Proposition de sujet de thèse 2021

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Proposition de sujet de thèse 2021

Sujet de doctorat proposé :Optimisation énergétique et environnementale des réacteurs chimiques

Encadrants

:

Ferrasse Jean-Henry (jean-henry.ferrasse@univ-amu.fr);

Boutin Olivier (olivier.boutin@univ-amu.fr) Laboratoire : M2P2, UMR 7340

Tableau récapitulatif du sujet Candidat(e)(1)

Nom - Prénom : Date de naissance :

Licence (origine, années, mention) : Mention et classement au Master 1 année Mention et classement au S3 du Master 2 Mention et classement au S4 du Master 2 Mention et classement au M2

MASTER (nom, université)

Sujet de doctorat proposé* Optimisation énergétique et environnementale des réacteurs chimiques

Encadrants (2 max, indiquer si HDR ou pas)* JH Ferrasse (HDR), O. Boutin (HDR)

Laboratoire* M2P2 UMR 7340

Programme finançant la recherche (indiqué si obtenu ou envisagé) (1)

Sujet de doctorat proposé

Intitulé : Optimisation énergétique et environnementale des réacteurs chimiques Descriptif de la thèse

Contexte

L’augmentation de l’efficacité énergétique apparaît comme un levier commun à l’ensemble des scénarios pour limiter le réchauffement climatique. La limitation à l’efficacité dans les systèmes de conversion est essentiellement liée à une problématique de conception et d’utilisation qui entraîne une surutilisation des ressources par rapport aux usages. Cette inadéquation se traduit par la création d’entropie systémique, aussi appelée irréversibilités. La mesure des irréversibilités est traditionnelle en énergétique. Elle l’est moins lorsqu’il s’agit de la traduire en éco-indicateurs qui prendraient en compte les impacts des choix opératoires sur la matière mobilisée, comme par exemple les catalyseurs. Elles constitueraient pourtant une mesure thermodynamique absolue.

Objectifs

La minimisation des irréversibilités est devenue un des enjeux majeurs pour la transition écologique et nécessite la mise en œuvre d’une approche globale afin de diminuer la consommation en énergie primaire et en ressources matière des systèmes. Le réacteur de conversion est le

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procédé clé à optimiser car il va en particulier accompagner la transition des énergies renouvelables (biocarburants, hydrogène…). Les gains attendus sont importants[1]. Les indicateurs environnementaux doivent aussi être pris en compte, comme l’émission de gaz à effet de serre ou la mobilisation de ressources rares. L’objectif est de développer une méthodologie pour l’optimisation des réacteurs chimiques en utilisant un paramètre unique et peu discutable : l’entropie. Le but est d’améliorer l’adéquation sources-usages en proposant une méthode de conception et d’intégration des convertisseurs réactifs basée sur la minimisation entropique.

Plus exactement il s’agit de diminuer les irréversibilités (ie la création d’entropie) par une écriture objective des termes sources et d’assurer l’équipartition de ces termes le long du convertisseur. Pour cela, les gains potentiels de la diminution entropique sont basés sur l’étude de la modification locale des dimensions géométriques des réacteurs et des échangeurs associés. Ces modifications visent une quadruple réduction : celle des moyens de chauffage, des moyens de pompage, des réactifs utilisés et des matériaux mobilisés.

Etat de l’art

Si la création d’irréversibilité dans les réacteurs chimiques a été longtemps considérée comme inévitable et donc non optimisable c’est parce que la conversion du réactif vers le produit était considérée comme l’opération clef au cœur du procédé. Le couplage avec les autres sources d’irréversibilités (transfert de chaleur et quantité de mouvement) n’était pas fait, ni dans le réacteur ni avec les utilités [2].

Pourtant ces deux dernières étant évitables pour partie, la minimisation entropique globale donne lieu dans le domaine des échangeurs de chaleur à de nombreux travaux montrant l’intérêt de cette approche [3]. La compétition entre les deux phénomènes de transfert qui concourent à l’échange sont sources de dissipations contraires (une surface croissante entraîne une amélioration du transfert de chaleur mais aussi une augmentation des pertes de charge). La création d’entropie est alors calculée par l’utilisation de la thermodynamique en temps fini qui permet d’introduire des coefficients d’échanges réels couplée à l’application stricte du second principe. Béjan [4] a été parmi les premiers à illustrer clairement la façon dont il fallait mener l’optimisation. En définissant une métrique conjointe de l’entropie, ce dernier a montré qu’il existe une dimension géométrique optimale de l’échangeur qui minimise la création d’entropie. Les approches constructales qui en découlent ont montré comment il était possible d’obtenir des motifs géométriques variables [5] qui respectaient la minimisation entropique, sans pour autant faire le lien avec l’équipartition. Les travaux de l’équipe de Kjelstrup [6] ont ensuite utilisés les éléments de thermodynamique en temps fini appliqués à la modélisation puis à l’optimisation des réacteurs chimiques.

Les résultats obtenus sur plusieurs réactions (synthèse de NH3, reformage du méthane…) montrent qu’il est possible de diminuer les irréversibilités jusqu’à 66% [7]. L’intérêt du critère unique entropique est d’agréger en un seul critère l’efficacité globale du système. En l’absence d’un critère unique, l’optimisation multicritère (le travail chimique, la quantité de chaleur et le travail mécanique…) basée sur des effets contraires est difficile à interpréter et à agréger. La résolution de la formulation proposée par [6] et du modèle de réacteur présenté constitue l’unique approche utilisée. Cependant, elle repose encore sur de nombreuses hypothèses simplificatrices :

1- Le profil de température du fluide des utilités pour l’échange de chaleur est soit arbitrairement imposé, soit le résultat de la minimisation sans représenter de réalité physique d’un écoulement rendant toute validation expérimentale impossible. Ainsi lors de l’optimisation, toute comparaison de création d’entropie se fait soit par rapport à un profil externe commun non affecté par les échanges de chaleur, ce qui est peu crédible. Or le profil externe, qui correspond au profil du fluide des utilités, comporte des termes de création d’entropie d’ordres de grandeur identiques aux fluides réactifs : sa prise en compte est donc indispensable.

2- Les coefficients d’échange de chaleur sont constants. Les propriétés thermo-physiques du fluide étant fonction des conditions opératoires, elles entrainent des variations locales des coefficients de transferts importantes.

3- L’optimisation est réalisée globalement (entrée/sortie) et non par équipartition locale. C’est ce dernier point qui est le plus crucial.

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Les premiers travaux menés dans l’équipe Traitement des Eaux et Déchets du laboratoire M2P2 se sont attachés à lever ces deux hypothèses et à formuler l’idée d’une dimension optimale variable le long du réacteur qui permettrait d’optimiser localement. Les premiers résultats montrent qu’en réalisant une équipartition manuelle (mais non optimisée) les gains sur l’efficacité de la conversion sont spectaculaires. Dans le cas de la conversion du bio-méthane en hydrogène (réaction modèle) nous comparons la conversion d’une mole de méthane jusqu’à un taux de conversion identique dans deux réacteurs pistons (Erreur ! Source du renvoi introuvable.a). Un réacteur optimisé en mode co- courant (mode de fonctionnement usuel des réformeurs de méthane) est comparé à un réacteur dont nous avons réparti l’apport du fluide caloporteur sur des tronçons de longueur fixe de 1 mètre. Cette répartition est calculée de façon à équipartir les irréversibilités sur chaque tronçon (Figure 1b).

La somme des contributions vaut 84,3 J K^-1 s^-1 (Figure 1a contre 41,87 (Figure 1b). Cette baisse des irréversibilités (50%) s’accompagne d’une baisse significative de méthane (47%) pour faire l’appoint calorifique. On peut constater que le profil de température du réactif reste dans une plage plus stable que lorsque l’ensemble du fluide caloporteur accompagne les réactifs à co-courant (Erreur ! Source du renvoi introuvable.b).

Figure 1 : Profil des contributions des trois sources d’irreversibilités (a) réacteur optimisé sur la base entrée/sortie (b) réacteur optimisé par équipartition

Pour atteindre la même conversion le réacteur équiparti est plus long mais les diamètres locaux sont plus petits que le diamètre initial. Ces résultats très positifs demandent une amélioration significative de la méthodologie et de la modélisation du réacteur pour aboutir à une équipartition optimale. Les principales voies qui seront étudiées sont les suivantes :

- Le modèle utilisé par les différents auteurs est un modèle 1D, sans aucune prise en compte d’effets axiaux ou dispersifs. Ce point interroge directement les grandeurs caractéristiques géométriques qui pourront être ajustées, et donc un modèle 2D sera développée.

- L’écriture des irréversibilités chimiques ne tient pas compte du terme évitable dû à l’utilisation de réactifs en excès. Ainsi les résultats d’optimisation ont pour conséquence une recirculation massive du produit pour ralentir les vitesses chimiques. Cette mauvaise interprétation des irréversibilités chimiques aboutit à des taux de conversion faibles mais optimaux [7]. Cet élément sera rajouté dans ce travail.

- Aucun terme source n’est associé aux matériaux mobilisés et il n’existe pas de critères comparatifs. Ces points seront également ajoutés dans ce travail.

- Le minimum des irréversibilités n’est pas connu à priori. L’optimisation par équipartition ne pourra se faire que par l’écriture stricte du minimum théorique qu’il est possible d’atteindre dans le domaine défini par l’ensemble des conditions opératoires. C’est ce dernier point qui est le plus crucial car le théorème d’équipartition n’a pas été démontré dans le cas des réacteurs chimiques.

Cette approche demande une connaissance fine des conditions locales de température, concentration et de pression qui permettent l’estimation de l’équipartition (c’est-à-dire une répartition homogène dans l’espace) qui conduit au minimum de création d’irréversibilités [8].

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

position dans le réacteur / [m]

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

irr [J/K.s]

Mecanique (.ref) Chimique (.ref) Thermique (.ref)

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

position dans le réacteur / [m]

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

irr [J/K.s]

Mecanique Chimique Thermique

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4 Méthodologie

Afin d’écrire finement le modèle de description du réacteur, il faut une connaissance des coefficients d’échanges et du facteur de friction en fonction des propriétés du fluide et des dimensions géométriques caractéristiques. Ces coefficients seront obtenus par simulation numérique (ce travail se limitera à des écoulements laminaires). Une difficulté sera la gestion des discontinuités dues aux variations géométriques locales et le calcul des longueurs d’établissement.

Des corrélations seront donc ajoutées dans la modélisation. Le modèle décrira les profils de température de pression et de concentration dans le réacteur et le fluide d’échange en 2D [9]. Il permettra également le calcul des irréversibilités en chaque point du réacteur en tenant compte des corrections sur l’écriture des termes de création entropique évitable [10]. Différents modes opératoires seront programmés (co- et contrecourant, injection/reprise partielle). Dans un premier temps un motif géométrique simple pour le réacteur et son enveloppe, le cylindre, sera étudié, pour lequel nous ferons varier la longueur et le diamètre (2).

Figure 2 : schéma de réacteur de type piston et de forme cylindrique concentrique (a) design classique (b) configuration et design étudié dans ce projet (en bleu les réactifs, en rouge les fluides d’échanges, en pointillé échanges de chaleur).

Détail du Programme finançant la recherche :

Ce projet de recherche sera financé sur ressources propres de l’équipe TED du M2P2. Il nécessite principalement l’achat de moyens de calculs pour les modèles numériques. Les déplacements et missions seront pris en charge sur ces mêmes ressources.

Bibliographie

[1] J. Goffé and J.-H. Ferrasse, “Stoichiometry impact on the optimum efficiency of biomass conversion to biofuels,” Energy, vol. 170, pp. 438–458, Mar. 2019, doi: 10.1016/j.energy.2018.12.137.

[2] J.-C. de Hemptinne et al., “Energy efficiency as an example of cross-discipline collaboration in chemical engineering,” Chem. Eng. Res. Des., vol. 119, pp. 183–187, Mar. 2017, doi:

10.1016/j.cherd.2017.01.020.

[3] B. Austbo and T. Gundersen, “Optimal distribution of temperature driving forces in low-temperature heat transfer,” Aiche J., vol. 61, no. 8, pp. 2447–2455, Aug. 2015, doi: 10.1002/aic.14832.

[4] A. Bejan, “Entropy generation minimization: The new thermodynamics of finite-size devices and finite- time processes,” J. Appl. Phys., vol. 79, no. 3, pp. 1191–1218, Feb. 1996, doi: 10.1063/1.362674.

[5] L. Luo, Ed., Heat and Mass Transfer Intensification and Shape Optimization: A Multi-scale Approach.

London: Springer-Verlag, 2013.

[6] E. Sauar, S. Kjelstrup, and K. M. Lien, “Equipartition of forces - Extension to chemical reactors,”

Comput. Chem. Eng., vol. 21, pp. S29–S34, 1997, doi: 10.1016/S0098-1354(97)00021-5.

[7] L. Nummedal, A. Røsjorde, E. Johannessen, and S. Kjelstrup, “Second law optimization of a tubular steam reformer,” Chem. Eng. Process. Process Intensif., vol. 44, no. 4, pp. 429–440, Apr. 2005, doi:

10.1016/j.cep.2004.06.005.

[8] D. Tondeur and E. Kvaalen, “Equipartition of entropy production. An optimality criterion for transfer and separation processes,” doi: 10.1021/ie00061a010.

[9] J. F. Portha et al., “Simulation and kinetic study of transesterification of triolein to biodiesel using modular reactors,” Chem. Eng. J., vol. 207, pp. 285–298, Oct. 2012, doi: 10.1016/j.cej.2012.06.106.

[10] S. Lefevre, J.-H. Ferrasse, R. Faucherand, A. Viand, and O. Boutin, “Energetic optimization of wet air oxidation process using experimental design coupled with process simulation,” Energy, vol. 41, no. 1, pp.

175–183, May 2012, doi: 10.1016/j.energy.2011.09.043.

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5 Directeur(s) de thèse proposé(s)

Directeur HDR proposé

Nom - Prénom : FERRASSE Jean-Henry Corps : MCF HDR

Laboratoire : M2P2 UMR 7340

Adresse mail : jean-henry.ferrasse@univ-amu.fr

Choix de cinq publications récentes (souligner éventuellement les étudiants dirigés co-signataires) : 1. H. Cervo J.-H. Ferrasse, B. Descales, G. Van Eetvelde, Blueprint: A methodology facilitating data exchanges to enhance the detection of industrial symbiosis opportunities – application to a refinery, 2020, Chemical Engineering Science, 211

2. H. Cervo, S. Ogé A. S Maqbool, F. Mendez Alva L. Lessard, A. Bredimas, J.-H. Ferrasse, G. Van Eetvelde, A Case Study of Industrial Symbiosis in the Humber Region Using the EPOS Methodology, Sustainability 2019, 11(24), 6940

3. J. Goffe And J.-H. Ferrasse, Stoichiometry impact on the optimum efficiency of biomass conversion to biofuels, 2019, Energy, 170, 438-458

4. A. Grange, A. Marrel, J.-B. Drouin, F. Bertrand, O. Boutin, J.-H. Ferrasse, Loss of off-site power transient analysis for a sodium-cooled fast reactor equipped with a gas power conversion system and preliminary optimisation of its operation, 2019, Nuclear Engineering and design, 355

5. C. Léonard, J.-H. Ferrasse, O. Boutin, S. Lefèvre, A. Viand, Gas hold up in bubble column at high pressure and high temperature, Chemical Engineering and Science, 2019, 200, 182-202

Thèses encadrées ou co-encadrées au cours des quatre dernières années

• Nom : Carolina OCHOA

Intitulé : Mécanismes d’interactions entre la matière organique et minérale lors de la valorisation par liquéfaction hydrothermale suivi de purification : application aux digestats de méthanisation

Type d’allocation : Bourse au mérite du gouvernement Colombien Date de début de l'allocation de doctorat : Avril 2021

Programme finançant la recherche : COLCIENCIA (Colombie)

Pourcentage de participation du directeur à l'encadrement en cas de co-direction : 50 %

• Nom : Monica AMADO

Intitulé : Sustainable biorefinery schemes for the production of energy, materials and nutrients from residual biomass

Type d'allocation : Bourse Universidad EAN Bogotà (Colombie) ; thèse en cotutelle Date de début de l'allocation de doctorat : Juillet 2017

Soutenance prévue juillet 2021

Programme finançant la recherche : Financement COLCIENCIA (Colombie)

Pourcentage de participation du directeur à l'encadrement en cas de co-direction : 33%

• Nom : Nandeeta NEERUNJUN,

Intitulé : Systèmes énergétiques hybrides : optimisation et intégration dans un réseau décentralisé Type d'allocation : Bourse Inter ED

Date de début de l'allocation de doctorat : Juillet 2018

• Nom : Hypolite GAUTIER,

Intitulé : Étude du potentiel énergétique d’un réseau d’adduction d’eau, Type d'allocation : Bourse CIFRE

Date de début de l'allocation de doctorat : mars 2018, Soutenance prévue juin 2021

Programme finançant la recherche : Industrie CIFRE SCP

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• Nom : Hélène CERVO

Intitulé: Development of a Methodology Enabling the Identification of Industrial Symbiosis Opportunities and Their Assessment in the Petrochemical Industry

Type d'allocation : Bourse CIFRE

Date de début de l'allocation de doctorat : Janvier 2017, Date de soutenance : 07 Mai 2020

Programme finançant la recherche : Industrie CIFRE INEOS

Situation actuelle du docteur: Embauchée chez McInley à partir du 01/09/2020

• Nom : Christ NZOGO METOULE

Intitulé : Étude d’un procédé hydrothermal dédié au traitement des déchets amiantés, Type d'allocation : Bourse CSTB

Date de début de l'allocation de doctorat : Juillet 2017 Date de soutenance : 11 juillet 2019

Programme finançant la recherche : CSTB, programme Amiante

Situation actuelle du docteur : CDI Technickrome Aéronautique Inc.c

• Nom : Avent GRANGE

Intitulé : Méthodes d’optimisation multiobjectif de la conduite d’un réacteur nucléaire : application à un RNR-Na fonctionnant avec un cycle de Brayton

Type d'allocation : Bourse CEA

Date de début de l'allocation de doctorat : septembre 2016 Date de soutenance : 11 décembre 2019

Programme finançant la recherche : CEA/Gen IV

Situation actuelle du docteur (si la thèse est soutenue) : En activité dans le domaine des chaudières à bois

Autre directeur proposé Nom - Prénom : BOUTIN Olivier Corps : Pr

Laboratoire : M2P2 UMR 7340

Adresse mail : olivier.boutin@univ-amu.fr

Choix de cinq publications récentes (souligner éventuellement les étudiants dirigés co-signataires) : 1- D. Feng, A. Soric, O. Boutin, O, Treatment technologies and degradation pathways of glyphosate: A critical review, Science of the Total Environment,742, doi10.1016/j.scitotenv.2020.140559,2020

2- K. Ohanessian, M. Monnot, P. Moulin, JH. Ferrasse, C Barca, A. Soric, O. Boutin, Dead-end and crossflow ultrafiltration process modeling: application on chemical mechanical polishing wastewaters, Chemical Engineering Research and Design, 162, 38, 2020.

3- D. Feng, L. Malleret, S. Soric, O. Boutin, Kinetic study of glyphosate degradation in wet air oxidation conditions, Chemosphere, 247, 10.1016/j.chemosphere.2020.125930, 2020.

4- M. Miniere, A. Soric O. Boutin, Combination of chemical and biological processes to enhance the treatment of hardly biodegradable matter in industrial wastewater: Selection parameters and performances, Canadian Journal of Chemical Engineering, 97, 1361-1370, 2019.

5- D. Feng, JH. Ferrasse, A. Soric, O. Boutin, Bubble characterization and gas-liquid interfacial area in two phase gas-liquid system in bubble column at low Reynolds number and high temperature and pressure, Chemical Engineering Research and Design, 144, 95-106, 2019.

Thèses encadrées ou co-encadrées au cours des quatre dernières années

• Nom : Hypolite GAUTIER,

Intitulé : Étude du potentiel énergétique d’un réseau d’adduction d’eau,

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7 Type d'allocation : Bourse CIFRE

Date de début de l'allocation de doctorat : mars 2018, Soutenance prévue juin 2021

Programme finançant la recherche : Industrie CIFRE SCP

• Nom : Kelly Ohanessian

Intitulé : Optimisation de filières de traitement des eaux par couplage de procédés physico chimiques, thermiques et biologiques

Type d'allocation : MESR

Date de début de l'allocation de doctorat : Octobre 2016 Date de soutenance : 18 Novembre 2019

Programme finançant la recherche : ressources propres

Situation actuelle du docteur : attaché temporaire d’enseignement et recherche (ATER) à l’Ecole Centrale Marseille.

• Nom : Dan Feng

Intitulé : Treatment of Complex Effluents and Emerging Contaminants by a Compact Process Coupling Wet Air Oxidation with a Biofilm Reactor

Type d'allocation : CSC China/ECM

Date de début de l'allocation de doctorat : Octobre 2016 Date de soutenance : 21 Novembre 2019

Programme finançant la recherche : ressources propres Situation actuelle du docteur : Postdoc Univeristé de Pékin.