Cherchant des voies de réduction drastique des émissions de CO2 d’origine sidérurgique (projet européen ULCOS), nous avons envisagé une réduction du minerai de fer par l’hydrogène pur dans un réacteur du type four à cuve. L’approche suivie a associé bibliographie, expérimentation et modélisation. Le déroulement de la réaction chimique et sa cinétique ont été analysés à partir d’expériences thermogravimétriques et de caractérisations physico-chimiques d’échantillons en cours de réduction. Un modèle cinétique spécifique a été mis au point, qui simule les réactions successives, les différentes étapes du transport de matière et le frittage éventuel du fer, à l’échelle d’une particule de solide. Enfin, un modèle numérique bidimensionnel du four à cuve a été écrit. Il décrit l’évolution des températures et des compositions des solides et des gaz en tous points d’un réacteur fonctionnant sous hydrogène. Une des originalités de ce modèle est l’utilisation de la loi des temps caractéristiques additifs pour exprimer les vitesses des réactions. Celle-ci permet de coupler les deux échelles que sont celles des particules et du réacteur, tout en gardant des temps de calculs raisonnables. A partir des simulations réalisées, l’influence des paramètres du procédé a été quantifiée. Des conditions opératoires optimales ont été dégagées, qui illustrent bien le potentiel du procédé / In an effort to find new ways to drastically reduce the CO2 emissions from the steel industry (ULCOS project), the reduction of iron ore by pure hydrogen in a shaft furnace was investigated. The work consisted of literature, experimental, and modelling studies. The chemical reaction and its kinetics were analysed on the basis of thermogravimetric experiments and physicochemical characterisations of partially reduced samples. A specific kinetic model was designed, which simulates the successive reactions, the different steps of mass transport, and possible iron sintering, at the particle scale. Finally, a 2-dimensional numerical model of a shaft furnace was developed. It depicts the variation of the solid and gas temperatures and compositions throughout the reactor. One original feature of the model is using the law of additive characteristic times for calculating the reaction rates. This allowed us to handle both the particle and the reactor scale, while keeping reasonable calculation time. From the simulation results, the influence of the process parameters was assessed. Optimal operating conditions were concluded, which reveal the efficiency of the hydrogen process

Ce travail de thèse analyse l'organisation des films de cristaux liquides nématiques sur substrats liquides (eau et glycérol). Dans ce cas, l'ancrage planaire au niveau du substrat liquide est plus fort que l'ancrage homéotrope à l'interface libre. En dessous d'une épaisseur critique de l'ordre de 0.5-0.6 µm, des stries qui correspondent à une modulation de l'orientation du directeur, apparaissent. La longueur d'onde de ces stries est largement supérieure à l'épaisseur du film. Nous avons analysé la situation spécifique des films très minces et montré qu'une phase striée existait pour des films plats jusqu'à des épaisseurs de l'ordre de 20-40 nm. La pertinence de l'introduction des termes élastiques dits de surface (K24 et K13) dans l'analyse théorique des stries a été discutée. Sur l'eau, les films nématiques coexistent avec une tricouche de molécules dont l'organisation est régie par des interactions à très courte portée avec le substrat. Les gradients d'épaisseur présents en bord de film empêchent la formation de stries. Des mesures statiques et dynamiques de l'énergie d'un bord de film ont été effectuées. Il semble alors que le film nématique puisse accommoder un état distordu grâce à la formation de stries bien en dessous de l'épaisseur critique de transition de confinement. Enfin, une étude du processus de coalescence contrôlée par la tension de ligne a permis de mettre en évidence deux régimes de dissipation : aux temps courts la dissipation s'effectue en surface alors qu'aux temps longs, la dissipation se fait principalement dans la sous-phase. Une analyse en loi d'échelle permet de rendre compte de la dynamique observée expérimentalement.

Un grand nombre d’industries (chimiques, pharmaceutiques et agroalimentaires) utilisent, produisent ou transforment des fluides complexes. Ce sont des fluides à viscosité élevée, souvent de comportement non-Newtonien. Leur préparation nécessite souvent une étape de chauffe suivie d’une étape de refroidissement. La chauffe est indispensable afin de faciliter la fabrication (réaction chimique et/ou transformation physico-chimique). Le refroidissement, ou encore l’étape de finition, consiste à amener les fluides jusqu’à une température proche de la température ambiante pour aborder l'étape de conditionnement. Le refroidissement est le plus souvent réalisé « in situ » dans la même cuve agitée, équipée d’une double enveloppe (utilisée pour la fabrication), mais des technologies en continu peuvent également être envisagées. Ces travaux de thèse portent sur la mise en place d’une méthodologie de pilotage de la vitesse d’agitation lors du refroidissement de fluides complexes dans des cuves agitées, ainsi que sur la comparaison des performances de la cuve agitée avec celles du mélangeur statique. Deux fluides de travail sont testés : Newtonien et viscoplastique, en régime d’écoulement laminaire et transitoire. Nous déterminons les limites de l’influence de l’agitation sur le transfert thermique, la durée de l’opération et la quantité d’énergie consommée. En premier lieu, le refroidissement est étudié à l’échelle laboratoire (réacteur de 0,6L). Il a été constaté que le changement de la vitesse d’agitation au cours du refroidissement affecte le profil de température. Cela a un impact avantageux sur le coût énergétique et/ ou la durée de refroidissement. Les tendances observées à l’échelle laboratoire sont transposées et validées à l’échelle pilote (réacteur de 60L). Puis deux types de mélangeurs statiques sont étudiés comme technologie en continu. Nous établissons des modèles de perte de charge que nous utilisons dans la détermination de l’énergie dépensée pour le refroidissement. Ensuite nous réalisons une comparaison de leurs performances en fonction des facteurs d’efficacité de transfert thermique et de consommation énergétique. Enfin, une brève analyse comparée est exposée, présentant les divers critères de choix entre la cuve agitée et la technologie en continu. / Highly viscous Newtonian and non-Newtonian fluids are frequently encountered in the process industries (like pharmaceutical, food and cosmetics). The preparing of such products involves heating and cooling steps. The heating stage is essential in order to facilitate the production (chemical reaction and/or physico-chemical transformation). The cooling step, named also final stage, leads the fluids to ambient temperature and prepares them for the conditioning. The cooling is mostly realized "in situ" in the same double jacketed stirred vessel, (used for the manufacturing), but continuous technologies may also be employed. This study aims to investigate the cooling of highly viscous fluids, and intends to define the best conditions for controlling the impeller speed (constant or variable) in a stirred vessel, as well as to compare the performances of the stirred vessel with those of the static mixer. Two fluids are tested: a Newtonian and a Non-Newtonian yield-stress fluid, in laminar and transitional conditions. The limits of the influence of the impeller speed on the heat transfer, the duration and the energy consumption are determined. In a first approach, the cooling is studied at small scale (0,6L vessel). The variation of the impeller speed during the cooling, affects the profile of temperature. This type of procedure has an advantageous impact on the energy cost and / or the duration of the cooling. The observed tendencies at a small scale are transposed and validated at a pilot scale (60L vessel). Two types of static mixers are studied as continuous technology. Models of pressure drop are established, which are used further in the determination of the energy consumption for the cooling. The performances of these two static mixers are compared, according to the factors of heat transfer efficiency and energy consumption. Finally, a brief comparative analysis is exposed, presenting diverse criteria of choice between the stirred tank and the continuous technology.

Ce travail de thèse est consacré à la modélisation du procédé de réduction directe du minerai de fer, un procédé alternatif intéressant dans le contexte de la réduction des émissions de CO2 de la sidérurgie. Le four à cuve, réacteur central du procédé, est divisé en trois zones (réduction, transition et refroidissement). Le modèle mathématique mis au point pour simuler l’ensemble repose sur une description détaillée et fidèle des principaux phénomènes physico-chimiques et thermiques intervenant. C’est un modèle bidimensionnel, en régime permanent et multi-échelle. Le lit mobile est constitué de boulettes, elles-mêmes supposées composées de grains et de cristallites. Huit réactions chimiques hétérogènes et deux réactions chimiques homogènes sont prises en compte. Les équations de conservation locales de la masse, l'énergie et de la quantité de mouvement ont été résolues numériquement en utilisant la méthode des volumes finis. Ce modèle a été appliqué avec succès pour simuler le four à cuve de deux usines de réduction directe de capacités différentes. Les résultats obtenus renseignent sur le fonctionnement interne du four et mettent en évidence des zones aux performances inégales. Le modèle a ensuite été exploité, après l’ajout et le couplage d’un modèle du reformeur, pour des calculs paramétriques, en particulier lorsque les caractéristiques des gaz réducteurs sont modifiées. Enfin des pistes sont présentées pour optimiser une installation de réduction directe en augmentant la capacité de production et le degré de métallisation du produit / This thesis is dedicated to the modelling of the iron ore direct reduction process, an attractive alternative process for making steel in the context of the reduction in CO2 emissions. The shaft furnace, the core reactor of the process, is divided into three sections (reduction, transition and cooling). The mathematical model developed to simulate this reactor is based on a detailed and faithful description of the main physical-chemical and thermal phenomena involved. The model is a two-dimensional, steady state and multi-scale. The moving bed is comprised of pellets of grains and crystallites. Eight heterogeneous chemical reactions and two homogeneous chemical reactions were taken into account. The local mass, energy and momentum balances were solved numerically using the finite volume method. The model was successfully applied to simulate the shaft furnace of two direct reduction plants of different capacities. The results obtained provide new insights on the internal behaviour of the furnace and highlight zones of uneven performance. After the addition and coupling of a reformer model, the shaft furnace model was used for parametric calculations, in particular when considering changes in the composition of the reducing gases. Finally, new possibilities are presented for optimizing the direct reduction process, e.g. for increasing the production capacity and the degree of metallization of the produced iron

Résumé : La mesure des profils transitoires et de la vitesse de solidification sont deux données importantes pour le contrôle de procédés industriels impliquant un changement de phase. Dans le cas de l’électrolyse de l’aluminium, ce processus de solidification assure la protection du système et influe sur la performance énergétique du procédé de fabrication. Malheureusement, ces données se révèlent, dans la plupart des cas, difficilement accessibles. Ce travail de thèse porte sur le développement de nouveaux outils permettant l’étude et la caractérisation de la solidification de matériaux à changement de phase et à haute température. L’objectif est de développer un système de mesure du front de solidification de matériaux à changement de phase non destructif et ne perturbant pas le milieu de mesure, tout en assurant une précision et une réponse suffisamment rapide pour exploiter de nouvelles stratégies de contrôle dans les cuves d’électrolyse. Ce travail couple une étude expérimentale fondamentale de la solidification de la cryolithe avec une modélisation numérique de phénomène de changement de phase solide-liquide dans des conditions proches du fonctionnement de cuves d’électrolyse. // Abstract : Measurement of transient solidification fronts and of solidification rate are two important data for controlling industrial processes involving a solid-liquid phase change. In the case of aluminium electrolysis, this solidification process protects the system and affects the energy performance of the manufacturing process. Unfortunately, these data are not easy to obtain in most cases. This thesis focuses on the development of new tools for the study and on the solidification characterization of phase change materials at high temperature. The goal is to develop a nondestructive solidification front measurement system for phase change materials without disturbing the measurement medium, while ensuring accuracy and a fast enough response time to exploit new control strategies in electrolysis cells. This work couples a fundamental experimental study of the cryolite solidification with numerical modeling of solid-liquid phase change phenomenon under conditions close to those during normal operation of electrolytic cells.

Rsum : La mesure des profils transitoires et de la vitesse de solidification sont deux donnes importantes pour le contrle de procds industriels impliquant un changement de phase. Dans le cas de llectrolyse de laluminium, ce processus de solidification assure la protection du systme et influe sur la performance nergtique du procd de fabrication. Malheureusement, ces donnes se rvlent, dans la plupart des cas, difficilement accessibles. Ce travail de thse porte sur le dveloppement de nouveaux outils permettant ltude et la caractrisation de la solidification de matriaux changement de phase et haute temprature. Lobjectif est de dvelopper un systme de mesure du front de solidification de matriaux changement de phase non destructif et ne perturbant pas le milieu de mesure, tout en assurant une prcision et une rponse suffisamment rapide pour exploiter de nouvelles stratgies de contrle dans les cuves dlectrolyse. Ce travail couple une tude exprimentale fondamentale de la solidification de la cryolithe avec une modlisation numrique de phnomne de changement de phase solide-liquide dans des conditions proches du fonctionnement de cuves dlectrolyse. // Abstract : Measurement of transient solidification fronts and of solidification rate are two important data for controlling industrial processes involving a solid-liquid phase change. In the case of aluminium electrolysis, this solidification process protects the system and affects the energy performance of the manufacturing process. Unfortunately, these data are not easy to obtain in most cases. This thesis focuses on the development of new tools for the study and on the solidification characterization of phase change materials at high temperature. The goal is to develop a nondestructive solidification front measurement system for phase change materials without disturbing the measurement medium, while ensuring accuracy and a fast enough response time to exploit new control strategies in electrolysis cells. This work couples a fundamental experimental study of the cryolite solidification with numerical modeling of solid-liquid phase change phenomenon under conditions close to those during normal operation of electrolytic cells.

Un nouveau système d’aération de surface pour le traitement des eaux usées a été étudié. Sa spécificité réside dans sa capacité à fonctionner selon deux modes : aération ou simple brassage, en modifiant uniquement le sens de rotation du système. Un pilote a permis de cibler le travail sur l’étude expérimentale du transfert de matière et de l’hydrodynamique. Les champs d'écoulement et les mesures de vitesse à l'intérieur de la cuve agitée ont été réalisés par vélocimétrie laser à effet Doppler (LDV) et par vélocimétrie par images des particules (PIV) pour le mode monophasique (brassage) et pour le mode diphasique (aération). Le transfert d'oxygène se produit à la fois dans la cuve et dans le spray au-dessus de la surface de l'eau. Il a été étudié dans les deux zones. Différentes configurations et conditions opératoires ont été testées afin de comprendre les phénomènes d’interaction : tube de guidage, hélice complémentaire RTP, vitesse de rotation, niveau de submersion des pales de la turbine. La partie expérimentale sur l’hydrodynamique et les champs d'écoulement montre que le mode de fonctionnement en pompage vers le bas (brassage) avec tube de guidage procure les meilleurs résultats en termes de mélange si on se réfère aux champs d'écoulement et à la mesure du temps de mélange. Pour le mode de fonctionnement en pompage vers le haut (aération), les résultats expérimentaux montrent que la configuration du système complet est la plus efficace si on considère le transfert d’oxygène, les vitesses moyennes, l'intensité de l'écoulement turbulent et le temps de mélange. Il est constaté que la meilleure efficacité d'aération standard est atteinte (SAEb = 2.65 kgO2kw-1h-1) lorsque le système complet est utilisé. L'efficacité d'aération standard à 20°C la plus élevée au niveau du spray d'eau est obtenue ((ESP)20 = 51,3%) avec la configuration du système complet. Plusieurs modèles sont proposés pour calculer le transfert d'oxygène dans la cuve et dans le spray, la consommation énergique et le temps de mélange. Ces relations permettent d’évaluer l’influence des différents paramètres géométriques et de fonctionnement dans des systèmes similaires à une échelle industrielle. / A new surface aeration system for water and wastewater treatment has been studied. Its uniqueness lies in its ability to operate in two modes: aeration or simply blending (mixing) by just reversing the direction of rotation. An experimental plant has enabled to focus on mass transfer performance and hydrodynamics. The flow pattern and the velocity field measurements inside the agitated tank were performed by both the Laser Doppler Velocimetry (LDV) and the Particle Image Velocimetry (PIV) techniques for the single phase (Mixing) mode and for the two phases (Aeration) mode. The oxygen mass transfer occurs both in the water bulk and in the spray above water surface and has been independently investigated. Different configurations and operational conditions were tested during the experimental part in order to interpret phenomenon effect of the draft tube and RTP propeller, rotational speed, turbine blades submergence and else on the flow field and the oxygen mass transfer in the agitated system that produced mainly by a cone shape turbine. The experimental part dealing with hydrodynamics and flow field shows that the down-pumping operation mode with the draft tube has the most convenient results in the mixing mode with respect to turbulent flow field and mixing time. Whilst for the up-pumping aeration mode the hydrodynamics experimental results show the whole system configuration is the most convenient with regarded to mean velocities, turbulent flow intensity and mixing time. For the oxygen mass transfer experimental part, it is found that the highest standard liquid bulk aeration efficiency is achieved (SAEb = 2.65 kgO2 kw-1h-1) when the whole system configuration is used. The highest standard aeration efficiency at 20°C for the water spray zone is accomplished ((Esp)20 = 51.3 %) with the whole system configuration. Several correlations models have been derived for the oxygen mass transfer in water bulk and spray zones, power consumption and mixing time, on the basis of experimental results. They can be used as tools to estimate these parameters for geometrical and dynamical similar systems at industrial scales.

Cette thèse vise à étudier le comportement mécanique de l’acier de cuve 16MND5 (ou A508cl3 pour la norme anglaise) à l’échelle de la microstructure en croisant des approches expérimentale et numérique. Plusieurs contributions au développement de l’essai de traction in-situ à l’intérieur de MEB ont été apportées. En premier, les biais de mesure de différentes modalités (BSE, EBSD et SE) d’acquisition d’images sous MEB ont été caractérisés et corrigés. Les images MEB de différentes modalités ont été corrélées de façon précise afin de décrire la topographie de l’éprouvette. Les images d’orientation cristallographique (EBSD) ont été corrélées afin de révéler la rotation cristalline et les champs de déplacement de surface au long de la traction. La déformation élastique de l’éprouvette a été mesurée par corrélation intégrée des images de diffraction électronique à haute-résolution. Les microstructures fines de l’éprouvette à trois dimensions après déformation ont été mesurées par FIB-EBSD. L’essai a également été simulé par calcul de plasticité cristalline sur un maillage 3D, basé sur les microstructures mesurées dans la configuration déformée. Un algorithme a été proposé pour estimer la configuration initiale de l’éprouvette et identifier les paramètres de loi de plasticité en procédant par itérations. Un cas test synthétique 2D a été employé pour valider la faisabilité de l’algorithme. Deux lois de plasticité cristalline ont été testées sur le maillage 3D: dynamique des dislocations des cristaux cubiques centrés, et une version modifiée de la loi Méric-Cailletaud. Pour cette dernière loi, deux jeux de paramètres ont été identifiés pour les ferrites et bainites par recalage des éléments finis. / The PhD project is devoted to the study of the mechanical response of the reactor pressure vessel steel A508cl3 (or 16MND5 in French nomenclature) at the microscopic scale by experimental analyses and numerical simulations. Different aspects of in-situ tests inside an SEM chamber have been considered. First, the characterization and corrections of bias and uncertainties of different SEM imaging modalities (SE, BSE, and EBSD) have been performed. Precise registrations of SEM images in different modalities have been developed in order to give a comprehensive description of the sample surface topographies. Crystallographic orientation maps (from EBSD analyses) are registered to measure the crystal rotation and displacement fields along the tensile test. The elastic deformations of the surface are assessed by integrated correlation of high-resolution electron diffraction images. The 3D microstructure of the analyzed sample is revealed a posteriori by combining FIB milling andEBSD images.The experimental test is also simulated by crystal plasticity calculations on a 3D mesh created according to the 3D microstructure observed in the deformed configuration. An algorithm has been proposed to estimate its initial configuration and to identify the plastic parameters iteratively. A synthetic 2D model has been used to prove its feasibility. Two crystal plasticity laws have been validated on the 3D mesh, namely dislocation dynamics for body-centered cubic crystals and a modified version of Méric-Cailletaud model. In thepresent work finite element model updating was used to provide two sets of parameters (for ferrite and bainite) for the latter law.