Nous avons développé un système microfluidique où des particules magnétiques entraînées par un flux hydrodynamique restent confinées dynamiquement grâce à un champ magnétique au sein d'une micro-chambre. Ces particules sont employées comme support pour un immuno-dosage. Le projet européen Nadine dans lequel s'inscrit ce travail vise au développement d'un module destiné au diagnostic précoce de la maladie d'Alzheimer à partir du sang. Ce système dense et dynamique évoque un lit fluidisé, et son comportement a été interprété dans cette perspective. Bien que les lits fluidisés gravitationnels aient été largement étudiés à une échelle macroscopique, leurs intégrations en microfluidique demeurent impossible, la force de gravitation n'équilibrant plus les forces hydrodynamiques à cette échelle. Les forces magnétiques offrent l'opportunité d'étendre le principe du lit fluidisé aux systèmes miniaturisés, et à notre connaissance, notre système constitue la première réalisation d'un lit fluidisé stabilisé magnétiquement en microfluidique. Ce nouveau système autorise une forte densité en particules (nécessaire pour une capacité élevée), une agitation hydrodynamique (pour accroître la cinétique de capture et son efficacité) et un flux élevé (permettant la concentration d'analytes très diluées). Ce module a été validé à l'aide d'un immuno-dosage-modèle (IgG/anti-IgG), par l'emploi d'une stratégie de type stop-and-go, qui permet de bénéficier pleinement de la nature dynamique des colonnes magnétiques. Le système permet par ailleurs l'enrichissement continu en analytes du lit de particules, ce qui augmente significativement la sensibilité de détection (LOD ~ 6,5 pM).

Les minerais d’uranium sont généralement peu concentrés avec des teneurs en uranium inférieures à 1%. Pour éviter le transport inutile de tonnages importants sur de longues distances, des opérations de purification et de concentration s’effectuent à proximité immédiate des sites miniers. Après purification, l’uranium est précipité pour conduire à un concentré solide appelé couramment « Yellow-Cake » et contenant entre 70 et 76% d’uranium. Cette thèse apporte une contribution à l’étude du procédé de précipitation du Yellow-Cake, sous forme de peroxyde d’uranium, en réacteur à lit fluidisé. Afin de mieux comprendre tous les mécanismes mis en jeu au cours de la précipitation, nous avons développé des méthodes permettant de mettre au point un modèle de solubilité, de compléter les données cinétiques et de proposer un modèle décrivant le procédé de précipitation en réacteur à lit fluidisé. Les cinétiques de nucléation et de croissance cristalline ont été déterminées par Planteur (2013). L’identification de la loi cinétique d’agglomération consiste en la détermination du noyau d’agglomération en fonction des paramètres influençant le mécanisme d’agglomération. Plus précisément, dans le cas du peroxyde d’uranium, le mécanisme d’agglomération est caractérisé par un noyau d’agglomération constant par rapport à la taille des particules, mais proportionnel à la vitesse de croissance cristalline (ordre 1 vis-à-vis de la sursaturation) et une vitesse d’agglomération freinée significativement par une augmentation du taux de cisaillement. L’étude expérimentale du procédé de précipitation du peroxyde d’uranium en réacteur à lit fluidisé a porté sur l’influence des conditions opératoires sur la qualité du produit final obtenu : vitesse d’agitation, capacité du réacteur et teneur en sulfate. À partir des données expérimentales obtenues en réacteur à lit fluidisé sur une installation pilote, un modèle de réacteur parfaitement mélangé avec séparation de la phase solide (MSSPR) est développé avec succès pour le procédé de précipitation du peroxyde d’uranium. Le modèle proposé peut ensuite être mis à profit pour dimensionner les précipitateurs à lit fluidisé du type MSSPR / Currently exploited uranium deposits contain less than 1% of uranium. Once uranium ore has been extracted, it is transported to a processing plant. Purification and concentration are required in order to reduce the cost of uranium transportation. The precipitation of uranium present inside mill leach solutions produces a solid known as yellow cake. This precipitate contains around 75% uranium. This PhD thesis deals with the yellow cake precipitation process in a fluidized-bed reactor. The process produces uranium peroxide. We develop methods for studying the kinematic mechanisms that take place during the precipitation process. We provide a global model of the uranium peroxide precipitation process in a fluidized-bed reactor. Planteur (2013) studies the kinematics of uranium peroxide nucleation and crystal growth. His thesis work presents a parametric study that quantifies the influence of operating parameters on the agglomeration mechanism. The uranium peroxide agglomeration kernels are found to be particle size-independent, directly proportional of the crystal growth rate, and inversely proportional to the average shear rate. Our experiment stresses the influence of key operating parameters on the yellow cake precipitation in a fluidized-bed reactor. We investigate the effects of stirring speed, feed flow, and sulfate concentration on the uranium peroxide precipitation. We use our experimental results for modeling the precipitation process. We propose a model called Mixed Suspension Separated Product Removal (MSSPR). The successful application of this model reveals its potential for sizing fluidized-bed reactors at the industrial scale

Le but de cette thèse est de caractériser le comportement de la phase solide marquant le régime turbulent dans la zone dilué d’une colonne à lit fluidisé circulant et définir sa limite supérieure qui marque la transition au régime de fluidisation rapide. Une série d’expériences ont été réalisé dans ce sens surtout pour déterminer les vitesses des particules et leurs écarts types en utilisant la technique laser doppler vélocimétrie. L’étude est divisée en deux parties principales, la première a consisté à déterminer le comportement moyen de la phase solide et la structure macroscopique du lit ainsi que son comportement fluctuant à partir de l’analyse du mouvement axial et transversal des particules avec et sans séparation des particules suivant leurs sens de mouvement (ascendante/ descendante, dirigée vers le centre de la colonne / la paroi). La deuxième partie a consisté d’étudier la transition entre le régime turbulent et le régime de fluidisation rapide à partir de l’analyse de l’évolution des grandeurs moyennes et fluctuantes du lit localement au centre et en paroi (surtout les vitesses des particules, leurs écarts-types, et le taux de particules en circulation). Sur la base de ces observations nous avons défini un nouveau régime intermédiaire entre le régime turbulent et le régime de fluidisation rapide que nous avons appelé régime "Pré-fluidisation rapide" qui partage beaucoup de caractéristiques avec le régime de fluidisation rapide mais sans variation sensible sur le taux de solide récupéré en sortie. / The aim of this thesis is to characterize the solid phase behavior marking the turbulent fluidization regime in the dilute zone of a circulating fluidized bed riser and set its upper limit, which marks the transition to the fast fluidization regime. A series of experiments were conducted in this direction, especially to determine the particle velocities and their standard deviations using laser Doppler velocimetry technique. The study is divided into two main parts, the first was to determine the average solid phase behavior and the macroscopic structure of the bed in this region and its fluctuating behavior from the analysis of axial and transversal particle motions with and without separation of particles according to their movement direction (up / down, directed toward the center of the column / wall). The second part consists of studying the transition between the turbulent and fast fluidization regime from the analysis of the evolution of mean and fluctuating flow quantities locally in the center riser and in the wall (especially the particle velocity, their standard deviations, and the particle flow rate). Based on the results observations, we have identified a new intermediate regime between the turbulent and the fast fluidization regime that we called "Pre-fast fluidization" regime which shares many characteristics with the fast fluidization regime, but without any significant change in the solid flow rate collected on the column exit.

La conversion thermochimique de la biomasse en lit fluidisé circulant permet la production d’un gaz à haute valeur ajoutée, utilisable dans de nombreuses applications. L’objectif de ces travaux est de mieux comprendre et modéliser les phénomènes couplés, hydrodynamiques et réactifs, se déroulant en lit fluidisé circulant. Dans un premier temps, un pilote de pyrogazéification de 20 kg/h de biomasse en lit fluidisé circulant a été conçu. L’étude hydrodynamique de ce pilote a ensuite été réalisée entre 20 et 950 °C. Les résultats ont permis d’établir des règles de design et de fonctionnement de réacteurs de gazéification en lit fluidisé circulant. Dans un second temps, une étude de la pyrogazéification de la biomasse a été réalisée en lit fluidisé dense ainsi qu’en lit fluidisé circulant, entre 750 et 850 °C. L’étude de l’influence de nombreux paramètres opératoires (températures, pression partielle de la vapeur d’eau, débit de biomasse, débit de circulation, inventaire et nature du média, forme de la biomasse) sur les performances de la gazéification a permis d’identifier les paramètres clés permettant de contrôler la composition ainsi que le volume de gaz de synthèse produit. Par ailleurs, à partir des résultats expérimentaux, un schéma réactionnel est proposé pour la pyrolyse de la biomasse étudiée. Enfin, un outil de modélisation du réacteur de gazéification de la biomasse en lit fluidisé dense et circulant, intégrant les réactions de pyrolyse, de gazéification, de water-gas shift et de reformage des goudrons a été développé et validé sur les résultats expérimentaux.

L’étude multi-échelle d’un lit fluidisé gaz-particule est réalisée afin de comprendre les raisons de la mauvaise prédiction de la combustion dans ce type de réacteur. Dans un premier temps, des simulations numériques directes à l’échelle de quelques particules montrent le couplage entre la fraction volumique de particules et la fraction massique des espèces dans l’écoulement. Ensuite, une analyse des équations flitrées en LES montre qu’un terme de corrélation fluide-particule apparaît lorsque l’on explicite le taux de réaction gaz-particules. On comprend alors que si ce couplage n’est pas pris en compte correctement dans les simulations aux grandes échelles, le résultat ne peut pas être bon. Des simulations numériques à l’échelle du réacteur sont alors réalisées avec différents maillages pour tenter de mettre en évidence les effets de sous-maille liés à ce couplage à l’échelle des petites structures solides dans l’écoulement. / The multiscale study of a reactive gas-solid fluidized bed is performed to understand the reason of the bad prediction of the combustion in such a reactor. First, Direct Numerical Simulations at the particle array lenght scale show the dependency of the species mass fraction released in the gas phase on the solid volume fraction. Then, the analysis of the filtered continuity equations for the eulerian granular model highlights that a fluid-particle coupling term appears when expliciting the heterogeneous reaction rate. Therefore, we understand the need to take this coupling into account in large scales simulations to obtain good results. Computations at the lab-scale reactor are eventually performed using different grid refinements in order to try to highlight the subgrid terms due to this coupling at the small solid structure scale.

Un procédé simple, compact et continu a été utilisé pour élaborer des particules nanométriques d’oxyde de fer. Il est constitué principalement de deux étapes : une première étape de génération du solide en réacteur à lit fluidisé, une deuxième étape de calcination couplée à un filtre à manches métalliques qui permet de récupérer des particules nanométriques d’oxyde de fer. Différentes analyses ont permis de caractériser les particules obtenues à chacune des deux étapes. Le produit obtenu au cours de l’étape de génération du solide est de la ferrihydrite sous forme de particules micrométriques constituées d’agglomérats de particules nanométriques. L’étape de calcination conduit à la formation de particules nanométriques d’hématite. Elles ont une taille médiane inférieure au µm et présentent une distribution de taille resserrée, ce qui est difficilement atteignable par les procédés conventionnels. Les particules sont constituées d’agglomérats de grains élémentaires de quelques dizaines de nanomètres. Leur surface spécifique BET et leur masse volumique réelle sont comparables à celles mesurées sur un produit commercial. L’étude de l’influence des conditions opératoires du procédé a permis de définir les paramètres optimaux à fixer pour obtenir une hématite pure et peu agglomérée. L’étude du mécanisme réactionnel, réalisée en thermobalance, dans un four à moufle et à l’aide d’une veine de séchage a montré que la décomposition de la solution de nitrate de fer nonahydraté en hématite se déroule en trois phases : une première phase accompagnée d’une perte de l’eau libre et de sept molécules d’eau de constitution, une deuxième phase rapide accompagnée d’une perte des molécules de nitrate jusqu’à l’obtention de la ferrihydrite, une troisième phase lente accompagnée d’une perte de nitrate et d’eau restants jusqu’à l’obtention d’hématite amorphe qui est ensuite cristallisée à haute température. Les deux premières phases ont lieu dans le réacteur à lit fluidisé, alors que la troisième se déroule dans le réacteur de calcination. Une étude cinétique de cette dernière phase a été réalisée en thermobalance. Elle a démontré que l’énergie d’activation est faible et que le processus est complexe. / A simple, compact and continuous process was used to synthesize iron oxide nanoparticles. This process is divided in two parts: dry particles generation and calcination. Different analytical techniques have permitted to characterize the produced particles.The obtained product at the dry particles generation step is ferrihydrite. The particles are constituted of agglomerated nanoparticles. The calcination step allows producing hematite nanoparticles. These ones have a median size less than a micron and a narrow particle size distribution, which is difficult to achieve using conventional methods. These particles are constituted of agglomerated elementary particles which have a size of a few tens of nanometers. The specific surface area and the density of the produced hematite in the process are comparable to those measured on a commercial product. The influence of process conditions was also investigated and the results were analysed to define the optimal operating conditions to produce pure hematite slightly agglomerated. The study of the reaction mechanism, performed in a thermobalance, an oven and a convective dryer showed that the solution of iron nitrate nonahydrate decomposes into hematite according to three steps: removal of free water and seven molecules of constitution water, rapid loss of nitrate molecules until ferrihydrite is formed, removal of remaining nitrate and water leading to the formation of amorphous hematite which is then crystallized at high temperature. The two first steps take place in the fluidized bed reactor, while the third one is performed in the calcination reactor. A kinetic study of the last transformation was performed in a thermobalance. This study showed that the activation energy is low and the reaction is complex.

La conversion thermochimique à haute température (>700°C) de la biomasse en double lit fluidisé circulant est une voie alternative aux énergies fossiles (pétrole, charbon) pour la production d’un gaz de synthèse à haute valeur énergétique, utilisable dans de nombreuses applications. L’objectif de cette thèse est de développer des méthodologies et des outils théoriques et expérimentaux permettant d’accéder aux cinétiques des transformations élémentaires (pyrolyse de la biomasse, gazéification et combustion du char, craquage et reformage des goudrons) présentes dans le procédé de gazéification de la biomasse en double lit fluidisé circulant. Dans un premier temps, un mini-réacteur à lit fluidisé fonctionnant entre 300 et 1000°C avec une alimentation en gaz parfaitement contrôlée (N2, O2, H2, H2O et goudrons) a été conçu et mis au point au Laboratoire de Génie Chimique de Toulouse. Un système d’échantillonnage et d’analyse de la phase gaz permet de quantifier en continu les fractions molaires des gaz incondensables et des goudrons produits. Une étude hydrodynamique et thermique a permis de déterminer les points de fonctionnement du réacteur pour chaque transformation élémentaire étudiée. Dans un second temps, les études de gazéification et de combustion du char ont été réalisées dans le mini-réacteur à lit fluidisé. L’influence de nombreux paramètres opératoires (température, pression partielle des différents constituants) a permis de comprendre la formation des différents produits et de modéliser les cinétiques de transformation du solide. Dans le cas de la combustion du char, un mécanisme réactionnel a également été établi et la cinétique obtenue en lit fluidisé a été comparée à celle déterminée par analyse thermogravimétrique. Enfin, une étude sur le reformage d’un goudron modèle (toluène) en lit fluidisé a mis en évidence l’effet de l’atmosphère réactionnelle sur le mécanisme de dégradation du toluène sur l’olivine et le char. / The thermochemical conversion of biomass at high temperature (>700°C) in Fast Internally Circulating Fluidized Bed (FICFB) is a promising alternative route to fossil fuels (oil, coal) to produce syngas which can be used in several applications. The aim of the present work is to develop methodologies as well as theoretical and experimental tools for determining the intrinsic kinetic of biomass transformations (biomass pyrolysis, char gasification and combustion, cracking and reforming of tars). Firstly, a fluidized bed reactor has been designed and built at the Laboratory of Chemical Engineering (LGC). This reactor can operate for temperatures between 20 and 1000°C with a well-defined gas supply (N2, O2, H2, H2O and tars). A sampling and analysis gas system enables the continuous quantification of the non-condensable gases and tars molar fractions. A hydrodynamic and thermal study enabled the determination of the operating conditions for each experimental study. Secondly, the char gasification and combustion was performed in the fluidized bed reactor. The influence of the operating conditions (temperature and compounds partial pressure) led to the modelling of the different solid transformation kinetics. Besides, in the case of char combustion, a reaction scheme was proposed and the kinetic obtained in the fluidized bed was compared to that obtained in a thermogravimetric analyzer. Finally, a study on the tar reforming in a fluidized bed reactor highlighted the effect of the reactive atmosphere on the reaction scheme of toluene conversion over olivine and char.

Cette étude s’inscrit dans le cadre du développement d’une nouvelle technologie de concentration du CO2 intégrée à la cimenterie. Le principe de cette technologie repose sur une décarbonatation de la matière crue par contact avec un solide caloporteur dans un procédé innovant qui conduit à un dégagement de CO2 pur à haute température. Ce CO2 pourra ensuite être stocké dans le sous-sol ou valorisé chimiquement. L’objectif de ce travail est d’étudier la décarbonation du cru dans les conditions opératoires qui simulent le plus fidèlement possible la nouvelle unité industrielle. D’abord, la cinétique de décarbonation est étudiée en thermobalance sur des échantillons de poudre de CaCO3 pur qui est le composé majoritaire du cru. Les résultats conduisent à une meilleure compréhension des phénomènes qui pilotent la réaction ainsi qu’à l’élaboration des lois cinétiques permettant de prédire l’effet de la température entre 600 °C et 930 °C, et de la pression partielle de CO2 entre 0 atm et 1 atm sur l’avancement de la réaction. Ensuite, les interactions pouvant se produire entre le CaCO3 et les autres solides qui composent un cru industriel, lors de sa calcination sous atmosphère de CO2 pur, sont étudiées sur le plan cinétique (thermobalance), thermodynamique (simulations) et morphologique (DRX et DRX in situ). Enfin, dans le but de simuler la décarbonatation du cru et son élutriation dans le procédé réel, et en particulier dans la partie basse du nouveau calcinateur, un pilote fonctionnant à chaud a été réalisé au cours de ce travail. Il permet d’effectuer la décarbonatation du cru alimenté en discontinu et en continu dans un lit de média fluidisé (clinker ou olivine). Ont été examinées les influences de la température, de la vitesse de gaz, du débit de solide et de la nature du gaz de fluidisation (CO2 pur ou mélange air/CO2) sur les phénomènes hydrodynamiques (élutriation, accumulation, temps de séjour …), les interactions cru-média et le degré d’avancement de la réaction de décarbonatation.

Des phénomènes de fluidisation de billes magnétiques apparaissent à l'échelle micrométrique au sein du système de lit fluidisé microfluidique. On obtient un fonctionnement en flux continu à basse pression de travail avec un étroit contact liquide/solide et une recirculation constante des billes, des caractéristiques avantageuses pour des applications dédiées à la pré-concentration de cibles biologiques. La caractérisation du système physique a montré l'influence de paramètres tels que la géométrie de la chambre ou la distribution du champ magnétique, leur optimisation étant nécessaire pour obtenir des phénomènes de fluidisation à cette échelle et améliorer le mélange et la distribution des billes. De plus, le potentiel du lit fluidisé comme plateforme pour des bio-essais analytiques a été exploré avec succès lors d'applications biologiques: 1) la pré-concentration de bio-markers de la maladie d'Alzheimer et leur marquage in situ pour un future couplage avec des techniques de détection sensibles; 2) la détection de bactéries sans besoin de marquage préalable à travers une immuno-capture suivie d'une culture donnant lieu à des changements physiques du support fluidisé; 3) l'extraction d'ADN contenant un gène cible et son ultérieur amplification enzymatique sur la surface des billes, suivie d'une détection multiplexée des mutations présentes par un système de microarray. Ainsi, le lit fluidisé magnétique rend possible des applications au de-là d'un simple système de pré-concentration, permettant son utilisation comme une plateforme efficace de biologie moléculaire allant jusqu'à l'utilisation des propriétés autorégulatrices inhérentes au système comme mécanisme de détection. / With the use of an external magnetic field and magnetic microbeads, the microfluidic magnetic fluidized bed system enables fluidization phenomena at the microscale. This results in flow-through operations at low driving pressures with intimate liquid/solid contact and a continuous beads recirculation, interesting for efficient biological target preconcentration applications. The physical system has been characterized, showing the importance of chamber angle of aperture and height confinement as well as magnetic field distribution parameters, to obtain fluidization and further enhance mixing and maximize beads density. Further, the potential of the fluidized bed as a platform for analytical bioassays has been successfully explored with a series of biologically relevant applications: (1) the preconcentration of rare Alzheimer’s biomarkers together with their in situ fluorescence labeling for future enhanced detection with hyphenated techniques; (2) the label-free sensitive detection of bacteria in liquid food samples through the specific immunocapture and on-chip culture of these microorganisms and the resulting physical changes induced in the fluidized support; (3) the gene-specific extraction of DNA and its subsequent enzymatic amplification on the surface of the beads, coupled to a microarray detection system for a multiplexed detection of cancer-inducing mutations. These results show that the applications of the magnetic fluidized bed go beyond its initial conception as a dynamical affinity-based concentrator, serving as an efficient platform for molecular biology protocols and even making use of its inherent auto-regulating properties as a detection mechanism.

Ce travail traite du rôle des interactions entre les composés inorganiques (cendres) et les matériaux du lit pendant la gazéification de miscanthus en lit fluidisé. Les objectifs étaient :-1) de décrire la transformation des inorganiques à haute température ; -2) de comprendre leur rôle dans l’agglomération ; et -3) de proposer des recommandations. Les principaux éléments inorganiques présents dans le miscanthus sont K, Si Ca, Mg, P, S et Cl. Les cendres sont constituées de silice, de carbonates et de sels. Les carbonates et les sels se décomposent et se volatilisent à 700 °C. Les Ca et Mg silicates sont les phases solides majoritaires à haute température. La phase liquide est constituée de SiO2, K2O, CaO et MgO quel que soit la nature de l’atmosphère. Les résultats expérimentaux ont été comparés aux calculs thermodynamiques. Il apparait que les bases de données FToxid et FTsalt peuvent être utilisées pour prévoir les tendances des transformations de phases en température. Les interactions entre les cendres et les matériaux du lit ont été étudiées en conditions statiques et dynamiques. Les conclusions sont les suivantes : -1) la mouillabilité des cendres sur les matériaux du lit est un paramètre clé dans l’agglomération ; -2) l’adhésion augmente dans l’ordre suivant : silice → olivine → olivine calcinée ; -3) il y a peu de différences en atmosphère oxydante ou réductrice -4) la présence de deux liquides immiscibles est observée en atmosphère réductrice. Des traces de sulfures et de résidus carbonés ont aussi été observées. Des expériences ont été effectuées à haute température, en conditions dynamiques, avec un dispositif expérimental de laboratoire et avec un pilote de gazéification à lit fluidisé. En condition dynamique, la température est un paramètre très important. Le lavage de la biomasse et l’ajout de kaolin permettent de limiter l’agglomération. Dans le gazéifieur pilote, les gros agglomérats se retrouvent préférentiellement au niveau de la grille et limite la fluidisation. Les teneurs en Fe, Cr et Al de la phase liquide sont plus importantes que celles observées en laboratoire. / This work studies the role of inorganics in ash-bed material interaction during thermal conversion of miscanthus in fluidized bed. The objectives were (1) to describe the transformation of inorganics at high temperature, (2) to reveal their role in the agglomeration and (3) to provide recommendations for miscanthus gasification in fluidized bed. The main ash forming elements in miscanthus are K, Si, Ca, Mg, P, S and Cl. The ashes are composed of silica, carbonates and salts. The carbonates and salts decompose and volatilize at 700ºC, at elevated temperature the dominant solid phases are Ca and Mg silicates. The liquid phase is composed of SiO2, K2O, CaO, MgO regardless of the atmosphere. The accuracy of thermodynamic prediction tool was evaluated with the experimental results. In conclusion, FToxid and FTsalt databases can be used to follow the trends of the main phase transformations at high temperature. The ash-bed interaction was studied under static and dynamic conditions. We found that the wetting of bed material by molten ashes is the key parameter of the agglomeration. The adhesion of particles increases in the order of sand, olivine, calcined olivine. There is no significant difference in the agglomeration mechanism in oxidizing or reductive atmosphere. However, in reductive atmosphere, two immiscible liquid phases can occur and the presence of unburnt char and traces of sulphides was also observed. The ash-bed material interaction was studied under dynamic conditions in a bench scale device and in a fluidized bed gasifier pilot. The parametric investigation showed that the operating temperature has the most significant effect on the agglomeration ratio and the biomass pre washing or the addition of kaolin are the most effective tools to reduce agglomeration risks. During the trials in the gasification pilot the large agglomerates segregated on the grid accelerating the defluidization. Compared to the laboratory tests, the liquid phase is enriched in Fe, Cr and Al.