identifier: Saffar, A. (2014). Development of Polypropylene Microporous Hydrophilic Membranes Through Cast Extrusion and Stretching  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Grâce à ses excellentes propriétés, le Polypropylène (PP) a connu un regain d'intérêt au cours de ces dernières années dans la fabrication de membranes microporeuses. Une des techniques utilisées pour fabriquer des membranes poreuses de PP sans utiliser de solvant ou de particule est basée sur l'étirement d'un film précurseur ayant une structure cristalline lamellaire. Cependant, malgré la popularité du PP à être utilisé dans la production de membranes, il est difficile de le faire adhérer à la plupart des substrats hydrophiles en raison de son caractère hydrophobe. Ce désavantage limite son utilisation dans de nombreuses applications. L'objectif de cette étude est donc de développer des membranes microporeuses hydrophiles à base de PP. Les caractéristiques des résines de PP (modifiées), ainsi que les conditions de recuit et d'étirement sont des facteurs clés pour générer des films précurseurs ayant de bonnes propriétés cristallines et par conséquent, de bonnes membranes microporeuses. C'est ainsi que différents grades commerciaux de PP modifiés, c'est-à-dire greffés soit avec de l'anhydride maléique (PP-g-MA), soit avec de l'acide acrylique (PP-g-AA) ont été mélangés avec du PP vierge par extrusion de film cast. Il a été montré que l'addition des PP modifiés (PP-g-MA ou PP-g-AA) a changé la structure cristalline lamellaire du film précurseur. La perméabilité à la vapeur d'eau augmente de façon significative même à de basses concentrations de PP modifié par rapport à celle du PP vierge. Ceci est attribué à la présence d'une concentration suffisante de groupements polaires à la surface du film tout en ne modifiant la structure cristalline que de façon minimale. Dans la deuxième partie de cette étude, afin d'améliorer les propriétés hydrophiles de la membrane, des nanoparticules de dioxyde de titane (TiO2) ont été utilisées. Les analyses FTIR-ATR (IRTF-ATR, InfraRouge à Transformée de Fourier en réflexion) et de XPS (Photo spectrométrie à Rayon X) ont montré que les segments hydrophiles du PP modifié (amphiphile) vi agissent comme des groupements fonctionnels et se greffent avec les particules de TiO2 sur la surface du film précurseur. Les résultats ont indiqué que l'hydrophilicité des membranes en PP modifié a été améliorée sans affecter la structure poreuse. Enfin, dans les troisièmes et quatrièmes parties de ce travail, les changements de la structure cristalline et les performances membranaires ont été étudiés en détails afin d'optimiser les conditions de recuit et d'étirement. Il a été montré que le recuit améliore les propriétés physiques du film en générant un réarrangement des chaines et en créant des lamelles secondaires dans la zone amorphe. Les films recuits ont montré deux seuils d'écoulement sur les courbes de traction et une relation linéaire a été établie entre la force associée au second seul d'écoulement et la quantité de lamelles secondaires. Il a également été observé que la taille des pores et la porosité de la membrane augmentaient avec l'augmentation du temps et de la température du recuit. Pour ce qui a trait à l'étirement, une étape d'étirement à froid a permis de générer une interconnexion entre les pores. Le ratio d'étirement optimal pour l'étirement à froid se trouve en dessous de la déformation correspondant à l'apparition du second seuil d'écoulement du polymère. Au delà de ce second seuil, une diminution de la perméabilité est observée et ceci s'explique par la fragmentation des lamelles. Il a également été montré de façon quantitative qu'appliquer une déformation à basse vitesse d'allongement permet d'obtenir des membranes avec de meilleures propriétés de perméabilité.  ABSTRACT: Due to the outstanding properties of polypropylene (PP), this polymer has been widely used for the production of microporous membrane. One of the techniques to make porous membranes from PP without using solvent and/or particles is based on the stretching a precursor film containing a row-nucleated lamellar structure. However, despite the popularity of PP as a membrane material, PP is difficult to adhere to many hydrophilic substrates because of its intrinsic hydrophobic nature. This limits its performance in many membrane applications. The aim of the present study is to develop polypropylene microporous hydrophilic membranes. Resin characteristics of the modifiers as well as annealing and stretching conditions are the key factors for the production of the appropriate crystalline morphology in precursor films and consequently microporous membranes. In this regard, different commercial maleic anhydride and acrylic acid grafted polypropylene (PP-g-MA and PP-g-AA) were melt blended with PP using cast film extrusion. Investigating the blending of modifiers showed that the addition of the modifiers changed the crystalline lamellar structure of the precursor film. It was found that water vapor permeability was increased significantly at low concentrations of the modifiers, compared to neat PP. This was attributed to the presence of a sufficient concentration of polar groups on the surface with a minimal change in the crystalline structure. To increase even further the hydrophilic properties of the membrane, in the second part of this study, titanium dioxide (TiO2) nanoparticles was employed. ATR-FTIR and XPS analyses showed that the hydrophilic segments of an amphiphilic modifier can act as surface functional groups and graft with TiO2 nanoparticles on the precursor film surface. The results indicated that the hydrophilicity of the modified PP membranes was improved without affecting the pore structure. viii In the third and fourth parts of this research, changes in the crystalline structure and membrane performance were investigated in details to optimize annealing and stretching conditions. It was shown that annealing improved the physical properties of the films by promoting chain rearrangement and creating secondary lamellae in the amorphous region. Annealed films exhibited double yield points in the tensile deformation curves and a direct linear relationship between the strength of the second yield point and the fraction of the lamellae was reported. It was also observed that by increasing annealing time and temperature, the pore sizes and porosity of the membrane increased. Regarding stretching, the cold stretching step was found to be the important one to promote interconnection between the pores. The optimum stretch ratio for the cold stretching step was found to be below the strain corresponding to the second yield point of the polymer; beyond that strain, a reduction in the permeability was observed and explained in terms of lamellae fragmentation. It was also shown quantitatively that applying a low strain rate improved the permeability of the membranes.


identifier: Tixier, E. (2014). Modélisation par une approche milieu poreux de l'instabilité fluidélastique dans un faisceau de tubes soumis à un écoulement diphasique transverse  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: Cette étude porte sur la prédiction de l'apparition de l'instabilité fluidélastique dans un faisceau de tubes soumis à un écoulement diphasique transverse. L'étude des écoulements diphasiques a de nombreuses applications industrielles, et plus particulièrement dans l'industrie nucléaire. En effet, les générateurs de vapeur des centrales nucléaires sont soumis à des écoulements transverses diphasiques qui sont à l'origine de phénomènes vibratoires délétères. Les sollicitations de la structure entraînent une fatigue mécanique qui engendre dans le meilleur des cas une usure maîtrisée mais nécessitant un arrêt partiel de la centrale et, dans le pire, la rupture de tubes assurant le refroidissement du circuit primaire et donc un incident nucléaire. Les générateurs de vapeur sont d'immenses faisceaux comptant de plusieurs centaines à plusieurs dizaines de milliers de tubes, rendant leur étude très délicate. Parmi les causes des vibrations de ces structures, le mécanisme d'instabilité fluidélastique est de loin le plus destructeur. Par conséquent, beaucoup d'efforts sont fournis au sein de la communauté scientifique afin de comprendre ce phénomène et d'être capable de prédire son apparition. La présente étude a pour objectif de modéliser et de simuler numériquement cette instabilité dans un faisceau de tubes soumis à un écoulement transverse diphasique. Le principal défi est de développer une méthode de modélisation permettant de simuler un faisceau comptant de nombreux tubes à moindre coût de calcul, ce qui est inenvisageable avec une approche directe (simulations numériques directes ou DNS). Tout d'abord, la méthode de moyennage en espace est présentée et est appliquée aux équations de conservation de la masse et de la quantité de mouvement pour le fluide et la structure. On obtient alors les équations du milieu poreux dans lesquelles les interactions entre les tubes et l'écoulement sont modélisées et injectées sous forme de termes sources. La variante des équations de Navier--Stokes obtenue représente un gain significatif en terme de coût de calcul puisque le moyennage en espace autorise l'utilisation de maillages plus grossiers puisque les tourbillons de petite échelle et les détails de la géométrie sont filtrés. De plus, le mouvement des tubes est indépendant de la discrétisation spatiale employée et par conséquent des maillages fixes sont utilisés, ce qui représente un gain additionnel en termes de temps de calcul. La formulation obtenue est implémentée dans un code de calcul éléments-finis et est vérifiée par la méthode des solutions manufacturées. L'étalonnage et la validation sont effectués grâce à la simulation de cas tests simples et la comparaison avec les résultats d'un autre modèle numérique. Ce dernier est un modèle d'ordre plein correspondant à l'approche directe (DNS) dans lequel aucune approximation n'est faite et dont les résultats ont été présentés dans de récentes publications. Des simulations numériques sont effectuées dans le cas d'un faisceau de tubes soumis à un écoulement transverse monophasique. Les valeurs de la vitesse critique d'apparition de l'instabilité fluidélastique sont comparées avec celles obtenues expérimentalement dans la littérature et celles obtenues numériquement avec l'approche DNS.Les prédictions obtenues tendent à être surestimées, de l'ordre de 100 %, par rapport aux données de référence. La cause semble être le modèle lui-même en ce qu'il ne reproduit pas de façon suffisante le couplage entre des tubes voisins.En revanche, l'approche développée représente un gain de temps substantiel par rapport à une méthode DNS. Le modèle du milieu poreux est ensuite étendu à des écoulements diphasiques, en l'occurence un mélange d'une phase gazeuse et d'une phase liquide.  ABSTRACT: This work deals with the prediction the fluidelastic instability onset in a tube bundle subject to a two-phase cross-flow. The study of two-phase flows leads to numerous industrial applications, in particular in the nuclear energy field. Indeed, nuclear plants steam generators are subject to two-phase cross-flows that cause damaging vibrations. Repetitive stresses in the structure lead to mechanical fatigue that have many important consequences ranging from regular maintenance partial shutdowns of the plant to a nuclear incident. Steam generators are immense tube arrays counting up to hundreds of thousands of tubes, which makes their study a difficult task. Among the cause of these vibrations, the fluidelastic mechanism is certainly the most destructive one. Therefore, a lot of effort is being put within the research community into understanding this phenomenon and developing tools to predict its triggering. The present study aims at modeling and numerically simulating this instability in a tube bundle subject to a two-phase cross-flow. The main challenge is to develop a model able to simulate a bundle counting numerous tubes with a low computational cost, which is not possible with a direct approach (Direct Numerical Simulations, DNS). First, the averaging technique is presented and then applied to continuity and momentum conservation equations for both the flow and the structure. As the consequence, the model of the porous medium is obtained, in which the fluide-structure interactions are modeled and lumped into the equations. The modified form of the Navier--Stokes equations obtained is significantly cheaper in terms of computational cost. First, the volume averaging process filters many details of the flow such as the geometry of the tubes and small-scale vortices. The resulting macroscopic model presents smoother variations so that coarser meshes may be used. Second, the fluid mesh and the tubes are independent. Therefore, fixed meshes may be used to simulate unsteady problems. The averaged equations are solved by a finite element method and the code is verified using the method of manufactured solutions. Calibration and validation are conducted by comparing the results of simple test cases simulations to the results obtained by DNS simulations. The latter corresponds to the full-order model and results of fluid-structure simulations were presented in recent publications. Simulations were run for a tube bundle subject to a single-phase cross-flow using the porous medium model. The values of the fluidelastic onset critical velocity were compared to those obtained using DNS and to experimental data found in the literature. The predictions obtained tend to be overestimated with respect to reference data. The reason may be that the model itself fails to accurately represent the coupling of neighboring tubes. However, the porous medium approach is significantly less costly than DNS. The porous medium model is then extended to two-phase flows and more precisely to gas-liquid mixtures. The investigation is restricted to bubbly flows and low void fraction in order to stay within the physical boundaries of the model. The two-phase mixture is modeled by an Euler-Euler approach and gas-liquid interactions are modeled. The resulting code is again verified and validated and the results of the numerical simulations are compared to experimental data from the literature and local technical reports. The results obtained overestimate the values of the fluidelastic instability onset critical velocity. Nevertheless, the gap observed seems to be due to the single-phase fluid-structure coupling model. The reasons of scatter between the numerical results and experimental data are investigated and suggestions are made in order to improve the porous medium model.


identifier: Mohammadzadeh Rohani, N. (2014). Design Methodology for Integrated Downstream Separation Systems in an Ethanol Biorefinery  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les enjeux de sécurité d'approvisionnement énergétique et de protection de l'environnement ont mené à une augmentation significative de production de biocarburants. La réussite de ce choix stratégique dépend, entre autres, de la rentabilité et de la viabilité à long terme des unités de production. Les biocarburants de seconde génération, par exemple l'éthanol, sont souvent produits à partir de matière ligno-cellulosique. Ils sont plus difficiles à produire que ceux de première génération car (1) des étapes coûteuses supplémentaires sont nécessaires pour la séparation des différents constituants de la biomasse avant fermentation, (2) et la concentration en produit quittant le réacteur de fermentation est plus faible, ce qui augmente les difficultés pour la purification.  Dans une bio-raffinerie produisant de l'éthanol, les coûts relatifs à la purification du produit quittant le réacteur de fermentation sont significatifs. L'opération classique de purification inclut un ensemble de colonnes de distillation. Cependant, la nature non-idéale du mélange eau-éthanol, qui forme un azéotrope à 95 % en poids d'éthanol, complique cette opération. Une étape additionnelle de déshydratation est ainsi nécessaire afin d'obtenir de l'éthanol pur à 99.5 % en poids. Plusieurs techniques ont été proposées afin de résoudre les difficultés inhérentes aux équilibres liquide-vapeur des mélanges éthanol-eau. Ces techniques, telles que l'utilisation de membranes ou l'extraction par solvant organique, visent non seulement à obtenir de l'éthanol pur mais aussi à réduire la consommation d'énergie.  Réduire la consommation d'énergie lors de la production est de première importance pour la viabilité de l'industrie des biocarburants. L'intégration de procédé, telle que définie par Ressources Naturelles Canada, est une approche système pour l'analyse et la synthèse de procédés afin de minimiser la consommation en énergie, eau et matières premières. L'utilisation de cet outil peut permettre aux bio-raffineries d'économiser de l'énergie et augmenter leur rentabilité. Les techniques d'intégration de procédé ont été adoptées avec succès par plusieurs industries ; elles sont basées sur l'utilisation optimale des sources en énergie, eau et matières premières disponibles dans le procédé afin de satisfaire les demandes et ainsi réduire la consommation externe. Du point de vue de l'industrie papetière, qui doit faire face à une demande en produit déclinant avec le temps, à une compétition globale et à des prix de vente peu élevés, l'intégration de technologies de bio-raffinage dans des usines de production de pâte kraft peut être une option intéressante, leur permettant de diversifier le portfolio de produits et d'entrer sur de nouveaux marchés. Les systèmes d'utilités existants, le savoir-faire en génie et en gestion de la chaîne logistique, ainsi que des opportunités d'intégration énergie et matière entre une usine de pâte et une unité de bio-raffinage peuvent offrir des avantages compétitifs et améliorer la performance économique de l'industrie papetière. Par conséquent, l'intégration énergie est une possibilité qui doit être considérée par l'industrie du bio-raffinage forestier. L'objectif de ce travail est de développer une méthodologie pour la conception de systèmes de purification du produit de bio-raffinage et de la tester sur une étude de cas, une unité de bio-raffinage produisant de l'éthanol. Plusieurs techniques de purification ont été évaluées selon trois scenarii : (1) sans intégration énergie, (2) avec intégration énergie à l'intérieur du système de purification et (3) avec intégration énergie entre le système de purification et une usine de pâte kraft. Les consommations en énergie, les coûts d'investissement ainsi que les performances économiques ont été évalués pour chaque technique de purification et chaque scénario d'intégration. La meilleure des options a finalement été identifiée selon des critères technico-économiques. Les possibilités d'intégrations ont été identifiées avec la méthode de pincement pour le deuxième scénario, et avec la méthode pontale pour le troisième scénario car ce dernier requiert une analyse pour la rétro-installation du réseau d'échangeur de chaleur du procédé kraft.  Les résultats révèlent l'importance de l'intégration énergie pour réduire la consommation  énergétique et améliorer la performance des unités de production de bio-raffinage. Ils montrent également que le système classique de purification d'éthanol conduit à de meilleurs résultats après intégration énergie que les autres techniques de purification. Les techniques alternatives peuvent impliquer des risques technologiques supplémentaires et ne mènent à aucun avantage de consommation énergétique lorsque l'intégration interne ou externe avec une usine de pâte kraft est incorporée dans le modèle d'affaires.  Il est important de souligner que la méthodologie développée dans le cadre de cette maîtrise peut être étendue pour évaluer les performances énergétiques et économiques de l'ensemble d'un procédé de bio-raffinage.  ABSTRACT: Energy security and environmental concerns have been the main drivers for a historic shift to biofuel production in transportation fuel industry. Biofuels should not only offer environmental advantages over the petroleum fuels they replace but also should be economically sustainable and viable. The so-called second generation biofuels such as ethanol which is the most produced biofuel are mostly derived from lignocellulosic biomasses. These biofuels are more difficult to produce than the first generation ones mainly due to recalcitrance of the feedstocks in extracting their sugar contents. Costly pre-treatment and fractionation stages are required to break down lignocellulosic feedstocks into their constituent elements. On the other hand the mixture produced in fermentation step in a biorefinery contains very low amount of product which makes the subsequent separation step more difficult and more energy consuming. In an ethanol biorefinery, the dilute fermentation broth requires huge operating cost in downstream separation for recovery of the product in a conventional distillation technique. Moreover, the non-ideal nature of ethanol-water mixture which forms an iseotrope at almost 95 wt%, hinders the attainment of the fuel grade ethanol (99.5 wt%). Therefore, an additional dehydration stage is necessary to purify the ethanol from its azeotropic composition to fuel-grade purity. In order to overcome the constraint pertaining to vapor-liquid equilibrium of ethanol-water separation, several techniques have been investigated and proposed in the industry. These techniques such as membrane-based technologies, extraction and etc. have not only sought to produce a pure fuel-grade ethanol but have also aimed at decreasing the energy consumption of this energy-intensive separation. Decreasing the energy consumption of an ethanol biorefinery is of paramount importance in improving its overall economics and in facilitating the way to displacing petroleum transportation fuel and obtaining energy security. On the other hand, Process Integration (PI) as defined by Natural Resource Canada as the combination of activities which aim at improving process systems, their unit operations and their interactions in order to maximize the efficiency of using water, energy and raw materials can also help biorefineries lower their energy consumptions and improve their economics. Energy integration techniques such as pinch analysis adopted by different industries over the years have ensured using heat sources within a plant to supply the demand internally and decrease the external utility consumption. Furthermore, from the stand-point of a pulp and paper mill and considering the declining demand, volatile price, high energy cost and fierce global competition, it looks as a promising option to integrate a biorefinery technology with the core business in order to diversify the product portfolio and enter new markets. Existing utility systems, engineering know-how and feedstock supply network as well as mass and energy integration potentials between mills and new processes foster competitive advantage for pulp and paper mills to adopt implementing biorefineries to improve their economic performances.  Therefore, adopting energy integration can be one of the ways biorefinery technology owners can consider in their process development as well as their business model in order to improve their overall economics. The objective of this thesis is to propose a methodology for designing integrated downstream separation in a biorefinery. This methodology is tested in an ethanol biorefinery case study. Several alternative separation techniques are evaluated in their energy consumption and economics in three different scenarios; stand-alone without energy integration, stand-alone with internal energy integration and integrated-with Kraft. The energy consumptions and capital costs of separation techniques are assessed in each scenario and the cost and benefit of integration are determined and finally the best alternative is found through techno-economic metrics. Another advantage of this methodology is the use of a graphical tool which provides insights on decreasing energy consumption by modifying the process condition. The pivot point of this work is the use of a novel energy integration method called Bridge analysis. This systematic method which originally is intended for retrofit situation is used here for integration with Kraft process. Integration potentials are identified through this method and savings are presented for each design. In stand-alone with internal integration scenario, the conventional pinch method is used for energy analysis. The results reveal the importance of energy integration in reducing energy consumption. They also show that in an ethanol biorefinery, by adopting energy integration in the conventional distillation separation, we can achieve greater energy saving compared to other alternative techniques. This in turn suggests that new alternative technologies which imply big risks for the company might not be an option for reducing the energy consumption as long as an internal and external integration is incorporated in the business model of an ethanol biorefinery. It is also noteworthy that the methodology developed in this work can be extended as a future work to include a whole biorefinery system.


identifier: Li, B. (2014). Multi-Modality Diffuse Fluorescence Imaging Applied to Preclinical Imaging in Mice  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Cette thèse vise à explorer l'information anatomique et fonctionnelle en développant de nouveaux systèmes d'imagerie de fluorescence macroscopiques à base de multi-modalité. L‘ajout de l‘imagerie anatomique à des modalités fonctionnelles telles que la fluorescence permet une meilleure visualisation et la récupération quantitative des images de fluorescence, ce qui en retour permet d'améliorer le suivi et l'évaluation des paramètres biologiques dans les tissus. Sur la base de cette motivation, la fluorescence a été combinée avec l‘imagerie ultrasonore (US) d'abord et ensuite l'imagerie par résonance magnétique (IRM). Dans les deux cas, les performances du système ont été caractérisées et la reconstruction a été évaluée par des simulations et des expérimentations sur des fantômes. Finalement, ils ont été utilisés pour des expériences d'imagerie moléculaire in vivo dans des modèles de cancer et d‘athérosclérose chez la souris. Les résultats ont été présentés dans trois articles, qui sont inclus dans cette thèse et décrits brièvement ci-dessous. Un premier article présente un système d'imagerie bimodalité combinant fluorescence à onde continue avec l‘imagerie à trois dimensions (3D) US. A l‘aide de stages X-Y motorisés, le système d'imagerie a été en mesure de recueillir l‘émission fluorescente et les échos acoustiques délimitant la surface 3D et la position des inclusions fluorescentes dans l'échantillon. Une validation sur fantômes, a montré que l'utilisation des priors anatomiques provenant des US améliorait la qualité de la reconstruction fluorescente. En outre, un étude pilote in-vivo en utilisant une souris Apo-E a évalué la faisabilité de cette approche d'imagerie double modalité pour de futures études pré-cliniques. Dans un deuxième effort, et sur la base du premier travail, nous avons amélioré le système d'imagerie par fluorescence-US au niveau des algorithmes, de la précision  ABSTRACT: This thesis aims to explore the anatomical and functional information by developing new macroscopic multi-modality fluorescence imaging schemes. Adding anatomical imaging to functional modalities such as fluorescence enables better visualization and recovery of fluorescence images, in turn, improving the monitoring and assessment of biological parameters in tissue. Based on this motivation, fluorescence was combined with ultrasound (US) imaging first and then magnetic resonance imaging (MRI). In both cases, the systems characterization and reconstruction performance were evaluated by simulations and phantom experiments. Eventually, they were applied to in vivo molecular imaging in models of cancer and atherosclerosis in mice. Results were presented in three peer-reviewed journals, which are included in this thesis and shortly described below. A first article presented a dual-modality imaging system combining continuous-wave transmission fluorescence imaging with three dimensional (3D) US imaging. Using motorized X-Y stages, the fluorescence-US imaging system was able to collect boundary fluorescent emission, and acoustic pulse-echoes delineating the 3D surface and position of fluorescent inclusions within the sample. A validation in phantoms showed that using the US anatomical priors, the fluorescent reconstruction quality was significantly improved. Furthermore, a pilot in-vivo study using an Apo-E mouse evaluated the feasibility of this dual-modality imaging approach for future animal studies. In a second endeavor, and based on the first work, we improved the fluorescence-US imaging system in terms of sampling precision and reconstruction algorithms. Specifically, now combining US imaging and profilometry, both the fluorescent target and 3D surface of sample could be obtained in order to achieve improved fluorescence reconstruction. Furthermore, a


identifier: Cardona, M. (2014). Caractérisation des propriétés du bitume oxydé afin d'évaluer ses risques d'ignition  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les accidents, incendies et explosions, imputés aux activités d'application du bitume fondu sur les toitures, sont fréquents. La problématique touche à des accidents d'envergures diverses : accidents mineurs des réservoirs mobiles, blessures graves résultant de l'exposition aux vapeurs, incendies, explosions et mort d'ouvriers lors d'activités de chauffage. Dans de nombreux cas, la surchauffe du bitume et l'accumulation de gaz à l'intérieur des réservoirs mobiles sont à l'origine de ces accidents. Les difficultés liées à la manipulation du bitume peuvent se résumer à une méconnaissance des propriétés physico-chimiques du produit et ses risques d'inflammation, couplée à des lacunes au niveau des critères techniques importants dans la conception de réservoirs mobiles de bitume. Ce projet vise donc à :  Déterminer les propriétés physico-chimiques les plus importantes du bitume oxydé, telles que la densité, la viscosité, la chaleur spécifique et leur variation avec la température.  Caractériser les propriétés d'inflammabilité du produit : point d'éclair, température d'auto-ignition et concentration limite d'oxygène.  Modéliser le mécanisme de décomposition thermique du produit dans un analyseur thermogravimétrique et déterminer les énergies d'activation et les vitesses de réaction.  Caractériser les composés organiques volatils émis par le bitume à haute température, par un protocole d'analyse couplant la chromatographie en phase gazeuse à la spectrométrie de masse. Les résultats indiquent que les températures d'opération des réservoirs mobiles (200-230 °C) sont dangereusement proches des points d'éclair (300-320 °C). La température d'auto-inflammation (430-440 °C), bien que plus élevée, peut être atteinte à la surface des éléments chauffants. La concentration limite d'oxygène (15-16 %) peut être atteinte à l'intérieur des réservoirs mobiles, durant les opérations de déchargement du produit, quand les réservoirs sont ouverts et donc en contact avec l'atmosphère. L'analyse thermogravimétrique de la décomposition thermique du bitume oxydé montre que le bitume est pyrolysé en trois étapes, la première ayant lieu entre 200 et 250 °C, la deuxième entre vi 300 et 350 °C et la dernière à des températures supérieures à 400 °C, avec des énergies d'activation respectives de 52 kJ mol-1, 132 kJ mol-1 et 228 kJ mol-1. Pour les températures d'opération des réservoirs mobiles (200-230 °C), les pertes de masse peuvent être importantes (3% pour la pyrolyse). Ceci indique que la concentration de gaz à l'intérieur des réservoirs mobiles peut devenir importante et atteindre les limites d'explosivité. L'analyse par GC-MS des gaz émis par le bitume à haute température montre la présence d'alcanes à grand nombre de carbones. Ces hydrocarbures constituent un risque important d'auto-inflammabilité et d'explosion. De plus, leur présence à basse température suggère que leur concentration pourrait augmenter pendant le chauffage. La présence de composés soufrés, tels que les benzothiophènes et les naphtothiophènes, implique qu'ils peuvent s'accumuler dans l'espace situé au-dessus du bitume et réagir avec la rouille et conduire au sulfure de fer pyrophorique.  ABSTRACT: Accidents, fires and explosions, attributed applying molten bitumen to roofs, are frequent. The issue touches accidents at different scales: minor accidents of mobile reservoirs, serious injuries resulting from the exposure to hot vapors, fires, explosions and death to workers during heating. In numerous cases, hydrocarbon vapours accumulate in the reservoirs when the bitumen is overheated. These vapors are the origin of many accidents. The difficulties associated to bitumen can be attributed to a poor understanding of the physical-chemical properties of the product and its risks of inflammation, coupled with a lack of technical criteria in the design of mobile reservoirs. The objectives of this project are:  To determine the most important physical-chemical properties of the oxidized bitumen, as density, viscosity, specific heat and its variation with temperature.  To characterize the flammability properties of the hydrocarbon vapours released while bitumen is heated: the flash point temperature, the temperature of autoignition and the limit of oxygen.  To model bitumen's thermal decomposition in a thermogravimetric analyzer and estimate their activation energies and reaction rates.  To characterize the volatile organic compounds of high-temperature bitumen by gas chromatography coupled with mass spectrometry. The results indicate that the operating temperatures of the mobile reservoirs (200-230°C) approach the flash point temperatures (300-320°C) while heating. The auto-inflammation temperature (430-440°C), although much higher, could be reached on the surface of the heating elements. The minimum oxygen concentration (MOC) (15-16 %) can be attained inside the mobile reservoirs when the reservoirs are opened to the atmosphere. According to the thermogravimetric analysis, bitumen pyrolyzes in three stages: between 200-250°C, 300-350°C, and 400-450°C, with energies of activation of 52 KJ Mol-1 , 132 KJ Mol-1 and 228 KJ Mol-1, respectively. Between200-230°C, as much as 3% of the total mass can viii “vaporize/pyrolyze”. This fact suggests that the concentration of gas inside the mobile reservoirs can become important and reach the flammability limits. At high temperature, high molecular weight alkanes are detected (by GC-MS).These hydrocarbons constitute a significant risk to flash and explode (auto inflammation). Furthermore, they are also detected at low temperature, suggesting that their concentration could increase during heating. The presence of sulfur compounds, such as benzothiophenes and naphtothiophenes, implies that they can accumulate in the vapor space of the reservoir, which could react with rust and initiate the pyrophoric iron sulfide reaction.


identifier: Gilani, B. (2014). Sustainability Assessment of the Hot Water Extraction Biorefinery Process Using a Phased Implementation Approach  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'industrie canadienne des pâtes et papiers (P&P) est confrontée à une concurrence mondiale sans précédent. Ceci l'oblige à développer des solutions innovantes pour maintenir sa compétitivité.  dans un contexte où les préoccupations environnementales sont grandissantes, en particulier celle du réchauffement climatique et celle de la consommation des ressources fossiles, qui ont mené à l'établissement de réglementations environnementales plus strictes. Le concept de bioraffinage est de plus en plus considéré comme une solution prometteuse pour améliorer la rentabilité et la performance environnementale des usines de P&P ainsi que pour soutenir la transformation du modèle d'affaire des compagnies forestières.  La rétro-installation d'un procédé de bioraffinage dans une usine existante présente de nombreux défis dus à l'incertitude dans la conception de procédé, la mise à l'échelle de technologies émergentes, le choix des matières premières, le choix de la technologie de conversion, la performance des bioproduits en adéquation avec les besoins du marché ciblé, les problèmes potentiels d'intégration avec les procédés existants, le manque de capitaux et le financement. Ces incertitudes engendrent de nombreux risques commerciaux  et technologiques. Des stratégies d'implantation incrémentale basées sur une approche systématique par phase peuvent être suivies pour atténuer les risques associés aux projets de transformation en bioraffinerie. Les projets de bioraffinerie ont l'objectif de développer des produits et de l'énergie provenant de sources renouvelables. L'identification de la stratégie la plus durable est donc critique pour la mise en œuvre réussie des projets de bioraffinerie. L'évaluation de la durabilité d'une stratégie de bioraffinage peut être faite en considérant les facteurs les plus importants identifiés par une analyse systématique. Une stratégie de bioraffinage peut être considérée comme durable lorsqu'elle apporte de la rentabilité, de la performance environnementale, de la compétitivité à long terme et qu'elle présente des mesures d'atténuation des risques technologiques et de marché.  L'objectif de cette thèse est de mettre en oeuvre une méthodologie pratique et systématique pour l'évaluation des stratégies d'implantation du bioraffinage basé sur l'extraction à l'eau chaude (HWE) des hémicelluloses, considérant la durabilité et le potentiel de réduction des risques commerciaux et technologiques. La méthodologie est validée en utilisant une étude de cas impliquant l'intégration à une usine existante d'un procédé de bioraffinage basé sur HWE. Les procédés considérés incluent l'extraction des hémicelluloses et son traitement ultérieur selon différentes applications: production de biogaz, production d'hémicelluloses pour l'alimentation animale, production d'hémicelluloses pour la fabrication d'un sucre à cinq carbones (sucre C5), production d'un sucre C5 et production de furfural. Le sel d'acétate est coproduit dans toutes les options de traitement à l'exclusion du celle pour le biogaz. Suite à l'identification des couples procédé/produit prometteurs, des scénarios d'implantation par phase sont définis pour atténuer les risques financiers, commerciaux et technologiques. Ensuite, les outils d'ingénierie des systèmes sont utilisés pour évaluer la performance en durabilité des options de procédé et de leurs scénarios d'implantation par phase à court et à long terme. Finalement, les résultats économiques, environnementaux et d'analyse des risques sont analysés ensembles afin d'identifier la stratégie de bioraffinage HWE la plus durable. Les résultats de l'analyse économique ont prouvé que sans subvention du gouvernement aucune des options de bioraffinage HWE ne semble économiquement prometteuse, sauf celle produisant le sucre C5 qui obtient un taux de retour interne (TRI) de 25%. Néanmoins, considérant l'évaluation préliminaire des risques, les risques associés à cette option ont été identifiés comme étant relativement élevés. En incluant les subventions, les résultats économiques sont radicalement changés et toutes les options de bioraffinage définies ont montré une rentabilité attrayante - à l'exclusion du biogaz. Il a été montré que le TRI est particulièrement sensible à l'inclusion des subventions, en particulier dans le cas des stratégies à faible coût en capital. Considérant les résultats de l'analyse des scénarios d'implantation, il a été prouvé que la stratégie implantée en deux phases (Phase I : sirop d'hémicelluloses pour fabrication de sucre C5 et sel d'acétate, Phase II : sucres C5 et sel d'acétate) présente une meilleure atténuation des risques que les stratégies implantées en une seule phase directement. En ce qui concerne l'analyse des impacts environnementaux (analyse de cycle de vie conséquencielle "du berceau à la porte"), l'écorce, les produits chimiques et le transport des produits ont été identifiés comme étant les principales sources d'impacts. Les options de bioraffinage, y compris le sirop d'hémicelluloses pour les sucres C5 et les sucres C5 présentent respectivement des réductions des gaz à effet de serre (GES) de 80 % et 68 %. En outre, les résultats montrent une amélioration considérable de la performance (plus de trois fois) dans la catégorie d'impact sur la santé humaine.  En raison de la cohérence entre les résultats économiques, environnementaux et d'analyse des risques, l'identification de la stratégie la plus durable est simple. La coproduction du sel d'acétate et d'hémicellulose pour la fabrication de sucre C5 en phase I suivi par la coproduction du sel d'acétate et du sucre C5 en phase II, apparaît comme étant la stratégie de bioraffinage la plus prometteuse et durable.  ABSTRACT: Canadian pulp and paper (P&P) industry has encountered the challenge of an ever-growing level of global competition in the product market. This in turn implies the necessity for innovative solutions for the P&P industry to maintain its competitive position. In addition, P&P companies have faced further restrictions due to the existence of strict environmental regulations; increase of environmental concerns regarding the global warming and limitations in the fossil-based resources. Biorefining is increasingly considered as an alternative solution for enhancing P&P mill's profitability, improving their environmental performance and facilitating their market transformation.  Retrofitting a biorefinery process into an existing mill introduces numerous  challenges due to uncertainties in process design and scale-up, various types of feedstock, different biorefinery conversion technologies, bioproduct properties and market position, potential problems in the mill's process due to biorefinery integration and lack of capital and financing. These uncertainties result in several market and technology risks. Strategies such as incremental implementation of the biorefinery processes based on a systematic phased approach can be followed for mitigating the risks associated with biorefinery projects. In addition, the main objective of implementing a biorefinery project is to develop sustainable sources of renewable energy and products. Therefore, identification of the most sustainable strategy plays a significant role in the successful implementation of biorefinery projects. Several indicators can be defined for the sustainability evaluation of biorefinery processes, but a systematic analysis can help identifying the most important factors to consider. A sustainable biorefinery implementation strategy is the one that provides profitability and long-term competitiveness, mitigates market and technology risks in a proper manner and presents remarkable environmental performance. The objective of this thesis is to apply a systematic and practical methodology for evaluating the hot water extraction-based (HWE) biorefinery implementation strategy, using a perspective of sustainability and assessing the potential for technology and market risk mitigation. The methodology is demonstrated by using a case study that involves the integration of HWE pretreatment process into an existing P&P mill. The biorefinery process includes hemicellulose extraction and its further processing for different applications including biogas, hemicellulose for animal feed, hemicellulose for C5-sugars, C5-sugars and furfural. Acetate salt is the by-product of all the process options excluding the biogas. Following the identification of feasible HWE-based process-product alternatives, phased approach scenarios are developed to mitigate the financial, market and technology risks. Then, systems engineering tools are employed to assess the economic, environmental and risk performance of the developed process options in short-term and long-term and to evaluate metrics for the sustainability evaluation. Finally the results of the analysis are interpreted and analyzed to identify the most sustainable HWE-based biorefinery process option. Results of the economic analysis proved that before the inclusion of government subsidy and except for C5-sugars option with the Internal Rate of Return (IRR) of 25%, none of the HWE-based biorefinery options looked economically promising. Nonetheless, according to a preliminary risk assessment, market and technology risks associated with C5-sugars option were identified to be relatively high. By including subsidy, the economic landscape changed drastically and all the defined biorefinery options, excluding biogas, showed considerable project profitability. It was realized that IRR was particularly sensitive to subsidy, specifically in the case of low capital cost process options. Considering the results of risk analysis, it was proved that the two-phase strategy, which aggregated the production of acetate salt and hemicellulose for C5-sugars in phase I and C5-sugars and acetate salt in phase II, had better risk mitigation performance, when compared with single-phase strategies. Regarding the environmental analysis (“Cradle-to-gate” consequential LCA), bark, chemicals and product transportation identified to be as main sources of impacts. Biorefinery options including hemicellulose for C5-sugars and C5-sugars presented GHG reduction of 80% and 68%, respectively. Also, these options proved a considerable improvement of more than three times in the human health impact category, relative to the existing processes at the mill.  Due to the consistency between the economic, environmental and risk analysis results, identification of the sustainable process option is straight-forward. The two-phase option including acetate salt and hemicellulose for C5-sugars application in phase I and acetate salt and C5-sugar in phase II was identified to be the most promising and sustainable biorefinery process option.


identifier: Matet, M. (2014). Préparation de films à base de chitosane par voie fondue  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Depuis plusieurs années, le besoin d'utiliser des polymères d'origine naturelle dans l'industrie des plastiques se fait de plus en plus pressant. Le chitosane, qui est un polysaccharide naturel, a en plus des propriétés antibactériennes qui peuvent être intéressantes dans de nombreux domaines comme l'industrie de l'emballage alimentaire. L'inconvénient dans l'utilisation du chitosane est qu'il ne présente pas de point de fusion avant sa dégradation, il n'est donc pas adapté aux méthodes traditionnelles de transformation des polymères. L'objectif de ce travail a été de développer une nouvelle technique pour préparer des films antibactériens à base de chitosane par voie fondue. La plastification du chitosane a été choisie en assumant que cette plastification, qui est déjà réalisée en solution, est possible à l'état fondu et qu'elle permettra d'obtenir une bonne répartition du chitosane à la surface d'un film polymérique. La plastification du chitosane s'effectue à l'aide d'un traitement thermomécanique et en présence d'un solvant et d'un plastifiant. Trois plastifiants ont été sélectionnés dans la famille des polyols : le glycérol, le xylitol et le sorbitol par ordre croissant de poids moléculaire. Une solution d'acide acétique à 3 % en volume a été choisie comme solvant. Plusieurs rapports chitosane/polyol ont été utilisés dans la formulation du chitosane plastifié. Le chitosane a été plastifié dans un mélangeur interne à 80 °C, à une vitesse de 100 rpm pendant 15 min. Pour la première fois, la morphologie du chitosane plastifié a été observée au MEB. Elle consiste en une phase cristalline, composée de feuillets successifs, incorporée dans une phase amorphe. Des réactions entre l'acide acétique et le chitosane et entre les polyols et le chitosane ont été observées grâce à la FTIR. Il a été montré que plus le poids moléculaire du polyol était bas, moins la cristallinité du chitosane plastifié était élevée. Le chitosane plastifié avec le glycérol a démontré la phase amorphe la plus importante, ses différentes propriétés mesurées étant alors les plus faibles. En admettant que la mise en oeuvre du chitosane plastifié avec le glycérol serait facilitée grâce à l'importance de sa phase amorphe, le glycérol a été préféré aux deux autres polyols dans le reste de l'étude. La quantité de polyol a aussi son impact sur les propriétés, plus celle-ci augmente plus la phase amorphe est importante donc plus les propriétés sont faibles mais sa mise en oeuvre aisée. Pour comprendre l'effet de chaque composant, différents pourcentages volumiques d'acide acétique en solution, plusieurs ratios chitosane/solution d'acide acétique et plusieurs ratios chitosane/glycérol ont été utilisés pour plastifier le chitosane. Le chitosane plastifié a été mélangé vii avec un polyéthylène métallocène (mPE) dans le mélangeur interne. La morphologie des ces mélanges a été observée au MEB et corrélée avec leurs propriétés rhéologiques grâce au modèle de Palierne. La présence de l'acide acétique engendre une déstructuration du chitosane par une détérioration des liaisons hydrogènes entre les plans du chitosane. Sous cette action, les plans se sont séparés et un gonflement du chitosane dans la matrice a été observé. La partie aqueuse permet le mouillage de la surface du chitosane. Le glycérol s'est glissé entre les plans écartés du chitosane, le gonflement s'est poursuivi jusqu'à la rupture de la structure et la réduction de la taille des domaines de chitosane. Lorsque la quantité de glycérol dans la formulation est augmentée, la dispersion du chitosane dans la matrice de polyéthylène est améliorée. Les mélanges chitosane plastifié/mPE ont montré de bonnes propriétés antibactériennes avec une réduction de 2 log (Colony Forming Unit/mL) de la population totale de bactéries Escherichia coli par rapport au mPE pur. Les propriétés mécaniques ont été améliorées par la compatibilisation avec l'éthylène-acétate de vinyle (EVA) qui s'est positionné à l'interface entre le mPE et le chitosane. Afin d'améliorer la plastification du chitosane, un changement dans sa mise en forme a été réalisé. La plastification du chitosane et son mélange avec un polymère fondu a été réalisée en une seule passe dans une extrudeuse bivis. Le chitosane a été plastifié en amont de la bivis, le mPE étant quant à lui fondu dans une extrudeuse monovis connectée au milieu de la bivis. Le chitosane plastifié et le mPE fondu ont alors été mélangés en aval de l'extrudeuse bivis. Des films ont été par la suite extrudés à 2, 5 ou 10 % en poids de chitosane, avec ou sans l'EVA pour la compatibilisation. La plastification a grandement été améliorée par le changement de mise en forme. Les images des films réalisées au MEB, ont montré une réduction par 5 de la taille des domaines de chitosane par rapport aux mélanges produits avec le mélangeur interne. Cet aspect s'est répercuté sur l'aspect visuel qui a été fortement amélioré. La dégradation thermique des films a été accélérée par l'ajout du chitosane plastifié et les propriétés mécaniques ont été affectées négativement par l'ajout du chitosane. La compatibilisation avec l'EVA a malgré tout aidé à maintenir de bonnes propriétés mécaniques pour les plus faibles quantités de chitosane. De plus, l'ajout du chitosane plastifié n'a eu aucun impact sur les propriétés barrières à l'oxygène des films. Finalement, aucune activité antibactérienne n'a été mesurée en présence des films. La présence du chitosane à la surface du film n'a pas été observée et cela serait directement lié à viii l'absence de ces propriétés antibactériennes. En raison de l'efficacité du mélange dans l'extrudeuse, l'encapsulation du chitosane par l'EVA devait être complète.  ABSTRACT: For many years, the plastics industry has considered the use of polymers of natural origin. Certain specific characteristics of these natural polymers have also been investigated to increase the added value of the final plastic product. Chitosan can be a good polymer candidate since it is a natural polysaccharide and it exhibits interesting properties such as antibacterial properties that can apply to several domains such as food packaging industry. The inability of chitosan to melt before its thermal degradation makes it unsuitable for traditional polymer processing methods. The objective of this work is to develop a new technique to prepare chitosan-based anti-bacterial films through a molten route. This approach was selected according to the hypothesis that the plasticization of chitosan – already performed by the solvent casting method – is possible in the molten state and would provide a good chitosan distribution at the surface of a polymeric film. In this work chitosan plasticization is achieved by a thermo-mechanical treatment in the presence of an acidic liquid phase and a plasticizer. Three plasticizers were selected from the polyol family: glycerol, xylitol and sorbitol, presented from low to high molecular weight. A 3 % v/v solution of acetic acid was chosen as the solvent. Plasticized chitosan was prepared with various chitosan/polyol ratios and was processed in an internal mixer at 80 °C for 15 min using a rotation speed of 100 rpm. The samples were then hot-pressed to produce sheets of 1 mm thickness. SEM micrographs demonstrated a crystalline phase, composed of a layered structure, embedded in an amorphous phase. The interactions between chitosan and the acetic acid solution and between chitosan and polyols were investigated by FTIR analysis. It was observed that the crystallinity of the plasticized chitosan increased with polyol molecular weight. Plasticized chitosan using glycerol had the highest content of the amorphous phase and the lowest values of the investigated properties. Moreover, as the polyol content increased the crystallinity decreased. Due to the dominant amorphous phase content with glycerol, it was assumed that chitosan processing would be facilitated. As a result, glycerol was favored over the other two polyols for the continuation of the study. In order to understand the role of each component in the plasticization mechanism, the following parameters have been examined: acetic acid content, chitosan/acetic acid solution ratio and chitosan/glycerol ratio. These various plasticized chitosans were melt-blended with a metallocene polyethylene (mPE) in an internal mixer. The blends morphology was examined by SEM and x was related to the rheological properties using the Palierne model. Acetic acid allowed chitosan destructuration by breaking down the hydrogen bonds between its structural sheets. The distance between two planes increased and swelling of chitosan embedded in the mPE matrix was observed. The acidic aqueous phase of the formulation was essential to thoroughly wet the chitosan powder. As glycerol penetrated between the spaced sheets, the swelling of chitosan domains continued until structural rupture occurred, which led to a reduction of chitosan domains size. SEM images confirmed that an increase in the glycerol content led to a better chitosan dispersion in the mPE matrix. Plasticized chitosan/mPE blends demonstrated good antibacterial properties with a reduction by an order of 2 log(Colony Forming Unit (CFU)/mL) in the number of bacteria Escherichia coli with respect to neat mPE. Ethylene-vinyl acetate (EVA) was also added in the blend to promote compatibilization between chitosan and mPE. It was found that EVA was located around chitosan domains, according to SEM imaging. This compatibilization step improved the mechanical properties of the blends. In order to improve further chitosan plasticization, the processing technique was modified. Chitosan plasticization and its blend with a molten polymer was achieved in a single-pass extrusion process. Chitosan was plasticized in the first zone of a twin-screw extruder. mPE was melted in a single-screw extruder connected to the center of the main twin-screw extruder and was injected inside the latter into the second zone. Then, plasticized chitosan and mPE were blended together. Dilutions were performed in single screw extrusion to produce different film formulations with 2, 5 and 10 wt% of chitosan with and without EVA as the compatibilizer. It was shown that such modification of the processing technique greatly improved plasticization. SEM images demonstrated that the size of the chitosan domains were reduced by a factor of 5 with respect to the blends prepared by internal mixing. Therefore optical properties were also improved. However the thermal degradation of the films was accelerated in the presence of plasticized chitosan. Mechanical properties were also negatively affected, although compatibilisation with EVA allowed maintaining them to an acceptable level for the lowest chitosan contents. Oxygen permeability of the films remained constant after the addition of chitosan, while water vapor permeability increased. Finally, no antibacterial properties were revealed for the newly produced films. It is speculated that the absence of antibacterial characteristics is related to the fact that no chitosan was detected at the film surface, probably due to chitosan encapsulation by EVA as a result of the high efficiency of mixing.


identifier: Dems, A. (2014). Problèmes intégrés d'approvisionnement forestier avec décisions de tronçonnage  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: En foresterie, la planification annuelle des approvisionnements en bois est une tâche complexe qui implique un nombre important de décisions. Des décisions qui portent sur une multitude d'activités de la chaîne logistique forestière afin de mieux les synchroniser, à savoir la récolte, le stockage, le transport,...etc. Le degré de complexité des problèmes d'approvisionnement dépend de la diversité des activités intégrées. Cette thèse s'intéresse aux problèmes de planification annuelle des approvisionnements en bois très intégrateurs. Elle vise à développer un système d'aide à la décision pour soutenir les compagnies forestières dans le contexte de l'est canadien. Nous étudions plusieurs variantes du problème annuel d'approvisionnement de bois, de plusieurs sources vers plusieurs destinations et intégrant des décisions de tronçonnage. Dans le premier article de ce travail, nous considérons une variante du modèle portant sur la planification annuelle, mono-périodique des approvisionnements forestiers. Nous présentons alors une approche pratique et détaillée portant sur le problème de tronçonnage des arbres dans une forêt. Le tronçonnage des arbres consiste à couper les arbres abattus en des segments de bois de plus petites longueurs (billes). Il s'agit de l'une des plus importantes opérations dans la chaîne logistique de l'exploitation forestière. Cette approche sera par la suite utilisée dans les variantes multi-périodiques. En outre, nous proposons de nouvelles structures de tronçonnage, que nous comparons à l'approche actuellement en usage. Les nouvelles structures portent sur la désagrégation de certaines activités associées au tronçonnage. Nous montrons que ces structures améliorent les opérations de récolte sans changer les technologies utilisées ou engendrer des dépenses excessives. Nous considérons aussi l'impact de la diminution de la productivité des machines de tronçonnage sur le coût de récolte. Par la suite, nous présentons deux extensions multi-périodiques du modèle dans l'article 2 et 3 respectivement. Nous portons plus d'attention à la variation du stock et la fluctuation des demandes au cours de l'année. Nous considérons des décisions sur le séquencement de la récolte des sites forestiers dans le temps, en plus des activités d'approvisionnement traitées dans la variante mono-périodique. Ces variantes reflètent mieux la réalité parce que nous considérons que les sites forestiers ne peuvent pas être récoltés tous en même temps. Dans le troisième article, nous étudions aussi l'impact de l'intégration d'une certaine forme de flexibilité dans la récolte sur la planification en variant la capacité de récolte utilisée durant le temps. Nous montrons que cette flexibilité améliore l'efficacité des opérations de la récolte. Nous proposons des formulations mathématiques pour modéliser les différentes variantes du problème. Pour ce faire, des approches de modélisation explicites telles que la programmation linéaire en nombres entiers et la programmation par contraintes sont utilisées. Nous faisons appel à des approximations pour linéariser le coût de récolte et nous utilisons certaines heuristiques et approches hybrides pour améliorer les temps de calcul.  ABSTRACT: In Canada, the industry of forest products is among the top five contributors to the nation's net trade according to Natural Resources Canada (2013). Recently, this industry has been refocusing its business model due to new challenges related to environmental issues, economic downturn, decline in newsprint demand and increasing competition. Product and process innovation are the focus of important development to help the sector adapt to recent challenges. The Wood Supply Chain (WSC) has emerged as an important field in developing an efficient wood procurement process. Wood procurement process encompasses a wide range of activities that provide quantities of wood to processing mills. Therefore, researches on the whole WSC, as a key factor of maintaining a sustainable forest industry, are intensified. This dissertation addresses different variants of the wood procurement problem for Eastern Canadian forest context. In the first paper of this thesis, we develop a mixed integer linear model for a practical multi-facility wood procurement planning problem using a cut-to-length (CTL) bucking system. Cut-to-length bucking is the operation of cutting tree stems into smaller pieces (logs), directly at the forest area, using mechanical machinery (harvesters and forwarders). We propose a model that maximizes the products value (i.e., profit maximization) and minimizes the harvesting cost, the transportation cost and the inventory cost. The decisions included in this wood procurement problem deal with the way to harvest different forest sites (according to the bucking priority list used) and the allocation of harvested logs to sawmills. We consider a priority-list approach to generate adequate bucking patterns. In this thesis, the harvesting cost considers the nonlinearity of the harvester productivity function, which is an important aspect of the decision-making process in forest management. To keep the model in the scope of linear models, we propose an approximation of the empirical formulation of its harvesting cost. This approximation is then used to formulate different variants of the problem. Moreover, we introduce two new harvesting scenarios in order to analyse the cost/benefit trade-offs of a more complex decision structure. We conclude that these scenarios are profitable for forest companies, without major shift in the technology in use. Then, we extend the first mono-period procurement model to a more detailed multiple-period planning context. In the second paper, we consider the impact of temporal variations in demands, log availability and inventory holdings on the procurement plan. Also, we introduce new decisions dealing with the harvest scheduling of the forest sites. We develop a mixed integer linear model, and we propose two heuristic approaches that quickly generate an initial feasible schedule of forest sites and solve the problem within reasonable time limits. Finally, in the third paper, we present a new variant of the wood procurement problem in which the planning horizon is larger than the first one, since we consider periods of two weeks. We present also a new form of flexibility which allows changing the harvesting capacity depending on time periods. We study its impact upon the harvesting capacity used and the harvesting cost. We assess its performance by comparing it to the first multi-period variant of the problem. We demonstrate that this flexibility decreases the total costs. To solve the problem, we develop a hybrid approach based on both constraint and mathematical programming. In the first phase, we propose a constraint programming model dealing with forest sites harvesting. The result of this model is then used as an initial partial solution for the whole problem formulated as a mixed integer model.


identifier: Delahousse, O. (2014). Étude empirique de huit cas d'application de la réalité augmentée spatiale pour la communication événementielle  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le secteur des Nouvelles Technologies de l'Information et des Communications (NTIC) a créé de nouvelles attentes chez les consommateurs (mobilité, recherche de lien social, besoin de divertissement…) et a profondément bouleversé les schémas de communication traditionnelle. Pour répondre à ces nouvelles problématiques, de nouvelles approches de médiation ont fait leur apparition au sein des agences de communications. Depuis quelques années, l'usage de la Réalité Augmentée Spatiale (RAS), consistant à faire coexister spatialement et temporellement un monde virtuel avec le monde réel pour l'utilisateur placé dans l'environnement de réalité mixte, a permis aux agences de communication de mettre en place un nouveau modèle d'affaires, misant sur la dimension virale qu'ont les réalisations innovantes sur les réseaux sociaux. Certaines vidéos mettant en scène la dimension spectaculaire de la RAS à des fins publicitaires ont ainsi été partagées et visionnées plusieurs millions de fois, permettant de maximiser la diffusion du message publicitaire à moindre coût, grâce au partage des internautes. Le problème soulevé par cette recherche est le manque de littérature opérationnelle concernant ces prestations de services émergents. Les tâches de conception sont nombreuses, contextuelles et interconnectées, et impliquent plusieurs corps de métiers. Aussi, il est difficile de spécifier les fonctions d'usages de l'objet à concevoir principalement à cause de l'absence d'objet préexistant ou de client capable de formuler une demande claire. Il s'agit pour les acteurs de ces projets de conception innovante de créer des environnements de réalité mixte dans un environnement non contrôlé. Dans le cadre d'une communication événementielle nécessitant le développement d'un système de de Réalité Augmentée Spatiale (SRAS), cette recherche a pour objectif de répondre aux questions suivantes : quelles sont les tâches à faire, quelle est la démarche à suivre, à quels types de spécialistes faut-il faire appel, quels sont les outils informatiques à utiliser, et quels défis pratiques se posent? Nous espérons ainsi contribuer à l'amélioration des processus de développement et à la gestion de la connaissance associée à un champ d'applications industrielles émergentes. La méthode retenue pour ce projet de recherche est celle de la Recherche-Action (R-A). Elle a été réalisée dans le cadre d'un partenariat industriel de deux ans avec une agence de communication de nouveaux médias spécialisée dans les installations de projections à grande échelle et les expériences immersives et interactives. Au cours de ces deux années en milieu pratique, nous avons activement collaboré au développement de huit installations de RAS pour des cas de communication événementielle. La première contribution de ce mémoire, à travers la présentation de huit cas de projets industriels d'augmentations spatiales, est de permettre la réutilisation des processus opérationnels mis en place et des solutions techniques développées éprouvées par la pratique. Pour chaque cas, nous explicitons le mandat du commanditaire, le concept et le scénario d'augmentation retenu pour répondre aux besoins d'estime et d'usage, et les stratégies employées pour assurer la cohérence spatiale et temporelle de l'augmentation de la réalité. Ces cas permettront ainsi aux concepteurs d'appréhender les propriétés hédoniques et pragmatiques associées à ces produits émergents et représentent autant de pistes pour relever les défis qui se poseront lors de la conception de nouveaux SRAS. La deuxième contribution de ce mémoire est la proposition d'une démarche de conception et de réalisation dédiée. Pour cela, nous nous sommes basés sur nos expériences pratiques, nos observations et l'analyse du développement de ces huit produits de RAS. Nous explicitons la pluralité des expertises nécessaires, les tâches de conception génériques des différents acteurs et leurs interconnexions. Nous avons formulé des lignes directrices pour les tâches associées à l'augmentation numérique d'un environnement physique en contexte industriel (conception de l'expérience, conception matérielle et logicielle) et pour l'établissement du cadre de référence, permettant de faire le pont entre les dimensions réelle et virtuelle durant le développement. La troisième contribution de ce mémoire est l'analyse comparative de différents processus opérationnels pour la RAS par projection vidéo et des outils informatiques utilisables. Nous en avons utilisé certains pour des besoins réels de projets d'augmentation, ce qui nous a permis d'identifier leurs limites opérationnelles, de les indexer, et de formuler des conseils concernant leur utilisation contextuelle. Ce projet de recherche vise ainsi globalement à regrouper et structurer le savoir-faire technique et méthodique d'experts pionniers de l'usage de la RAS en tant que prestation de service de communication.  ABSTRACT: The sector of New Technologies of Information and Communications (NICT) has created new expectations among consumers (mobility, social link seeking, entertainment need...) and profoundly disrupted traditional strategies for communication. To meet these new challenges, new approaches have appeared in communications agencies. In recent years, the use of Spatial Augmented Reality (SAR), consisting in overlaying an object or a physical environment with a digital layer of video, enabled agencies to establish a new business model, focusing on the viral dimension of innovative achievements on social networks. Indeed, some videos featuring the spectacular dimension of SAR for advertising purposes have been shared and viewed millions of times, maximizing the dissemination of the advertisement cost. The problem raised by this research is the lack of literature on the operational aspects of those emerging services and the design process of Spatial Augmented Reality Systems (SARS). Tasks are numerous, contextual, interconnected and involve several types of expertise. Our study is intended to help the designers of these projects by structuring the technical and methodical know-how. We hope to contribute to improve the development processes and the knowledge management associated with an emerging field of industrial applications. The method used for this research is Action Research. It was conducted as part of an industrial two-year partnership with a communication agency specializing in new media installations and large-scale projections experiences. During these two years in practice environment, we worked on the development of eight SARS used for event communication cases. The first contribution of this memoir is to present these eight cases of industrial projects to enable the reuse of processes and technical solutions that were developed. We described the mandate of the sponsor, the concept and scenario retained to meet his needs, and the strategies used to ensure spatial and temporal coherence of the augmentation of the reality for the end user. These cases should allow designers to understand the pragmatic and hedonic properties associated with these emerging products and represent examples for facing their own challenges when designing a specific SARS. The second contribution of this memoir is to suggest an approach to design SARS, based on our practical experience, our observations and the iterative development of these eight products. We expose the plurality of expertise that was required, the generic design tasks of the various actors and their interconnections. We have developed guidelines for the design tasks associated with the augmentation of a physical environment in an industrial context (experience design, hardware and software design) and have established a reference framework, building a bridge between the real and virtual dimension during the development of SARS. The third contribution of this memoir is a comparative analysis of different processes for projection mapping and of different computer tools used to fill the needs of this sector. We used some of them in the eight projects, which allowed us to identify their operational limits and give advice on their contextual uses.


identifier: Gueye, A. (2014). Études des contrôles des réseaux de distribution dans l'analyse d'écoulement de puissance multiphasé  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ce mémoire présente un modèle permettant d'intégrer et de gérer les contrôles des prises des transformateurs et des régulateurs dans l'analyse nodale modifiée augmentée (MANA). Le modèle proposé a pour objectif de rendre l'analyse d'écoulement de puissance, basée sur l'approche MANA, plus précise et plus rapide au niveau de la gestion des prises. La solution proposée est une modélisation générale applicable à tous les types de transformateurs, autotransformateurs, et régulateurs sans être limité par les différentes configurations et/ou décalages de phase. Il permet aussi de modéliser les contrôles de noeuds éloignés (paramètres RX). En ce sens, ce travail représente une contribution significative au niveau de l'algorithme de répartition de puissance utilisant l'approche MANA. La méthodologie adoptée consiste d'abord à étudier le fonctionnement des contrôles existant pour les appareils de régulation à savoir les transformateurs et les régulateurs. Ensuite, un outil d'analyse et de test est développé sous MATLAB. Cet outil permet d'obtenir rapidement la matrice MANA de tout réseau modélisé dans le logiciel commercial CYME. Plus précisément, ce programme récupère les données de tous les équipements d'un réseau à partir du fichier de CYME. Par la suite, ces données sont enregistrées selon une formulation orientée objet, puis utilisée pour générer de façon systématique la matrice MANA correspondante. Cet outil est par la suite utilisé pour modéliser les contrôles de différents équipements ainsi que pour tester leur intégration dans la matrice MANA. La dernière étape de ce projet consiste à valider le fonctionnement des modèles proposés. La validation des modèles proposés pour le contrôle des prises sera effectuée en vérifiant que les résultats obtenus respectent les consignes spécifiées. Les résultats de l'écoulement de puissance seront comparés avec ceux du logiciel CYME. Les résultats obtenus démontrent que l'intégration du contrôle des prises dans MANA apporte une solution robuste et précise sans dégrader la performance et la flexibilité propre à l'approche matricielle.  ABSTRACT: This thesis presents a model for integrating and managing voltage control tap changers in the modified augmented nodal analysis (MANA). The objective of the proposed solution is to make the management of tap changers, in power flow analysis based on MANA, faster and more accurate. The proposed solution is a general approach suitable for all types of transformers, autotransformer and regulators without being limited by device configurations or phase shift. It also allows integrating remote voltage control (RX settings and load center), and managing regulators and transformers connected in series. This represents the main contribution to the MANA formulation for solving distribution network power flow. The adopted methodology starts by studying the existing control devices, namely transformers and regulators. Next, a development and analysis tool is developed in MATLAB. This tool provides the MANA matrix of any network modeled in commercial software CYME. More specifically, the program retrieves the data from all devices in the CYME file. Thereafter, this data is organized in an object – oriented format and used to generate systematically the corresponding matrix formulation. This tool is then used for modeling the control devices and to test their integration into the Jacobian matrix. The final stage of this project is to validate the results of the proposed control models. The validation of the proposed models will be carried out by checking that the results meet the specified desired voltage. The power flow results will be compared to those of CYME software. The results of the test cases shows that the integration of tap control in the MANA formulation provides an accurate solution without degrading the performance and flexibility which come with the MANA approach.


identifier: Lambert, M. (2014). Transformer Modeling for Low-And Mid-Frequency Electromagnetic Transients Simulation  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Dans cette thèse, de nouveaux modèles de transformateurs pour les transitoires électromagnétiques à basse fréquence ont été développés pour les appareils cuirassés. Ces modèles utilisent l'approche des inductances de fuite couplées, qui a l'avantage de ne pas nécessiter l'emploi d'enroulements fictifs pour connecter le modèle de fuite à un modèle topologique du noyau, tout en arrivant au même résultat en court-circuit que le modèle BCTRAN (matrice d'admittance indéfinie).Afin d'accroître le raffinement des modèles, il est proposé de partitionner les enroulements en bobines (agencement d'un ou de plusieurs tours de l'enroulement complet). Cependant, les mesures en court-circuit entre les bobines ne sont jamais disponibles, car on ne peut pas avoir accès à chaque bobine séparément en pratique. Pour combler cette lacune, une nouvelle méthode analytique basée sur la méthode des images a été développée, ce qui permet le calcul des inductances de court-circuit en 2-D entre des conducteurs de section rectangulaire. Les résultats de la nouvelle méthode convergent vers ceux obtenus par la méthode des éléments finis en 2-D. De plus, l'hypothèse que le champ de fuite est approximativement 2-D pour les transformateurs cuirassés a été validée à l'aide d'une simulation en 3-D avec un modèle plus complet de transformateur, incluant la cuve et les écrans magnétiques. Le produit de cette nouvelle méthode pour calculer les inductances de court-circuit entre les bobines a été utilisé pour calculer les inductances propres et mutuelles du modèle d'inductances de fuite couplées. Les résultats montrent, d'une part, que l'inductance de court-circuit totale des enroulements correspond bien aux mesures expérimentales et d'autre part, que le modèle d'inductances de fuite couplées donne des résultats identiques en court-circuit au modèle BCTRAN.En général, les inductances de fuite dans les modèles de transformateurs sont calculées à partir des essais en court-circuit et la branche de magnétisation est calculée à partir des essais à vide. De plus, on suppose généralement que les fuites sont négligeables pour le transformateur à vide et que le courant de magnétisation est infime pendant un court-circuit. Bien que l'hypothèse de perméabilité infinie soit valable pendant un court-circuit, car la force magnétomotrice dans le noyau est négligeable, on ne peut en dire autant de l'hypothèse selon laquelle les fuites sont négligeables à vide. En fait, le noyau ferromagnétique du transformateur commence à saturer à vide et une partie du flux magnétique fuit à l'extérieur du noyau. Pour prendre cela en compte, une méthode analytique novatrice est proposée dans cette thèse, qui permet d'enlever la contribution des flux de fuite lors des essais à vide afin de calculer correctement les branches de magnétisation des modèles proposés.Cependant, il doit être souligné que les courants de Foucault ont été négligés lors du développement de la nouvelle méthode analytique pour calculer les inductances de court-circuit (comme pour les autres méthodes analytiques).  ABSTRACT: In this work, new models are developed for single-phase and three-phase shell-type transformers for the simulation of low-frequency transients, with the use of the coupled leakage model. This approach has the advantage that it avoids the use of fictitious windings to connect the leakage model to a topological core model, while giving the same response in short-circuit as the indefinite admittance matrix (BCTRAN) model. To further increase the model sophistication, it is proposed to divide windings into coils in the new models. However, short-circuit measurements between coils are never available. Therefore, a novel analytical method is elaborated for this purpose, which allows the calculation in 2-D of short-circuit inductances between coils of rectangular cross-section. The results of this new method are in agreement with the results obtained from the finite element method in 2-D. Furthermore, the assumption that the leakage field is approximately 2-D in shell-type transformers is validated with a 3-D simulation.The outcome of this method is used to calculate the self and mutual inductances between the coils of the coupled leakage model and the results are showing good correspondence with terminal short-circuit measurements.Typically, leakage inductances in transformers are calculated from short-circuit measurements and the magnetizing branch is calculated from no-load measurements, assuming that leakages are unimportant for the unloaded transformer and that magnetizing current is negligible during a short-circuit. While the core is assumed to have an infinite permeability to calculate short-circuit inductances, and it is a reasonable assumption since the core's magnetomotive force is negligible during a short-circuit, the same reasoning does not necessarily hold true for leakage fluxes in no-load conditions. This is because the core starts to saturate when the transformer is unloaded. To take this into account, a new analytical method is developed in this dissertation, which removes the contributions of leakage fluxes to properly calculate the magnetizing branches of the new models. However, in the new analytical method for calculating short-circuit inductances (as with other analytical methods), eddy-current losses are neglected. Similarly, winding losses are omitted in the coupled leakage model and in the new analytical method to remove leakage fluxes to calculate core parameters from no-load tests. These losses will be taken into account in future work. Both transformer models presented in this dissertation are based on the classical hypothesis that flux can be discretized into flux tubes, which is also the assumption used in a category of models called topological models. Even though these models are physically-based, there exist many topological models for a given transformer geometry.


identifier: Lanteigne, J.-R. (2014). Modélisation et simulation de pyrolyse de pneus usagés dans des réacteurs de laboratoire et industriel  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La présente thèse couvre une étude appliquée sur la pyrolyse des pneus. L'objectif global est de développer des outils pour permettre la prédiction de la production et de la qualité de l'huile de pyrolyse des pneus. Le premier objectif de recherche consistait à modéliser la cinétique de pyrolyse des pneus dans un réacteur, en l'occurrence un tambour rotatif industriel opérant en mode batch. Une revue de littérature effectuée ultérieurement a démontré que la quasi-totalité des modèles cinétiques développés pour représenter la pyrolyse des pneus ne parvenait pas à représenter avec suffisamment de précision le procédé industriel à l'étude. Parmi les familles de modèles cinétiques pour la pyrolyse, trois ont été identifiées : modèle à une seule réaction globale, modèle à plusieurs réactions parallèles combinées linéairement et modèle à plusieurs réactions en série et/ou en parallèle. Il a été remarqué que ces modèles ont des limites. Dans les modèles à réaction globale et à plusieurs réactions en parallèle, la production de chaque produit pyrolytique individuel ne peut être prédite, mais seulement pour les volatiles combinés. De plus, le terme massique de la cinétique se réfère à la quantité de char finale (W∞), qui varie en fonction des conditions de pyrolyse, ce qui rend ces modèles beaucoup moins robustes. Aussi, malgré le fait que les modèles à plusieurs réactions en série et/ou parallèle puissent prédire le taux de production de chaque produit de la pyrolyse, les sélectivités sont déterminées pour des températures d'opération et non des températures réelles de masse, ce qui génère des modèles dont l'ajustement des paramètres fait défaut lorsqu'utilisé à l'échelle industrielle. Un nouveau modèle cinétique a été développé, permettant de prédire le taux de production de gaz non-condensable, d'huile et de char provenant de la pyrolyse des pneus. La nouveauté de ce modèle est la considération des sélectivités intrinsèques de chaque produit en fonction de la température. Cette hypothèse a été considérée valide assumant que dans le procédé industriel de pyrolyse, la cinétique de pyrolyse est limitante. Le modèle développé considère des cinétiques de production individuelles pour chacun des trois produits pyrolytiques proportionnelles à une cinétique de décomposition globale des pyrolysables. Les simulations avec des données obtenues en opération industrielle ont démontré la robustesse du modèle à prédire avec précision en régime transitoire, la pyrolyse des pneus, à l'aide de paramètres du modèle obtenus à l'échelle du laboratoire, nommément en ce qui a trait au début de la production, le temps de résidence des pneus (production dynamique) et de la quantité d'huile produite (rendement cumulatif). Il s'agit d'une toute nouvelle façon de modéliser la pyrolyse qui pourrait être extrapolée à de nouvelles matières premières. Le deuxième objectif de cette recherche doctorale était de déterminer l'évolution de la chaleur spécifique des pneus pendant la pyrolyse et l'enthalpie de pyrolyse. L'origine de cet objectif provient d'une contradiction primaire. Outre quelques exceptions, il est admis que la pyrolyse des matières organiques est globalement un phénomène endothermique. À l'opposé, toutes les expériences menées à l'aide d'appareils de laboratoire tels la DSC (Differential Scanning Calorimetry) ont montré des pics exothermiques durant les expériences dynamiques (rampe de température constante). Cela a été confirmé par les résultats obtenus à l'échelle industrielle, où aucune trace d'exothermicité n'a été observée. La loi de Hess a aussi confirmé ces résultats, à savoir que globalement, la pyrolyse est bel et bien un processus entièrement endothermique. Un bilan d'énergie précis est requis pour prédire la température des pneus durant la pyrolyse, paramètre indissociable de la cinétique. Une investigation approfondie du char a permis dans un premier temps de démontrer que la chaleur spécifique des solides au cours de la pyrolyse décroît en fonction de la température jusqu'à l'atteinte du pic de perte de masse en décomposition, vers 400°C, pour ensuite remonter. Ce constat, combiné au fait que l'échantillon perd de sa masse au cours de la pyrolyse est considéré comme la principale cause de l'apparition du pic exothermique dans les expériences de laboratoire. C'est-à-dire que le système de contrôle de ces appareils provoque un biais et une surchauffe involontaire des échantillons leur conférant un comportement exothermique. Il s'agirait donc d'un artéfact. Sur la base des nouvelles données sur l'évolution de la chaleur spécifique globale en pyrolyse, un modèle du bilan d'énergie a été développé à l'échelle industrielle pour déterminer l'enthalpie de pyrolyse. La simulation a montré que la majeure partie de la chaleur transférée à la masse décomposée servait à augmenter sa température. Ensuite, une enthalpie de pyrolyse dépendante de la perte de masse a été obtenue. Enfin, deux autres termes d'enthalpie ont été trouvés, nommément une enthalpie pour le bris des ponts soufrés et une enthalpie pour la stabilisation du char lorsque la conversion approche la complétion. Cette recherche aura permis d'établir une nouvelle méthodologie générale pour déterminer l'enthalpie de pyrolyse. Plus particulièrement, de nouveaux éclaircissements ont été obtenus quant à l'évolution de la chaleur spécifique de la masse lors de la pyrolyse et de nouvelles enthalpies de pyrolyse, toutes endothermiques, ont pu être obtenues, en accord avec les attentes théoriques. Le troisième objectif de recherche concernait le comportement du soufre lors de la pyrolyse des pneus. Avec comme prémisse que le soufre est un contaminant intrinsèque de plusieurs résidus à valoriser, il est critique d'en clarifier le devenir lors de la pyrolyse, dans le cas présent des pneus usagés. De la littérature est ressorti que certaines analyses quantitatives avaient été présentées, mais de façon généralisée, les mécanismes de distribution du soufre parmi les produits pyrolytiques demeurent flous. Ainsi, il n'était pas possible de prédire le transfert du soufre vers chacun des produits de la pyrolyse des pneus. Les résultats tirés de la littérature ont été complémentés par une série d'expériences en TGA, suivies d'analyses élémentaires complètes pour les résidus solides. Des bilans de matière ont été effectués afin de caractériser la distribution des différents éléments parmi les trois produits (gaz non-condensable, huile et char). Un tout nouveau paramètre a été créé lors de cette recherche : la sélectivité pour la perte du soufre. Cette sélectivité intrinsèque est une prédiction de la répartition du soufre dans les produits de la pyrolyse en fonction de la température. Trois phénomènes ont été identifiés pouvant affecter la sélectivité pour la perte du soufre. Tout d'abord, la volatilisation naturelle du soufre due à la pyrolyse. Ensuite, la volatilisation du soufre due à la désulfuration de la matrice solide par l'hydrogène et enfin, la séquestration du soufre à l'état solide due à la sulfuration des métaux (zinc et fer). Les résultats ont démontré que cette sélectivité atteint la valeur limite de 1 dans des conditions où la pyrolyse est limitée par la cinétique et en l'absence de métaux. Lorsque le transfert de matière est limitant à faible température (<350°C), la sélectivité dépassera 1. À une température supérieure à 350°C en présence de métaux, la sélectivité sera inférieure à 1. Il s'agit d'un outil très utile pour les procédés de pyrolyse industrielle, étant un nouvel indicateur pour la distribution des contaminants lors de la pyrolyse des résidus. Une meilleure compréhension de ces mécanismes permet d'élaborer une meilleure stratégie lors du design de ces procédés industriels. Par exemple, à la lumière de cette recherche, il pourrait être préférable de prétraiter les pneus à basse température pour éliminer une quantité significative du soufre avant de les soumettre à une pyrolyse à température élevée. Les produits pyrolytiques résultants nécessiteraient alors un post-traitement de purification moins intensif, plus efficace et plus économique.  ABSTRACT: The present thesis covers an applied study on tire pyrolysis. The main objective is to develop tools to allow predicting the production and the quality of oil from tire pyrolysis. The first research objective consisted in modelling the kinetics of tires pyrolysis in a reactor, namely an industrial rotary drum operating in batch mode. A literature review performed later demonstrated that almost all kinetics models developed to represent tire pyrolysis could not represent the actual industrial process with enough accuracy. Among the families of kinetics models for pyrolysis, three have been identified: models with one single global reaction, models with multiple combined parallel reactions, and models with multiple parallel and series reactions. It was observed that these models show limitations. In the models with one single global reaction and with multiple parallels reactions, the production of each individual pyrolytic product cannot be predicted, but only for combined volatiles. Morevoer, the mass term in the kinetics refers to the final char weight (W∞) that varies with pyrolysis conditions, which yields less robust models. Also, despite the fact that models with multiple parallels and series reactions can predict the rate of production for each pyrolysis product, the selectivities are determined for operating temperatures instead of real mass temperatures, giving models for which parameters tuning is not adequate when used at the industrial scale. A new kinetics model has been developed, allowing predicting the rate of production of non-condensable gas, oil, and char from tire pyrolysis. The novelty of this model is the consideration of intrinsic selectivities for each product as a function of temperature. This hypothesis has been assumed valid considering that in the industrial pyrolysis process, pyrolysis kinetics is limiting. The developed model considers individual kinetics for each of the three pyrolytic products proportional to the global decomposition kinetics of pyrolysables. The simulation with data obtained in industrial operation showed the robustness of the model to predict with accuracy in transient regime, tires pyrolysis, with the help of model parameters obtained at laboratory scale, namely in regards of the trigger of production, the residence time of tires (dynamic production) and the amount of oil produced (cumulative yield). It is a novel way to model pyrolysis that could be extrapolated to new waste materials. The second objective of this doctoral research was to determine the evolution of specific tires specific heat during pyrolysis and the enthalpy of pyrolysis. The origin of this objective comes from a primary contradiction. With few exceptions, it is acknowledged that organic materials pyrolysis is globally an endothermic phenomenon. At the opposite, all experiments led with laboratory apparatuses such as DSC (Differential Scanning Calorimetry) showed exothermic peaks during dynamic experiments (constant heating rate). It has been confirmed by results obtained at the industrial scale, where no sign of exothermicity has been observed. The Hess Law has also confirmed these results, that globally, pyrolysis is indeed a completely endothermic process. An accurate energy balance is required to predict mass temperature during pyrolysis, this parameter being unbindable from kinetics. An advanced investigation of char first allowed demonstrating that specific heat of solids during pyrolysis decreases with increasing temperature until the weight loss peak is reached, around 400°C, and then starts increasing again. This observation, combined with the fact that the sample loses weight during pyrolysis is considered as the major cause of the apparition of an exothermic peak in laboratory scale experiments. That is, the control system of these apparatuses generates a bias and an unavoidable overheat of the samples producing this exothermic behavior. It would thus be an artifact. On the base of new data on the evolution of global specific heat during pyrolysis, a model of the energy balance has been developed at the industrial scale to determine the enthalpy of pyrolysis. The simulation has shown that a major part of the heat transferred to the pyrolized mass would make its temperature increase. Next, an enthalpy of pyrolysis dependent of weight loss was obtained. Finally, two other terms of enthalpy have been found, namely an enthalpy for the breakage of sulfur bridges and an enthalpy for the stabilization of char when conversion approaches completion.  This research will have allowed establishing a novel general methodology to determine the enthalpy of pyrolysis. More particularly, new clarifications hasve been obtained in regards to the evolution of specific heat of solids during pyrolysis and new enthalpies of pyrolysis, all endothermic, could be obtained, in agreement with the theoretical expectations. The third research objective concerned the behavior of sulfur during tires pyrolysis. With as a premise that sulfur is an intrinsic contaminant of many types of waste, it is critical to clarify its fate during pyrolysis, in the present case for waste tires. It has been observed in the literature that some quantitative analyses had been presented, but generally, the mechanisms for the distribution of sulfur within the pyrolytic products remain unclear. Thus, it was then not possible to predict the transfer of sulfur to each of the tire pyrolysis products.  The results taken form literature have been complemented with a series of TGA experiments followed by complete elemental analyses of the residual solids. Mass balances have been performed in order to characterize the distribution of elements within the three products (non-condensable gas, oil, and char). A novel parameter has been created during this research: the sulfur loss selectivity. This intrinsic selectivity is a prediction of the distribution of sulfur within the pyrolysis products as a function of temperature. Three phenomena has been identified that could affect the sulfur loss selectivity. First, the natural devolatilization of sulfur due to pyrolysis. Next, the sulfur devolatilization due to the desulfurization of the solid matrix by hydrogen and finally, the clustering of sulfur in the solid state due to metal sulfidation (zinc and iron). The results have shown that this selectivity reach a limit value of 1 when pyrolysis is limited by the kinetics and in the absence of metal. When the mass transfer is limiting at low temperature (<500°C) the selectivity will be greater than 1. At a temperature over 350°C with the presence of metals, the selectivity will be lower than 1. It is a useful tool for industrial pyrolysis processes, being a novel indicator for the distribution of contaminants during the pyrolysis of waste. A better comprehension of these mechanisms allows elaborating a better strategy when designing these industrial processes. For example, in light of this research, it could be preferable to pre-treat the tires at lower temperature to eliminate a significant part of sulfur before pyrolyzing them at high temperature. The resulting pyrolytic products would then necessitate a lighter purification post-treatment, being more efficient and more economical.