Lors de la production du PVC en poudre, après l’étape de polymérisation en suspension, on obtient une bouillie constituée d’un mélange de grains macroporeux de taille comprise entre 100 et 200 μm et d’eau. L’étape de centrifugation permet la séparation de la phase liquide exprimable et la production d’un milieu poreux humide appelé « gâteau ». La teneur en eau du gâteau ainsi formé est de 30 % de la masse du produit anhydre. Le séchage du gâteau de filtration se fait dans un séchoir Flash (séchoir pneumatique) couplé à un séchoir à lit fluidisé. Cette opération, très gourmande en énergie et donc très impactante en termes d’émission de Gaz à Effet de Serre (GES), représente 30% du coût de fabrication et 50% des émissions de CO2. Ce travail, réalisé dans le cadre d’une collaboration avec le groupe INEOS ChlorVinyls, est consacrée à l’étude de l’étape de séchage thermique, et à la réalisation d’outils expérimentaux et théoriques permettant d’optimiser le fonctionnement et de réduire la consommation énergétique de cette étape. Dans ce but, l’étude du séchage du PVC est réalisée à l’échelle d’une particule isolée d’une part, et à l’échelle du procédé industriel d’autre part. La détermination expérimentale de la cinétique de séchage est effectuée en immergeant une quantité de produit humide (gâteau de filtration) dans un lit fluidisé de grosses particules inertes et chaudes (billes de verre), et permet d’étudier l’influence de différents paramètres sur la cinétique d’évaporation. Les résultats ont montré que cette cinétique est limitée par les processus d’évaporation à l’intérieur et à la surface des particules. Du point de vue théorique, un modèle dont le principe repose sur les bilans de matière et de chaleur à l’échelle du grain de PVC, couplés aux bilans sur le séchoir à lit fluidisé, a été élaboré. La comparaison des résultats de ce modèle avec les résultats expérimentaux a permis de vérifier la validité de la loi cinétique ainsi établie. Finalement, cette loi a été intégrée dans un modèle simulant le séchoir pneumatique industriel. Les résultats théoriques sont comparés à des mesures réalisées sur un séchoir pneumatique industriel équipé de capteurs de pression, d’humidité et de température. Les résultats de cette étude ont permis de proposer une nouvelle stratégie de régulation du séchoir pneumatique ainsi que des modifications du procédé, ne nécessitant pas d’investissement. L’ensemble de ces propositions a permis de réduire d’environ 30% la consommation énergétique pour un rendement de séchage équivalent. / In a PVC powder production line, the step of suspension polymerization produces a mixture of macroporous particles and water, called “slurry”. The mean particle size varies between 100 and 200 µm. The centrifugation step eliminates most of water content and produces a wet porous medium called “cake”. The water content of the cake is about 30% of the dry product mass. Drying operations take place in a Flash dryer (pneumatic dryer) coupled with a fluidized bed dryer. These operations, which consume a lot of energy and produce greenhouse gas, represent 30% of the production cost and 50% of the CO2 emissions. This work, realized in collaboration with INEOS ChlorVinyls group, is devoted to the study of the thermal drying step and to the realization of experimental and theoretical tools in order to optimize and reduce the energy consumption of this step. The study of the drying step is realized, on the one hand, at the particle scale and, on the other hand, at the industrial dryer scale. The particle scale drying kinetic is obtained by immersing a sample of wet product in a fluidized bed of warm inert particles (glass beads), and enables to study the influence of different parameters on the evaporation kinetic. The results have shown a limitation of this kinetic by the evaporation process both inside the particles and on their outer surface. In a theoretical way, a model based on mass and heat balances at particle scale coupled with fluidized bed balances, has been developed. The kinetic law developed is validated by the comparison between the results of this model and the experimental results. Finally, this law is integrated in a model simulating the industrial pneumatic dryer. The theoretical results are compared to the measurements realized on an industrial pneumatic dryer, equipped with several pressure, humidity and temperature sensors. The results of this study lead to the proposition of a new regulation strategy for the pneumatic dryer and some zero-investment modifications of the process. All these propositions enable an energy consumption reduction of 30%.

Ce travail concerne une étude numérique des performances thermiques d’un séchoir- serre équipé d’une unité de stockage de chaleur solaire dans des matériaux à changement de phase (MCPs). L'unité de stockage de chaleur solaire, placée sous le sol de la serre, est composée d’une couche de MCPs (paraffine) disposée entre une plaque en acier et une couche de béton. L'écoulement de l'air asséchant se déroule par convection forcée et le produit disposé sur les claies du séchoir est la banane (Bananas Musa ABB CV. Kluai "Namwa"). Les équations de transfert de chaleur dans la serre, basées sur la méthode nodale, sont déduites d'un bilan thermique établi pour les différents composants du séchoir-serre. Les transferts de chaleur dans les couches de MCPs et de béton sont décrits respectivement par le modèle enthalpique et l'équation de la conduction. Le modèle de cinétique de séchage de la banane est celui d’Oswin modifié. Les équations de transferts sont résolues par une méthode implicite aux différences finies et les algorithmes de Gauss et de Thomas. Nous analysons l'influence du débit d'air asséchant et de l’irradiation solaire sur les distributions spatio-temporelles des températures des composants de la serre et de l'unité de stockage, la durée de séchage, les efficacités thermiques du séchoir-serre et de l'unité de stockage d'énergie. Cette modélisation est complétée par des simulations du fonctionnement du séchoir serre-unité de stockage de chaleur en utilisant la notion de journée type et les données météorologiques de Nakorn Pathom (Thaïlande) et par une analyse de faisabilité technico-économique. Les résultats montrent notamment que l’unité de stockage de chaleur contribue à la réduction de la durée de séchage et augmente les performances thermiques du séchoir et l’unité de stockage. / This work is about a numerical study of the thermal behavior of a solar greenhouse dryer and a heat storage unit in phase change materials (PCMs). The heat storage unit containing of PCMs (paraffin) is disposed between a metal plate and a concrete layer and placed under the floor of the greenhouse. The air drying flows along the greenhouse by forced convection and the products placed on the dryer's rack is bananas (Bananas Musa ABB CV Kluai "Namwa"). The heat transfer equations in the greenhouse are based on the nodal method and deduced from a thermal balance on the different components of the solar greenhouse dryer. The heat transfers in the PCMs and the concrete slab are described by the enthalpy method and the conduction equation, respectively. The banana drying kinetic is described by the model modified of Oswin. Transfer equations are solved using an implicit finite difference method associated to Gauss and Thomas algorithms. We analyze the effects of the air drying volumetric flow rate and the solar irradiance on the temperature distribution of the greenhouse dryer and the heat storage unit, the drying time, the solar greenhouse dryer and heat storage unit efficiencies. This modeling is complemented by simulations of the solar greenhouse dryer with the heat storage unit using the day type and the meteorological data of Nakorn Pathom (Thailand) and by an economic analysis. The results show that the heat storage unit provides the reduction of the drying time and increases the thermal performances of the solar greenhouse dryer and the heat storage unit.