L’acylation de Friedel-Crafts est parmi les réactions les plus fondamentales et les plus utiles pour former des cétones aromatiques. Bien que la mise en oeuvre de ces réactions soit habituellement pénalisante en termes de sous produits formés, de rendement atomique et de quantité de catalyseur utilisée, cette voie est encore largement utilisée dans l’industrie de la chimie fine. Ces dernières années, la prise de conscience de l’impact des activités industrielles sur l’environnement a mené les chimistes à travailler sur de nouvelles voies, moins dangereuses et plus respectueuses de l’environnement.Nous avons considéré ici l’acylation d’un dérivé du benzofurane par un chlorure d’acyle, correspondant à une étape intermédiaire pour la fabrication d’un principe actif pharmaceutique. Dans cette étude, la première proposition a consisté à remplacer les catalyseurs classiques (FeCl3 ou AlCl3) par des catalyseurs solides réutilisables. Dans ce travail, plusieurs catalyseurs (zéolites, résines échangeuses d’ions...) ont d’abord été testés dans des conditions « conventionnelles » , c’est-à-dire en utilisant un solvant organique, afin de déterminer le plus performant, en termes de réactivité, de durée de vie et de réutilisabilité. Une zéolite Y s’est avéré la plus adaptée. Cependant, l’utilisation d’un solvant organique (ici le 1,2-dichlorobenzène) reste discutable et l’utilisation du CO2 supercritique comme solvant a donc été envisagée. Pour cela, nous avons imaginé et dimensionné un réacteur tubulaire à lit fixe de catalyseur fonctionnant sous pression et en continu. Les résultats présentés montrent la faisabilité d’un tel procédé et pose les jalons pour arriver à une ou des solutions pour une meilleure mise en oeuvre industrielle des réactions de Friedel-Crafts. / Friedel-Crafts acylation is among the most fundamental and useful reactions to yield aromatic ketones, but it is one of the less acceptable in terms of unwanted polluting by-products or atom economy because of overconsumption of catalyst which is used in stoichiometric quantities in the conventional process. This route is nevertheless still widely used in the fine chemicals industry. In recent years, awareness of the impact of industrial activities on the environment has lead chemists to work on new chemical routes, less dangerous and more environmentally friendly. We considered here the acylation of a benzofurane derivative by an acid chloride, as an intermediary step for a pharmaceutical product. In this study, one of the first alternative was to replace conventional catalysts (FeCl3 or AlCl3), by reusable solid catalysts. In this work, different catalysts (zeolites, ion-exchange resins...) were first tested in "conventional" conditions, i.e., using an organic solvent (1,2-dichlorobenzene in our case), to determine the best one, in terms of reactivity, lifetime and reusability. The zeolite Y was found the most appropriate. However, the use of an organic solvent still remains questionable and the use of supercritical carbon dioxide as the solvent was also considered. Its inherent properties include non-flammability, mild critical conditions, tuneable solubility near to the critical point and very low environmental impact. The reaction was operated using a specifically designed continuous high pressure fixed bed and results concerning yield and selectivity are presented. These results demonstrate the feasibility of such an approach, which would ultimately yield to better industrial operation of Friedel-Crafts reactions.

Dans ce travail, le traitement des nutriments et plus particulièrement celui de l’azote en procédé de granulation aérobie a été étudié. L’approche expérimentale a dans un premier temps eu pour objet de comparer la stabilité des caractéristiques physiques et microbiologiques d’agrégats développés dans deux réacteurs fonctionnant en alternances de phases anaérobie / aérobie ou anoxie / aérobie. L’opération d’un procédé de granulation aérobie en alternance de phases anoxie / aérobie a favorisé la stabilisation des performances de traitement de l’azote et notamment celle de la nitrification. Le développement d’une boue hybride comprenant une fraction de flocs et de granules a été observé. Dans le but d’évaluer comment le caractère hybride de la boue obtenue en conditions anoxie/aérobie oriente les performances et vitesses de transformation de l’azote, une caractérisation ex-situ des limitations au transfert d’oxygène au sein des flocs, granules et boue hybride a été réalisée par respirométrie. En complément, la localisation des espèces nitrifiantes par la technique d’hybridation fluorescente in situ (FISH) a été réalisée. Les résultats obtenus indiquent que la présence de flocs au sein d’une boue granulaire permet d’augmenter la vitesse de la nitrification, en particulier pour de faibles concentrations en oxygène dissous. D’autre part, il est ici mis en évidence la nécessité de contrôler simultanément le ratio floc/granules et la taille des granules en vue de l’optimisation du traitement de l’azote.Enfin un outil mathématique permettant de décrire les phénomènes réactionnels ayant lieu au sein d’une biomasse hybride a été développé. Celui-ci a été employé dans le but d’optimiser le fonctionnement du procédé hybride par l’évaluation de l’effet des propriétés physiques de la biomasse, et plus particulièrement de la proportion de granules en présence, pouvant conduire à une élimination efficace de l’azote et à l’augmentation de la robustesse du procédé vis-à-vis de diminutions ponctuelles de l’oxygène dissous / In this work, the treatment of nutrients, especially that of nitrogen in aerobic granulation process was studied.The experimental approach has initially been intended to compare the stability and the physical and microbiological characteristics of aggregates developed in two reactors operating in alternating anaerobic / aerobic or anoxic / aerobic conditions. The presence of a pre-anoxic phase promoted the stabilization of nitrogen removal performances and especially those of nitrification. The development of a hybrid sludge process containing a fraction of flocs and granules was observed.In order to evaluate and quantify the influence of the simultaneous presence of flocs and granules in the nitrifying activity of the hybrid sludge developed in the alternating anoxic / aerobic conditions, the nitrification rate and oxygen limitation of flocs, granules and hybrid sludge was assessed using respirometric assays at different dissolved oxygen concentrations. The spatial distribution of nitrifying bacteria was investigated using fluorescence in situ hybridization (FISH). Results indicated that the presence of flocs with granules could increase the rate of nitrification to transitory reductions of aeration. On the other hand, the optimization of nitrogen removal requires the simultaneous control of the floc to granule ratio and granule size.Finally, a mathematical model to describe the reaction phenomena taking place in the hybrid biomass was developed. It was used in order to optimize the operation of the hybrid process through the evaluation of the effect of physical properties of biomass, specifically the ratio of granules and flocs in the reactor that can lead to efficient removal of nitrogen and increase the robustness of the process

L’hydrolyse contrôlée et progressive est une des solutions technologiques pour traiter le sodium tritié présent dans divers composants d’un Réacteur à Neutrons Rapides. Une étude expérimentale a été réalisée pour analyser et comprendre les phénomènes physico-chimiques mis en jeu lors de cette hydrolyse, fortement exothermique, et étudier l’influence des paramètres opératoires sur la répartition HT /HTO au sein de l’effluent liquide et de l’effluent gazeux générés. Les deux facteurs prédominants sont l’activité totale du sodium traité et le flux énergétique (J/s) dégagée par la réaction. Un modèle phénoménologique de l’hydrolyse de sodium tritié est proposé pour synthétiser les connaissances acquises et servir d’aide à la prédiction de la composition en tritium dans les effluents générés en vue de leur traitement. / Within the framework of the decommissioning of fast reactors, several processes are under investigation regarding sodium disposal. One of them rests on the implementation of the sodium-water reaction (SWR), in a controlled and progressive way, to remove residual sodium containing impurities such as sodium hydrides, sodium oxides and tritiated sodium hydrides. Such a hydrolysis releases some amount of energy and produces a liquid effluent, composed of a solution of soda, and a gaseous effluent, composed of hydrogen, steam and an inert gas. The tritium, originally into the sodium as a soluble (T-) or precipitate form (NaT), will be distributed between the liquid and gaseous effluent, and according to two chemical forms, the tritium hydride HT and the tritiated water HTO. HTO being 10,000 times more radiotoxic than HT, a precise knowledge of the mechanisms governing the distribution of tritium is necessary in order to estimate the exhaust gas releases and design the process needed to treat the off-gas before its release into the environment. An experimental study has been carried out in order to determine precisely the phenomena involved in the hydrolysis. The influence of the experimental conditions on the tritium distribution has been tested. The results of this study leaded to a phenomenological description of the tritiated sodium hydrolysis that will help to predict the composition of the effluents, regarding tritium.

Une étape clé du développement de nouveaux catalyseurs est l'évaluation de leurs performances. Les tests de catalyseurs sont généralement opérés dans des unités pilotes de "petite" taille dont les avantages sont une consommation moindre de réactif et un coût d'opération plus réduit. Les réacteurs d'unité pilote ont des diamètres de l'ordre de 3 à 10 fois la taille des catalyseurs qui sont généralement des sphères ou des cylindres dont la dimension typique est 2 à 3 mm. Des données expérimentales ont mis en évidence des difficultés de répétabilité des résultats sur certains réacteurs très courts. L’objectif de ce travail est de comprendre le lien entre la micro-structure de l’empilement, qui est aléatoire et localement hétérogène, l'hydrodynamique locale et la réactivité dans des réacteurs à lit fixe de petite taille, en vue de définir des critères de conception et des méthodologies de chargement permettant d'obtenir des performances chimiques répétables. La démarche retenue est purement numérique basée sur deux codes développés à IFPEN : Grains3D pour générer numériquement l'empilement et PeliGRIFF pour simuler l'écoulement réactif dans le lit fixe. Une analyse de l'état de l'art sur le sujet donne des informations abondantes sur les lits de particules sphériques, et très peu sur les cylindres, en particulier sur les couplages écoulements et transfert/réaction. En effet, ces travaux ne permettent pas de lier les performances réactives à la structure locale hétérogène de ces empilements. Dans ce travail, la caractérisation globale et locale d'empilements de sphères et de cylindres a permis de confirmer et compléter la littérature sur certains points : porosité au centre décrite de façon approximative par les corrélations, porosité axiale, orientations des cylindres... Des variations sont présentes à l’intérieur des lits de petite taille, variations qui ne s’atténuent pas avec l’augmentation du volume d’étude et qui sont équivalentes d’un chargement à l’autre. L'étude de l'hydrodynamique dans des lits de sphères et de cylindres mono- et polydisperses a également permis de quantifier l'effet de la répétition du chargement sur la perte de pression et les champs de vitesse. Les premiers résultats d'écoulement réactif ont montré que, qualitativement, le champ de concentration dans la particule réactive est sensible à l’écoulement en présence d'une limitation interne au transfert de matière. Ces résultats préliminaires ont permis de définir une méthodologie de travail qui pourra servir pour continuer l'étude. / The evaluation of catalyst performances is needed for their development. Catalytic tests are generally operated in pilot units of "small" size. Their advantages are : the reduction of reactant consumption and the reduction of operating costs. The pilot plant reactors have diameters of about 3 to 10 times the size of the catalyst (mainly spheres and cylinders) and the results obtained should be representative of the same performance of the catalysts in industrial units whose characteristic scale is around 5 meters. Experimental data have shown unacceptable repeatability in some small size reactors. The objective of this work is to understand the link between the local micro-structure of the packed bed, which is random and locally heterogeneous, local hydrodynamics and chemical responses in fixed bed reactors of small size. This study aims to define design criteria, and packing methodologies in order to obtain repeatable results. The approach adopted for this work is essentially based on numerical simulations. Two IFPEN codes are used for this study: Grains3D which is used to generate numerically the packed bed, and PeliGRIFF to simulate the reactive flow within the reactor. Previous works give information on packing, hydrodynamics and reactive flow characterization, mostly on spheres, much less is available on cylinders. However, they do not link local structure to reactive performance of the bed. In our work, geometrical characterization of the randomly packed beds of spheres and cylinders confirm and complete literature on several points: porosity at the centre of the reactor for which the correlations are inaccurate, the effect of bed height on the axial bed porosity, cylinder orientations... Some variations are present within small size beds, variations that are not dampened with an increase of averaging volume, and are similar from one packing to another. Hydrodynamics study carried out in packed beds of spheres and cylinders of different sizes allowed to link the packing local structure to pressure drop and velocity field. Only preliminary simulations have been performed on reactive flow. First qualitative results show an evolution of the concentration field inside pellets with flow in case of internal mass transfer limitations. Continuing these preliminary results will yield to the definition of a methodology that can be used to link local structure to reactive performance in randomly fixed packed bed reactors of small size.

Le tritium est un radioélément produit par fission ternaire ou activation neutronique au sein des réacteurs de fission et utilisé comme combustible dans les machines de fusion (comme, en autres, le JET en Angleterre ou le futur ITER à Cadarache). Des études sont actuellement en cours sur la gestion de cette ressource que ce soit en vue de son utilisation ou de son élimination d’effluents gazeux, liquides ou de déchets. Cette thèse se propose d’étudier la revalorisation du tritium en tant que combustible pour les machines de fusion par le biais d’un Réacteur Catalytique à Membrane (RCM). Celui-ci associe les phénomènes de conversion catalytique de l’eau tritiée, par échange isotopique avec le diprotium selon la réaction générique Q_2 O+H_2⇌H_2 O+Q_2 (Q=H,D ou T), et de perméation sélective, d’une membrane à base de palladium. Ce matériau présente une perméabilité exclusive aux isotopes de l’hydrogène H, D et T par formation respective d’hydrures, deutérures ou tritiures de palladium. Au sein du RCM, ces flux transmembranaires permettent, par retrait des produits de réactions, d’atteindre des taux de conversion plus élevés que dans un réacteur à lit fixe à parois imperméables (loi de Le Chatelier). Au CEA, un banc d’essais utilisant le deutérium comme simulant du tritium a été construit dans l’objectif d’étudier de manière séparée, à l’échelle du laboratoire, ces propriétés de conversion et de perméation ainsi que leur couplage. Grâce au développement d’une méthode permettant l’analyse simultanée des isotopologues de l’eau et du dihydrogène par spectrométrie de masse, il a été montré, d’une part, que le catalyseur à base de nickel utilisé présente une activité suffisante pour que l’état d’équilibre thermodynamique des réactions d’échange isotopique soit atteint très rapidement et d’autre part, que le flux de perméation des isotopologues du dihydrogène suit une loi de Richardson. Des analyses de sensibilités sur les paramètres opératoires montrent que les performances globales du RCM (i.e. facteur de dédeutération) croissent avec la température, la différence de pression transmembranaire, le débit de balayage et le temps de séjour dans le tube, mais passent par un maximum avec la variation de la teneur en vapeur d’eau lourde dans le gaz à traiter. Sur la base de ces observations, un modèle phénoménologique quantifiant les transferts de quantités de mouvement et de matière a été développé. Il rend compte du comportement global observé expérimentalement même si un effort reste à fournir sur la modélisation de la perméation des espèces hétéronucléaires. Grâce aux principes physiques sur lesquels il est basé et aux règles de similitudes existant entre les propriétés physico-chimiques des différents isotopologues (loi de Graham), ce modèle est aisément extrapolable au traitement d’espèces tritiées. / Tritium is produced in light and heavy water reactor fuel by ternary fission or neutron activation. This by-product is used as fuel in fusion fuel reactors such as JET in Culham or ITER in Cadarache (France). The growing interest of this research area will make the tritium fluxes increase; it is then worth addressing the question of its future whether it will be used or flushed out from liquid and gaseous effluents or waste. This thesis studies the recovery of tritium as fuel for fusion machines by means of packed bed membrane reactor (PBMR). Such a reactor combines catalytic conversion of tritiated water thanks to isotope exchange with hydrogen according to the reversible reaction Q_2 O+H_2⇌H_2 O+Q_2 (Q=H,D or T) and selective permeation of Q2 through Pd-based membrane. In fact, palladium has the ability to bond with hydrogen isotopes, creating a selective permeation barrier. In the PBMR, thanks to the reaction products withdrawal, these permeation fluxes drive the heavy water conversion rate, to higher values than those reached in conventional fixed bed reactors (Le Chatelier’s law). In order to study PBMRs, the CEA has built a test bench, using deuterium instead of tritium, allowing the analysis of their conversion and separation performances at the laboratory scale. An in-house method has been developed to determine simultaneously hydrogen and water isotopologues content by mass spectrometer analysis. It was experimentally shown that the activity of Ni-based catalyst used in this study was sufficient to allow the isotope exchange reactions to reach their thermodynamic equilibrium in a very short time. In addition, hydrogen permeation flux was shown to follow a Richardson’s law. Sensitivity studies performed on the PBMR’s main operating parameters revealed that its global performance (i.e. dedeuteration factor) increases with the temperature, the transmembrane pressure difference, the sweep gas flow rate and the residence time in the catalyst particle bed but reaches a maximum with the variation of heavy water content in the feed stream. According to these observations, a phenomenological 2D model, describing momentum and mass transfers, was developed. Simulations results are in good agreement with the general behavior observed experimentally. Results show that modeling of the permeation of heteronuclear species should account for crossed-interactions of the hydrogen isotopologues on the mass transfer of one specie. Nevertheless, thanks to the modeling approach used and the similitude rules existing between isotopologues’ physical and chemical properties (Graham’s law), this model can be easily extrapolated to the processing of tritium containing mixtures

Les travaux réalisés pendant cette thèse portent sur l’étude de la sûreté du Molten Salt Fast Reactor (MSFR) et incluent à la fois des méthodes d’analyse de risques et des calculs déterministes de sûreté et de design. Ce travail s’inscrit dans le cadre du projet européen SAMOFAR.Le MSFR est un réacteur régénérateur à spectre neutronique rapide qui fonctionne en cycle thorium dans sa configuration de référence, établie en début du projet SAMOFAR. Il a été sélectionné par le Forum International Génération IV pour son potentiel prometteur. Comme tout réacteur nucléaire de quatrième génération, il doit répondre à différentes contraintes dont une sûreté optimale. Celle-ci doit être étudiée dès le stade de conception afin d’être intégrée au design lors de sa définition plutôt qu’ajoutée a posteriori. En raison de ses spécificités, en particulier l’état liquide du combustible, et du stade préliminaire de son design, l’analyse de sûreté du MSFR nécessite l’utilisation de méthodologies d’analyse de sûreté adaptées et technologiquement neutres. Dans cette thèse, une telle méthodologie a été développée et une première application au MSFR réalisée. Elle a notamment permis d’identifier les évènements initiateurs d’accident de ce réacteur et d’élaborer une liste resserrée d’évènements à traiter dans la suite de l’analyse de sûreté.D’autre part, un nouveau code système a été développé pour les études de sûreté. Il est basé sur la diffusion neutronique, prend en compte le transport des précurseurs de neutrons retardés et la puissance résiduelle du combustible. Il a été utilisé pour simuler les transitoires associés à certains des évènements initiateurs et évaluer leurs conséquences pour définir, par la suite, des systèmes de protection adaptés. Ce travail a confirmé l’importance d’un dispositif spécifique au MSFR, le système de vidange d’urgence, permettant de vidanger le combustible en cas d’accident en cœur. Des études paramétriques ont été menées afin de dimensionner ce système avec pour objectif d'assurer l’évacuation de la chaleur résiduelle du combustible et sa sous-criticité en toutes circonstances.Enfin, une première ébauche de l’architecture de sûreté du réacteur a été proposée incluant l’identification des systèmes de protection et la définition des barrières de confinement. Les études de sûreté ont permis de faire des retours sur le design initialement défini. Ils incluent l’ajout de composants, des propositions de design alternatifs, et soulignent les manques de connaissances sur certains phénomènes ou procédures. L’analyse de sûreté réalisée remplit ainsi son objectif principal : guider le design du réacteur dès sa conception afin d’en améliorer la sûreté. / This PhD thesis focuses on the study of the Molten Salt Fast Reactor (MSFR) safety. It includes risk analysis methods and deterministic computations for the safety and the design of the reactor. This work was performed in the frame of the SAMOFAR European project.The MSFR is an is-breeder reactor with a fast neutron spectrum. In its reference configuration, defined at the beginning of the SAMOFAR project, it works with the thorium fuel cycle. The MSFR was selected by the Generation IV international forum for its promising features. As any fourth-generation reactor, it must fulfill several objectives including an improved safety. Thus, safety studies should be performed from the early design phases to achieve a safety that is built-in the design rather than added-on. Because of the unique characteristics of the MSFR, including a liquid circulating fuel, and its preliminary design phase, the safety assessment of the reactor should rely on adapted and technological neutral methodologies. In this PhD, such a methodology was developed and a first application to the MSFR was carried on. It allowed to identify the initiating events of the reactor and to elaborate a restricted list of events to be studied in the next steps of the safety analysis.Furthermore, a new code system was developed for the safety studies. It is based on neutronic diffusion and takes into account the movement of the delayed neutrons precursors and the production of the residual heat in the fuel. It was used to simulate the transients associated to some of the identified initiating events with the objective to evaluate their consequences and the need for adequate protection systems. This work confirmed the importance of a device that is specific to the MSFR: the emergency draining system (EDS). It allows to drain the fuel in case of accident in the core. Parametric studies were then carried on for the sizing of the EDS with the objective to ensure the evacuation of the residual heat and the sub-criticality of the system under any circumstances.Finally, a first version of the safety architecture was proposed with the identification of the protection systems and the definition of the confinement barriers. Thanks to the safety studies, feedbacks on the initial design were made to enhance the safety the reactor. They include the addition of new components, the modification of some systems and they highlight the lack of knowledge on some phenomena or procedure. In that respect, the safety analysis fulfil its main objective: to influence the design of the reactor since its conception in order to improve its safety.

L'hydrodynamique et les transferts thermiques dans des réacteurs types lits fixes font l'objet d'études depuis une soixantaine d'années. Les informations fournies par ces travaux sont importantes pour le dimensionnement des réacteurs industriels. En effet, une étroite relation entre les propriétés de transports et le design du procédé (réacteur et support catalytique) est mise en avant dans l'état de l'art. Mais force est de constater que la complexité des phénomènes entraine des divergences entre les observations et les différentes conclusions faites par les auteurs. Deux pilotes à échelle laboratoire ont été conçus et mis en place au cours de cette thèse. L'un est dédié à l'étude hydrodynamique et l'autre à l'étude thermique. La caractérisation hydro-thermique des réacteurs passe également par une étape de développement de modèles mathématiques associés aux pilotes. Ils représentent les transferts opérant au sein d'une colonne garnie. Ils permettent également d'estimer les paramètres effectifs du milieu poreux. Les quatre grandeurs caractéristiques étudiées dans cette thèse sont les pertes de charges, la dispersion axiale, la conductivité effective globale et le coefficient d'échange thermique à la paroi. Les résultats obtenus à partir des modèles sont comparés aux travaux de la littérature. Ceci permet de valider les méthodes d'estimation développées dans cette thèse. Il est remarqué que les corrélations prédictives de la conductivité effective sont peu adaptées aux morphologies de supports les plus complexes. Nous proposons donc aussi de nouvelles corrélations basées sur nos mesures / Hydrodynamics and heat transfers in packed bed reactors have been studied for about sixty years. The information supplied by this work is important for the design of industrial reactors. Indeed, there is a close relationship between the heat and mass transfers and the design of the process (reactor and catalytic support); this is highlighted in the state of the art. It is clear that the complexity of the phenomena is the cause of divergences between the observations and the conclusions made by the authors. Two laboratory-scale pilots were designed and set up during this PhD thesis. One is dedicated to the hydrodynamic studies and the other to the thermal studies. The hydro-thermal characterization of the reactors includes a step of development of mathematical models associated with the pilots. They represent transfers occurring within the bed of particles. Coupling experimental data with the models allows estimating the effective parameters of the porous medium. The four characteristic quantities studied in this PhD thesis are the pressure drop, the axial dispersion, the overall effective conductivity and the heat transfer coefficient at the wall. The results are compared with the data provided by the open literature. This validates the estimation methods developed during this PhD thesis. It is noticed that the predictive correlations of the effective thermal conductivity are not adapted to the morphologies of the most complex supports. Based on our measurements, new correlations were developed

Ce travail s'inscrit dans le cadre Power-to-Gas, dont l'objectif est de stocker les surplus d'énergie électrique issus de sources renouvelables sous forme d'énergie chimique, en l'occurrence le méthane. L'intermittence de la production électrique requiert une certaine flexibilité du système de méthanation par rapport aux variations temporelles de conditions opératoires. Dans ce contexte, les travaux effectués au cours de cette thèse sont dédiés à l'étude du comportement dynamique d'un réacteur-échangeur de méthanation à lit fixe catalytique. Une maquette de réacteur finement instrumentée en thermocouples est conçue et permet l'étude expérimentale des performances du réacteur et de son comportement thermique en régime dynamique. En particulier, des phénomènes de fronts d'onde thermique, de dépassements et de réponses inverses sont retrouvés. Les paramètres hydrodynamiques et thermiques du lit ont été caractérisés expérimentalement. Une modélisation de la maquette de réacteur-échangeur est également établie et permet de simuler son fonctionnement. Les résultats expérimentaux sont comparés aux résultats de simulation, permettant l'analyse précise des comportements observés dans le réacteur / This work is within the Power-to-Gas framework, which aims to store the electrical energy surpluses from renewable energy in chemicals, here the methane. The intermittency of the electrical production requires the methanation system to have a certain level of flexibility with respect to temporal changes of operational conditions. In this context, the work carried out during this thesis is dedicated to the study of the dynamic behavior of a catalytic fixed-bed heat-exchanger methanation reactor. A reactor-exchanger highly equipped with thermocouples is designed and is used for the experimental study of the performances and the dynamics behavior of such a reactor. In particular, phenomena of thermal wave fronts, overshoot and inverse responses are found. The hydrodynamic and thermal parameters of the bed have been experimentally characterized. Modeling of the reactor-exchanger is also established and simulations of the reactor behavior are done. The experimental results are compared with the simulation results, allowing the precise analysis of the behaviors observed in the reactor

Cette thèse a pour objectif d'apporter une meilleure compréhension des mécanismes qui gouvernent le bon fonctionnement et les performances des procédés de dépollution à biomasse fixée et d'en développer leur modélisation. Ces procédés pourraient voir leur efficacité intensifiée si les couplages entre les divers mécanismes locaux qui les gouvernent étaient mieux compris. L'interaction forte écoulement / biofilm dans ces procédés rend très difficile leur modélisation sans des progrès drastiques dans la compréhension de phénomènes intervenant à diverses échelles (biofilm, pore, bioréacteur). En conséquence, un des premiers verrous à lever est d'apporter une meilleure compréhension des mécanismes locaux responsables de l'adhésion, du détachement et de la croissance de micro-organismes sous écoulement. Dans ce but une chambre d'écoulement a été mise au point pour permettre l'observation microscopique et la caractérisation in-situ de ces phénomènes sous conditions hydrodynamiques contrôlées. Le système étudié est une bactérie de Pseudomonas putida et le polluant modèle est du phénol. En conditions non limitantes, nous montrons que les paramètres de la loi de Monod, pour les instants initiaux de croissance du biofilm et les conditions hydrodynamiques en régime très diffusif, sont dépendants du cisaillement imposé, ce qui n'est pas pris en compte dans la plupart des modèles. Des expériences mettant en œuvre l'observation de la croissance du biofilm sous écoulement (à bas Reynolds) ont ensuite permis de montrer la nature hétérogène de la structure du biofilm (structures filamenteuses, distribution de protubérances sur le support solide). Ces structures pourraient entre autre expliquer comment la croissance du biofilm influence le frottement. Pour étudier l'influence de la microstructure sur cette quantité, une technique de reconstruction 3D du biofilm a été développée et mise en œuvre en complément de la microscopie optique directe. La simulation de l'écoulement dans la microstructure ainsi reconstituée et l'ordre de grandeur des perméabilités calculées montrent bien l'importance de la distribution locale de la biomasse sur ce paramètre. / The biofilms, mainly composed of micro-organisms and exopolymers, develop themself on nonsterile wet surfaces. They are of considerable importance in many industrial and environmental applications, among which biofilters used in water treatment. The strong interaction between the flow and the biofilm development in this type of processes returns very difficult their modelling without drastic progress in the comprehension of phenomena appearing on various scales (biofilm, pore, biofilter). This thesis aims to bring a better comprehension of the mechanisms which control the biofilm growth on a local scale. A flow chamber characterized by a laminar flow profile was developed to allow the in-situ observation and the analysis of cell adhesion, detachment and the growth of P. putida bacteria under sheared flow. The results also showed that the growth kinetics measured in batch was not applied, for low Reynolds number in the case of a biomass fixed to solid support and subjected to a shear stress. The study revealed also, as already shown before in certain research tasks, the biofilms organization in response to the sheared flow. The technique of 3d-reconstruction developed and implemented in complement to the direct optical microscopy allowed a better interpretation of global biofilm architecture and have explained how the microstructure can influence the biofilm friction toward fluid flow. We have simulated the distribution of the local velocity profiles in biofilm microstructure and our estimation of permeability has highlighed the importance of local distribution of biomass in this parameter.

La gazéification de la biomasse permet d’obtenir un gaz de synthèse riche en CO et H2 utilisable pour la production d’électricité, de biocarburants ou de composés chimiques. Ce procédé permet de palier à l’épuisement des ressources fossiles. L’utilisation de boues d’épuration comme ressources de biomasse assurerait à ce type de déchets organiques une valorisation énergétique. Cependant, les boues contiennent une forte charge minérale (entre 30 et 50% massique). Cette fraction est composée d’une vingtaine d’oxyde notamment la silice, la chaux et l’oxyde de phosphore, P2O5 (plus de 15%).Les boues sont des systèmes complexes très peu étudiés jusqu'à présent. Il est donc nécessaire de connaitre le comportement en température des inorganiques afin de mesurer leur impact lors du processus de gazéification et de se prémunir contre les risques de corrosion et de pollution du gaz liés à leur présence. - Dans un premier temps, les températures de liquidus de deux fractions minérales de boues ont été déterminées. Il s’avère que celles-ci, comprises entre 1257°C et 1358°C, sont dans la plage opératoire d’un gazéifieur à lit entrainé. De plus, une étude menée sur le binaire SiO2-P2O5 a permis d’améliorer les bases de données thermodynamiques. - Dans un second temps, les études thermodynamiques et cinétiques de volatilisation du phosphore ont mis en évidence le faible relâchement en température du phosphore grâce à la formation de phases réfractaires associant l’oxyde de phosphore et la chaux tel que Ca3(PO4)2 et Ca9Fe(PO4)7. La volatilité des inorganiques des boues est inférieure à 0.5% massique. - Enfin, l’interaction entre les inorganiques liquides et plusieurs céramiques réfractaires a été étudiée, par des essais de corrosion statique et dynamique. Un matériau, constitué d’alumine et d’oxyde de chrome, s’est révélé être un excellent candidat pour le garnissage du réacteur de gazéification. / Synthesis gas can be obtained by biomass gasification. It is composed of CO and H2 and can be used for the production of electricity, organic coumpounds and biofuels. The use of sewage sludges allows exploiting this kind of waste as biomass resources. However, sewage sludges contain a large percentage of minerals (30 to 50 % wt) composed of at least 20 different oxides including silica, lime and phosphorous oxide, P2O5 (15 % wt of the minerals). Mineral matters of sludges are complex and not well known. So, it is necessary to study their behaviour in function of temperature to understand their impact during gasification process and avoid gas pollution and corrosion of the ceramic refractories. Firstly, liquidus temperatures of two different mineral matters were determined. The result shows that these temperatures, between 1257 and 1358°C, are in the operating range of the gasifier. Thus, a study of the binary system SiO2-P2O5 had enabled to enhance thermodynamic databases. Secondly, thermodynamic and kinetic studies, confirmed the low release of P2O5 in function of temperature due to the formation of refractory compounds like Ca3(PO4)2 and Ca9Fe(PO4)7. Release of inorganics from the sludge is less than 0.5 % wt. Finally, interaction between slag and different ceramic refractories was studied. Static and dynamic trials were performed to choose the most resistant ceramic refractory. One of them composed of alumina and chrome oxide proved to be a good choice to build the gasifier wall.