Modélisation double échelle de la transformation

Sujet de thèse / LGPM – mars 2011
Modélisation double échelle de la transformation aérobie et anaérobie de la
biomasse
(see english version on third page
)
Champs disciplinaires : Génie des procédés, sciences de la vie, modélisation, simulation.
Mots clés : biomasse, procédé, stockage, simulation, particule, lit épais.
Contexte :
En raison de l'épuisement des ressources d'hydrocarbures et du réchauffement climatique,
l'utilisation d'énergies renouvelables est l'un des enjeux de nos sociétés. Dans ce contexte,
l'utilisation de la biomasse comme source d'énergie fera forcément partie du bouquet
énergétique. Différentes voies de valorisation de la biomasse peuvent être envisagées :
combustion, fermentation alcoolique, gasification, pyrolyse, pyrolyse flash…
Afin d'optimiser l'utilisation de la biomasse, toute la chaîne doit être optimisée : production,
récolte, transport, stockage, prétraitement, transformation.
Des transformations aérobie et anaérobie ont lieu durant différentes phases de conditionnement
(récolte, transport et stockage) et durant la transformation (fermentation). L'objectif de ce travail
est d'inclure ces activités biologiques dans un modèle à double échelle des transferts couplés
de chaleur et de masse en milieux poreux.
Détail du travail proposé :
Pour le coupler avec un code de transferts couplés de chaleur et de masse en milieux poreux,
le modèle biologique devra être défini par un nombre modéré de paramètres macroscopiques
(température, teneur en eau, teneur en oxygène). L'objectif général est de produire un code
capable de simuler et d'optimiser des configurations d'intérêt pratique.
Le travail de thèse comportera trois étapes principales :
Tâche 1 – Le choix du modèle biologique proviendra d'une étude bibliographique. Les
paramètres du modèle choisi seront ajustés à partir d'expériences faites au laboratoire à une
échelle suffisamment petite pour que les champs macroscopiques puissent être considérés
constants. Dans ces expériences, l'activité biologique sera mesurée dans un calorimètre très
sensible capable de contrôler les paramètres opératoires.
Tâche 2 – Le modèle biologique sera couplé à un modèle existant de transferts couplés dans
un milieu poreux à double échelle de porosité (particule et lit – fixe ou brassé – de particules).
L'échelle de la particule est celle à laquelle l'activité biologique a lieu (Fig. 1). À cette échelle, le
couplage est direct entre activité biologique et transferts de chaleur et de masse (activité exoou endo-thermique, consommation d'oxygène). La solution à l'échelle du lit permettra d'obtenir
les conditions aux limites pour chaque particule (température, teneur en eau, teneur en
oxygène).
En raison du couplage entre chaque particule et le lit complet, les deux échelles devront être
résolue de façon simultanée. Cette résolution double-échelle permettra de simuler plusieurs
configurations d'intérêt pratique :
- Un lit fixe, configuration typique de l'empilement en champ après la récolte ou du
stockage avant transformation
- Un lit fixe avec convection forcée à travers le lit, par exemple pour accélérer le séchage
ou enrichir en oxygène,
- Un lit brassé de façon à diminuer l'hétérogénéité intra-particules (réacteur à tambour
tournant, lit vibrant ou lit fixe régulièrement brassé).
Tâche 3 – Validation/utilisation du modèle sur au moins une configuration réelle. Le stockage
de la bagasse de canne à sucre est l'une des configurations possibles pour cette étape. Selon
les opportunités, ceci se fera en collaboration avec une équipe australienne ou brésilienne. Une
autre application possible est l'utilisation de la fermentation comme source d'énergie pour
sécher des lits épais de plaquettes forestières.
Fig. 1 – Principe de l'approche double échelle proposée dans ce travail.
Collaboration :
Ce travail sera réalisé en collaboration avec le professeur Ian Turner, School of Mathematical
Sciences, QUT, Brisbane, Australie (avec un séjour possible à Brisbane).
L'approche multiéchelle de ce travail est aussi propice à une collaboration avec le laboratoire
MAS de l'Ecole Centrale Paris.
Encadrement:
Prof. Patrick Perré ([email protected]), LGPM
+ un co-encadrant souhaité de MAS
Références :
1.
Assor C., Placet V., Chabbert B., Habrant A., Lapierre C., Pollet B., Perré P., 2009 - Concomitant changes in
viscoelastic properties and amorphous polymers during the hydrothermal treatment of hardwood and softwood,
Journal of Agricultural and Food Chemistry, 57: 6830-6837.
2.
Morgenroth, E., Kommedal, R., Harremoës, P., 2002. Process and modeling of hydrolysis of particulate
organicc matter in aerobic waste water treatment - a review. Water Sci. Technol. 45: 25-40.
3.
Mason, I.G., 2006 - Mathematical modelling of the composting process: a review. Waste Manage. 26: 3-21.
4.
Perré P., 2010 - Multiscale modelling of drying as a powerful extension of the macroscopic approach:
application to solid wood and biomass proccessing, Drying Technology, 28: 944-959.
5.
Perré P. and Rémond R., 2006 - A dual-scale computational model of kiln wood drying including single board
and stack level simulation, Drying Technology, 24: 1069–1074.
6.
Pommier S., Chenu D., Quintard M., Lefebvre X. 2008 - Modelling of moisture-dependent aerobic degradation
of solid waste, Waste Management 28: 1188–1200.
7.
Rémond R., Turner I., Perré P., 2010 - Modelling the drying and heat treatment of lignocellulosic biomass: 2D
effects due to the product anisotropy, Drying Technology, 28: 1013-1022.
8.
Turner I.W., Rousset P., Rémond R., Perré P., 2010 - An experimental and theoretical investigation of the
thermal treatment of wood in the range 200-260°C, Int. J. Heat Mass Transfer, 53: 715-725.
PhD proposal / LGPM – March 2011
Dual scale modeling of the aerobic and anaerobic transformation of biomass
feedstocks
Scientific fields: Process Engineering, Modeling, life sciences
Key words: biomass, process, storage, simulation, particle, fixed bed.
Background, Context:
The use of biomass as source of energy became one of the relevant solutions to address
two important worldwide problems: peak oil and global warning. Biomass can be converted by
different manners into energy: direct combustion, alcoholic fermentation, gasification, pyrolysis,
flash pyrolysis…
In addition, the large amount of biomass required by big industrial plants need the whole chain
to be optimised: production, harvesting, transportation, storage, pre-treatments. Aerobic and
anaerobic transformations occur in different transformation phases, in particular before the
bioprocessing (harvesting, transportation, storage) and during the transformation itself
(fermentation, gasification). The objective of this work is to embed these biological
transformations in a dual-scale model of heat and mass transfer in porous media.
Research subject, work plan:
The objective of this work is to develop an aerobic/anaerobic biological biomass transformation
model. In order to supply the heat and mass transfer model with this biological model, the
number of parameters should remain low and in direct relation with the macroscopic variables of
the transfer model (temperature, moisture content, oxygen content). The general goal is to
produce a general code able to simulate and optimize different configurations of practical
importance.
The PhD work consists of three main tasks:
Task 1 – The biological models will be chosen from the literature and the model parameters will
be fitted from laboratory experiments carried out on micro-particles (particles within which the
variable fields can be assumed to be constant). Typical laboratory experiments will be
performed inside an accurate calorimeter whose chamber can be controlled in temperature,
oxygen content and moisture content.
Task 2 – The tuned models will be implemented in a dual-scale model of heat and mass
transfer. This existing model accounts for the particle level and for the bed level (fixed or mixed
bed). The particle scale is the level at which the biological reaction occur (Fig. 1). At this scale,
the coupled formulations for the biological activity and the heat and mass transfers, including
the oxygen balance, have to be solved. The solution at the bed level allows the variables values
and gradient to be obtained, including the key parameters required at the particle level:
temperature, moisture content, oxygen level. The two-scales will be solved simultaneously in a
full two-way coupling, which is a real multi-scale approach. This dual-scale model allows many
configurations to be simulated:
- a fixed bed is typically the configuration in the field after harvesting or during storage in
the plant,
- air can also be forced into the bed, for example to increase the local oxygen content or
to accelerate the loss of moisture.
- The particle can also be mixed, such as in a rotary reactor, a vibrating bed or simply by
stirring a fixed bed.
Task 3 – Model validation/application will be done for one or two industrial configurations. The
storage of sugar cane bagasse (in collaboration with Brazil or Australia) and the use of
fermentation to drying a thick bed of wood chips are among the possible validation/application
of the model. This part is however still open to other applications, depending of possible
additional partnership.
Fig. 1 – The schematic organisation of the dual-scale model proposed in this work.
Partnership:
This research will be conducted in partnership with Prof. Ian Turner, School of Mathematical
Sciences, QUT, Brisbane, Australia.
This PhD could be also a good opportunity to start a collaborative work, concerning the
computational problems, with the laboratory MAS, from Ecole Centrale Paris (no contact yet : to
be done).
Supervisors:
Prof. Patrick Perré ([email protected])
One possible scientist from MAS
References:
9.
Assor C., Placet V., Chabbert B., Habrant A., Lapierre C., Pollet B., Perré P., 2009 - Concomitant changes in
viscoelastic properties and amorphous polymers during the hydrothermal treatment of hardwood and softwood,
Journal of Agricultural and Food Chemistry, 57: 6830-6837.
10. Morgenroth, E., Kommedal, R., Harremoës, P., 2002. Process and modeling of hydrolysis of particulate
organicc matter in aerobic waste water treatment - a review. Water Sci. Technol. 45: 25-40.
11. Mason, I.G., 2006 - Mathematical modelling of the composting process: a review. Waste Manage. 26: 3-21.
12. Perré P., 2010 - Multiscale modelling of drying as a powerful extension of the macroscopic approach:
application to solid wood and biomass proccessing, Drying Technology, 28: 944-959.
13. Perré P. and Rémond R., 2006 - A dual-scale computational model of kiln wood drying including single board
and stack level simulation, Drying Technology, 24: 1069–1074.
14. Placet V., Passard J., Perré P., 2008 - Viscoelastic properties of wood across the grain measured under watersaturated conditions up to 135°C : evidence of thermal degradation, J. Mater. Sci., 43: 3210–3217.
15. Pommier S., Chenu D., Quintard M., Lefebvre X. 2008 - Modelling of moisture-dependent aerobic degradation
of solid waste, Waste Management 28: 1188–1200.
16. Rémond R., Turner I., Perré P., 2010 - Modelling the drying and heat treatment of lignocellulosic biomass: 2D
effects due to the product anisotropy, Drying Technology, 28: 1013-1022.
17. Rousset P., Lapierre C., Pollet B., Quirino W., Perré P., 2009 - Effect of severe thermal treatment on spruce and
beech wood lignins, Ann. For. Sci., 66: 110 (8p).
18. Turner I.W., Rousset P., Rémond R., Perré P., 2010 - An experimental and theoretical investigation of the
thermal treatment of wood in the range 200-260°C, Int. J. Heat Mass Transfer, 53: 715-725.