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Pour la rentrée 2009 nous proposons les sujets de thèses, post-docs et masters recherche suivants :

MASTER Génie des procédés : étude morphologique et fluidisation des poudres de biomasse brutes et torréfiées

POST DOC : simulation numérique de la dynamique des systèmes multiphasés et intégration à un code transport réactif 

 THESE - Instrumentation: Conception d’un système multicapteurs de gaz pour le suivi en ligne de polluants atmosphériques

THESE: Modélisation cinétique de la corrosion en phase gaz de cermets.

THESE: Développement de piles à combustible de type SOFC en technologie planaire couches épaisses / Application à l'étude de dispositifs mono-chambres
THESE: Développement d'un pré-concentrateur pour système de détection de gaz
THESE: Modélisation de procédés de transformation des solides : utilisation du code de calcul CIN4 pour modéliser la transformation chimique d'un solide poreux nanostructuré

 

 

 

 

 

 

 

 

 
   

 

Pour plus de renseignements ...

 

 

 

  Etude morphologique et fluidisation des poudres de biomasse brutes et torréfiées

Dans le cadre du développement de la chaîne B-XTL pour la production de biocarburants de deuxième génération par voie thermochimique, un prétraitement de la biomasse lignocellulosique avant gazéification peut s'avérer nécessaire afin de faciliter le broyage de la biomasse ainsi que la coulabilité de la poudre obtenue. En effet, la nature fibro-élastique de la biomasse lignocellulosique fait que le coût de broyage du bois est très élevé. Aussi, les particules résultantes se caractérisent par leur caractère fibreux, avec des propriétés de coulabilité médiocres.

Un possible prétraitement est la torréfaction, une pyrolyse ménagée, entre 200 et 300 °C qui fragilise le bois et le rend hydrophobe. Les propriétés physiques du bois torréfié, plus fragile, diffèrent de celles du bois brut. L'énergie nécessaire au broyage diminue, et la forme des particules ainsi que leur comportement peuvent être aussi différents. Cependant, ces modifications dépendent fortement de la nature de la biomasse (type d'essence, origine, degré d'humidité...) et des conditions du traitement (température, temps de séjour, vitesses de montée en température et de refroidissement).

La torréfaction de bois a fait l'objet d'un post-doctorat (Vincent Repellin) financé par l'IFP à l'École des Mines de Saint Etienne. Les résultats de ce travail montrent une réduction de l'énergie nécessaire au broyage qui varie entre 15 et 90%, en fonction du niveau de température du traitement, du temps de séjour et du type d'essence. La torréfaction du bois entraîne aussi une perte de masse qui peut être importante pour des niveaux de températures élevés. L'étude réalisée à l'EMSE a montré un point optimum du traitement entre le gain en énergie de broyage obtenu et la perte de matière associée. Cet optimum se trouve autour de 8% de perte de masse anhydre. Les conditions pour lesquelles cette valeur est obtenue varient avec le type d'essence. Pour le bois de hêtre le niveau de température est d'environ 240°C et pour l'épicéa il est d'environ 260°C.

D'autre part, la gazéification de la biomasse qui précède la synthèse Fischer-Tropsch nécessite l'injection d'un solide finement divisé (de l'ordre de 100 – 500 µm) qui alimente un brûleur. La capacité d'une poudre à être transportée dans le réacteur dépend fortement de son comportement à la fluidisation. La fluidisation d'une poudre, qui est intimement liée à sa coulabilité, est très influencée par la forme des particules et par leur état de surface.

Un sujet de stage de recherche (pour un élève du Master en Génie des Procédés à l'EMSE) est proposé autour de l'étude morphologique et la fluidisation des poudres de biomasse brutes et torréfiées. L'EMSE possède des outils d'imagerie (microscopie numérique) et de traitement d'images qui permettront des études statistiques sur la forme des poudres. Les poudres étudiées seront celles obtenues pendant le post-doctorat de Vincent Repellin, ainsi que d'autres poudres de bois non-torréfiées qui ont été broyées avec des technologies de broyage différentes. La capacité à la fluidisation serait étudiée dans un premier temps à partir de tests de coulabilité et de rhéologie (un rhéomètre pour solides est aussi disponible à EMSE). Des tests de fluidisation en colonnes de laboratoire auront ensuite lieu dans les locaux de l'IFP.

Le stage de Master aura une durée de 6 mois, entre mars et septembre 2009. Le programme proposé est le suivant :

- Mois 1 : étude bibliographique et mise au point du protocole expérimental (à l'EMSE).
- Mois 2 et 3 : étude de la morphologie et état de surface des poudres par imagerie (à l'EMSE).
- Mois 4 : étude rhéologique et de coulabilité (à l'EMSE).
- Mois 5 : étude de fluidisation (à l'IFP).
- Mois 6 : rédaction du rapport (à l'EMSE).

Contact : René Guyonnet guyonnet@emse.fr
Centre SPIN-EMSE C3 22
Tel : 04.77.42.00.30

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  Simulation numérique de la dynamique des systèmes multiphasés et intégration à un code transport réactif

Contexte
Le stockage du CO2 par séquestration géologique est une des solutions largement étudiées pour réduire la concentration de gaz à effet de serre dans l'atmosphère; du fait des échelles de temps et d'espaces envisagées, la simulation numérique est essentielle pour tester les scénarios possibles de séquestration.
Le post-doctorat proposé s'inscrit dans le cadre de SHPCO2, un projet ANR qui réunit l'IFP, INRIA, l'Université Paris XIII, le BRGM, et l'Ecole des Mines de Saint Etienne. L'objectif de SHPCO2 est le développement d'une plate-forme pour des simulations de transport réactif à grande échelle (quelques millions de cellules et un grand nombre d'espèces chimiques).


Programme
Le travail proposé sera focalisé sur le "module géochimique" du code de transport réactif. Ce module simule la dynamique des interactions eau - roche au sein d'une cellule donnée, c'est-à-dire le couplage entre le transport des espèces mobiles, l'équilibre des espèces dans / entre les phases mobiles, et les cinétiques de précipitation dissolution des minéraux. En raison du rôle central de ce module dans le simulateur de transport réactif, l'amélioration de son efficacité numérique est essentielle pour la performance globale du simulateur.
Les travaux viseront à étendre et optimiser une bibliothèque en cours de développement (*) pour les calculs d'équilibre et de cinétique des processus multi-phase. Il est envisagé, entre autres, de développer les approches par minimisation globale en contexte dynamique, pour mieux gérer les systèmes comportant plusieurs mélanges (solutions solides, mélanges gazux). L'intégration du module géochimique avec les codes de transport nécessitera une coopération étroite avec les autres équipes du projet, en particulier à l'IFP et l'INRIA.
Outre son intégration dans SHPCO2, la bibliothèque sera également disponible en tant que boîte à outils générale potentiellement utile dans tout projet de modélisation multiphysique.
(*) http://www.emse.fr/~moutte/arxim


Dates
12 mois, à partir de Janvier 2009


Contact

SPIN, Ecole des Mines, 158 Cours Fauriel, 42100 Saint Etienne, France

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   Conception d’un système multicapteurs de gaz pour le suivi en ligne de polluants atmosphériques

 

Nous recherchons un candidat pour une thèse qui  concerne le développement d’un système multi-capteurs permettant une évaluation en continu de certaines composantes de pollution atmosphérique. Le projet se basera sur l’utilisation de différents capteurs de gaz disponibles dans le commerce (capteurs de type résistif, électrochimique …) qu’il faudra intégrer dans un dispositif autonome afin de fonctionner sur site. Une première partie du travail, effectuée à l’Ecole des Mines de Saint-Etienne, portera sur le choix, la mise en œuvre des capteurs et leur évaluation sur banc de gaz synthétiques. Une seconde étape consistera en des mesures sur site avec le système multicapteur conçu.  Un modèle de comportement (PLS, réseau de neurones…) sera construit sur la base de ces mesures ainsi que des analyses de gaz effectuées à l’Ecole des Mines de Douai par des techniques physico-chimiques conventionnelles sur des échantillons gazeux prélevés sur site. L’application finale est la mise en réseau de tels dispositifs pour le suivi et la cartographie de polluants sur un site de type périurbain et industriel.

Le candidat aura un profil instrumentation (exploitation des capteurs, mesure, traitement des données). Il devra être à l’aise avec les outils informatiques et de mathématiques appliquées afin de maitriser rapidement les outils de traitement de données comme les réseaux de neurones.

Dates
A partir d'octobre 2009

Responsables du projet : ,

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  Modélisation cinétique de la corrosion en phase gaz de cermets

Les cermets sont des matériaux utilisés notamment pour fabriquer des outils de coupe, des pièces d'usure, des pièces aux propriétés thermomécaniques et conductrices singulières. Ils sont généralement constitués, d'une phase céramique majoritaire et d'une phase liante métallique ce qui leur confère une conjugaison intéressante des propriétés des céramiques et des métaux comme par exemple une bonne résistante à la corrosion par les gaz oxydants. Le terme céramique est pris ici au sens large, incluant en particulier les oxydes, nitrures, carbures et borures. Citons par exemple le cas des cermets constitués de particules de diborure de titane insérées dans une matrice d’acier inox utilisés dans les réacteurs chimiques de l’industrie du raffinage du pétrole.
Certains métaux (fer, nickel, cobalt, chrome, cuivre, etc..) ou leurs alliages sont utilisés comme liants dans la fabrication de cermets à base de céramiques. Ces métaux ou alliages ont une double fonction. Ils assurent la formation d'une phase fusible liquide mouillant le composant solide ce qui facilite le frittage et permet une densification totale. Ils apportent une certaine ténacité au cermet fritté qui est donc ainsi formé d'une phase dure mais fragile (la céramique) et d'un liant métallique moins dur mais ductile (le métal ou alliage liant).
La corrosion en phase gaz des alliages métalliques est largement étudiée. En revanche très peu d’études sont consacrées aux réactions des gaz (O2, H2O,…) avec des matériaux composites de type cermet.
L’objectif du travail de thèse est de réaliser la modélisation cinétique de la corrosion en phase gaz des cermets et d’étudier les mécanismes réactionnels mis en jeux conduisant à des lois prédictives de comportement. L’étude se fera à partir d’un matériau modèle choisi après une recherche bibliographique. Le travail expérimental consistera à suivre la cinétique de corrosion à l’aide d’études thermogravimétriques. Le matériau corrodé sera caractérisé.
Les recherches seront effectuées dans le cadre de collaborations au niveau d’un GDR du CNRS

Contacts : ,

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  Développement de piles à combustible de type SOFC en technologie planaire couches épaisses / Application à l'étude de dispositifs mono-chambres

Le département MICC recherche un candidat pour une thèse dans le domaine des piles à combustibles de type SOFC. Le sujet concerne le développement d’un nouveau concept de piles appelé « mono-chambre » et ceci en technologie planaire couches épaisses. Le candidat doit posséder un Master en Matériaux ou Génie des Procédés, ainsi que des connaissances de bases en catalyse et réactivité des solides. Le travail consistera à élaborer des dispositifs de piles SOFC mono-chambre par la technologie de dépôts sérigraphie en couches épaisses. Les premières configurations étudiées seront de type NiO-CGO / CGO / LSM, la nature des matériaux d’électrodes et de l’électrolyte pouvant évoluer en cours de thèse. Les propriétés catalytiques et électrochimiques des différents matériaux seront évaluées sur banc gazeux. La modélisation de systèmes mono-chambre devra prendre en compte les aspects géométriques des dispositifs ainsi que le dimensionnement du réacteur contenant le système. Une partie importante du travail sera consacrée à l’ensemble des caractérisations physico-chimiques (structure, texture, réactivité, propriétés mécaniques, propriétés électriques et électrochimiques,…..).

Responsables : : 04 77 42 02 52 / : 04 77 42 01 44

Collaborations : plusieurs laboratoires français dans les domaines de la catalyse, de l’élaboration des matériaux ainsi que de l’électrochimie. Plusieurs projets sont en cours de montage dans le cadre de l’ANR, de l’Institut Carnot-Mines, ainsi que du groupe GEM (Groupement des Ecoles des Mines).

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  Développement d'un pré-concentrateur pour système de détection de gaz

Au cours de thèses précédentes, toute une base technologique a été mise en place pour la réalisation de micro-réacteurs et pré-concentrateurs en technologie silicium, y compris le dépôt de catalyseurs ou matériaux adsorbants dans des micro-canaux, la connectique, les éléments chauffants. Il convient maintenant de valoriser ce savoir faire dans des applications spécifiques. Les pré-concentrateurs présentent en particulier un très fort intérêt pour les systèmes miniaturisés de détection de gaz car ils doivent permettre de réaliser des micro-colonnes pour concentrer des gaz dont la très faible concentration est en dessous du seuil de détection des capteurs de gaz. Le travail consistera à optimiser un pré-concentrateur existant en améliorant la nature des matériaux adsorbants en fonction des gaz cibles, et la méthode de dépôt de ces matériaux au sein des micro-canaux. Les développements technologiques seront fait en collaboration avec l’Institut de Microtechnologie de Neuchâtel. (IMT, Suisse). Le fonctionnement du dispositif complet pré-concentrateur-capteur devra ensuite être modélisé afin d’optimiser les paramètres de fonctionnement (température, débit…).

Compétences demandées :
Génie des Procédés, matériaux, réactivité des solides, technologies microsystèmes, modélisations thermo-fluidiques

Thèse annulée

Responsables : : 04 77 42 01 51 / : 04 77 42 01 44

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  Modélisation de procédés de transformation des solides : utilisation du code de calcul CIN4 pour modéliser la transformation chimique d'un solide poreux nanostructuré

Les matériaux poreux nanostructurés (tels que les mousses céramiques, le carbure de titane, les grains de carbone, etc...) suscitent actuellement un engouement important en raison de leurs applications très variées dans des domaines aussi divers que l'élaboration de céramiques à structure contrôlée, la catalyse, le transport de gaz ou d'espèces chargées, la conception de nanomatériaux, etc...
Le but de cette thèse sera d'étudier une réaction chimique sur un matériau poreux nanostructuré à l'aide d'expérimentations en thermogravimétrie notamment, et de modéliser cette réaction en utilisant les outils de la cinétique hétérogène et le code de calcul CIN4. Ce code multi-physique, provenant de la collaboration entre la société ASTEK Rhône-Alpes et le centre SPIN de l'École Nationale Supérieure des Mines, est un outil scientifique capable de modéliser un réacteur hétérogène. Il permet de prévoir l’évolution d’un système granulaire subissant une transformation solide-gaz. Il prend en compte à la fois la cinétique de réaction au niveau du grain, mais également les transports de matière et de chaleur au sein du milieu granulaire.

Contacts :

  Renseignements complémentaires
 
Statut

Certains sujets sont réalisés dans le cadre de bourse CIFRE (voir conditions spécifiques avec les contacts).
Concernant les autres sujets, les thèsards bénéficieront d'un statut salarié. Ils auront également la possibilité d'un monitorat. Dans ce cas, le salaire mensuel est de 1350 € net environ.

 
 

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Mise à jour, le 22/01/09. haut