Contribution à la modélisation des réactions et des réacteurs gaz-solide

Abstract

Gas-solid reactions control a great number of major industrial processes involving matter transformation. This dissertation aims at showing that mathematical modelling is a useful tool for both understanding phenomena and optimising processes. First, the physical processes associated with a gas-solid reaction are presented in detail for a single particle, together with the corresponding available kinetic grain models. A second part is devoted to the modelling of multiparticle reactors. Different approaches, notably for coupling grain models and reactor models, are illustrated through various case studies: coal pyrolysis in a rotary kiln, production of uranium tetrafluoride in a moving bed furnace, on-grate incineration of municipal solid wastes, thermogravimetric apparatus, nuclear fuel making, steelmaking electric arc furnace.Les réactions gaz-solide sont à la base de nombreux procédés industriels de transformation de la matière d'importance économique majeure, dont elles conditionnent les performances. Je tente de montrer dans ce mémoire l'apport de la modélisation mathématique pour aider à comprendre les phénomènes et à optimiser les installations. Après une présentation détaillée des processus physiques mis en jeu lors d'une réaction gaz-solide à l'échelle d'une seule particule de solide et des modèles cinétiques susceptibles d'en rendre compte, une deuxième partie est consacrée à la modélisation des réacteurs multiparticulaires. Différentes démarches, notamment pour le couplage des modèles particulaires et des modèles de réacteurs, sont illustrées au travers d'une série d'exemples : pyrolyse du charbon en four tournant, production de tétrafluorure d'uranium en four à lit coulant, incinération des ordures ménagères, thermogravimétrie, fabrication du combustible nucléaire, four électrique d'aciérie