Ce travail traite de la thermohydraulique d’un bain de melt couplée à la physicochimie pour ladescription du comportement de mélanges de matériaux (non-eutectiques).On décrit le transitoire d’établissement de température dans un liquide avec dégagement de puissancevolumique en présence de solidification sur une paroi refroidie. Le modèle développé à cet effet estvalidé par rapport aux résultats des essais LIVE réalisés à KIT. Dans les conditions de ces essais onmontre que la température d’interface suit la température liquidus (correspondant à la composition dubain liquide) pendant le transitoire d’établissement de la température dans le bain et des croûtessolides.Par ailleurs, on propose un modèle d’interaction entre un liquide non-eutectique (soumis à dissipationvolumique de puissance) et une paroi fusible dont la température de fusion est inférieure à latempérature liquidus du bain. Les prédictions du modèle sont comparées aux résultats des essaisARTEMIS 2D. On en déduit une nouvelle formulation de la température d’interface (inférieure àliquidus température) entre le liquide et la couche pâteuse en paroi. / This work deals with the thermal-hydraulics of a melt pool coupled with the physical chemistry for thepurpose of describing the behaviour of mixtures of materials (non-eutectic).Evolution of transient temperature in a liquid melt pool heated by volumetric power dissipation hasbeen described with solidification on the cooled wall. The model has been developed and is validatedfor the experimental results given by LIVE experiment, performed at Karlsruhe Institute ofTechnology (KIT) in Germany. Under the conditions of these tests, it is shown that the interfacetemperature follows the liquidus temperature (corresponding to the composition of the liquid bath)during the whole transient. Assumption of interface temperature as liquidus temperature allowsrecalculating the evolution of the maximum melt temperature as well as the local crust thickness.Furthermore, we propose a model for describing the interaction between a non-eutectic liquid meltpool (subjected to volumetric power dissipation) and an ablated wall whose melting point is below theliquidus temperature of the melt. The model predictions are compared with results of ARTEMIS 2Dtests. A new formulation of the interface temperature between the liquid melt and the solid wall(below liquidus temperature) has been proposed.

Les microalgues sont de plus en plus regardées pour leurs potentiels énergétiques et leurs nombreuses applications. Mais les systèmes de production actuels, que se soit les systèmes dits ouvert comme les bassins ou les systèmes fermés, appelés photobioréacteurs, sont très énergivores et pas assez productifs. Cette thèse propose un nouveau concept de photobioréacteur, composé d'un airlift et d'une plaque mince. Le photobioréacteur est caractérisé expérimentalement et est modélisé sous plusieurs aspects. L'hydrodynamique du système est modélisée pour prédire le comportement des fluides dans le système. Les phénomènes de transferts de masse sont modélisés par le modèle des deux films. La modélisation permet de connaitre l'apport minimum nécessaire en dioxyde de carbone pour la culture des microalgues et permet d'évaluer la concentration en oxygène dissous dans le photobioréacteur. Elle permet aussi d'évaluer son élimination par le système, l'oxygène étant inhibant pour la culture. Les phénomènes de transferts de chaleur sont aussi modélisés, permettant de connaitre l'impact des différents paramètres (ensoleillement, température de l'air ambiant) sur la température de culture. Ces différents modèles sont rassemblés en un modèle global qui est comparé aux résultats expérimentaux de culture d'algues. Le modèle global est ensuite utilisé dans un contexte plus complexe : l'intégration des plaques minces du photobioréacteur aux parois d'un bâtiment. Le modèle global permettra d'étudier l'effet les différentes orientations (Nord, Sud, Est, Ouest en vertical sur les façades et à l'horizontal sur les toits) sur les températures et productivité du système. La consommation d'énergie de la culture est optimisée grâce au modèle. A la suite de cette optimisation, certaines perspectives sur l'intégration énergétique d'un tel système sont proposées. / Microalgae are more and more studied for their energy potential and various applications. However, the actual production processes (open and closed photobioreactor) use a lot of energy and aren't productive enough. This thesis presents a novel process of microalgae culture, with an airlift system coupled to a thin plate. The photobioreactor is experimentally characterized and modeled for many aspects. Hydrodynamics of the system is modeled to predict the fluid behavior in the system. Mass transfers are modeled using the two film model. The model allows knowing minimum carbon needs for microalgae culture. It also allows evaluating dissolved oxygen concentration in the photobioreactor and its elimination efficiency. Oxygen is inhibiting the culture at high concentration. Heat transfers are also modeled, allowing to know climate parameters impact (sunshine, ambient air temperature) on culture temperature. All models are assembled in a global model. This model is compared to microalgae culture experimental results. Finally, the global model is used to study a more complex system: culture thin plates are integrated on the walls of buildings. Global model allow studying different orientation effects on temperature and productivity of the system. Culture is optimized for energy consumption and some perspectives on energy integration of such a system are proposed.

Les présents travaux de thèse envisagent une nouvelle technique d'optimisation au sens topologique dans des géométries de type canal vertical où se réalisent des transferts de chaleur conducto-convectifs en régime laminaire. Les équations qui décrivent l'écoulement du fluide et le transfert d'énergie sont discrétisées par la méthode des volumes finis. La première partie du mémoire présente une nouvelle technique d'optimisation et sa validation sur des cas d'études de la littérature (single pipe, bend pipe). Cette technique consiste à définir des fonctions d'interpolation de type sigmoïde et permet d'obtenir une amélioration de l'interface fluide-solide au cours du processus d'optimisation. La seconde partie met en évidence les phénomènes physiques dans le canal asymétriquement chauffé, notamment l'influence de la stratification thermique extérieure et du rayonnement de surface sur les quantités aérauliques et thermiques. Enfin, une nouvelle expression de la puissance mécanique pour contrôler les pertes de charge (malgré l'ajout de matière) dans le canal vertical combinée avec une nouvelle expression de la puissance thermique sont étudiées. Le problème ainsi posé est résolu pour un écoulement en convection naturelle. Pour les cas considérés, chacune des fonctions coût est optimisée sans détériorer l'autre. Nous comparons aussi les valeurs des puissances obtenues par notre algorithme avec celles couramment utilisées dans la littérature et montrons que ces nouvelles fonctionnelles sont performantes. / This thesis deals with topology optimization of mass and heat transfer in the framework of the vertical asymetrically-heated channel. The incompressible Navier-Stokes equations coupled to the convection-diffusion equation through the Boussinesq approximation are employed and are solved with the finite volume method. We first propose a new interpolation technique for heat transfer optimization and validate it on referenced cases such as the "single pipe" and the "bend pipe". This new technique consists in the introduction of sigmoid interpolation functions to obain a better definition of the interface between fluid and solid domains, during the optimization process. We study then physical phenomenon in the asymmetrically heated channel , in particular the influence of thermal stratification outside the channel and surface radiation on thermal and dynamic quantities. We thus highlight the size variation of reversed flow at the exit of the channel and the plug-effect linked on external thermal stratification. Finally, we propose a new expression of mechanical power in order to control charges losses (despite addition of material) in the vertical channel combined with the expression of thermal power. In all considered cases, our algorithm succeeds to enhance one of the phenomenon modelled by our new cost functions without deteriorating the other one. We also compare the values of standard cost functions from the litterature over iteration of our optimization algorithm and show that our new cost functions are effective.

La climatisation par absorption est un système de production de froid tritherme énergétiquement intéressant. La compression mécanique intervenant au sein des systèmes classiques à compression de vapeur (premier poste de consommation énergétique) est remplacée par une compression dite thermochimique nécessitant un apport de chaleur important. Dans le cas d'une application automobile il est possible de faire fonctionner le système grâce aux pertes thermiques du moteur. La climatisation par absorption est à l'étude au sein du service R&D du fabricant d'automobiles PSA Peugeot Citroën depuis une décennie. L'innovation majeure de PSA concerne l’évaporateur/absorbeur : un nouveau système basé sur le confinement du réfrigérant et de la solution absorbante à l'intérieur de structures capillaires a été breveté. Ce nouveau système a pour but d'éviter le mélange intempestif des fluides. L'analyse expérimentale de cet évaporateur/absorbeur a montré que la puissance frigorifique est limitée par le phénomène d'absorption. Il a été prouvé que l'effet frigorifique produit par le système est égal à un tiers de l'effet maximal qui pourrait théoriquement être réalisé. Un modèle simple de la zone d'absorption est proposé, il fournit une ligne directrice pour améliorer la conception du composant. Une revue de la littérature a montré que les modèles d'absorption sont basés sur des hypothèses dont la fiabilité n'est pas évidente. Aussi, la plupart des auteurs considèrent que les propriétés thermophysiques sont constantes. Cette hypothèse a été étudiée dans le cas simple de l'absorption statique. La modélisation des transferts simultanés de chaleur et de masse au sein de la solution absorbante nécessite de prendre en compte l'augmentation de volume de cette dernière. Les équations régissant les transferts ont été résolues par la méthode des volumes finis, sur un maillage dynamique. Deux procédures pour la déformation du maillage ont été mises en oeuvre et comparées. Les résultats numériques ont été comparés aux résultats expérimentaux obtenus sur un banc développé dans le cadre de ce travail et aux données expérimentales issues de la littérature. Enfin, l'impact des gaz incondensables sur le taux d'absorption a été étudié numériquement et expérimentalement, dans le cas de l'absorption statique. Cette étude a permis de confirmer les phénomènes à l'origine de la diminution du taux d'absorption. Cependant, l'effet de la gravité sur l'impact des gaz incondensables n'a pas pu être clarifié avec certitude. / Automotive air conditioning systems are based on the vapour compression cycle that requires mechanical energy for its operation. This mechanical energy is provided by the engine, which engenders year-averaged fuel extra consumptions, and thereby extra pollutant emissions, of the order of 5 %. Absorption cooling technology is of interest as this system could be driven by the engine waste heat.The absorption air conditioning technology has been under the scope of the R&D services of the french manufacturer PSA Peugeot Citroën for a decade. PSA's major innovation concerns the evaporator/absorber: a new system based on the confinement inside capillary structures of refrigerant and absorbent falling films has been patented. This new layout aims at avoiding unwanted mixing of the fluids. Experimental analysis of this original component has shown that the refrigerating effect is limited by the absorption phenomenon. It was proved that the refrigerating effect produced by the system is equal to one third of the maximal effect that could be achieved. A simple model of the absorption part has been proposed. It provides a guideline to improve the design of the component. A literature review has revealed that the absorption models are based on assumptions whose reliability is not obvious. Especially, most of the authors assume that the thermophysical properties are constant. The impact of this assumption has been clarified in the simple case of pool absorption. Modeling the simultaneous heat and mass transfer that takes place in the liquid absorbent requires to account for the increase of the liquid volume. This was achieved by means of a finite-volume treatment of the governing equations over a dynamic grid. Two procedures for the grid deformation have been implemented and compared. The numerical results have been compared to experimental results obtained on a bench developed on purpose and to experimental data from the literature. Finally, the impact of the non-absorbable gases on the absorption rate has been investigated numerically and experimentally, in the pool absorption case. This study enabled to confirm the phenomena at the origin of the decrease of the absorption rate. However, we could not clarify with certainty the importance of gravity-driven flows in the vapour phase, in the presence of non-absorbable gases.

La climatisation automobile est un enjeu majeur pour les constructeurs automobiles dans la mesure où elle occasionne un rejet de 10 g de CO2 par km, une surconsommation énergétique de près de 5 % et sera pris en compte dans le bilan MEVG à l'horizon 2020. Dans cette perspective, le constructeur automobile PSA Peugeot Citroën a développé un nouveau procédé : la climatisation par absorption de vapeur d'eau par une solution saline de bromure de lithium, qui marque la rupture avec le système classique à compression de vapeur. Le travail mené dans ce manuscrit s'est focalisé au niveau de l'organe principal du système, l'évaporateur/absorbeur où les deux fluides s'écoulent et sont confinés chacun entre deux grilles tissées par des effets capillaires. Les transferts de masse et de chaleur qui s'y produisent, ont lieu à l'interface liquide/vapeur formée par des ménisques de forme complexe qui constituent la surface de d'échange. L'objectif est d'intensifier les transferts de masse et de chaleur qui diffuse à travers l'interface. Un banc expérimental permettant la description tridimensionnelle de la forme des ménisques au moyen de la microscopie confocale a été développé. Le modèle « volume of fluid » a été utilisé pour la reconstruction numérique de l'interface liquide/ vapeur. La comparaison entre les données expérimentales et les simulations numériques a montré un bon accord. Ces simulations montrent que l'écoulement est influencé par la grille avec la création de zones mortes et des mouvements de vorticité. Une optimisation numérique a été menée avec comme fonction objectif le flux qui diffuse à travers l'interface. Celle-ci a permis de définir des paramètres optimales de la grille permettant d’atteindre un flux de chaleur de près de 2,5 fois supérieur à celui du cas de référence. Cette optimisation a permis l'identification d'une zone préférentielle dans laquelle les transferts de chaleur sont maxima. Le travail a aussi abordé l'influence de la forme des fils et de la forme des ménisques, montrant qu'il est préférable d’adopter des matériaux à caractère hydrophobe avec des fils à section circulaire. / Abstract The automotive air conditioning is a major challenge for the automotive manufacturers insofar it causes a release of 10 g/CO2/km, engenders an extrafuel consumption of 5 % and will be taken into account in the balance sheet in 2020 MEVG. In this perspective, the automotives constructor PSA Peugeot Citroën has developed a new process, absorption air conditioning of water vapor by lithium bromide solution, which marks a break with the classic vapor-compression system. This manuscript is focused at the main body of the system, an innovative evaporator/absorber where both fluids are flowing down and confined between two finely meshed plastic wire screens and maintained between them by capillary effects. The heat and mass transfers in this system occur at the liquid/vapour interface formed by complex menisci that represent the surface of transfer. An experimental test bench allowing the description of three-dimensional shape of menisci using confocal microscopy has been carried. The volume of fluid model has been used for the numerical reconstruction of the liquid/vapour interface. The comparison between numerical and experimental data has shown a good agreement. Numerical simulations have shown that the flow is influenced by the geometry that promotes the creation of stagnant layer solution and vorticity zones. A numerical optimization has been carried with as objective function the heat rate that di uses through the interface. This one has allowed to get out the optimal parameters allowing to have an heat rate of more than 2.5 times higher compared to the reference case. This optimization has highlighted a preferential zone in which heat transfers are maximum. The work has also dealt with the e ect of the shape of the wires and the effect of the shape of menisci on the transfer, showing that it is preferable to work with hydrophobic materials and with cylindrical wires.

The aim of the thesis is the development and improvement of the experimental techniques for fluid examination. The thesis consists of two parts and both examine heat and mass transfer in liquids using the optical methods and thermal analysis. The first part deals with the measurement techniques for studying flow patterns and their stability in systems with gas/liquid interface, in particular, in a liquid bridge system. The second part is aimed at the improvement of the existing experimental techniques to study the heat/mass transfer in the mixtures with Soret effect, enclosed in a container.<p><p>Part A is motivated by preparation of the experiment JEREMI (The Japanese-European Research Experiment on Marangoni Instability) to be performed on the International Space Station (ISS). One of the objectives of the experiment is the control of the threshold of an oscillatory flow in the liquid zone by the temperature and velocity of the ambient gas. The developed set-up for a liquid bridge allows to blow gas parallel to the interface at different temperatures and investigate the effects of viscous and thermal stresses on the stability of the flow. The present study reports on isothermal experiments with moving gas and non-isothermal experiments with motionless gas when the cooling of the interface occurs due to evaporation. The discussion concerning the experimental observations is based on two sources: an interface shape measured optically and the records on thermocouples giving an indication of how temperature and frequency evolve over time.<p><p>Part B is related to ground-based studies in course of preparation and realization of the microgravity experiment DCMIX (Diffusion Coefficient in MIXtures). DCMIX project is a series of experiments aimed at measuring of the Soret coefficients in liquid mixtures on the ISS which involves a wide international group of scientists. Two experiments have been recently completed and the third one is under preparation In the course of this thesis all the aspects of the previously existing set-up for measurements of the Soret (thermal diffusion) and diffusion coefficients in binary mixtures were studied, uncertainties were identified and improvements were done to obtain reliable results. The final design has been validated by measuring coefficients in three binary benchmark mixtures and water-isopropanol. The obtained results agree well with literature data. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Cette thèse traite de la modélisation et de la simulation des écoulements diphasiques transitoires eau-vapeur. Dans de nombreuses installations industrielles, des écoulements monophasiques d'eau liquide sont susceptibles de devenir diphasiques lors de certaines situations transitoires. La modélisation de ces écoulements peut s'avérer délicate car deux phénomènes physiques interagissant fortement entre eux, le changement de phase et la propagation d'ondes de pression, sont alors à prendre en compte. Une approche bifluide statistique, ne supposant aucun équilibre entre les phases, est utilisée afin de modéliser de tels écoulements. Les modèles obtenus sont de type convection-source et s'apparentent au modèle de Baer-Nunziato. Différentes lois de fermeture pour ces modèles sont comparées sur des cas expérimentaux de transitoires eau-vapeur tels que les coups de bélier et la dépressurisation d'une tuyauterie d'eau liquide suite à une rupture.La simulation numérique des différents modèles est effectuée grâce à une méthode à pas fractionnaires. Un nouveau schéma de convection, robuste et efficace, capable de gérer toute equation d'état est utilisé dans la première étape de cette méthode. La seconde étape est dédiée au traitement des termes sources et requiert différents schémas implicites. Une grande attention est accordée à la vérification de tous les schémas numériques utilisés grâce à des études de convergence. Une nouvelle modélisation du transfert de masse est également proposée, sur la base de travaux dédiés à la brusque dépressurisation d'eau liquide en approche homogène. La validation du modèle est effectuée grâce de nombreuses comparaisons calcul-expérience. / This thesis deals with the modelling and the computation of steam-water two-phase flows. Liquid water flows are involved in many industrial facilities and a second phase may appear in some transients situations. Thus, pressure wave propagation and mass transfer are physical phenomena that need to be properly included in the modelling of such two-phase flows. A statistical two-fluid approach is used, leading to models similar to the Baer-Nunziato one. They include both convective and source terms without any assumption on the equilibrium between phases. Different closure laws for such models are compared on steam-water transient experiments including water-hammers and fast depressurization of liquid water. The computation of the different models is based on a fractional step method. A new convective scheme, able to deal with any Equation Of State, is used in the first step of the method. When compared with other schemes, it appears to be accurate, efficient and very robust. The second step of the method is dedicated to the treatment of source terms and requires several implicit schemes. Particular attention is paid to the verification of every scheme involved in the method. Convergence studies are carried out on test-cases with analytical solutions to that purpose. Based on existing work on fast depressurization of liquid water in an homogeneous approach, a new formulation of the mass transfer is proposed. Many comparisons between computational and experimental results are detailled in order to validate the models.

Un gaz à l'intérieur d’un microsystème ou d’un milieu poreux est dans un état hors équilibre, car le libre parcours moyen des molécules est comparable à la dimension caractéristique du milieu. Ce même état degaz, appelé raréfié, se retrouve en haute altitude ou dans un équipement de vide à basse pression. Ces gaz raréfiés suivent des types d’écoulements qui peuvent être décrits par des modèles cinétiques dérivés de l'équation de Boltzmann. Dans ce travail nous présentons les principaux modèles et leurs mises en oeuvre numériquepour la simulation des écoulements de gaz raréfiés. Parmi les modèles utilisés nous présentons les deux modèles complets de l'équation de Boltzmann, le modèle de Shakhov(S-model) pour un gaz monoatomique et le modèle de McCormack pour un mélange de gaz toujours monoatomiques. La méthode des vitesses discrètes est utilisée pour la discrétisation numérique dans l'espace des vitesses moléculaires et le schéma de type TVD est mis en œuvre dans l'espace physique. L’aspect original de ce travail se situe sur les régimes transitoires et, en particuliersur les comportements non-stationnaires des transferts de chaleur et de masse. Cependant, pour certaines configurations nous considérons uniquement les conditions stationnaires des écoulements et un schéma implicite est développé afin de réduire le coût de calcul. En utilisant ces approches numériques, nous présentons les résultats pour plusieurs types d’écoulements non-stationnaires, de gaz raréfiés monoatomiqueset de mélanges binaires de gaz monoatomiques. / A gas inside the microsystems or the porous media is in its non-equilibrium state, due to the fact that the molecular mean free path is comparable to the characteristic dimension of the media. The same state of a gas, called rarefied, is found at high altitude or in the vacuum equipment working at low pressure. All these types of flow can be described by the kinetic models derived from the Boltzmann equation. This thesis presents the development of the numerical tools for the modeling and simulations of the rarefied gas flows. The two models of the full Boltzmann equation, the Shakhov model (S-model) for the single gas and the McCormack model for the gas mixture, are considered. The discrete velocity method is used to the numerical discretization in the molecular velocity space and the TVD-like scheme is implemented in the physical space. The main aspect of this work is centered around the transient properties of the gas flows and, especially, on the transient heat and mass transfer behaviors. However, for some configurations only steady-state solutions are considered and the implicit scheme is developed to reduce the computational cost. Using the proposed numerical approach several types of the transient rarefied single gas flows as well as the binary mixture of the monoatomic gases are studied.

La lyophilisation est le procédé de choix dans l'industrie pharmaceutique pour la stabilisation de produits thermosensibles tels que les vaccins. Cependant, en raison du pré-conditionnement du produit dans des flacons individuels, ce processus est difficile à concevoir et aboutit souvent à des lots présentant une hétérogénéité significative dans la qualité du produit final. L'objectif principal de ce doctorat a été le développement d'un modèle mathématique pour la conception du processus de lyophilisation à un niveau de risque donné, c'est à dire un pourcentage de flacons potentiellement non conformes. Le travail a porté sur la compréhension et la quantification des sources possibles responsables de la variabilité des transferts de chaleur et de matière lors du processus. Dans un premier temps, la variabilité du transfert de chaleur entre les flacons a été étudiée en considérant les dimensions du flacon et sa position sur l'étagère de l'équipement. La variabilité des dimensions géométriques observées dans un lot de flacons (i.e., l'aire de contact entre l'étagère et le flacon et la profondeur de concavité du fond) a influencé la distribution du coefficient de transfert de chaleur entre les flacons. De plus, un modèle mathématique original en 3D a été développé dans COMSOL Multiphysics pour expliquer et prédire les transferts de chaleur atypiques observés dans les flacons situés sur les bords de l'étagère lors du processus de lyophilisation. Les phénomènes conductifs à basse pression au sein de la vapeur d'eau ont été reportés comme un mécanisme dominant expliquant ces transferts de chaleur atypiques alors que les phénomènes radiatifs liés à la présence des parois de l'équipement ont toujours été cités dans la littérature. Par ailleurs, ce modèle mathématique en 3D a été utilisé pour étudier l'effet de la configuration de chargement du lyophilisateur et des caractéristiques de l'équipement sur la variabilité du transfert de chaleur. Dans un deuxième temps, la variabilité des transferts de matière a été évaluée sur une solution de saccharose à 5 % en considérant deux paramètres, la résistance de la couche sèche au transfert de matière pendant la sublimation et le temps caractéristique de désorption. La résistance à la couche sèche a été évaluée en combinant deux approches complémentaires, les tests de remontée de pression et la méthode gravimétrique. La variabilité estimée de la résistance à la couche séchée a eu un impact plus important sur la distribution de la température du produit que la variabilité du coefficient de transfert de chaleur. La valeur et la variabilité du temps caractéristique de désorption ont été évaluées pour différentes températures et ont permis de simuler l'hétérogénéité de la teneur en eau finale entre les flacons. Dans la dernière partie du travail, les principales sources quantifiées de variabilité des transferts de chaleur et de matière ont été intégrées dans un modèle mathématique de lyophilisation. Ce modèle dynamique multi-flacons a été utilisé non seulement pour prédire l'évolution de la température et de la teneur en eau du produit pendant la lyophilisation pour un lot de 100 flacons, mais aussi pour estimer le pourcentage de flacons potentiellement non conformes. L'approche de modélisation proposée, étendue à un plus grand nombre de flacons simulés, pourrait être utilisée pour calculer les "design spaces" (espaces de travail) des étapes de dessiccation primaire et secondaire du processus de lyophilisation à un risque connu de pourcentage de flacons non conformes. / Freeze-drying is the process of choice in pharmaceutical industry for the stabilization of heat sensitive products such as vaccines. However, due the product pre-conditioning in individual vials, this process is difficult to design and often results in batches presenting a significant heterogeneity in the quality of the final product. The main goal of this Ph.D. project was the development of a mathematical model making it possible to predict the risk of failure when designing the freeze-drying process, i.e., the percentage of "rejected vials". To this end, the work focused on the understanding and quantification of the sources responsible for heat and mass transfer variability during the process. Firstly, the vial-to-vial heat transfer variability was investigated by taking the vial bottom dimensions and the vial position on the shelf of equipment into account. The variability of geometrical dimensions observed within a batch of vials (i.e., contact area between the shelf and the vial and the mean bottom curvature depth) moderately influenced the heat transfer coefficient distribution among vials (by less than 10 %). Secondly, a original 3D mathematical model was developed in COMSOL Multiphysics to explain and predict atypical heat transfer observed in vials located at the border of the shelf during the freeze-drying process. Conduction through low-pressure water vapour appeared as the dominant mechanism explaining the additional heat transfer to border vials rather than as reported in literature radiation from the walls of the drying chamber. Furthermore, this 3D mathematical model was used to investigate the effect of the vial loading configuration and of the equipment characteristics on heat transfer variability. In a second part, mass transfer variability was quantified on a 5% sucrose solution and by focusing on two parameters, the resistance of the dried layer to mass transfer during sublimation and the characteristic desorption time. The dried layer resistance was assessed by combining complementary approaches, the pressure rise test and gravimetric methods. The estimated variability of the dried layer resistance was found to have a higher impact on the product temperature distribution than the heat transfer coefficient variability. The value and variability of characteristic desorption time was evaluated for different temperatures and made it possible to simulate moisture content heterogeneity between vials in the batch. In the last part of the work, the main quantified sources of heat and mass transfer variability were integrated in a mathematical model of freeze-drying process. This multi-vial, dynamic model was used not only to predict the evolution of product temperature and moisture content during freeze-drying for a batch of 100 vials, but also to estimate the percentage of vials that could potentially be rejected. The proposed approach, extended to a greater number of simulated vials, could be applied to calculate design spaces of the primary and secondary drying steps of freezedrying process at a known risk of failure.

L'objectif de cette thèse fut de développer un process pour la production d'acide peroxycarbolique à partir du peroxyde d'hydrogène et d'un acide carboxylique dans un réacteur continu. Dans un premier temps, la stabilité des espèces peroxydées fut étudiée en utilisant une méthode d'analyse en direct (spectromètre de masse). Un effort particulier a été apporté pour trouver un catalyseur hétérogène ne provoquant pas la décomposition des espèces peroxydées et ayant une activité catalytique similaire à l'acide sulfurique. Un réacteur en continu en lit fixe a été construit en utilisant des résines échangeuses de cation. / The purpose of this thesis was to find a way to produce peroxycarboxylic acid from hydrogen peroxide and carboylic acid in a continuous reactor by using heterogeneous catalysts. In the first step the stability of peroxyde species xas studied by using an online analytic method (Mass spectrometer). One of the main challenge was to find a suitable solid acid catalyst, wich does no decompose the peroxyde species and can catalyze the reaction as sulfuric acid. A continuous fixed bed reactor was built by using caion exchange resins as a catalyst.