Contribution à l'élaboration d'un outil de simulation de procédés de transformation physico-chimique de matières premières issues des agro ressources : application aux procédés de transformation de biopolymères par extrusion réactive

par Marie-Amélie De ville d'avray

Thèse de doctorat en Génie des procédés

Sous la direction de Arsène Isambert.

Soutenue le 05-07-2010

à Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris, dans le cadre de Sciences pour l'ingénieur, en partenariat avec Laboratoire Génie des Procédés et Matériaux (laboratoire) .

Le président du jury était Gilles Trystram.

Le jury était composé de Arsène Isambert, Hélène Ducatel, Stéphane Brochot.

Les rapporteurs étaient Yann Le gorrec, Xuân Meyer.


  • Résumé

    Le développement des bioraffineries repose sur une conception optimisée d’installationsindustrielles en synergie comportant un grand nombre de flux de matière et d’opérationsunitaires. Le recours à des simulateurs de procédés présente un intérêt certain dans laconception, l’analyse et l’optimisation de tels procédés. Souhaitant initier le développementd’un outil de simulation adapté à ce secteur, nous nous sommes appuyés sur l’exemple d’unprocédé d’oxydation de biopolymères par extrusion réactive. Les procédés d’extrusionréactive sont caractérisés par un couplage intime entre écoulement, thermique et cinétiquesréactionnelles. Les modalités de ce couplage dépendent des réactions visées. Souhaitantproposer un modèle flexible, intégrable dans un simulateur statique de procédés, et permettantd’atteindre un bon compromis entre la prédictivité et la quantité d’essais nécessaires pourajuster les paramètres du modèle, nous avons opté pour une approche de modélisation mixtereposant à la fois sur une représentation de l’écoulement à l’aide de réacteurs idéaux et sur deslois de la mécanique des fluides. L’écoulement est modélisé par une cascade de réacteurscontinus parfaitement agités (RCPA) avec reflux. Chaque RCPA est caractérisé par un taux deremplissage qui dépend des conditions opératoires. Le calcul du taux de remplissage desRCPA, de la pression matière et des débits circulant entre les RCPA en régime permanent esteffectué en réalisant un bilan matière sur chaque RCPA. La température matière dans chacundes RCPA est calculée grâce à un bilan thermique. La modification chimique du matériau estdécrite à l’aide de trois réactions : l’oxydation dépolymérisante, la formation de groupementsfonctionnels (carbonyles et carboxyles) et la dégradation thermomécanique du biopolymèresous l’effet de la chaleur et des contraintes de cisaillement. L’établissement des équations debilan de population auxquelles on applique la méthode des moments, permet de calculersimultanément les masses molaires moyennes en nombre et en poids du polymère ainsi que lateneur en agent oxydant dans chacun des RCPA. La viscosité est reliée à masse molairemoyenne. Un algorithme de calcul itératif permet de coupler le bilan matière, le bilanthermique et le calcul réactionnel. Les données expérimentales nécessaires à la validation dumodèle ont été fournies par la plate-forme expérimentale mise au point au CVG (Centre deValorisation des Glucides, Amiens) dans le cadre du programme Synthons. Une méthoded’ajustement des paramètres du modèle à partir d’un nombre minimal de donnéesexpérimentales a été proposée, permettant d’évaluer le caractère prédictif du modèle. Lemodèle d’extrusion réactive ainsi ajusté a permis de reproduire les résultats expérimentauxobtenus pour différents matériaux, débits, vitesses de rotation, et sur deux extrudeuses detaille et de configuration différentes. L’intégration du modèle d’extrusion réactive dans unsimulateur de procédés - le logiciel USIM PAC - a permis de simplifier sa mise en œuvre,offre des perspectives en optimisation et dimensionnement d’équipement et rend possible lasimulation de l’opération d’extrusion réactive au sein d’une chaîne de transformationcomplète.

  • Titre traduit

    Contribution to the elaboration of a process simulator for the physicochemical transformation of bio-based materials : application to the reactive extrusion of biopolymers


  • Résumé

    The development of biorefineries requires integrating and optimizing plants and handling alarge number of material flows and unit operations. The development of a process simulatordedicated to this field would thus be of great interest. This is what we intended to initiate byrelying on the example of the oxidation of biopolymers by reactive extrusion. Reactiveextrusion is characterized by a strong coupling between flow, heat transfer and reactionkinetics. This coupling depends on the desired reactions. We here intended to elaborate aflexible model, being easily integrated into a static process simulator, and enabling to reach agood compromise between the predictive character of the model and the amount ofexperiments required to adjust model parameters. Therefore, we adopted a hybrid modellingapproach combining a flow description based on ideal reactors and continuum mechanicslaws. Flow is modeled as a cascade of continuous stirred tank reactors (CSTR) with possiblebackflow. Flow rates between CSTRs are calculated using physical laws taking into accountthe operating conditions and geometric parameters of the equipment. Each CSTR ischaracterized by a filling ratio, which depends on the operating conditions. The calculation ofsteady-state filling ratio, pressure and flow rates between the CSTRs is achieved byperforming a material balance in each CSTR. Material temperature in each CSTR iscalculated through a thermal balance. The chemical modification of the material is describedusing three reactions: the oxidative depolymerization, the formation of functional groups(carbonyl and carboxyl) and the thermomechanical degradation of the biopolymer induced byheating and shearing. The number-averaged and weight-averaged molecular weight of thebiopolymer and the oxidant content in each CSTR are computed simultaneously by applyingthe moment operation to population balance equations. Viscosity is linked to the meanmolecular weight. An iterative algorithm enables to couple material balance, thermal balanceand reaction kinetics. The experimental data required for model validation were provided bythe experimental platform developed at the CVG (Centre de Valorisation des Glucides,Amiens, France) in the frame of the Synthons program. A method was proposed in order toadjust model parameters with a minimal number of experimental data, enabling to assess thepredictive character of the model. Once the parameters were adjusted, the reactive extrusionmodel enabled to reproduce the experimental results obtained with different raw materials,flow rates, screw rotation speeds, and using two extruders with different size and screwconfiguration. The integration of the reactive extrusion model into a process simulator - theUSIM PAC software - enabled to simplify its implementation. This constitutes a promisingstep in a perspective of process optimization and scale-up, and enables to simulate a reactiveextrusion operation within a global plant simulator.



Le texte intégral de cette thèse sera accessible librement à partir du 05-07-2015

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