Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Ignitability and the ignition delay time of a combustible mixture in a long combustion chamber, ignited by a hot combustion torch jet generated in a pre-chamber was investigated experimentally in relation to application as a viable igniter method for wave rotor combustors. Methane-air, ethylene-air, and propane-air in varying equivalence ratios were investigated as the combustible mixture in the combustion chamber. The effects of variation in the torch jet fuel, initial equivalence ratio in the pre-chamber, and nozzle geometry on the ignitability and the ignition delay time of combustible mixtures were observed and analyzed. The single-channel wave-rotor combustion rig at Combustion and Propulsion Research Laboratory at the Purdue School of Engineering and Technology at Indiana University-Purdue University, Indianapolis was used for this study. High-speed video imaging techniques to observe the ignition and flame propagation in the combustion chamber and fast-response pressure transducers to measure the dynamic pressure fluctuations in the combustion chambers were used in the current study. The present work explains how the experimental procedure and preliminary testing was carried out in order to conduct the necessary testing to find the ignitability and ignition delay time of a combustible mixture. Ignitability of methane, ethylene, and propane were much broader in range compared to conventional spark ignitable lean and rich limit equivalence ratios. The methane and propane ignition lean limits were similar to radical activated ignition lean limits found in previous studies of the same fuels. Ethylene exhibited the widest range in equivalence ratios from 0.4 to 2.4, while methane had the narrowest ranging from equivalence ratio 0.4 to 1.4. The ignition delay studies indicated both chemical kinetics and mixing between the combustion torch jet and the combustible mixture were critical. The mixing phenomena dominated chemical kinetics; unlike in ignition delay studies conducted using shock heated ignition techniques. Ethylene-air mixtures had the shortest ignition delay times ~1 ms for lean but near-stoichiometric mixtures. Methane and propane indicated similar ignition delay time characteristics with lean near-stoichiometric mixtures. The fuel-air equivalence ratio which was used to generate the combustion torch jet and the torch jet nozzle geometry had a direct influence over the ignition delay time in the main chamber combustible mixture. The slightly rich fuel-air ratios used to generate the combustion torch jet had the lowest delay times in igniting the main chamber fuel-air mixtures.

En cas d’accident impliquant des produits chimiques, il peut être fait appel à des experts pour évaluer les effets générés par cet accident. Ces experts fournissent des distances d’effets à l’aide de modélisations informatiques et sont confrontés à une difficulté majeure : peu d’éléments à leur disposition pour caractériser la situation.L’objectif de cette thèse est de proposer une méthodologie permettant de prendre en compte les incertitudes relatives aux données d’entrée dans les modélisations effectuées en situation d’urgence tout en restituant de manière explicite cette incertitude au gestionnaire de la situation d’urgence.Une première phase a consisté à évaluer, pour une situation à même de générer un nuage toxique ou explosible, la dispersion des résultats des modélisations. Il a été établi une hiérarchisation des variables d’entrée en fonction de leur influence sur le résultat final. Cette phase a été réalisée au moyen d’une analyse de sensibilité dont la stratégie a été spécifiquement développée.Une seconde phase a eu pour but d’établir une méthodologie d’estimation des distances d’effets en situation d’urgence en tenant compte du niveau d’incertitude des variables d’entrée. Une méthodologie de classification opérationnelle des données d’entrée a été réalisée. Elle s’appuie sur deux critères : la sensibilité du modèle au paramètre d’entrée et l’incertitude sur sa valeur (imprécision ou variabilité). Sur cette base, une nouvelle manière d’utiliser ces variables a été proposée. Enfin, différentes façons de restituer de manière opérationnelle les résultats des modélisations ont été proposées. / During accidents involving chemicals, experts can be asked to assess the effects generated. These experts provide distance effects using computer modeling and are faced with a major difficulty: little (or no) information available in order to assess the situation.The objective of this thesis is to suggest a methodology able to take into account uncertainties in the input data for the modeling carried out in emergency situations and to return explicitly these uncertainties to the manager of the crisis.A first step was to evaluate, for a given situation generating a toxic or flammable cloud, the dispersion of modeling results. A ranking of the input variables according to their influence on the final result was established. This phase was carried out on the basis of a sensitivity analysis with a specifically developed strategy.A second phase aimed to establish a methodology for estimating distance effects (in crisis situations), which takes into account the level of uncertainty in the input variables. A methodology for the classification of input operational data was carried out. This methodology is based on two criteria: the sensitivity of the model to the input parameter and the uncertainty about its value (imprecision or variability). On this basis, a new way of using these variables was suggested. Finally, several methods aimed to restore explicitly the results of this modeling were suggested.

L'hydrogène est envisagé comme vecteur énergétique pour le futur. En effet, son utilisation par oxydation dans les piles à combustible ne produit que de la vapeur d'eau et permet la production d'électricité et de chaleur. L'oxydation partielle des hydrocarbures, réaction exothermique, peut être une alternative ou un complément au vaporeformage (endothermique) pour la génération d'hydrogène. L'intérêt du propane, par rapport au méthane, est qu'il se liquéfie à une pression relativement faible. L'objectif de ce travail est l'étude cinétique de l'oxydation partielle catalytique du propane. C'est une réaction complexe : son mécanisme comporte des réactions catalytiques de surface couplées à des réactions en phase gazeuse par l'intermédiaire de radicaux. La réaction a été étudiée dans un réacteur auto-agité catalytique. Dans un premier temps une étude expérimentale a été réalisée sans catalyseur. Un mécanisme homogène a pu ainsi être validé. Ensuite, cette même réaction a été étudiée en présence de pastilles d'oxyde de cérium. Un mécanisme hétérogène a été écrit en utilisant le formalisme d'Eley-Rideal et celui de Langmuir-Hinshelwood. Les données cinétiques ont été estimées selon une méthode originale basée sur la théorie de Benson. En comparant les résultats expérimentaux et ceux issus de la simulation (effectués avec Chemkin®/Chemkin Surface®), un mécanisme hétéro-homogène a été validé sur un large domaine de conditions opératoires / Hydrogen is proposed as an energy vector for the future. Indeed, its energetic use by oxidation in fuel cells produces water vapor only. The partial oxidation of hydrocarbons, an exothermic reaction, can be an alternative or a complement to the steam cracking (endothermic) for hydrogen generation. Propane can be an interesting hydrocarbon for hydrogen production since it can be easily stored in liquid phase and distributed. The aim of this work is the kinetic study of the catalytic partial oxidation of propane. The reaction is complex: catalytic reactions are coupled to reactions in gas phase by the intermediary of radicals. The reaction was studied in a catalytic jet stirred reactor. At first, an experimental study was carried out without a catalyst. A homogeneous mechanism could be validated. Afterwards, this same reaction has been studied in presence of cerium oxide pellets. A heterogeneous mechanism was written using the formalism of Eley-Rideal and that of Langmuir-Hinshelwood. The kinetics parameters are estimated by methods derivated from Benson's techniques. Comparing experimental results and those from the simulation (carried out by Chemkin®/Chemkin Surface®), a hetero-homogeneous mechanism was validated in our experimental conditions

Ces travaux ont porté sur l’intérêt de l’utilisation d’une membrane composite zéolite (CHA SSZ-13) accessible à l’échelle commerciale au travers de la technologie membranaire de perméation de gaz et de vapeurs. L’applicabilité de cette technologie séparative s’est principalement focalisée sur la récupération du méthane, propane et d’isobutène issus de flux produits à des échelles industrielles par des procédés durables. La mise au point d’un banc expérimental pour la mesure de données de perméation de gaz et de vapeur a été réalisé. En se basant sur des mesures expérimentales de perméation menées avec la membrane zéolite de l’étude, un premier cas d’application pratique a été de simuler les performances séparatives d’un procédé hybride associant un module membranaire zéolite avec une condensation cryogénique à partir d’un cahier des charges industriel pour la récupération d’isobutène. Le procédé hybride étudié est toujours plus performant que le procédé de condensation cryogénique seul de référence en termes de pureté du produit condensé obtenu et de consommation énergétique. Des cartographies ont été dressées afin de situer les performances de séparation simulées en fonction de l’objectif de récupération d’isobutène souhaité. Un second cas théorique de récupération du propane à partir d’évents de purge à l’azote avec un procédé hybride de séparation cryogénique couplée à une membrane permsélective a été étudié. Une cartographie des performances de séparation membranaire relative au couple propane/diazote selon les données de la littérature ouverte actuelles a été présentée. La membrane la plus permsélective au diazote et au propane (respectivement CHA SSZ-13 et PEBAX 2533) a été sélectionné afin de simuler des procédés hybrides dont les performances séparatives ont été comparées à celles de la condensation cryogénique seule de référence. Pour de faibles teneurs en propane, il a été constaté que le procédé le plus performant (besoin énergétique et qualité du produit condensé) impliquait un module membranaire polymère de type PEBAX 2533 avec un système de mise sous vide du perméat. / This work focused on the interest of using a zeolite composite membrane (CHA SSZ-13) accessible on a commercial scale through the membrane technology of gas and vapor permeation. The applicability of this separation technology has mainly focused on the recovery of methane, propane and isobutene from fluxes produced at industrial scales by sustainable processes. The development of an experimental lab scale pilot for gas and vapor permeation data measurements is detailed. Based on experimental permeation measurements carried out with the zeolite membrane of the study, a first case of practical application was to simulate the separation performance of a hybrid process associating a zeolite membrane module with a cryogenic condensation from an industrial specification for the recovery of isobutene. The hybrid process studied is always more efficient than the only cryogenic condensation process taken as reference in terms of purity of the condensed product obtained and energy consumption. A chart was generated to locate the simulated separation performance based on the desired isobutene recovery objective. A second theoretical case of propane recovery from nitrogen purging vents with hybrid membrane cryogenic separation process was studied. This study presented a chart of the membrane separation performance of propane over nitrogen according to data from the open literature. The most nitrogen- and propane-selective membrane (CHA SSZ-13 and PEBAX 2533 respectively) was then selected and used in order to simulate hybrid processes where separation performances were compared to a baseline cryogenic standalone process. For low propane contents in the nitrogen feed mixture, it was found that the most efficient process (energy need and quality of the condensed product) involved a PEBAX 2533 polymer membrane module with a vacuum system for the permeate.

L'objectif de ce travail est l'étude des interactions entre des nanoparticules de platine et la zircone yttriée (YSZ pour Yttria-Stabilized Zirconia), oxyde conducteur ionique. Il s'agissait de transposer les effets de promotion électrochimique de la catalyse mis en évidence sur des films polarisés de platine de faible dispersion déposés sur des membranes denses de YSZ à des systèmes catalytiques conventionnels à base de nanoparticules métalliques dispersées sur des poudres de YSZ. La migration des ions oxydes promoteurs n'est plus contrôlée par une polarisation électrique mais induite thermiquement. Ces travaux ont permis de mettre au point une méthode de mesure de la dispersion du Pt déposé sur la zircone yttriée. Les interactions Pt/YSZ et notamment celles entre les lacunes d'oxygène de YSZ et les nanoparticules de Pt ont été étudiées par réduction en température programmée et spectroscopie infrarouge. L'importance des lacunes d'oxygène du support YSZ sur les propriétés de chimisorption du Pt et sur son activité catalytique pour l'oxydation du propane a été clairement montrée. La migration thermique des ions oxydes a été étudiée par échange isotopique 18O/16O. Un mécanisme de la réaction de combustion du propane a été proposé incluant le rôle prépondérant des oxydes de réseau de YSZ contrairement aux supports conventionnels en silice et en zircone non substituée. Finalement, les paramètres pouvant influencer les interactions Pt/YSZ comme la surface spécifique de YSZ, le taux d'oxyde d'yttrium, la méthode de préparation de YSZ ainsi que la teneur et la taille des nanoparticules de Pt ont été évalués. Les résultats ont mis en évidence la migration thermique des ions oxydes du support vers le Pt dès 100 °C. D'autre part, l'échange entre les oxygènes du réseau et ceux de la phase gaz est extrêmement rapide dès 100°C. L'activité catalytique du Pt semble promue par la mobilité des oxygènes du support / The aim of this work is to investigate the interactions between Pt nanoparticles and Yttria-Stabilized Zirconia (YSZ), an ionically conducting support. The idea was to overcome the effects of electrochemical promotion of catalysis (EPOC) observed on Pt/YSZ electrochemical catalysts which present low metal dispersion to conventional catalytic systems based on metallic nanoparticles finely dispersed on YSZ powered support. In that configuration, the migration of the oxygen ions from YSZ toward the Pt surface is not electrically controlled but thermally induced without any polarisation. First, we have established a new procedure to measure the Pt dispersion over YSZ. The metal support interactions between Pt and YSZ were characterized by Temperature Programmed Reduction and Infrared Spectroscopy. The importance of the YSZ oxygen vacancies on the chemisorptive behaviours of Pt as well as its catalytic for the propane oxidation was clearly demonstrated. The thermal migration of oxygen ions was validated by using the Isotopic Exchange procedure 18O/16O. The impact of these vacancies was evaluated and a mechanism of the propane deep oxidation on Pt/YSZ was proposed including the important role of bulk YSZ oxygen species in opposition with conventional supports such as silica and non-substituted zirconia. Finally, the key parameters that can influence the Pt/YSZ interactions such as the YSZ specific surface area, the yttria content, the YSZ preparation route as well as the loading and size of Pt nanoparticles were investigated. Our results point out that the thermal migration of oxygen ions from YSZ toward Pt surface occurs from 100 °C. In addition, the exchange between oxygen species from YSZ bulk and those from the gas phase is extremely fast starting from 100 °C. The Pt catalytic activity for the propane deep oxidation seems to be promoted by the mobility of the bulk YSZ oxygen species

La thèse a porté sur l’étude de catalyseurs multi-éléments à base de molybdates et plus particulièrement de la phase M1 MoVTe(Sb)NbO, comme catalyseur dans la déshydrogénation oxydante de l’éthane et diverses autres réactions impliquant des alcanes légers ou des composés aromatiques. Les buts étaient de comprendre le rôle des divers éléments métalliques constituant le catalyseur, de rechercher de nouvelles méthodes de synthèse et de mettre au point un réacteur structuré. La thèse a permis entre autres de préparer des phases M1 à partir de képlérates comme précurseurs de départ, de comprendre l’effet de la teneur en vanadium dans la phase active, de montrer la faisabilité et l’efficacité d’un réacteur structuré avec la phase M1 ancrée sur un support de type mousse de carbure de silicium, de caractériser pour la première fois et de façon approfondie des phases M1 sans tellure ou antimoine, et enfin de monter l’efficacité des catalyseurs à base de phase M1 dans de nouvelles réactions comme l’ammoxydation de la picoline / The thesis is part of a general study of molybdates based multi-components catalysts and more precisely of the MoVTe(Sb)NbO M1 phase used for the oxidative dehydrogenation of ethane and various other reactions implying light alkanes or aromatic compounds. The goals of the study were to progress in the understanding of the roles of the components and search for new preparation methods of the catalysts or ways to support them on structured micro-reactor. Among others, the thesis allowed, preparing the M1 phases using keplerates compounds as precursors, determining the effect of vanadium content of the active phase on its catalytic properties, demonstrating the feasibility of a structured reactor with the M1 phase deposited on a SiC foam, characterizing deeply M1 phases without Te or Sb and finally showing the efficiency of the catalysts in new reactions like the ammoxidation of picoline

Olefins have enjoyed many uses in a wide variety of industries, from car manufacturing to energy production. Energy consuming processes of catalytic dehydrogenation, turning paraffins into olefins, has been commercialised since the early 20th century, while catalytic oxydehydrogenation of paraffins to olefins is still in prototype stages. The conflict between kinetic and thermodynamic yield constraints, has delayed the commercialisation of this process. The solution to achieving the relevant process route is exploitation of the right catalyst at moderate temperatures and pressures. Co5MgAlO is studied under atmospheric pressure and 350°C temperature, to dehydrogenate propane and butane to olefins using oxygen as a reactant. Thermodynamic models showing how many reaction routes are possible under atmospheric pressure were explored. Experimental results for butane to air at ratio of 1:0.8 and 1:1.2 hydrocarbons to air gave better selectivity of 1-butene which was more than 12%. When compared with propane at similar reaction ratios the reaction favoured CO2 at selectivity of more than 95%. / Civil and Chemical Engineering / M.Tech. (Chemical Engineering)

In recent years, metal-organic frameworks (MOFs) have been identified as promising adsorbents in a number of industrially relevant, yet challenging, separations, including the removal of propane from propane/propylene mixtures and the separation of mixtures of xylene isomers. The highly tuneable nature of MOFs - wherein structures may be constructed from a variety of diverse building blocks – has resulted in the publication of a staggering number of frameworks incorporating a wide range of network topologies, pore shapes and pore diameters. As a result, there are a huge number of candidate adsorbents to consider for a given separation. Molecular simulation techniques allow the identification of those structural features and characteristics of a MOF which exert the greatest influence on the adsorption and separation of the compounds of interest, providing insights which can both guide the selection and accelerate the development of adsorbents for a specific application. The separation of propane/propylene mixtures via adsorption has typically focused on selective adsorption of the olefin, propylene, via specific olefin-adsorbent interactions. These propylene-selective MOFs result in processes which selectively remove the most abundant species in the process stream and are typically characterised by high heats of adsorption, resulting in large adsorption units and adsorbents which are difficult to regenerate. In this work, the capability of MOFs to selectively adsorb propane over propylene is explored, potentially allowing for the design of smaller and more energy-efficient adsorption units. By studying a range of different MOFs as well as carbon-based model pores, it was found that the low-pressure selectivity of the structure is determined by the strength of the electrostatic interaction between propylene and the framework, while the adsorptive preference at industrially-relevant pressures is dominated by the enhanced packing efficiency of propylene over propane. The confinement of C3 molecules, however, may be employed to negate this entropic advantage and guide the development of materials which selectively adsorb propane over propylene. It has recently been reported that the adsorptive preference of a MOF for one xylene isomer over another may be predicted based solely on the pore size distribution of the structure. In this work, the impact of pore size on selectivity was studied systematically in both one-dimensional model pore systems of varying geometries and analogous published MOF structures. The ability of the framework to discriminate between xylene molecules in these systems was found to be determined primarily by the different packing arrangements available to the different isomers – while small pores were found to favour the slimmest of the isomers, larger pores were found to favour the more compact ortho- isomer. Finally, the adsorption and diffusion of xylene isomers in a more complex MOF, UiO-66(Zr), was studied in depth. Simulations were able to correctly predict the previously-reported preference of the MOF for ortho-xylene (oX). The smaller volume of the oX molecule compared to the other isomers was found to be responsible both for an enhanced entropic contribution and higher guest-host interaction energies. The importance of framework flexibility in the diffusion of xylene isomers in UiO-66(Zr) was also explored, with distortion of the structure in response to interaction with adsorbed molecules found to be essential in allowing xylenes to diffuse through the pore space.

Metal-Organic Frameworks (MOFs) are nanoporous framework materials with tunable pore size and functionality, and hence attractive for gas separation membrane applications. Zeolitic Imidazolate Frameworks (ZIFs), a subclass of MOFs, are known for their high thermal and chemical stability. ZIF-8 has demonstrated potential to kinetically separate propane/propene in powder and membrane form. ZIF-8 membranes propane-propene separation performance is superior in comparison to polymer, mixed matrix and carbon membranes. The overarching theme of my research is to address challenges that hinder fabrication of MOF membranes on a commercial scale and in a reproducible and scalable manner. 1. Current approaches, are specific to a given ZIF, a general synthesis route is not available. Use of multiple steps for surface modification or seeding causes reproducibility and scalability issues. 2. Conventional fabrication techniques are batch processes, thereby limiting their commercialization. Here we demonstrate two new approaches that can potentially address these challenges. First, we report one step in situ synthesis of ZIF-8 membranes on more commonly used porous α-alumina supports. By incorporating sodium formate in the in situ growth solution, well intergrown ZIF-8 membranes were synthesized on unmodified supports. The mechanism by which sodium formate promotes heterogeneous nucleation was investigated. Sodium formate reacts with zinc source to form zinc oxide layer, which in turn promotes heterogeneous nucleation. Sodium formate promotes heterogeneous nucleation in other ZIF systems as well, leading to ZIF-7, Zn(Im)2 (ZIF-61 analogue), ZIF-90, and SIM-1 films. Thus one step in situ growth using sodium formate provides a simplified, reproducible and potentially general route for ZIF film fabrication. One step in situ route, although advantageous; is still conventional in nature and batch process with long synthesis time. This limits commercialization, due to scalability and manufacturing cost issues. Taking advantage of coordination chemistry of MOFs and using temperature as driving force, continuous well-intergrown membranes of HKUST-1 and ZIF-8 in relatively short time (15 min) using Rapid Thermal Deposition (RTD). With minimum precursor consumption and simplified synthesis protocol, RTD provides potential for a continuous, scalable, reproducible and commercializable route for MOF membrane fabrication. RTD-prepared MOF membranes show improved separation performances, indicating improved microstructure.

L'acrylonitrile est un intermédiaire de l'industrie chimique pour la synthèse de nombreuxpolymères et revêtements. Il est produit à partir de propène qui devient de plus en plus cher et rare. Ceprojet visait à développer de nouveaux catalyseurs à base de nitrures ou d'oxynitrures permettantd'utiliser le propane moins cher et abondant, qui présente un intérêt industriel vu son potentieléconomique et sa durabilité, puisque son exploitation comme précurseur chimique permettraitd'utiliser plus efficacement les ressources naturelles. De nombreux solides ont été préparés et testéscomme catalyseurs. Certains se sont avérés instables dans les conditions de réaction comme lesoxynitrures VZrON, MoVON, et LaVON. D'autres comme MgTaVON et VZrAlON sont apparusstables mais soit faiblement actifs ou non sélectifs. L'étude s'est focalisée sur les oxynitrures VAlONet leur amélioration. Ils ont été caractérisés par de multiples techniques, telles que la DRX, XES,XANES, XPS, RMN 27Al, TPD NH3 et CO2. L'influence de paramètres tels que le rapport V/Al, lepH, la surface spécifique, le temps de contact ont été étudiés. Le catalyseur optimal possède un rapportV/Al d'environ 0,30. Les études ont permis de montrer que les sites nitrurés impliqués dansl'ammoxydation du propane sont du type OxV-NH2--AlO3 et que le degré d'oxydation moyen duvanadium en condition de catalyse est de 3,8. Une nouvelle méthode de préparation des catalyseurs aété mise au point à partir d'un complexe oxalate de vanadium et d'aluminium qui est décomposé parozonation, et nitruré en conditions réactionnelles. Ce catalyseur s'avère plus actif et sélectif que lescatalyseurs préparés par co-précipitation.