Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2007. / Titre de l'écran-titre (visionné le 5 mai 2008). Bibliogr.

Dans le cadre d'un projet sur un procédé de projection de cuivre sur des matériaux composites par torche plasma, l'objectif de ce travail est de calculer les propriétés radiatives et de transport pour un mélange Ar/H2/Cu, pour des températures comprises entre 300K et 25000K, et à la pression atmosphérique. En supposant l'ETL, le calcul préalable de la composition permet de déterminer les coefficients de transport et les propriétés radiatives suivant trois méthodes :<br /><br />- le coefficient d'émission nette pour un milieu homogène et isotherme constituant une assez bonne approximation du rayonnement émis par les régions les plus chaudes. <br /><br />- le ‘coefficient moyen d'absorption' basé sur un découpage préliminaire de l'ensemble du spectre en quelques intervalles, la valeur du coefficient d'absorption étant supposée constante dans chacun d'eux pour une température donnée. Cette méthode est intéressante pour trois raisons : sa cohérence avec les valeurs du coefficient d'émission nette dans les régions chaudes ; le calcul explicite de l'absorption du rayonnement dans les régions tièdes du plasma ou dans le gaz froid environnant ; l'utilisation de ces données dans des codes de calcul de mécanique des fluides appliqués aux plasmas thermiques. <br /><br />- la méthode de Chapman-Enskog utilisée pour déterminer les coefficients de transport et basée sur la résolution de l'équation intégro-différentielle de Boltzmann. Une étude critique des intégrales de collision a permis de sélectionner un jeu cohérent de valeurs permettant le calcul original des coefficients de transport pour notre mélange ternaire. <br /><br />Enfin, une étude expérimentale du jet de plasma a été également menée dans le cadre de cette thèse. A partir de méthodes de diagnostics par spectroscopie d'émission, le principal objectif consiste à caractériser l'état d'un plasma Ar/H2 en présence de cuivre et à déterminer les paramètres fondamentaux de la décharge (température, densités des diverses espèces).

Cette étude a été menée dans le cadre d’un souci des nuisances olfactives présentes autour d’une usine de mélange et de stockage de bitume polymérisé. Le traitement par biofiltration des vapeurs émanant de ce bitume présente un défi particulier puisque cet effluent combine des composés odorants avec des composés organiques volatils (COV). L’objectif général de l’étude était de déterminer l’applicabilité de la biofiltration pour le traitement d’air chargé en vapeurs de bitume. Une analyse exhaustive des vapeurs de bitume a d’abord permis d’identifier plus de 100 composés. Cette analyse a ensuite été utilisée pour créer un mélange gazeux synthétique représentatif des vapeurs de bitume : H2S et cinq COV (hexane, décane, toluène, p-xylène et thiophène). Deux biofiltres pilotes ont alors été alimentés avec cet air vicié pendant une période de 106 jours. Le biofiltre 1 était un système simple en une étape et le biofiltre 2 était un système double en deux étapes distinctes. Les pilotes, d’un diamètre de 25 cm, étaient garnis sur 1 et 2 m avec un milieu organique pour obtenir des temps de résidence en fût vide de 36 et 72 secondes respectivement. Les résultats obtenus démontrent qu’une période d’environ 50 jours a été nécessaire pour atteindre le régime stationnaire. Les deux pilotes ont présenté de très bonnes performances épuratoires pour l’H2S; l’enlèvement quasi total de ce composé a été observé après quelques semaines et s’est maintenu pendant toute la durée subséquente de l’expérience. Par contre, le traitement des COV était nettement moins efficace. Le pilote 1 a seulement atteint une efficacité de 20% tandis le pilote 2 a atteint 60%. Les capacités épuratoires maximales ont été obtenues avec le pilote 2 et correspondent à 25 g•m-3•h-1 pour l’H2S et à 5,3 g•m-3•h-1 pour les COV. Ce projet a permis de démontrer le potentiel de la biofiltration pour le traitement simultané d’H2S et de COV. Il a également été possible d’établir certaines conditions d’opération nécessaire au bon fonctionnement du procédé et de déterminer qu’un système en deux étapes serait mieux adapté au traitement des vapeurs de bitume. / This study was carried out in response to odour problems around a polymer-modified bitumen mixing and storage plant. Biofiltration of these bitumen vapours presents an interesting challenge since they combine odorous substances with volatile organic compounds (VOCs). The general objective of this study was to determine the potential of biofiltration for the treatment of air containing bitumen vapours. By means of a detailed analysis of the bitumen vapours, it was possible to identify over a 100 compounds. This analysis was then used to create a synthetic gas which was representative of the bitumen vapours: H2S and five VOCs (hexane, decane, toluene, p-xylene and thiophene). Two pilot-scale biofilters were operated using this synthetic gas for a period of 106 days. Biofilter 1 was a single-stage system while biofilter 2 was a two-stage system. The biofilters, 25 cm in diameter, were filled with 1 and 2 m of an organic filter medium to obtain empty bed residence times of 36 and 72 seconds respectively. Results demonstrated that a period of about 50 days was necessary to reach a steady state. The two biofilters performed very well in regards to H2S; the complete removal of this compound was observed after a few weeks and was subsequently maintained for the rest of the experiment. However, VOC elimination was much less efficient. Biofilter 1 was only able to treat 20% of the inlet concentration while biofilter 2 removed 60%. Maximum elimination capacities of 25 g•m-3•h-1 for H2S and 5.3 g•m-3•h-1 for VOCs were obtained with biofilter 2. This project demonstrated the potential of biofiltration for the simultaneous treatment of H2S and VOCs. It was also possible to establish certain operating conditions necessary for proper operation and to determine that a two-stage system would be more efficient for the treatment of bitumen vapours.

La gazéification permet de convertir la biomasse en gaz de synthèse composé principalement d’H2, de CO et de CO2. Ce gaz peut être utilisé comme combustible dans des moteurs ou pour produire du gaz naturel de synthèse. En plus du syngaz, la gazéification génère des espèces aromatiques lourdes qualifiées de goudrons, comme le toluène, le naphtalène et le phénanthrène. Ces espèces posent divers problèmes pratiques. Elles nuisent aux catalyseurs de SNG (surtout le toluène car plus abondant). Pour un emploi en moteur, les problèmes viennent des goudrons lourds qui sont condensables. L’épuration du syngaz est donc nécessaire pour permettre son utilisation. La perméation de gaz dans une membrane polymère dense est une technologie employée pour diverses séparations. En particulier, les membranes en silicone (PDMS) sont plus perméables aux vapeurs organiques qu’aux gaz. Cette propriété est déjà utilisée à grande échelle pour retirer des vapeurs légères de flux d’air à température ambiante. La séparation envisagée dans cette thèse reprend cette idée mais avec des vapeurs inhabituellement lourdes et une température de 90°C, ce qui est élevé. La perméation repose sur des lois de sorption et de diffusion. Les paramètres de sorption ont été mesurés, ceux de diffusion ont été tirés de la littérature afin de permettre des simulations. Ces dernières révèlent que l’emploi d’une membrane en PDMS est une technologie prometteuse pour l’épuration du syngaz en vue d’un emploi en moteur. En revanche, cette technologie semble incapable de séparer efficacement le toluène des gaz permanents (par manque de sélectivité), ce qui la rend inapte à épurer le syngaz en vue d’une application de type SNG. / Gasification allows to convert biomass into a synthesis gas containing mainly H2, CO and CO2. This gas can be used as a fuel in engines or to produce synthesis natural gas (SNG). In practice, heavy aromatic species named tars (such as toluene, naphthalene, phenanthrene) are generated along with syngas. These species generate various practical problems. They damage the SNG catalysts (especially toluene since it’s the most abundant). If syngas is used in a combustion engine, the problems are linked to the heaviest tars that can condense. Therefore, syngas upgrading is a key step to allow a good use. Gas permeation across a dense polymer membrane is a technology that is used for several separations. In particular, silicone membranes (PDMS) are more permeable to organic vapors than to permanent gases. This property is ever used at high scale to remove light vapors from fluxes of air or of nitrogen at ambient temperature. The separation that is considered in this study uses this idea but the vapors are heavy and the temperature is 90°C; that is, quite a high level of temperature. The permeation of species through a membrane is ruled by sorption and diffusion laws. The sorption parameters have been measured and the diffusion parameters have been obtained from literature in order to allow simulations. These simulations, show that the use of a PDMS membrane seems to be a promising technology to upgrade syngas for a use in an engine. On the other hand, this technology seems unable to efficiently separate toluene from permanent gases (because of a too low selectivity); that is, this technology is not able to upgrade syngas for use in SNG production.

Cette thèse présente l'étude de l'interaction de lumière cohérente avec une couche sub-longueur d'onde de vapeur alcaline atomique confinée en nano-cellule et applications pour la formation de résonances optiques étroites.Nous développons un modèle théorique décrivant l'interaction résonante de lumière laser avec la couche mince de vapeur alcaline en présence d'un champ magnétique. Nous montrons qu'en raison d'un régime transitoire d'interaction, seuls les atomes lents contribuent au signal et leur spectre de transmission est essentiellement sans effet Doppler. La nature des spectres obtenus fait de la spectroscopie de transmission, en nano-cellule, une technique pratique pour l'étude de transitions très rapprochées et l'évolution de leur comportement dans un champ magnétique. Des expériences réalisées pour des champs magnétiques jusqu'à 7000 G montrent un excellent accord entre théorie et expérience.Nous explorons aussi la rotation Faraday du plan de polarisation de la lumière lors de sa propagation dans la couche mince atomique. Bien que l'angle de rotation soit très faible, nous observons que les résonances des spectres de rotation Faraday sont plus étroites que celles de transmission. Enfin, nous étudions de nouvelles possibilités pour former des résonances optiques étroites et montrons qu'un traitement par deuxième dérivée des spectres de transmission donne le meilleur rétrécissement de raies parmi toutes les méthodes étudiées dans cette thèse. / This thesis presents the study of coherent light interaction with a sub-wavelength atomic alkali vapor layer confined in a nano-cell and applications for the formation of narrow optical resonances.We develop a theoretical model describing the resonant interaction of the laser light with the thin alkali vapor layer in the presence of an external static magnetic field. We show that due to a transient regime of interaction, only slow atoms contribute to the signal and their transmission spectrum is essentially Doppler-free. The nature of the obtained spectra makes the transmission spectroscopy from a nano-cell a convenient technique to perform studies of closely-spaced atomic transitions and investigate their behavior in magnetic fields. Experimental realizations for magnetic field up to 7000~G show an excellent agreement between theory and experiment.We also explore the Faraday rotation of the plane polarization of light with the propagation through the thin atomic slab. We see that despite a small angle of rotation, Faraday rotation spectra exhibit resonances narrower than that for transmission. At last, we investigate new possibilities to form narrow optical resonances in nano-cells and show that second derivation processing of transmission spectra yields the strongest line narrowing among all methods studied in this thesis.

Durant les régimes de fonctionnement transitoires à froid des technologies d’Injection Directe Essence, des films liquides peuvent se former sur les parois du cylindre moteur. L’interaction entre le gradient de fraction de vapeur, résultant de l’évaporation de ces films avec le front de flamme, est responsable de la majorité des émissions d’hydrocarbures imbrulés (HC). Dans ces travaux, une configuration expérimentale simplifiée a été développée de façon à générer un gradient de fraction de vapeur par évaporation, dans un contexte d’écoulement réactif confiné, mais préservé des complexités inhérentes aux configurations industrielles. L’étude porte sur les influences de la vitesse de l’écoulement et de la température de l’interface de changement de phase sur les intensités des transferts de masse et de chaleur ainsi que sur l’établissement de la stratification de vapeur. Dans un premier temps, les flux de vapeur et de chaleur provenant d’une paroi poreuse saturée en liquide volatil ont été mesurés et évalués. Dans un second temps, le gradient de fraction de vapeur à proximité de la paroi poreuse a été caractérisé par un diagnostic de Fluorescence Induite par Laser (FIL). L’approche globale a confirmé que le flux de chaleur consommé par le changement de phase représente une part importante du flux de chaleur total échangé. De plus, les résultats de mesures de FIL ont montré l’existence de différents types de distributions et comportements provenant du lien étroit entre la forte densité du mélange gazeux et la formation de la couche de vapeur. / During cold start and warm up engine regimes for Gasoline Direct Injection (GDI) technology, fuel liquid films may accumulate on the cylinder walls. The interaction between the mass fraction gradient, witch is resulting from its evaporation, and the front flame, manages to produce the majority of Unburnt HydroCarbon (UHC) emissions. In order to reproduce the conditions found in internal combustion without the industrial setup complexity, an academic experimental configuration has been developed to generate a mass fraction gradient by evaporation. This study focuses on the influence of the air stream velocity and the influence of the phase change interface temperature. First, mass and heat fluxes from the phase change surface have been measured and calculated near a porous wall saturated with volatile liquid. Then, the mass fraction gradient near the porous wall has been characterised by a Laser Induced Fluorescence (LIF) diagnostic. The global approach has confirmed that latent heat flux represents a major part of the total heat transfer flux exchange. Moreover, LIF results have shown different global behaviours that link the high density of the gas mixture to the vapour layer formation.

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.

Des masques polymères à porosité contrôlée sont fabriqués à partir de films minces de copolymères à blocs auto-organisés polystyène-b-polylactide (PS-PLA) et polystyrène-b-poly(méthacrylate de méthyle) (PS-PMMA). Les films doivent être réorganisés grâce à une exposition aux vapeurs de solvant (THF ou DCE) pour obtenir des cylindres perpendiculaires à la surface, dans le volume et arrangés de façon hexagonale à longue distance. L'extraction sélective des domaines minoritaires conduit alors à des films minces poreux de PS. La mise en place de nouvelles techniques de caractérisation (analyse des images AFM, analyse MEB de répliques de système poreux, ellipso-porosimétrie) a permis d'évaluer l'influence de nombreux paramètres (nature du substrat, épaisseur du film, mode de dépôt, nature du solvant, temps et mode d'exposition aux vapeurs du solvant, ...) sur la morphologie des films (surface, interface substrat/film, volume) et sur la cinétique de réorganisation. Des mélanges de copolymères à blocs A-B et d'homopolymères C (PS-PMMA/PLA, PS-PLA/PMMA, PS-PLA/PEO, PS-PEO/PLA, PS-PEO/PMMA, PS-PMMA/PEO) sont également étudiés. L'ajout d'homopolymères permet dans certains cas, d'améliorer la réorganisation des films de copolymères à blocs. Il permet également une augmentation des tailles caractéristiques du système. L'homopolymère C se localise au centre des domaines du bloc minoritaire B si χA-C> χB-C et χA-C > χA-B. Par exemple, dans le cas du mélange PS-PMMA/PLA, des cylindres perpendiculaires à la surface et organisés de façon hexagonale sont observés après exposition aux vapeurs de THF avec incorporation des domaines d'homopolymères PLA au centre des domaines de PMMA.

Deux expériences ont été menées sur la plate-forme expérimentale "SCERES" afin d'évaluer les concentrations et les flux de vapeurs de TCE dans SCERES en présence de deux dalles de béton fissurées installées, l'une après l'autre, à la surface de SCERES. Cet aquifère poreux est un milieu hétérogène de grande échelle (25 x 12 x 3 m3). Les résultats ont montré que le panache de vapeur de TCE couvre la plupart du bassin au bout de 3 semaines depuis la création de la zone source de TCE dans le sous sol. L'hétérogénéité du site SCERES a engendrée une distribution verticale non uniforme de la concentration de vapeurs de TCE. La simulation du panache de vapeur dans SCERES a été effectuée au moyen du code de calcul multiphasique "SIMUSCOPP". La présence sur SCERES de la dalle de béton, un milieu peu perméable et peu diffusif, a constitué une "barrière" en vue du transfert de vapeurs de TCE vers l'interface dalle/atmosphère. Afin de mieux quantifier le flux de vapeurs à travers la dalle de béton, une étude de coefficient de diffusion et de perméabilité des deux dalles a été réalisée. Un mouvement vertical ascendant du toit de la nappe a généré un fort gradient de pression motrice de l'air du sol. Ceci a engendré une forte augmentation des flux de vapeurs à l'interface sol/atmosphère. La quantification de ces flux de vapeurs a été effectuée à l'aide d'une solution semi analytique basée sur la loi de Fick et la loi de Darcy en tenant compte à la fois de l'effet de gradient de pression motrice et l'effet de densité de vapeurs sur le transfert de vapeurs vers la surface du sol. L'intrusion de vapeurs de TCE dans le bâtiment modèle, installé sur la dalle de béton, a été générée par une mise en dépression dans ce dernier. Ce qui a fait augmenter la concentration de vapeurs de TCE sous la dalle ainsi dans le bâtiment. La simulation de l'intrusion de vapeurs dans l'air intérieur de bâtiment a été réalisée par l'intermédiaire du code de calcul multiphysics "COMSOL", avec lequel nous avons démontré l'évolution de la concentration de vapeurs obtenues expérimentalement dans le bâtiment et qui dépend directement de la variation spatio-temporelle du flux massique à travers la dalle.

Les disjoncteurs à haute tension, présents dans le réseau électrique, permettent d'assurer en toute sécurité la distribution de l'électricité. Lorsqu'un défaut est détecté, ou lors d'une intervention de maintenance, l'ouverture des contacts électriques au sein du disjoncteur entraine l'apparition d'un arc électrique à ses bornes. La protection et la coupure ne seront effectives que lorsque l'arc électrique aura été coupé. De nombreux paramètres, géométriques et physiques entrent en jeu dans la capacité de coupure d'un disjoncteur. L'objectif de ces travaux de thèse consistait à analyser l'impact du plasma sur les différents matériaux constituant le disjoncteur. Une démarche purement théorique est abordée à travers l'utilisation du logiciel commercial ANSYS Fluent. Ces travaux sont menés en collaboration avec la société Siemens qui fournit les données expérimentales indispensables à la discussion et à la validation du modèle. Dans ce travail nous considérons dans un premier temps l'ablation des tuyères en téflon. Ce phénomène est pris en compte dans notre étude, au travers d'un modèle d'ablation basé sur la théorie de T. Christen. L'ablation des parois joue un rôle fondamental sur la montée en pression dans les volumes de chauffage, et a une incidence directe sur la réalisation de la coupure. Ainsi le rôle et la quantification des vapeurs de C2F4 sont discutés et détaillés. La deuxième interaction plasma/matériau qu'il convenait d'étudier est celle avec l'électrode mobile constituée d'un mélange tungstène cuivre. Cette interaction est rarement étudiée au niveau des travaux de la littérature. La mise en place nécessite le développement de modèles de sous couches, en proche voisinage de l'électrode, basés sur des balances d'énergie et de flux qui permettent de déterminer par des approches hors équilibre la température des électrodes et le taux de production de vapeurs. Sur une configuration réelle de disjoncteur les caractéristiques temporelles des grandeurs physiques (température, vitesses, pression) et électriques (courant, tension) sont présentées et discutées dans la phase fort courant. Nous concluons sur la nécessité de considérer l'ablation du C2F4 pour une bonne description de la montée en pression dans les volumes de chauffage car ils conditionnent le soufflage au moment du passage par le zéro du courant, et sur la nécessité de prendre en compte les vapeurs de cuivre car celles-ci sont présentes au passage par zéro du courant et conditionnent alors le pouvoir de coupure du disjoncteur. / High-voltage circuit breakers, present in the power grid, ensure in safety the electricity distribution. When an error is detected, or for a maintenance operation, the opening of the electrical contacts within the circuit breaker causes the appearance of an electric arc at its terminals. Protection and cut-off will only be effective if the electrical arc cut off. Many parameters, geometric and physical, are involved in the breaking capacity of a circuit breaker. The aim of this work is to analyze the impact of plasma on the various materials making up the circuit breaker. A purely theoretical approach is tackled through the use of the commercial software ANSYS Fluent. This work is carried out in collaboration with Siemens, which provides the experimental data necessary for the discussion and validation of the model. In this work, we first consider the ablation of teflon nozzles. This phenomenon is taken into account in our study, using an ablation model based on the theory of T. Christen. The ablation of the walls plays a fundamental role on the rise in pressure in the heating volumes, and has a direct effect on the cut-off realization. Thus, the role and quantification of C2F4 vapors are discussed and detailed. The second plasma / material interaction that should be studied is that with the mobile electrode made of a tungsten copper mixture. This interaction is rarely studied in the literature. The implementation requires the development of sub-layers models in the vicinity of the electrode, based on energy and flux balances, which make it possible to determine by non-equilibrium approaches the temperature of the electrodes and the rate of vapor production. On a real circuit breaker configuration, the temporal characteristics of the physical (temperature, velocities, pressure) and electrical (current, voltage) quantities are presented and discussed in the high current phase. We conclude on the need to consider the ablation of C2F4 for a good description of the rise in pressure in the heating volumes because they condition the blowing at the moment of current-zero and on the need to take into account the copper vapors because these are present at the zero crossing of the current and then condition the breaking capacity of the circuit breaker.