Th. doct.-ing.--Génie chim.--Toulouse--I.N.P., 1981. N°: 172.

Th.--Sci. phys.--Nancy--I.N.P.L., 1975 : C.N.R.S. AO 12161.

Th. doct.-ing.--Génie chim.--Toulouse--I.N.P., 1980. N°: 85.

Reproduction de : Thèse d'Etat : Génie chimique : Toulouse, INPT : 1981. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 98 réf.

Th.--Sci. phys.--Toulouse--I.N.P., 1981. N°: 54.

Ce travail s’inscrit dans la convention CIFRE n°2012/0379 avec la startup Adionics pour le développement d’un procédé de dessalement par extraction liquide-liquide. La régénération de la phase organique est réalisée par désextraction du sel à chaud. Les isothermes de partage du NaCl, Na2SO4 et MgCl2 à 20 40 60 et 80°C ont été obtenues. Une stœchiométrie expliquant leur forme a été proposée et les constantes d’équilibre associées ont été déterminées. Les enthalpies d’extraction ont été déduites des variations des constantes d’équilibre avec la température.La prise en compte de l’effet de milieu en phase aqueuse a été réalisée à l’aide du modèle de Pitzer avec l’hypothèse des interactions spécifiques. Une correction pour les effets de milieu en phase organique a également été ajustée sur NaCl -Na2SO4 à 20 40 et 60°C.Les propriétés physico-chimiques du solvant (viscosité, masse volumique, chaleur spécifique, conductivité thermique, ...) ont été déterminées sur une plage de 20°C à 80°C. La tension interfaciale du solvant a également été obtenue à 20°C, avec de l'eau eau pure et salée. Une étude approchée de la solubilité du diluant en phase aqueuse a également été entreprise.Un prototype avec deux colonnes à garnissage de 4 mètres de haut a été élaboré pour tester la faisabilité du procédé en continu. L’extracteur a été modélisé par une cascade d’étages parfaitement agités avec prise en compte du mélange en retour. Les HUT (Hauteur d'une Unité de Transfert) expérimentales ont été comparées à celles calculées à l'aide de différentes corrélations des coefficients de transfert disponibles dans la littérature. Une adéquation satisfaisante a été obtenue entre modèle et expérience. Une réflexion sur le type d'extracteur doit être entreprise pour une amélioration de la performance de dessalement. / This work is a contribution to the development of an innovative desalination process by solvent extraction. The regeneration of the organic phase is achieved by desextraction of the salt at high temperature. Isotherms of distribution of NaCl, Na2SO4 and MgCl2 at 20 40 60 and 80°C were obtained. A stoichiometry able to account for their shapes was suggested and the associated equilibrium constants were determined. The extraction enthalpies were deduced from the variation of the constants with temperature.Non ideality in the aqueous phase was modeled with the Pitzer equations, simplified with the specific interaction principle. A thermodynamic correction to account for mixed salts effect in the organic phase was adjusted on binary data (NaCl, Na2SO4) at 20 40 and 60°C.Mechanical (viscosity, density) and thermal (specific heat, thermal conductivity) properties of the organic phase were characterised from 20 to 80°C. The interfacial tension was obtained at 20°C with pure water and filtrated natural seawater. The overall solubility of the solvant in water was measured. A prototype of the process with two extraction columns with a packed bed of 4 meters was tested. The HTU obtained were compared with a numerical model based on the classical stagewise backflow model expanded by a thermal balance.

La technologie la plus utilisée pour séparer les principaux composants de l'air est aujourd'hui ladistillation en colonne à garnissage structuré. Ce procédé se caractérise par un écoulement gazliquide contre-courant au sein d'une structure constituée de plaques corruguées placées parallèlement et agencées en packs. La description d'un tel procédé est rendue difficile par les très grandes dimensions du système et par la complexité des phénomènes à la petite échelle. La méthode de la prise de moyenne volumique, utilisée pour les problèmes de changement d'échelleen milieu poreux, est utilisée pour décrire le système à une échelle qui permet une résolution. Le travail est organisé en trois étapes. Dans un premier temps, pour les débits modérés, une méthode est proposée pour évaluer la perte de charge au sein de la structure en prenant en compte des rugosités de structure ou créées par des instabilités du film liquide. A ce stade, l'effet de la surface rugueuse est caractérisé par une condition limite effective. Le problème aux limites effectif pour la phase gaz est ensuite moyenné en volume pour obtenir un système d'équations à grande échelle. Le bilan de quantité de mouvement à grande échelle est une loi de Darcy généralisée aux écoulements inertiels, dans laquelle les paramètres effectifs contiennent les effets des instabilités de surfaces de la petite échelle. La seconde étape est dédiée à l'interaction entre les deux phases à plus hauts débits. On montre que des modèles qui incluent explicitement des termes croisés à grande échelle permettent de décrire l'écoulement au sein du garnissage à grands nombres de Reynolds. Plus généralement, ces modèles, peu utilisés dans la littérature sur les milieux poreux, s'avèrent adaptés pour les écoulements dans les milieux très perméables, pour lesquels des variations importantes de la perte de charge et des saturations sont observées. Enfin, on s'intéresse à la description de la distribution de la phase liquide au sein de la structurede garnissage. Une approche multiphasique, où la phase liquide est séparée en plusieurs pseudophases, est adaptée pour modéliser l'anisotropie de l'écoulement. Deux méthodes impliquant une approche à deux pseudo-phases et une approche à quatre pseudo-phases pour la phase liquide sont comparées. Cette dernière méthode est notamment utile pour décrire des régimes d'écoulement très différents, et permet de capturer à grande échelle les chemins préférentielssuivis par le film liquide au sein du garnissage. / Distillation in columns equipped with structured packings is today the most used technology for separating air in its primary components. This process is characterized by a counter-current gasliquid flow in a structure made of parallel corrugated sheets arranged in packs. The description of such system is constrained by the large dimensions of the columns and by the complexity of the local-scale phenomena. This leads to consider a strategy of upscaling, based on the volume averaging method, to describe the system at a scale at which a resolution is possible. The work is organized in three steps. As a first step, considering moderate flow rates, a methodology ofupscaling is developed to predict the pressure drop in the flow of the gas phase taking into account small scale roughnesses due to the structure itself or perturbations of the liquid film. At this stage, the effect of this rough surface is characterized by an effective boundary condition. The boundary value problem for the flow of the gas phase is volume averaged in order to derive a system of equations at large scale. The resulting momentum balance is a generalized Darcy's law for inertial flows, involving effective parameters accounting for the roughness at the microscale. The second step of this work focuses on the interaction between the two phases at higher flow rates. It is shown that models involving non-standard macroscopic cross-terms are more prone to describe the flow in packings at high Reynolds numbers than the models usually used in porousmedia sciences. More generally, these models are shown to characterize accurately processes in highly permeable media, where drastic changes of pressure drop and retention are observed. We finally study the distribution of the liquid phase in the structured packing. It is shown that a specific approach involving a multiphase model with liquid decomposition is required to capture the anisotropy generated in the flow of the liquid phase. Two methods involving two pseudo-phases and four pseudo-phases for the liquid phase are compared. This last method captures a number of very different distribution regimes in the column and offers additional flexibility to describepreferential paths of the liquid.

Le Laboratoire de Thermique, Energétique et Procédés de Pau travaille en parallèle depuis plusieurs années sur les deux thématiques suivantes, la modélisation des réacteurs multifonctionnels et la modélisation des transports en milieux poreux. Dans ce travail, un modèle général de transports en milieu poreux multiphasique multiconstituant réactif est développé puis appliqué au cas particulier de l’absorption réactive afin de décrire les phénomènes se produisant au sein du garnissage. La modélisation débute par une description classique de chacune des phases continues grâce aux équations de conservation de la masse, de la quantité de mouvement et de l’énergie. Les phases fluides sont multiconstituantes et le siège de réactions homogènes. Bien qu’à cette échelle les mécanismes soient parfaitement décrits, le passage à la simulation impose une étape d’homogénéisation par prise de moyenne. Ce changement d’échelle conduit à un système d’équations à l’échelle locale. Le modèle est appliqué à l’absorption du dioxyde de carbone dans une solution aqueuse d’hydroxyde de sodium au sein d’une colonne garnie. Les simulations bidimensionnelles instationnaires fournissent des informations locales sur le procédé. Les résultats obtenus montrent une bonne adéquation avec la connaissance classique des mécanismes d’absorption réactive. / The “Laboratoire de Thermique, Energétique et Procédés de Pau” works on the two following subjects, modeling of multifunctional reactor and modeling of transport in porous media. In this work, a general model of transport in multiphase multi component reactive porous media is developed and then applied to the specific case of reactive absorption in order to describe the phenomena which occur within the packing. Modeling begins with a classic description of each continuous phase through the equations of conservation of mass, momentum and energy. The fluid phases are multi component and reactive. Although mechanisms are perfectly described at this scale, the simulation imposes a homogenization by volume averaging. This change of scale leads to a set of equations at the local scale. The model is applied to the absorption of carbon dioxide in an aqueous solution of sodium hydroxide within a packed column. Unsteady two-dimensional simulations provide local information about the process. The results obtained show a good agreement with the classical knowledge of reactive absorption mechanisms.

Le premier volet de la présente étude vise à évaluer la performance du réacteur biologique à support fluidisé SMBRMD avec garnissage PEENOX MD pour l'épuration des eaux usées de la Municipalité de Mont-Saint-Grégoire (MMSG). Ce système comprend deux réacteurs à biomasse fixe disposés en série, suivis d'un décanteur. Conformément aux critères de suivi de démonstration du MDDEP, cette nouvelle technologie a été analysée sur une période d'un an (de juin 2009 à mai 2010). Le suivi a permis de mieux comprendre les processus impliqués dans le réacteur en fonction des conditions environnementales et de la qualité de l'affluent. Une fois le système stabilisé, il a été démontré que le premier réacteur était très efficace pour l'enlèvement de la matière organique, où des taux d'abattement de 78 ± 21 et 89 ± 18 % ont été observés pour la DCO S et la DBOC5S , respectivement. Aussi, les deux réacteurs SMBR ont permis un enlèvement de l'azote ammoniacal de 99 ± 1 %. La nitrification, présente dans les deux réacteurs, était responsable de l'enlèvement de l'azote ammoniacal à 67 ± 19 %. Globalement, la performance observée à l'usine depuis l'implantation des réacteurs SMBR est supérieure à celle mesurée avec le système précèdemment utilisé, soit les biodisques. De plus, les paramètres à l'effluent sont davantage constants. Le deuxième volet du projet aborde le traitement par coagulation et floculation de l'eau usée échantillonnées à l'usine de la MMSG. L'efficacité déphosphotante de l'alun a d'abord été évaluée en laboratoire, sous des conditions expérimentales contrôlées, et comparée à celle observée à la MMSG. Puis, l'influence des conditions de mélange et de la concentration en MES sur la performance de l'alun a été analysée. Par la suite, le pouvoir déphosphatant de deux solutions de chitosane, un polymère biodégradable et non toxique issu de la chitine, a été examiné. Toutefois, le chitosane ne permettant pas d'abattre les fractions dissoutes de phosphore, l'utilisation simultanée du chitosane et de l'alun a été considéré Ainsi, deux des trois solutions de chitosane utilisées permettent de diminuer les dosages d'alun requis pour l'atteinte des exigences de rejet, réduisant par le fait même la teneur en sulfates et en aluminium dans les biosolides. De plus, pour un dosage donné d'alun, ces solutions de chitosane permettent de réduire la concentration en aluminium du surnageant. Malheureusement, les tests ne permettent pas d'associer le pouvoir déphosphatant du chitosane à son degré de déacétylation ou à son poids moléculaire.

Ce travail contribue aux efforts de l'Union Européenne pour réduire les émissions de CO2. Son objectif est d'aider les industries produisant de la chaleur fatale à récupérer cette énergie perdue, d'augmenter sa température et de la réutiliser in situ. Les transformateurs de chaleur (Absorption Heat Transformers ou AHT), machines à absorption consommant très peu d'électricité, sont alors ici étudiés. Les AHTs existants rencontrent des problèmes comme la corrosion, la cristallisation, la toxicité et les niveaux de pression éloignés de la pression atmosphérique. Ceux-ci sont causés par les fluides conventionnels (Eau/LiBr et Ammoniaque/Eau) et s'aggravent à des températures supérieures à 120°C. Des modèles de conception ainsi que des solutions techniques, applicables avec tous mélanges de fluides organiques, sont alors proposés dans cette thèse. Ces modèles sont validés avec des données de la littérature et implémentés dans des outils d'aide à la décision.Tout d'abord, un modèle de sélection de paires de fluides organiques (parmi une liste de fluides) est développé. Les contraintes prises en compte sont, entre autres, les types et les profils de températures des sources et puits de chaleur, et les propriétés du fluide. Pour chaque type de fluide, la méthode la plus adaptée au calcul des propriétés physiques des fluides est choisie.En second lieu, pour effectuer la séparation des 2 constituants du mélange de fluides organiques, le générateur (composant recevant la chaleur fatale) et le condenseur de l'AHT sont fusionnés pour former une colonne de distillation. Un modèle d'une colonne de distillation nommée « hybride » est alors développé en adaptant la méthode de Ponchon-Savarit et en la combinant avec la méthode ETD (Equal Thermodynamic Distance). Cette colonne associe les avantages des 2 types de colonnes adiabatiques et diabatiques. Elle allie réduction de production d'entropie et meilleure exploitation des sources de chaleur à températures glissantes. La conception mécanique de la colonne hybride est aussi incluse.Troisièmement, pour atteindre la température théorique maximale du mélange de fluide déjà choisi, l'absorbeur de l'AHT (où la chaleur à haute température est libérée) est divisé en sections adiabatiques suivies par des sections diabatiques. De plus, les modèles détaillés des colonnes à bulles (fonctionnant en co-courant ou en contre-courant) ainsi que de la colonne à garnissage sont présentés et comparés entre eux.Les principaux résultats de ces travaux consistent en une nouvelle méthodologie de choix de fluides organiques pouvant remplacer les mélanges classiques surtout à températures élevées (supérieures à 130 °C). En ce qui concerne la colonne de distillation, il est montré que la colonne adiabatique constitue un meilleur choix lorsqu'une source de chaleur latente est disponible tandis qu'avec une source de chaleur sensible, la colonne hybride engendre moins de pertes exergétiques. En passant à l'absorbeur, le nouveau mode d'opération de celui-ci permet à l'utilisateur d'atteindre des températures plus élevées que celles réalisées avec les technologies actuellement disponibles. Enfin, les modèles développés permettent de choisir les technologies de distillation (adiabatique, diabatique ou hybride) et d'absorption (colonne à bulles ou à garnissage) les plus appropriées en s'adaptant à différentes problématiques industrielles. / This work is part of the European union efforts to reduce its CO2 emissions. It aims to assist any waste heat producing industry in recuperating this lost thermal energy, pumping it to higher temperature levels and reusing it on site. Absorption Heat Transformers (AHT), that consume little electricity, are used for this task. Current AHT problems such as corrosion, crystallization, toxicity and inconvenient pressure levels are caused by conventionally used H2O/LiBr and NH3/ H2O working fluids and get worse at temperatures exceeding 120°C. Potential solutions are thus suggested. According to them, models are developed; they are all able to operate with any organic mixture and are customized to accompany the industrialist from start to finish. These solutions were validated by comparing them with literature data and are implemented into several tools.Firstly, a model selects the optimal organic binary mixture -among a list of fluids- in terms of the real case application's constraints: Heat transfer fluids used, Heat source's and heat sink's types and temperature profiles, mixtures transport properties among other parameters. Suitable thermodynamic model is selected for different fluid group types.Secondly, in order to separate the 2 components of the chosen mixture of organic compounds, the AHT generator (component which receives waste heat) is merged with the AHT condenser thus forming a distillation column. A “hybrid column” is designed by modifying the Ponchon-Savarit method and combining it with the Equal Thermodynamic Distance (ETD) method. This new column associates the best features of the two columns. It reduces entropy production rates and best exploits temperature gliding heat sources. Mechanical design for the hybrid column is also included.Thirdly, to ensure that the maximum theoretical temperature of the working fluid is reached, the AHT absorber (where high temperature heat is released) is divided into consecutive adiabatic parts followed by diabatic ones. Detailed Models for co-current and counter-current bubble columns as well as packing columns are presented and compared.Main results consist in a selection methodology of organic compounds mixtures, capable of replacing conventional ones specially at temperatures higher than 130 °C. It's also shown that adiabatic columns are better options when latent type heat sources are available while hybrid columns lose less exergy when used with sensible heat sources. As for the absorber, the new operating mode provides the user with higher temperatures than currently reached by available technologies. Finally, using the developed models, tailored and most suitable distillation (adiabatic, diabatic or hybrid columns) and absorber (bubble or packing columns) technologies can be proposed depending on the industrial specific cases and requirements.