Equilibres de phases incluant des phases solides

Enjeux

De nos jours, l’industrie de transformation et des procédés demande une meilleure compréhension des équilibres thermodynamiques solides - fluides :

• Oil & gas engineering: il est indispensable d’éviter la solidification et l’accumulation des impuretés dans les unités travaillant à basse température (turboexpander, demethanizer, deethanizer et nitrogen rejection unit, NRU), voir les figures 1 et 2.
• Upgrading du biogaz par techniques cryogéniques : solidification du CO2.
• Sécurité des procédés : des impuretés peuvent s’accumuler dans les unités de séparation des gaz de l’air, en particulier dans l’unité de production de l’oxygène liquide, et atteindre les limites d’explosivité, avec des conséquences catastrophiques pour la sécurité de l’installation et des opérateurs.

Compétences développées

Des compétences ont été développées dans les domaines expérimental et modélisation (continuation et extension des activités de mesure d’équilibre solide-liquide qui ont débuté au CTP dans l’année 2000) :

• Maitrise de la mesure des propriétés thermodynamiques des mélanges solide-fluide en conditions cryogéniques
• Développement d’une procédure expérimentale pour obtenir des mesures de type P,T,x,y sur la surface d’équilibre solide-liquide-vapeur des mélanges multi-composants
• Développement de modèles thermodynamiques innovants !Développement de méthodes de résolution de l’équilibre des phases

Impacts et persectives

• Impact structurel : développement d’une équipe de recherche
• Impacts scientifiques :

1. projet « Key factors in the design of cryogenic processes for natural gas and biogas purification : positive and negative applications of solid formation » (la recherche d’un partenaire industriel pour le financement du projet est en cours)
2. intégration des modèles thermodynamiques développés dans un simulateur de procédés
3. l’utilisation des diagrammes de phase étendus aux phases solides pour identifier des nouveaux procédés de séparation
4. projet européen « Production of LBG to be used as liquid transport fuel »

• Consolidation des collaborations industrielles : Air Liquide, EReIE, Gas Processors Association, et développement de nouveaux thèmes de collaboration avec ExxonMobil, Linde et Total.
• Développement d’un réseau de partenaire académiques sur cette thématique incluant entre autres le Politecnico de Milan (Italie), Heriot- Watt University (Écosse) et l’Université de Aveiro (Portugal).

Résultats

• Mesures d’équilibre solide-liquide (CH4+nC6H14) et solide- liquide-vapeur (CH4+CO2 et CH4+CO2+H2S) en conditions cryogéniques (avec la manip en figure 3)
• Développement d’un modèle basé sur l’équation d’état proposée par A. Yokozeki [Int. J. Thermophys. 2003, 24, 589-620] dans le cadre de la hèse de Marco Campestrini. Ce modèle permet de représenter les phases solide, liquide et vapeur avec une seule équation d'état pour des mélanges contenant du CO2. (voir figures 4-6 pour le système CH4+CO2)
• Développement d’un algorithme pour la résolution d’équilibres multi-phasiques/multi-composants basé sur la minimisation de l’énergie libre de Gibbs