Analyse et modélisation du comportement des caissons d'épuration de l'air équipant les engins de chantier pour la protection des opérateurs contre les gaz et vapeurs

Modeling and analysis of the behavior of the air purification boxes used in construction machinery for the protection of operators against gases and vapors

• Auteur / Autrice : Cristian Cardenas
• Direction : Abderrazak Latifi, Cécile Vallières
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés, des Produits et des Molécules
• Date : Soutenance le 18/05/2021
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIMPPé - Sciences et ingénierie des molécules, des produits, des procédés, et de l'énergie (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire réactions et génie des procédés
• Jury : Président / Présidente : Mélaz Tayakout
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Abderrazak Latifi, Cécile Vallières, José Paulo Barbosa Mota, Stéphanie Marsteau, Romain Chauveau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mélaz Tayakout, José Paulo Barbosa Mota

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation, Méthodes de

Estimation de paramètres

Ions -- Implantation

Charbon actif

Absorption et adsorption

Ammoniac

Air -- Épuration

Mots clés libres

Caissons d'épuration de l'air

Adsorption d'ammoniac

Charbon actif dopé

Mesures expérimentales

Analyse d'estimabilité des paramètres

Modélisation et simulation

Air purification boxes

Ammonia adsorption

Doped activated carbon

Experimental measurements

Estimability analysis

Modeling and simulation

Résumé

Cette thèse développe quatre modèles pour simuler le procédé d’adsorption de l’ammoniac sur du charbon actif dopé au sulfate de zinc. Ils sont décrits par des équations de bilans de matière, de la thermodynamique, de l’hydrodynamique et de la cinétique d’adsorption. Puisqu’il est nécessaire de connaitre les valeurs de certains paramètres pour simuler les modèles, le charbon actif est d’abord caractérisé. Des mesures expérimentales des isothermes d’adsorption de l’ammoniac sur le charbon actif dopé ont d’abord été réalisées. Une méthode basée sur l’analyse de sensibilité des paramètres a ensuite été utilisée pour évaluer l’estimabilité des paramètres inconnus impliqués dans l’équation de l’isotherme d’adsorption de Sips et de Toth. Les paramètres estimables ont ensuite été identités en utilisant des données expérimentales trois températures différentes 288, 303 et 313K. Cette thèse développe quatre modèles pour simuler le procédé d'adsorption de l'ammoniac sur du charbon actif dopé au sulfate de zinc. Ils sont décrits par des équations de bilans de matière, de la thermodynamique, de l'hydrodynamique et de la cinétique d'adsorption. Puisqu'il est nécessaire de connaître les valeurs de certains paramètres pour simuler les modèles, le charbon actif est d'abord caractérisé. Des mesures expérimentales des isothermes d'adsorption de l'ammoniac sur le charbon actif dopé ont d'abord été réalisées. Une méthode basée sur l'analyse de sensibilité des paramètres a ensuite été utilisée pour évaluer l'estimabilité des paramètres inconnus impliqués dans l'équation de l'isotherme d'adsorption de Sips et de Toth. Les paramètres estimables ont ensuite été identifiés en utilisant des données expérimentales à trois températures différentes 288, 303 et 313 K. Des fronts de percée expérimentaux à différentes concentrations d'ammoniac et à différents débits de gaz ont ensuite été mesurés et utilisés pour déterminer le coefficient de transfert de matière global (kLDF), le coefficient de dispersion axiale (Dax), le coefficient de diffusion effectif (De) et le coefficient de diffusion intracristalline (Dµ) mis en jeu dans les équations du modèle, implémentées et résolues dans le logiciel Comsol Multiphysics®. Il a été démontré que les étapes limitantes du procédé d'adsorption sont la diffusion et l'adsorption de l'ammoniac sur le cristal de sulfate de zinc. Les modèles ont ensuite été validés en utilisant quatre fronts de percée supplémentaires différents de ceux utilisés pour identifier les paramètres. Les prédictions du modèle et les mesures expérimentales montrent un bon accord, quantifié par les indices de performance et validés par le test d'hypothèse de Kolmogorov-Smirnov. Enfin, la simulation CFD de l'écoulement gazeux dans un caisson de purification d'air a été réalisée en développant un modèle dynamique qui prend en compte la géométrie et l'hydrodynamique. Les modèles développés ont permis de mieux comprendre les phénomènes d'adsorption et peuvent être utilisés comme un outil prédictif pour la conception et le fonctionnement optimal du procédé d'adsorption de l'ammoniac pour les caissons d'épuration de l'air équipant les cabines pressurisées à air épuré (CPAE) des engins mécanisés.

This thesis deals with the development of four models to simulate an industrial adsorption process of ammonia on zinc sulphate-doped activated carbon. It is described by mass balance, thermodynamic, hydrodynamics and adsorption kinetics equations. Since the values of parameters are needed to implement the model, the activated carbon is first characterised. Experimental measurements of ammonia adsorption isotherms on doped activated carbon were first carried out. Then a method based on the sensitivity analysis of parameters was used to evaluate the estimability of the unknown parameters involved in the Sips and Toth adsorption isotherm equations. The most estimable parameters were then identified using experimental data measured at three different temperatures, i.e. 288, 303 and 313 K. Experimental breakthrough fronts at different ammonia concentrations and gas flow rates were then measured and used to determine the overall mass transfer coefficient (kLDF), the axial dispersion coefficient (Dax), the effective diffusion coefficient (De) and the intracrystalline diffusion coefficient (Dµ) involved in the model equations, implemented and solved within Comsol Multiphysics® software. It was demonstrated that the adsorption process are limited by the diffusion and adsorption of ammonia on the zinc sulphate crystal. The identified models were then validated by means of four additional breakthrough fronts that were different from those used to identify the parameters. The model predictions and the experimental measurements showed a very agreement which is quantified by means of performance indices and confirmed by a Kolmogorov-Smirnov test. Finally, the CFD simulation of the gas flow in an air purification box was carried out by developing a dynamic model that takes into account the geometry and hydrodynamics. These models have improved the understanding of the adsorption process and can be used as a predictive tool for the design and optimization of air purification boxes used to equip cabins with pressurization and air-conditioning of mechanical devices.