Il s’agit de procédés complexes et difficiles à mettre en œuvre expérimentalement. L’utilisation de la modélisation est un moyen scientifiquement et économiquement efficace  pour prédire le comportement du système sous courant (tension, température, rendement, zones de défaillance potentielles…) et apporter des améliorations en optimisant le design.

Le cas d’étude traité ici concerne un réacteur de recyclage du néodyme (figure ci-dessous). Il a été développé sous COMSOL Multiphysics® dans le cadre du projet de recherche européen FP7 REEcover.

Les objectifs sont les suivants :

• déterminer la distribution des courants pour localiser les vitesses de réaction sur les électrodes,
• prédire la température au sein de la cellule en fonctionnement,
• optimiser le design du réacteur et le courant d’utilisation.

Vue en coupe du réacteur d’électrolyse pour le recyclage des terres rares
 

La simulation de la distribution des densités de courant se fait avec un modèle électrique en courant « secondaire ». Ce type d’approche permet, tout en étant relativement simple à mettre en œuvre, de simuler avec une précision suffisante pour l’application les vitesses de réaction attendues aux électrodes.

Le modèle thermique utilise le modèle électrique comme sources de chaleur et calcule la répartition de température au sein du réacteur en considérant les trois types de transport de chaleur :

• conduction dans les parties solides,
• convection dans l’électrolyte : celle-ci est traitée par une conduction équivalente
• rayonnement, à la surface des éléments les plus chauds (surface du réacteur autour de l’électrolyte)

Ce modèle a permis de mettre en évidence:

• la tension de cellule et la répartition du potentiel,
• l’hétérogénéité des vitesses de réaction aux électrodes, notamment aux anodes,
• la température moyenne de l’électrolyte en fonctionnement (~ 1020 °C), pour s’assurer que l’électrolyte reste fondu,
• la répartition des pertes thermiques : perte énergétique à travers les parois vs. perte  par rayonnement.