Impact de la viscosité de la phase continue sur le comportement d'une émulsion : étude numérique avec Basilisk

IFP Energies nouvelles - Lyon | Ref : R0441S-CL-DARBOURET 18/12/17

Stage - Sciences des Matériaux

  • Début

    entre mars et août 2018

  • Durée

    6 mois

  • Localisation

    Rhône

  • Indemnité

    Oui


IFP Energies nouvelles est un organisme public de recherche, d’innovation industrielle et de formation intervenant dans les domaines de l’énergie, du transport et de l’environnement. Sa mission est d'apporter aux acteurs publics et à l'industrie des technologies performantes, économiques, propres et durables pour relever les trois grands défis sociétaux du 21e siècle : changement climatique et impacts environnementaux, diversification énergétique et gestion des ressources en eau. Son expertise est internationalement reconnue.

IFP Energies nouvelles poursuit 5 priorités stratégiques, indissociables et complémentaires dans l'accomplissement de sa mission d’intérêt général :

  • Produire à partir de sources renouvelables des carburants, des intermédiaires chimiques et de l'énergie
  • Produire de l’énergie en réduisant l’impact sur l’environnement
  • Développer des transports économes et à faible impact environnemental
  • Produire à partir de ressources fossiles des carburants et intermédiaires chimiques à faible impact environnemental
  • Proposer des technologies respectueuses de l'environnement et repousser les limites actuelles des réserves d'hydrocarbures

Son école d'ingénieurs, partie intégrante d'IFP Energies nouvelles, prépare les générations futures à relever ces défis.

Impact de la viscosité de la phase continue sur le comportement d'une émulsion : étude numérique avec Basilisk

Contexte et objectifs

Lors de la production d’un hydrocarbure, les effluents extraits du sous-sol sont souvent composés d’huile, d’eau, de gaz et même de quelques composants solides. Il est alors nécessaire de faire une séparation des différentes phases pour ensuite les transporter vers des installations de traitement. Un des moyens pour séparer les différents composants d’un fluide issu du puits pétrolier est l’utilisation d’un séparateur gravitaire, réservoir dans lequel des conditions d’écoulement suffisamment calmes sont établies pour que les gouttelettes d’une phase dispersée (l’eau) sédimentent en traversant la phase huile par différence de densité entre les deux fluides.

Cette séparation est souvent rendue plus difficile lors de la mise en place de procédés de récupération assistée chimique à la fin de la vie du champ. En effet, les substances chimiques injectées dans le réservoir pour favoriser la récupération du pétrole sont ensuite produites et parviennent dans les installations de surface. Elles peuvent modifier le comportement des fluides lors de la séparation ; ces produits peuvent jouer un rôle de stabilisateur des émulsions, dégradant ainsi les performances des procédés de séparation en dégradant aussi bien la qualité de l’eau en sortie de séparateur que les performances des systèmes de traitement d’eau tels que les hydrocyclones, ou les unités de flottation. Il est alors nécessaire de pouvoir comprendre les phénomènes mis en jeu pour trouver des pistes d’amélioration des performances des équipements.

Stratégie de Recherche

Pour optimiser la géométrie interne d’un séparateur ou d’un système de traitement d’eau, il est nécessaire de réaliser des calculs numériques afin de prendre en compte la complexité de l’écoulement polyphasique dans l’équipement. Les outils numériques permettant de simuler de manière globale un équipement font appel à des modèles pour représenter les échelles les plus petites, et notamment les échelles auxquelles interagissent et coalescent les gouttelettes d’huile.

Cependant, à notre connaissance, l’impact du comportement rhéologique de la phase continue sur l’efficacité de coalescence des gouttelettes n’est pas gérée par ce type d’outil numérique.

Dans la littérature figurent différentes méthodes de simulation numérique directe pour traiter les écoulements liquide/liquide ou liquide/gaz. Pour ce stage nous proposons l’utilisation du code numérique libre Basilisk (http://basilisk.fr/), développé par Stéphane Popinet (Institut D’Alembert (UPMC)). Une méthode VOF, associée à des techniques de raffinement de maillage (AMR) et à un calcul performant de la tension de surface, permet de simuler finement les phénomènes de drainage de films aux interfaces.

Le comportement rhéologique de la phase continue joue un rôle dans le drainage du film, étape importante dans le processus de coalescence des gouttelettes ou de la déposition de gouttelettes sur une paroi solide. A notre connaissance, il n’existe aucune référence dans la littérature étudiant l’impact du caractère non-Newtonien sur la coalescence de gouttelettes et donc sur le comportement global d’une émulsion.

Le travail du stage se déroulera selon les étapes suivantes :

  • Bibliographie sur les mécanismes de coalescence de gouttelettes et drainage de film,
  • Prise en main du code Basilisk,
  • Etude numérique de la coalescence de 2 gouttelettes d’huile dans une phase aqueuse newtonienne avec le code Basilisk,
  • Etude numérique avec le code Basilisk de l’impact de la viscosité et du comportement rhéofluidifiant de la phase continue sur la coalescence.

Compétences

Mécanique des Fluides, Mécanique des fluides numériques, phase dispersée, rhéologie.


Myriam DARBOURET
Rond-point de l'échangeur de Solaize
69360 - Solaize
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