Modélisation de la précipitation du peroxyde d'uranium en réacteur à lit fluidisé continu agité mécaniquement et à recirculation

(1)

HAL Id: cea-02338739

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Modélisation de la précipitation du peroxyde d’uranium

en réacteur à lit fluidisé continu agité mécaniquement et

à recirculation

M. Bertrand, L-A. Mojica-Rodriguez, S. Planteur, F. Auger, A. Michaut, E.

Plasari, H. Muhr

To cite this version:

M. Bertrand, L-A. Mojica-Rodriguez, S. Planteur, F. Auger, A. Michaut, et al.. Modélisation de la précipitation du peroxyde d’uranium en réacteur à lit fluidisé continu agité mécaniquement et à recirculation. STP 2018 - 9ème colloque Science et technologie des poudres, Jul 2018, Compiègne, France. �cea-02338739�

(2)

CEA | 10 AVRIL 2012

MODÉLISATION DE LA PRÉCIPITATION DU PEROXYDE

D’URANIUM EN RÉACTEUR À LIT FLUIDISÉ CONTINU

AGITÉ MÉCANIQUEMENT ET À RECIRCULATION

STPMF Juillet 2018

French Alternative Energies and

Atomic Energy Commission

• M. Bertrand, LA. Mojica-Rodriguez, S. Planteur

(CEA Marcoule)

• F. Auger, A. Michaut (oarnoMines)

(3)

STPMF Juillet 2018

Sommaire

1. Contexte de l’étude

Traitement du minerai uranifère

2. Comment décrire le fonctionnement du réacteur à lit fluidisé ?

3. Validation du modèle proposé

4. Conclusion

(4)

| PAGE 3 CEA | 26 NOVEMBRE 2012 CEA | 26 NOVEMBRE 2012

1 -Contexte

CEA | 10 AVRIL 2012

Open-pit mine operation

1. Contexte de l’étude

Traitement du minerai uranifère

2. Comment décrire le comportement du

réacteur à lit fluidisé ?

3. Validation du modèle

4. Conclusion

Key Lake facility

CANADA

(5)

Traitement du minerai uranifère

Autunite

Vanuralite

Sklodowskite

Cuprosklodowskite

Boltwoodite

(Namibie)

From uranium ore

U < 1%

to yellow cake

U ~ 75 %

Ore Processing

Crushing

grinding

Leaching

U extraction

Precipitation

PAGE 4

Étape importante de purification,

concentration et de mise en forme

 Détermine les propriétés du produit

final envoyé par bateau vers les

usines de conversion

(6)

Précipitation du péroxyde d’uranium en lit fluidisé

 Différent réactifs industriellement utilisés : ammoniac, oxyde de magnésium,

hydroxyde de sodium

 Précipitation de UO

₂

(O

₂

) précipitation en lit fluidisé breveté par orano*

PAGE 5

𝑈𝑂

₂

2+

+ 𝐻

₂

𝑂

₂

+ 4𝐻

₂

𝑂 ↔

𝑼𝑶

_𝟐

𝑶

_𝟐

∙ 𝟒𝑯

_𝟐

𝑶

+ 2𝐻

+

Studtite

pH ~ 3

peroxyde d’hydrogène

Lit fluidisé

Poudre de peroxyde d’uranium de très bonne qualité

En termes de :



Pureté : forte sélectivité / U



Faciès : particules sphériques de taille moyenne

élevée  gestion de la poudre en aval du procédé



Densité élevée  Transport vers les usines de

conversion

* Courtaud, B., J. Thiry and F. Auger, Patent 2010, France, WO 2010/051855

Lit fluidisé

Batch reactor

(7)

Modélisation du procédé de précipitation

Thermodynamics

Mechanisms and Kinetic laws

Nucleation, crystal growth and agglomeration

Technology and

mixing phenomena

Modelling :

Coupling Chemistry/Turbulence

Experimental study

at pilot scale

 

) ( , ) , ( ) , ( ) , ( 1 L N R V t L Q t L Q L t L G t t L V V i i o              PAGE 6 [U]=200mg/L, [SO4]=0,1mol/L 2,88 2,9 2,92 2,94 2,96 2,98 3 3,02 0 100 200 300 400 500 600 700 800 t(s) pH

Planteur, S., Bertrand, M., Plasari, E., Cortaud, B., Gaillard, J-P. CrystEngComm, 15, 2305-2313 (2013)

M. Bertrand, L. Mojica, E. Plasari, F. Auger, H. Muhr Procedia Chemistry 21 263– 270 (2016)

L.A. Mojica-Rodriguez, M. Bertrand, J.P. Gaillard, F. Auger, H. Muhr, E. Plasari

(8)

| PAGE 7

2 -Comment décrire le

réacteur à lit fluidisé ?

Marcoule facility

FRANCE

1. Contexte de l’étude

2. Comment le comportement du

réacteur à lit fluidisé ?

3. Validation du modèle

4. Conclusion

(9)

FLUIDIZED BED REACTOR

09/07/2018 PAGE 9

Zone

I

Zone

II

Zone I

Zone

II

UO

₂

SO

₄ UO 2 SO 4

NaOH

NaOH

H

₂

O

₂ H2O2

R

ecir

cu

la

tion

Overflow

Ov erflo w

pH probe

L.A. Mojica-Rodriguez, M. Bertrand, J.P. Gaillard, F. Auger, H. Muhr, E. Plasari Nuclear Engineering and Design, Vol 293 (2015)

(10)

Analyse de l’hydrodynamique

Critère

Piston

RPA

Réacteur à lit

fluidisé

Critère de

Peclet

Pe =

H ∙ u

D

_ax

 ∞

 0

~ 0.1

Taux de

recirculation

R =

𝑄_𝑅 𝑄_𝐹+𝑄_𝑅

 0

_{Littérature : > 10*}

 ∞

> 11

Solid outlet Overflow

Feed

Recirculation

Q

_F

Q

_R 𝐻 : hauteur du réacteur (m) 𝑢 : vitesse du fluide (ms-1₎ 𝐷𝑎𝑥: dispersion axiale (m2s-1)

Croissance cristalline du peroxyde

d’uranium du 1

er

_ordre**

𝐺 = 𝑘

_𝑔

𝑆 − 1

*J. Villermaux, 1993, Ed. Tec & Doc-Lavoisier ** Planteur, S., Bertrand, M., Plasari, E., Cortaud, B., Gaillard, J-P. CrystEngComm, 15, 2305-2313 (2013)

Plug flow reactor

Perfectly mixed reactor

Comportement hydro qui tend vers celui du RPA

Comparaison entre les taux de conversion du RPA X

_RPM

et du

réacteur piston avec recirculation X(R)

(11)

Modèle hydrodynamique pour le précipitateur à lit fluidisé

Q _{Q - q}

q Q

Q

Définition d’un coefficient de séparation

phase liquide / suspension

𝛼 =

𝑄

𝑞

• q ∶ débit total de suspension sortant (liquide +

solide)

• Q : débit total de suspension entrant et

sortant (liquide + solide)

PAGE 11

MSMPR

Mixed Suspension Mixed Product Removal

Précipitateur à Lit fluidisé

(12)

POPULATION BALANCE

Q _{Q - q} q Q Q

𝛼 =

𝑄

𝑞

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

L

D

L

B

L

r

L

n

dL

L

dn

G





_N



c







(

)

n

(

L

)

r

(

L

)

B

(

L

)

D

(

L

)

dL

L

dn

G





_N



c







𝑚

𝑘

𝜏

= 𝑟

𝑁

𝐿

𝑐

+ kG 𝑚

𝑘−1

+ 𝐵

𝑘

− 𝐷

𝑘

𝑚

_𝑘

𝛼𝜏

= 𝑟

𝑁

𝐿

𝑐

+ kG 𝑚

𝑘−1

+ 𝐵

𝑘

− 𝐷

𝑘

Growth rate Nucleation rate

outlet Agglomeration

rate

Bilan de p

opulation



En présence of nucléation (R

_N

), croissance cristalline (G) et agglomération (β)



En régime stationnaire –  = temps de séjour



G indépendante de of L et pas d’ensemencement

In terms of moments

PAGE 12

MSMPR

Mixed Suspension Mixed Product Removal

MS

S

PR

(13)

| PAGE 12

3 -Validation du

modèle

1. Contexte de l’étude

2. Comment décrire le comportement

du réacteur à lit fluidisé ?

3. Validation du modèle

4. Conclusion

(14)

CAMPAGNE EN LIT FLUIDISE À L’ÉCHELLE PILOTE

3. Absence de brisure

1. Agglomérats sphériques et compacts

Echelle pilote :

- V ~ 10 L

-

~ 3 semaines

-

MEB, DRX,

granulométrie, ICP AES

- Rendement U = 99.9%

L. Mojica-Rodríguez, , , M. Bertrand, J. Gaillard, H. Muhr, E. Plasari, F. Auger, E. Brackx

Nuclear Engineering and Design, Volume 293, November 2015

PAGE 14

𝑈𝑂

₂2+

+ 𝐻

₂

𝑂

₂

+ 4𝐻

₂

𝑂 ↔

𝑼𝑶

_𝟐

𝑶

_𝟐

∙ 𝟒𝑯

_𝟐

𝑶

+ 2𝐻

+

Studtite

pH ~ 3

2. distribution de taille étroite et

indépendante de la hauteur du réacteur

 en accord avec la littérature

Particle size µm Particle size µm

(15)

MSSPR : COMPARAISON MODELE / EXPERIENCES

-10 0 10 20 -10 0 10 20 30 y=x+a a=-8.14512 R2_=0.992286 log Ik lo g  Y k  -10 0 10 20 -10 0 10 20 30 y=x+a a=-8.52591 R2=0.991859 logIk lo g Y k  -10 0 10 20 -10 0 10 20 30 y=x+a a=-7.95528 R2=0.989549 logIk lo g Y k  Q _{Q - q} q

𝑙𝑜𝑔 𝑌

𝑘

= 𝑙𝑜𝑔𝛽

0

+ 𝑙𝑜𝑔 𝐼

𝑘

Comparaison expériences (cercles) et modèle MSSPR (ligne)

PAGE 15

𝑚

𝑘

𝛼𝐺𝜏

−

𝑟

𝑁

∙ 𝐿

0𝑘

𝐺

− 𝑘 ∙ 𝑚

𝑘−1

= 𝛽

0

𝐼

𝑘 — modélisation o expérimental

Précipitateur à lit fluidisé avec recirculation

(16)

CONCLUSION



Le modèle MSSPR : adapté à tout type de réaction de

précipitation en lit fluidise agité et avec recirculation

 bonnes prédiction de l’évolution des tailles cristallines en

fonction des paramètres opératoires



Le réacteur à lit fluidisé robuste  poudres de bonne qualité



Loi cinétique de croissance cristalline du peroxyde d’uranium

 précipitation favorisée significativement par une charge

solide élevée

(17)

SCIENTIFIC TEAMS

French Atomic Energy Commission

Marcoule facility

Nuclear fuel reprocessing and waste processing

AREVA Mines

Bessines site

Uranium extraction

PAGE 2

Reaction and Process Engineering Laboratory

CNRS, University of Lorraine

F. Auger

A. Michaut

Pf H. Muhr

Pf E. Plasari

Dr S. Planteur

Dr L. Mojica-Rodriguez

Dr M. Bertrand

(18)

| PAGE 17

Thank you for

your attention !

(19)

Equation of the MSSPR

HOW TO VALIDATE THE MSSPR MODEL

𝑚

_𝑘

𝛼𝐺𝜏

−

𝑟

_𝑁

∙ 𝐿

₀𝑘

𝐺

− 𝑘 ∙ 𝑚

𝑘−1

= 𝛽

0

𝐼

𝑘

𝑌

𝑘

𝑙𝑜𝑔 𝑌

𝑘

= 𝑙𝑜𝑔𝛽

0

+ 𝑙𝑜𝑔 𝐼

𝑘

𝑌

_𝑘

= 𝛽

₀

𝐼

_𝑘

I

_k

and Y

_k

can be estimated from experimental crystal size distributions



L n L n dLd L dL L n L m k k k k ) ( ) ( ) ( 2 1 I ) ( 0 0 3 / 3 3 k 0       _ _  