Ce travail a รฉtรฉ rรฉalisรฉ au sein du Laboratoire des Fluides Complexes (L.F.C.) de lโUniversitรฉ de Pau et des Pays de lโAdour, membre de lโUnitรฉ Mixte de Recherche 5150 avec le Centre National de la Recherche Scientifique et la sociรฉtรฉ TOTAL. Les thรจmes abordรฉs y sont variรฉs et concernent plusieurs catรฉgories de fluides, mais la grande majoritรฉ des รฉtudes rรฉalisรฉes est relative aux effluents dโorigine pรฉtroliรจre, ainsi quโร leurs composants et dรฉrivรฉs. Outre le dรฉveloppement de modรจles thermodynamiques, le laboratoire a mis au point de nombreux dispositifs expรฉrimentaux permettant la caractรฉrisation de ces systรจmes sous haute pression ร travers lโรฉtude de diverses propriรฉtรฉs. Cโest le cas, par exemple, de propriรฉtรฉs de transport comme la viscositรฉ ou la conductivitรฉ รฉlectrique, de propriรฉtรฉs volumรฉtriques tels le coefficient de compressibilitรฉ et la masse volumique, ou de grandeurs thermophysiques comme la capacitรฉ calorifique et la vitesse de propagation des ondes ultrasonores. Certains dispositifs permettent รฉgalement lโรฉtude de dรฉpรดts solides de diffรฉrentes natures (paraffines, asphaltรจnes ou hydrates de gaz) et des รฉquilibres de phase.
Cโest dans ce dernier domaine que sโinscrit le travail exposรฉ dans ce mรฉmoire. Il concerne lโรฉtude des รฉquilibres liquide โ solide dans les effluents pรฉtroliers sous pression, et plus gรฉnรฉralement, dans les mรฉlanges contenant des paraffines. Rappelons que, dans le gรฉnie pรฉtrolier, le terme ยซ paraffine ยป dรฉsigne les alcanes qui sont solides dans les conditions ambiantes de tempรฉrature et de pression. Par extension, il est รฉgalement utilisรฉ pour les alcanes liquides susceptibles de cristalliser dans les conditions opรฉratoires. Dans ce travail, nous dรฉsignerons par ยซn-paraffine ยป tous les alcanes linรฉaires contenant au moins 11 atomes de carbone.
La premiรจre รฉtude effectuรฉe au laboratoire sur ce sujet a concernรฉ la formation de dรฉpรดts paraffiniques, รฉgalement nommรฉs ยซ cires ยป, dans les mรฉlanges synthรฉtiques (Pauly (2000)). Par la suite, cette รฉtude a รฉtรฉ รฉtendue par Sansot (2003) aux huiles brutes et aux gaz ร condensat.
Lโintรฉrรชt suscitรฉ par les รฉquilibres liquide โ solide de paraffines provient des problรจmes occasionnรฉs lors de leur cristallisation pendant lโexploitation ou le transport des effluents pรฉtroliers. La nature de ces problรจmes dรฉpend en fait de la quantitรฉ de paraffine solide prรฉsente dans le fluide :
โข si la fraction massique des alcanes de haut poids molรฉculaire est importante et si la tempรฉrature du systรจme descend en deรงร dโune certaine valeur que lโon nomme ยซpoint dโรฉcoulement ยป, la phase solide est si dรฉveloppรฉe quโelle emprisonne le liquide en รฉquilibre pour former un gel. Lโรฉcoulement du fluide devient alors impossible.
โข si les paraffines sont prรฉsentes en moindre proportion, la prรฉsence de particules de cire au sein du fluide entraรฎne une augmentation de la viscositรฉ et, de ce fait, un accroissement des pertes de charge. Il devient alors nรฉcessaire dโaugmenter la puissance des รฉquipements de pompage pour maintenir un dรฉbit constant. En outre, pendant lโรฉcoulement, les cristaux de paraffines ont tendance ร se fixer sur les parois plus froides des conduits de transport puis sโagglomรจrent entre eux, rรฉduisant ainsi lentement le diamรจtre offert au fluide, jusquโร obstruction totale si aucune mesure prรฉventive nโest adoptรฉe suffisamment tรดt .
Lorsque de tels dรฉpรดts se forment dans les conduits, une intervention curative est nรฉcessaire pour รฉviter la formation dโun bouchon. Lโutilisation de solvants ou le chauffage des parois externes des canalisations peuvent faire disparaรฎtre les agrรฉgats rรฉcents, mais un raclage mรฉcanique avec intervention humaine est requis si le dรฉpรดt est trop consรฉquent, entraรฎnant lโarrรชt de toute la chaรฎne dโexploitation . Ces solutions sโavรจrent efficaces mais sont particuliรจrement onรฉreuses, et engendrent des manques ร gagner importants.
Une alternative ร ces mรฉthodes curatives consiste ร prรฉvenir la formation des particules solides. Outre lโusage de revรชtements internes spรฉcifiques limitant lโaccrochage des cristaux, les conduits de transport peuvent รชtre isolรฉs, voire chauffรฉs, pour maintenir le fluide ร une tempรฉrature supรฉrieure ร la tempรฉrature dโapparition des cires. On peut รฉgalement avoir recours ร des additifs chimiques, comme des inhibiteurs, qui bloquent le phรฉnomรจne de cristallisation au stade de la nuclรฉation ou qui empรชchent lโagrรฉgation des cristaux. Ces mรฉthodes prรฉventives sont coรปteuses ร mettre en place, et une bonne connaissance du comportement thermodynamique des fluides de gisement est importante afin de nโengager aucune dรฉpense inutile qui rรฉsulterait dโun mauvais dimensionnement.
Dรฉtection directe par observation visuelleย
Les normes ASTM (ยซ American Society for Testing and Materials ยป) D2500 et D3117 prรฉconisent une observation visuelle pour dรฉterminer la tempรฉrature dโapparition des cires dans les effluents pรฉtroliers (Kruka et al. (1995)). Ces deux mรฉthodes sont basรฉes sur lโutilisation dโune cellule transparente, dโรฉpaisseur variable selon la norme, dans laquelle est contenu le fluide ร รฉtudier, ce dernier รฉtant portรฉ ร une tempรฉrature suffisante pour quโil soit initialement ร lโรฉtat monophasique liquide.
La norme D2500 consiste ร tremper la cellule, dโun diamรจtre de 4 cm environ, dans un bain rรฉgulรฉ ร une tempรฉrature infรฉrieure de 30 ร 40 K ร celle de lโรฉchantillon. Le dispositif ne prรฉvoit pas dโagitateur magnรฉtique, ce qui entraรฎne des imprรฉcisions รฉvidentes liรฉes ร lโhรฉtรฉrogรฉnรฉitรฉ du systรจme, aussi bien au niveau thermique que chimique. De plus, la vitesse de refroidissement nโest absolument pas maรฎtrisรฉe alors quโelle joue un rรดle important sur la qualitรฉ des mesures de tempรฉrature de cristallisation commenรงante (Rรธnningsen et al. (1991)).
La norme D3117 utilise une cellule de dimension plus rรฉduite, de 2 cm de diamรจtre, et un agitateur permet dโhomogรฉnรฉiser lโรฉchantillon. Mais la vitesse de refroidissement recommandรฉe, dโenviron 1,5 K.min-1, est trop รฉlevรฉe pour donner des valeurs fiables de tempรฉrature de cristallisation commenรงante, ร cause du phรฉnomรจne de surfusion inhรฉrent ร toutes les mรฉthodes par refroidissement.
Dรฉtection par transmission dโun signal lumineuxย
Pour rรฉduire la subjectivitรฉ de la technique dโobservation visuelle directe indiquรฉe prรฉcรฉdemment, il est possible dโutiliser un dispositif optique pour remplacer lโopรฉrateur humain (Hammami et Raines (1997), Kruka et al. (1995), Pauly (2000)). Les cellules dโobservation sont habituellement constituรฉes de matรฉriaux mรฉtalliques pour permettre une utilisation sous pression, et sont munies de deux hublots transparents positionnรฉs en vis-ร -vis afin quโune source lumineuse monochromatique รฉclaire lโรฉchantillon et que le signal transmis puisse รชtre rรฉcupรฉrรฉ par un capteur รฉlectronique. Le principe de dรฉtection des transitions de phase liquide โ solide avec ce genre de dispositif est le suivant : lorsque le systรจme se trouve ร lโรฉtat monophasique liquide, lโintensitรฉ du faisceau transmis est importante ; dรจs lors que la tempรฉrature dโapparition des cires est atteinte, la cristallisation des paraffines provoque une forte attรฉnuation du signal, car chaque particule solide en suspension diffuse une partie de la lumiรจre .
Cette technique permet dโobtenir dโexcellents rรฉsultats avec les systรจmes synthรฉtiques, mรชme complexes, et pourrait รชtre utilisรฉe dans le cas de fluides sombres en choisissant une source laser de couleur rouge et en rรฉduisant suffisamment lโรฉpaisseur dโรฉchantillon que doit traverser le faisceau lumineux.
Nรฉanmoins, sโil est possible de sโaffranchir des inconvรฉnients liรฉs ร lโopacitรฉ des fluides pรฉtroliers, le problรจme relatif ร la taille des cristaux demeure. En effet, pour que lโattรฉnuation du signal lumineux soit perceptible, il est indispensable que les cristaux soient de taille suffisante et forment des agrรฉgats de plus de 10 ยตm de diamรจtre, ce qui nโest pas le cas lorsque le systรจme se trouve juste en deรงร de sa tempรฉrature de cristallisation commenรงante. Hammami et Raines (1997) ont comparรฉ la sensibilitรฉ de cette technique avec celle dโun microscope ร polariseurs croisรฉs en mesurant la tempรฉrature de cristallisation commenรงante dโune huile brute ร lโaide des deux mรฉthodes (le dispositif de microscopie ร polariseurs croisรฉs est prรฉsentรฉ dans le paragraphe I.8). Alors que les premiers cristaux sont visibles au microscope, le faisceau transmis ne prรฉsente toujours pas dโattรฉnuation brutale ; il faut atteindre une tempรฉrature infรฉrieure dโenviron 10 K pour assister ร lโeffondrement de lโintensitรฉ lumineuse.
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Table des matiรจres
Nomenclature des principaux symboles
Introduction
I. Prรฉsentation des diffรฉrentes techniques expรฉrimentales pour la dรฉtermination des รฉquilibres liquide โ solide
I.1. Dรฉtection directe par observation visuelle
I.2. Dรฉtection par transmission dโun signal lumineux
I.3. Dรฉtection par mesure de pression diffรฉrentielle
I.4. Dรฉtection par mesure de viscositรฉ
I.5. Dรฉtection par mesure acoustique
I.6. Dรฉtection par mesure calorimรฉtrique
I.7. Dรฉtection par mesure de spectre infrarouge
I.8. Dรฉtection par microscopie ร polariseurs croisรฉs
I.9. Conclusion
II. Dรฉveloppement de la mรฉthode de mesure de la tempรฉrature de fusion finissante par microscopie sous pression
II.1. Dispositif expรฉrimental
II.1.1. Cellule de mesure ร pression atmosphรฉrique
II.1.2. Cellule de mesure sous pression
II.1.3. Matรฉriel dโobservation : microscope et capture dโimage
II.2. Protocole expรฉrimental
II.2.1. Remplissage de la cellule de mesure
II.2.2. Mesure de tempรฉrature de fusion finissante
II.3. Validation du dispositif
II.3.1. Validation des mesures ร pression atmosphรฉrique : vรฉrification de la tempรฉrature
II.3.2. Validation des mesures sous pression
III. Mesure sous haute pression de la tempรฉrature de fusion de corps purs
III.1. Etude des n-alcanes, du n-undรฉcane au n-eicosane
III.2. Etude de naphtรจnes : les alkylcyclohexanes
III.3. Etude dโaromatiques : les alkylbenzรจnes
III.4. Comparaison des diffรฉrentes familles chimiques
IV. Mesure sous haute pression de la tempรฉrature de fusion finissante de systรจmes synthรฉtiques
IV.1. Etude de systรจmes binaires
IV.1.1. Etude du systรจme {n-tรฉtradรฉcane + n-hexadรฉcane}
IV.1.2. Etude du systรจme {n-tรฉtradรฉcane + n-pentadรฉcane}
IV.1.3. Etude du systรจme {n-tรฉtradรฉcane + n-dodรฉcylcyclohexane}
IV.1.4. Modรฉlisation des รฉquilibres liquide โ solide des systรจmes {n-C14 + n-C16} et {n-C14 + n-C15}
IV.2. Etude dโune distribution de paraffines
IV.2.1. Rรฉsultats expรฉrimentaux
IV.2.2. Comparaison de la Tff ร pression atmosphรฉrique des diffรฉrents systรจmes รฉtudiรฉs en phase rotatoire
IV.2.3. Modรฉlisation des distributions continues de n-alcanes
IV.3. Etude du comportement dโune cire paraffinique dissoute dans un solvant
IV.4. Conclusion
V. Tempรฉrature de fusion finissante de fluides rรฉels complexes
V.1. Etude dโun fluide de type ยซ diesel ยป sous pression
V.2. Etude de condensats sous pression
V.3. Etude dโune huile opaque ร pression atmosphรฉrique
V.4. Discussion sur la taille des cristaux dans les fluides rรฉels complexes
Conclusions
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