Le but de ce travail était d'étudier le comportement des cristaux de théophylline lors de la déshydratation statique en monocouche dans différentes conditions hygrothermiques et le comportement du même produit lors de la déshydratation séchage en lit agité dans un séchoir par contact sous vide dans des conditions hygrothermiques semblables. Tout d'abord, la forme hydratée et les formes déshydratées de la théophylline ont été identifiées par DSC, ATG et DRXP. Ensuite, des essais gravimétriques statiques à température et humidité relative constantes ont été effectués et les évolutions de teneur en eau au cours du temps ont été enregistrées à des températures de 20 à 80 °C et des humidités relatives de 4 à 50%. Les données à l'équilibre thermodynamique ont été utilisées pour tracer les isothermes de désorption et établir le diagramme de phase solide-solide de la théophylline. Enfin, les cinétiques de déshydratation ont été étudiées. Il a été constaté que la constante de vitesse de déshydratation augmente exponentiellement avec la température et diminue de façon exponentielle avec l'humidité relative. Un modèle semi-empirique permettant la prédiction de l'évolution dans le temps de la teneur en eau du produit pour différentes conditions opératoires a été développé. Dans la seconde partie du travail, il a été d'abord démontré que la SPIR couplée avec la régression PLS permet de suivre en ligne et in situ la composition exacte du mélange des différentes formes de la théophylline (et d'eau) pendant le séchage. Ensuite, l'influence des paramètres de fonctionnement (température et l'activité de l'eau) sur les cinétiques de transformation de l'état solide a été étudiée. Il a été observé que la déshydratation commence d'abord par la formation de la forme anhydre métastable puis, après un temps de latence, continue par la formation de la forme anhydre stable. Il s'est avéré aussi que la température a été le principal facteur contrôlant la vitesse globale du procédé, mais aussi la teneur finale de la forme anhydre stable et de la forme métastable, ceci étant valable pour le séchoir étudié et pour les conditions opératoires considérées. Finalement, un modèle semi-empirique permettant la simulation de l'état du produit (température, teneur en eau, teneur en forme hydratée, anhydre métastable et stable) au cours du temps pour différentes conditions opératoires du séchage (pression dans la cuve et température du fluide caloporteur) a été proposé / The aim of this work was to investigate the dehydration process of a single static layer of theophylline's crystals under different hygrothermal conditions and the dehydration-drying process of a stirred bed of theophylline in a vacuum contact dryer in nearly the same hygrothermal conditions. First of all, the hydrated and dehydrated forms of theophylline were identified using DSC, TGA and PXRD devices. Next, the static gravimetric experiments at constant temperature and relative humidity were carried out and the water content evolutions with time were recorded at temperatures from 20 to 80°C and humidities from 4 to 50%. Then, the thermodynamic equilibrium data were reported as desorption isotherms and solid-solid phase diagrams. Finally, the dehydration kinetics were analyzed. The dehydration rate constant was found to increase exponentially with temperature and to decrease exponentially with relative humidity. A simple semi-empirical model allowing for prediction of the product water content time evolution time for different processing parameters was developed. In the second part of the work, it was first proven that NIRS coupled with PLS regression enabled to monitor inline and in-situ the exact composition of the mixture of different forms of theophylline (and of water) during drying. Second, the influence of operating parameters (temperature and water activity) on the kinetics of solid state transformations was investigated. It was observed that the dehydration begun by the formation of the metastable anhydrate and, after a time delay, continued by the formation of the stable one. It was also pointed out that the temperature was the main process factor controlling not only the overall process rate but also the final contents of the stable and metastable anhydrates, this observation being valid for the considered dryer and for the considered operating conditions. Finally, a semi-empirical model allowing for simulation of the product state (temperature, hydrate content, metastable and stable anhydrate contents and water content) time evolution for different processing parameters (pressure in the vessel and temperature of the heating fluid) was proposed

Le séchage est une opération incontournable pour la valorisation énergétique des boues résiduaires. La flexibilité pour ajuster la teneur en matière sèche finale de la boue est un critère important pour le choix d'une technologie. Cet objectif est difficile à atteindre pour les sécheurs à palettes. La modélisation du processus est alors essentielle. Malheureusement, le comportement rhéologique des boues est complexe et la mécanique des fluides numérique est hors de portée. La notion de Distribution des Temps de Séjour est employée ici pour caractériser l'écoulement. Un protocole fiable et reproductible a été établi et mis en œuvre sur un pilote de laboratoire. Des injections Dirac d'oxyde de titane et de sels métalliques, avec la spectrométrie de fluorescence X comme méthode de détection, ont été employées pour caractériser les DTS du solide anhydre et de la boue humide. Pré-Mélanger la boue pâteuse, pour disperser le traceur par exemple, modifie la structure du matériau. Ceci a été mis en évidence par des mesures de distribution en taille des particules et par des caractérisations rhéologiques. Cependant, des expériences de séchage en batch ont montré que ce pré-Mélange n'a aucune influence sur la cinétique et sur la phase plastique. Nous avons montré que le solide anhydre et le solide humide s'écoulent de la même manière. Une seconde méthode, basée sur une détection par conductimétrie, a alors été développée. Plus facile à mettre en œuvre et moins onéreuse, cette méthode s'avère tout aussi fiable que la première. L'influence de la durée de stockage de la boue, avant séchage, a été évaluée. Le temps de séjour de la boue dans le sécheur double quand la durée de stockage passe de 24h à 48h. Finalement, un modèle d'écoulement, basé sur la théorie de chaînes de Markov, a été développé. L'écoulement du solide anhydre est décrit par une chaîne de n cellules parfaitement mélangées, n correspondant au nombre de palettes. Les probabilités de transition entre les cellules sont régies par deux paramètres : le ratio de recyclage interne, R, et la masse de solides retenus, MS. R est déterminé par la relation de Van der Laan et MS est identifié par ajustement du modèle aux données expérimentales. Le modèle décrit de manière satisfaisante les DTS. La masse de solides retenus identifiée est toujours plus faible que la quantité mesurée expérimentalement. Une partie de la boue, collée aux parois du sécheur et au rotor, agit comme un volume mort. / Drying is an unavoidable operation prior to sludge valorization in incineration, pyrolysis or gasification. The flexibility to adapt the solid content of the dried sludge to the demand is a major requirement of any drying system. This objective is difficult to reach for paddle dryers. Modeling the process is thus essential. Unfortunately, sludge rheological behavior is complex and computational fluid dynamics is out of reach for the time being. The concept of Residence Time Distribution (RTD) is used here to investigate sludge flow pattern in a paddle dryer. A reliable and reproducible protocol was established and implemented on a lab-Scale continuous dryer. Pulse injections of titanium oxide and of salt metals, with X-Ray fluorescence spectroscopy as detection method, were used to characterize the RTD of anhydrous solid and wet sludge, respectively. Premixing the pasty sludge, for tracer powder dispersion for instance, changes the structure of the material. This was highlighted through the measurements of particle size distributions and characterization of rheological properties. However, drying experiments performed in batch emphasized that premixing does not have any influence on the kinetic and the sticky phase. The RTD curves of the anhydrous solid are superimposed on those of the moist sludge. Consequently, a simpler protocol, based on pulse injection of chloride sodium and offline conductivity measurements, was established. Easier to implement in industry and cheaper, this method proves to be as reliable as the first one. The influence of storage duration prior to drying was assessed. The mean residence time doubles when the storage duration changes from 24h to 48h. Finally, a model based on the theory of Markov chains has been developed to represent the RTD. The flow of anhydrous solids is described by a chain of n perfectly mixed cells, n corresponding to the number of paddles. The transition probabilities between the cells are governed by two parameters: the ratio of internal recirculation, R, and the solids hold-Up, MS. R is determined from the Van der Laan's relation and MS is identified by fitting the model to the experimental RTD. The model describes the flow pattern with a good accuracy. The computed hold-Up is lower than the experimental one. Part of the sludge is stuck to the walls of the dryer, acting as dead volumes in the process.