jus 2011 - parex
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15/11/2011Service de chimie des procédés de séparation
PAREX : outils de simulation des procédés d'extraction liquide / liquide
X. Hérès, Ch.Poinssot, P.Blanc, P. Baron, B. Dinh
M. Montuir, V. Pacary, C. Sorel
CEA Marcoule / Direction de l’Energie Nucléaire
Département RadioChimie et Procédés
3 Journée des utilisateurs Salome 2011- 15/09/2011
Modélisation procédés séparation avec PAREX
Premiers développement en 1982, cofinancé par AREVA-NC et le CEA
Simulation des opérations d'extraction par solvant à l'équilibre ou en transitoire
Dédié dans un premier temps au procédé PUREX de l'usine de La Hague
Implémentation d'un fichier utilisateur de chimie personnalisée en 1995 pour modéliser des procédés de séparation par extraction liquide-liquide autres que PUREX
4 Journée des utilisateurs Salome 2011- 15/09/2011
PAREX : outil de base pour le développement des procédés de séparation
Etudes académiques, de base ou appliquées
Essais d’intégration
Caractérisation des équipements industriels
Analyse de fonctionnement
Outil d’aide à l’exploitationConception du procédé
5 Journée des utilisateurs Salome 2011- 15/09/20115
Cycles de purification par extraction liquide-liquide
ContacteursP
Arrivée phaseorganique
Sortie phaseaqueuse
Sortie phaseorganique
Arrivéephase aqueuse
Jambe depulsation
Plateauxdisques-couronnes
Électrovannes
Décanteur
P
Arrivée phaseorganique
Sortie phaseaqueuse
Sortie phaseorganique
Arrivéephase aqueuse
Jambe depulsation
Plateauxdisques-couronnes
Électrovannes
Décanteur
Extraction liquide-liquide
6 Journée des utilisateurs Salome 2011- 15/09/2011
• La distribution des espèces– Identification des équilibres d’extraction et de complexation
• La cinétique des réactions chimiques– Réactions redox
• La cinétique de transfert inter-phase– Diffusion des espèces dans les phases, cinétique de
solvatation à l’interface
• Les particularités des extracteurs– Phénomènes hydrodynamiques affectant l’efficacité du
transfert
• Les dégagements thermiques– Enthalpies des réactions chimiques– Échanges thermiques avec le milieu environnant
Phénomènes pris en compte dans PAREX
7 Journée des utilisateurs Salome 2011- 15/09/2011
BS BX'BX
Solvant Solvant chargéPu + U Réducteur 1 Réducteur 2
Lavage U Désex. Pu 1 Désex. Pu 2 Barrage Pu
Production Pu
Solution de désextraction
BX BX’ BXXBS
Exemple d'utilisation pour l'usine : étude schéma PUREX R4 en extracteurs centrifuges
0.00001
0.0001
0.001
0.01
0.1
1.
10.
100.
BX-1
BX-2
BX-3
BX-4
BX'-1
BX'-2
BX'-3
BX'-4
BXX-
1
BXX-
2
BXX-
3
BXX-
4
[Pu]
(g/L
)
Pu aq. calc.Pu aqu. exp.
Pu org. calc.Pu or. exp
8 Journée des utilisateurs Salome 2011- 15/09/20118
Transposition à l’échelle industrielle
4 4 éétagestages EC de EC de laboratoirelaboratoire : : volume ~ 14 volume ~ 14 mLmL par par éétagetage
ContacteurContacteur industrielindustriel de 8 de 8 éétagestages : : volume ~ 1.2 L par volume ~ 1.2 L par éétagetage
FacteurFacteur dd’é’échellechelle ~ 100~ 100
9 Journée des utilisateurs Salome 2011- 15/09/2011
Confrontation simulation PAREX et données usine UP3/T4 (colonnes pulsées)
Diminution de la température et variations de la cadence de traitement
solvant
solvant
barrage
Pu
U(IV)
Sol désext
raffinats
sol. de lavage
NHA
extr
acti
on
lava
ge P
.F.
dése
xtra
ctio
n P
u
lava
ge U
recyclage
tempé
débit variable Concentration Pu mesurée
mesurée
charge
production Pu
ext
ract
ion
lava
ge
P.F
.
Dé
see
xtra
ctio
n P
u
lava
ge
U
séparateur de flux
recyclage
Température
Débit variable
Concentration NHA mesurée
solvant
0 50 100 150 200 250 300 350 400
time (h)
température
temps (h)
0 50 100 150 200 250 300 350 400
time (h)
Température
Débit
temps (h)
NHA mesuré et calculé (trait plein)
Pu mesuré et calculé (trait plein)
10 Journée des utilisateurs Salome 2011- 15/09/2011
Aide au développement de nouveau procédé : exemple DIAMEX (séparation Am+Cm+Ln)
Essai Diamex (CBP 22/11/05) Suivi Am
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200
22/1108:00
22/1110:00
22/1112:00
22/1114:00
22/1116:00
22/1118:00
22/1120:00
22/1122:00
23/1100:00
23/1102:00
23/1104:00
23/1106:00
23/1108:00
23/1110:00
23/1112:00
23/1114:00
23/1116:00
Heure
conc
(mg/
L)
ANL retour aqlavageCalcul retour aqlavageAnalyses retouraq lavageANL solvantchargécalcul solvantchargéAnalyses solvantchargéANL fluxproductionAnalyses fluxproductioncalcul fluxproduction
DMDOHEMADMDOHEMA
N N
O O
O
11 Journée des utilisateurs Salome 2011- 15/09/2011
Aide au développement de nouveau procédé : EXAm (séparation Am)
HEDTAcitrique
pH 3
Ln,Fe
CX Dés. Ln-Fe
Am
BX Dés. Am
TEDGAOxalique
HNO3 1M
DMDOHEMA + HDEHP dans TPH
Mo, Pd
+ Ru
Citrique pH 3
LX-LS Lav. Mo
NaOH
p.d.d.
TS
NaOHHEDTA
CHARGE (Am, Cm, Ln, Fe, Mo, Zr)
HNO3 > 4M
TEDGA
Am, Ln, Mo, Pd, Fe
AS Lavage Cm
HNO3
TEDGA
Am, Ln, Fe
AX Extraction Am
Cm + PF (dont certains Ln, Zr)
BS Lav. Ln
Acide citrique
OH
O
OH
OH O
O
OH
N
OO
O
ON
O O
OHHEDTA
P
O
OHO
O
HDEHPDMDOHEMA
ON
O
N
O
TEDGA
ON
O
N
O
TEDGA
O
OH
O
OH
Acide oxalique
OH
O
OH
OH O
O
OH
Acide citrique
N N
O O
O
12 Journée des utilisateurs Salome 2011- 15/09/2011
Le code PAREX a permis : de définir l'ensemble du schéma de procédé permettant
d'atteindre les performances requises,
d'établir une étude de sensibilité vis-à-vis des paramètres opératoires,
d'identifier les paramètres d'état pertinents pour le suivi du procédé
de proposer un protocole pour corriger le schéma grâce aux analyses disponibles lors de l'essai,
de modifier le schéma pour deux étapes,
de simuler l'ensemble des modifications opérées lors de l'essai par un calcul de transitoire,
de confronter les profils de concentrations calculées et mesurées sur les éléments d'intérêt afin d'évaluer la justesse du modèle.
Utilisation de PAREX pour un essai EXAm à Atalante en mélangeurs-décanteurs
Avantl'essai
Durantl'essai
Aprèsl'essai
13 Journée des utilisateurs Salome 2011- 15/09/2011
Profils de concentrations calculées/mesurées
Am Cm
NdCe
14 Journée des utilisateurs Salome 2011- 15/09/201114
PAREX et ses outils applicatifs dédiés
Parex(référence)
VisualisationPROFEX, TRANSEX
FormationSIMULEX
Calculde schémasPROCD
Simulation applicationsmodèles
thermodynamique
cinétique réactionnelle
+
cinétique de transfert
appareils
Sortie phase légère
Entrée phaselégère
Sortie phase lourde
Entrée phase lourde
15 Journée des utilisateurs Salome 2011- 15/09/201115
SIMULEX : simulateur de formation
Interface graphique pour PAREX permettant– la saisie des paramètres variables du procédé
– la visualisation simultanée de plusieurs grandeurs calculées, et leurs évolutions dans le temps
• Aspects informatiques
– Langage : Java
– Taille : env. 30 000 lignes
– Matériel : PC et Sparc
– OS : Linux et Solaris
– communication avec PAREX par pipes (commandes) et mémoire partagée (données)
16 Journée des utilisateurs Salome 2011- 15/09/201116
PAREX : aspects numériques et informatiques
• Système d'équations– discrétisation des contacteurs continus (volumes finis 1D)– système algébro-différentiel raide (constantes de temps différentes)– taille courante : quelques milliers d'équations
• Résolution– régime stationnaire : méthode de Newton– régime transitoire : méthode de Gear
• Langage, taille– Fortran 77 (compilateur SUN ou gcc)– 70 000 lignes– 680 fonctions ou sous-programmes
• Matériel / OS– PC / Linux et Sparc / Solaris (et IBM powerPC / AIX)
• Paramétrage de la chimie– par fichiers texte– par fonctions Fortran (édition de liens dynamique PAREX – fonction utilisateur)
17 Journée des utilisateurs Salome 2011- 15/09/2011
PAREX : Besoins d’évolutions
PAREX, un outil précieux pour • La conception et l’optimisation des procédés
• Leur mise en œuvre et leur exploitation
Insuffisances de la situation actuelle • Interfaces peu attractives pour les nouveaux utilisateurs.
• Nécessité d’un utilisateur expert pour les calculs de sûreté.
• Fonctionnalités dispersées entre plusieurs logiciels (nécessitant chacun un apprentissage et un travail de configuration pour chaque procédé simulé).
• Absence de base de données expérimentales structurées pour REX usine, essais d’intégration ou essai laboratoire.
• Difficulté d’exporter le code actuel sans risque de piratage (reverse engineering).
18 Journée des utilisateurs Salome 2011- 15/09/2011
Les ambitions d’une nouvelle plateforme (1/2)
Le CEA souhaite pérenniser et amplifier les acquis de PAREX sur le long terme o En conservant les acquis de PAREX et le REX de 20 années de
développement
Démarche proposée vers une plateforme de simulation dans l’environnement SALOMEo Amélioration des IHM et mutualisation des outils informatiques génériques
o Renforcement des bases de données = cœur des connaissances
o Renforcement de la physico-chimie = phénoménologie
Structure de type plateforme garantit un environnement flexible ouvert pour l'aveniro Possibilités de faire dialoguer des codes entre eux, possibilité de choisir
des niveaux de modélisation différents selon les usages
o Permettant d'évoluer à long-terme vers le multi-échelle / multi-physique• problématique de "upscaling" = sujet majeur pour le long terme
18
19 Journée des utilisateurs Salome 2011- 15/09/2011
Les ambitions d’une nouvelle plateforme dans l'environnement SALOME (2/2)
PAREXdissolution conversion
CPF
Approfondissement de la phénoménologie modélisée
Simulation plus phénoménologique
Elargissement
Capitalisation des connaissances
Mutualisation des outils informatique
Bases de données qualifiées, complètes, maintenues, tracées
Mieux tirer parti des avancées des sciences informatiques pour améliorer la modélisation procédés
Pouvoir choisir le niveau de description en fonction de l’objectif
de l'utilisateur final
Au delà de l'extraction L/L, élargir la démarche sur les
étapes procédés-clefs
extraction
20 Journée des utilisateurs Salome 2011- 15/09/2011
PAREX dans l'environnement SALOME
Démarrage projet SIACY depuis mi 2010
Développement d'outils IHM PAREX-SALOME par le DM2S/STMF/LGLS pour remplacer les actuels PROFEX et TRANSEX o Utilisation plus standardisée
o Interfaces visuelles plus conviviales
Démarche en cours pour proposer un SIMULEX-SALOME afin d'homogénéiser les outils associés à PAREX et à sa future évolution.
23 Journée des utilisateurs Salome 2011- 15/09/2011
Conclusion
• La modélisation procédés a joué un rôle central dans le développement des procédés d'extraction mis en œuvre dans les ateliers de La Hague
– Développement des procédés
– Analyses de sensibilité / de sûreté
– Optimisation des procédures de fonctionnement
• Les évolutions attendues nécessiteront sans aucun doute un soutien numérique encore plus important
• La simulation devient un enjeu de développement très important:– En soutien aux analyses de sûreté dont l'exhaustivité va croissante
– En permettant d'envisager de faire évoluer les approches de développement
• Péréniser (informatique) et renforcer la capacité prédictive (multi-échelle) des outils actuels = enjeu majeur pour le CEA et AREVA.
25 Journée des utilisateurs Salome 2011- 15/09/2011
Représentation du transfert entre phases
Ecoulement biphasiquedans une colonne pulsée
Modèle du double film à l'interface aqueux / organique
phase aqueuse(parfaitement agitée)
phase organique(parfaitement agitée)
x
xi
x*
yi
y
équilibre de partage : x* yirésistance diffusionnelle phase aqueuse
résistance interfaciale
résistance diffusionnelle phase organique
flux transféré : = kx(x-xi) = ky(yi-y) = ke(x-x*)
conc
entra
tions
film
aque
ux
film
orga
niqu
e
phase aqueuse(parfaitement agitée)
phase organique(parfaitement agitée)
x
xi
x*
yi
y
équilibre de partage : x* yirésistance diffusionnelle phase aqueuse
résistance interfaciale
résistance diffusionnelle phase organique
flux transféré : = kx(x-xi) = ky(yi-y) = ke(x-x*)
conc
entra
tions
film
aque
ux
film
orga
niqu
e
26 Journée des utilisateurs Salome 2011- 15/09/2011
Hydrodynamique des contacteurs
P
Arrivée phaseorganique
Sortie phaseaqueuse
Sortie phaseorganique
Arrivéephase aqueuse
Jambe depulsation
Plateauxdisques-couronnes
Électrovannes
Décanteur
P
Arrivée phaseorganique
Sortie phaseaqueuse
Sortie phaseorganique
Arrivéephase aqueuse
Jambe depulsation
Plateauxdisques-couronnes
Électrovannes
Décanteur
Contacteurs compartimentésModèle du réacteur parfaitement agité
Contacteurs continusModèle piston-diffusion
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