Mécanismes de formation et dissociation d’hydrates de cyclopentane

Mechanisms of formation and dissociation of cyclopentane hydrates

• Auteur / Autrice : Maria Lourdes Martinez de Baños
• Direction : Daniel Broseta
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physico-Chimie
• Date : Soutenance le 13/11/2015
• Etablissement(s) : Pau
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences exactes et leurs applications (Pau, Pyrénées Atlantiques ; 1995-)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microfluidique

Hydrates de gaz naturel

Cristallisation

Émulsions

Mots clés libres

Hydrate de cyclopentane

Millifluidique

Effet mémoire

Émulsion

Cristallisation sous-refroidissement

Surface hydrophile

Halo

Processus de percol

Cyclopentane hydrate

Millifluidics

Memory effect

Emulsion

Crystallization

Subcooling

Hydrophilic surface

Halo

Percolation-type process

Résumé

Les mécanismes de formation et dissociation d’hydrates de cyclopentane (CP), qui forment á pression ambiante et á des températures entre 0ºC et 7ºC, ont été observés dans/sur/proche des gouttes d’eau immergées dans du CP á des échelles qui vont du micron jusqu’au millimètre. Plusieurs techniques d’observation ont été utilisées, telles que la macrophotographie et la microscopie optique en champ clair, par contraste interférentiel différentiel (CID), par fluorescence et par réflectance confocale. Des substrats hydrophiles et hydrophobes ont été utilisés. Dans une première série d’expériences, un procédé millifluidique simple a été mis au point. Il permet de générer, stocker et surveiller simultanément une centaine de gouttelettes de même volume (de l’ordre de μl), régulièrement espacées. Elles sont séparées par la phase ‘invité’ (CP) dans un tuyau en polymère fluoré (PFA) transparent. Chacune d’elles se comporte comme un réacteur indépendant. Une vision sur l’effet mémoire est obtenue en menant des mesures statistiques sur la nucléation des hydrates quand les gouttes d’eau sont refroidies au-dessous de 7°C. Cette méthode permet aussi de visualiser des événements dans des gouttes individuelles, tels que la naissance et la croissance de l’hydrate (surtout lorsqu’un additive tel qu’un inhibiteur est rajouté dans l’eau), ainsi que la formation d’une émulsion de CP dans l’eau pendant la dissociation de l’hydrate. Dans une deuxième série d’expériences, une seule goutte d’eau est posée ou pendue d’un substrat en verre et immergée dans du CP. Elle est observée par microscopie sous des séquences différentes de refroidissement – échauffement. Il a été observé que la cristallisation d’hydrates dépend fortement du sous-refroidissement. Deux nouveaux phénomènes ont été observés:(i) la propagation d’un « halo » d’hydrate le long de l’interface verre/CP depuis la ligne de contact de la goutte d’eau.(ii) cristallisation de l’hydrate dans une émulsion 2D de CP dans l’eau.Les deux types d’outils développés dans cette thèse ouvrent des nouvelles perspectives pour élucider les mécanismes de formation et dissociation d’hydrates en présence d’additives (promoteurs et inhibiteurs) et en présence d’un substrat minéral. Les applications comprennent les hydrates dans des environnements sédimentaires, séparation de gaz, etc.

The mechanisms of formation and dissociation of cyclopentane (CP) hydrates, which form at ambient pressure and temperatures between 0°C and 7°C, have been observed in/on/near water drops immersed in CP at scales ranging from a few nanometers to the millimeter by a variety of techniques including macrophotography and optical microscopy under various modes: bright field, differential interference contrast (DIC), fluorescence and confocal reflectance. The substrates used are either hydrophobic or hydrophilic. In a first series of experiments, a simple millifluidic method is implemented. It allows to generate, store and monitor at the same time almost a hundred of regularly-spaced water droplets of equal volume (in the µl range) separated by the guest (CP) phase in a transparent fluorinated polymeric (PFA) (hydrophobic) tubing, each droplet behaving as an independent reactor for hydrate crystallization. Insights into the ‘memory effect’ are gained by measuring the statistics of hydrate nucleation events in these reactors when chilling below 7°C the water drops. The method also allows the visualization of single-drop events such as hydrate birth and growth, and the formation of a CP-in-water emulsion upon hydrate melting, especially when an additive such as an inhibitor is added to the water. In a second series of experiments, a single water droplet in CP, either sitting or hanging from a glass substrate, is observed by microscopy under various cooling and heating sequences. Hydrate crystallization (nucleation and growth) is observed to strongly depend on subcooling at the water drop/CP interface. Two novel phenomena are visualized in detail:(i) the propagation, from the contact line of the water drop, of a hydrate halo along the glass/CP interface. (ii) hydrate crystallization in a two-dimensional CP-in-water emulsion.The two types of tools developed in this thesis open new perspectives for elucidating the mechanisms of hydrate formation and dissociation in presence of additives (promoters and inhibitors) and in the presence of a mineral substrate. Applications include hydrates in sedimentary environments, flow assurance, gas separation, etc.