Approche multi-échelle de l'interaction des biocarburants avec les surfaces métalliques des circuits carburants des transports terrestres et aéronautiques

par Claudia Cantarelli

Projet de thèse en Physico-chimie

Sous la direction de Dominique Costa.

Thèses en préparation à Paris Sciences et Lettres , dans le cadre de Chimie Physique et Chimie Analytique de Paris-Centre , en partenariat avec Institut de Recherche de Chimie Paris (laboratoire) , Physico-Chimie des Surfaces (PCS) (equipe de recherche) et de Chimie ParisTech / École Nationale Supérieure de Chimie de Paris (ENSCP) (établissement de préparation de la thèse) depuis le 05-11-2018 .


  • Résumé

    La thèse proposée vise la compréhension des phénomènes de stabilité à l'oxydation des biocarburants afin d'éviter et/ou prévoir l'apparition de dépôts et vernis sur des surfaces métalliques en contact avec le carburant. La formation de dépôts/vernis dans les circuits carburants peut dégrader les performances des automobiles et aéronefs. La compréhension et la prédiction de l'encrassement en fonction de la chimie du carburant, des conditions opératoires et la compatibilité matériaux est fondamentale pour éviter les dysfonctionnements subis par les industriels. Les données expérimentales montrent la formation d'agrégats hydrocarbonés dans les biocarburants qui ont subi l'oxydation. Ainsi, modélisation des agrégats en phase liquide sera réalisée suivi de la modélisation moléculaire avec une méthode atomistique basée sur les champs de force réactifs. Les mécanismes potentiels pour la germination des agrégats type dimères de molécules modèles, ainsi que la croissance/adsorption du film à la paroi métallique seront étudiés. Le modèle doit prendre en compte l'impact de la proximité de la paroi sur l'évolution des dépôts. Une étape importante de l'étude sera la modélisation de la formation des dépôts i.e. adsorption des agrégats sur des parois métalliques d'acier et d'acier inoxydable. Afin de démêler efficacement les mécanismes d'adsorption physico-chimiques à partir de la phase liquide et leur rôle sur la paroi, une approche multi-échelle sera adoptée, basée sur des calculs de structure électronique (DFT). Les propriétés de transport dans la phase fluide seront étudiées, ce qui permet de décrire finement la dynamique des molécules dans la couche limite paroi/liquide. La thèse se fondera donc sur la base de données expérimentales ainsi que sur des modèles d'adsorption. Ce sujet à l'interface entre des verrous scientifiques pointus et des problématiques concrètes de l'industrie constituera un point fort pour la formation du doctorant.

  • Titre traduit

    Multi-scale approach of biofuels interaction with metallic surfaces of aviation and cars engines


  • Résumé

    Fouling phenomena and deposit formations have been widely studied in the literature, since the inception of diesel engines. Fuel injection system failures has soared, becoming more frequent the last decades, which has raised the industrial interest to understand the main routes leading to its appearance. Advances in injection systems with operating conditions at high pressures, high temperatures, combined with the introduction of new fuel formulations have been pointed out as one of possible causes of deposit formation. Studies at IFPEN and in the literature have shown that the formation of hydrocarbons aggregates leading to deposit formation may start in the fuel liquid phase by thermal and oxidation processes. The aim of this work is to model the formation of oxidation precursors in the liquid phase: aggregation and adsorption on metallic surfaces that are most frequently used in the industrial design of fuel circuit systems. A multiscale molecular modeling based on ab initio and empirical atomistic simulation using a reactive force field is to be used to explore the potential chemical mechanisms and macrokinetic parameters linked to aggregates seed as dimers in liquid phase. The model must take into account the evolution of size distribution of aggregates and deposits formed. An important step of the work will be to identify the different physical-chemical adsorption mechanisms as a function of the surrogate, operation conditions, circuit design, and its impact over the surface properties of the different materials (reactivity, corrosion, permeability, etc). The work will be supported by experimental data available at IFPEN, as well as growing and adsorption models. Also, in order to validate the model developed during the thesis, a large range of experimental apparatus is available at IFPEN. This thesis subject is placed on the interface between actual scientific and industrial interests which is a strong point for the PhD student formation.