Apport d'un jumeau numérique pour une meilleure maîtrise des propriétés morphologiques d'agrégats générés sous contraintes hydrodynamiques – MORPHING

Une unité pilote permettant de reproduire le procédé industriel de coagulation/agrégation du latex ainsi qu'un dispositif de laboratoire permettant l'étude du procédé batch ont été conçus et des essais ont été réalisés suivant un protocole spécifique similaire au procédé industriel pour évaluer l'effet des conditions physico-chimiques et hydrodynamique sur les propriétés morphologiques des agrégats formés en suspension. Des techniques de visualisation optique sont développées afin de pouvoir caractériser la morphologie des agrégats et les contraintes hydrodynamiques s’exerçant dans les réacteurs. Des méthodes de géométrie stochastique reposant notamment sur la simulation des agrégats observés par leurs jumeaux numériques sont implémentées afin de quantifier les propriétés morphologiques des agrégats et de suivre leur dynamique temporelle sous l’effet des conditions physico-chimiques et hydrodynamiques imposées. Ces connaissances seront ensuite intégrées dans une modélisation du procédé d’agrégation par bilan de population multidimensionnel. Enfin, le couplage de l’hydrodynamique et des modèles par bilans de population seront adaptés à la simulation des réacteurs industriels.

Plusieurs résultats ont été obtenus au cours de la première phase du projet :
- Identification des mécanismes d’agrégation du latex MBS en réacteur agité
- Détermination de l’effet des paramètres physico-chimiques (concentration en agent coagulant, températures des différentes étapes du processus, concentration en solide) sur les paramètres morphologiques (distribution de taille, distribution de circularité, dimension fractale, …).
- Cartographie de l’hydrodynamique du réacteur agité à l’aide d’un mobile de type « Retreat blade impeller »
- Modèle GRAPE (géométrie stochastique) permettant d’approximer les propriétés 3D d’agrégats compacts à partir d’images de projection 2D avec moins de 5% d'erreur en moyenne.

Le traitement d'images d'agrégats obtenus dans des suspensions concentrées constitue un défi scientifique et technique. En effet, le développement de techniques de visualisation et de traitement d'images in-situ basées sur la simulation des agrégats observés par leurs jumeaux numériques, adaptées à l'étude des systèmes concentrés, est totalement nouveau. Ces connaissances devront ensuite être intégrées dans une modélisation du processus d'agrégation et adaptées à la simulation de réacteurs industriels. Dans ce cadre, la modélisation multidimensionnelle par bilan de population, couplée à la dynamique des fluides numérique, est un autre défi, porteur d'innovations dans la conception de réacteurs d'agrégation industriels.

1. A. Hamieh, C. Coufort-Saudejaud, A. Couffin, A. Liné, C. Frances:Impact de la température sur la morphologie d’agrégats de nanoparticules de latex de type MBS lors d’un procédé d’agglomération en milieu liquide (SFGP 2022), Toulouse, France, 07-10/11/2022
2. C. Frances, A. Hamieh, C. Saudejaud, A. Liné : Analyse des propriétés morphologiques d’agrégats de latex générés en réacteur agité, 4èmes Journées Scientifiques du GDR MORPHEA, Nancy 5-6/10/2021
3. A. Hamieh, C. Saudejaud, A. Liné, C. Frances: Evolution d'agrégats de latex MBS au cours d'un procédé d'agglomération, 5èmes Journées Scientifiques du GDR MORPHEA, Toulouse 25/10/2022
4. L. Théodon, C. Saudejaud, J. Debayle : GRAPE : A simple stochastic 3D model for aggregates of particles with tunable 2D properties, 5èmes Journées Scientifiques du GDR MORPHEA, Toulouse 25/10/2022

Le projet MORPHING s’inscrit dans une perspective de développement d’outils génériques visant à permettre une avancée fondamentale dans la compréhension des phénomènes d’agrégation en suspension. Sa finalité est de proposer des solutions en rupture pour améliorer les procédés d’agrégation et par conséquent mieux maîtriser les propriétés morphologiques du solide formé. Une application industrielle est tout particulièrement ciblée : l’agrégation de latex à coeur budatiène dont la production constitue un véritable enjeu économique et sociétal. Celle-ci est réalisée dans une cascade de réacteurs agités alimentés par une suspension de nanoparticules de latex. Les questions scientifiques portent sur l’effet des paramètres physico-chimiques et des contraintes hydrodynamiques sur les propriétés morphologiques des agrégats. La méthodologie proposée dans le projet MORPHING vise à identifier dans des conditions réalistes (suspensions denses dans des réacteurs agités) les contraintes sur les agrégats et à identifier des situations hydrodynamiques spécifiques (contrainte de cisaillement d'intensité variable, contrainte d'élongation sur des périodes courtes à longues) qui peuvent être reproduites et contrôlées dans des cellules d’écoulement modèles. Parallèlement à la mise en œuvre de ces géométries modèles, des techniques de visualisation optique seront développées afin de pouvoir suivre in situ la dynamique de la morphologie des agrégats. Le traitement d'images d'agrégats obtenus dans des suspensions concentrées constitue un enjeu scientifique et technique majeur. Une méthode spécifique de géométrie stochastique sera développée reposant sur la simulation des agrégats observés par leurs jumeaux numériques qui seront alors représentatifs des images binaires réelles. Cette approche permettra de quantifier les propriétés morphologiques des agrégats et de suivre leur dynamique temporelle sous l’effet des contraintes physico-chimiques et hydrodynamiques imposées. Ces connaissances seront ensuite intégrées dans une modélisation du processus d'agrégation par bilan de population multidimensionnel. Le couplage de l’hydrodynamique et des modèles par bilans de population seront enfin adaptés à la simulation des réacteurs industriels. Le projet repose sur une approche pluridisciplinaire, associant chercheurs en génie des procédés particulaires, mécanique des fluides, mathématiques appliquées (géométrie stochastique) et ingénieurs en R&D de l’industrie ayant une expertise en chimie des polymères (ARKEMA).