La production de poly(chlorure de vinyle) (PVC) sous forme de suspension chez INEOS ChlorVinyls est réalisée en réacteur fermé agité, dont les parois sont en émail ou en acier inoxydable. Il se forme en cours de polymérisation un dépôt de PVC (croûte) sur les parois du réacteur qui génère de nombreux inconvénients. Afin de limiter cet encroûtement, INEOS ChlorVinyls et l’ensemble des producteurs de PVC appliquent à chaque batch (par exemple pour INEOS ChlorVinyls 50 fois par jour pour ses 22 réacteurs) un revêtement organique. L’application systématique du revêtement et la formation de croûtes ont des conséquences économiques non négligeables (arrêts de production, coût de main d’œuvre et matière, coût de traitement des déchets, qualité du PVC contaminé par le revêtement…).La compréhension du phénomène d’encroûtement en vue de développer un revêtement permanent devient donc nécessaire pour améliorer la qualité des produits, diminuer les coûts et dégager un avantage concurrentiel favorable à INEOS vis-à-vis de ses concurrents. Le sujet de thèse a été divisé en deux parties bien distinctes avec premièrement l’étude du mécanisme d’encroûtement et la mise en place d’un scénario permettant d’expliquer de manière physique et chimique la formation de la croûte sur les parois du réacteur. Une seconde partie a été dédiée au développement d’un revêtement polymère avec la sélection d’un système résistant au milieu réactionnel de polymérisation en suspension du chlorure de vinyle puis à l’optimisation de l’adhésion du revêtement polymère sur acier inoxydable afin d’obtenir des performances maximales et durables. / The suspension synthesis of PolyVinyl Chloride (S-PVC) at the INEOS ChlorVinyls facility in Mazingarbe (FRANCE) is realized thanks to a closed-reactor technology with reactor walls made of stainless steel or enamel. One of the major problems during the production of PVC by suspension polymerization is the formation of a deposit (called crust or scale) on the reactor walls. The formation of scale leads to numerous sorts of drawbacks like a decrease of the reactors’ productivity, the need to clean the reactors after each batch, the exposure of the operators to VinylChloride Monomer (VCM) which is classified CMR, some quality issues… At the moment, a coating is applied before each batch (50 times per day for the 22 reactors at Mazingarbe) in order to lower the amount of scale formed during the S-PVC batch. The application of the coating added to the formation of scale leads to important extra costs. The comprehension of the scale formation mechanism with the aim of then developing a durable protective coating becomes a priority in order to increase the final product quality, lower the costs and gain a competitive advantage for INEOS ChlorVinyls. The Ph.D. subject was divided into two parts with the first year dedicated to the comprehension of the scale formation mechanism and the establishment of a complete scenario explaining the formation of scale from a chemical and physical point of view. The second part of this project was dedicated to the development of a polymer coating with the selection of an adapted polymer candidate and then the optimization of its adhesion onto stainless steel in order to obtain the optimal performances and the durability of the coating.

Pour stopper un emballement thermique dans un réacteur chimique, un moyen efficace consiste à introduire une faible quantité d'un inhibiteur liquide appelé « killer » dans la cuve agitée. Tout au long de cette thèse, l'approche expérimentale a été fortement couplée à la modélisation numérique par Computational Fluid Dynamics (CFD). La première partie du manuscrit porte sur l'hydrodynamique des réacteurs partiellement chicanés incluant la prise en compte du vortex central qui se forme à leur surface. L'utilisation d'une approche numérique multiphasique, non-homogène a permis de modéliser la déformation de la surface-libre, et la faisabilité de cette méthode innovante a été démontrée par un très bon accord entre prédictions numériques et données expérimentales. Dans une deuxième partie, l'introduction d'un jet de liquide sur la surface libre a été couplée à l'hydrodynamique du réacteur. Les résultats numériques, obtenus avec une approche Eulerienne-Lagrangienne, ont également montré un bon accord avec les données expérimentales. Ces résultats ont permis de modéliser la trajectoire du jet, de quantifier sa pénétration dans la cuve agitée, et de définir de nouveaux critères de mélange. Enfin, les méthodes numériques validées à l'échelle pilote ont été étendues à l'échelle industrielle et ont permis de proposer des améliorations concrètes pour une meilleure sécurité des réacteurs industriels étudiés.

To quench a thermal runaway reaction in a chemical rector, an efficient approach is the introduction of a small quantity of a liquid inhibiting agent, named a “killer”, into the mixing vessel. In this thesis, an experimental approach has been coupled tightly with numerical modelling using Computational Fluid Dynamics (CFD). The first part of this thesis is devoted to a study of the hydrodynamics of partially-baffled mixing vessels, including the free-surface deformation caused by the central vortex. The use of an inhomogeneous, multiphase approach allowed simulation of the free-surface deformation. The capability of this novel method was demonstrated by very good agreement between the numerical predictions and experimental data. In the second part, liquid jet injection at the free-surface was coupled with the vessel hydrodynamics. Numerical results, obtained using an Eulerian-Lagrangian approach, have again shown good agreement with experimental data. These results allowed the jet trajectory to be modelled and its penetration into the agitated vessel was quantified. New mixing criteria were introduced that are specific to this application. Finally, the numerical methods validated at the pilot scale were applied at the industrial scale and allowed the proposal of practical improvements to the safety of the synthesis reactors studied