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

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

La biomasse est une des sources importantes d'énergie primaire et renouvelable. Le développement d'un procédé basé sur la conversion de celle-ci en énergie tout en demeurant respectueux de l'environnement, fait l'objet de recherches intenses aussi bien dans les mondes académique qu'industriel. La gazéification pour produire un gaz de biosynthèse est considérée comme une des options les plus prometteuses via la valorisation des sources de résidus de biomasse. La thermodynamique et la cinétique intrinsèque imposent que les réactions de gazéification de la biomasse doivent être effectuées à des températures élevées, exigeant la fourniture et la récupération de chaleur de manière efficace. Le concept de gazéification allotherme (par opposition à son pendant autotherme) offre une solution attrayante pour la mise en oeuvre à haute température du couplage de réactions fortement endothermique avec des réactions exothermiques. Toutefois, la mise en oeuvre pratique du concept sous haute température n'est pas aisée. Dans ce travail, un nouveau concept pour la gazéification de résidus de la biomasse est proposé impliquant l'hybridation de réactions à hautes températures de la gazéification et de la combustion dans un réacteur monolithique structuré. Clairement, le design et l'optimisation de ce nouveau procédé hybride requiert la compréhension précise, non seulement des phénomènes physico-chimiques de la conversion thermochimique de la biomasse, mais aussi du comportement hydrodynamique, complexe, des deux phases mises en oeuvre dans un microréacteur monolithique à lit fluidisé. À cet égard, la caractéristique hydrodynamique de la distribution des écoulements des phases gaz-solide au sein du réacteur revêt une importance cruciale pour la prédiction du comportement des processus de gazéification/combustion et pour l'examen de stratégies d'opération du procédé. En particulier, en raison de la nature complexe de l'interaction entre le gaz et les particules solides ainsi que la phase stationnaire représentée par le microréacteur monolithique, un des défis dans le design et l'opération de ces réacteurs est la prévention de la maldistribution des phases. Dans ce travail, la mécanique des fluides numériques (MFN) est mise à profit comme outil de simulation permettant d'explorer les distributions des écoulements gaz-solide dans un réacteur monolithique. L'ensemble des sections structurée 111 (le monolithe) et les parties terminales non-structurées (lits fixes aléatoires permettant l'alimentation et l'évacuation de la suspension gaz-solide) est globalement considéré dans la simulation afin de capturer les tendances lourdes des mécanismes contribuant à la dynamique gaz-solide. Les résultats des simulations ont démontré la capacité de la MFN à capturer la caractéristique de non-uniformité de l'écoulement dans ce type de géométrie

Dans le cadre des recherches réalisées au département de Chimie de l'Ecole des mines de Saint Etienne, s'est développée depuis 1968 une technique consistant à utiliser un réacteur à lit fluidisé pour déterminer une cinétique d'adsorption ou de déshydratation. Cette technique diffère des méthodes classiques de la cinétique hétérogène surtout par le fait qu'un écoulement gazeux traverse la couche solide étudiée. Bien qu'il soit nécessaire pour suivre l'évolution d'une réaction d'analyser la phase gazeuse émanant du réacteur, l'utilisation du lit fluidisé présente de nombreux avantages. En particulier, le réacteur est parfaitement isotherme quelle que soit la masse du produit étudié. On ne peut, cependant, éviter les variations de composition de l'atmosphère gazeuse en contact avec le solide, ce qui rend difficile l'interprétation des résultats expérimentaux