Propriétés interfaciales de fluides complexes sous haute pression : étude expérimentale et modélisation – InterfaceHP

Les phénomènes physico-chimiques aux interfaces, l'adsorption, le mouillage, les effets de confinement influencent le comportement des propriétés thermophysiques (statiques et dynamiques) et représentent donc un champ d'investigation étendu qui mobilise l'attention de nombreuses unités de recherche. La plupart des travaux, menés dans des conditions thermodynamiques standards, ont permis aujourd'hui de comprendre et valider les aspects fondamentaux de ces phénomènes mais uniquement sur des systèmes modèles. Sur la base de ces connaissances académiques, notre objectif est d'étendre la description de ces mêmes phénomènes au cas de fluides réels et dans des conditions thermodynamiques plus larges (haute pression, haute température). De par notre partenaire industriel, notre étude se portera naturellement sur les effluents pétroliers dans les conditions de gisement. Un intérêt particulier sera porté à la problématique récemment soulevée des réservoirs de gaz à faible perméabilité (Tight Gaz Reservoir) dans lesquels les phénomènes interfaciaux influencent de façon prépondérante les propriétés thermophysiques. - - L'équipe « jeunes chercheurs » de par la complémentarité de ses membres, a pour objectif d'associer de manière originale d'une part deux techniques expérimentales entre elles et d'autre part chacune des techniques à la modélisation afin de décrire les propriétés interfaciales sous haute pression. - Les épaisseurs d'interface, les quantités adsorbées et les chaleurs d'adsorption constituent des informations indispensables à la compréhension et à la description des phénomènes interfaciaux. Un premier objectif du projet est d'être capable de mesurer ces propriétés sous haute pression, ce qui représente une première innovation. Ces mesures originales seront effectuées à l'aide d'une technique calorimétrique pour les quantités adsorbées et les chaleurs d'adsorption et d'une technique optique pour les épaisseurs d'interface ainsi que les profils de concentration aux interfaces (ellipsométrie couplée à de l'imagerie 3D). Le couplage des informations obtenues grâce à ces deux techniques permettra de surmonter certaines difficultés amplifiées dans le cas des mesures sous haute pression. En effet, une des principales inconnues dans les mesures calorimétriques sous pression est le volume de la phase adsorbée. Les corrections habituellement proposées pour palier à ce problème trouvent leur limite dans le cas de fluides complexes. L'approche originale que nous proposons pour évaluer cette inconnue est d'utiliser la mesure des épaisseurs d'interfaces effectuée à l'aide du dispositif optique. Dans un premier temps, afin de valider ce couplage original, ces études seront menées, sur des systèmes modèles offrant la possibilité d'une comparaison avec des valeurs issues de la simulation moléculaire. Ces simulations de type Monte Carlo (ensemble grand canonique), seront développées grâce aux collaborations extérieures, initiant par la même une nouvelle thématique au sein du laboratoire. - Du point de vue de la modélisation, la théorie du gradient des interfaces fluides a pu être étendue afin d'estimer correctement les tensions interfaciales fluide/fluide des fluides pétroliers dans les conditions de hautes pression et température. Un premier objectif sera d'intégrer à cette théorie des termes énergétiques spécifiques pour prendre en compte la présence d'un substrat solide afin de décrire les interfaces solide/fluide. Des travaux s'appuyant sur une approche similaire de type Cahn, effectués sur des systèmes simples dans des conditions thermodynamiques standards laissent présager d'une voie prometteuse. L'enjeu sera d'étendre les modèles phénoménologiques habituellement utilisés pour ces systèmes modèles aux cas plus complexes de nos études. En particulier, l'extrapolation aux mélanges multiconstituants, sous haute pression, n'a pas encore été élucidée. Pour répondre à cet objectif, la possibilité qui nous sera offerte de mener des ca..