Fundamental study of wax deposition under real flow conditions

par Felipe Pereira Fleming

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Luis Fernando Alzuguir Azevedo et de Jean-Luc Daridon.

Le jury était composé de Jean-Luc Daridon.

  • Titre traduit

    Étude fondamentale des dépôts des paraffines dans des conditions réelles d’écoulement


  • Résumé

    Depuis le début des années 1980, des efforts ont été déployés pour modéliser le phénomène complexe de dépôt de cire. Au fil des années, l'évaluation critique des mécanismes de dépôt de cire proposés initialement à travers un solide contexte physique commence à faire place à des algorithmes flexibles qui pourraient être adaptés à différents scénarios expérimentales. Dans une tentative d'étudier le phénomène de manière fondamentale, le travail actuel a proposé une stratégie de recherche qui permettrait d'évaluer chaque partie du modèle complexe de dépôt de cire et de garantir leur démarche dans des conditions optimales. Pour atteindre ce objectif, une nouvelle stratégie d'évaluation des modèles thermodynamiques des équilibre des phases solide-liquide a été développée. Les résultats ont montré que le modèle utilisé était suffisamment robuste pour décrire précisément le comportement de phase solide-liquide des mélanges des mélanges asymétriques aux pressions ordinaires et élevées, ainsi que pour décrire le comportement d’une mélange complexe comme les échantillons de Diesel. Pour assurer la base physique solide des modèles utilisés dans ce travail, la mesure de la conductivité thermique des n-alcanes lourds dans les phases liquides et solides a été réalisée et rapportée pour la première fois. Enfin, un modèle CFD drift flux solide-liquide a été proposé. Couplé à un modèle thermodynamique pour fournir des données sur les équilibres de phase et les propriétés, le modèle a été utilisé pour étudier les résultats expérimentaux disponibles.Le mécanisme de dépôt de cire évalué était celui proposé par Merino-Garcia. Les résultats ont montré un accord qualitatif entre le modèle et les résultats expérimentaux, mais le modèle sous estimait la largeur du dépôt. D'autre part, la conductivité thermique du dépôt correspond à la conductivité thermique expérimentale récemment disponible d'un tel dépôt mesurée dans des conditions d'écoulement réelles. Ce fait renforce les conclusions présentées que le dépôt de cire n'est pas un phénomène de mécanisme unique après tout.


  • Résumé

    Since the early 1980’s, efforts have been directed towards modeling the complex wax depositionphenomenon. Over the years, the critical evaluation of the wax deposition mechanisms proposedinitially through a solid physical background start to make room to flexible codes that could be tunedto different experiment scenarios. In an attempt to investigate the phenomenon in a fundamental way, the current work proposed a research strategy that would evaluate every single part of thecomplex wax deposition model under well-controlled optimal conditions. To achieve such a goal, anew strategy to evaluate solid-liquid thermodynamic models was developed. Results showed thatthe model used was robust enough to precisely describe the solid-liquid phase behavior ofasymmetric model mixtures at both ordinary and high pressures, as well as to describe the behaviorof complex mixture like Diesel fuel samples. To assure the solid physical basis of the models beingemployed in this work, the thermal conductivity measurement of heavy n-alkanes in both liquid andsolid phases was carried out and reported for the first time in the literature. At last, a drift flux solidliquidCFD model was proposed. Coupled with a thermodynamic model to supply the model withphase equilibria and properties data, the model was used to investigate the experimental resultsavailable. The wax deposition mechanism evaluated was the one proposed by Merino-Garcia. Theresults showed that although a qualitative agreement between the model and experimental resultswere obtained, the model underestimated the thickness of the deposit. On the other hand, thethermal conductivity of the deposit matched the recently available experimental data on the thermalconductivity of such a deposit measured under flowing conditions. This fact strengthens thepresented conclusions that wax deposition is not a single mechanism phenomenon after all.


  • Résumé

    Desde o início dos anos 1980, esforços foram direcionados para modelar o fenômeno de deposiçãode parafinas. Ao longo dos anos, a avaliação crítica dos mecanismos da deposição de parafinas vemcedendo espaço ao desenvolvimento de correlações flexíveis capazes de acomodar diferentessituações testadas no laboratório. Numa tentativa de investigar o fenômeno em uma abordagemfundamental, o presente trabalho propôs uma estratégia de pesquisa que envolve avaliar cadapedaço do fenômeno de deposição de parafinas e garantir seus resultados ótimos. Para alcançar talobjetivo, uma nova estratégia para se avaliar modelos termodinâmicos de equilíbrio de fases sólidolíquidofoi desenvolvida. Os resultados mostram que o modelo utilizado é robusto e preciso osuficiente para descrever tais fenômenos para misturas assimétricas em pressões ordinárias e altas,assim como descrever o comportamento de misturas complexas como amostras de óleo Diesel. Paragarantir uma base física sólida dos resultados, a condutividade térmica de n-alcanos pesados forammedidos na fase líquida e na fase sólida e reportados na literatura pela primeira vez. Por fim, ummodelo de escoamento de escorregamento sólido-líquido foi proposto. Acoplado a um modelotermodinâmico capaz de gerar dados de equilíbrio de fases sólido-líquido e propriedades dessasfases, assim como combiná-las em propriedades da mistura, o modelo foi utilizado para descrever osresultados disponíveis. O mecanismo de deposição de parafinas avaliado foi o proposto por Merino-Garcia. Os resultados mostraram que embora houvesse um acordo qualitativo entre os resultadosexperimentais e os simulados, o modelo subestimou a espessura do depósito de parafinas. Por outrolado, o modelo foi capaz de descrever a condutividade térmica do depósito de acordo com os dadosmedidos experimentalmente para um depósito similar. Tal fato reforça as conclusões finais e indicaque a deposição de parafinas parece não ser um fenômeno regido apenas por um mecanismo.


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