Modeling of reactive systems in twin-screw extrusion: challenges and applications

Reactive extrusion processes involve the difficulties of mastering classical polymer processes, such as twin-screw extrusion for example, and the problems of controlling a chemical reaction in very specific conditions (high-viscosity medium, high temperatures, short residence times). Therefore, it is often very difficult to intuitively understand all the aspects of the process and to clarify the complex interactions between the numerous variables, and then to properly design and optimize the industrial process. Numerical modeling can be a very efficient tool to overcome these difficulties. However, it remains a real challenge, as it necessitates to couple flow simulation in complex geometry, reaction kinetics and evolutionary rheological behavior. Moreover, the information needed is sometimes difficult to obtain with the required accuracy. After a general presentation of the principles of the different reactive extrusion modeling methodologies, we will focus on the models we developed, based on continuum mechanics. Different examples of applications are presented for illustrating the interest of this method. To cite this article: B. Vergnes et al., C. R. Chimie 9 (2006).

RésuméLe procédé d'extrusion réactive nécessite la maîtrise d'un procédé classique de transformation des polymères, comme l'extrusion bivis, et le contrôle d'une réaction chimique dans des conditions particulières (milieux très visqueux, haute température, temps de séjour court). Il est souvent difficile de comprendre tous les aspects d'un tel procédé, en particulier les interactions complexes entre les nombreuses variables, et donc de concevoir et d'optimiser au mieux une installation industrielle. Pour cela, la simulation numérique apparaît comme un outil particulièrement intéressant. Elle demeure néanmoins un vrai défi, dans la mesure où elle doit coupler des calculs d'écoulement en géométrie complexe, des cinétiques de réaction et des comportements rhéologiques évolutifs. De plus, certains paramètres sont parfois difficiles à déterminer avec précision. Après une présentation générale des différents types de modélisation proposés dans la littérature, nous nous focaliserons sur les modèles que nous avons développés, à partir d'une approche de mécanique des milieux continus. Nous présenterons différents exemples d'applications pour montrer l'intérêt de ce type de modèle. Pour citer cet article : B. Vergnes et al., C.R. Chimie 9 (2006).