Génération mécanique des émulsions

Abstract

Les émulsions sont des systèmes complexes très fréquemment rencontrés dans notre vie quotidienne et dans la plupart des secteurs industriels, dont l'industrie pétrolière. La compréhension des mécanismes de formation des émulsions est essentielle pour assurer la maîtrise de leur fabrication ou de leur traitement. Cet article fait une synthèse des principaux phénomènes qui entrent en jeu lors de la formation d'une émulsion. La rupture des gouttelettes en écoulement laminaire ou turbulent est discutée et des corrélations permettant de prédire le diamètre des gouttelettes formées sont données. On présente également le rôle des tensioactifs ainsi que les échelles de temps caractéristiques des différents processus impliqués. Le cas des émulsions pétrolières obtenues en production est étudié plus particulièrement. Abstract-Mechanical Formation of Emulsions-Emulsions are complicated systems which are very usually encountered in our everyday life, as well as in most industries, including the petroleum industry. Comprehension of the mechanisms of emulsion formation is essential in order to control their making or their treatment. This paper is a synthesis of the main phenomena that occur during the formation of an emulsion. Droplet break-up in laminar and turbulent flow is discussed and some correlations are given, that allow the prediction of the droplet diameter. The role of surfactants is also presented, as well as the characteristic time scales of the different processes occurring. The case of petroleum emulsions obtained during oil production is particularly studied. NOMENCLATURE a accélération (m·s-2) ou constante A aire (m 2) B plus petite dimension d'une goutte déformée (m) C constante C o coefficient d'orifice D déformation relative (m) D c diamètre de la conduite (m) D o diamètre de l'orifice (m) d diamètre d'une goutte (m) d 32 diamètre de Sauter (m) d 95 diamètre maximal pour 95% de la population de gouttes en volume (m) E module de dilatation de surface (N·m-1 = kg·s-2) E f élasticité de Gibbs (N·m-1 = kg·s-2) E v densité d'énergie (J·m-3 = kg·m-1 ·s-2) F fonction F d force de déformation (N = kg·m·s-2) g accélération de la gravité (m·s-2) G gradient de vitesse (s-1) ∆G f énergie libre de formation (N·m = kg·m 2 ·s-2) h épaisseur du film (m) k nombre d'onde = 2 π/λ (m-1) K constante de vitesse (s-1 ou m-3 ·s-1) L plus grande dimension d'une goutte déformée (m) m concentration molaire (mol·m-3) N nombre par unité de volume (m-3) ∆P différence de pression de Laplace (Pa = kg·m-1 ·s-2) p pression (Pa = kg·m-1 ·s-2) q rapport des viscosités η d /η c R rayon de courbure (m) r rayon (m) r cr rayon critique ∆S c variation d'entropie (N·m·K-1 = kg·m 2 ·s-2 ·K-1) t temps (s) T température (K) u vitesse (m·s-1) ∆u vitesse de tourbillon (m·s-1) X diamètre de l'agitateur (m) x taille du tourbillon (m) α amplitude de déformation (m) β facteur de croissance d'instabilité (s-1) ou rapport D o /D c ε densité de puissance (W·m-3 = kg·m-1 ·s-3) φ fraction volumique de la phase dispersée γ tension interfaciale (N·m-1 = kg·s-2) Γ excès de surface (mol·m-2 ou kg·m-2) η viscosité (Pa·s = kg·m-1 ·s-1) η c viscosité de la phase continue (Pa·s = kg·m-1 ·s-1) η d viscosité de la phase dispersée (Pa·s = kg m-1 s-1) λ longueur d'onde (m) ν fréquence (Hz) ou vitesse de révolution (s-1) θ rayon d'une conduite (m) ρ masse volumique (kg·m-3) ρ c masse volumique de la phase continue (kg·m-3) ρ d masse volumique de la phase dispersée (kg·m-3) τ temps caractéristique (s) τ déf temps caractéristique de déformation (s) τ ads temps caractéristique d'adsorption (s) τ col temps caractéristique de collision (s) τ rup temps caractéristique de rupture (s) τ mem temps caractéristique de relaxation (s) ω pulsation (s-1) NOMBRES ADIMENSIONNELS Ca nombre capillaire Re nombre de Reynolds Re g nombre de Reynolds de la goutte We nombre de Weber Oh nombre d'Ohnsorge INTRODUCTION