Experimentation, Simulation and Modeling of Thermophysical Properties of asymmetric Mixtures

Expérimentation, Simulation et modélisation des propriétés thermophysiques de mélanges asymétriques Les mélanges asymétriques, constitués à la fois de composants légers (gaz) et lourds (liquides) sont impliqués dans de nombreux procédés industriels tels que les procédés de séquestration du CO2 ou d’amélioration de la production pétrolière de champs matures. Cependant, il existe relativement peu de mesures de propriétés thermophysiques (équilibre de phase, propriétés PVT, viscosité, etc.) effectuées sur ces systèmes en conditions de réservoir. De plus, leur modélisation par des approches classiques reste problématique, précisément en raison de l'asymétrie entre les molécules et les conditions opératoires. Aujourd’hui, compte tenu des avancées considérables en matières de puissance de calcul, les techniques de simulation moléculaire se révèlent être des outils complémentaires prometteurs pour la prédiction des propriétés thermophysiques des mélanges de fluide. Néanmoins, peu d'études ont permis de déterminer si de telles techniques sont applicables de manière prédictive pour traiter des mélanges très asymétriques tels que les systèmes CO2-huile. Ainsi, l’objectif de cette thèse est de combiner mesures expérimentales et simulations moléculaires, sur des mélanges asymétriques modèles liés à la problématique des georessources, afin de fournir des données fiables et, in fine, de comprendre et d’améliorer la modélisation de ces systèmes. Pour cela, des mesures expérimentales, des simulations de Monte Carlo et de Dynamique Moléculaire de propriétés telles que la densité, les compressibilités isothermes et isentropiques, la dilatation isobare, la capacité calorifique, la vitesse du son et la viscosité ont été réalisées. La première partie de ce travail a été consacrée à l'étude préliminaire d'un mélange asymétrique simple composé de paraffines. Il ressort de ces études que pour ce type de système, indépendamment du niveau de description moléculaire du champ de force (fin ou gros-grains), les techniques de simulation moléculaire sont capables de prédire quantitativement les propriétés thermodynamiques étudiées et les propriétés d’excès associées. Cependant, la transférabilité de ces mêmes champs de force à la prédiction de propriétés de transport telles que la viscosité est limitée, même pour un système aussi simple. Ensuite, nous avons concentré nos efforts sur l’étude de systèmes asymétriques plus complexes composés de dioxyde de carbone et de paraffines, au voisinage du point critique du dioxyde de carbone. Ces études ont permis d’une part, d’enrichir les bases de données existantes en fournissant des données expérimentales précises sur la densité, la vitesse du son et leurs dérivés (compressibilités isothermique et isentropique), ainsi que les propriétés volumétriques et acoustiques d’excès. D’autre part, les résultats obtenus ont mis en exergue un comportement fortement non-idéal dans ce type de système. Cette forte non-idéalité résulte de la formation de « clusters » de molécules de solvant (CO2) autour des molécules de soluté (paraffines) dans les conditions proches du point critique du CO2. De plus, à l’aide des simulations moléculaires, des informations à l’échelle microscopique ont été apportées, permettant ainsi d'expliquer les observations macroscopiques et ouvrant la voie à de nouvelles approches pour la modélisation de ces systèmes.