Méthodologie pour la caractérisation de propriétés thermodynamiques dans des systèmes microfluidiques

Methodology for thermodynamic peoperties characterization in microfluidic devices

• Auteur / Autrice : Théo Gavoille
• Direction : Samuel Marre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés
• Date : Soutenance le 29/10/2019
• Etablissement(s) : Bordeaux en cotutelle avec Institut français du pétrole Énergies nouvelles (Rueil-Malmaison, Hauts-de-Seine)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux (Pessac) - Institut français du pétrole Énergies nouvelles (Rueil-Malmaison, Hauts-de-Seine)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Baptiste Salmon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Samuel Marre, Jean-Baptiste Salmon, Marie-Caroline Jullien, Benoît Scheid, Nicolas Pannacci, Claire Marlière, Ghislain Bergeot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie-Caroline Jullien, Benoît Scheid

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microfluidique

Fluides

Diagrammes de phases

Hautes températures

Hautes pressions

Mots clés libres

Équilibres de phases

Microfluidique HP HT

Propriétés thermophysiques

Expérimentation haut débit

Phase equilibria

HP HT microfluidics

Thermophysical properties

High throughput experimentation

Résumé

Aujourd’hui, les connaissances et l’accès à des données thermodynamiques expérimentales dans des conditions de haute pression et de haute température sont un enjeu majeur dans l’industrie. Connaitre et anticiper le comportement d’un fluide concernant son état, sa viscosité ou encore sa densité est crucial par exemple dans le secteur de l’extraction pétrolière ou dans les procédés de transformation de la matière (raffinage, séparation, conversion,…).Ce travail de thèse s’inscrit dans cette problématique avec la volonté de développer des outils pour l’expérimentation haut débit permettant l’acquisition rapide de données expérimentales dans un souci d’améliorer la précision, la sécurité des opérateurs et l’impact environnemental en utilisant de faibles quantités de produits.Dans ce contexte, un banc expérimental microfluidique et des méthodologies ont été développés pour la construction de diagrammes de phases de mélanges de fluides. L’approche expérimentale est basée sur la détection optique du point de bulle et du point de rosée en condition de haute pression et de haute température (jusqu’à 100 bar et 350 °C). Nous présentons également les résultats obtenus avec des puces microfluidiques silicium-Pyrex, sur des systèmes idéaux (CO2 + pentane, CO2 + MEG) et non idéaux (eau + n-propanol). Les travaux ont permis de mettre en évidence les avantages et les limitations actuelles des approches microfluidiques pour la caractérisation des équilibres de phases. Mis en comparaison avec lesdonnées expérimentales de la littérature et avec les données issues de modèles thermodynamiques, ce travail de thèse est un premier pas vers le développement de méthodologies adaptées à des systèmes plus complexes pour des applications notamment dans le domaine de l’énergie.

Today, knowledge and access to experimental thermodynamic data under high pressure and high temperature conditions is a major challenge in the industry. Being aware of and anticipating the behavior of a fluid regarding its state, viscosity or density is crucial in the oil extraction sector or in substance transformation processes (refining, separation, conversion, ...),for example. This thesis work is part of this problematic with the desire to develop tools for high throughput experimentation allowing the rapid acquisition of experimental data in order to improve the accuracy, operator safety and environmental impact by using small quantities of products. In this context, a microfluidic experimental set-up has been developed, as long as experimental methodologies for the construction of phase diagrams of fluid mixtures. The experimental approach is based on the optical detection of bubble points and dew points under high pressure and high temperature conditions (up to 100 bar and 350 °C). We also present the results obtained with silicon-Pyrex microfluidic chips, on ideal systems (CO2 + pentane, CO2 + MEG) and non-ideal systems (water + n-propanol). This research work highlighted the current advantages and limitations of microfluidic approaches for characterizing phase equilibria. In comparison with experimental data from the literature and data from thermodynamic models, this thesis work is a first step towards the development of methodologies adapted to more complex systems for applications in the field of energy, in particular.