Modélisation du comportement hydrodynamique de particules

Sujet de recherche post-doctoral :
Modélisation du comportement hydrodynamique de particules solides formées par précipitation
au sein d'un écoulement à surface libre rencontré en génie chimique
Contacter : Olivier Lebaigue, [e-mail], +33(0)4.38.78.36.70
Murielle Bertrand, [email protected], +33(0)4.66.79.66.48
Voir : www-trio-u.cea.fr
Dans le cadre des études de la conversion et de la co-conversion oxalique, le CEA mène depuis plusieurs
années une démarche de modélisation globale de l'opération de précipitation mise en œuvre dans un réacteur à
effet vortex ( voir, e.g., Bertrand et al. 2008 : LES modelling of flow pattern in an unbaffled vortex stirred tank precipitator -
Application to the study of feeding position influence, Proc. 17
th
Int. Symp. on Industrial Crystallization, Maastricht, NL ). Les
objectifs à court terme sont de pouvoir, d'une part, optimiser le fonctionnement des ateliers de l'usine de
retraitement de La Hague et, d'autre part, adapter le procédé à d'autres conditions d'exploitation, que ce soit
pour la gestion des actinides mineurs ou pour des marchés étrangers.
La modélisation telle que définie actuellement vise à pouvoir prédire l'évolution de la distribution de tailles des
cristaux, ainsi que leur comportement au sein du réacteur en fonction des paramètres opératoires. Il s'agit de
résoudre le bilan de population en combinant à la fois les modèles d'écoulements développés au sein du
précipitateur et les lois cinétiques des différents mécanismes mis en jeu (nucléation, croissance, agglomération),
le paramètre principal étant la sursaturation, force motrice de la précipitation.
L'objet de l'étude proposée est de partir de la modélisation du comportement hydrodynamique du réacteur à
effet vortex (mélangeage turbulent de plusieurs réactifs en solution sous une surface libre) qui est mise en
œuvre au sein du code de mécanique des fluides numérique Trio_U et de développer une description de
l'évolution des particules formées au cours de la précipitation : modèles cinétiques de germination et croissance
(puis d'agglomération dans une étape ultérieure) et de leur glissement vis-à-vis du liquide porteur sous l'effet de
la gravité. Cette étude se fera dans le cadre d'une collaboration existante entre avec le Laboratoire de
Modélisation et de Développement de Logiciels du CEA-Grenoble (DEN/DER/SSTH/LMDL) et le Laboratoire
de Chimie des Actinides du CEA-Marcoule (DEN/DRCP/SCPS/LCA).
Le code Trio_U, développé par le LMDL, est une plate-forme permettant à la fois de mettre en œuvre des
méthodes numériques et de réaliser des calculs scientifiques et industriels en mécanique des fluides, thermique
et génie chimique simple. Dans le cadre de l'étude de la physique des transferts aux interfaces, différents outils
de simulation numérique directe (SND) permettent de décrire les écoulements diphasiques en prenant en
compte individuellement chaque interface, qu’elle soit une inclusion (bulle ou goutte), une surface libre ou une
surface solide mobile de cinématique imposée, telle que la surface d’un agitateur (voir figures ci-dessous). Le
mélangeage turbulent des espèces en solution, des réactions chimiques simples, l'hydrodynamique de la
sédimentation d'une famille de grains en suspension dans le liquide complètent les éléments des modélisations
physiques et numériques qui sont disponibles dans des versions préliminaires intégrées dans le code Trio_U
(code à architecture orientée-objet utilisable pour des calculs massivement parallèle basés sur une
décomposition de domaine).
Le sujet proposé concerne l’application et l’extension des capacités de modélisation physico-chimique et
numérique dans le domaine du génie des procédés, afin d'étudier l'hydrodynamique couplée du liquide et des
précipités au sein du précipitateur à effet vortex. Les capacités du code nécessaires à cette application existent :
modélisation LES des phases, suivi d’interfaces, suivi de familles de grains en suspension (via les moments de
leurs pdf), hydrodynamique de mélange de constituants et réactions chimiques en solutions ; cependant elles
n'ont pas fait l’objet d’une utilisation couplant l'ensemble de ces éléments et dédiée à ce domaine.
Il s'agit donc de mettre en œuvre l'ensemble des éléments pour rendre compte de la nucléation et de la
croissance de grains de précipités à partir d'un liquide sursaturé ainsi que de l'hydrodynamique de ces grains. La
modélisation physico-chimique s'appuiera principalement sur les compétence du LCA tandis que le LMDL
apportera des compétences en modélisation de l'hydrodynamique turbulente dans une approche LES, la prise en
compte de la surface libre et de l'évolution des pdf des grains formés par précipitation, ainsi que les méthodes
numériques correspondantes. Il sera alors nécessaire d'analyser le modèle complet et ses différents couplages,
afin d'identifier les qualités et les limitations de la description actuelle, puis de les faire progresser au mieux en
vue des applications visées.
L'application des outils développés aux problèmes de génie chimique au niveau industriel reste l'objectif
concret à l'issue de l'ensemble des travaux mais plusieurs publications plus académiques de différents aspects
du modèle sont également prévues.

Figure 1 : Coupe verticale montrant les champs de vitesse instantanés et la surface libre creusée par l'effet de
l'agitateur magnétique immergé dans le liquide
Figure 2 : Deux instantanés montrant les mouvements en vortex de la surface libre sous l'effet de l'agitateur
magnétique immergé dans le liquide et l'homogénéisation du champ de concentration.
Figure 3 : Instantané montrant vitesse et espèces en solution pour une réaction chimique (C
1
+ C
2
C
3
)