Développement d'une méthode de contributions de groupes pour le calcul du coefficient d'interaction binaire de l'équation d'état de Peng-Robinson et mesures d'équilibres liquide-vapeur de systèmes contenant du CO2, Agroup contribution method to calculate the binary interaction parmeter of the Peng-Robinson equation of state and vapor-liquid equilibria measurements for systems containing CO2

Stéphane Vitu

Description

Sous la direction de Danièle Barth
Thèse soutenue le 06 novembre 2007: INPL
Nous avons développé une méthode de contributions de groupes permettant d'estimer, en fonction de la température, le coefficient d'interaction binaire (kij) de l'équation d'état de Peng Robinson. Notre approche rend cette équation d'état prédictive. Douze groupes sont définis et il est possible d'estimer les kij pour n'importe quel mélange renfermant des alcanes, des aromatiques, des naphtènes et du CO2. Les diagrammes de phase et lieux des points critiques des systèmes binaires sont bien prédits par le modèle baptisé PPR78 (Predictive 1978, Peng Robinson equation of state). Ce modèle permet également de traiter efficacement les mélanges multiconstituants comme les pétroles bruts et les gaz naturels. A l'aide d'une cellule haute pression, des mesures d'équilibres liquide - vapeur ont été réalisées pour la première fois sur deux systèmes binaires : CO2 méthylcyclopentane et CO2 isopropylcyclohexane. Des mesures ont également été faites sur un mélange renfermant du CO2 et cinq hydrocarbures
-Equation d'état
-Equilibre liquide-vapeur
-Modèle prédictif
-Méthode de contributions de groupes
-Coefficient d'interaction binaire
-Lieu de points critiques
-Cellule haute pression
A group contribution method allowing the estimation of the temperature dependent binary interaction parameter (kij) for the Peng Robinson equation of state is proposed. Doing so, a new predictive thermodynamic model is born. Twelve groups are defined and it is now possible to estimate the kij for any mixture containing alkanes, aromatics, naphthenes and CO2, whatever the temperature. The model, called PPR78 (Predictive 1978, Peng Robinson equation of state), gives a good description of the phase diagrams and critical locus of binary systems. This predictive model can be successfully employed for the simulation of many mixtures such as natural gases and petroleum fluids. Using a high pressure visual cell, vapor liquid equilibria measurements were made for two binary systems: CO2 methylcyclopentane and CO2 isopropylcyclohexane. For these two systems, no literature data were available. Finally, we measured bubble and dew points on a five component hydrocarbon mixture in the presence of CO2
-Equation of state
-Vapor-liquid equilibrium
-Predictive model
-Group contribution method
-Binary interaction parameter
-Critical locus
-High pressure cell
Source: http://www.theses.fr/2007INPL080N/document

Sujets

• Équation d'état

Informations

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• Poids de l'ouvrage: 3 Mo

Extrait

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___________________________________________________________________
INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE
ÉCOLENATIONALESUPERIEUREDESINDUSTRIESCHIMIQUES
ÉCOLEDOCTORALERP2E
LABORATOIREDETHERMODYNAMIQUEDESMILIEUXPOLYPHASÉS
THÈSE
Présentéepar
Stéphane VITU
Ingénieur des Techniques de l’Industrie – ENSIC
Pourobtenirlegradede
DocteurenSciences
del’InstitutNationalPolytechniquedeLorraine
SpécialitéGéniedesProcédésetdesProduits
__________________________________________________________________________________________
Développement d’une méthode de contributions de groupes pour le calcul
du coefficient d’interaction binaire de l’équation d’état de Peng–Robinson
et mesures d’équilibres liquide – vapeur de systèmes contenant du CO2
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Soutenuepubliquementle06novembre2007devantlacommissiond’examen:
Président: JacquesPIRONON
Rapporteurs: Jean5LucDARIDON
EvelyneNEAU
Examinateurs: DanielleBARTH
OlivierBAUDOUIN
Jean5NoëlJAUBERT
FrançoisMONTEL
PascalMOUGIN_____________________________________________________________________________________________________
REMERCIEMENTS
Ce travail a été réalisé au sein du Laboratoire de Thermodynamique des
Milieux Polyphasés (LTMP) de l’Ecole Nationale Supérieure des Industries
Chimiques (ENSIC), à Nancy.
Tout d’abord, un remerciement particulier à Messieurs les Professeurs Michel
Dirand et Roland Solimando, successivement Directeurs du LTMP, pour m’avoir
intégré dans leur laboratoire de recherche.
Que ma Directrice de thèse, Madame le Professeur Danielle Barth trouve ici
l’expression de ma profonde reconnaissance pour la confiance qu’elle m’a accordée
et pour les précieux conseils qu’elle n’a cessé de me prodiguer.
J’adresse mes plus vifs remerciements à Monsieur le Professeur Jean-Noël
Jaubert sans qui ce travail n’aurait pas vu le jour. Qu’il veuille bien trouver ici le
témoignage de mon admiration pour ses compétences scientifiques et ses qualités
pédagogiques. La disponibilité dont il a fait preuve durant ces trois années a été sans
limites.
Mes sincères remerciements vont également à Monsieur le Professeur Jean-
Luc Daridon, à la fois pour avoir accepté de juger ce travail en tant que rapporteur,
mais aussi pour m’avoir accueilli durant deux mois à Pau, au sein de son équipe de
recherche du Laboratoire des Fluides Complexes. Les mesures expérimentales
décrites dans ce mémoire ont toutes été réalisées dans son laboratoire avec l’aide
de Jérôme Pauly que je remercie également chaleureusement.
Je tiens à remercier particulièrement Madame le Professeur Evelyne Neau pour
avoir accepté de juger ce travail en tant que rapporteur. Sa présence dans le jury
m’honore.
Je veux adresser tous mes remerciements à Monsieur Jacques Pironon,
Directeur de Recherche au CNRS, d’avoir accepté de présider cette commission
d’examen.
Monsieur François Montel, Responsable de la Thermodynamique au sein de la
compagnie TOTAL, m’a fait l’honneur d’être examinateur lors de la soutenance de
cette thèse, je l’en remercie profondément. Qu’il soit également remercié pour les
moyens financiers mis à disposition pour la réalisation de ce travail.
Que Monsieur Olivier Baudouin, Directeur Procédés au sein de la société
ProSim, trouve ici l’expression de ma gratitude pour sa participation au jury. Nous
nous sommes rencontrés à plusieurs reprises et Monsieur Baudouin a toujours
manifesté un grand interêt pour le travail développé au cours de cette thèse. Qu’il
soit assuré de toute mon amitié.
Monsieur Pascal Mougin, Ingénieur de Recherche en chef à l’Institut Français
du Pétrole, a accepté de juger ce travail. Je lui en suis très reconnaissant._____________________________________________________________________________________________________
Merci à Fabrice Mutelet, Maître de conférences au LTMP, et à Romain Privat,
doctorant, pour l’aide apportée concernant la constitution des bases de données,
l’ajustement des paramètres et le tracé de certains lieux des points critiques
"délicats".
Je tiens aussi à remercier chaleureusement l’ensemble du personnel du LTMP.
Qu’ils trouvent ici le témoignage de ma profonde sympathie et de ma gratitude pour
leur gentillesse et l’aide qu’ils m’ont apportée.
Monsieur Michel Montangerand, enseignant de Physique-Chimie au lycée
européen de Villers-Cotterêts, a su éveiller ma curiosité scientifique. Enseignant
dévoué, passionné par son métier, qu’il soit ici remercié.
Merci enfin à mes amis et à toute ma famille, en particulier Maud, pour m’avoir
aidé et supporté (dans tous les sens du terme).g
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Table des matières
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TABLE DES MATIERES
INTRODUCTION 5
I. BIBLIOGRAPHIE ET NOTIONS THÉORIQUES 7
I.A. GÉNÉRALITÉS SUR LES ÉQUILIBRES LIQUIDE – VAPEUR 8
I.A.1. Variance et règle des phases 8
I.A.2. Conditions d’équilibre liquide – vapeur 8
I.A.2.a. Approche ouapprochehétérogène 9
I.A.2.b. Approche ouapprochehomogène 9
I.A.3. Définitions relatives aux équilibres liquide – vapeur 10
I.A.3.a. Diagrammeisothermeetdiagrammeisobare 10
I.A.3.b. Pointdebulleetpointderosée 12
I.A.3.c. Pointcritiqueetlieudespointscritiques 12
I.A.3.d. Condensationrétrogradeetvaporisationrétrograde 13
I.A.3.e. Azéotropie 15
I.B. EQUATIONS D’ÉTAT CUBIQUES ET RÈGLES DE MÉLANGE 18
I.B.1. La théorie de Van der Waals 18
I.B.2. Soave–Redlich–Kwong et Peng–Robinson 19
I.B.2.a. L’équationd’étatdeRedlichetKwong(1949) 19
I.B.2.b. LamodificationdeSoave(1972) 20
I.B.2.c. L’équationd’étatdePengetRobinson(1976) 21
I.B.2.d. L’extensionde1978 21
I.B.2.e. L’équationcubiquegénéralecorrigée 22
I.B.3. Règles de mélange 23
I.B.3.a. Lesrèglesdemélangeclassiques 23
I.B.3.b. Règlesdemélangenonaléatoires 24
I.B.3.c. Equationd’état/modèled’énergiedeGibbsd’excès 24
I.C. LE PARAMÈTRE D’INTERACTION BINAIRE 26
I.C.1. Corrélations applicables à des mélanges spécifiques 26
I.C.1.a. Mélangesd’hydrocarbures 27
I.C.1.b. Mélangescontenantdudioxydedecarbone 28
I.C.1.c. MélangescontenantN ouH S 292 2
I.C.2. Corrélations plus générales 29
I.D. LES MÉTHODES DE CONTRIBUTIONS DE GROUPES 32
I.D.1. Application aux corps purs 32
I.D.2. Application aux mélanges 33
I.E. CLASSIFICATION DES DIAGRAMMES DE PHASE 35
I.E.1. Lieu des points critiques continu entre les corps purs 35
I.E.2. Lieu des points critiques discontinu entre les corps purs 36
II. DESCRIPTION DU MODELE PPR78 39
II.A. LES TRAVAUX DE PÉNELOUX [37-39] 40
II.B. LE MODÈLE PPR78 42
II.B.1. Rappel de l’équation d’état et des règles de mélange 42
II.B.2. Expression du coefficient d’interaction binaire k (T) 43ij
II.C. MISE EN ŒUVRE DE LA MÉTHODE DE CONTRIBUTIONS DE GROUPES 45
II.C.1. Groupes élémentaires et interactions entre groupes 45
II.C.1.a. DéfinitiondesgroupesdumodèlePPR78 45
II.C.1.b. Lesparamètresd’interactiondegroupes 47
II.C.2. Constitution des bases de données 49
II.C.2.a. Lescorpspursprésentsdanslesbasesdedonnées 49
II.C.2.b. Systèmesbinairesrencontrésdurantl’étude 50
1Table des matières
_____________________________________________________________________________________________________
II.C.3. Définition de la fonction objectif 52
III. RESULTATS OBTENUS : SYSTÈMES BINAIRES