Particules imprégnées : mise en œuvre et application aux procédés de séparation de mélanges gazeux en lit fixe, Impregnated particles : preparation and use in gas separation process in fixed bed

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INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE
École Nationale Supérieure des Industries Chimiques
École doctorale RP2E
Centre de Milieux Rhéologiquement Complexe GEMICO


Thèse


Présentée en vue de l‘obtention du titre


DOCTEUR
de L’INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE

Spécialité : Génie des procédés et des produits


Par


Luis Fernando MADARIAGA CALLES


Particules Imprégnées : mise en œuvre et application aux
procédés de séparation de mélanges gazeux en lit fixe



Soutenue publiquement le 6 juillet 2009 devant la commission d‘examen




Membres du Jury :

Président : Ulrich TRAEGNER (Hochschule Mannheim)

Rapporteurs : Raffaella OCONE (Heriot-Watt UniversityEdinburgh)
Francis MEUNIER (CNAM, Paris)

Examinateurs : Lionel CHOPLIN (Directeur)
Christophe CASTEL (Co-directeur)
Eric FAVRE (ENSIC, Nancy)

Invité : Michel SARDIN (ENSIC, Nancy)
Remerciements
Ce travail a été réalisé au sein du Centre de Génie Chimique des Milieux Rhéologiquement
Complexes (GEMICO) à l‘ENSIC, sous la direction de Lionel Choplin et Christophe Castel,
en collaboration avec Eric Favre du Laboratoire des Sciences du Génie Chimique (LSGC).
Je souhaite remercier tout d‘abord Lionel Choplin, directeur du laboratoire GEMICO, de
m‘avoir accueilli dans le laboratoire et d‘avoir dirigé ce travail de thèse. Je voudrais remercier
également Christophe Castel pour avoir encadré ce travail de thèse avec beaucoup d‘intérêt,
pour son soutien et sa disponibilité, pour nos nombreuses et très enrichissantes discussions, et
pour son amitié. J‘ai eu un grand plaisir à travailler sous sa direction.
Je tiens également à remercier Eric Favre, pour son aide dans ce travail de thèse, pour ses
conseils avisés, ses encouragements et pour son aide et sa confiance dans mon travail comme
ingénieur d‘étude au CNRS. Je remercie chaleureusement Philippe Marchal pour son aide
dans le domaine de la rhéologie et les nombreuses discussions que nous avons eu tout au long
de ces années.
Je remercie Raffaella Ocone, professeur à Heriot-Watt University de Edimbourg, et Francis
Meunier, professeur au CNAM Paris, d‘avoir accepté de rapporter ce travail, ainsi qu‘Ulrich
Traegner, professeur au Hochschule Mannheim qui a accepté de présider mon jury de thèse.
Je remercie également Michel Sardin pour avoir fait parti de mon jury de thèse.
Je souhaiterais également remercier les membres permanents du Gemico, Véronique Sadtler,
Eric Schaer et Cécile Lemaître pour leurs encouragements, les discussions partagées pendant
ces années et les bons souvenirs des pauses cafés du laboratoire. Je remercie également
Josiane Moras et Josiane Bourré pour leur aide administrative et technique, pour leur
disponibilité et pour leur bonne humeur.
Je voudrais remercier les membres du LSGC, spécialment Denis Roizard et les thésards du
groupe GPS, ainsi que les membres du groupe SysPol qui ont travaillé avec moi, pour m‘avoir
accueilli dans leur laboratoire.
Je souhaiterais également remercier Jean-Louis Salager pour son soutien et pour avoir partagé
avec moi son amitié et sa vision de la recherche scientifique.
Je tiens à remercier le financement de trois années de thèse qui m‘a été accordé par la
Fundación Gran Mariscal de Ayacucho.
La mezzanine du Gemico sera toujours un excellent souvenir. Je tiens à remercier tous les
thésards et amis qui ont partagé tous ce temps avec moi : Hala, Vincent, Emilio, Ronald,
Johanna, Delphine, Nadia W., Nadia S., Oscar, Sébastien, et Dora. Je remercie également les
étudiantes de Master Christine et Maria qui ont travaillé avec moi et qui ont contribué à mon
travail, ainsi que les autres stagiaires, étudiants Ensic et Erasmus qui ont partagé ce temps
avec moi.
Un grand merci à Marianna qui a partagé avec moi chaque jour de ce travail, pour son soutien,
ses encouragements et ses précieux conseils.
Enfin je remercie ma famille et toutes les personnes qui m‘ont aidé de près ou de loin, tout au
long de ces années. Table des Matières

Introduction générale .......................................................................................... 1


Chapitre I : Imprégnation de particules poreuses avec un polymère. ........... 7

I.1 Aspects fondamentaux de l’imprégnation .............................................................. 7
I.1.1 Variables clés dans le processus d‘imprégnation d‘un solide poreux par un
liquide. ................................................................................................ 7
I.1.1.1 Viscosité ......................................... 7
a) Fluides newtoniens ............................................................. 9
b) Fluides non-newtoniens ...................... 9
I.1.1.2 Tension superficielle ................................ 9
I.1.1.3 Mouillabilité ................................. 11
I.1.2 Dynamique de l‘imprégnation .............. 13
I.1.2.1 Imprégnation d‘une particule poreuse .......................................................... 16
I.1.2.2 Imprégnation avec des élastomères et polymères très visqueux. ................. 19
I.1.3 Limite de saturation en liquide d‘un solide poreux. ............. 20
I.1.3.1 Perméabilité relative ..................................................... 20
I.1.3.2 Interconnectivité de pores. ........................................... 22
a) Techniques de mesure de la connectivité ......................... 22
b) Interconnectivité dans la silice ......................................... 25
I.2 Caractérisation du processus d’imprégnation. .................................................... 26
I.2.1 Matériels et Méthodes .......................................................... 27
I.2.1.1 Le solide poreux ........................... 27
I.2.1.2 Les liquides d‘imprégnation ......................................................................... 28
I.2.2 Imprégnation dans un rhéomètre pour la caractérisation dynamique................... 30
I.2.3 Imprégnation dans un microscope ........ 33
I.2.4 Imprégnation avec évaporation du solvant ........................................................... 35
I.2.4.1 Problèmes de la méthode sèche .................................... 36
I.2.4.2 Problèmes avec l‘imprégnation humide « wet impregnation ». ................... 36
I.3 Caractérisation finale des particules imprégnées. Techniques pour mesurer la
saturation en liquide ou le taux d’imprégnation ............................................................. 37
I.3.1 Méthodes potentielles de caractérisation des particules finales ........................... 38
I.3.1.1 Rhéologie ..................................................................... 38
I.3.1.2 Cryoporométrie RMN .................................................. 39
I.3.2 Méthodes de caractérisation employées ............................................................... 41
I.3.2.1 Caractérisation optique des particules .......................... 42
I.3.2.2 Pycnométrie .................................................................. 43
I.3.2.3 Analyse au Malvern en liquide. .... 44
I.3.2.4 Analyse au Malvern en voie sèche. .............................................................. 45
I.3.2.5 Conclusion .... 47
I.3.3 Méthode originale du laboratoire. Caractérisation rhéologique des particules
imprégnées ....................................................................................... 48


ii
Characterization of impregnated particles via powder rheology .................................. 50