Effect of atmosphere change paths on the induced chemical expansion

International audienceThis study presents the relevant aspects of the approach developed at Institut PRISME to model strain in the mixed ionic and electronic conductors (MIEC) membrane for reforming of methane into synthesis gas (H2/CO). This macroscopic approach is based on the assumption of strain partition and on the choice of oxygen activity as a state variable. It leads to a thermo-chemo-mechanical model taking into account oxygen diffusion as well as elastic, thermal and chemical expansion phenomena. A chemical expansion model is proposed. The kinetics of a macroscopic bulk diffusion model has been fitted by simulation to chemical dilatometry tests. The transient and the steady-state stress distribution in a membrane reactor for partial oxidation of methane (POM) have been simulated in various conditions

Un cas de panostéite chez un Cairn Terrier

La panostéite est une affection osseuse idiopathique du chien en croissance touchant habituellement les races de grande taille. Elle atteint préférentiellement les os longs. Elle se manifeste cliniquement par une boiterie, une douleur à la palpation diaphysaire et radiologiquement par des plages d’ossification intramédullaire. L’observation chez un chiot Cairn Terrier est apparue particulièrement intéressante du fait de sa rareté

A MACROSCOPIC MODEL OF THE THERMO-CHEMO-MECHANICAL BEHAVIOUR OF MIXED IONIC AND ELECTRONIC CONDUCTORS

International audienceThis paper suggests a macroscopic model describing the thermo-chemo-mechanical behaviour of ceramic dense membrane for oxygen separation application. This work takes in account to oxygen permeation and strain induced by stoichiometry variation with working conditions. This model, developed within the traditional framework of phenomenological approach, is based on the assumption of strain partitions and requires only three state variables: oxygen activity, temperature and total strain. Oxygen bulk diffusion and surface exchanges are described thanks to the thermodynamic approach developed by Onsager. While many works focused on semi-permeation induced strain, the proposed model also includes the temperature effect on chemical expansion. Strains predicted by the proposed model are validated thanks to experimental test on La0.8Sr0.2Fe0.7Ga0.3O3-δ. Implemented in F.E.A code Abaqus, this model permits studying the design and the process management effects such as chemical shocks on the membrane reliability

MODELISATION DU TRANSPORT DE L'OXYGENE A TRAVERS UN OXYDE CONDUCTEUR MIXTE

National audienceLa production actuelle d'oxygène pure est réalisée essentiellement par cryogénie (-180 °C). Or de nombreux procédés industriels, comme le reformage du méthane, utilisent ce gaz à haute température (entre 650 et 1000 °C suivant le procédé). Il en résulte une perte énergétique importante. Une des solutions envisagées est la séparation de l'oxygène contenu dans l'air à haute température via une membrane céramique dense présentant des propriétés de conduction mixte. Ces membranes ont une structure pérovskite sous-stoechiométrique, qui induit la formation de lacune d'oxygène favorisant une conduction ionique d'oxygène. De plus, la structure pérovskite implique un nombre important de cations favorisant une conduction électrique. À haute température, lorsque la membrane est soumise à un gradient de pression partielle d'oxygène, les anions d'oxygène diffusent à travers celle-ci. Les électrons diffusent dans le sens opposé, afin d'assurer l'électroneutralité. Cela est dû à la propriété de semi-perméation de l'oxygène qui correspond à l'ensemble des mécanismes de transport à travers la membrane (en surface et en volume). La structure cristalline n'est toutefois pas modifiée par cette migration d'espèces. Pour la majorité des conducteurs mixtes, la semi-perméation induit des déformations dites chimiques du même ordre de grandeur que la dilatation thermique. Ainsi pour évaluer les contraintes que subit la membrane au sein d'un réacteur en fonctionnement, un modèle thermo-chimio-mécanique contenant une modélisation complète de la semi-perméation est indispensable. Après avoir décrit les phénomènes de la semi-perméation mis en jeu, plusieurs modèles d'échanges ioniques en surfaces seront étudiés. Finalement, un nouveau modèle sera proposé

Chemical expansion of La0.8Sr0.2Fe0.7Ga0.3O3-δ

International audienceThis paper deals with the chemical expansion measurements and modelling of La0.8Sr0.2Fe0.7Ga0.3O3-δ. The expansion behavior has been evaluated using a dilatometer and X-ray diffraction over a wide range of temperatures (RT to 1373 K) and oxygen partial pressures (10−21 to 1 atm). The material stoichiometry evolution with temperature and oxygen partial pressure has been measured using thermogravimetry analysis at different oxygen partial pressure, from 10−21 to 0.5 atm and from RT to 1473 K. Considering a typical defect model for lanthanum ferrite oxides, chemical expansion depends linearly on the Fe4+ concentration rather than on the oxygen vacancy concentration. A model of chemical expansion as a function of pO2 and temperature is then proposed. It helps to understand and anticipate the chemical expansion behavior exhibited by this material when used as Ionic Transport Membrane (ITM)

Etude et modélisation du comportement thermo‐chimio-­mécanique des oxydes conducteurs mixtes

National audienceLa séparation de l'oxygène de l'air est couramment réalisée par distillation cryogénique. Depuis un peu plus de 30 ans, les oxydes conducteurs mixtes semblent constituer une alternative intéressante pour la production d'oxygène ultra pur. L'oxygène est séparé de l'air, à haute température, par conduction ionique à travers une membrane céramique dense. Tous les procédés nécessitant de l'oxygène (oxycombustion, métallurgie, domaine médical, ...) sont des applications possibles de cette technologie. Les conducteurs mixtes sont des matériaux céramiques dans lesquels deux espèces chimiques se déplacent : une espèce ionique et une espèce électronique. Le rapport des conductivités électroniques et ioniques est tel que la neutralité électrique est conservée. Cette propriété est obtenue par dopage d'une céramique (le plus souvent de structure perovskite) qui génère la présence de défauts, notamment des lacunes d'oxygène. Le composé est alors qualifié de sous-stœchiométrique en oxygène. Les écarts à la stœchiométrie sont fonction de l'oxyde de départ, de la température et de l'activité chimique des composés. En service, la fluctuation de la stoéchiométrie, résultant du chargement thermique et du flux des ions oxygène à travers la membrane, occasionne des déformations du réseau cristallin qui se traduisent macroscopiquement par une déformation de la membrane et une modification (faible) des propriétés mécaniques. Afin de confirmer le rôle de ces déformations dites "chimiques" dans la rupture des membranes et d'étudier l'influence de paramètres telles que la géométrie (scellement céramique/métal) ou les conditions opératoires, un modèle macroscopique du comportement thermo-chimio-mécanique de ces céramiques a été développé et implémenté dans le logiciel Abaqus. La modélisation est relativement complète, tant du point de vue du comportement de la membrane que des sollicitations : la déformation chimique est prise en compte par l'intermédiaire d'un comportement thermomécanique dédié ; le transport ionique de l'oxygène est également reproduit via une loi de transport dédiée, en lien avec l'évolution du champ de température. La simulation d'essais de dilatométrie sous différentes atmosphères contrôlées permet d'illustrer les capacités actuelles du modèle ainsi que ses limites. Enfin, ce modèle a permis de simuler les différentes phases de fonctionnement d'un réacteur pilote, développé par Air Liquide. Les prévisions obtenues sont pertinentes et mettent en lumière l'origine de certaines des difficultés actuelles de transfert de la technologie à l'échelle industrielle

Numerical study on the nonlinear thermomechanical behaviour of refractory masonry with dry joints

Refractory masonry with dry joints is widely employed as a protective lining in industrial applications requiring high-temperature treatments. The thermal and mechanical behaviour of alumina spinel refractory masonry is investigated for a wide range of mechanical loading conditions at ambient and high temperature up to 1500 °C within the framework of the ATHOR project. This paper discusses the different numerical analysis approaches for the simulation of the experimental results. Micro and macro modelling approaches show good agreement with the large scale uniaxial and biaxial compression tests for loading and unloading at the ambient temperature. Simulations carried out for large scale uniaxial and biaxial creep tests as well as biaxial relaxation tests at 1500 °C show good agreement. The numerical results indicate the ability of these modelling approaches to represent the complex thermomechanical behaviour of the refractory masonry. Both methods demonstrate an orthotropic and highly nonlinear behaviour of the refractory masonry as observed in the experimental campaign. The numerical outcome, validated with experimental results demonstrate compatibility between micro and macro modelling approach that can be employed to evaluate local and global behaviour of large industrial installations.This work was supported by the funding scheme of the European Commission, Marie Skłodowska-Curie Actions Innovative Training Networks in the frame of the project ATHOR - Advanced THermomechanical multiscale mOdelling Refractory linings 764987 Grant. The first, sixth and seventh author also acknowledge the financial support by FCT / MCTES through national funds (PIDDAC) under the R&D Unit Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering (ISISE), under reference UIDB / 04029/2020, and under the Associate Laboratory Advanced Production and Intelligent Systems ARISE underreference LA/P/0112/2020. This work is financed by national funds through FCT - Foundation for Science and Technology, under grant agreement 2021.05961.BD attributed to the first author

A new method to determine Young's modulus of refractory

International audienceThis paper proposes a new method to determine the Young modulus from high temperature bending test. Considering that the global behaviour of experimental device and sample is purely elastic during the unload phase and exploiting that the effects of the indentation under the contact are lower at the beginning of the unloading, it is proposed to deduce the Young's modulus from the slope of the unloading curve. Young modulus obtained with this method for different SiC based refractories are in good agreement with results of others tests such as tensile test or ultrasonic measurement