectance, qui est attachée au spectromètre, est insérée dans le bol du lit fluidisé et des spectres sont acquis tout au long du procédé. L'interprétation des spectres obtenus nécessite toutefois l'application de l'analyse multivariée et l'utilisation de plusieurs tests statistiques. Une courbe de calibration peut ainsi être construite et être utilisée au lieu des tests réalisés au laboratoire. Néanmoins, les paramètres critiques du spectromètre peuvent influencer la performance de la courbe de calibration bâtie. Par ailleurs, les articles publiés sur le sujet d'intérêt mentionnent que l'emplacement de la sonde, c'est-à-dire son angle et sa hauteur dans le bol, est critique pour l'obtention d'une acquisition spectrale de qualité. Or, aucun article n'a été publié sur la détermination de cet emplacement optimal et aussi sur le type d'embout à utiliser pour s'assurer d'une bonne lecture spectrale. Tout d'abord, des courbes de calibration ont été construites pour deux produits différents, soient un supplément vitaminé et un anti-inflammatoire. La méthodologie utilisée pour ces modélisations chimiométriques était innovatrice, car seulement des échantillons provenant de l'usine étaient utilisés et les spectres acquis avec le spectromètre étaient répliqués pour chaque échantillon collecté. Par la suite, un embout permettant une acquisition spectrale de qualité a été conçu et le nombre moyen de scans/spectre a été déterminé. En ayant fixé ces deux paramètres, la performance de la courbe de calibration construite pour le supplément vitaminé a été évaluée dans le lit fluidisé dans un environnement de production. Enfin, des plans d'expériences réalisés dans le lit fluidisé au laboratoire avec les deux produits ont permis d'évaluer l'effet des paramètres critiques du spectromètre sur les performances des courbes de calibration. Les tests statistiques effectués sur les deux courbes de calibration montrent de bonnes corrélations entre les prédictions par le spectromètre et les valeurs de référence. Par ailleurs, les essais réalisés dans un environnement de production ont démontré qu'un embout comportant une cavité permettant à la poudre de se stabiliser ainsi qu'un faible nombre de scans/spectre assurent une acquisition spectrale de qualité. Uniquement la courbe de calibration construite pour le supplément vitaminé a été évaluée dans un environnement de production ; le modèle chimiométrique réussit à bien prédire la fin de séchage. Enfin, les conclusions obtenues suite aux plans d'expériences réalisés dans le lit fluidisé au laboratoire ne peuvent pas être généralisées à différents produits. Il a aussi été démontré qu'il est difficile d'acquérir des spectres en mode dynamique et d'interpréter les résultats associés aux réplicas d'essais. Des travaux futurs sont suggérés pour investiguer certaines questions suscitées par cette recherche.

Abstract: Sodium bicarbonate is one of the major chemical compound used worldwide. We have studied the mechanisms presiding the crystallization of this product in order to identify the kinetic parameters. To be assured of the relevancy of our experimental results, we developed new and accurate measurement techniques to follow the supersaturation and to characterize the crystal morphologies of NaHCO3 like density measurement and images analysis. The systematic study of the mechanisms and the kinetic parameters of the crystallization of NaHCO3 has been conducted by the use of three different types of crystallizers conceived and built at the Department of Industrial Chemistry of ULB : a fluidized bed crystallizer, a classic MSMPR crystallizer and a bubble column. By this choice, we were able to thoroughly investigate the intrinsic phenomena occurring in the crystallization of NaHCO3 from the ideal condition to the conditions close to the industry. A NaHCO3 solution is typically a three components equilibrium, NaHCO3, Na2CO3 and CO2, depending on temperature. Our developed method of density measurement allows to measure continuously the supersaturation, during the crystallization. This method permits to neglect complex side effects due to Na2CO3 or dissolved mineral impurities. Density measurements are quick, sensitive and reliable. We have shown that the growth of sodium bicarbonate is widely controlled by a reaction step at 45°C (< 200 µm). A diffusion step controlled growth occurs however for large crystals (>300-425µm) which consume much less material than the small ones. We have shown that the secondary nucleation of NaHCO3 is principally dominated by the surface nucleation. The shape of the crystals obtained experimentally is in agreement with the theory, and strongly related to the size of the crystals and to the presence of impurities. Based on experience of NaHCO3 crystallization without introduction of impurity, we have demonstrated that Ca2+ and Mg2+ suppress crystallization kinetics. In the end, we have taken a brief look at the precipitation of NaHCO3 by gaz-liquid reaction in a bubble column. By a comparative and a fundamental approach, our experimental studies lead us to improve our understanding and the operational parameters of the NaHCO3 industrial refining process. Key words: Industrial crystallization, Sodium bicarbonate, Density measurement, Fluidized bed, MSMPR, Bubble column, Crystal growth, Nucleation Résumé: Le bicarbonate de sodium (NaHCO3) est un produit chimique important sur le marché mondial. Nous avons étudier les mécanismes de la cristallisation de ce produit afin d'en déterminer les paramètres cinétiques. Afin de garantir l'analyse la plus objective de ces phénomènes, nous avons développé des techniques de mesures originales pour la connaissance de la sursaturation et pour la caractérisation des cristaux de NaHCO3 par densimétrie et par analyse d’images. L'étude systématique des cinétiques et des mécanismes de cristallisation du NaHCO3 a été réalisée au moyen de trois cristallisoirs de conception différente, développés et construits au laboratoire du Service de Chimie Industrielle de l'ULB: un cristallisoir à lit fluidisé, un cristallisoir à cuve agitée MSMPR et une colonne à bulles. Ce choix nous a permis d'approfondir notre connaissance des phénomènes intrinsèques de la cristallisation du NaHCO3 dans des conditions idéales et des conditions proches des procédés industriels. Une solution de NaHCO3 est un système à l’équilibre à trois composantes, NaHCO3, Na2CO3 et CO2 fonction de la température. La mise au point de la méthode densimétrique a permis la mesure de la sursaturation en NaHCO3 en continu. Cette méthode permet de s’affranchir des complications introduites par la présence de Na2CO3 et des impuretés inorganiques en solution. Les mesures de masse volumique sont rapides, précises et sensibles. Nous avons démontré que la croissance du bicarbonate de sodium est largement dominé par l'étape de réaction à 45°C (< 200 µm). L'étape de diffusion intervient cependant dans la croissance de grands cristaux (>300-425µm) qui ne sont toutefois pas les plus grands consommateurs de matière. Nous avons mis en évidence que le mécanisme de la germination secondaire du NaHCO3 est principalement une germination secondaire vraie. La forme des cristaux obtenus est parfaitement en accord avec la théorie et dépend étroitement de la taille des cristaux mais également de la présence d'impuretés. En se basant sur les expériences de cristallisation du NaHCO3 sans introduction d’impuretés, nous avons démontré les effets de ralentissement des cinétiques de cristallisation d'ions tels que Ca2+ et Mg2+ . Nous avons enfin brièvement abordé la précipitation du NaHCO3 par réaction gaz-liquide dans une colonne à bulles. Cette approche expérimentale, comparative et fondamentale a permis d'affiner notre compréhension et d’optimiser un procédé industriel de raffinage du bicarbonate de sodium. Mots clés: Cristallisation industrielle, Bicarbonate de sodium, Densimétrie, Lit fluidisé, MSMPR, Colonne à bulles, Croissance des cristaux, Germination

L'incinération des boues en lit fluidisé est un processus très complexe, produisant des polluants gazeux (monoxyde de carbone (CO) et oxydes d'azote (NOx)). Les normes de rejet doivent être respectées malgré les variations en quantité et en composition des boues à traiter. Une régulation de l'oxygène du four assure la maîtrise du CO mais pas des NOx. Leur formation, due à de nombreuses réactions chimiques à partir de l'azote des boues, est mal connue. Un modèle prédisant les émissions de NOx a été établi. L'étude bibliographique a conduit à négliger les réactifs solides dans le four, et donc à simplifier fortement l'hydrodynamique et le nombre de réactions chimiques. Le modèle a été validé avec des mesures industrielles. Les résultats de simulation valident les hypothèses de simplification, mais nécessitent un recalage de la composition des boues. La stratégie de commande établie ensuite garantit le respect des normes des émissions de NOx.

L'utilisation des réacteurs en lit fluidisé pour l'étude cinétique des réactions hétérogènes présente de nombreux avantages sur les autres types de réacteurs car les coefficients de transfert de chaleur et de matière sont généralement plus élevés que dans tout autre contacteur. En effet, on arrive dans ce type de réacteur à diminuer considérablement la période transitoire, à travailler dans des conditions pratiquement isothermes quelle que soit l'importance de la charge et à réaliser la transformation simultanée de toutes les particules grâce au mélangeage quasi parfait des solides. Cependant, le débit du gaz doit être compris entre des limites assez étroites. L'existence d'un gradient de concentration dans la phase fluide, les phénomènes d'attrition et d'agglomération, s'ils compliquent l'étude théorique la rendent en même temps plus proche des conditions rencontrées dans l'industrie. Nous présentons cette technique des réacteurs à lit fluidisé pour l'étude de la décomposition thermique de l'hydrogénocarbonate de sodium suivant la réaction globale : Dans le procédé industriel cette décomposition est réalisée dans un four tournant dans lequel la couche de particules se rapproche d'une couche fluidisée. Les résultats présentés ne constituent que la première étape d'un travail beaucoup plus vaste. Nous nous sommes particulièrement attachés à déterminer l'influence sur la cinétique de décomposition des paramètres agissant sur la texture du lit fluidisé.