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Stratégie expérimentale pour la détermination de modèles stoechio-cinétiques des réactions de dégradation thermique

Reverte, Cédric (2007) Stratégie expérimentale pour la détermination de modèles stoechio-cinétiques des réactions de dégradation thermique. (Experimental stategy for the determination of stoichio-kinetics models of thermal degradation reactions.)

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Abstract

Le développement d'outils de simulation de procédés thermiques à l'échelle industrielle adaptés à divers déchets ou mélange de déchets solides, implique de comprendre convenablement et de décrire les phénomènes physico-chimiques se produisant au cours du traitement de ces déchets. Les travaux présentés font partie d'un effort continu de recherches sur le développement d'une méthodologie générale visant à la détermination des paramètres cinétiques de la décomposition thermique d'un solide à partir d'un dispositif d'analyse termogravimétrique (TGA) et sous des conditions opératoires variables. Tout d'abord, une procédure d'estimation numérique est mise en place et utilise la méthode de Levenberg-Marquardt qui, à partir de mesures expérimentales thermogravimétriques, permet une identification des paramètres cinétiques. L'estimation est réalisée en minimisant un critère basé sur la somme des écarts quadratiques entre les mesures expérimentales de la variation de masse de l'échantillon solide et l'évolution simulée de cette masse. Une analyse de l'interdépendance des paramètres à estimer est réalisée par le biais du calcul des cœfficients de sensibilité relative. Une meilleure homogénéisation de ces cœfficients est obtenue en opérant une reparamétrisation des paramètres recherchés. Les applications concernent la dégradation thermique de la cellulose. Ensuite, nous présentons des techniques numériques supplémentaires permettant d'évaluer les intervalles de confiance associés aux paramètres cinétiques estimés, autrement dit, une analyse sur la qualité de l'estimation est apportée, ce qui représente une étape essentielle du travail de détermination des paramètres cinétiques d'un modèle. Dans le but d'améliorer la précision et la fiabilité des paramètres estimés, on cherche à réduire les intervalles de confiance associés à ces paramètres. Pour cela, on détermine les conditions opératoires optimales nécessaires, et plus précisément le profil de température optimal à appliquer à l'échantillon solide au cours de l'analyse thermogravimétrique. De ce point de vue, ce travail peut être vu comme une conception optimale des expériences TGA pour modéliser la cinétique de dégradation thermique d'un solide donné. Dans une dernière partie, le solide étudié est un déchet industriel qui est le carton. Toutes les applications réalisées sur la dégradation thermique de la cellulose et du carton ont montré les améliorations apportées à la procédure d'estimation des paramètres cinétiques. ABSTRACT : The development of design tools for industrial scale thermal processes adapted to various waste or mixed waste implies to correctly understand and describe the physical-chemical phenomena occuring inside the pyrolisis vessel, i.e. the chemistry of the solid decomposition, the thermal transfer between wall, solid and gas phases, but inside the solid phase too, and the solid transport properties according to the chosen process. The presented work is part of an ongoing research effort on the pyrolysis conditions with Thermo Gravimetric Analysis (TGA) devices. The goal is to determine a simple and robust kinetic model for a given solid with the minimum of TGA experiments. From this last point of view, this work can be seen as the optimal design of TGA experiments for pyrolysis kinetic modelling. A numerical estimation procedure to determine simultaneously the kinetic parameters from TGA experiments under different thermal conditions has been developed. This numerical procedure is utilized in recovering the kinetic parameters of the given model. The presented parameter estimation problem is solved with a gradient type-method by minimizing the least square norm. The squared difference represents the discrepancy between the measured mass variations durind pyrolysis and the mass responses obtained with numerical solution of the model. The applications concerned the pyrolysis of cellulose and cardboard. We present additional numerical techniques for helping to the kinetic parameter determination and for designing a more robust parameter estimation tool. We use a computational approach based on the optimal design theory. In our case, the goal is then to use the approach of optimum experimental design for determining what is the optimal TGA run to perform in order to find the « best » kinetic parameters. By « best » parameters, we mean the parameters with an higher statistical reliability, i.e. with the highest associated confidence. Because we use a pure-kinetic model, the determination of the optimal TGA run consists in computing only the imposed temperature profile during the run. The application concern the thermal degradation of cellulose and cardboard in a Setaram TGA device and the presented results demonstrate the improvements in the kineti parameter estimation process.

Department or laboratory:Centre de Recherche d'Albi en génie des Procédés des Solides Divisés, de l'Energie et de l'Environnement - RAPSODEE (Albi, France)
Directeur de thèse:Cabassud, Michel
Uncontrolled Keywords:Identification paramétrique - Cinétique chimique - Dégradation thermique - Simulation - Analyse thermogravimétrique - Intervalles de confiance - Conception expérimentale
Subjects:Process engineering > Process and environmental engineering
Deposited On:20 June 2007

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