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Élaboration, caractérisation et mise en œuvre d’un catalyseur dans le reformage du biogaz en vue de la production d’hydrogène vert
No full textBiogas production worldwide is increasing steadily. The combustion to generate heat and electricity, and the biomethane production for injection into the city gas grid are currently the two major industrial applications of biogas. Current research on biogas valorization targets the production of high-value products such as hydrogen for transportation. This is the main objective of the VABHYOGAZ3 project funded by ADEME, which aims at deploying the production of H2 from biogas in the Tarn department, France. Biogas steam reforming, adopted by the industrial partners of the VABHYOGAZ3 project, is a commonly used process in the industry to reform natural gas, but it is a highly energy-consuming process. This PhD thesis aims to develop efficient catalysts for the Dry Reforming of Methane (DRM: conversion of CH4 and CO2 into syngas - mixture of CO and H2) and for the Tri-Reforming of Biogas (Tri-RB: conversion of CH4, CO2, H2O and O2 into syngas). The ultimate goal was to optimize the energy efficiency of the overall process of H2 production through the reforming of biogas, which is essential to make the process economically viable. In fact, DRM and Tri-RB catalysts usually have the problem of catalytic deactivation due to coke deposition and thermal sintering at high temperature (> 700 °C). Obtaining an efficient catalyst under severe conditions of DRM and Tri-RM is crucial for the deployment of these processes at large industrial scale. First, a study on the thermodynamics of the overall processes for H2 production via the reforming of biogas was carried out. Mass and energy balances of these processes were also obtained by ASPEN simulation. Then, various nickel-based catalysts supported on hydroxyapatite (HAP) and on hydroxyapatite substituted with Mg (Mg_HAP) were prepared and characterized. HAP-based supports are considered to be new catalytic materials which have suitable properties for heterogeneous catalysis, in particular for high temperature processes such as DRM and Tri-RM. In this study, HAP supports having the Ca/P molar ratio of 1.55, 1.67 and 1.75, and Mg_HAP (substitution of 2.2, 5.8 and 8.5 % of Ca with Mg) have been synthesized. These supports were doped with 5 wt.% of Ni by incipient wetness impregnation method. These catalysts were evaluated for both DRB and Tri-RB reactions in a fixed bed reactor. A parametric study on the influence of operating conditions including temperature, total pressure, biogas feeding rate, and molar ratio of steam to methane (S/C) and oxygen to methane (O/C), has been performed. The objective was to compare and identify the best catalysts and the best operating conditions. Mass balances have been established experimentally. Catalytic deactivation has been discussed and evidenced. Finally, the stability of the best catalysts was studied for a long reaction time of 150-300 h, and catalyst regeneration was also performed. This work shows that Ni-based catalysts supported on HAP or on Mg_HAP are competitive to the best catalysts identified in the literature. This work also confirms the interest of the use of new HAP-based supports in heterogeneous catalysis and particularly in high temperature processes.La production du biogaz ne cesse d’augmenter dans le monde entier. La combustion pour produire de la chaleur et de l’électricité, de même que la production du biométhane pour l’injection au réseau de gaz de ville sont les deux applications industrielles majeures du biogaz. La recherche actuelle sur la valorisation du biogaz se focalise sur la production des produits à haute valeur ajoutée comme l’hydrogène pour la mobilité. C’est l’objectif principal du projet VABHYOGAZ3, financé par ADEME, qui vise à déployer la production d’H2 à partir du biogaz dans le Tarn. Le procédé de reformage du biogaz adopté par les partenaires industriels du projet VABHYOGAZ3 est le vaporeformage, qui est couramment utilisé dans l’industrie pour reformer le gaz naturel, et qui est un procédé fortement énergivore. Cette thèse a pour objectif de développer des catalyseurs performants pour le reformage à sec du méthane (RSB : conversion de CH4 et CO2 en syngas – mélange de CO et H2) et pour le tri-reformage du méthane (Tri-RB : conversion de CH4, CO2, H2O et O2 en syngas). Le but ultime est d’optimiser l’efficacité énergétique du procédé global de la production d’H2 via le reformage du biogaz, qui est indispensable pour rendre ce procédé économiquement viable. En fait, les catalyseurs en RSB et Tri-RB ont souvent le problème de désactivation catalytique en raison du dépôt de coke et du frittage thermique à haute température (> 700°C). L’obtention d’un catalyseur performant sous les conditions sévères de RSB et Tri-RB est crucial pour le déploiement de ces procédés à large échelle industrielle. Dans un premier temps, une étude sur la thermodynamique des procédés globaux de la production d’H2 via le reformage du biogaz a été effectuée. Les bilans de matière et d’énergie de ces procédés ont aussi été réalisés par la simulation sur Aspen Plus. Ensuite, différents catalyseurs à base de nickel supporté sur les supports d’hydroxyapatite (HAP) et d’hydroxyapatite substituée au Mg (Mg_HAP) ont été préparés et caractérisés. Les supports à base d’HAP sont considérés comme des nouveaux matériaux catalytiques qui ont des propriétés appropriées en catalyse hétérogène, en particulier pour des procédés à haute température tels que RSB et Tri-RB. Dans cette étude, les supports HAP ayant les rapports molaires de Ca/P de 1,55, 1,67 et 1,75, et Mg_HAP (substitution de 2,2, 5,8 et 8,5% de Ca par Mg) ont été synthétisés. Ces supports ont été dopés avec 5% en masse de Ni par imprégnation à sec. Ces catalyseurs ont été évalués dans les deux réactions de RSB et Tri-RB dans un réacteur à lit fixe. Une étude paramétrique sur l’influence des conditions opératoires incluant la température, la pression totale, le débit d’alimentation du biogaz, et le rapport molaire de la vapeur d’eau sur méthane (S/C) et d’oxygène sur méthane (O/C), a été effectuée. L’objectif a été de comparer et d’identifier les meilleurs catalyseurs et les meilleurs conditions opératoires. Les bilans de matières ont été établis. Les raisons de la désactivation catalytique ont été mises en évidence. Enfin, la stabilité catalytique des meilleurs catalyseurs a été étudiée pendant 150-300 h de réaction. Les résultats obtenus montrent que les catalyseurs à base de Ni supporté sur HAP ou Mg_HAP sont compétitifs par rapport aux meilleurs catalyseurs identifiés dans la littérature. Ce travail confirme également l’intérêt de l’utilisation des nouveaux supports à base d’HAP dans la catalyse hétérogène et en particulier dans les procédés à haute température
Évaluation de l’incertitude pour l’aide à la replanification en horizon glissant d’une chaîne logistique
No full textLe congrès a pour titre "Nouvelles avancées et défis pour des industries durables et avisées"International audienceDans une chaîne logistique constituée d’unités de fabrication et de distribution indépendantes, chaque maillon planifie ses activités et partage ses plans avec les autres partenaires afin d’aligner leurs planifications et éviter les ruptures en bout de la chaîne. Dans cet article, nous adoptons le point de vue d’un planificateur de distribution centrale qui se situe entre la production et des centres de distributions locaux. Dans le contexte d’une planification tactique à horizon glissant, ce dernier modifie sa planification afin de l’adapter aux événements et aléas de la semaine. Cela peut augmenter significativement la nervosité du système de planification et le besoin d’agilité et flexibilité au sein de la chaîne logistique. La nervosité des décisions des autres planificateurs de la chaîne est vue comme source d’incertitude pour sa planification. Ainsi, nous considérons l’incertitude sur les demandes de ses clients et sur les réceptions prévues de ses fournisseurs. Nous proposons une évaluation possibiliste des risques et de la robustesse de ces plans de livraisons sous incertitude, dans un cadre d’aide à la décision
Système à base de connaissances pour aider l'ingénierie des risques en réponse à appel d'offres
No full textLe congrès a pour titre "Nouvelles avancées et défis pour des industries durables et avisées"International audienceL'élaboration d'une offre, lors d’une réponse à appel d'offres, est un processus complexe, généralement caractérisé par des informations partielles et imprécises ainsi qu’un temps de réponse limité. Adoptant le point de vue des entreprises soumissionnaires, cet article se concentre sur l'ingénierie des risques portant sur les activités du processus de fabrication d’un produit, de sa conception à sa livraison. Plus précisément, cet article propose un système à base de connaissances pour aider à l'identification et l'analyse (probabilité / impact) des risques qui peuvent survenir au cours du processus de fabrication. Cette identification des risques a lieu durant la phase de réponse à appel d'offres, de sorte que les risques identifiés et leurs impacts peuvent être pris en compte dans l’offre faite au client. Grâce au système proposé, les connaissances en matière d'ingénierie des risques peuvent être capitalisées et réutilisées pour aider à l’élaboration de nouvelles offres. Les connaissances en matière d'ingénierie des risques sont structurées par un modèle unifié. Pour aider les décideurs dans leur processus d'ingénierie des risques, une méthode de réutilisation, inspirée du raisonnement par analogie, est proposée pour exploiter les connaissances pertinentes. Le système proposé permet d'obtenir des offres plus précises, moins risquées et dans lesquelles il y a une forte confiance à livrer ce qui a été présenté au client. Ce travail peut être étendu pour modéliser et choisir les meilleures stratégies de mitigation des risques
A Physics-Based Enterprise Modeling Approach for Risks and Opportunities Management
No full textPart 7: Risk and Security ModelingInternational audienceManagement Science tries to enable managers and decision-makers to take the desired solutions to guide systems toward their objectives. This requires identifying the different dimensions of the system. Organizations and enterprises are complex systems associated with uncertainties in dynamic business contexts, that interact with their environments. Due to pressures such as collaborations with their customers, suppliers, their environment, the seek for innovations, etc., the performance may be changed by internal and external risks and opportunities that push and pull the enterprises like forces. Thanks to Physics of Decision (PoD), by identifying these pressures according to the organization’s features and objectives, unstable conditions due to the forces, can be detected and identified as risks and opportunities. This article attempts to present a time-dependent dynamic framework, based on a physical approach to identify risks and opportunities seen as forces applied on Organizations and Enterprises
The microwave assisted extraction sway on the features of antioxidant compounds and gelling biopolymers from Mastocarpus stellatus
No full textInternational audienceMicrowave assisted water extraction of hybrid carrageenan and antioxidant compounds from Mastocarpus stellatus red alga was first proposed to recover biopolymers with specific rheological properties, saving time, avoiding chemicals and enhancing extraction yields when compared with conventional treatments. The hybrid carrageenans, precipitated from the liquid fractions recovered after microwave assisted water extraction were analyzed by Fourier transform infrared attenuated total reflectance, high-performance size-exclusion chromatography and rheology. The corresponding soluble extracts were also characterized by total phenolic content, antioxidant capacity, proteins, sulfate and carbohydrate content. The highest phenolic, antioxidant capacity and sulfate content were observed at 190 °C, without notable effect of heating time between 3 and 6 min. In contrast, a clear impact of both microwave heating temperature and time on the molecular weight distribution of hybrid carrageenans as well as on the viscoelastic behavior of formulated hydrogels was identified, being the strongest hydrogels achieved at 170 °C for 6 min. It should be highlighted that all proposed hydrogels exhibited stable mechanical properties in the absence of syneresis for a month of cold storage, except those made with biopolymers obtained with the mildest extraction conditions (3 min at 70 °C)
Panorama des recherches à l’IMT sur les matériaux pour la transition environnementale
No full textNational audienc
Influence de la microstructure sur le comportement mécanique de l'alliage de titane Ti-6Al-4V : étude expérimentale et modélisation numérique multi-échelle
No full textImproving the mechanical performances of materials used in aeronautics industry is generally based on the understanding of the relationships between their microstructural features and their mechanical behavior observed at the macroscopic scale. In addition, the heterogeneous and the anisotropic nature of many materials, in particular Ti-6Al-4V titanium alloy, implies a rather detailed investigation of the mechanical behavior at the local scale. This PhD work is a contribution to analyze the mechanical behavior of the Ti-6Al-4V alloy submitted to monotonic and cyclic loadings by considering relationship with the microstructure features. Microstructural characterizations were first performed on nodular Ti-6Al-4V microstructures with identical crystallographic texture and three different grain sizes (ultra fine, fine and standard), then on microstructures with the same grain size but two texturing degrees (strong texturing and weak) were assessed. In a second step, mechanical tensile and cyclic experiences were carried out. The results were used in development of a model with a macroscopic approach. Subsequently, a sliding trace analysis technique was developed in order to identify the contribution of different sliding systems on the accommodation of plastic deformation during the tensile or cyclic loadings. The final part of PhD work was dedicated to the development of a Crystal Plasticity-Finite Element model (CPFEM) to analyze the coupled effect of the average grain sizes, their relative scattering and crystallographic textures on the mechanical behavior at different scales: microscopic (sliding mechanism), mesoscopic (grains) and macroscopic scales. The model parameters were identified using appropriate techniques for the scale transitions. The Representative Volume Element (RVE) necessary for such modeling has been optimized with two constraints: a representative number of grains and an adequate meshing in terms of numbers and type of elements. The numerical simulations were performed using Abaqus/ Standard finite element calculation code interfaced by ZMAT library.L’amélioration des performances mécaniques des matériaux utilisés dans l’aéronautique repose généralement sur la compréhension de la relation entre les paramètres microstructuraux et le comportement mécanique macroscopique. De plus, le caractère hétérogène et anisotrope de la plupart des matériaux métalliques, notamment l’alliage de titane Ti-6Al-4V, implique une étude assez approfondie à l’échelle locale. Ce travail constitue une contribution dans ce domaine. Il a pour but d’analyser le comportement mécanique de l’alliage Ti-6Al-4V soumis à des sollicitations monotones et cycliques en lien avec la microstructure. Des caractérisations microstructurales ont été tout d’abord effectuées sur des microstructures nodulaires de Ti-6Al-4V possédant la même texture cristallographique mais avec trois tailles de grain différentes : ultra fine, fine et standard, puis sur des microstructures possédant la même taille de grain mais avec deux textures différentes : forte et faible. Dans une deuxième étape, des essais mécaniques monotones et cycliques ont été réalisés. Les résultats de cette partie ont permis le développement d’un modèle à l’échelle macroscopique. Par la suite, une technique d’analyse des traces de glissement a été développée dont l’objectif est d’identifier la contribution de différents systèmes de glissement dans l’accommodation de la déformation plastique. La dernière partie de cette thèse a été consacrée au développement d’un modèle de plasticité cristalline couplé à la méthode des éléments finis (Crystal Plasticity Finite Element Method (CPFEM)) permettant d’analyser l’effet couplé de la taille moyenne des grains, leur dispersion relative et leur texture cristallographique sur le comportement obtenu aux échelles microscopique, mésoscopique et macroscopique. Les paramètres du modèle ont été identifiés en utilisant des techniques appropriées de transition d’échelles en champs moyens. Les Volumes Élémentaires Représentatifs (VER) utilisés dans le modèle ont été optimisés en considérant deux contraintes majeures : un nombre de grains représentatif et un maillage adéquat. Les simulations numériques ont été réalisées par le biais du code de calcul éléments finis Abaqus/Standard interfacé par la librairie ZMAT
New tool for reduction of harmful particulate dispersion and to improve machining quality when trimming carbon/epoxy composites
No full textInternational audienceConventional machining of carbon fiber reinforced plastic composites (CFRPs) generates minute chips that get suspended in air causing a hazard compromising operator safety. This study investigates the influence of cutting parameters (feed speed, cutting speed, radial depth of cut, tool geometry and tool wear) during trimming of CFRP on the form and quantity of harmful particles dispersed. Also, performance of two classical PCD tool geometries (two straight flutes, two helix flutes) have been compared with newly designed (in collaboration with ASAHI Company) four serrated straight flutes for the purpose of dust emission reduction. The quantification of the number of harmful particles was estimated using laser spectroscopic dust monitor. The results reveal that, trimming with a combination of higher feed speed and lower cutting speed can reduce the dispersion of harmful particles. Further, the four serrated straight flutes recorded the least number of harmful particles compared to the conventional tools
Toward Automated Qualitative Supply Chain Diagnoses in Engineering-to-Order Environment
No full textInternational audienceEngineer-To-Order (ETO) environments are more and more numerous in Supply Chains. Most of the concerned companies use continuous improvement methods such as Lean Engineering, Agile Management or Thinking Processes from the Theory of Constraints to stay competitive. All these methods start with a diagnosis step and their relevance is highly depending of the quality of this step. However, literature analysis shows that they are often time-consuming and inconsistent. One of the key issues of these weaknesses is that they do not consider enough the qualitative dimension of the ETO context. Consequently, we suggest in this paper a decision support system able to manage a rapid and relevant qualitative ETO diagnosis based on the Thinking Processes paradigm. This system is designed around a generic reality tree knowledge base and a set of dedicated inference rules. A real industrial application case is described and discussed. In this case study of an ETO oil&gas company, the diagnosis process has been reduced from 15 days to 1 day using this tool with the same starting conditions of the classical diagnosis
Collaborative Supply Chain Distribution Planning under uncertainty
No full textInternational audienceThe need for agility in a collaborative supply chain leads to rescheduling decisions in order to align the plans of the various SC partners throughout the planning rolling horizon. However, these decisions affect the nervousness of the system and do not necessarily change much in terms of network performance, hence the need to improve planning decision-making processes. In this work, we propose a decision support interface that will provide the decision-maker with a dual perspective for evaluating his/her planning decisions. On the one hand, the impact of rescheduling decisions on the nervousness and instability of the planning system and, on the other hand, the impact of these changes on the system's performance and risk assessment considering the uncertainties of the planning parameters. This will help the decision-maker in finding the right compromise between these two levels of assessment