Comment se forment les poussières dans un four électrique à arc d'aciérie et comment réduire leur quantité ? Telles sont les deux questions qui ont motivé ce travail. La caractérisation morpho-minéralogique des particules qui les composent suggère que l'éclatement des bulles de monoxyde de carbone à la surface du bain d'acier liquide est la principale source d'émission de poussière. Nous avons donc développé un dispositif expérimental original permettant de visualiser ce phénomène et de quantifier les gouttelettes projetées lors de l'éclatement d'une bulle. Les résultats obtenus montrent que ce sont les gouttes issues de la fragmentation du film liquide soulevé par la bulle, qui représentent la contribution majeure à la formation des poussières. La masse de gouttes de film émises est d'autant plus faible que les bulles sont petites, elle devient nulle pour une taille de bulle inférieure à 4,5 mm. Il est donc possible de réduire les émissions de poussières en maîtrisant la décarburation, à l'origine de la formation des bulles au four électrique. Après émission, les projections sont entraînées dans le système de captage des fumées où elles subissent des phénomènes d'agglomération, de coalescence et de frittage. Un modèle numérique décrivant ces phénomènes a été développé. Les résultats donnés par le calcul en termes de morphologie et de granulométrie sont très proches des caractéristiques réelles des poussières. A l'aide de ce modèle, nous avons pu préciser l'influence des conditions de captage (température, débit d'aspiration, géométrie des conduites) sur l'évolution des particules. Nous avons également déterminé par quels mécanismes et dans quelles parties du captage se forment les différentes catégories de particules, et nous avons expliqué les différences granulométriques observées entre les poussières de four électrique et celles de convertisseur.

La congélation partielle du mix dans un échangeur de chaleur à surface raclée (ECSR)est l'étape la plus critique dans la fabrication d'un sorbet, car c'est la seule étape où de nouveaux cristaux de glace se forment; par la suite ces cristaux ne font que grossir. L'objectif principal est de produire un grand nombre de cristaux les plus petits possibles afin d'obtenir une texture onctueuse. Pendant le procédé de congélation, le produit est soumis à des interactions couplées d'écoulement du fluide, de transfert de chaleur, de changement de phase et de cisaillement. Ces interactions sont déterminées par les conditions opératoires du procédé de congélation et affectent l'évolution de la distribution de taille des cristaux de glace, ainsi que la texture finale du produit. Ce travail présente la caractérisation expérimentale et la modélisation du procédé de congélation d'un sorbet. La congélation du sorbet à été effectuée dans un ECSR à l'échelle pilote. L'objectif principal de ce travail est l'étude de l'influence des conditions opératoires du procédé de congélation sur les caractéristiques finales du produit: distribution de taille de cristaux de glace, température du produit, fraction volumique de glace et viscosité apparente. Le comportement de l'écoulement du produit dans l'ECSR a été caractérisé par une étude expérimentale et une modélisation de la distribution du temps de séjour (DTS). Une approche de modélisation de la cristallisation de la glace couplant le modèle de DTS avec des équations de transfert de chaleur et de bilan de population des différentes classes de taille de cristaux a été développée. À partir d'une première estimation des paramètres, le modèle de cristallisation prédit de façon satisfaisante les tendances expérimentales et donne un bon aperçu de l'évolution de la distribution de taille des cristaux de glace au cours du procédé de congélation dans l'ECSR.

L'étude expérimentale effectuée sur la précipitation du SrMoO₄ a montré qu'il présente plusieurs morphologies (bipyramide et fuseaux) possibles sous forme d'agglomérats multiéchelles. Les paramètres opératoires: concentration initiale en SrMoO₄, température et vitesse d'agitation ont une influence sur la morphologie et la taille des cristaux et agglomérats. La précipitation du SrMoO₄ a été suivie en phase liquide par conductimétrie dans un réacteur discontinu. En fin de précipitation, la forme des cristaux et des agglomérats a été observée au MEB/FEG et la distribution de taille de particules (DTP) mesurée.La poudre a été analysée par DRX, BET et porosimétrie Hg. L'objectif de ce travail est le développement d'un modèle d'agglomération couplé avec la nucléation et la croissance cristalline de façon à déterminer la morphologie des agglomérats obtenus. Le logiciel Parsival a été utilisé pour résoudre les bilans de population et ainsi obtenir les DTP et les profils de désursaturation.

La règle des phases d'Ostwald classiquement utilisée pour justifier la cristallisation d'un système polymorphique, stipule que la phase métastable apparait en premier puis subit une transition polymorphique vers la phase stable. Les modèles classiques, qui ne considèrent que la nucléation et la croissance, ne permettent pas de refléter l'avantage cinétique de la phase métastable formulé par la règle d'Ostwald. Cette étude propose d'étudier et de mieux comprendre la cristallisation d'un système polymorphe en prenant en compte le mécanisme de mûrissement d'Ostwald, habituellement négligé. Un produit modèle, l'acide L-Glutamique, est choisi pour l'étude expérimentale menée en milieu agité et stagnant. Deux modèles, l'un basé sur les bilans de population, l'autre basé sur les équations cinétiques, sont développés et qualitativement comparés pour simuler le comportement expérimental des phases polymorphes. Alors que le modèle de bilan de population s'avère limité, le modèle des équations cinétiques a permis de souligner l'effet du mécanisme de mûrissement sur la compétition entre les phases polymorphes et de valider, ainsi, une nouvelle explication pour la règle des phases d'Ostwald / The Ostwald rule of stages is conventionally used to explain the crystallization behavior of a polymorphic system. It states that the metastable phase first appears and undergoes a polymorphic transition toward the stable phase, in a second step. The Classical models, which only consider nucleation and growth, fail to reflect the kinetic advantage of the metastable phase formulated by Ostwald’s rule. Hence, this work intends to study and better understand the crystallization of a polymorphic system, taking into account the Ostwald ripening mechanism, usually neglected. A model compound, L-Glutamic acid, is chosen for the experimental study in agitated and stagnant conditions. Two numerical models, one based on the population balance equation and the other based on the kinetic equations, are developed to simulate the behavior of that polymorphic system, observed experimentally. A qualitative comparison between these two models is proposed. The model that relates the population balance equation does not permit correct implementation of all the mechanisms. Conversely, the model based on the kinetic equations highlights the effect of the ripening mechanism on the competition between the two polymorphic phases and allows us to propose a new explanation of the Ostwald rule of stages

Un système consistant d'une simulation de mécanique des fluides numérique (MFN) couplée à un modèle de bilan de population (PBM) est développé afin d'étudier l'effet des paramètres variés sur la performance d'un procédé de polymérisation en émulsion qui conduit à la peoduction des particules de polymère dans un milieu aqueux continu.Comme une grande gamme des produits polymériques, des latexes sont les « produits par processus » (products-by-process), et leurs propriétés sont déterminés pendant la polymérisation. LA distribution de la taille des particules (PSD) est une des plus importants paramètres qui influence la qualité finale de latex. La modélisation d'évolution du PSD est généralement réalisée par l'addition un ensemble des PBEs au modèle cinétique. Le PBE fournit un moyen d'étudier la contribution des différents phénomènes dans l'évolution du PSD, comme la nucléation, la croissance des particules par la polymérisation, et la coagulation des particules à cause du mouvement brownien ou le mouvement du fluide (la coagulation Perikinetic et Orthokinetic, respectivement).Afin d'évaluer l'impact du mélange non homogène et les paramètres physiques du système sur l'évolution du PSD du latex, la simulation transitoire d'écoulement à été réalisé avec l'aide d'un progiciel commercial de MFN (Fluent® 15.0) pour munir dans chaque pas du temps, les concentrations locales des espèces ioniques (pour déterminer le taux de la coagulation Perikinetic modelé par le modèle de DLVO) ainsi que certains paramètres hydrodynamiques comme le taux de dissipation de la turbulence et le taux de cisaillement (afin de déterminer le taux de la coagulation Orthokinetic). Cette information est appliquée simultanément par le module complémentaire de PBM dans Fluent pour calculer le PSD pour le prochain pas du temps ; ainsi, un couplage complet entre le MFN et le PBM est assuré / A framework, consisting of a computational fluid dynamics (CFD) simulation model coupled to a population balance model (PBM) is developed to study the effect of various parameters on the performance of an emulsion polymerization process which leads to the production of a fine dispersion of polymer particles in a continuous aqueous medium.Like most polymer products, latexes are “products-by-process”, whose main properties are determined during polymerization. One of the main parameters influencing the final quality of the latexes is the particle size distribution (PSD). Modeling the evolution of PSD is usually accomplished through the addition of a set of PBEs to the kinetic model. PBE provides a means of considering the contribution of different phenomena in the PSD evolution, being nucleation, growth of polymer particles by polymerization, and coagulation of particles due to brownian or fluid motion (Perikinetic and Orthokinetic coagulation, respectively).To assess the impact of nonhomogeneous mixing and physical parameters of the system on the evolution of the latex PSD, the transient simulation of flow was performed with the aid of a commercial CFD Package (Fluent® 15.0) to provide in each time step, the local concentrations of ionic species (to determine the rate of perikinetic coagulation modeled by DLVO model) and certain hydrodynamic parameters such as turbulence dissipation rate and shear rate (to determine the rate of orthokinetic coagulation). This information is applied simultaneously by the PBE add-on module of Fluent to calculate the PSD for the next time step; thus a complete coupling between CFD and PBM is assured

La congélation partielle du mix dans un échangeur de chaleur à surface raclée (ECSR)est l'étape la plus critique dans la fabrication d'un sorbet, car c'est la seule étape où de nouveaux cristaux de glace se forment; par la suite ces cristaux ne font que grossir. L'objectif principal est de produire un grand nombre de cristaux les plus petits possibles afin d'obtenir une texture onctueuse. Pendant le procédé de congélation, le produit est soumis à des interactions couplées d'écoulement du fluide, de transfert de chaleur, de changement de phase et de cisaillement. Ces interactions sont déterminées par les conditions opératoires du procédé de congélation et affectent l'évolution de la distribution de taille des cristaux de glace, ainsi que la texture finale du produit. Ce travail présente la caractérisation expérimentale et la modélisation du procédé de congélation d'un sorbet. La congélation du sorbet à été effectuée dans un ECSR à l'échelle pilote. L'objectif principal de ce travail est l'étude de l'influence des conditions opératoires du procédé de congélation sur les caractéristiques finales du produit: distribution de taille de cristaux de glace, température du produit, fraction volumique de glace et viscosité apparente. Le comportement de l'écoulement du produit dans l'ECSR a été caractérisé par une étude expérimentale et une modélisation de la distribution du temps de séjour (DTS). Une approche de modélisation de la cristallisation de la glace couplant le modèle de DTS avec des équations de transfert de chaleur et de bilan de population des différentes classes de taille de cristaux a été développée. À partir d'une première estimation des paramètres, le modèle de cristallisation prédit de façon satisfaisante les tendances expérimentales et donne un bon aperçu de l'évolution de la distribution de taille des cristaux de glace au cours du procédé de congélation dans l'ECSR. / The partial freezing of the mix inside the scraped surface heat exchanger (SSHE) is the most critical step in sorbet manufacturing, since it is the only stage where new ice crystals are produced; further in the process these ice crystals will only grow. The main objective of the freezing process is to form the smallest possible ice crystals, so as to assure a smooth texture in the final product. During the freezing process the product is subjected to coupled interactions of fluid flow, heat transfer, ice phase change and shear. These interactions are determined by the freezing operating conditions and affect the evolution of the ice crystals size distribution (CSD) and the final texture of the product. This work presents the experimental characterization and the modelling of the initial freezing process of a sorbet. The freezing of sorbet was carried out in a SSHE at the pilot scale. The main objective of this work was the study of the influence of the freezing operating conditions on the final product characteristics: ice CSD, product temperature, ice volume fraction, apparent viscosity. The product flow behaviour in the SSHE was characterized by an experimental and modelling study of the residence time distribution (RTD) of the product. An ice crystallization modelling approach, taking into account the coupling of an empirical RTD model with heat transfer equations and a population balance of the different ice crystal size classes was developed. With a first set of estimated parameters, the ice crystallization model predicts satisfactorily the experimental trends, and made it possible to have an insight on the evolution of ice CSD during the freezing process in the SSHE.

Un modèle complet permettant de simuler la dynamique d'un nano-aérosol est présenté et discuté. On considère une équation Eulérienne de type « Diffusion-Inertia » réécrite en moments en incluant un terme source de coagulation. Le phénomène de dépôt est pris en compte par l'intermédiaire d'une condition aux limites sur le flux de moments à la paroi. L'expression de la granulométrie en moments permet d'obtenir une très bonne efficacité de calcul et rend ainsi le modèle utilisable pour des applications industrielles ou en santé au travail. L'implémentation de cette approche dans un code de CFD est validée sur des cas simples par comparaison avec une méthode des classes ainsi que des données expérimentales. La méthode des moments n'introduit pas de biais particulier et les résultats numériques sont en accord avec les résultats expérimentaux. Un nouveau dispositif expérimental, qui consiste en une enceinte ventilée, est également proposé afin de maîtriser au mieux l'écoulement et de caractériser la morphologie des agrégats générés. La confrontation entre les résultats numériques et expérimentaux met en évidence le fait que la détermination des paramètres fractals est un élément clé de la modélisation / A complete CFD model for nano-aerosol dynamics is presented and discussed. It consists in an Eulerian "Diffusion-Inertia" equation including a coagulation source term which is rewritten in terms of moments. Deposition phenomenon is taken into account by means of a boundary condition on the flux of moments at walls. The moment transformation allows good computational performances and makes thus the model tractable for industrial and occupational health applications. The implementation of this approach into a CFD code is assessed for simple cases by comparison with sectional approach results and experimental data. These comparisons show that the method of moments does not induce particular bias and that numerical results are in good agreement with available experimental data. An experimental set-up, which consists in a ventilated chamber, is also proposed for allowing a good control of the flow and for allowing the investigation of aggregates morphology. The confrontation between numerical and experimental results highlights that the determination of the fractal parameters is a modelling key point

L'objectif de cette étude est de développer une méthodologie permettant de déterminer et de mettre en \oe{}uvre les conditions opératoires optimales du procédé fed-batch de copolymérisation en émulsion du styrène et de l'acrylate de butyle en présence d'un agent de transfert de chaîne (CTA). Elle vise particulièrement à optimiser la production et les caractéristiques physico-chimiques de particules de latex à propriétés d'usage ciblées. Après une étude expérimentale de l'impact des différents facteurs, le modèle mathématique du procédé a été développé traduisant l'effet particulier de l'agent de transfert de chaîne sur la cinétique de polymérisation et mettant l'accent sur une les bilans de population. Une approche basée sur l'analyse de l'estimabilité des paramètres a ensuite permis de sélectionner 21 paramètres parmi les 49 paramètres du modèle mathématique dont les valeurs ont été identifiées grâce à un algorithme génétique. Le modèle mathématique validé en modes batch et fed-batch a ensuite été exploité pour l'optimisation multicritère du procédé orientée vers la maximisation de la production de particules de latex possédant une morphologie de type coeur-écorce avec un profil de température de transition vitreuse prédéfini. L'ensemble des solutions du front de Pareto a été obtenu grâce à un algorithme évolutionnaire développé et testé à cet effet. La meilleure alternative obtenue grâce à un outil d'aide à la décision a été implémentée expérimentalement et comparée avec succès aux prédictions du modèle mathématique / The objective of this study is to develop a methodology in order to determine and implement the optimal operating conditions of the emulsion fed-batch copolymerization process of styrene and butyl acrylate in the presence of a chain transfer agent. It particularly aims to optimize the production and the physico-chemical characteristics of latex particles with targeted end-use properties. After an experimental study, the process model has been developed taking into account the particular effect of the chain transfer agent on the polymerization kinetic and highlights the population balance. Thanks to an estimability analysis approach, 21 parameters among the 49 parameters of the model have been selected whose values have been identified by using a genetic algorithm. The mathematical model validated in both batch and fed-batch modes was then exploited for the multicriteria optimization of the process oriented towards the maximization of the production of latex particles having a core-shell type morphology with a given glass transition temperature profile. The Pareto's front solutions were obtained thanks to an evolutionary algorithm developed and tested for this purpose. The best alternative obtained by a decision-making aid tool was finally experimentally implemented and successfully compared with the predictions of the mathematical model