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Conception optimale de réacteurs-échangeurs par minimisation de la création d'entropie H/F

Cette offre est disponible dans les langues suivantes :
Français - Anglais

Date Limite Candidature : mercredi 18 mai 2022

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Informations générales

Référence : UMR7274-RAIHRE-001
Lieu de travail : NANCY
Date de publication : mercredi 27 avril 2022
Nom du responsable scientifique : Jean-Francois PORTHA
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 1 septembre 2022
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : 2 135,00 € brut mensuel

Description du sujet de thèse

Conception optimale de réacteurs-échangeurs par minimisation de la création d'entropie

Mots clés : CFD, Génie de la réaction chimique, Intensification, Modélisation, Optimisation dynamique, Thermodynamique des phénomènes irréversibles.

Unité de Recherche : Laboratoire Réactions et Génie des Procédés, CNRS UMR 7274, 1 Rue Grandville, 54 000 Nancy, France

Date limite de candidature : 20 mai 2022
Prise de fonction : 1er septembre 2022
Durée du contrat : 3 ans
Salaire : Environ 2 135 euros bruts par mois (+ rémunération supplémentaire en cas d'activités d'enseignement)

Contacts :
- Jean-François Portha (Maître de conférences) : jean-francois.portha@univ-lorraine.fr
- Rainier Hreiz (Maître de conférences) : rainier.hreiz@univ-lorraine.fr
- Jean-Marc Commenge (Professeur des universités) : jean-marc.commenge@univ-lorraine.fr

Contexte général : Les motivations économiques ainsi que les contraintes environnementales, de plus en plus strictes, forcent l'industrie chimique à une utilisation plus rationnelle des ressources et à la conception d'unités toujours plus performantes sur le plan énergétique. En pratique, dans le cas des réacteurs, il s'agit de minimiser leurs coûts de fonctionnement (pompage, compression, etc.) d'une part tout en maximisant leur rendement réactionnel d'autre part.
Malheureusement, ces objectifs sont souvent antagonistes. En effet, améliorer la sélectivité requiert d'homogénéiser au mieux la composition et la température du milieu réactionnel, ce qui nécessite un apport supplémentaire d'énergie mécanique (agitation, turbulence, etc.). En conséquence, le principal défi lors de la conception de nouveaux réacteurs est de répondre simultanément à ces critères antagonistes, c'est-à-dire améliorer significativement les transferts de chaleur et de matière tout en maintenant les dépenses énergétiques aussi faibles que possible. Il est donc nécessaire d'agréger ces objectifs antagonistes en un critère unique afin de pouvoir quantifier et comparer l'efficacité globale des systèmes réactionnels.
Dans ce contexte, la conception optimale des réacteurs par minimisation de la création d'entropie prend tout son intérêt (Johannessen et al., 2004). En effet, le critère entropique intègre les différentes sources de création d'irréversibilités, à savoir les gradients de potentiel chimique, de température et de vitesse. En conséquence, sa minimisation permet de déterminer un design optimal de l'unité, celui assurant le meilleur compromis entre uniformités thermique et de composition d'une part, et dépenses énergétiques d'autre part.
L'objectif de cette thèse est le développement d'une méthodologie de conception optimale des réacteurs basée sur la minimisation de l'exergie détruite. La partie numérique sera réalisée sous ANSYS Fluent (modélisation 2D) et/ou Matlab (approche systémique 1D) et se focalisera sur la détermination du profil géométrique et des conditions opératoires optimales d'un réacteur tubulaire segmenté à double enveloppe. Un banc expérimental sera conçu afin de valider les résultats numériques et fournir ainsi la preuve du concept.

Partie numérique : Ce volet de la thèse consiste à utiliser le code de CFD ANSYS Fluent pour développer un modèle 2D permettant de calculer la création d'entropie dans un réacteur tubulaire constitué d'une association de segments de rayon variable, et équipé d'une double enveloppe concentrique pour la circulation du fluide utilité. L'approche développée sera générale et applicable indépendamment des réactions chimiques mises en jeu, cependant, une attention particulière sera dédiée au procédé d'hydrolyse acide de l'anhydride acétique pour lequel les résultats numériques seront validés expérimentalement.
La modélisation tiendra compte des effets cinétiques, des pertes de charge et du transfert de chaleur avec le fluide utilité. Le calcul local des contributions chimique, thermique et mécanique à l'exergie détruite sera effectué à partir de la connaissance des profils simulés de concentration, de température et de vitesse.
Les résultats du modèle 2D seront comparés à ceux obtenus à l'aide d'un code Matlab disponible utilisant l'approche systémique d'un écoulement piston parfait. Au cas où l'approche 1D se révèlerait insuffisante, des simulations CFD seront utilisées pour développer de nouvelles corrélations plus adaptées afin de réconcilier au mieux les deux approches.
Le modèle retenu sera couplé à un algorithme d'optimisation dynamique pour déterminer les conditions opératoires et le profil géométrique optimaux, c.à.d. ceux aboutissant à la minimisation de la création d'entropie dans le réacteur. Il permettra également d'évaluer au préalable l'influence de différentes grandeurs (débit, température, concentration d'entrée, etc.) afin de dimensionner le banc expérimental et d'identifier les conditions de fonctionnement les plus intéressantes.

Partie expérimentale : Un banc expérimental sera développé afin de mesurer les grandeurs utiles au calcul de l'exergie détruite et valider ainsi les résultats numériques. Il mettra en jeu l'hydrolyse acide de l'anhydride acétique, une réaction exothermique pouvant être réalisée en catalyse homogène acide sous pression atmosphérique (Garcia Hernandez et al., 2019). Les valeurs des paramètres cinétiques seront vérifiées à l'aide d'un calorimètre réactionnel OPTIMAX. Il s'agira aussi de valider le suivi de l'avancement de la réaction par une métrologie continue simple (pH-métrie).
Le banc pilote, modulaire, sera conçu de façon à ce qu'il permette de satisfaire les gammes des paramètres opératoires identifiées théoriquement (temps de passage, ratio de concentrations dans l'alimentation, température, etc.). Il sera constitué d'une succession de tronçons cylindriques de différents diamètres disposés en série où chaque tronçon sera composé de deux cylindres concentriques : le fluide réactif circulera dans les tubes intérieurs et le fluide utilité dans l'espace annulaire (voir Figure 1).


Figure 1 : schéma de réacteur de type piston et de forme cylindrique concentrique (a) design classique (b) configuration et design étudiés dans ce projet (en bleu les fluides réactifs et en rouge les fluides utilités).

La mesure des grandeurs utiles (température, pression et concentration) en entrée et en sortie d'équipement ainsi qu'au niveau des connexions inter-cylindres permettra de valider les résultats numériques. Afin de décorréler les phénomènes couplés, un travail en l'absence de réaction chimique pourra être envisagé dans un premier temps.
Le banc pilote pourra éventuellement être utilisé pour évaluer la création d'entropie dans un réacteur-échangeur compact (empilement de plaques gravées de canaux en parallèle de dimension millimétrique). La technologie de fabrication additive permettra d'accéder à des géométries complexes (canal droit ou ondulé notamment) pour intensifier le transfert thermique tout en minimisant les pertes de charge.

Profil du candidat :
Nous recherchons un ou une candidat(e) motivé(e) par un doctorat ayant une formation en génie des procédés et/ou thermique-énergétique. Il ou elle devra présenter un goût pour l'expérimentation et pour la simulation numérique.

Prérequis :
 Bon niveau d'anglais, parlé et écrit.
 Aptitudes à la programmation (une bonne expérience avec Fluent et/ou Matlab serait un plus)
 Bonnes connaissances en thermodynamique, génie de la réaction chimique et phénomènes de transfert.

Références:
E. Johannessen, S. Kjelstrup, Minimum entropy production rate in plug flow reactors: An optimal control problem solved for SO2 oxidation, Energy, 29: 12 (2004) 2403–2423.
E.A. Garcia Hernandez, C. Ribeiro Souza, L. Vernières-Hassimi, S. Leveneur, Kinetic modeling using temperature as an on-line measurement: Application to the hydrolysis of acetic anhydride, a revisited kinetic model, Thermochimica Acta, 682 (2019) 178409.

Contexte de travail

Le Laboratoire Réactions et Génie des Procédés (UMR 7274) est une unité mixte du CNRS et de l'Université de Lorraine créée le 1er janvier 2010 et basée à Nancy. Son objectif scientifique général concerne l'étude des procédés pris dans leur globalité et leur complexité. Le LRGP développe des connaissances scientifiques et technologiques nécessaires à la conception, l'étude, la conduite et l'optimisation des procédés complexes de transformation physico-chimiques et biologiques, de la matière et de l'énergie. L'unité compte plus de 300 personnes, avec près de 20 chercheurs CNRS, 80 enseignants chercheurs, 45 personnels techniques et administratifs et 180 personnels non permanents (chercheurs sur contrats, 85 doctorants, post-doctorants, masters

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