Soutenance Thèse : Camilo RUIZ

Résumé : La précipitation d’oxalate d’actinides au niveau industriel est mise en oeuvre dans un réacteur à effet vortex. Ce type d’appareil est caractérisé par l’apparition de deux zones de macro-mélange qui influencent fortement les caractéristiques des phases solide et liquide au sein du réacteur. L’approche de modélisation proposée est basée d’une part, sur la description simplifiée de l’écoulement par un modèle de zones, d’autre part, sur les mécanismes de la réaction de précipitation.
L’objectif de ce travail est de concevoir un modèle unique de l’opération de précipitation conduisant à des temps de calcul raisonnables et combinant la résolution du bilan de population, les bilans matière et l’hydrodynamique propre au réacteur vortex. Le verrou scientifique vient de la prise en compte à la fois des mécanismes de nucléation, croissance cristalline et agglomération, avec un mécanisme non conventionnel de formation d’agglomérats ouverts, dans un modèle de zones décrivant l’écoulement de type vortex. Ainsi, la méthode numérique développée permet la résolution simultanée des modèles d’écoulement et des lois thermodynamiques et cinétiques de la précipitation oxalique, en tenant compte de l’écart à l’idéalité au travers des coefficients d’activité. La résolution du bilan de population, qui est abordée du point de vue stationnaire et s’appuie sur une méthode de minimisation et une méthode de point fixe accéléré, permet d’approcher les distributions de taille des monocristaux et des agglomérats.
Dans un premier temps, la simulation d’une zone isolée est abordée. Elle constitue l’unité minimale de découpage du réacteur à effet vortex et son assemblage avec plusieurs unités du même type permet la description de l’écoulement vortex. L’originalité de la méthode numérique développée réside dans la résolution directement en stationnaire du système d’équations et l’application des méthodes d’accélération du point fixe pour le traitement des agglomérats lâches. Ceci se traduit par une réduction des ressources informatiques nécessaires à la résolution du bilan de population par rapport à l’approche classique (résolution de l’état stationnaire comme asymptote de l’état transitoire). La méthodologie développée a été testée dans des conditions opératoires diverses afin de garantir la robustesse du modèle, et notamment avec deux types de noyaux d’agglomération : indépendant de la taille (oxalate de néodyme) et orthocinétique (oxalate d’uranium). Dans tous les cas testés, la méthode permet de déterminer la composition de la phase liquide et la distribution de taille des cristaux en sortie du volume homogène: la taille moyenne est correctement prédite avec une tolérance de 10 μm et l’erreur de convergence associée aux bilans matière est négligeable (erreur relative < 10-4).
Dans un deuxième temps, l’interaction entre plusieurs volumes homogènes a été étudiée. La modélisation des structures incluant un recyclage nécessite l’ajout d’une deuxième méthode d’accélération du point fixe vectoriel. Ainsi, la modélisation a été appliquée à la précipitation d’oxalate de néodyme dans un schéma à 5 zones décrivant l’écoulement du réacteur à effet vortex en présence de nucléation et croissance cristalline. Le modèle global développé permet de suivre l’évolution de la fonction de distribution et des compositions au sein du réacteur, de caractériser le transfert de matière et l’évolution des phénomènes de précipitation dans chacune des zones. Il permet également des études de sensibilité aux différents paramètres procédé et chimiques : zone d’alimentation, température, temps de séjour, concentration, vitesse d’agitation …, tout en gardant une performance numérique compatible avec le besoin industriel.
Les futurs travaux incluent l’application de la méthodologie à d’autres systèmes en précipitation et le développement d’une méthodologie numérique pour la prise en compte de la formation des agglomérats ouverts dans le schéma multizone.