MATETPRO - Matériaux et Procédés pour des Produits Performants

Innovations dans la conception et extrapolation de la technologie pour la production de revêtements à base de latex – SCALE-UP

Scale-up pour procédés chimiques

L’argumentaire de base du projet SCALE-UP est que l’utilisation de la CFD va nous permettre de mieux comprendre le lien entre échelles de temps, de taille et qualité de mélange. Ces informations, combinées aux bilans de population qui permettent de caractériser le comportement local des particules (génération, croissance, coagulation), nous donneront accès à l’influence des échelles de temps et de taille sur la qualité du produit final.

MFN et bilans de population, couplé à des expériences ciblées pour mieux extrapoler des réacteurs et coagulateurs

La capacité de création de nouveaux produits et leur mise rapide sur le marché sont intimement liées aux possibilités d’extrapolation de la production, que l’on considère le cas de l’extrapolation de l’échelle pilote à l’échelle de production, ou une extension d’une production existante à une unité plus grande ou à un procédé intensifié. L’extrapolation est généralement réalisée de manière heuristique, en s’appuyant sur les résultats obtenus aux échelles de production. Si nous souhaitons rompre avec cette manière peu satisfaisante car peu efficace de procéder, nous devons nous baser sur une approche pluridisciplinaire et multi-échelles : <br />- échelle moléculaire (1-100Å): a une influence sur la stabilité des particules et sur la thermodynamique, <br />- échelle de la particule (10-1000nm): gouverne des propriétés telles que la stabilité et la viscosité globale <br />- échelle macroscopique (0.1-10 m): dont dépendent le temps de mélange et l’efficacité du système ; valeurs également liées à la viscosité.

L’argumentaire de base du projet SCALE-UP est que l’utilisation de la CFD va nous permettre de mieux comprendre le lien entre échelles de temps, de taille et qualité de mélange. Ces informations, combinées aux bilans de population qui permettent de caractériser le comportement local des particules (génération, croissance, coagulation), nous donneront accès à l’influence des échelles de temps et de taille sur la qualité du produit final.
Ce projet, construit à cheval sur plusieurs champs disciplinaires, représente l’un des premiers efforts de compréhension des phénomènes physiques impliqués dans une démarche d’extrapolation de ce type de procédés.

Projet en démarrage

Projet en démarrage

Projet en démarrage

Les propriétés des latex dépendent d’un grand nombre de facteurs, tels que le type de monomères, les stabilisants, les initiateurs et agents utilisés en cours d’élaboration. Les procédés comme les formulations utilisés sont nombreux. Cependant, quelque soit le procédé et la formulation mis en œuvre, le contrôle rigoureux de la création, de la croissance, de la stabilisation et éventuellement de la coagulation des particules au cours des différentes étapes sont des éléments indissociables de la bonne maîtrise du procédé. Si la compréhension de ces phénomènes est bien dominée, la répartition granulométrique des particules – taille moyenne, écart moyen, population mono ou multimodale – peut être gérée au niveau des étapes de nucléation et de coagulation, soit dans le réacteur de polymérisation, soit dans les post-réacteurs de coagulation.

La capacité de création de nouveaux produits et leur mise rapide sur le marché sont intimement liées aux possibilités d’extrapolation de la production, que l’on considère le cas de l’extrapolation de l’échelle pilote à l’échelle de production, ou une extension d’une production existante à une unité plus grande ou à un procédé intensifié. L’extrapolation est généralement réalisée de manière heuristique, en s’appuyant sur les résultats obtenus aux échelles de production. Si nous souhaitons rompre avec cette manière peu satisfaisante car peu efficace de procéder, nous devons nous baser sur une approche pluridisciplinaire et multi-échelles :
• échelle moléculaire (1-100Å): a une influence sur la stabilité des particules et sur la thermodynamique,
• échelle de la particule (10-1000nm): gouverne des propriétés telles que la stabilité et la viscosité globale
• échelle macroscopique (0.1-10 m): dont dépendent le temps de mélange et l’efficacité du système ; valeurs également liées à la viscosité.

Tous ces points doivent être traités dans leur ensemble, et dans le cadre d’une synergie proposée dans le projet, synergie qui doit déboucher sur plus d’efficacité dans la résolution des problèmes scientifiques posés. Nous nous proposons donc d’utiliser une approche unifiée basée sur la modélisation et l’expérimentation. Pour cela, nous avons défini différentes taches qui sont précisées dans notre proposition, avec une importance particulière pour :
• le design et la conception de coagulateurs de laboratoire afin de développer des stratégies de coagulation qui viendront alimenter la plateforme de simulation et d’extrapolation,
• le développement d’une approche combinée CFD/bilan de population, afin de prédire la formation et la croissance des particules,
• la validation expérimentale des simulations à différentes échelles (1 à 300 l) qui va permettre d’identifier les paramètres critiques du modèle,
• le développement d’une méthodologie d’extrapolation basée sur l’approche combinée CFD/bilan de population et sur le résultat des tests réalisés aux différentes échelles.

L’argumentaire de base du projet SCALE-UP est que l’utilisation de la CFD va nous permettre de mieux comprendre le lien entre échelles de temps, de taille et qualité de mélange. Ces informations, combinées aux bilans de population qui permettent de caractériser le comportement local des particules (génération, croissance, coagulation), nous donneront accès à l’influence des échelles de temps et de taille sur la qualité du produit final.
Ce projet, construit à cheval sur plusieurs champs disciplinaires, représente l’un des premiers efforts de compréhension des phénomènes physiques impliqués dans une démarche d’extrapolation de ce type de procédés.

Coordinateur du projet

Monsieur Timothy MCKENNA (Université Claude Bernard Lyon 1) – timothy.mckenna@lcpp.cpe.fr

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

LGC Laboratoire de Génie Chimique
ARKEMA-PVDF ARKEMA - division Fluoropolymers
ARKEMA-GRL ARKEMA-GRL
UCBL Université Claude Bernard Lyon 1

Aide de l'ANR 874 630 euros
Début et durée du projet scientifique : mars 2013 - 48 Mois

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