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Thèse Année : 2023

Elements on the effects of viscosity on flotation mechanisms

Éléments sur les effets de la viscosité sur les mécanismes de flottation

Maxence Cahlik
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1375491
  • IdRef : 27708699X

Résumé

To increase oil production, polymers that modify the rheology of the water used for extraction are added before it is injected. These polymers, in this case HPAM, increase viscosity and promote extraction, but also cause problems for emulsion separation at the end of the extraction water treatment chain, particularly for separation by flotation.The aim of this work is to understand the impact of HPAM on flotation. It combines an experimental approach with modelling and simulation methods.The preliminary experimental study shows that, in the industrial concentration range considered, HPAM modifies the viscosity, but does not change the surface tension of the aqueous medium. The viscosity is constant over the range of stress variations imposed, either by the fluid flowing through the flotation device, or by the passage of a bubble. The fluid is therefore Newtonian. Using a new experimental flotation pilot, we have developed the method for producing a reproducible emulsion for its feed. We have shown that the presence of polymer tends to reduce the size of the oil droplets produced and, conversely, to increase the size of the bubbles. This influence on these two parameters already provides a macroscopic explanation for the observed drop in the efficiency of industrial flotation devices when HPAM is present in the water. The pilot set up to study flotation showed a number of limitations when it came to measuring these efficiency losses, due to the very low oil content of the medium to be treated, making it difficult to measure concentration using the metrologies tested. However, ways of accessing this oil content were tested and several alternative solutions were identified.The numerical study consists of evaluating the effect of viscosity on the microscopic flotation mechanisms leading to the capture of particles (here oil droplets) by rising bubbles. In a first approach, the capture model of Nguyen (1998) (hydrodynamic collision between the particle and the surface of the bubble followed by attachment by drainage of the interstitial film under the effect of short-range forces) made it possible to identify that, at the local scale, the impact of HPAM through viscosity depends mainly on the size of the droplets and bubbles. We have shown that bubble capture efficiency decreases with increasing viscosity for millimeter-sized bubbles, whereas with bubbles of a few tens of microns, viscosity has almost no effect. In order to maintain a purely numerical resolution, this preliminary study was executed using several additional hypotheses to the existing model, some of whose internal parameters would have to be calibrated experimentally.In a second approach, a new model returning to the very definition of attachment efficiency was proposed in order to limit these additional hypotheses. This method showed that a parameter critical to the calculation of this efficiency, the initial thickness of the liquid film at the start of the attachment stage, is impossible to define properly without experimental input. This led us to question the traditional way of modelling capture efficiency by decoupling the collision and attachment stages. This is why, in a third approach, we attempted to deconstruct this model by returning to a calculation of the approach trajectory of the drop towards the surface of the bubble. This method, used first by Sarrot (2006) and Huang (2009) to model the collision, was modified by adding the short-range forces active in the attachment stage (surface forces and force opposing drainage of the liquid film). The evolution of these forces and those due to hydrodynamic interactions along the trajectory, and their sensitivity to viscosity, tend to confirm the conclusions reached with Nguyen's model. However, in its current state of modelling, the force opposing drainage is of too great a magnitude to achieve capture. Other forces in addition to those used need to be considered in order to finalise this capture model.
Pour augmenter la production de pétrole des puits existants, des polymères modifiant la rhéologie de l’eau d’extraction sont ajoutés avant son injection. Ces polymères, ici le HPAM, augmentent la viscosité, favorisent l’extraction, mais compliquent la séparation des émulsions en fin de chaîne de traitement de l’eau, notamment sur la séparation par flottation.Ce travail a pour objectif de comprendre l’impact qu’a le HPAM sur la flottation. Il combine des approches expérimentales, de modélisation et de simulations.D’après l’étude expérimentale préliminaire dans la gamme industrielle de concentration considérée, le HPAM modifie la viscosité, mais ne change pas la tension de surface du milieu aqueux. La viscosité est constante sur la plage de variations des contraintes imposées, soit par l’écoulement du fluide dans le flottateur, soit par le passage d’une bulle. Le fluide est donc newtonien. A l’aide d’un nouveau pilote expérimental, une méthode pour réaliser une émulsion reproductible pour son utilisation a été validée. Ainsi, la présence de polymère tend à diminuer la taille des gouttes d’huile produites, et, à l’inverse, à augmenter la taille des bulles. L’influence sur ces deux paramètres explique déjà macroscopiquement la chute d’efficacité observée des flottateurs industriels quand du HPAM est présent dans l’eau. Ce pilote a montré plusieurs limitations pour la mesure de ces pertes d’efficacité dues aux très faibles teneurs en huile du milieu à traiter rendant délicates les mesures de concentration. Cependant, des pistes pour accéder à cette teneur en huile ont été testées et des solutions alternatives ont été identifiées.L’étude numérique évalue l’effet de la viscosité sur les mécanismes microscopiques de flottation conduisant à la capture de particules (ici des gouttes d’huile) par des bulles en ascension. Dans un premier temps, le modèle de capture de Nguyen (1998) (collision hydrodynamique entre la particule et la surface de la bulle suivie de l’attachement par drainage du film interstitiel sous l’effet des forces à courte distance) a permis d’identifier qu’à l’échelle locale, l’impact du HPAM à travers la viscosité dépend surtout de la taille des gouttes et des bulles. Nous avons montré que l’efficacité de capture d’une bulle décroît avec l’augmentation de la viscosité p our des bulles millimétriques, alors qu’avec des bulles de quelques dizaines de microns, la viscosité n’a presque pas d’effet. Pour garder une résolution numérique, cette étude préliminaire a été menée avec des hypothèses additionnelles au modèle existant dont certains paramètres doivent être calées expérimentalement.Dans un second temps, un nouveau modèle retournant à la définition même de l’efficacité d’attachement a été proposé afin de limiter ces hypothèses additionnelles. Toutefois, un paramètre critique au calcul de cette efficacité, l’épaisseur initiale du film liquide au début de l’étape d’attachement, est impossible à définir proprement sans expérimentations. La méthode traditionnelle de modélisation de l’efficacité de capture par découplage des étapes de collision et d’attachement est donc remise en cause. Dans un troisième temps, nous avons tenté de déconstruire ce modèle en retournant à un calcul de trajectoire d’approche de la goutte vers la surface de la bulle. Cette méthode utilisée par Sarrot (2006) puis Huang (2009) pour modéliser la collision a été complétée avec les forces à courte portée actives dans l’étape d’attachement (forces de Van der Waals, électrostatique et s’opposant au drainage du film liquide). L’évolution de ces forces et de celles dues aux interactions hydrodynamiques le long de la trajectoire, et leur sensibilité à la viscosité, tendent à confirmer les conclusions du modèle de Nguyen. Cependant, dans l’état actuel de sa modélisation, la force s’opposant au drainage possède une magnitude trop élevée pour permettre la capture. De nouvelles forces doivent être considérées pour finaliser ce modèle de capture.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04548456 , version 1 (16-04-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04548456 , version 1

Citer

Maxence Cahlik. Elements on the effects of viscosity on flotation mechanisms. Chemical and Process Engineering. INSA de Toulouse, 2023. English. ⟨NNT : 2023ISAT0050⟩. ⟨tel-04548456⟩
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