CHATRE Lucas

Soutiendra publiquement ses travaux de thèse intitulés :
« Étude et modélisation des phénomènes de transport et réactionnels dans un four à vis »

(sous réserve de l'avis positif des rapporteurs)

Composition du jury :

• Carine JULCOUR, Directrice de recherche, CNRS (INP-ENSIACET), Rapporteure
• Éric SCHAER, Professeur, ENSIC (Université de Lorraine), Rapporteur
• Mikel LETURIA, Maître de conférences, Université de Technologie de Compiègne, Examinateur
• Henri BERTHIAUX, Professeur, IMT Mines Albi, Examinateur
• Claudia COGNÉ, Maîtresse de conférences, Université Claude Bernard Lyon 1, Examinatrice

Mots-clés

Génie des procédés, Réacteur gaz / solide consommable, Convoyeur à vis, Écoulement granulaire, Mécanique des fluides numériques, Études cinétique et thermochimique, Modélisation

Résumé

Les convoyeurs à vis sont très largement utilisés dans l’industrie chimique. Du fait de leur capacité de mélange et de transport, ils sont mis en oeuvre pour différentes applications (convoyage, séchage, pyrolyse, etc.). Cette technologie se voit ainsi utilisée dans le retraitement de matière nucléaire, notamment pour stabiliser des oxalates de plutonium en oxyde. De nombreuses études ont été menées à l'échelle du laboratoire afin d'établir précisément les mécanismes réactionnels par analyse thermogravimétrique (ATG) et les propriétés physico-chimiques des espèces mises en jeu. Il s'agit de réactions de décomposition thermique de chaînes carbonées couplées en phase hétérogène (réactions solide/gaz). Dans un four à vis, les phénomènes de transfert de chaleur, de matière et de quantité de mouvement peuvent significativement modifier la vitesse de réaction apparente et par conséquent l'avancement de la calcination. L’objectif de ce travail est d’améliorer un outil de simulation phénoménologique, permettant de transposer vers les plus grandes échelles les résultats des études menées en ATG sur de petites quantités de poudre supposées uniformes à chaque instant en composition et en température. Ce travail est réalisé en uranium, utilisé comme simulant du plutonium. L’outil de simulation est basé sur un modèle compartimenté, lié à l’hydrodynamique des poudres dans le réacteur. Ainsi, une majeure partie de la thèse se focalise sur l’écoulement à l’échelle globale et locale. Pour le mélange global, le point de débordement, caractérisant le changement de régime hydrodynamique, a été identifié. La Distribution des Temps de Séjour (DTS) a également été mesurée. Des modèles adimensionnels ont été élaborés pour prédire à la fois le point de débordement et la forme de la DTS. Pour le mélange local, deux études expérimentales ont été menées, en utilisant un système optique et des outils de traitement d’images. La première s’est intéressée au renouvellement de la surface du lit de poudre et la seconde au renouvellement des particules dans l’entrefer vis-tube. Ces études hydrodynamiques permettent de mieux comprendre et donc modéliser, respectivement les interactions gaz/solide et solide/paroi. Des modèles adimensionnels ont été développés pour prédire ces paramètres caractéristiques. Enfin, l’écoulement des poudres a pu être étudié en détail grâce à la modélisation de la rhéologie par mécanique des fluides numériques (CFD). En premier lieu, le modèle d'écoulement et ses paramètres ont été calibrés à partir de mesures expérimentales obtenues dans un tambour tournant ; appareil de géométrie plus simple et où la dynamique des poudres est similaire à celle observée dans un convoyeur à vis. Ce modèle a par la suite été confronté avec succès aux mesures expérimentales réalisées sur les maquettes à l'échelle pilote. Au final, le modèle a pu fournir des informations sur des données difficilement accessibles expérimentalement au sein d’un convoyeur à vis, comme l'épaisseur de la surface active ou les vitesses d'écoulement à l'intérieur de la poudre. Des études en ATG couplée à une analyse de calorimétrie différentielle à balayage (ATG/DSC) ont été menées afin d’obtenir des données cinétiques et thermochimiques robustes sur la calcination de l’oxalate d’uranium sous atmosphère oxydante et inerte, ainsi que sur la conversion de l’UO2 en U3O8. Enfin, les signaux ATG obtenus expérimentalement ont pu être modélisés, validant les paramètres cinétiques. L’outil de simulation du four à vis a été amélioré grâce à une meilleure représentation des phénomènes ayant lieu dans ce type de réacteur pendant la calcination de l’oxalate d’uranium. Ces améliorations permettent d’avoir accès aux différents profils de température et de concentration de toutes les espèces dans différentes zones prédéfinies. L’outil de simulation est capable de prédire des données expérimentales mesurées sur le four à vis pilote.