Caractérisation, compréhension et prédiction des écoulements de solides granulaires biogéniques dans les procédés de production de biocarburants

Cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet PEPR EBIOCARB (« Carburants durables hybrides : e-biocarburants »), dont l'objectif est de développer des chaînes de production optimisées d'e-biocarburants pour les secteurs aérien et maritime, à partir de biomasse et d'hydrogène bas-carbone, en maximisant les rendements matière et énergie tout en réduisant les impacts environnementaux et les coûts de production. Ce programme bénéficie d'une aide de l'État au titre de France 2030 et implique 6 établissements d'enseignement supérieur et de recherche (dont l'UTC), ainsi que 6 organismes de recherche. 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 œuvre, 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 œuvre 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 œuvre 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). École doctorale : Sciences pour l'ingénieur Direction : Mikel LETURIA Financement : ANR Financement d'Agences de financement de la recherche