Post-doctorant/Post-doctorante Simulation CFD de l’adsorption en milieu poreux

École sous tutelle du ministère de l’économie, des finances et de la souveraineté industrielle et numérique, et école de l’Institut Mines Télécom, IMT Nord Europe a 3 missions principales : former des ingénieurs responsables aptes à résoudre les grandes problématiques du XXIème siècle ; mener des recherches débouchant sur des innovations à haute valeur ajoutée ; soutenir le développement des territoires notamment en facilitant l’innovation et les créations d’entreprises. Son objectif est de former les ingénieurs de demain, maîtrisant à la fois les technologies numériques et les savoir-faire industriels. Idéalement située au carrefour de l’Europe, à 1 heure de Paris, 30 minutes de Bruxelles et 1h30 de Londres, IMT Nord Europe a l’ambition de devenir un acteur majeur des grandes transformations industrielles, numériques et environnementales du XXIème siècle en combinant, tant dans ses enseignements et que dans sa recherche, les sciences de l’ingénieur et les technologies du digital.

Localisée sur 2 sites principaux d’enseignement et de recherche, à Lille et à Douai, IMT Nord Europe s’appuie sur plus de 20 000m² de laboratoire pour développer un enseignement de haut niveau et une recherche d’excellence dans les domaines suivants :

• Systèmes Numériques
• Énergie Environnement
• Matériaux et Procédés

Pour plus de détails, consulter le site internet de l’Ecole : www.imt-nord-europe.fr

Le poste est à pourvoir au sein du Centre d’Enseignement, de Recherche et d’Innovation Énergie Environnement (CERI EE) (https://recherche.imt-nord-europe.fr/energieenvironnement-ceri/). Ce Centre compte, outre une soixantaine de doctorants et post doctorants, 30 enseignants-chercheurs, 12 ingénieurs et techniciens et 2 assistantes administratives. Il est actuellement structuré autour 3 axes thématiques de recherche : Qualité des Environnements Intérieurs (QEI), Observations, Sources et Processus Atmosphériques (OSPA), Énergie Fluides et Transferts (EFT). La candidate/le candidat intégrera l’axe thématique EFT où sont notamment étudiés le domaine de l’intensification des phénomènes de transfert dans les composants thermofluidiques, à différentes échelles, appliqués dans le domaine du génie des procédés et de l’énergétique, à des fins de décarbonation de la société notamment. Des approches expérimentales et numériques sont mises en œuvre en parallèle afin d’améliorer l’efficacité énergétique à l’échelle du composant, du système énergétique ou du procédé.

Contexte du sujet de recherche :

La séparation de gaz intervient à différentes étapes dans la chaine de production d’hydrogène (H₂) dans un objectif de purification. Cela concerne notamment la purification du H₂ après l’étape d’électrolyse où l’on cherche à le séparer du dioxygène (O₂) et de l’eau (H₂O), ou encore la purification du méthane (CH₄) après l’étape de méthanation (séparation H₂O/CH₄) permettant de valoriser conjointement le CO₂ et le H₂ en CH₄. Le CO₂ injecté dans cette étape peut également provenir de la filière biogaz où s’opère d’autres étapes de purification telles que la séparation CO₂/CH₄.

Le projet ARPEGE (AmélioRation des Performances des Epurateurs de Gaz intégrés dans la chainE H₂), soutenu par la région Hauts-de-France, est le fruit d’un partenariat public-privé entre le CERI EE et un industriel de la région spécialisé dans les solutions d’épuration. Ce projet se focalise spécifiquement sur l’amélioration des performances des procédés par adsorption. Ces procédés utilisent des matériaux poreux adsorbants et la séparation est opérée à l’aide de cycles modulés en pression (PSA, Pressure-Swing Adsorption) ou en température (TSA, Temperature-Swing Adsorption). Ces procédés permettent d’accéder à des niveaux de pureté assez remarquables concernant l’hydrogène mais la rentabilité du procédé et certaines de ses performances, énergétiques notamment, restent perfectibles.

Missions :

L’objectif du projet ARPEGE est de développer un modèle 3D CFD permettant de reproduire fidèlement les transferts massiques et thermiques intervenant dans les technologies d’épuration, de reproduire leur fonctionnement dynamique afin d’optimiser leurs performances. Dans un premier temps, le procédé cible sera les sécheurs d’air PSA ou TSA, qui sont des technologies éprouvées et maitrisées par le partenaire industriel qui souhaite les adapter dans la chaine H₂. Les matériaux adsorbants sont ceux permettant la capture et la séparation de la vapeur d’eau (H₂O). Le développement de ces modèles s’appuiera sur des résultats expérimentaux réalisés en parallèle au travail postdoctoral. Le travail consistera ensuite à optimiser les propriétés effectives du lit adsorbant du sécheur, permettant d’envisager à courts termes des modifications internes de la géométrie du lit fixe. Enfin, la dernière partie du travail numérique consistera à appliquer ces modèles à un procédé de purification d’hydrogène dont les données d’entrée seront en partie issues de la littérature. Des simulations permettront de quantifier les gains que l’on pourrait obtenir en termes de productivité, taux de récupération, pureté et consommation énergétique.

Résumé des tâches principales à réaliser par le/la candidat(e) postdoctorant(e) :

• Tâche 1 : Développement et validation d’un modèle numérique 3D CFD
• Tâche 2 : Optimisation des propriétés thermiques effectives du milieu poreux adsorbants
• Tâche 3 : Transposition à une configuration d’épuration d’hydrogène.
• Tâche 4 : Rédaction d’une publication scientifique

Activités :

• Étude bibliographique sur l’intensification des transferts massiques et thermiques en milieu poreux multicomposants gaz/solides et la modélisation de leurs propriétés effectives.
• Mettre en œuvre des simulations numériques CFD dans le but de modéliser les cycles des épurateurs du partenaire industriel en adaptant les modèles d’un code CFD existant.
• Valider ces modèles à partir de résultats expérimentaux.
• Optimiser par simulation numérique CFD l’unité de séparation à l’aide d’une technique d’intensification.
• Contribuer à l’encadrement de stagiaires réalisant les mesures expérimentales.
• Rédiger une/des publication(s).
• Assurer des communications orales lors de congrès.
• Effectuer la synthèse, la présentation et la rédaction de rapports d’avancement (anglais, français)
• Participer aux différentes réunions avec les partenaires du projet, notamment en présentant les résultats du projet.
• Participer aux activités d’enseignement du domaine Energie et Environnement, si le/la candidat(e) le souhaite.

Profil du candidat : (Prérequis/ Diplôme)

Le poste convient à un(e) candidat(e) ayant un doctorat en génie des procédés et/ou énergétique et/ou mécanique des fluides. Il/elle doit avoir une connaissance approfondie des transferts en milieux poreux et à leurs modélisations. Il doit posséder une expérience significative dans l’utilisation de logiciels CFD, en simulation numérique des milieux poreux, systèmes énergétiques et/ou procédés. Seront fortement appréciées les connaissances dans l’adsorption et/ou les procédés de séparation de gaz, les techniques numériques et d’optimisation ainsi que la programmation. Une expérience en mesures expérimentales constituera un plus.