Direction Chimie et physico-chimie appliquées

La Direction Chimie et physico-chimie appliquées comprend 4 départements :

Thermodynamique et modélisation moléculaire

Les travaux du département concernent principalement les propriétés thermodynamiques des fluides, les phénomènes d'adsorption et les propriétés de transport, ainsi que la modélisation moléculaire.
 

• Propriétés thermodynamiques des fluides

Les travaux expérimentaux ont trait aux équilibres de phase (liquide-vapeur, liquide-liquide) et aux propriétés volumétriques de fluides complexes comprenant des hydrocarbures gazeux ou liquides, des gaz acides, de l'eau ou des sels, dans un domaine de pressions allant jusqu'à 150 MPa et un domaine de température allant de -100 à +200 °C.
Les modèles thermodynamiques classiques (équations d'état, modèles d'énergie libre d'excès) et les modèles plus récents (SAFT et CPA) sont utilisés, ou développés, en fonction des besoins, pour calculer et prédire le comportement de ces mélanges.
 

• Phénomènes d'adsorption

Les équilibres d'adsorption en présence de mélanges constituent une part importante de l'activité du département, que ce soit en phase gazeuse à faible pression ou en phase liquide. Des équipements particuliers ont été mis au point pour quantifier l'adsorption.
 

• Propriétés de transport

La mesure et la modélisation des propriétés de transport des fluides pétroliers sous haute pression sont aussi un enjeu majeur. Les propriétés étudiées expérimentalement sont principalement la viscosité des gaz et des liquides, le coefficient de Joule-Thomson et les coefficients de diffusion. Leur modélisation par des méthodes adaptées (états correspondants, équations d'état) est aussi abordée.

Cellule d'équilibre Liquide-Liquide

• Modélisation moléculaire

La modélisation moléculaire est de plus en plus utilisée. Elle offre de nombreuses possibilités d'innovation dans le domaine de la thermodynamique des fluides complexes (huiles, biocarburants), catalyseurs, etc.
Dans le domaine des équilibres liquide-vapeur, elle est utilisée pour calculer les propriétés des constituants lourds, de composés issus de la biomasse, difficilement disponibles, ou bien des mélanges contenant des composés toxiques. Elle permet également de prédire les sélectivités d'adsorption dans les solides microporeux. Le but est d'orienter le choix du solide lors du développement de nouveaux procédés de séparation.
Concernant les propriétés de transport (viscosité, coefficients de diffusion), la modélisation moléculaire permet de calculer ces propriétés pour des corps purs ou des mélanges pour lesquels il est difficile de mener des expérimentations (corps purs non disponibles, toxiques, conditions de pression et de température trop élevées).
Par ailleurs, la chimie quantique est utilisée pour étudier l'activité des catalyseurs de raffinage-pétrochimie, pour identifier de nouveaux solides performants pour le stockage de l'hydrogène et quantifier la réactivité des hydrocarbures. Ces travaux contribuent également à la quantification des phénomènes de genèse thermique des hydrocarbures, qui font la valeur prédictive des méthodes de simulation numérique de l'évolution des bassins sédimentaires, déjà largement utilisées en prospection pétrolière.

Exemple de boîtes de simulation illustrant l'équilibre liquide-vapeur d'un mélange CO₂-Ar à 248 K et 5 MPa. Les molécules de CO₂ sont représentées en rouge et gris par trois centres de force, les molécules d'argon en bleu par un unique centre de force. La boîte de gauche représente la phase vapeur, celle de droite la phase liquide.

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	Oil & Gas Science and Technology - Revue de l'IFP DOSSIER THEMATIQUE : "La production des fluides de gisements en conditions extrêmes" (Les Rencontres Scientifiques de l'IFP) Télécharger gratuitement les articles

	Oil & Gas Science and Technology - Revue de l'IFP DOSSIER THEMATIQUE : "Avancées de la recherche dans la conception rationnelle de catalyseurs et d'adsorbants" (Les Rencontres Scientifiques de l'IFP) Télécharger gratuitement les articles

	Oil & Gas Science and Technology - Revue de l'IFP DOSSIER THEMATIQUE : "Applications de la thermodynamique dans l'industrie pétrolière" Télécharger gratuitement les articles

	Oil & Gas Science and Technology - Revue de l'IFP DOSSIER THEMATIQUE : "Thermodynamics 2007" Télécharger gratuitement les articles

Physico-chimie des fluides complexes

Ce département étudie les systèmes dispersés dont la phase dispersante est liquide (phase aqueuse et phase hydrocarbure) et dont la phase dispersée est soit liquide, soit solide, soit gazeuse. Les domaines d'étude concernent donc les émulsions, les suspensions et les mousses, ou des mélanges complexes de ces différents systèmes.
Les compétences mises en œuvre sont les suivantes :

• synthèse et formulation : additifs et polymères,
• caractérisations physico-chimiques :
  - techniques de diffusion du rayonnement (lumière, rayons X, neutrons en collaboration avec le CEA),
  - microscopie optique,
  - DSC,
  - relaxométrie RMN,
  - micro balance à quartz,
  etc.

• physico-chimie des interfaces : propriétés des interfaces liquide-liquide et solide-liquide, adsorption aux interfaces, etc.,
• rhéologie : lois de comportement des fluides, relations structure/propriétés, etc.
   

• Emulsions

Les émulsions considérées sont à la fois du type eau dans huile et huile dans eau (eaux de production, procédé de transport des hydrates, etc.). Une bonne compréhension du comportement des interfaces et des gouttes isolées ou concentrées dans des écoulements est mise à profit pour élaborer des émulsions stables, lorsqu'il s'agit de transporter des mélanges immiscibles, mais aussi pour déstabiliser les émulsions afin d'en séparer les phases. Ces travaux visent notamment à l'amélioration des performances des procédés de séparation des mélanges immiscibles de type eaux-huiles par exemple.
 

• Suspensions

Les suspensions représentent la majorité des systèmes étudiés. La phase dispersante est, suivant les cas, une phase aqueuse ou une phase hydrocarbure liquide. La phase dispersée solide peut être constituée par des :

• cristaux de paraffine (transport des bruts paraffiniques),
• cristaux d'hydrates (hydrates de méthane ou de CO₂ pour le transport, la séparation ou la production),
• agrégats d'asphaltène,
• particules minérales (argiles, silice, oxydes, etc.) que l'on trouve par exemple dans les dépôts minéraux des eaux de production ou industrielles, ou dans des systèmes tels que les laitiers de ciment ou les suspensions de boehmite pour la fabrication de catalyse

Ciment (phase C-S-H)

Flocs d'asphaltènes

Cristaux d'hydrates

•Additifs

Dans le cadre de ses activités, le département synthétise, évalue les performances et développe des additifs pour la production et le transport des pétroles bruts. Des tensioactifs compatibles avec l'environnement ou des polymères sont étudiés pour optimiser la récupération du pétrole, favoriser la séparation eaux-huiles ou le nettoyage des installations.

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Matériaux

Le département travaille sur la caractérisation des matériaux et la description de leurs comportements dans les environnements pétroliers, gaziers et automobiles. Son objectif est de comprendre et prédire le comportement des matériaux en conditions d'utilisation, en les optimisant et en participant au développement industriel de nouvelles matières ou systèmes.
 

• Comportement des matériaux

Ces travaux ont pour objet d'acquérir une meilleure connaissance du comportement des matériaux en conditions d'utilisations pétrolières ou automobiles. Les études peuvent concerner tous types de matériaux :

• aciers,
• polymères thermoplastiques, thermodurcissables ou élastomères,
• composites,
• allégés,
• bétons et revêtements.

Certaines propriétés sont étudiées dans les conditions simulant les utilisations réelles au moyen d'équipements souvent très spécifiques ou originaux :

• la perméabilité aux liquides (hydrocarbures, biocarburants, eau, etc.) et aux gaz sous pression (CH₄, CO₂, H₂S, H₂, etc.),
• la conductivité thermique,
• la résistance à la corrosion,
• la tenue mécanique,
• la résistance à la fragilisation par H₂S,
• les vieillissements d'une façon générale.

Banc d'essai pour canalisations flexibles offshore et cellules de vieillissement pour matériaux

• Matériaux et Électrochimie

Les travaux en électrochimie visent à décrire et modéliser les matériaux pour anticiper les phénomènes de corrosion, nombreux dans des installations au contact de gaz acides, en présence d'eaux ou de composés oxydants. Ces travaux ont aussi pour objet de tester et décrire finement les performances électriques des batteries ou piles à combustibles permettant de stocker et d'utiliser l'énergie, en particulier au niveau des véhicules hybrides.
 

• Matériaux nouveaux

La formulation et la mise en œuvre de nouveaux matériaux polymères sont étudiées pour évaluer de nouvelles solutions et participer au développement de technologies originales :

• matériaux résistant aux hautes températures et pressions,
• polymères à perméabilité réduite, à sélectivité améliorée, avec charges réactives,
• mousses isolantes et revêtements anticorrosion.

Les traitements de surface des métaux exposés aux phénomènes de corrosion, d'entartrage et aux nouveaux carburants oxygénés sont également étudiés. Pour limiter les dépôts ou la corrosion, les travaux portent sur la caractérisation ou l'élaboration de traitements de surface et sur l'évaluation de l'efficacité des modes de traitements. La recherche d'alliages pour le stockage de l'hydrogène sous forme d'hydrure est également étudiée.
Les matériaux composites ont fait l'objet de nombreux développements pour adapter des formulations de résine, des procédés de fabrication ou des structures aux contraintes spécifiques de profilés, de tubes ou de réservoirs sollicités sous fortes pressions.
Des expertises et qualifications de matériaux sont également réalisées pour diverses sociétés françaises ou étrangères des domaines pétrolier, parapétrolier et automobile.

Gauche: corrosion sous tension d'acier en milieu eau/H₂S / Droite: endommagement d'un polymère par décompression rapide de CO₂

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Biotechnologie

Les activités de ce département reposent sur l'utilisation de micro-organismes et d'enzymes. Il étudie :

• la production de biocarburants et de composés chimiques issus de la biomasse,
• la biodégradation des produits pétroliers ainsi que leur analyse dans les eaux et sols en vue d'une meilleure gestion des sites pollués.
   

• Valorisation de la biomasse

Les travaux actuels concernent certaines étapes-clés de la conversion de matières premières ligno-cellulosiques, telles que le bois ou la paille, en biocarburants (éthanol et acétone-butanol). Pour la filière éthanol, les actions sont principalement ciblées sur le prétraitement de la biomasse et sur l'hydrolyse enzymatique de la cellulose. Un important effort de recherche est consacré à l'amélioration des enzymes mises en jeu et à l'optimisation de leur synthèse par un micro-organisme sélectionné, déjà utilisé dans un procédé industriel original de production d'enzymes développé par le département. Les compétences mises en jeu relèvent de la biologie moléculaire, de la génétique, de la microbiologie, du génie biochimique et de la chimie analytique. Certains aspects sont traités en étroite relation avec la direction Procédés de l'IFP afin d'avoir une approche globale intégrée, de type bioraffinerie, où tous les flux sont optimisés et où la plante entière est considérée.

Cellules bactériennes

Une grande partie des travaux est menée en partenariat. Ainsi, dans le cadre du 6ème PCRD de la Commission européenne, le département coordonne un projet intégré regroupant 21 partenaires, le projet NILE (New Improvements for Lignocellulosic Ethanol) et participe activement au projet Biosynergy en tant que responsable d'un Work Package. Par ailleurs, l'IFP est fortement impliqué dans des projets de l'Agence Nationale de la Recherche (ANR) sur le prétraitement de la biomasse et sur les enzymes d'hydrolyse.
 

• Biodégradation des produits pétroliers

Ces travaux visent à obtenir une meilleure connaissance des mécanismes de la biodégradation :

• des produits pétroliers (essences, kérosène, gazole, etc.),
• des hydrocarbures aromatiques polycycliques de pyrolyse,
• des solvants chlorés,
• des éthers-carburants et de divers additifs pour carburants.

L'objectif est d'être en mesure d'évaluer l'acceptabilité de ces produits vis-à-vis de l'environnement et d'assurer une protection efficace de celui-ci.
L’enjeu consiste à identifier les composés récalcitrants à la biodégradation et à élucider leurs mécanismes de dégradation jusqu'aux niveaux enzymatique et génétique afin de caractériser les limitations à leur disparition. Les connaissances acquises sont mises à profit pour mettre au point des méthodes de caractérisation phylogénique et fonctionnelle de microflores et de biocapteurs dédiés à la détection de molécules ciblées. Ces méthodes sont basées sur des techniques de biologie moléculaire.
Ces connaissances peuvent également être mises à contribution dans le domaine du raffinage, par exemple pour la désulfuration ou la désazotation microbiologique de produits pétroliers, ou dans celui de la production pétrolière pour la corrosion bactérienne.

Culture en boite de Petri

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• Gestion des sites pollués

L'évolution d'un polluant au sein d'un sol ou d'une nappe aquifère est liée à 2 phénomènes principaux : sa migration au sein de la matrice (sol ou eau) et sa dégradation, essentiellement par les microflores indigènes.
Les travaux effectués visent essentiellement à comprendre ces processus afin de prévoir le devenir de la pollution sans intervention extérieure (atténuation naturelle). Outre des méthodologies d'estimation de la biodégradation, le département développe des méthodes originales d'analyse des produits pétroliers (hydrocarbures, éthers-carburants, solvants chlorés) dans les eaux et les sols : appareils Pollut-Eval, détecteur d'hydrocarbures dans les eaux de production, etc.
Par ailleurs, ces travaux sont prolongés par des actions d'expertise sur le terrain (raffineries, sites de stockage, anciens sites gaziers, etc.). Elles permettent de développer des approches et des outils pour l'évaluation de la traitabilité des sites pollués, ainsi que le diagnostic et l'évaluation des risques. Des procédés biologiques de dépollution de nappes aquifères sont également étudiés. Ces programmes de recherche sont le plus souvent menés en partenariat dans le cadre de projets ANR, AGRICE ou financés par l'ADEME, ou les pôles de compétitivité comme Axelera.

Pollut-Eval T