L'objectif de ce travail est d’évaluer le positionnement et le potentiel des récepteurs à lit fluidisé à changement de section par rapport aux autres méthodes de chauffage de gaz à haute température par voie solaire. A cette fin, une connaissance approfondie des phénomènes thermiques et hydrodynamiques du récepteur est nécessaire. Pour acquérir cette connaissance, nous avons modélisé les transferts thermiques dans le récepteur en portant une attention particulière sur les transferts radiatifs en prenant en compte les diffusions multiples de la lumière dans le milieu particulaire, les effets de parois sur les transferts radiatifs et la directionnalité du rayonnement solaire concentré. La détermination précise de la distribution de particules dans le ciel du lit fluidisé s'est avérée un paramètre critique pour le calcul des transferts thermiques. Ces modèles, plus tard affinés par une confrontation avec des références expérimentales, nous ont permis d'explorer l'effet de la géométrie sur les transferts thermiques dans le récepteur. Il ont permis entre autres de mettre en évidence l'intérêt d'utiliser une colonne de fluidisation à changement de section et l'importance de l'optimisation du couple concentrateur solaire / récepteur afin d'éviter d'éventuelles surchauffes au niveau des parois du récepteur. De même, il semble que l'homogénéisation de la température dans le lit fluidisé contenu dans le récepteur soit favorable à son rendement. / The aim of this work is to evaluate the position and the potential of solar fluidized bed receivers compared to other methods for the solar heating of gases at high temperature. To this end, a thorough knowledge of the heat transfer and hydrodynamic of the receiver is necessary. To acquire this knowledge, we modeled the heat transfer in the receiver with a focus on the radiative transfer by taking into account the multiple scattering of light in the particle medium, the effect of walls on radiative heat transfer and the directionality of the concentrated solar radiation. The accurate determination of the distribution of particles within the fluidized bed has been a critical parameter for the calculation of heat transfer. With these models, later refined by a confrontation with experimental references, we have studied the effect of geometry on heat transfer in the receiver. This study highlighted the necessity to use a switching section fluidization column and the importance to optimize the pair : solar concentrator / receiver to avoid any overheating at the walls of the receiver. Moreover, it appears that the homogenization of the temperature in the fluidized bed of the receiver increase its performance.

La sécurité des procédés est une préoccupation majeure dans l'industrie du raffinage et de pétrochimie. Pour les procédés très exothermiques, l'emballement thermique doit être évité. Ainsi, l'objectif de la thèse est la mise en place d'une méthodologie d'étude de la stabilité thermique dans les réacteurs chimiques qui permet de déterminer les zones opératoires de fonctionnement stable du réacteur. Après le développement d'un modèle dynamique de réacteur, la méthodologie consiste à cartographier les zones de stabilité et d'instabilité du système réactionnel en régime stationnaire et dynamique. Le critère de Van Heerden (régime stationnaire) à été généralisé pour application à des systèmes réactionnels complexes. La méthode de perturbation des états stationnaires (régime dynamique) a aussi été intégrée à la méthodologie avec l'analyse des valeurs propres.Cette méthodologie a été appliquée au procédé d'hydroconversion en lit bouillonnant de charges pétrolières lourdes, ceci à l'échelle pilote et industrielle. Des modèles dynamiques adaptés au procédé pilote et industriel ont été développés. Ils tiennent en compte la complexité de la charge ainsi que le schéma des deux procédés. L'étude de la stabilité stationnaire et dynamique a été réalisée. Des cartographies de stabilité/instabilité en fonction des principaux paramètres du procédé ont été tracées. D'après les résultats obtenus, la plage stable pour réacteur pilote est plus large que pour le réacteur industriel. La variation des paramètres du procédé ont le même effet sur les deux réacteurs. Les cartographies de stabilité obtenues sont un outil indispensable pour l'ingénieur lors du design des procédés ou leur opération. / In refining and petrochemistry process safety is a major issue. For highly exothermic processes it is necessary to ensure in a rigorous way the safe that the process operates in safe conditions, hence avoiding thermal runaway. The objective of this thesis was to develop a methodology to determine the operating conditions of reliable operation of chemical reactors. The methodology relies on stationary and dynamic analysis. The stationary stability analysis based on the Van Heerden criterion was generalized to complex chemical systems. The dynamic analysis applies the perturbation theory to definitely determine if a stationary point is stable according to eigenvalue analysis.The methodology was applied to ebullated-bed technology for residue hydroconversion at pilot and industrial scale. Two comprehensive dynamic models that accurately represent the ebullated-bed pilot plant and industrial process were developed for the study. The models take into account a detailed description of the reactive system and the configuration of the pilot and industrial plants: three phases, kinetics and flow characterization. A stationary and dynamic thermal stability analysis was carried out for both configurations and stable/unstable operating regions were identified. The study showed that the pilot plant reactor can operate in a larger domain of operating conditions compared to the industrial reactor while the parameters have the same effect on both reactors. The resulting reactor operation diagrams are a essential guide for engineers in the reactor design and operation practice.

Les boues de stations d’épurations sont un combustible difficile à valoriser par voie thermochimique à cause des fortes teneurs en eau, en azote et en fraction minérale. La co-gazéification avec d’autres gisements pourrait apporter une solution à ces contraintes. Afin d’étudier la faisabilité de ce procédé, un pilote industriel de de co-gazéification en lit fluidisé bouillonnant est conçu.Six co-combustibles potentiels ont été présélectionnés, à partir d’un large panel de gisements issus de la région PACA. La démarche expérimentale de ce travail concerne trois volets principaux qui consistent à :I. Etudier la faisabilité technique de co-gazéification à l’échelle laboratoire en vue de déterminer quel co-combustible est apte à compenser les faiblesses que présentent les boues.II. Contribuer à la définition des conditions opératoires de co-gazéification en lit fluidisé bouillonnant.III. Etudier le comportement en fluidisation des gisements sélectionné dans une maquette à température ambiante en mélange avec du sable.Les résultats indiquent que les tous les gisements retenus sont apte à être valorisés par co-gazéification. L’aptitude à la fluidisation des combustibles seuls est médiocre, l’utilisation de sable permet de l’améliorer. Un critère prédictif de la capacité maximale des lits fluidisés à contenir des déchets a été développé, une corrélation prédictive de la vitesse minimale de fluidisation de mélanges dissimilaires est également proposée. La teneur en combustible ne doit pas excéder les 10% en masse pour garantir une fluidisation correcte. Une vitesse de trois fois la vitesse minimale de fluidisation de l’inerte est la limite basse qui garantit un bon mélange. / The wastewater sludge composition (moisture, nitrogen and mineral matter content) leads to difficulties in disposal by thermochemical way. Co-gasification with other feedstock can improve the quality of the raw fuel gasification. In order to study the technical feasibility of wastewater sludge with other feedstock co-gasification, an industrial pilot scale bubbling fluidised bed co-gasifier is designed.Six potential co-feedstocks were preselected on technical and economic criteria, from a wide range of fields from the PACA region. The experimental approach of this work involves three main steps which are:I. The technical feasibility of co-gasification at laboratory scale, in order to identify which feedstock is able to compensate the sludge weaknesses.II. Identification of co-gasification conditions in fluidised bedIII. Cold fluidization ability study of the different feedstock blended with sand.The results indicate that all feedstock are recoverable through gasification. The fluidization ability of the fuel alone was poor, the blinding with sand improve it. A prediction criteria for the maximum capacity of fluidised bed of sand to improve the fluidization ability of waste is developed. A new correlation for minimum fluidization velocity is introduced. To obtain a correct fluidization the fuel concentration should be fixed below 10% by weight. The fluidization velocity should be fixed above three times sand minimum fluidization velocity to obtain a mixed bed.

Abstract: The thesis work is part of a project that aims to develop a reliable CFD model to investigate the fluid-dynamics of a fluidized bubbling bed during gasification of refuse derived fuel (RDF) from sorted municipal solid waste (MSW). Gasification is a thermochemical process that converts carbon-containing materials into syngas. In this specific context scaling up is challenging because it implies dealing with a complex chemistry combined to heat and mass transfer phenomena in a multi-phase fluid environment. CFD modeling could represent a potential tool to predict the impact of the reactor configuration and operating conditions on gas yield, composition and potential contaminants. Validation of CFD simulations for such systems has been so far possible using different sophisticated experimental tools, allowing to link the model with experimental data. However, such high tech equipment may not always be available, especially at industrial scale. Hence, this work focuses on investigating the accuracy and numerical sensitivity of two different CFD models employed in the characterization of dense solid-particle flows in bubbling fluidized beds. The key parameter adopted to describe and quantify the dynamic behavior of this multiphase system is the power spectral density (PSD) distribution of pressure fluctuations. This PSD function was used to assess the accuracy of CFD models using one set of operating condition. The same type of analysis, extended to a wider range of operating conditions, may lead to a robust validation of the numerical models presented in this work. In spite of his measurement simplicity, pressure drop data present a strong connection with the bed fluid-dynamics and its interpretation could help to improve the fluidized bed technologies very fast, pushing CFD models closer to applications. / Résumé : Le but de ce projet est de développer un modèle CFD fiable pour étudier la dynamique des fluides d'un lit fluidisé en régime bullant pendant la gazéification de combustibles solides de récupération (CSR) triés à partir de déchets solides municipaux (DSM). La gazéification est un processus thermochimique qui convertit les matériaux contenant du carbone en gaz de synthèse. La mise à l'échelle est difficile dans ce cas car elle implique une chimie complexe combinée aux phénomènes de transfert de chaleur et de masse dans un environnement fluide multiphasique. La modélisation CFD représente un outil potentiel pour prédire l'impact de la configuration du réacteur et des conditions de fonctionnement sur le rendement, la composition et les contaminants potentiels du gaz. La validation des simulations CFD pour de tels systèmes a été jusqu'à présent possible grâce à l’utilisation de différents outils expérimentaux sophistiqués, permettant de lier le modèle aux données expérimentales. Toutefois, un tel équipement de pointe n’est pas toujours disponible, en particulier à l'échelle industrielle. Par conséquent, ce travail se concentre sur l'étude de la précision et de la sensibilité numérique de deux modèles CFD différents, utilisés dans la caractérisation des flux de particules solides denses dans les lits fluidisés bouillonnants. Le paramètre clé adopté pour décrire et quantifier le comportement dynamique de ce système multiphase est la distribution de la densité spectrale de puissance (DSP) des fluctuations de pression. La fonction DSP a été utilisée pour évaluer la précision des modèles CFD en utilisant un ensemble de conditions de fonctionnement. Le même type d'analyse, étendu à une plus large gamme de conditions de fonctionnement, peut conduire à une validation robuste des modèles numériques présentés dans ce travail. En dépit de sa simplicité de mesure, les données de chute de pression présentent une importante corrélation avec les lits fluidisés, de plus, leur interprétation pourrait aider à améliorer ces technologies très rapidement, poussant les modèles CFD plus près des applications.