Cette étude porte sur l'émulsification en continu du bitume à l'aide de mélangeurs statiques de type SMX, dans le domaine des émulsions concentrées, voire très concentrées. Ce travail suit une approche intégrant trois types de paramètres : procédé, formulation physico-chimique et composition, avec pour objectif ultime la maîtrise de la taille de gouttes. Il a été montré qu'une combinaison de fortes teneurs en bitume et de hautes températures d'émulsification favorisent l'obtention de très petites tailles de gouttes (diamètre médian inférieur ou égal à 1 µm). Cette observation contraste avec l'émulsification à forte teneur en phase dispersée en procédé discontinu. Ces résultats mettent en évidence une compétition entre les aspects énergétiques de l'émulsification et la formulation physico-chimique. Il a été mis en évidence, que lors de l'émulsification en continu à des fractions massiques en bitume supérieures à 90 %, la taille des gouttes n'est pas une fonction de l'énergie fournie mais que ce sont les paramètres de formulation qui contrôlent l'émulsification. Le suivi de la cinétique de l'émulsification et de la morphologie de l'émulsion au cours du processus d'émulsification a montré que le mécanisme d'émulsification à très fortes concentrations en bitume (90 % massique) passe par une étape d'inversion de phases catastrophique, suivie d'un affinage de l'émulsion dû aux effets de cisaillement et d'élongation lors de la phase finale de mélange. Une méthodologie basée sur une analogie de Poiseulle pour la mesure en ligne de la viscosité de procédé a été développée, permettant l'évaluation in-line du comportement rhéologique d'un fluide à travers des mesures de débit et de perte de charge / This work focuses on the continuous emulsification process (using SMX static mixers) of bitumen for concentrated and highly concentrated emulsions. This work uses an approach that integrates the process, the physic-chemical formulation and composition parameters, with the main objective of controlling the drop size of the emulsions. It was shown that the emulsification carried out at high bitumen concentrations and high temperatures favours the production of emulsions with very small droplets sizes (mean diameter ? 1 mm). This is in contrast with emulsification process in batch mode, in the same concentration and temperature conditions. These results demonstrate the competition between energy and physic-chemical formulation aspects. It was also revealed that when continuous emulsification is carried out at 90 % wt. of bitumen, droplet sizes are not a function of the energy provided and, hence, the emulsification process is controlled by the formulation parameters. Morphological analyzes, coupled with kinetics of emulsification obtained by in-situ monitoring of the viscosity, allowed the description of the mechanisms occurring during the emulsification at high internal phase ratio. It was possible to identify two principal steps in the mechanism: a catastrophic phase inversion followed by a droplet reduction by agitation, the largest size reduction being achieved thanks to the effects of shear and elongation in the static mixer. An inline process viscosity measurement methodology was developed. This methodology, based on a Poiseuille analogy, allows the evaluation of the rheological behavior of a fluid through flow rate and pressure drop measurements

Ces travaux de recherche portent sur le développement d’un procédé permettant de mélanger, directement en sortie de polycondensation, du polyamide fondu avec d’autres polymères immiscibles en tant qu’additifs. Ce procédé se distingue ainsi des méthodes d’élaboration conventionnelles pour lesquelles une fusion préalable des polymères est nécessaire. L’étude concerne le mélange de polymères de viscosités très différentes (polyamide 66 et polyéthylène glycol) et le mélange de polymères de viscosités similaires (polyamide 66 et copolymère d’éthylène propylène, en présence ou non d’un agent d’interface : polypropylène greffé par de l’anhydride maléique).Une première partie de ce travail a consisté à caractériser la dispersion de ces mélanges élaborés selon des procédés conventionnels. Ce travail a conduit à développer un modèle reliant la taille de la phase dispersée aux principaux paramètres opératoires de chaque procédé, pour le cas rarement recensé dans la littérature, des mélanges de polymères de viscosités très différentes.La seconde partie a été consacrée à la conception et à la réalisation d’une installation constituée d’un pilote de polycondensation équipé, en sortie de réacteurs, d’un dispositif de mélange reposant sur la technologie des mélangeurs statiques. Son fonctionnement a ensuite été éprouvé pour les deux mélanges considérés, grâce des expériences qui ont permis d’analyser l’influence de différentes conditions opératoires sur la morphologie des mélanges générés. La comparaison des résultats obtenus à ceux issus des procédés conventionnels, a alors permis de préciser les performances et les limites du procédé développé dans cette étude / The aim of this work is to develop a process, which enables to blend polyamide in molten state with others polymers, directly at the outlet of a polycondensation reactor. Contrary to currently industrial processes, no remelting stage is needed in this one. The study has been carried out with polyamide 66 / polyethylene glycol blends (products with very different viscosities) and with polyamide 66 / ethylene propylene blends (products with similar viscosities), with or without polypropylene-graft-maleic-anhydride as interfacial agent. The first part of this work deals with the characterization of the dispersions obtained for these blends when their elaborations are carried out using conventional processes. Only few studies are available on blends, which exhibit a large difference between components viscosity. This work led us to develop a model to correlate, in this case, the dispersed phase size to the main operating conditions of each processes.The second part is dedicated to the design and the realization of an experimental installation, which is composed of polycondensation plant equipped, at the outlet of reactors, with a blending device based on static mixers technology. Its operation has been tested and experiments have been carried out in order to study the influence of the different processing parameters on blends morphology. The comparison of the results with those previously obtained using conventional processes allowed then to precise the performances and the limits of the process developed in this study

Les procédés continus par rapport aux procédés batch sont réputés être plus surs, plus économiques et plus sélectifs. Au regard de ces avantages, de plus en plus d'industries opérant traditionnellement en batch s'orientent vers des procédés continus. Si beaucoup de recherches ont été menées dans ce domaine en chimie fine, il n'en est pas de même pour les procédés de polymérisation et plus particulièrement pour le procédé de polymérisation en suspension du chlorure de vinyle. Ce procédé est à l'heure actuelle un des procédés batch les plus aboutis tant il a subi d'améliorations au cours des dernières décennies sur les plan chimiques (recette) et technologiques. Cependant, l'exposition au chlorure de vinyle est extrêmement toxique et le procédé présente notamment toujours des limitations en transfert thermique inhérentes à la technologie batch. De plus, l'étape réactionnelle constitue la seule étape batch du procédé total de production. Eu égard a la formation des grains de PVC au cours de la réaction, le procédé peut-être divise en trois principales étapes : une étape de dispersion liquide-liquide dans laquelle les gouttelettes de monomères (diamètre moyen 30-50μm) sont formées et stabilisées, une étape de réaction qui s'accompagne d'un phénomène d'agglomération contrôlée des gouttelettes de monomères et au cours duquel les particules polymérisant s’avèrent collantes et une pure étape réactionnelle au cours de laquelle la polymérisation est menée jusqu'à la conversion désirée. La présente étude se propose d'identifier les technologies adaptées pour chacune des étapes identifiées. Compte tenu des connaissances actuelles sur le comportement et l'évolution des grains avec la conversion et après une étude bibliographique sur les procédés continus de polymérisation, les technologies choisies dans ce travail sont les mélangeurs statiques et différents design de colonnes pulsées utilisées à co-courant. L'étape de dispersion liquide-liquide a été étudiée a l’aide de trois technologies différentes pour des systèmes de phases modèles. Concernant les mélangeurs statiques, les études ont démontré leur capacité à obtenir des gouttelettes de taille contrôlée et de la taille désirée. Dans la gamme étudiée, aucun effet de la concentration en phase dispersée n'a été démontre sur la taille des gouttes. Le paramètre physico-chimique le plus influent est la tension interfaciale. Celle-ci a d'ailleurs été estimée aux temps courts, correspondant aux temps de séjour (40-100 ms) dans les mélangeurs statiques, en modifiant la technique de la goutte pendante. Les résultats en termes de diamètre de goutte ont été corrélés via les nombres adimensionnels caractéristiques du système et de l'écoulement, à savoir les nombres de Reynolds et de Weber. A la lueur de ces résultats, les mélangeurs statiques ont été installes au pilote industriel pour effectuer des chargements de réacteurs batch de polymérisation. En plus de réduire considérablement les temps de chargement, leur utilisation a montré une meilleure répartition des agents de suspension et de l'initiateur au sein du grain. Ensuite, deux design de colonnes pulsées ont été utilises : la colonne pulsée a disques et couronnes a co-courant ascendant vertical et le COBR (continuous oscillatory baffled reactor, Nitech). Pour le premier design, les influence du matériau de garnissage et de son agencement (type et hauteur), des paramètres physicochimiques (concentration en phase dispersée, tensioactifs) et des paramètres hydrodynamiques (débit total, amplitude et fréquence d'oscillation) sur la taille des gouttes obtenues ont été examinées. Avec le second design, seuls les paramètres hydrodynamiques ont été étudiés. Une corrélation sur la taille des gouttes est proposée en fonction de nombres adimensionnels caractéristiques de ces appareils. Les trois technologies génératrices de la dispersion sont alors comparées en termes d'énergie dissipée et de puissance dissipée. [...] / Continuous processes present the benefit to be safer and more cost saving than batch processes. Many researches have been carried out in fine chemistry but few contributions refer to polymerization. We focus on the vinyl chloride suspension polymerization. This process has been extensively studied in batch with lots of improvement regarding the formulation and the technologies. This polymerization process is highly complex due to the toxic nature of the monomer, the good manage of heat transfer and stirring. Moreover the reaction step remains the only batch step of the PVC production. According to the PVC grain formation, the process can be divided into three steps (i) a liquid-liquid dispersion step in which the monomer droplet (30-50 µm) are generated and stabilized, (ii) a controlled agglomeration step of the reacting droplets exhibiting a sticky behaviour, (iii) a reaction step until the conversion rate is around 80-90% and the particles size is stable. In this study, the different technologies suitable for the different steps are pointed out. Based on the state of the art of the grain behaviour depending on the reaction conversion and on the literature concerning polymerization continuous process, static mixers and different co-current pulsed columns are proposed. Three technologies with different model system were chosen to study the liquid-liquid dispersion step. Static mixers allow the control of the droplet size under turbulent flow. In the range of the operating conditions, the dispersed phase concentration does not have a significant effect on the droplet size. The interfacial tension appears to be the most significant physico-chemical parameters. Correlation to predict the mean droplet size is proposed depending on different dimensionless numbers based on the hydrodynamics and on the systems: the Reynolds and Weber numbers. Given the promising results, static mixers are implemented at pilot scale to load the batch prior to polymerization. Their use demonstrates a noticeable reduction of the loading time and a better homogenisation of the different suspending agents and initiator inside the PVC grain. The two co-current pulsed columns design studied are the discs and doughnuts pulsed column and the COBR (continuous oscillatory baffled reactor, Nitech). For the first one, the effect of the packing materials (type and height), of the physico-chemical parameters (dispersed phase concentration, surfactant) and of hydrodynamic parameters (flowrate and oscillation conditions) on the droplet size are investigated where as for the second one the study is limited to the hydrodynamic parameters. A mean droplet size correlation is proposed based on the characteristic dimensionless numbers. The three continuous contactors used for liquid-liquid dispersion are compared in term of energy dissipation rate. The reaction is carried out in a continuous tubular reactor (the pulsed column). The column is suitable to transport solid-liquid suspension. Vinyl acetate suspension polymerization is performed to demonstrate the feasibility and particularly to study the encrusting and fouling problem. The first results are very promising.