Centre SPIN – Génie des Procédés

Réactivité des poudres

Les réactions gaz-solide sont d’un intérêt majeur dans de nombreux domaines industriels tels que les procédés de fabrication additive, la chimie, l’industrie de l’énergie nucléaire, la métallurgie, la cimenterie, la production minière, l’aéronautique, l’industrie automobile, le captage et le stockage de gaz et d’énergie, etc…, ce qui engendre des enjeux environnementaux et économiques capitaux. Qu’elles soient souhaitées ou au contraire indésirables, ces réactions doivent être maitrisées afin de s’assurer la qualité d’usage d’un produit, de contrôler ou optimiser l’efficacité d’une installation, de répondre aux exigences pour la conduite d’un procédé.

Ainsi nos objectifs sont la caractérisation de la réactivité chimique des systèmes solide-gaz, l’identification des mécanismes réactionnels et la modélisation des transformations chimiques dans les solides pour obtenir des lois prédictives et enfin la simulation des réacteurs industriels.

Expériences

La détermination de la réactivité chimique des systèmes solide-gaz nécessite d’une part l’acquisition de données cinétiques et d’autre part la caractérisation détaillée des solides réactifs et produits ainsi que des gaz consommés et/ou produits par la réaction.  Nos études expérimentales s’appuient donc sur deux catégories d’instruments :

  • Des outils d’analyse thermique et de calorimétrie tels que des thermobalances, des calorimètres, des DSC, des dilatomètres, des couplages TG-DSC et TG-ATD, ainsi qu’un couplage TG-Emission Acoustique
  • Des outils de caractérisations des solides ex- et/ou in-situ (composition chimique, composition de phase, morphologie, texture,…) et de gaz (spectromètre de masse, spectromètre infra-rouge, chromatographie en phase gaz, hygromètre à miroir, sonde O2,…)

Modélisation

La transformation chimique d’un solide soit par décomposition thermique soit par réaction avec un ou plusieurs gaz met en jeu les processus de germination et de croissance de la nouvelle phase. Nous avons développé depuis plusieurs décennies une expertise en cinétique hétérogène qui inclue la modélisation de ces processus de germination et de croissance. Ces modèles cinétiques s’appuient sur une description physique (mécanistique) et géométrique de la réaction et ont pour objectif sa compréhension et sa prédiction afin de répondre aux problématiques industrielles.

 

Simulation

Les réacteurs industriels où se déroulent les réactions hétérogènes sont des dispositifs complexes, difficiles à appréhender : le milieu granulaire formé par les phases solides et les gaz réactifs et produits voit ses propriétés modifiées à chaque instant par les réactions chimiques qui s’y déroulent. Il apparait donc essentiel de développer des outils d’aide à la conception, à l’optimisation, à la maintenance et au diagnostic de ces installations. Cela exige donc de connaître à la fois la cinétique chimique à l’échelle de grains, et de considérer la forme et la taille du réacteur, les sources de chauffage, les entrées et sorties de flux gazeux, le lit de poudre, etc…Cette approche a été utilisée pour le développement du code de calcul CIN4 qui allie la modélisation des phénomènes thermohydrauliques par la méthode des éléments finis aux simulations de cinétiques hétérogènes sur des populations de grains structurés ou non en agrégats.

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