La gazéification étagée est une technologie innovante pour la production d’énergie renouvelable de petite et moyenne puissances, pour laquelle l'élargissement de la gamme de biomasses utilisables constitue un enjeu majeur de développement. Cette thèse porte spécifiquement sur la pyrolyse oxydante en lit fixe, première étape clé du procédé, qui conditionne fortement la performance et la fiabilité de cette technologie. Trois types de biomasses – pin, miscanthus, et paille – conditionnées sous forme de granulés ont été étudiés. Une étude expérimentale a été réalisée sur un réacteur pilote à lit fixe de 20 cm de diamètre et 1.6 m de hauteur permettant de reproduire des conditions opératoires proches de celles rencontrées durant l'étape de pyrolyse dans les gazéifieurs industriels. Le fonctionnement du procédé pour les trois biomasses a été caractérisé par la mesure du ratio air/biomasse, des températures, des rendements en charbon, gaz permanents et condensables et de leurs compositions. Une attention particulière a été portée à la zone d'oxydation qui se propage verticalement vers le haut dans le lit de biomasse. Une méthodologie a été développée pour mesurer la vitesse de propagation, l'épaisseur et le tassement de cette zone et étudier l'impact de la nature de la biomasse. Dans un lit de granulés de bois, la vitesse et l'épaisseur de la zone d'oxydation est 25 % plus faible que dans un lit de granulés de paille ou miscanthus. L'effet catalytique des matières minérales sur les réactions de pyrolyse primaire et secondaire et son impact sur le fonctionnement du procédé, ont également été mis en évidence. / Staged gasification is an innovative technology for small and medium renewable energy production. The expansion of the range of usable biomass remains a major obstacle to development. This thesis focuses specifically on the oxidative pyrolysis in a fixed bed, the first step of the process that strongly influences the performance and reliability of this technology. Three types of biomass- pine, miscanthus and wheat straw - in form of pellets were studied. An experimental study was carried out in a pilot fixed bed reactor of 20 cm diameter and 1.6 m height allowing the reproduction of similar conditions to those existing in the pyrolysis step of an industrial gasifier. The process operation for the three biomasses was characterized by measuring the air/biomass ratio, bed temperature, yields and compositions of char, permanent gases and condensates. A particular attention was paid on the oxidation zone which propagates upward towards the raw biomass. A method was developed to measure the propagation velocity, thickness and the compaction of the oxidation zone and to study the impact of the biomass nature. Velocity and thickness of this zone were 25 % lower in a fixed bed of wood pellets than in beds of wheat straw or miscanthus. Catalytic effect of the mineral matters on primary and secondary pyrolysis reactions and their impact on the process operation have been highlighted.

La Réduction Catalytique Sélective des NOx par NH3 est un procédé efficace de dépollution des gaz. Cependant, pour une application sur véhicules Diesel, l'activité à basse température (175-250°C, phase de démarrage du véhicule) reste limitée. De plus, les catalyseurs de NH3-SCR sont sensibles au rapport NO2/NOx, avec un optimum pour NO2/NOx = 0,5. Or, à basse température, la proportion de NO2 est faible car le catalyseur d’oxydation (DOC) placé en amont est également peu actif. L'éthanol (EtOH) est un autre réducteur possible, principalement avec des catalyseurs Ag/Al2O3. Ce système présente également d'une activité limitée à basse température, bien que l'oxydation de EtOH s'accompagne de la formation de NO2. Dans ces travaux, l'association de EtOH et NH3 pour la SCR de NO sur catalyseur Ag/Al2O3 a été étudié. Un effet de synergie a été obtenu, avec un gain important d'activité à basse température. Ce gain ne provient pas directement d'une réaction entre NH3 et EtOH ou ses sous-produits d'oxydation (CH3CHO, CO…), ni uniquement grâce à la réaction entre NO2 (formé par réaction de NO avec EtOH) et NH3. La caractérisation des espèces adsorbées par IRTF et des tests de (H2+NH3)-SCR ont permis de conclure que les espèces H*, provenant de la déshydrogénation de l'éthanol, réagissent avec les NOx pour conduire à des espèces HNOx très réactives avec NH3.Finalement, la mise en œuvre d'un double-lit (2%Ag/Al2O3 + catalyseur de NH3-SCR), afin d'utiliser NH3, NO et NO2 restants, a permis d'obtenir une conversion NOx comprise entre 46 et 95% entre 175 et 250°C. Ce système permet donc une conversion des NOx élevée à basse température en s'affranchissant du NO2 procuré par le DOC. / The NOx Selective Catalytic Reduction is an efficient process for exhaust gas treatment. However, for Diesel vehicles, the activity at low temperature (175-250°C, starting phase of vehicles) remains limited. In addition, the NH3-SCR catalysts are sensitive to the NO2/NOx ratio, with an optimum for NO2/NOx = 0.5. Unfortunately, at low temperature, the proportion of NO2 is low because the oxidation catalyst (DOC) placed upstream is also weakly efficient.Ethanol (EtOH) is another possible reductant, mainly associated with Ag/Al2O3 catalysts. This system also has a limited activity at low temperature, although the oxidation of EtOH is accompanied by NO2 formation. In this work, the association of EtOH and NH3 for the SCR of NO on a Ag/Al2O3 catalyst was studied. A synergistic effect was obtained, with a high gain of conversion at low temperature. This gain neither results from a reaction between NH3 and EtOH or its oxidation by-products (CH3CHO, CO…), nor only by the reaction between NO2 (formed by reaction of NO with EtOH) and NH3. Characterization of adsorbed species by FTIR and (H2+NH3)-SCR experiments led to the conclusion that H* species, resulting from ethanol dehydrogenation, react with NOx to yield HNOx species highly reactive with NH3.Finally, in order to use the remaining NH3, NO and NO2, the use of a dual bed (2%Ag/Al2O3 + NH3-SCR catalyst) allowed a NOx conversion between 46 and 95% from 175 to 250°C. This system consequently allows a high NOx conversion at low temperature, avoiding the NO2 lack at low temperature (low DOC activity).

Les particules ultrafines (PUF) sont de nos jours susceptibles de se retrouver massivement dans l’air des lieux de travail et dans l’environnement, notamment de par leur génération non-intentionnelle par certains procédés industriels. Du fait de la toxicité de plus en plus avérée de ces particules, l’air contaminé doit être extrait des lieux de travail et filtré avant d’être rejeté dans l’atmosphère. Les filtres classiquement utilisés sont des filtres à fibres plissés présentant l’inconvénient vis-à-vis des PUF d’être rapidement et irréversiblement colmatés. Afin de trouver une alternative à ces filtres, il a été décidé d’étudier les lits granulaires. Pour ce faire, la cinétique de colmatage des lits granulaires par des PUF a dans un premier temps été étudiée à l’échelle macroscopique et microscopique par suivi des évolutions des performances ainsi qu’en procédant à des observations de structure de dépôt. Evaluer la capacité des lits granulaires à se positionner en tant qu’alternative aux médias fibreux peut nécessiter la connaissance des performances des lits granulaires dans un grand nombre de configurations. Pour s’affranchir des expériences correspondantes, un modèle théorique de prédictions des performances des lits granulaires en cours de colmatage a été développé. Ce modèle a par la suite permis par une optimisation multicritère de trouver la configuration optimale d’un lit granulaire amélioré. Enfin, des essais préliminaires très prometteurs d’une manche granulaire permettant d’augmenter la surface de filtration et l’efficacité de collecte ont posé les bases d’une potentielle utilisation des lits granulaires pour la filtration de PUF dans l’industrie / The air of workplaces and the environment can be contaminated by ultrafine particles (UFP) coming mainly from a non-intentional generation emitted by some industrial processes. The toxicity of these particles being more and more admitted nowadays, the polluted air of the workplaces has to be extracted and filtered in order to protect the workers and the public, respectively. The commonly used filters are pleated fiber filters which are rapidly and sometimes irreversibly clogged by the UFP. In order to find an alternative to these pleated filters, it was decided to study the granular beds. To do so, the clogging kinetic of granular bed by UFP was studied. This was achieved by conducting both macroscopic and microscopic studies of the granular bed clogging consisting in the monitoring of the evolution of the performances and in performing visualizations of UFP deposit structures. Evaluate the ability of granular beds to be an alternative to fiber filters can require the knowledge of the granular bed performances evolution for a large number of configurations. In order to avoid the realization of the corresponding experiments, a theoretical model was developed. Then, this model permitted by a multi-criteria optimization method to find the optimal configuration of an improved granular bed. Finally, some preliminary and very promising tests of a cylindrical granular bed filter permitting to increase the surface filtration and the collection efficiency laid the groundwork of a potential use of granular beds for the industrial UFP filtration

Cette étude est consacrée à l'élaboration de vernis d'enrobage composites constitués d'une fine dispersion de matériau hydrophobe dans une matrice de polymère. Ce type de matériau est appliqué à la surface de particules alimentaires, grâce à un procédé de pulvérisation en lit fluidisé, afin d'assurer la protection de ces particules vis-à-vis d'atmosphères humides. Nous avons développé un protocole de formulation, des vernis d'enrobage et des outils de caractérisation des dispersions liquides mais également des vernis secs sous forme de films minces. Nous avons étudié l'influence des paramètres liés au protocole de formulation et à la composition sur la stabilité de la dispersion, sur les propriétés d'usage des films d'enrobage secs mais également sur les interactions entre les différents constituants. A partir de l'ensemble de ces résultats, deux formulations ont été retenues. Afin d'étudier l'influence des conditions séchage sur les propriétés des films d'enrobage, nous avons conçu une veine de séchage convectif. Les résultats ont montré que la morphologie et les propriétés des films secs sont essentiellement pilotées par la période de séchage à vitesse décroissante, lorsque la cinétique d'évaporation du solvant est limitée par la diffusion de celui-ci à travers le film de vernis. De plus, nous avons observé que l'augmentation de la température de séchage, notamment pour des températures de séchage proche de la température de fusion des composés fusibles des vernis (40°C pour le PEG 1500 et 55°C pour l'acide stéarique), induit des transformations morphologiques importantes des films. L'apparition de cette nouvelle morphologie provoque une amélioration notable des possibilités de déformation des films secs sans modifier leurs propriétés barrières. / This study deals with the elaboration of a composite coating agent made of a fine dispersion of a hydrophobic material in a polymeric solution. Such material is applied on particles surface, thanks to a fluidised bed pulverization, to ensure their protection from wet atmosphere. We have developed a formulation protocol, coating agents and characterization tools of liquid formulation and dry thin coating films. These tools allow us to assess the influence of formulation and composition parameters on dispersion stability, valuable film properties and on interactions between film components. Thanks to these experiments, two formulations have been developed. To study the drying parameters impact on coating agent properties, a convective dryer have been designed. Dry films morphology and properties strongly depend on fallen drying rate period when solvent evaporation is limited by its diffusion through the wet film. Furthermore, we have observed that the drying temperature rise induces film morphology transformation, especially with drying temperature close to melting temperature of film fusible components (40°C with PEG 1500 and 55°C with stearic acid). This new morphology causes a great increasing of film plastic properties without endangered their barrier properties.

Des études numériques ont montré que la taille de la cellule de maillage peut avoir un effet drastique sur la modélisation du lit fluidisé circulant avec des petites particules. En effet, la taille de la cellule doit être de l’ordre de quelques diamètres de particules pour prédire avec précision le comportement dynamique d’un lit fluidisé. En conséquence, les simulations numériques d’ Euler-Euler des processus industriels sont généralement effectuées avec des grilles trop grossières pour permettre la prédiction des effets de ségrégation locale. La modélisation appropriée, qui prend en compte l’influence des structures non résolues, a déjà été proposée pour les simulations monodispersés. Dans ce travail, l’influence des structures non résolues sur un mélange binaire de particules est analysée et on propose des modèles pour tenir compte de cet effet dans des simulations de lit fluidisé polydispersés. Pour atteindre cet objectif, des simulations Euler-Euler de références sont réalisées avec un raffinement du maillage aboutissant à une solution indépendante de la taille de la cellule. Ce type de simulation numérique est très coûteux et se limite à des configurations très simples. Dans ce travail, la configuration se consiste en un lit circulant périodique 3D, qui représente la région établie d'un lit circulant. Parallèlement, une approche filtrée est développée où les termes inconnus, appelés contributions de sous-maille, doivent être modélisés. Les filtres spatiaux peuvent être appliqués aux résultats de simulation de référence afin de mesurer chaque contribution de sous-maille apparaissant dans l’approche théorique filtrée. Une analyse est réalisée afin de comprendre et de modéliser l’effet de la contribution des termes de sous-maille. L’opération de filtrage fait apparaître de nouveaux termes, les termes de sous-maille. Un terme filtré est la somme d’un terme résolu, obtenus à partir des champs filtrés, et d’ un terme de sous-maille. L’analyse de l’équation filtrée de quantité de mouvement montre que les contributions résolues de la traînée des particules fluides et la collision entre particules surestiment les effets de transferts de quantité de mouvement filtrés. L’analyse de l’équation filtrée de l’énergie cinétique des particules montre que la production résolue par le cisaillement moyen et par le mouvement relatif moyen des particules sous-estime contribution filtrée. Des modèles fonctionnels sont proposés pour les contributions de sous-maille de la traînée et des collisions inter-particule. / Detailed sensitivity numerical studies have shown that the mesh cell-size may have a drastic effect on the modelling of circulating fluidized bed with small particles. Typically, the cell-size must be of the order of few particle diameters to predict accurately the dynamical behaviour of a fluidized bed. Hence, the Euler-Euler numerical simulations of industrial processes are generally performed with grids too coarse to allow the prediction of the local segregation effects. Appropriate modelling, which takes into account the influence of unresolved structures, have been already proposed for monodisperse simulations. In this work, the influence of unresolved structures on a binary mixture of particles is investigated and models are proposed to account for those effect on bidisperse simulations of bidisperse gas-solid fluidized bed. To achieve this goal, Euler-Euler reference simulations are performed with grid refinement up to reach a mesh independent solution. Such kind of numerical simulation is very expensive and is restricted to very simple configurations. In this work, the configuration consists of a 3D periodical circulating fluidized bed, that could represent the established zone of an industrial circulating fluidized bed. In parallel, a filtered approach is developed where the unknown terms, called sub-grid contributions, appear. They correspond to the difference between filtered terms, which are calculated with the reference results then filtered, and resolved contributions, calculated with the filtered fields. Then spatial filters can be applied to reference simulation results to measure each sub-grid contribution appearing in the theoretical filtered approach. A budget analysis is carried out to understand and model the sub-grid term. The analysis of the filtered momentum equation shows that the resolved fluid-particle drag and inter-particle collision are overestimating the momentum transfer effects. The analysis of the budget of the filtered random kinetic energy shows that the resolved production by the mean shear and by the mean particle relative motion are underestimating the filtered ones. Functional models are proposed for the subgrid contributions of the drag and the inter-particle collision.

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. / This study concerns a new CO2 concentration technology integrated into the cement plant. This technology consists in the raw mix decarbonation, induced by its contact with a solid medium in charge of the heat transfer, in an innovative process leading to the emission of pure CO2 at high temperature. This pure gas may be stored underground or used as chemical reactant. This work consists in the study of the decarbonation reaction of the raw mix in operating conditions that are similar to the ones of the new industrial unit. First, the decarbonation kinetics is studied by thermogravimetric analysis on pure CaCO3 powder samples. CaCO3 is the main component of the raw mix. The results led to a better comprehension of the phenomena driving the reaction kinetics and to the determination of kinetic laws in good agreement with the data obtained between 600 °C and 930 °C, and for a partial pressure of CO2 between 0 atm and 1 atm. Then, the interactions between the CaCO3 and the other solids in an industrial raw mix, occurring during its calcination in pure CO2 atmosphere, are studied kinetically (TGA), thermodynamically (simulations) and morphologically (XRD and in situ XRD). Eventually, an experimental device working at high temperatures was built for this study in order to simulate the decarbonation reaction of the raw mix and its elutriation in the real process. This device allows calcining the raw mix in a fluidized bed of media (clinker or olivine). The influences of the fluidized bed temperature, the fluidizing gas velocity, the solid feed rate and the fluidizing gas composition (pure CO2 or air/CO2 mixes) on the hydrodynamic phenomena (elutriation, accumulation, residence time …) , the raw mix-media interactions and the conversion degree are studied.

Dans l'industrie agroalimentaire, le procédé de blanchiment est un traitement thermique indispensable pour la transformation de légumes en produits conserves et surgelés. L'objectif est de détruire des microorganismes par un chauffage des légumes à 97°C, puis de les refroidir à 5°C. L'enjeu de cette thèse est de proposer une conception énergétiquement efficace de ce procédé. L'analyse énergétique et exergétique, ainsi que le respect de contraintes qualité liées au produit, aboutissent à un nouveau schéma de procédé. L'essentiel de la récupération de chaleur est réalisée grâce à un débit d'eau circulant à contre-courant des légumes au travers de trois échangeurs de chaleur. Le complément de puissance est fourni par une thermo-frigo-pompe (TFP) délivrant les utilités chaude et froide. Le premier enjeu est le bon dimensionnement des échangeurs liquide/solides. Ceux-ci sont modélisés pour deux configurations d'écoulement : courant-croisé et contre-courant. D'autre part, une TFP usuelle n'est pas capable d'avoir la flexibilité nécessaire à son intégration dans un procédé agroalimentaire soumis à des besoins de puissance variables. Deux options de découplage (total et partiel) sont étudiées pour ajouter un degré de liberté à ce cycle thermodynamique. Ces travaux permettent la conception d'un pilote qui est réalisé pour blanchir 1 t/h de légumes. L'équipement a démontré une réduction des besoins de puissance de chauffage de 65 % à 75 %. La consommation exergétique, combinant les besoins de chauffage et de refroidissement, a chuté de 79 % et le débit d'eau consommée est divisé par 5. Si ces travaux posent de nouvelles questions, ils démontrent que la récupération de chaleur sur des solides tels que des légumes est réalisable. / In food industry, the blanching process is essential for transforming vegetables into canned or frozen products. To destroy microorganisms the vegetables are heated to 97 °C and cooled to 5 °C. The aim of this thesis is to propose an energy-efficient design of this process. Energy and exergy analysis, coupled to respect of safety requirements, resulted in a new process flow sheet. The largest part of heat is recovered using an intermediate water flow which circulates in counter-current of the solid flow rate. Remaining cooling and heating needs are provided by a heat pump. Thus, designing the liquid-to-solids heat exchangers is the first challenge. To do this, two mains components are modeled: the countercurrent and the crossflow heat exchangers. On the over hand, a usual heat pump is unable to deliver both heating and cooling with variable capacities. To improve flexibility of this thermodynamic system two different options are analyzed. Theses works lead to a new blanching process design, the pilot was made to operate with a solid mass flow rate of 1 t/h. This equipment demonstrates an energy saving of 65 % to 75 % and an exergy saving of 79 %. Moreover water consumption is divided by 5. If this work leads to new questions, it proves that energy efficiency if feasible on solids like vegetables.

Le séchage est une opération unitaire pratiquée depuis des millénaires pour laquelle les connaissances scientifiques sont encore très incomplètes. Il est cependant de plus en plus nécessaire de « bien » sécher afin d’atteindre une combinaison optimale du temps de séchage, de l’énergie consommée et surtout de la qualité du produit final. Ceci est d’autant plus vrai dans le cadre du séchage alimentaire où de nombreux produits sont très sensibles à la température et à la déshydratation. C’est le cas de la levure de boulanger dont la capacité à dégager du CO2, pour faire gonfler la pâte à pain par exemple, diminue très souvent lorsque le séchage est réalisé dans des mauvaises conditions opératoires. L’utilisation de séchoirs particuliers tels que les lits à jet coniques devrait permettre d’améliorer le séchage en terme d’efficacité et de qualité finale. L’objectif principal de cette thèse est de contribuer à mieux comprendre et modéliser le séchage de levures en lit à jet conique en utilisant une approche multi-échelles. <p>Le séchage d’un grain de levure isolé est caractérisé à l’aide d’un nouveau dispositif thermogravimétrique dans lequel il est possible de mesurer l’évolution des dimensions du grain ainsi que sa température de surface. Les résultats obtenus sont alors utilisé pour construire et valider un nouveau modèle du séchage d’un grain de levure basé sur l’existence de trois types d’eau et permettant de prédire l’évolution du contenu en eau et de la température du grain. L’analyse combinée du modèle et des résultats expérimentaux permet de mettre en avant que le rétrécissement des grains de levures au cours du séchage n’a pas d’impact significatif sur la vitesse de séchage et qu’il est essentiel de modéliser correctement la température du grain.<p>L’écoulement de solides dans le lit à jet conique est caractérisé expérimentalement au moyen de la technique de poursuite de particule radioactive (RPT). Un post-traitement des données brutes (évolution temporelle de la position du traceur) est développé pour déduire un certain nombre de paramètres liés à l’écoulement du solide :forme des régions du lit à jet (jet, anneau et fontaine), distributions de l’écoulement des solides entre les régions, distribution de temps de séjour des solides dans le lit, vitesses et débits moyens des solides, et taux de gaz dans le jet et l’anneau. Les résultats expérimentaux ont notamment permis de montrer que la forme du jet ne dépend quasiment pas de la vitesse d’injection de l’air; de même, le rapport du débit volumique de solides d’une région du lit à l’autre avec la vitesse moyenne du solide dans l’anneau donne une valeur constante pour une hauteur de lit stagnant donnée. Des corrélations empiriques sont également développées pour prédire les vitesses et débits moyens de solides ainsi que les temps de séjour moyens des solides dans les différentes régions du lit.<p>L’écoulement du gaz dans le lit à jet conique est caractérisé expérimentalement par la mesure des distributions de temps de séjour (RTD) du gaz dans le lit par l’injection et la détection d’un gaz radioactif dans le lit à jet en opération. L’existence d’un écoulement non négligeable du gaz dans l’anneau du lit est mise en évidence. Les vitesses moyennes du gaz dans le jet et l’anneau ainsi que la portion du débit total qui passe dans le jet sont déduites des courbes de RTD. Il est identifié que le gaz circule au moins deux fois plus vite dans le jet que dans l’anneau, ce qui mène à des échanges de matières entre un solide et le gaz plus intenses dans le jet que dans l’anneau.<p>Des expériences de séchage de levure sont réalisées dans un lit à jet conique afin de caractériser l’effet des conditions opératoires sur le séchage. Un nouveau modèle multi-échelles décrivant le séchage de levure en lit à jet est présenté; celui-ci est basé sur les résultats des caractérisations expérimentales et des modélisations du séchage d’un grain de levure isolé et de l’écoulement solide-gaz dans le lit à jet conique. Le modèle phénoménologique ne possède qu’un seul paramètre et permet de très bien reproduire les résultats des expériences de séchage de levure en lit à jet conique. Il tient notamment compte du fait que dans un lit à jet, la saturation de l’air en vapeur d’eau au passage du lit peut être un phénomène limitant pour la vitesse de séchage, surtout en début de séchage.<p>La caractérisation de l’évolution au cours du séchage de la capacité de la levure à dégager du CO2 dans une pâte à pain a également été réalisée pour un grain de levure isolé et pour le séchage en lit à jet conique. Des conclusions similaires sont présentées dans les deux cas. En effet, la dégradation de la levure est liée à l’enlèvement de l’eau intracellulaire (type D, fin du séchage en-dessous de contenu en eau d’environ 0,5 (d.b.)) et c’est avant tout la vitesse avec laquelle cette eau est enlevée qui contrôle la qualité finale du produit. L’enlèvement de l’eau intercellulaire (type E, début du séchage) n’a pas d’influence significative sur la dégradation de la levure. Dans tous les cas, la dégradation est amplifiée lorsque la température du solide dépasse 40°C.<p>/<p>Drying is a unit operation that is practiced since thousands of years and which for scientific knowledge is still very incomplete. However it is more and more necessary to dry « well » in order to reach an optimal combination between drying duration, consumed energy and also final product quality. This is even truer in the case of food drying involving a lot of products that are very sensitive to temperature and dehydration. Baker’s yeast often encounters a drastic decrease of its gassing power, which makes for instance inflate bread dough, when drying is operated in wrong conditions. Using special driers such as conical spouted beds should allow improving drying in terms of efficiency and final quality. The main objective of this thesis is to contribute to better understand and model Baker’s yeast drying in a conical spouted bed by using a multiscale approach.<p>Drying of a single Baker’s yeast pellet is characterised by using a new thermogravimetric set up where the evolution of the pellet dimensions and surface temperature can be measured during drying. The obtained results are then used to develop and validate a new model of the drying of a Baker’s yeast pellet. The model is based on the existence of three types of water in yeast and it allows predicting the evolution of the pellet’s moisture content and temperature during drying. The combined analysis of the model and the experimental results permits to put forward that pellet’s shrinkage during drying have no significant influence on the drying rate and that it is really essential to correctly model the pellet’s temperature.<p>Solid flow in the conical spouted bed is experimentally characterised by using a radioactive particle tracking technique (RPT). A post-treatment of rough data (time-evolution of the tracer position) is developed in order to predict a series of parameters linked to the solid flow: shape of the bed regions (spout, annulus and fountain), distributions of solid flow in the bed regions, residence time distribution of the solids in the bed, mean solids velocities and flowrates, and voidage in the spout and annulus. Experimental results allowed to show that the shape of the spout is nearly not influenced by inlet air velocity; also, the ratio of volumetric solid flowrate between the different regions of the bed and of the mean solids velocity in the annulus has a constant value for a given static bed height. Empirical correlations are also developed in order to predict the mean solids’ velocities and flowrates, and the mean residence time of the solids in each region of the bed.<p>Gas flow in the conical spouted bed is experimentally characterised by measuring gas residence time distributions (RTD) in the bed through the injection and detection of a radioactive gas tracer into the operated spouted bed. The existence of non-negligible gas flow in the annulus of the bed is highlighted. Mean gas velocities in the spout and annulus, and the part of the total gas flow going to the spout are deducted from the RTD curves. It is identified that gas moves at least twice faster in the spout than in the annulus, which leads to mass exchanges between solid and gas that are more intense in the spout than in the annulus.<p>Baker’s yeast drying experiments are done in a conical spouted bed in order to characterise the effects of operating conditions on drying. A new multiscale model, describing Baker’s yeast drying in conical spouted bed, is presented; it is based on experimental results and on the models of a single pellet drying and of gas-solid flows in the conical spouted bed. This phenomenological model has only one unknown parameter and permits reproducing the experimental results of Baker’s yeast drying in conical spouted bed. It takes into account the fact that, in a spouted bed, vapour saturation of the air during its residence time in the bed can be a limiting phenomena for the drying rate, especially in the beginning of the drying.<p>The characterisation of the evolution of the Baker’s yeast gassing power in a bread dough during the drying has also been done in the case of a single pellet drying and in the case of spouted bed drying. Similar conclusions are presented for both cases. Indeed, yeast degradation is linked to intracellular water removal (type D, end of the drying below a moisture content of around 0,5 (d.b.)) and it is mostly the rate of this water removal that controls the final quality of the product. Intercellular water removal (type E, beginning of the drying) has no significant influence on yeast degradation. In all the cases, degradation is amplified when solid temperature is higher than 40°C.<p> / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished

L'augmentation croissante de la demande énergétique mondiale entraine une production importante de dioxyde de carbone fossile. Pour limiter ces émissions, les énergies alternatives renouvelables sont prometteuses, et notamment, l'utilisation de la biomasse. C'est dans ce contexte qu'a été mis en place le projet ANR GAMECO par un consortium rassemblant des laboratoires universitaires et des unités de R&D industrielles. Ce projet vise à consolider l'utilisation d'un lit fluidisé bouillonnant de gazéification sous air pour convertir de la biomasse lignocellulosique en gaz de synthèse. Ce travail de doctorat a pour ambition de répondre à l’une des problématiques de ce projet : la répartition des particules de biomasses et de semi-coke ou charbon au sein du lit fluidisé et sa prise en compte dans la modélisation du gazéifieur. L'étude a porté sur des mélanges contenant de l'olivine et des particules de bois de caractéristiques différentes. Les résultats de mélange-ségrégation présentés ont été obtenus grâce à des mesures en maquette froide développée dans le cadre de cette thèse. Les données expérimentales obtenues ont permis de valider et consolider un modèle de mélange-ségrégation de la littérature. La dernière étape de la thèse consiste en la mise en place d'un modèle global du réacteur à lit fluidisé de gazéification de la biomasse pour prédire la productivité et la qualité du gaz produit. Ce modèle intègre les résultats hydrodynamiques précédents auxquels sont couplés des réactions chimiques de conversion de la biomasse (pyrolyse, oxy-gazéification du charbon, craquage des goudrons) provenant de la littérature. Les résultats de ce modèle sont comparés aux résultats obtenus sur une maquette chaude / The increasing population in the world leads to increasing energy demand. In order to limit emissions of fossil carbon dioxide, a solution is to develop renewable energy alternatives. In this context, the use of biomass is one of the solutions to study. It is in this context that implemented the project ANR GAMECO by a consortium of academic and industrial. This project aims to make reliable use of a bubbling fluidized bed of gasification with air to convert lignocellulosic biomass into synthesis gas. This PhD work aims to address one of the problems of this project: the distribution of biomass and char particles in the fluidized bed and the impact of these distributions when modeling of the gasifier. The study focused on mixtures containing olivine and wood particles of different characteristics. Mixing-segregation results were obtained through measurements in a cold model developed during this PhD work. The obtained experimental data were used to validate and consolidate existing hydrodynamic mixing model of the literature. The last step of the thesis consists in establishing a global model of the fluidized bed reactor for gasification of biomass. This model incorporates the previous hydrodynamic results, coupled with chemical reactions models describing biomass conversion (pyrolysis, oxy-coal gasification tar cracking) after the literature. The results of this model are then compared with results obtained on a hot model