Les zéolithes sont des aluminosilicates poreux cristallins dont la taille caractéristique de la porosité est de l'ordre de la taille de nombreuses molécules organiques et inorganiques, ce qui leur confère des propriétés spécifiques en adsorption et catalyse, à l'origine de leur importance dans de nombreuses applications industrielles. La modélisation des propriétés des zéolithes est importante de plusieurs points de vue : du point de vue de l'industriel, elle peut favoriser un choix plus judicieux du matériau qui présente la propriété d'adsorption critique pour une application ; du point de vue fondamental, la structure ordonnée des zéolithes en fait des matériaux modèles uniques pour tester les méthodes de calculs sur des étalons dont les propriétés peuvent être mesurées par de nombreuses techniques expérimentales. Cette thèse s'inscrit dans le cadre d'une collaboration entre le Laboratoire de Chimie Physique d'Orsay et l'IFP - énergies nouvelles. Différentes méthodes de simulation ont été mises au point pour modéliser, comprendre et prédire diverses caractéristiques structurales et propriétés des zéolithes cationiques : la sélectivité d'adsorption d'eau et hydrocarbures (notamment dans les faujasites au baryum), la localisation des cations extraréseaux (baryum notamment), la localisation des atomes d'aluminium dans la charpente (méthode basée sur des études de diffraction des rayons X), les propriétés d'échange ionique (faujasites NaX et NaY) et la flexibilité de la charpente. Les modèles et les méthodes dont nous disposons aujourd'hui permettent d'étudier des matériaux contenant des cations monovalents mais aussi divalents, ainsi que des matériaux bicationiques.

Cette thèse porte sur le développement d‘outils de contrôle avancé des procédés appliqués à l'industrie microélectronique. Des analyses statistiques ont mis en évidence la longueur de grille en poly-silicium comme principal responsable des variabilités lot à lot temporelle et spatiale des performances électriques des transistors courts (courants de saturation, de fuite et la tension de seuil). Une nouvelle stratégie de régulation mieux adaptée a été étudiée : le contrôle coopératif qui s'appuie sur un algorithme d'identification récursif. Les performances de plusieurs estimateurs en ligne ont été simulées et comparées. Une régulation de compensation a aussi été développée entre la gravure de la grille et l'implantation des poches permettant de compenser la déviation de la longueur de la grille en ajustant la dose d'implantation des poches. Sa mise en production a permis de réduire la dispersion lot à lot de 40%.

En interaction directe avec l'utilisateur, les matériaux (et à fortiori leur procédés de mise en œuvre) occupent une place centrale dans l'appréciation d'un objet. Ils sont en effet porteurs de souvenirs, de messages, de symboles. Notre recherche positionne les matériaux et les procédés de mise en œuvre au cœur du projet. Nous proposons ainsi d'aller au-delà des problématiques techniques, économiques, écologiques, esthétiques ou sémantiques auxquelles ils répondent en exploitant leur potentiel inspirationnel. Notre recherche s'inscrit au sein de l'activité de création et pour cause, le cadre opérationnel de notre thèse est une maison de création traditionnelle et artisanale dans le domaine du luxe. Le marketing montre l'importance de la prise en compte de l'identité de marque dans tout nouvel effort de création. S'appuyant sur ce constat, la problématique de notre recherche est la suivante : Comment favoriser la création de nouveaux objets par les matériaux et les procédés au sein d'une entreprise traditionnelle à forte identité ? Pour y répondre, nous proposons des concevoir un outil qui facilite la génération d'idées pour des créateurs. Le principe de cet outil est basé sur la capitalisation d'informations propres à l'entreprise ainsi que sur la sélection d'informations nouvelles et pertinentes en termes de matériaux et de procédés. Dérivé du concept de matériauthèque, largement populaire auprès des designers et des créateurs, l'outil que nous avons modélisé facilite le mécanisme de rapprochement entre des informations nouvelles pré-sélectionnées et des informations propres à l'entreprise. D'un point de vue scientifique, l'enjeu de cette recherche est alors de proposer un outil inspirationnel orienté matériaux et procédés qui s'adresse à un public de designers et de créateurs. Pour l'entreprise, cet outil d'aide à la génération d'idées nouvelles offre des clés pour s'affirmer face à la concurrence, pour trouver de nouveaux marchés, pour renouveler son expertise afin de se projeter dans l'avenir.

Le travail présenté dans ce manuscrit s'inscrit dans le cadre de la commande temps réel de certains procédés du raffinage. Nous présentons les travaux réalisés sur la commande monovariable et la gestion des paramètres variables. La première partie des travaux s'est articulée autour de l'étude d'un article apparu en 2003. Nous avons comparé les méthodes de commande monovariable proposées dans cet article avec d'autres méthodes plus communément utilisées. Dans le but améliorer les performances obtenues avec les outils testés, nous avons mis au point un prédicteur de Smith adaptatif dans lequel le retard est mis à jour à partir de considérations physiques d'un procédé d'hydrodésulfuration. Nous nous intéressons aussi au problème ouvert de la commande d'un procédé de mélange, qui comporte plusieurs volumes morts entre les bacs de bases et la mélangeuse. Nous avons montré qu'il était possible de reconstruire, en choisissant un estimateur adapté, les propriétés en sortie de mélangeuse. La méthode a été mise en place et est utilisée sur une mélangeuse réelle. Nous avons également travaillé sur la commande d'un procédé de neutralisation de pH. L'approche que nous avons eue du problème est double. D'un côté, nous avons travaillé directement sur le procédé, de l'autre, nous avons élaboré un modèle non linéaire à partir duquel nous avons mis en place une loi de commande non linéaire. La loi de commande utilisée pour réguler le pH mesuré au pH de consigne intègre les non linéarités du procédé ce qui permet à l'utilisateur de changer de conditions opératoires sans avoir de modifications à apporter aux réglages de celle-ci.

L'objectif de cette thèse est de mettre en évidence le comportement à l'échelle microscopique des composés organiques au cours des procédés de traitement de mélanges complexes, en particulier les procédés membranaires. Pour cela des outils expérimentaux et de modélisation ont été mis au point. Les méthodes de caractérisation expérimentale des mélanges complexes et de l'état de surface des solides utilisés sont entre autres la construction d'isothermes d'adsorption et la mesure des tensions interfaciales par la méthode de la goutte posée. Le cas étudié ici est celui de la filtration de solutions modèles de tensioactifs par osmose inverse. Nous avons montré que le comportement des composés organiques (tensioactifs) influence la performance du procédé membranaire et les propriétés de membranes. L'outil de simulation du comportement des composés en phase liquide et à l'interface liquide-solide permettant une description à une échelle plus fine que celle atteignable expérimentalement est la DPD (Dissipative Particle Dynamics). Une première étape a permis de simuler l'agrégation des tensioactifs en solution et de retrouver les valeurs expérimentales des concentrations micellaires critiques et nombres d'agrégation de tensioactifs anioniques. L'étude de l'adsorption des tensioactifs sur une membrane d'osmose inverse a été initiée, avec pour objectif de mettre en évidence l'organisation des composés à l'échelle locale. L'apport des outils développés a été démontré et leur utilisation pourra être approfondie dans des travaux ultérieurs.

Ce document présente les recherches menées par l'auteur de 1996 à 2010. Elles concernent en particulier les écoulements et transferts de matière et de chaleur en milieu poreux, vus à la fois à l'échelle du procédé et à l'échelle des phénomènes. Pour chacune de ces échelles, des systèmes de mesure ainsi que des modèles et simulations numériques ont été développés conjointement. A l'échelle globale, on a en particulier pu étudier la distribution de la phase liquide dans les trickle-beds. On a également proposé et validé un modèle de transfert de matière et de chaleur dans des tissus. A l'échelle locale, les simulations de l'écoulement liquide dans un milieu poreux parfaitement défini ont été confrontées avec succès à des mesures de gradients de vitesse et de direction de l'écoulement au niveau du garnissage obtenues grâce à un système de microélectrodes. Des études plus prospectives concernant le développement de méthodologies d'estimation paramétriques et l'optimisation dynamique et globale des procédés sont présentées dans une seconde partie. L'objectif est de pouvoir dimensionner et maîtriser le fonctionnement de procédés grâce à une méthode d'étude détaillée de procédés, depuis la construction de modèles, leur validation, l'obtention de résultats numériques et leur optimisation.

De nombreuses études ont déjà été faites sur le noir de carbone et sur son oxydation soit par l'acide nitrique, soit par l'ozone. Mais les oxydations ont généralement été poussées à un degré tel que la particule était partiellement détruite : la perte de masse atteignait jusqu'à 50 %, la dimension des granulés diminuait sensiblement et le réseau lui-même était nettement modifié. Le but de notre étude a été de savoir s'il était possible de rendre les particules hydrophiles par oxydation superficielle ménagée tout en en modifiant le moins possible la structure interne. Or il était difficile de modérer suffisamment l'oxydation d'une poudre en opérant par voie sèche, c'est pourquoi nous avons fait agir un oxydant gazeux, à savoir: l'ozone qui était tout indiqué, en milieu aqueux, les granules de noir étant maintenus en suspension par une agitation mécanique à l'aide d'un vibreur. Chaque particule étant ainsi recouverte d'une couche lamellaire d'eau lui servant d'écran, se voyait soumise, d'une façon très douce, à l'action de l'ozone. Notre étude comprend donc les parties suivantes : Ozonisation, granulométrie, étude par diffraction X, acidité totale. Nous pouvons affirmer qu'une oxydation par l'ozone en milieu aqueux rend le noir de carbone hydrophile par fixation de groupes superficiels COOH sans modifier sensiblement la granulométrie ni la structure interne aux rayons X.

Les procédés d'élaboration de pièces composites par infusion de résine, malgré leurs nombreux avantages, peinent à s'imposer dans les phases de production industrielle en raison de difficultés pour les maitriser. Ainsi, en partenariat avec ESI Group, un modèle complet pour la simulation de ces procédés est développé à l'ENSM-SE depuis les travaux précurseurs de P. Celle.Nos travaux portent sur la généralisation de ce modèle afin de traiter des cas, ainsi que sur son extension à la simulation des écoulements " post-infusion ". L'approche repose sur un découpage du domaine en trois zones (drainant, préformes imprégnées, préformes sèches) consistant ainsi à coupler un écoulement de Stokes dans le drainant à un écoulement de Darcy dans les préformes. De plus, l'influence mutuelle de la résine sur le comportement des préformes et de la déformation des préformes sur la perméabilité est considérée, à travers la loi de Terzaghi et des lois exprimant la perméabilité en fonction de la fraction de fibres, paramètre accessible uniquement dans une approche 3D mécanique couplée. Enfin, le procédé est découpé en trois phases : compression initiale des préformes sèches, remplissage et " post-infusion ". Les méthodes numériques, développées dans ces travaux, s'appliquent à des cas réels d'infusion souvent mis de côté dans les publications récentes car inaccessibles, impliquant des perméabilités très faibles (~10-15 m²), un drainant fin (~1 mm) et des géométries complexes.Cette approche innovante a été implémentée dans un code de calcul industriel (ProFlotTM), validée analytiquement sur des cas tests et expérimentalement sur des cas industriel dans le cadre du projet européen INFUCOMP.

L'industrie microélectronique est engagée depuis longtemps dans des mesures visant à réduire ses impacts sur l'environnement, et ce sur toutes les phases du cycle de vie de ses produits. Sur les sites de fabrication, la suite logique à la mise en place de système de traitement des pollutions est l'anticipation de ces dernières. L'éco-conception des technologies microélectroniques, c'est-à-dire l'intégration de paramètres environnementaux dans leur processus de développement, permet de répondre à cet objectif. Notre travail de recherche a pour but de caractériser environnementalement les procédés de fabrication microélectronique afin de proposer des outils et méthodes pour leurs concepteurs. Nous avons donc modélisé une technologie microélectronique, et associé des impacts environnementaux aux flux entrants et sortants. Cela nous a permis de proposer des indicateurs environnementaux destinés à la R&D et adaptés à un site de développement et de production microélectronique.

Les recherches, menées conjointement depuis 12 ans par l'Ecole des Mines de Paris et l'IMP-CNRS, portent sur la synthèse de nanostructures de carbone à très haute température par plasma thermique. Initialement orientées vers la synthèse de noirs de carbone conducteurs, les recherches se sont élargies vers la synthèse de nouvelles nanostructures de carbone de type Fullerènes et nanotubes, lesquelles nanostructures font aujourd'hui l'objet d'un très grand intérêt dans des domaines d'applications extrêmement variés. L'approche, de type Génie des Procédés, a consisté à synthétiser des nanostructures de carbone à partir de différentes conditions opératoires, à caractériser ces nanostructures et étudier les relations procédé-nanostructures dans le but d'optimiser le procédé pour les diverses familles de matériaux. Une des originalités de la démarche est liée à la technologie plasma triphasée, développée à une échelle intermédiaire entre le dispositif de laboratoire et un pilote industriel qui permet la production de quantités significatives de produit (de l'ordre du kilogramme) rendant possible la conduite des test applicatifs dans les différents domaines concernés. Sur un plan théorique, les recherches ont porté principalement sur la caractérisation de l'écoulement à l'intérieur du réacteur. L'approche a notamment porté sur l'étude du mouvement d'arcs libres entre les trois électrodes du système triphasé, sur la prise en compte de ce mouvement dans un modèle d'écoulement turbulent global ainsi que sur l'effet des particules de carbone sur les transferts radiatifs. Sur un plan expérimental, parallèlement au développement de la technologie plasma et des dispositifs de métrologie et de diagnostics adaptés, la démarche a consisté à synthétiser les différentes familles de nanostructures : noirs de carbone, fullerènes, nanotubes, à partir de précurseurs carbonés liquides, solides ou gazeux éventuellement associés à des éléments catalytiques (Ni, Co, Y) pour différentes conditions opératoires (précurseur, gaz plasma, débit, puissance électrique,...). Sur un plan physico-chimique, la caractérisation des nanostructures a été abordée à partir des méthodes d'analyses classiques (BET, DBP, ATG, composition chimique, Ph, Diffraction-X, Spectro UV-Vis,...) et d'imagerie (MEB, MET). Parallèlement, des tests « applicatifs » ont été réalisés dans le domaine des polymères (résistivité électrique, comportement mécanique et rhéologique) des élastomères (comportement mécanique et rhéologique) et des piles (primaires et secondaires) à partir de procédures de tests standardisées ainsi que dans le domaine du stockage d'hydrogène.