Dissertations / Theses on the topic 'Réacteurs à lit ruisselant – Dynamique des fluides'

Parmi les réacteurs triphasiques gaz-liquide-solide utilisés dans la pratique industrielle, les réacteurs catalytiques à lit fixe arrosé à cocourant de gaz et de liquide vers le bas, i.e., trickle bed reactors (TBR), sont très répandus en particulier dans divers processus de transformation à hautes température et pression. Les travaux expérimentaux se poursuivent depuis plus de quatre décennies sur la quantification des paramètres hydrodynamiques (transition des régimes d'écoulement, perte de pression biphasique, rétention liquide, efficacité de mouillage, etc.) pour cette configuration de réacteurs. Différentes approches ont été mises en œuvre par un grand nombre d’équipes de recherche pour mesurer ces paramètres hydrodynamiques dans le but de construire des outils de prédiction et de description par rapport aux conditions réelles d’opération des processus à l’échelle industrielle. La présente contribution se propose de répondre à la question suivante : Dans quelle mesure les connaissances accumulées à partir d’observations à l’échelle laboratoire dans les conditions ambiantes sont-elles fiables pour opérer un TBR à pression et température élevées? Une question sous-jacente à la précédente concerne le comportement hydrodynamique avec la température lorsque le réacteur est alimenté par un liquide non-newtonien. L'intensification des procédés est une approche en vogue et prometteuse pour continuer à apporter des perfectionnements (gains en économie et en efficacité) au réacteur TBR. Aussi, l’induction artificielle d’impulsions est-elle envisagée dans cette étude en tant que méthode d'intensification de processus pour des températures et pressions non-ambiantes. Le présent travail tentera de démontrer les avantages de plusieurs variantes de l'opération périodique sur l'hydrodynamique des TBR pour des systèmes coalescent, non-newtonien et moussant à des températures et pressions augmentées.<br>Trickle bed reactor (TBR) is one of the most widely used three-phase reactors in various processes mostly operated at high temperature and high pressure. The ongoing experimental work on the hydrodynamic parameters (flow regime transition, pressure drop, liquid holdup, wetting efficiency etc.) of this packed bed reactor configuration goes to early 1960’s. Different techniques were applied by different researchers for the measurement of these hydrodynamic parameters which let the comparison and the decision of more convenient method by means of doing investigations at conditions near to that of industrial processes. Process intensification is considered to be a leading approach for the ongoing research on the economic reduction and reactor efficiency enhancement. Artificial induction of pulses is pronounced as one of the methods for the process intensification in TBRs. As trickle bed reactor is also used in biochemical processes, and the initial liquid behaving like a Newtonian fluid could turn into a non-Newtonian fluid after various biochemical processes; it is emphatic to study TBR hydrodynamics with non-Newtonian systems. Despite large amount of work exists in the literature for steady state hydrodynamics of TBR operating at high pressure; the hydrodynamic behavior of TBR at high temperature has been left as a concealed issue. Additionally none of the experimental work performed to demonstrate the advantages of periodic operation on TBR hydrodynamics dealt with the effects of increased temperature and pressure. This study illustrates the hydrodynamics of TBR at increased temperature and pressure under constant throughput flow and cyclic operation.

Trois techniques de mesure différentes ont été utilisées pour étudier la distribution des fluides dans un lit fixe : la tomographie à fils, le collecteur de liquide et un ensemble de thermistances. La tomographie à fils, dont la première application dans le cadre des lits fixes est décrite ici, a permis, tout comme le collecteur de liquide, d’obtenir des résultats intéressants concernant l’influence de paramètres tels que la distribution initiale, le type de chargement et les débits de fluides sur la distribution du liquide. L’étude a notamment montré l’importance de bien définir la maldistribution de liquide en termes de la grandeur mesurée et a apporté un regard critique vis-à-vis des consensus généraux concernant l’effet sur la distribution de liquide de paramètres tels que le débit de gaz (dont les expériences ont montré qu’elle dépend du distributeur utilisé) et le type de chargement (l’hypothèse selon laquelle le chargement dense disperse mieux le liquide dans la direction radiale par rapport au chargement lâche n’a pas été vérifié). Une étude réalisée en régime à haute interaction a permis aussi d’observer la relation étroite qui existe entre la distribution initiale et le régime d’écoulement<br>Three different measuring techniques were used to study the fluid distribution inside a trickle-bed reactor: the wire mesh tomography, the liquid collector and a set of thermistors. The liquid collector and specially the wire mesh tomography, whose first application in trickle bed reactors is described here, yielded interesting results concerning the influence of variables such as the initial liquid distribution, the loading method and the fluid flow rates on liquid maldistribution. Among the main observations, the study illustrates the importance of well defining liquid maldistribution in terms of the measured quantity and prompts to some caution when referring to some “normally accepted facts” like the advantages in terms of liquid distribution obtained when increasing the gas flow rate (which depends, according to this study, on the quality of initial liquid distribution) or when using a dense loading of the catalyst (the hypothesis according to which, compared with a sock loading, dense loading favors radial dispersion was not verified by the study). Also, a study performed under high interaction conditions showed the intimate relationship between the inlet distribution and the flow regime observed inside the reactor

Dans ce memoire nous proposons un modele permettant d'evaluer les chutes de pression lors de l'ecoulement de fluides non newtoniens purement visqueux a travers les milieux poreux. Il est base sur une representation capillaire du milieu prenant en compte sa structure au travers de deux parametres: la tortuosite et la surface specifique dynamique. Le comportement rheologique des fluides, sur l'ensemble de l'intervalle de variation du gradient de vitesse determine a l'aide du modele, est represente par une serie de lois puissance. Ce modele est valide experimentalement pour des lits fixes de spheres et de particules non spheriques de formes diverses dans un large domaine de nombre de reynolds allant du regime de darcy au regime inertiel. Ce modele a egalement ete teste sur des milieux poreux stratifies. Des lits fixes tasses de plaquettes ont ete etudies selon deux configurations opposees particule-ecoulement. Dans les deux configurations nous avons mesure experimentalement les chutes de pression et determine les parametres structuraux du milieu, puis nous avons analyse les differences concernant leur comportement hydrodynamique. Le modele propose donne des resultats satisfaisants dans les deux configurations. Nous avons ensuite effectue une etude concernant les milieux poreux reticules de tres forte porosite et etudie sa limite de validite dans ce cas. Dans une deuxieme partie nous proposons d'etendre ce modele aux lits fluidises en prenant en compte la variation de la tortuosite en fonction de la porosite durant l'expansion pour chaque type de lit. Le modele a ete teste avec des fluides newtoniens et non newtonien purement visqueux sur des lits de spheres et de plaquettes. Il permet une bonne evaluation de la vitesse minimale de fluidisation et une bonne representation de l'expansion dans un domaine de porosite qui a ete precise dans chacun des cas

Cette recherche s'était donnée comme objectif de caractériser l'hydrodynamique, en lit fluidisé circulant (LFC), de mélanges d'espèces particulaires se différentiant par la masse volumique et/ou la taille. L'installation expérimentale utilisée, d'échelle semi-industrielle se compose d'une colonne de transport de 8 m de haut, connectée à un système de recyclage des solides comprenant une vanne non-mécanique de réinjection (jambe en L). Une telle configuration permettait de contrôler indépendamment vitesse de gaz et débit de solide dans des gammes respectives de 3,3 à 6,6 m/s et de 0 à 200 kg/m2/s. Trois solides différents ont été utilisés : un sable (198 um ; 2650 kg/m3), un minerai de fer (83 m ; 5200 kg/m3) et un support de catalyseur de craquage catalytique (70 m ; 1200 kg/m3). L'étude s'est focalisée sur la zone dite établie de la colonne pour laquelle on a pu démontrer, qu'en plus d'une concentration uniforme de la suspension, la structure d'écoulement y était axialement invariante. Cette région apparut comme fragile puisque sensible a l'introduction d'une sonde de prélèvement servant à la détermination des flux locaux de solide. La réversibilité du phénomène a néanmoins montre que la structure d'écoulement perturbée tendait à se ré-établir. L'existence systématique de trois régimes hydrodynamiques a été confirmée pour tous les solides transportés : à taux de charge croissant, le premier est le Régime des Profils semblables (RPS), auquel succède ensuite le Régime de Transition (RT) puis le Régime Dense (RD). L'analyse des comportements en mélanges a mise en évidence une ségrégation radiale partielle des phases particulaires, se manifestant de façon inégale suivant les différences de masse volumique ou de taille, tout en étant étroitement liée aux caractéristiques propres de chacun des régimes. En retour, ces derniers ont été notablement affectes par le ratio de circulation des espèces. Cet effet s'est alors traduit par un abaissement significatif des conditions de transition de régime avec l'augmentation de la fraction de fines/légères particules.

Etude experimentale du transfert de matiere a l'aide d'une methode electrochimique. La valeur instantannee du coefficient de transfert permet de valider l'hypothese de l'etat quasi stationnaire. On etudie aussi grace a un traceur la dispersion axiale

Cette recherche avait pour vocation l'étude de l'hydrodynamique d'un réacteur à lit fluidisé circulant (L. F. C. ), en particulier, quand deux populations de particules y sont mises en œuvre simultanément. Le L. F. C. Utilisé, d'une hauteur de 10m, était constitué d'une colonne de transport de diamètre interne 144 mm, d'un système de séparation gaz-solides et d'une ligne de retour des solides. Il fonctionnait avec de l'air atmosphérique et à température ambiante. La gamme de vitesse de gaz utilisés s'étendait de 2 à 8 m/s, les flux moyens de solides variaient de 0 à 60 kg/m2/s et les concentrations massiques moyennes dans la colonne étaient comprises entre 0 et 30 kg/m3. Les solides étudiés étaient du sable (diamètre moyen de 200 m et masse volumique de 2 650 kg/m3) et du support de catalyseur de craquage (diamètre moyen de 50 m et masse volumique de 1 200 kg/m3). L'objectif final de ce travail étant l'étude du transport vertical d'un mélange bisolides, il a fallu dans un premier temps chercher à caractériser individuellement le comportement de chacune des espèces solides composant le mélange ; cette caractérisation passait par la mise en évidence de structures d'écoulement associées a l'apparition de régimes d'écoulement. C'est à partir de l'analyse des résultats propres au transport vertical d'une population unique de particules qu'il a été possible de mieux comprendre le comportement hydrodynamique d'un mélange de deux espèces solides. Cette recherche a permis de mettre en relief l'existence systématique de deux régimes d'écoulement séparés par une transition brutale, et ce, quelque soit le type de solide transporté, en mélange comme seul. Il a été démontré que chacun de ces régimes possède sa propre structure d'écoulement caractérisée par la loi de variation des flux locaux en fonction des variables globales (flux moyen ou concentration moyenne dans la colonne). Par ailleurs, ces caractéristiques hydrodynamiques ont corroboré certaines conclusions théoriques relatives aux lois gouvernant les champs de concentration et de vitesse locale des particules dans l'écoulement. Enfin, avec l'appui d'un modèle théorique basé sur l'existence d'un effet de seuil affectant l'évolution de la turbulence du gaz lors de l'accroissement de la concentration locale, il a été possible d'expliquer l'apparition des transitions de régimes d'écoulement lors du transport de particules en mélange comme seules.

Ce travail de recherche a pour objectif de caractériser le transport des particules solides entre la zone inferieure (dense) et la zone supérieure (diluée) d'un lit fluidise circulant (LFC). Il doit nous permettre, dans un second temps, de définir une méthode de calcul du débit de solides en circulation en présence d'air secondaire. Nous avons réalisé les trois étapes suivantes pour aboutir a ce but : Première étape : la première partie comprend l'étude des mécanismes de transport de solides en absence d'air secondaire. Une installation pilote de section 0,18 m 0,29 m et d'une hauteur de 7 m a été utilisée en boucle fermée ; précisions que boucle fermée signifie que le solide peut librement circuler. La variation du débit de solides en circulation en fonction de la vitesse de l'air est étudiée pour divers inventaires de solides. Cette étude montre clairement qu'il existe trois régimes de fonctionnement. Deuxième étape : nous avons étudié l'effet de l'inventaire de solide dans la colonne ainsi que celui du rapport de l'air secondaire sur l'air total vis à vis du comportement hydrodynamique de la colonne. La structure de l'écoulement diphasique est étudiée au moyen d'une sonde de prélèvement non-isocinétique et d'une sonde à fibres optiques placées à trois niveaux de la colonne ; la zone d'accélération, la zone d'écoulement établi et la zone de sortie. Par ailleurs, nous avons également développé une nouvelle méthode de calcul de la concentration locale de solides dans la colonne en combinant le profil du flux massique local de solides et de la vitesse locale de solides. Troisième étape : l'ensemble des informations obtenues dans cette étude nous a permis tout d'abord de proposer un modèle basé sur des équations de forces pour estimer le débit de solides en circulation en absence d'air secondaire. Finalement, nous avons établi un modèle décrivant le débit de solides en circulation en présence d'air secondaire. L'erreur entre les valeurs théoriques obtenues à l'aide de ce modèle et les valeurs expérimentales tirées des différentes expériences est inférieure à 25%.

Ce travail a été consacré au développement d'un modèle théorique dans le but de décrire le comportement des écoulements gaz-solide concentrés dans les lits fluidisés circulants (LFC), en mettant l'accent sur le comportement des clusters ou des ensembles de particules. Cette modélisation a été effectuée en utilisant l'approche eulérienne pour les deux phases gazeuse et solide. Un modèle de fermeture pour la phase solide a été proposé en définissant une énergie cinétique liée aux fluctuations macroscopiques. L'équation de transport de cette énergie, comprend une viscosité apparente pour la phase solide, différente de la viscosité produite due aux collisions. En vue de déterminer cette viscosité, un modèle empirique, basé sur le concept de longueur de mélange de la phase solide a été utilisée. La longueur de mélange a été estimée par la mesure des cofluctuations de vitesses axiales et des profils de vitesses moyennes axiales dans la zone établie d'une maquette LFC. Le modèle a été évalué en effectuant quelques exemples d'applications numériques sur des géométries bidimensionnelles, correspondants à différentes zones et échelles d'écoulement dans les systèmes LFC. Il a permis de décrire quelques aspects caractéristiques du comportement de la phase solide. Un degré significatif de ségrégation entre les phases a été observé, avec des concentrations plus importantes au niveau des parois. Le modèle doit être complété par des fermetures pour les corrélations entre les vitesses de gaz et de solide, l'anisotropie des fluctuations de vitesse, et les variations de la longueur de mélange de la phase solide.

Les micros-lit fixes sont des milieux poreux miniaturisés ralliant les avantages à la fois des microréacteurs et des lits fixes, comme par exemple en terme de rapport surface/volume très élevé conduisant à des taux de transfert de chaleur et de matière intensifiés. Par conséquent, la caractérisation hydrodynamique des micro-lits fixes est nécessaire afin d’appréhender de manière objective les phénomènes de transfert et les modes de contact entre phases. Ensuite l'importance des micro-lits fixes est mise en évidence tandis que les approches pour construire des bases de recherche sur les micro-lits fixes y sont explicitées. Notre recherche commence par l'étude des régimes d'écoulement, des transitions de régime d'écoulement de la multiplicité de l’hydrodynamique et du transfert de matière liquide-solide dans les micro-lits fixes. Cette étude est réalisée au moyen d’une méthode de visualisation par microscopie optique à la paroi et le traitement d’image qui s’en suit pour la partie hydrodynamique et d’une méthode électrochimique basée sur l’oxydoréduction du couple complexes ferri/ferreux hexacyanure pour la partir sur le transfert de matière. Les résultats de perte de charge et de rétention de liquide ont été discutés par rapport aux régimes d’écoulement mis en place et des observations pariétales rendues possibles par microscopie optique. L'effet de la taille des particules et de la géométrie du canal sur les transitions de régimes d’écoulement, le comportement transitoire et le phénomène d'hystérèse ont également été abordés. Finalement, les résultats des expériences hydrodynamiques ont été obtenus en faisant face à de nombreux défis pour lesquels nous avons formulé de nombreuses recommandations en vue d’investigations futures. La détermination expérimentale du coefficient de transfert de masse liquide-solide (kLS) par la technique électrochimique a été effectuée dans un micro-lit fixe rempli de couches de particules de graphite non-sphériques servant de cathode et d'anode. Les expériences ont été réalisées pour un écoulement monophasique en régime de diffusion limitée. Finalement, la correspondance de valeurs de kLS avec les corrélations construites sur la base d’études sur les lits fixes à l’échelle macroscopique a été discutée.<br>Micro-packed beds are miniaturized packed beds having the advantages of both microreactors (high surface-to-volume ratios leading to intensified heat and mass transfer rates, increased safety, etc.) and packed beds (effective contact between the phases) that have the potential to be successfully employed for purposes such as catalyst screening and production of hazardous materials. To assess this potential, hydrodynamic characterization of micro-packed beds is necessary as they address the actual flow phenomena and provide suggestions to improve the contacting patterns between phases for enhanced performances. This work starts with a brief review on process intensification via microreactors. Then the importance of micro-packed beds is highlighted while the approaches to build research foundations on micro-packed beds are discussed. Our research begins by studying the flow regimes, transitions in flow regime and hydrodynamic multiplicity in micro-packed beds mostly by means of microscopic wall visualization and image processing. Results on pressure drop and liquid holdup have been obtained and discussed in terms of flow regimes and wall-flow image analyses. In addition, residence time distributions of the liquid in micro-packed beds have been obtained according to two techniques, by an impulse tracing method (electrolyte tracer injection) and wall visualization with optical microscopy. The effect of particle size and channel geometry (circular vs. square) has also been investigated in terms of flow regime transitions, transient behavior and hysteresis. Finally, challenges and recommendations thereof to surpass the many difficulties encountered are methodically explained to facilitate future investigations. Experimental determination of liquid-solid mass transfer coefficient (kLS) via a linear polarization method was also carried out in a micro-packed bed filled with layers of non-spherical graphite particles serving as cathode and anode for the Redox ferri/ferrocyanide electrochemical reaction. Experiments concerned single-phase liquid flow within the diffusion-limited regime. Particle size analysis and image processing were used to evaluate deviations from spherical geometry of the graphite particles to determine liquid-solid mass transfer coefficient. Finally, the correspondence of kLS values with macro-scale packed bed correlations was discussed.

Pour des raisons de coûts, les tests de catalyseur mis en forme (billes, extrudés, …) en réacteur est lit fixe sont mis en œuvre dans des réacteurs de plus en plus petits alors que la taille des objets catalytiques ne change pas. L'objet de cette thèse est d'explorer les domaines où la réduction d'échelle conduit à des questionnements nouveaux en termes de physique, répétabilité, représentativité et modélisation. Le document s'articule autour de 5 chapitres : 1) une introduction détaillée du contexte avec un état de l'art sur les réacteurs à lit fixe de petite taille et l'identification des questions en suspens, 2) une réflexion autour de la nature des écoulements gaz-liquide descendant dans des lits fixes quand les forces capillaires ne sont plus négligeables, 3) la présentation d'une méthodologie et d'un critère sur un nombre minimal de grain nécessaire pour limiter les conséquences d'une distribution granulométrique en présence de limitations au transfert interne, 4) l'étude des effets d'empilements aléatoires sur la performance apparente du réacteur, d'abord par un modèle réseau de pores qui décrit assez bien les tendances observées expérimentalement mais manque de capacité de prédiction, puis par simulation numérique directe d'écoulement réactif dans des empilements de 8 cylindres qui montre que les effets d'empilements apparaissent, avec les limitations au transfert externe, quand la diffusion moléculaire transverse n'est pas assez rapide pour compenser les gradients dus à la réaction et à la convection, 5) une conclusion qui résume les critères de conception de réacteurs de tests à petite échelle, et propose des pistes de continuation du travail<br>In order to lower costs, testing of catalytic pellets (spheres or extrudates) is performed in ever smaller fixed bed reactors whereas catalytic pellet size is unchanged. The object of this thesis is to explore domains where downsizing leads to new questions in terms of physics, repeatability and modeling. The thesis is built in 5 chapters, 1) a detailed introduction of the context and a review of the literature on small fixed bed reactors, 2) a discussion about flow patterns in fixed beds filled with fine powder where capilary effects are not negligible, 3) a presentation of a methodology to assess the impact of sampling small number of pellets out of a non uniform set and results for internally mass transfer limited reactions, 4) a study of the effect of randomness in fixed beds first through a pore network model with a good ability to predict trends but lacking accuracy, then using direct numerical simulation of a reactive flow in fixed beds made of 8 cylinders arranged in several configuration showing that packing effects occur, concurrently with external mass transfer limitations, when cross flow diffusion is not fast enough to level out convection and reaction induced gradients, 5) a conclusion that summarizes design criteria and offers a few perspectives for R&amp;D in downsizing

L'objectif de cette thèse est le développement d’une nouvelle technique expérimentale de détermination de la distribution des temps de séjour (DTS) des particules solides dans les enceintes de manutention et de transformation de solides particulaires ainsi que le développement d’un modèle. Dans un premier temps, une nouvelle méthode optique a été développée pour mesurer la DTS des particules. Les expériences sont réalisées avec le carbure de silicium (SiC) et le pigment phosphorescent (Lumilux® Green SN-F50 WS) a été utilisé en tant que traceur. Une étude expérimentale préliminaire a été réalisée dans un lit fluidisé bouillonnant simple afin de valider la méthodologie proposée de mesure de la DTS. Dans un deuxième temps, la technique développée de la mesure de concentration a été appliquée à la détermination de la DTS dans un lit fluidisé profond. Les courbes de la DTS des particules sont déterminées expérimentalement dans différentes conditions opératoires. Dans un troisième temps, un modèle basé sur une combinaison de réacteurs idéaux est proposé pour prédire la DTS des particules du lit fluidisé étudié. Les valeurs de sortie prédites sont ensuite comparées aux données expérimentales pour l’ajustement du modèle<br>The aim of the present thesis is to develop a novel experimental technique for determining the residence time distribution (RTD) of solid particles in solid unit operations as well as model development. Initially, a novel optical method was developed to measure the particle RTD. Experiments are carried out with Silicon Carbide (SiC) and the pigment phosphorescent (Lumilux® Green SN-F50 WS) as tracer particle. A preliminary experimental study was conducted in a simple bubbling fluidized bed in order to validate the proposed RTD measurement methodology. In the second step, the developed technique of the concentration measurement was applied to measure the RTD of a deep fluidized bed. The particle RTD curves are determined experimentally in different operating conditions. Finally, a model consisting of the combination of the ideal reactors is proposed to predict the particle residence time distribution in the studied fluidized bed. The predicted output values are then compared with the experimental data to establish a good model fitting data

Cette thèse porte sur l'étude numérique des écoulements fluide-particules rencontrés dans l'industrie. Ces travaux se situent dans le cadre de la compréhension des phénomènes qui se déroulent dans des tambours tournants et réacteurs à lit fixe en présence de particules de forme non convexe. En effet, la forme des particules influence de manière importante la dynamique de ces milieux. A cet effet, nous nous sommes servis de la plateforme numérique parallèle Grans3D pour la dynamique des milieux granulaires et PeliGRIFF pour les écoulements multiphasiques. Dans la première partie de cette thèse, nous avons développé une nouvelle stratégie numérique qui permet de prendre en compte des particules de forme arbitrairement non convexe dans le solveur Grains3D. Elle consiste à décomposer une forme non convexe en plusieurs formes convexes quelconques. Nous avons nommé cette méthode « glued-convex ». Le modèle a été validé avec succès sur des résultats théoriques et expérimentaux de tambours tournants en présence de particules en forme de croix. Nous avons aussi utilisé le modèle pour simuler le chargement de réacteurs à lits fixes puis des lois de corrélation sur les taux de vide ont été déduites de nos résultats numériques. Dans ces travaux, nous avons aussi testé les performances parallèles de nos outils sur des simulations numériques à grande échelle de divers systèmes de particules convexes. La deuxième partie de cette thèse a été consacrée à l'extension du solveur PeliGRIFF à pouvoir prendre en compte la présence de particules multilobées (non convexes) dans des écoulements monophasiques. Une approche du type Simulation Numérique Directe, basée sur les Multiplicateurs de Lagrange Distribués / Domaine Fictif (DLM/FD), a alors été adoptée pour résoudre l'écoulement autour des particules. Une série d'études de convergence spatiale a été faite basée sur diverses configurations et divers régimes. Enfin, ces outils ont été utilisés pour simuler des écoulements au travers de lits fixes de particules de forme multi-lobée dans le but d'étudier l'influence de la forme des particules sur l'hydrodynamique dans ces lits. Les résultats ont montré une consistance avec les résultats expérimentaux disponibles dans la littérature<br>Non convex granular media are involved in many industrial processes as, e.g., particle calcination/drying in rotating drums or solid catalyst particles in chemical reactors. In the case of optimizing the shape of catalysts, the experimental discrimination of new shapes based on packing density and pressure drop proved to be difficult due to the limited control of size distribution and loading procedure. There is therefore a strong interest in developing numerical tools to predict the dynamics of granular media made of particles of arbitrary shape and to simulate the flow of a fluid (either liquid or gas) around these particles. Non-convex particles are even more challenging than convex particles due to the potential multiplicity of contact points between two solid bodies. In this work, we implement new numerical strategies in our home made high-fidelity parallel numerical tools: Grains3D for granular dynamics of solid particles and PeliGRIFF for reactive fluid/solid flows. The first part of this work consists in extending the modelling capabilities of Grains3D from convex to non-convex particles based on the decomposition of a non-convex shape into a set of convex particles. We validate our numerical model with existing analytical solutions and experimental data on a rotating drum filled with 2D cross particle shapes. We also use Grains3D to study the loading of semi-periodic small size reactors with trilobic and quadralobic particles. The second part of this work consists in extending the modelling capabilities of PeliGRIFF to handle poly-lobed (and hence non-convex) particles. Our Particle Resolved Simulation (PRS) method is based on a Distributed Lagrange Multiplier / Fictitious Domain (DLM/FD) formulation combined with a Finite Volume / Staggered Grid (FV/SG) discretization scheme. Due to the lack of analytical solutions and experimental data, we assess the accuracy of our PRS method by examining the space convergence of the computed solution in assorted flow configurations such as the flow through a periodic array of poly-lobed particles and the flow in a small size packed bed reactor. Our simulation results are overall consistent with previous experimental work

La compréhension du transport et des interactions de tensioactifs biosourcés en milieu poreux présente un grand intérêt dans les applications environnementales, en particulier pour le contrôle du procédé de dépollution des sols par lavage. L’objectif de ces travaux de thèse est d’étudier le rôle de l’hétérogénéité physique et de l’hydrodynamique du milieu ainsi que de l’impact des propriétés des molécules tensioactives sur les mécanismes de transport et de rétention des tensioactifs dans les milieux poreux saturés en vue de leur dépollution. Une démarche de sélection progressive des produits a permis dans un premier temps une présélection des produits disponibles sur le marché (douze tensioactifs). Ceux-ci ont été analysés et caractérisés en laboratoire. Puis, des expériences de traçage et d’injection de solutions tensioactives ont été menées à l’échelle de colonnes de laboratoire dans deux milieux poreux aux propriétés distinctes et avec les trois tensioactifs ayant le meilleur potentiel pour l’application choisie. Ils ont été comparés au Triton X100, un tensioactif pétrosourcé, référence dans le domaine de la dépollution des sols.Afin de caractériser l’écoulement dans les milieux poreux, un soluté non-réactif a été utilisé comme traceur de l’eau. Des simulations numériques ont été réalisées en utilisant le code de calcul HYDRUS-1D afin de modéliser l’écoulement et d’estimer les paramètres de transport et de dépôt des tensioactifs. Ces résultats ont permis d’émettre des hypothèses sur les mécanismes d’interaction entre les tensioactifs, le polluant hydrophobe et le milieu poreux menant ainsi à une meilleure compréhension du procédé et à l’amélioration de son efficacité<br>Understanding transport and interactions of bio-based surfactants in porous medium is a main issue in environmental applications, in particular for the control of the soil washing remediation process. The objective of this work is to study the role of the physical heterogeneity and hydrodynamics of the medium as well as the impact of the properties of surfactant molecules on the mechanisms of transport and retention of surfactants in a saturated porous media,A progressive product selection process has allowed a preselection of the products available on the market (twelve surfactants). These were analyzed and characterized in the laboratory. Then, tracer experiments and injection of surfactant solutions were carried out at laboratory column scale with two porous media with distinct properties and using the three surfactants having the best potential for the soil washing application. They were compared to Triton XIOO, a petroleum-based surfactant, a reference in soil remediation field.In order to characterize the flow in porous media, a non-reactive solute was used as a water tracer. Numerical simulations were performed using the HYDRUS-ID code to model the flow and estimate the transport and deposition parameters of surfactants. These results made it possible to put forward hypotheses on the mechanisms of interaction between the surfactants, the hydrophobic pollutant and the porous medium, thus they lead to a better understanding o the process and to the improvement of its efficiency