JUS 2011 - parex

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

2 Journée des utilisateurs Salome 2011- 15/09/20112

Contexte : aval et amont cycle du combustible


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


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


Cycles de purification par extraction liquide-liquide

ContacteursP

Arrivée phaseorganique

Sortie phaseaqueuse

Sortie phaseorganique

Arrivéephase aqueuse

Jambe depulsation

Plateauxdisques-couronnes

Électrovannes

Décanteur

P


Sortie phaseaqueuse



Jambe depulsation


Électrovannes

Décanteur

Extraction liquide-liquide


• 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


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


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


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)


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


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


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


Profils de concentrations calculées/mesurées

Am Cm

NdCe


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


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)


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)


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).


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


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


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.


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.


Annexe


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


Hydrodynamique des contacteurs

P


Sortie phaseaqueuse



Jambe depulsation


Électrovannes

Décanteur

P


Sortie phaseaqueuse



Jambe depulsation


Électrovannes

Décanteur

Contacteurs compartimentésModèle du réacteur parfaitement agité

Contacteurs continusModèle piston-diffusion

JUS 2011 - parex

Technology

Transcript of JUS 2011 - parex