Calcul de la tension interfaciale de mélanges gaz / eau, gaz / huile et huile / eau par simulation moléculaire

Calculation of the interfacial tension of gas/water, gas/oil and oil/gas mixtures with molecular sumulation.

• Auteur / Autrice : Jean-Claude Neyt
• Direction : Patrice Malfreyt
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie-Physique
• Date : Soutenance le 15/11/2013
• Etablissement(s) : Clermont-Ferrand 2
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences fondamentales (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Institut de Chimie de Clermont-Ferrand (Aubière, Puy-de-Dôme ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : (ICCF) Institut de Chimie de Clermont-Ferrand
• Jury : Président / Présidente : Dominic J. Tildesley
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrice Malfreyt, Vincent Breton, Aziz Ghoufi, Véronique Lachet, Aurélie Wender
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-Marc Simon, Guillaume Maurin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Monte-Carlo, Méthode de

Tension superficielle

Mots clés libres

Tension interfaciale

Simulation moléculaire

Méthodes de Monte Carlo

Dynamique moléculaire

Corps purs

Gaz acides

Mélanges binaires

Adsorption

Mélanges ternaires

Solubilité

Saumures

Polarisabilité

Équilibres liquide / liquide

Surface tension

Molecular simulation

Monte Carlo

Molecular dynamics

Acid gas

Binary mixtures

Adsorption

Ternary mixtures

Brines

Polarizability

Liquid / liquid equilibrium

Résumé

La prédiction de valeurs de tension interfaciale des fluides est capitale dans de nombreuses applications industrielles. Les techniques de simulation moléculaire et l’évolution rapide des moyens de calcul intensif permettent depuis quelques années de prédire des valeurs de tension interfaciale pour des systèmes complexes. Des travaux concernant des équilibres liquide / vapeur des corps purs SO2, O2, N2 et Ar montrent que les modèles choisi pour chaque molécule peuvent influencer la qualité des prédictions de tension interfaciale. Des simulations d’équilibres gaz acide / alcane de type CO2 / n-butane, CO2 / n-décane et H2S / n-pentane ont ensuite été réalisées. Elles ont mis en évidence l’efficacité des méthodes de simulation de type Monte Carlo pour la prédiction des tensions interfaciales pour de tels systèmes. L’étude de systèmes ternaires H2O / N2+CH4 et H2O / CO2+H2S a par ailleurs montré que le recourt à la dynamique moléculaire pouvait faciliter l’équilibration des systèmes simulés, rendant plus efficace la prédiction des tensions interfaciales. L’étude d’équilibres liquide / vapeur de saumures de chlorure de sodium a permis de mettre en évidence l’efficacité de certains potentiels non-polarisables pour la prédiction de l’évolution de la tension interfaciale avec la molarité de sel. Les modèles polarisables de type core-shell choisis ne permettent de prédire ni les masses volumiques, ni les tensions interfaciales. Enfin, l’étude d’équilibres eau / alcane en présence de sel ou de méthanol a montré que les méthodes de dynamique moléculaire permettaient de prédire quantitativement des valeurs de tension interfaciale pour ce type d’interface. L’effet de l’alcool abaissant la tension interfaciale a bien été observé, tout comme son placement préférentiel à l’interface.

The prediction of interfacial tension of fluids is critical for many industrial applications. Advances in molecular simulation, and the recent evolution of supercomputing calculations allow for some years to predict the values of interfacial tension for complex systems. A work involving liquid / vapor equilibrium of pure compounds SO2, O2, N2 and Ar show that the models used can impact the quality of the prediction. Simulations of acid gas / alkane equilibrium such CO2 / n-butane, CO2 / n-decane or H2S / n-pentane were then performed. They have demonstrated the performance of methods of Monte Carlo simulations for the reproduction of interfacial tensions for such system. The study of ternary systems H2O / N2+CH4 and H2O / CO2+H2S has also shown that using molecular dynamics could help the equilibration of the simulated systems. The study of liquid / vapor equilibrias of sodium chloride brines show that certain non-polarizable models perform very well to predict the changes in the interfacial tension with the molarity of salt. The core-shell polarizable models based on the Drude oscillator model chosen did not allow to predict brines densities and the interfacial tensions. Finally, the study of water / alkane equilibria in the presence of salt or methanol showed that the molecular dynamics methods allow to predict quantitatively interfacial tension values for this kinds of interfaces. The effect of alcohol lowering the interfacial tension has been observed : this small surfactant populate the interfacial region at weak concentration.