PAREX : outils de simulation des procédés d'extraction liquide / liquide CEA Marcoule , Areva

1. 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
Service de chimie des procédés de séparation 15/11/2011

2. Contexte : aval et amont cycle du combustible
2 2 Journée des utilisateurs Salome 2011- 15/09/2011

3. 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
3 Journée des utilisateurs Salome 2011- 15/09/2011

4. PAREX : outil de base pour le développement des
procédés de séparation
Etudes académiques, Caractérisation des
de base ou appliquées équipements
industriels
Essais d’intégration
Conception du procédé Outil d’aide à l’exploitation
Analyse de fonctionnement
4 Journée des utilisateurs Salome 2011- 15/09/2011

5. Extraction liquide-liquide
Cycles de purification par extraction liquide-liquide
Arrivée
Contacteurs Électrovannes
phase aqueuse
P Sortie phase
organique
Jambe de Plateaux
pulsation disques-couronnes
Arrivée phase
organique Décanteur
Sortie phase
aqueuse
5 Journée des utilisateurs Salome 2011- 15/09/2011
5

6. Phénomènes pris en compte dans PAREX
• 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
6 Journée des utilisateurs Salome 2011- 15/09/2011

7. Exemple d'utilisation pour l'usine : étude
schéma PUREX R4 en extracteurs centrifuges
Solvant Solvant chargé Solution de
Pu + U Réducteur 1 Réducteur 2
désextraction
Lavage U
BS Désex. Pu 1
BX Désex. Pu 2
BX' Barrage Pu
BS BX BX’ BXX
Production Pu
100.
10.
[Pu] (g/L)
1.
Pu aq. calc.
0.1 Pu aqu. exp.
0.01 Pu org. calc.
Pu or. exp
0.001
0.0001
0.00001
BX'-1
BX'-2
BX'-3
BX'-4
BX-2
BX-3
BX-1
BX-4
BXX-4
BXX-1
BXX-2
BXX-3
7 Journée des utilisateurs Salome 2011- 15/09/2011

8. Transposition à l’échelle industrielle
Facteur d’échelle ~ 100
4 étages EC de laboratoire : Contacteur industriel de 8 étages :
volume ~ 14 mL par étage volume ~ 1.2 L par étage
8 8 Journée des utilisateurs Salome 2011- 15/09/2011

9. Confrontation simulation PAREX et données
usine UP3/T4 (colonnes pulsées)
Diminution de la température et
variations de la cadence de traitement
Température
temp
rature
é
Concentration Débit
Débit variable
dé it variable
b
Pu mesurée
Sol désext
charge sol. de lavage
U(IV)
NHA
barrag
lavage P.F.
lavage P.F.
Déseextraction Pu
NHA mesuré
extraction
extraction
e
recyclage
désextraction Pu
Pu et calculé
solvant (trait plein)
lavage U
lavage U
solvant Température
raffinats tempé
solvant
Pu mesuré
et calculé
séparateur (trait plein)
Concentration
de flux
production Pu NHA mesurée
mesur
ée
0 50 100 150 200 250 300 350 400
time (h)
temps (h)
9 Journée des utilisateurs Salome 2011- 15/09/2011

10. Aide au développement de nouveau procédé :
exemple DIAMEX (séparation Am+Cm+Ln)
Essai Diamex (CBP 22/11/05)
Suivi Am
200
190
180
170 ANL retour
lavage
160 Calcul retou
150
lavage
Analyses re
140 aq lavage
ANL solvan
130
chargé
120 calcul solva
chargé
110
Analyses so
conc (mg/L)
100 chargé
ANL flux
90 production
Analyses flu
O O 80
production
70 calcul flux
N N production
60
50
O 40
DMDOHEMA 30
20
10
10 0
Journée des utilisateurs Salome 2011- 15/09/2011
22/11 22/11 22/11 22/11 22/11 22/11 22/11 22/11 23/11 23/11 23/11 23/11 23/11 23/11 23/11 23/11 23/11
08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00
Heure

11. Aide au développement de nouveau procédé : EXAm
(séparation Am)
O O
DMDOHEMA + HDEHP O O
dans TPH N N
P
O OH
DMDOHEMA
HDEHP O
Am, Ln, Mo, Pd, Fe
AX Extraction Am AS Lavage Cm
TEDGA TEDGA
Cm + PF
O O
(dont certains Ln, Zr)
CHARGE N
O
N HNO3
(Am, Cm, Ln, Fe, Mo, Zr)
HNO3 > 4M TEDGA
Am, Ln, Fe
LX-LS Lav. Mo
OH OH OH
O O
HO O
Mo, Pd NaOH Citrique
Acide citrique O O O
+ Ru pH 3 O
N N
OH
HO
O
TEDGA Acide oxalique
BS Lav. Ln BX Dés. Am CX Dés. Ln-Fe TS
OH OH OH O O
O O
Am O O
N
HEDTA Ln, TEDGA p.d.d. NaOH
HO O N
O
citrique Fe Oxalique HEDTA
Acide citrique pH 3 HNO3 1M
HEDTA O
OH
11 Journée des utilisateurs Salome 2011- 15/09/2011

12. Utilisation de PAREX pour un essai EXAm à
Atalante en mélangeurs-décanteurs
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
Avant opératoires,
l'essai
 d'identifier les paramètres d'état pertinents pour le suivi du
procédé
 de proposer un protocole pour corriger le schéma grâce aux
Durant analyses disponibles lors de l'essai,
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,
Après
l'essai
 de confronter les profils de concentrations calculées et
mesurées sur les éléments d'intérêt afin d'évaluer la
justesse du modèle.
12 Journée des utilisateurs Salome 2011- 15/09/2011

13. Profils de concentrations calculées/mesurées
Am
Cm
Nd
Ce
13 Journée des utilisateurs Salome 2011- 15/09/2011

14. PAREX et ses outils applicatifs dédiés
modèles Simulation applications
Visualisation
PROFEX,
TRANSEX
thermodynamique
+ →
Calcul
cinétique réactionnelle de schémas
PROCD
→ Parex
cinétique de transfert (référence)
Formation
SIMULEX
Entrée phase lourde
Sortie phase légère
appareils
Entrée phase
légère
Sortie phase lourde
14 Journée des utilisateurs Salome 2011- 15/09/2011
14

15. 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)
15 15 Journée des utilisateurs Salome 2011- 15/09/2011

16. 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)
16 16 Journée des utilisateurs Salome 2011- 15/09/2011

17. 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).
17 Journée des utilisateurs Salome 2011- 15/09/2011

18. 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 SALOME
o 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'avenir
o 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 18 Journée des utilisateurs Salome 2011- 15/09/2011

19. Les ambitions d’une nouvelle plateforme dans
l'environnement SALOME (2/2)
Mutualisation des outils informatique
Mieux tirer parti des avancées des sciences informatiques pour
améliorer la modélisation procédés
PAREX CPF
dissolution conversion Elargissement
extraction
Au delà de l'extraction L/L,
élargir la démarche sur les
étapes procédés-clefs
Approfondissement de la Capitalisation des
phénoménologie modélisée connaissances
Pouvoir choisir le niveau de Bases de données qualifiées,
description en fonction de l’objectif complètes, maintenues, tracées
de l'utilisateur final
Simulation plus phénoménologique
19 Journée des utilisateurs Salome 2011- 15/09/2011

20. 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.
20 Journée des utilisateurs Salome 2011- 15/09/2011

21. PAREX dans l'environnement SALOME
21 Journée des utilisateurs Salome 2011- 15/09/2011

22. PAREX dans l'environnement SALOME
22 Journée des utilisateurs Salome 2011- 15/09/2011

23. 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.
23 Journée des utilisateurs Salome 2011- 15/09/2011

24. Annexe
24 Journée des utilisateurs Salome 2011- 15/09/2011

25. Représentation du transfert entre phases
Modèle du double film à l'interface aqueux / organique
organique
aqueux
phase aqueuse phase organique
film
film
(parfaitement agitée) (parfaitement agitée)
concentrations
x* y
xi
x yi
résistance diffusionnelle phase aqueuse équilibre de partage : x* ⇔ yi
résistance interfaciale
résistance diffusionnelle phase organique
Ecoulement biphasique
dans une colonne pulsée
flux transféré : φ = kx(x-xi) = ky(yi-y) = ke(x-x*)
25 Journée des utilisateurs Salome 2011- 15/09/2011

26. Hydrodynamique des contacteurs
Contacteurs compartimentés Contacteurs continus
Modèle du réacteur parfaitement Modèle piston-diffusion
agité
Arrivée
Électrovannes
phase aqueuse
P Sortie phase
organique
Jambe de Plateaux
pulsation disques-couronnes
Arrivée phase
organique Décanteur
Sortie phase
aqueuse
26 Journée des utilisateurs Salome 2011- 15/09/2011