L’encrassement biologique des revêtements de façade constitue un problème esthétique et économique. Parmi les microorganismes impliqués, les algues sont les plus répandues. Ce travail avait pour but d’étudier expérimentalement l’influence des paramètres intrinsèques (porosité, rugosité et carbonatation) de mortiers à base de ciment sur leur bioréceptivité et de modéliser le développement du biofilm d’algues.Pour étudier l’effet de ces paramètres sur la biodétérioration des mortiers, un essai accéléré de laboratoire a été développé. Les travaux ont été réalisés avec l’algue verte Klebsormidium flaccidum fréquemment identifiée dans les prélèvements réalisés sur des façades colonisées. Les résultats montrent qu’une augmentation de rugosité et une diminution du pH de surface par carbonatation favorisent l’encrassement des mortiers par les algues.Un modèle inspiré de la loi d’Avrami a permis de modéliser le phénomène de colonisation par les algues. Deux processus interviennent dans le mécanisme de colonisation : l’accrochage (ou « germination ») et la croissance des algues. Les paramètres cinétiques représentant ces processus ont été déterminés et révèlent l’importance de la rugosité et de la carbonatation sur la constante de vitesse de « germination ».L’exposition d’échantillons en extérieur a été également réalisée. Les résultats obtenus permettent de retrouver partiellement le comportement des matériaux en laboratoire même si le démarrage de la colonisation semble être affecté par les conditions climatiques. / Biofouling of wall coatings is an aesthetic and economic problem. Among microorganisms involved, the algae are the most involved. This work aimed to study experimentally the influence of intrinsic parameters (porosity, roughness and carbonation) of a cement-based mortar on its bioreceptivity and to model the development of algae.To study the algal biodegradation, an accelerated laboratory test was developed. This work was carried out with the green alga Klebsormidium flaccidum frequently identified in samples taken on colonized facades. The results show that an increase in roughness and a decrease in surface pH by carbonation of mortars promote fouling by algae.A model based on Avrami's law was used to simulate the algal colonization. Two processes involved in the mechanism of colonization: the attachment (or "germination") and the growth of algae. The kinetic parameters representing these processes have been determined and reveal the importance of the roughness and the carbonation on the constant rate of "germination".Exposure of samples in nature was also carried out. The results obtained allow recovering partially the behavior of materials in the laboratory test even if the start of colonization seems to be affected by weather conditions.

Dans le cadre de la thématique consacrée à la transition énergétique, le Laboratoire de Thermique Energétique et Procédés (LaTEP) travaille sur la géothermie profonde. Cette thèse se focalise sur l’étude de l’encrassement des échangeurs de chaleur de surface et plus spécifiquement sur la modélisation et la simulation de l’évolution d’un dépôt. L’encrassement conduit à des pertes d’efficacité et nécessite la mise en place de moyens de prévention ou de nettoyage, entraînant d’importants surcoûts. Le modèle général proposé décrit des réactions hétérogènes entre deux phases multi-constituantes, l’une liquide et l’autre solide. La phase liquide est une solution contenant des ions dilués dans un solvant, tandis que le solide est composé de constituants immobiles. L’électro-migration des espèces est prise en compte dans la description. L’interface entre les deux phases est le siège de multiples réactions hétérogènes. Les conditions aux limites faisant intervenir la vitesse de l’interface permettent le couplage complet entre les deux domaines. Ce modèle général est ensuite appliqué au cas particulier de l’encrassement d’un tube par formation de sels et résolu à l’aide de Comsol Multiphysics. La simulation d’un cas simplifié d’encrassement par le sulfate de baryum a permis d’analyser la phénoménologie de la croissance du dépôt et de mettre en évidence les effets des évolutions de la solubilité et de la cinétique via la chute de température dans le tube, ainsi que de la mobilité radiale des espèces par diffusion qui limite la croissance. L’électro-migration participe significativement au transport mais n’influence pas l’épaisseur du dépôt. L’hypothèse d’une réaction de cristallisation de la barytine instantanément équilibrée conduit à une forte surestimation de l’encrassement. La composition de l’eau est ensuite complexifiée afin d’étudier l’influence de la présence du chlorure de sodium à 1 mol.L-1, puis d’ions strontium et ainsi la co-précipitation de barytine et de célestine. / In the framework of the theme devoted to the energy transition, the “Laboratoire de Thermique Energétique et Procédés” (LaTEP) is working on deep geothermal energy. This thesis focuses on the study of the fouling phenomenon of surface heat exchangers and more specifically on the modelling and the simulation of the evolution of a deposit. Fouling leads to loss of efficiency and requires means of prevention and cleaning, leading to huge over-costs. The proposed general model describes heterogeneous reactions between two multi-component phases, one liquid and the other solid. The liquid phase is a solution containing ions diluted in a solvent, while the solid is composed of immobile constituents. Transport by electro-migration is taken into account in the description. At the interface between the two phases, multiple heterogeneous reactions occur. The boundary conditions involves the interface’s velocity and allow a complete coupling between the two domains. This general model is then applied to the particular case of fouling of a pipe by salt formation and is solved using Comsol Multiphysics. Simulation of a simplified case of fouling from barium sulfate allowed an analysis of the phenomenology of the deposit growth. It highlights the effects of changes in solubility and kinetics caused by the temperature drop in the tube, as well as the effect of radial mobility of the species by diffusion, limiting the growth. Electro-migration contributes significantly to transport but does not influence the thickness of the deposit. The hypothesis of an instantly balanced barite crystallization reaction leads to an overestimation of the fouling. In a second time, more species are added to the water’s composition in order to study the influence of the presence of sodium chloride at 1 mol.L-1. Finally, the addition of strontium ions leads to co-precipitation of barite and celestine.

L* électrodialyse est un procédé en plein essor dans de nombreux secteurs industriels, mais qui reste peu appliqué au domaine agroalimentaire, principalement dû à un coût élevé et au colmatage des membranes. Néanmoins de récentes évolutions technologiques dans la conception des membranes ont permis d'entrevoir un réel potentiel d'applications dans les secteurs biopharmaceutiques et nutraceutiques. C'est ainsi qu'une électroacidification par membrane bipolaire (EAMBP) du lait a été développée afin de produire des isolats de caséines hautement purifiés. Toutefois ce procédé était accompagné d'un colmatage des membranes cationiques par un mélange minéral CaCÛ3/Ca(OH)2 et des membranes bipolaires par un dépôt protéique. Pour comprendre ces phénomènes, une étude a été réalisée en électrodialyse conventionnelle sur des solutions salines modèles composées de calcium et de carbonate, éléments présents dans le lait et susceptibles de former du CaCÛ3 en condition basique. Le colmatage obtenu était uniquement composé de Ca(OH)2. Les auteurs ont suggéré que le magnésium, également présent dans le lait, jouerait un rôle de catalyseur ou de germe de croissance pour le CaC03.Dans ce contexte, l'objectif de ce projet de recherche était d'étudier l'effet sur le colmatage de différents ratios (R) magnésium/calcium (R=0, 1/20, 1/10 (observé dans le lait), 1/5 et 2/5) pour des solutions salines modèles traitées par électrodialyse conventionnelle. L'analyse élémentaire et la diffraction aux rayons-X ont montré que pour le ratio témoin (R=0), seul Ca(OH)2 se formait, et qu'un mélange CaC03/Ca(OH)2 apparaissait dès l'ajout de magnésium (R=l/20) sur les faces des membranes échangeuses d'anions en conditions neutres et de cations en conditions basiques. Il a aussi été constaté un colmatage sur la face des membranes échangeuses de cations en contact avec la solution traitée pour les ratios les plus élevés (R>l/5). Une perte de permsélectivité des membranes échangeuses de cations et un allongement significatif du temps de traitement ont également été notés.

L’approvisionnement en eau potable fraîche, en aliments sains, en substances bioactives et en énergie peut être accompli par une technologie verte comme l’électrodialyse (ED). Actuellement, deux obstacles majeurs entravent l’utilisation d’une telle technologie par l’industrie, soit les phénomènes de colmatage membranaire et la polarisation de la concentration (CP). Les travaux récents ont démontré que l’application d’un champ électrique pulsé (CEP) pendant l’ED peut éliminer complètement le colmatage par les protéines et peut diminuer considérablement le colmatage par les minéraux. De plus, les impulsions de courant préviennent l’élargissement de la couche de CP. Malgré des résultats prometteurs d’application du CEP, la durée optimale des impulsions/pauses et l’influence du CEP sur le colmatage membranaire et la CP dans des solutions contenant les agents d’encrassement sont encore des questions ouvertes et discutables. Les résultats de la thèse montrent que les champs électriques pulsés avec des durées d’impulsion/pause courtes peuvent être appliqués pour éliminer complètement le colmatage minéral sur les membranes échangeuses d’anions et pour contrôler le colmatage minéral sur le membranes échangeuses de cations au cours des procédés électromembranaires. De plus, l’application de courants surlimites provoquant la formation de vortex électroconvectifs a des avantages en matière de diminution du colmatage et d’amélioration de la performance des procédés. Il est démontré pour la première fois dans cette thèse qu’il est possible d’appliquer un champ électrique pulsé sur des cellule d’électrodialyse comprenant dans leur configuration membranaire une ou plusieurs membrane(s) bipolaire(s). Finalement, des traitements électromembranaires efficaces de solutions contenant des protéines peuvent être effectués par couplage avec des membranes d’ultrafiltration: ce couplage permet d’éviter la formation de colmatage protéique au sein de la cellule d’ED. / Supply of fresh drinking water, healthy food, bio-active substances and power may be accomplished by ecofriendly electrodialysis (ED) technology. Nowadays, two main barriers such as membrane fouling and concentration polarization (CP) phenomena stand in the way of ED processes. Recent works demonstrated that application of pulsed electric field (PEF) during ED might completely eliminate protein fouling and drastically decrease fouling by minerals (scaling). Moreover, the current pulsations prevent widening of concentration polarization layer. In spite of the promising results of PEF application, the optimal duration of pulse/pause lapses and influence of PEF on membrane fouling and CP in the solutions containing fouling agents are still opened and disputable questions. The thesis results demonstrate that PEF with short pulse/pause durations can be applied to electromembrane processes in order to avoid completely the scaling on anion-exchange membrane and to control the scaling on cation-exchange membrane. Moreover, “overlimiting” currents inducing the formation of electroconvective vortices are advantageous from the point of scaling decrease and improvement of process performance. The possible application of PEF to ED systems with bipolar membrane(s) was demonstrated for the first time. Furthermore, effective electromembrane treatments of solutions containing proteins could be performed with pretreatment by ultrafiltration membrane, which avoids the clogging of ED stack.

Depuis la fin des années 1970, les échangeurs de chaleur ont connu de nouvelles applications liées à la nécessité d'optimiser les dépenses énergétiques. L'encrassement de tels échangeurs est l'une des causes principales de leur perte d'efficacité thermique au cours de leur utilisation. En effet, l'encrassement constitue un problème économique et technologique majeur et fait intervenir des phénomènes physiques complexes. En dépit des efforts déployés depuis ces dernières décennies, les dispositifs de détection et de suivi de l'encrassement existants sont encore loin de renseigner sur le transfert de chaleur et de prendre en compte les phénomènes de dépôt mis en jeu. Ainsi, le parti pris de notre étude a été de concevoir un capteur thermique le plus représentatif possible des conditions d'utilisation réelles afin d'établir un programme d'entretien efficace. A cet effet, deux capteurs localisés originaux, d'une technologie simple, adjoints à un traitement des données adapté, ont été développés. Ne perturbant que très peu les conditions auxquelles ils sont soumis, ils permettent d'obtenir des informations précises quasi instantanées sur les paramètres représentatifs du degré d'encrassement des échangeurs. Bien que les méthodes développées lors de cette étude soient adaptables à d'autres configurations, le choix, incontestablement restrictif, de travailler sur l'encrassement particulaire des échangeurs tubulaires à courants croisés, a été fait. Le premier capteur, doté d'une excitation thermique interne, permet d'estimer non seulement le coefficient d'échange convectif mais aussi l'épaisseur du dépôt à partir d'une méthode d'estimation robuste en régime transitoire. Le second capteur permet d'estimer la répartition spatiale du coefficient d'échange convectif ainsi que celle de l'épaisseur de dépôt. Ces capteurs permettent d'envisager de nouvelles perspectives d'études in situ d'encrassement en milieu industriel. Ils constituent un outil privilégié de maintenance prédictive.

Titre de l'écran-titre (visionné le 5 juin 2023) / Les procédés d'épuration par biofiltration sont très compacts et très performants pour assurer le traitement du carbone et de l'azote. Pour conserver de bonnes performances épuratoires, les biofiltres doivent être lavés régulièrement. Le déclenchement des lavages est dicté par la perte de charge à l'intérieur du biofiltre. Cette dernière augmente durant un cycle de filtration et lorsqu'elle dépasse un seuil fixé, un lavage est déclenché. Une bonne planification du lavage des biofiltres est essentielle pour réduire les risques de débordement d'eau usée lors de fortes précipitations, pour réduire le risque de colmatage et pour réduire les coûts d'opération. Les modèles de biofiltration actuels simulent avec précision et robustesse la qualité d'eau (Vigne 2007; Bernier 2014; Zhu 2020), mais simulent difficilement le comportement des pertes de charge sur plusieurs mois. Ce projet de recherche compare le comportement des pertes de charge simulées à partir de trois sous-modèles (Carman 1937; Ergun 1952; Bernier 2014) de perte de charge. Les modèles de perte de charge de Carman (1937) et d'Ergun (1952) sont considérés, dans le cadre de ce projet de recherche, comme des simplifications du modèle de Bernier (2014). Les deux sous-modèles simplifiés ont été intégrés au modèle de biofiltration de Bernier (2014). Ils ont été calibrés et validés en suivant le protocole de Vigne (2007) et de Rittmann et collab. (2018) avec des jeux de données de l'étage de post-dénitrification sur méthanol de Seine-Centre, une des stations d'épuration de l'agglomération parisienne. Les jeux de données regroupent des mesures horaires du débit, des NOx et des pressions ainsi que des mesures récoltées sur des échantillons composites journaliers (DCO, DBO₅ PO₄³⁻, MES et NH₄⁺). Mis à part pour la densité sèche du biofilm et pour la porosité du média, la calibration des trois modèles est identique. Le sous-modèle de perte de charge de Bernier (2014) est calibré avec une densité sèche de biofilm de 100 kg[indice MES]/m³ et avec une porosité du média de 0.34 alors que les sous-modèles d'Ergun (1952) et de Carman (1937) sont calibrés avec une densité sèche de biofilm de 47 kg[indice MES]/m³ et avec une porosité du média de 0.3. Malgré cette différence, les trois sous-modèles simulent précisément la perte de charge, avec une erreur moyenne de 0.1 mètre d'eau. Durant la validation, les trois sous-modèles calibrés simulent avec précision la perte de charge initiale, mais sous-estiment l'encrassement du biofiltre avec une erreur moyenne de 0.4 mètre d'eau. Les erreurs des simulations d'encrassement durant la validation du modèle peuvent être diminuées en modifiant uniquement la densité sèche du biofilm dans les trois sous-modèles (de 100 à 80 kg[indice MES]/m³ dans le modèle de Bernier (2014) et de 47 à 39 kg[indice MES]/m³ pour les autres). Une fois bien calibrés, les trois calculs offrent des précisions similaires, mais ils ont les mêmes problèmes de robustesse durant la validation. Même si les biofiltres dénitrifiants sont l'une des configurations les plus simples pour modéliser l'encrassement des biofiltres et même si Bernier (2014) a proposé un des modèles de biofiltration les plus performants, les modèles actuels ont un problème de robustesse. Les trois sous-modèles de perte de charge comparés simulent avec précision l'encrassement sur quelques semaines, mais ils ont tous besoin d'être recalibrés pour simuler l'encrassement sur plusieurs mois. La littérature disponible met l'accent sur l'équation de perte de charge pour améliorer les sous-modèles de perte de charge, mais cette recherche montre que le problème de robustesse est lié à l'hypothèse d'un biofilm avec une densité constante. La prochaine étape pour améliorer les modèles de perte de charge sera de modéliser comment la densité du biofilm change dans le temps et selon les conditions d'opérations. Un modèle de biofilm à densité variable pourrait être lié aux substances polymériques extracellulaires (EPS). Le Bihan et Lessard (2000) ont montré qu'une production excessive des EPS dans le biofilm induit un encrassement prématuré des biofiltres et Pechaud et collab. (2012) a corrélé la présence d'EPS avec les propriétés physiques du biofilm. / Biofilters are very compact processes and very efficient for carbon and nitrogen removal. To maintain their treatment capacity, biofilters needs to be regularly backwashed. Generally, theses backwashes are triggered when a maximum headloss through the filter is reached. A good planning of these backwash events is fundamental to avoid a bypass of untreated wastewater during storm events, to avoid permanent clogging of the filter and to minimise operational costs. Mathematical models are an essential tool to improve treatment process performance. Actual biofiltration models can simulate with reliability and robustness effluent water quality (Vigne 2007; Zhu 2020) but have difficulties to simulate headloss behaviour (Bernier, 2014). This paper explores possibilities to improve clogging predictions in biofiltration models by using data from a full-scale biofilter train operated by SIAAP in Paris region, France. The behaviour of three traditional headloss models were compared and analysed to evaluate the importance of different submodels: Carman (1937), Ergun (1952) and Bernier (2014). Datasets were collected at the denitrification biofiltration process from Seine-Centre, one of the Paris WWTPs. Flowrate, methanol injection rate, nitrate and pressure were measured on an hourly basis and composite samples were collected on a daily basis and analysed for COD, BOD₅, PO₄⁺, TSS and NH₄⁺ at both influent and effluent of the biofilter. The database gathers data from July to November 2020. The model used to simulate post-denitrification process proposed by Bernier (2014) is the more complex one, the two others being considered simplification of Bernier's. The three models were calibrated and validated following the biofilm model calibration guidelines of Vigne (2007) and Rittmann et collab. (2018). It is the first time that the most common headloss equations are compared and successively implemented in a biofiltration model. Except for the biofilm density and the initial media porosity, the models fit to the dataset are almost identical for each of the clogging sub-models. Bernier (2014) sub-model is calibrated with a biofilm density of 100kg[subscript TSS]/m³ and a media initial porosity of 0.34 whereas Ergun (1952) and Carman (1937) equation are calibrated with a biofilm density of 47 kg[subscript TSS]/m³ and a media initial porosity of 0.3. Despite this difference, they can precisely simulate the clogging with a mean error (ME) around 0.1 meter of water. Each sub-model can simulate precisely headloss when properly calibrate, but fails to simulate the reversible clogging process of validation datasets from different season. Each sub-model underestimates the clogging by an average of 0.4 meter of water. However, these validation problems can easily be fixed by reducing the biofilm density in the models (from 100 to 80 kg[subscript TSS]/m³ for the Bernier (2014) model and from 47 to 39 kg[subscript TSS]/m³ for the other models). Each clogging submodel has the same robustness problem: they can simulate clogging when properly calibrated, but fail to fit an independent dataset. The robustness problem appears to be related to the biofilm density. It is the only parameter that has to be changed to fit a different dataset. Even if post-denitrification biofilters are among the simplest configuration to model clogging and even if Bernier (2014) proposed one of the most comprehensive biofiltration model, the actual clogging sub-models still fails to simulate a validation dataset. This research project has not improved actual clogging sub-model, but it clearly points out what has to be done to improve them. The litterature focuses on the headloss equation itself to improve the model, but this research shows that actual robustness problems are probably caused by the assumption that biofilm density is constant. Past research on the modelling of biofilter clogging focused on the headloss equation itself. The study of three headloss submodels showed a similar model performance in terms of fit, while having the same robustness problem under validation. A model based on a biofilm with fixed density can properly simulate a month of operation but biofilm density seem to change over several months and it is thus important to consider whether the purpose of the model is to simulate biofilter operation for a longer period. At this moment, these sub-models seem unable to properly simulate a new dataset without changing the biofilm density. The next steps to improve headloss simulation will be to identify how biofilm density changes over time and what drives these changes. The answer could be related with Extracellular Polymeric Substance (EPS). Le Bihan et Lessard (2000) shows that excessive EPS production in the biofilm leads to premature clogging of biofilter and Pechaud et collab. (2012) correlates EPS with physical property of biofilm.

À une époque où l'efficacité énergétique est une préoccupation grandissante, la récupération de chaleur est d'importance primordiale. Pour cette raison, les échangeurs de chaleur sont souvent utilisés afin de transférer de la chaleur d'un fluide à haute température vers un fluide à basse température. Lorsque la chaleur n'est pas récupérée, elle doit-être ajoutée (ou enlevée) par une source externe, ce qui induit un certain coût. Malheureusement, la prolifération de ces appareils est limitée en raison de certains aspects technoéconomiques. L'obstacle majeur à surmonter par les échangeurs de chaleur dans maintes applications est la formation d'encrassage, plus particulièrement de givre, sur les surfaces d'échange. Ces formations diminuent l'efficacité de l'échangeur de chaleur ainsi que sa viabilité économique, en réduisant les économies monétaires envisagées et en augmentant les coûts d'entretien et de nettoyage. Ce document propose deux designs novateurs d'échangeurs de chaleur qui sont définis et testés analytiquement et numériquement. Cette analyse permet tout d'abord de comparer leur capacité à échanger la chaleur en absence de conditions d'encrassement à celle d'un échangeur de chaleur bien connu et de dimensions similaires et ensuite d'établir leur résistance à l'encrassement dans toutes ses formes. On a constaté que les deux designs ont des capacités d'échange de chaleur similaires à celle de l'échangeur de chaleur de référence. De plus, les équations analytiques gouvernantes utilisées afin de déterminer l'efficacité sont, pour la plus grande part, identiques pour les trois designs. L'analyse montre aussi que les deux designs sont résistants théoriquement à l'encrassement et démontre même une augmentation (dans la plupart des cas) de la chaleur transférée lorsqu'il y a changement de phase.

Les poudres laitières sont obtenues par concentration du produit liquide (membranes, évaporation sous vide) puis séchage du concentré. Contrairement au séchage par atomisation, peu de travaux ont été menés sur la concentration par évaporation sous vide. Pourtant, la maîtrise du schéma global de production des poudres gagnerait en une meilleure compréhension de cette opération réalisée dans des évaporateurs à flot tombant. Le présent travail vise à étudier comment améliorer les performances des évaporateurs ; il s’appuie sur deux facteurs limitants de l’opération : l’encrassement des surfaces d’échange et la viscosité maximale en sortie des évaporateurs. La contribution des différents constituants des produits à l’encrassement a été étudiée grâce à une méthodologie développée sur un évaporateur pilote.Les résultats obtenus ont permis d’identifier les éléments minéraux qui contribuent à l’encrassement lors de la concentration de microfiltrat et d’ultrafiltrat de lait, de lactosérums acides chlorhydrique et lactique. Afin de dépasser l’extrait sec maximal en sortie des évaporateurs à flot tombant, deux évaporateurs rotatifs à couche mince, de conceptions différentes, ont été testés à l’échelle pilote. Les études de faisabilité ont été menées jusqu’à la poudre. Le potentiel des équipements a été évalué suivant les propriétés fonctionnelles des poudres et le coût énergétique d’élimination de l’eau. Dans l’un des cas, le remplacement de la tour de séchage par deux évaporateurs rotatifs en série constitue une rupture technologique pour la production de poudres de perméat et dimi / Dairy powders are produced using a two-step process: concentration of the liquid product (membrane, concentration by vacuum evaporation) and drying of the concentrate. Contrary to spray-drying, vacuum concentration has been poorly investigated. However, a better understanding of this unit operation carried out in falling-film evaporators would lead to an improved control of the global process scheme for the production of powders. This PhD project aims to highlight how to enhance the performances of falling-film evaporators; it focuses on two limiting factors of the vacuum concentration: the fouling of the heating surfaces and the maximal viscosity at the outlet of the falling-film evaporators. The contribution of the different product components to the fouling was investigated using a methodology developed at pilot-scale.Our results showed which mineral elements favored the fouling of falling-film evaporators during the concentration of milk microlfiltrate and ultrafiltrate as well as hydrochloric and lactic acid wheys. Besides, two thin-film rotative evaporators of different designs were tested at pilot-scale in order to exceed the maximum dry matter achieved in falling-film evaporators. The feasibility studies were conducted up to the production of powders. The capabilities of the equipment were evaluated according to the functional properties of powders and the specific energy costs relative to the removal of water. In one case, the combination of two rotative evaporators replacing the spray drier constitutes a technological breakthrough in the production of permeate p

Le phénomène d'encrassement dans les échangeurs thermiques est actuellement un sujet important. En effet l'encrassement est un phénomène couteux qui provoque (directement ou indirectement via un surdimensionnement des installations) une augmentation des pertes énergétiques, une hausse de la consommation d'eau. Par effet lié, l'encrassement a un impact environnemental non négligeable dû principalement à une augmentation de l'émission de dioxyde de carbone. La détection de l'encrassement peut se faire de manière très ponctuelle en utilisant des capteurs spécifiques et coûteux ou, globalement, soit en mesurant la variation de masse de l'échangeur, soit en évaluant l'efficacité de l'échangeur à travers le coefficient de transfert - ces deux dernières méthodes exigeant des conditions de fonctionnement très particulières : l'arrêt pour la première et un fonctionnement en régime permanent pour la seconde. Les travaux présentés dans cette thèse consistent au développement d'observateurs non linéaires qui permettent de détecter l'encrassement suffisamment tôt pour mettre en place un système d'entretien efficace. Pour cela, un modèle de dimension finie d'un échangeur tubulaire à contre courant a été défini en début de thèse. Trois solutions basées sur le développement d'observateurs non linéaires de type Takagi-Sugeno appliqués au problème de détection d'encrassement dans les échangeurs thermiques sont proposées. La première consiste en une batterie d'observateurs qui estime les paramètres d'encrassement par une méthode d'interpolation. La deuxième propose un observateur polynomial de type Takagi-Sugeno en utilisant la théorie des sommes de carrés. Enfin, un observateur de type Takagi-Sugeno à entrées inconnues est développé. Une comparaison entre ces différentes méthodes est effectuée en conclusion cette thèse.

L’amélioration de la récupération d’énergie dans les procédés industriels passe par une meilleure compréhension des phénomènes d’encrassement dans les échangeurs de chaleur. L’encrassement se caractérise par la formation de dépôts non désirés sur les surfaces d’échange de l’échangeur. Cette étude porte sur l’amélioration de l’efficacité énergétique des raffineries de pétrole par réduction de l’encrassement dans les échangeurs de chaleur du train de préchauffe.Pour cela, une boucle d’essai reproduisant les niveaux d’échange et les écoulements rencontrés en raffinerie a été employée pour tester un échangeur de type tubes et calandre. Les fluides traités sont du pétrole brut et de résidu de distillation atmosphérique (coupe lourde du pétrole) comme dans le procédé industriel. On s’intéresse à l’influence de la géométrie de l’échangeur. Des faisceaux de tubes avec des corrugations internes hélicoïdales et des ailettes externes sont successivement testés. Pour chacune des technologies, les paramètres opératoires optimums permettant de limiter la formation d’un dépôt encrassant sont identifiés sur une gamme de température de film et de cisaillement s’échelonnant respectivement de 230 à 300°C et de 1,3 à 8,8 N/m2. L’efficacité des tubes optimisés pour lutter contre l’encrassement est évaluée par comparaison avec l’encrassement obtenu sur le faisceau de tubes lisses pris comme référence. Les deux technologies se sont révélées efficaces pour réduire l’encrassement. Par rapport aux tubes lisses, l’encrassement a été réduit d’un ordre de grandeur à cisaillement et température de film équivalentes aussi bien avec les tubes structurés qu’ailetés.En parallèle, une simulation d’encrassement numérique (CFD) a été élaborée pour mieux comprendre le développement de l’encrassement dans l’échangeur équipé de tubes lisses. Les phénomènes dominants à l’origine de l’encrassement de l’échangeur ont été déterminés : la vitesse de formation du dépôt, peu affectée par les variations spatiales de la thermo-hydraulique, pilote l’encrassement. Les hétérogénéités d’encrassement sont causées par les disparités locales de la vitesse d’arrachement du dépôt qui varie en grande proportion mais dont l’influence sur la vitesse d’encrassement est faible. Elles sont dues à une inhomogénéité spatiale du cisaillement qui est la conséquence de l’établissement de l’écoulement dans les tubes. Une tentative d’amélioration de la précision de la prédiction de l’encrassement a été également entreprise en optimisant les paramètres d’un modèle d’encrassement existants et en tenant compte du vieillissement du dépôt. / Improving energy recovery in industrial processes requires a better understanding of fouling phenomena in heat exchangers. Fouling is the grow up of unwanted materials on heat transfer surfaces. This study focuses on improving the energy efficiency of petroleum refineries by reducing fouling in heat exchangers of the pre-heat train.For this purpose, a test rig reproducing thermal and flow characteristics encountered in the last heat exchanger of the pre-heat train was used to test a pilot-scale shell-and-tube heat exchanger. Fluids are the same as the ones processed in refineries: crude oil and atmospheric tower bottom, a heavy residue of oil. This study focuses on the influence of the heat exchanger geometry. Internally helically-finned tubes and externally low-finned tube bundles are successively tested. For each one, optimum operating parameters which reduce fouling are identified over a 230-300°C film temperature range and a 1.3-8.8 N/m2 wall shear stress range. The fouling mitigation efficiency of the enhanced tubes is compared with smooth tubes taken as a reference. Compared to smooth tubes, fouling on helically-finned and low-finned tubes is reduced by an order of magnitude when they are operated at equivalent wall shear stress and film temperature.In addition, a numerical (CFD) fouling simulation has been developed to provide a better understanding of the fouling in the heat exchanger with smooth tubes. Dominant phenomena driving fouling in the heat exchanger were determined. The deposition rate is weakly impacted by the spatial variations of the thermo-hydraulic and controls the overall fouling rate. Heterogeneities in fouling rate are caused by the local scattering in the removal rate, which varies in a broad range but whose impact on the overall fouling rate is low. The broad range of the shear stress is the consequence of the fluid flow entrance effects. An attempt to improve accuracy of the fouling model has been undertaken by optimizing the model parameters and by considering aging of the deposit.