Thèse Caractérisation Compréhension et Prédiction des Écoulements de Solides Granulaires Biogéniques dans les Procédés de Production de Biocarburants H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Le bon fonctionnement et la viabilité économique de ces procédés de production de biocarburants requièrent une compréhension approfondie du comportement rhéologique et hydrodynamique des solides granulaires biogéniques mis en oeuvre, notamment lors des opérations de stockage, de transport et de manutention. Il s'agit également de maîtriser les écoulements au sein des équipements assurant la mise en oeuvre et la transformation thermochimique, biologique ou catalytique de ces matériaux.

L'objectif de cette thèse est d'apporter une meilleure compréhension du comportement rhéologique et hydrodynamique des solides granulaires biogéniques, afin de prédire et d'optimiser leur écoulement à chacune des étapes des procédés de production de biocarburants. Les travaux porteront en particulier sur l'influence des caractéristiques intrinsèques des matériaux (composition, taille, forme, masse volumique, rugosité, teneur en eau, etc.), ainsi que des conditions de sollicitation (contraintes mécaniques, température, humidité, géométrie des équipements, temps de stockage, conditions opératoires, etc.) sur les propriétés rhéologiques résultantes.

Ces propriétés seront caractérisées dans différents régimes d'écoulement :
- en régime quasi-statique, notamment à l'aide d'une cellule de cisaillement ;
- en régime dense, par exemple à l'aide d'un rhéomètre à poudres ;
- en régime collisionnel, sur une ligne de transport pneumatique à échelle pilote.

Ces travaux nécessiteront à la fois l'optimisation et l'adaptation d'équipements expérimentaux déjà disponibles au laboratoire (ligne de transport pneumatique à échelle pilote), ainsi que la conception et le développement de nouveaux dispositifs expérimentaux dédiés à la caractérisation des écoulements granulaires biogéniques.

Un axe majeur de la thèse concernera le développement d'approches de simulation numérique multi-échelle. Les données expérimentales acquises seront utilisées pour la calibration et la validation de modèles numériques de type DEM (Discrete Element Method) et CFD-DEM (Computational Fluid Dynamics - Discrete Element Method). Ces approches permettront non seulement d'améliorer la compréhension des mécanismes physiques gouvernant les écoulements de solides granulaires biogéniques, mais également de développer des outils prédictifs pour le dimensionnement et le changement d'échelle des procédés industriels. Les modèles développés seront appliqués en particulier à la simulation des écoulements dans les équipements de transport pneumatique, avec une perspective de scale-up vers des installations industrielles de production de biocarburants.

À l'issue de la thèse, la personne diplômée disposera de compétences en caractérisation, analyse et mise en oeuvre des solides divisés, compétences très recherchées dans de nombreux secteurs industriels (nucléaire, énergie, économie circulaire, valorisation de la biomasse, ainsi que les industries pharmaceutique, cosmétique, chimique ou agroalimentaire).
Cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet PEPR EBIOCARB, consacré au développement de chaînes optimisées de production d'e-biocarburants à partir de biomasse et d'hydrogène bas-carbone. La viabilité technico-économique de ces procédés repose notamment sur la maîtrise des opérations mettant en jeu des solides granulaires biogéniques, dont les propriétés d'écoulement peuvent être fortement variables et complexes.

Les phénomènes de coulabilité, ségrégation, tassement, blocage, entraînement pneumatique ou interaction fluide-particule constituent des verrous scientifiques et technologiques importants pour le stockage, le transport et la transformation de ces matériaux. Une meilleure compréhension de ces comportements est donc nécessaire pour fiabiliser les procédés et accompagner leur changement d'échelle industriel. L'objectif de la thèse est de mieux comprendre et prédire l'écoulement de solides granulaires biogéniques impliqués dans les chaînes de production de biocarburants. Il s'agira d'identifier l'influence des propriétés des matériaux (composition, granulométrie, forme, rugosité, masse volumique, teneur en eau) et des conditions opératoires (contraintes mécaniques, humidité, température, géométrie des équipements, temps de stockage) sur leur comportement rhéologique et hydrodynamique, principalement lors du transport pneumatique.

Les travaux viseront également à développer des outils expérimentaux et numériques permettant d'optimiser les opérations de stockage, de manutention, de transport pneumatique et de mise en oeuvre de ces matériaux, avec une perspective de dimensionnement et de changement d'échelle des procédés industriels. La démarche reposera sur une approche combinant expérimentation, développement instrumental et simulation numérique.

Les propriétés physiques et rhéologiques des matériaux seront caractérisées à l'aide d'équipements disponibles au laboratoire : granulométrie, masse volumique, cellule de cisaillement, rhéomètre à poudres, tambour rotatif, ainsi que des dispositifs à échelle pilote pour l'étude du transport pneumatique. Des adaptations ou développements de dispositifs expérimentaux pourront être réalisés afin de répondre aux spécificités des matériaux biogéniques étudiés.

Les données expérimentales seront ensuite utilisées pour calibrer et valider des modèles numériques de type DEM et CFD-DEM. Ces simulations permettront d'analyser les mécanismes physiques gouvernant les écoulements, puis de proposer des outils prédictifs pour le dimensionnement et l'optimisation d'équipements industriels.