Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L'évolution thermique des huiles dans les réservoirs est contrôlée par la cinétique du craquage. Cette étude traite de la stabilité thermique des composés aromatiques légers (C6-C14) des huiles brutes dans les conditions géologiques. L'objectif est de prédire cette stabilité par un modèle dérivé des expériences au laboratoire. La coupe légère de l'huile brute Safaniya <250 °C, correspondant aux composés en C15- , est séparée par distillation fractionnée. Une fraction aromatique pure est ensuite isolée par chromatographie liquide. La caractérisation moléculaire complète de cette fraction est réalisée par HPLC, GC et GC/MS. Les composés aromatiques ainsi identifiés et quantifiés sont regroupés selon leurs structures et leurs stabilités thermiques estimées dans six classes moléculaires: les BTXN, les méthylaromatiques, les alkylaromatiques, les naphténoaromatiques, les indènes et les composés aromatiques soufrés. Les pyrolyses sont effectuées en milieu fermé dans des tubes en or sous une pression de 100 bars et pour différentes conditions (température/temps) couvrant une très large gamme de conversion (1 à 93 %). Les effluents de pyrolyse sont fractionnés, analysés et regroupés en classes. L'évolution de l'ensemble des classes a été interprétée par l'élaboration d'un schéma cinétique semi-empirique composé de 13 réactions stoechiométriques qui rendent compte du craquage de la charge et du craquage secondaire des produits instables. Les paramètres cinétiques estimés de ce schéma ont été ensuite calibrés par optimisation numérique sous la contrainte des bilans de masse et de la conservation d'hydrogène. Afin d'évaluer l'effet de la pression sur le craquage thermique, nous avons réalisé une série de pyrolyses à 375 °C sous de hautes pressions de 400, 800 et 1200 bars. La comparaison des résultats de ces expériences à ceux obtenus à 100 bars a montré que l'augmentation de la pression retarde le craquage. Nous avons également mis en évidence une certaine sélectivité dans l'action de la pression sur les différentes classes que contient la charge et sur la distribution des produits de pyrolyse. L'extrapolation du modèle construit dans cette étude aux conditions du Bassin d'Elgin (Mer du Nord) a montré que l'augmentation de la pression aurait augmenté la stabilité thermique de la fraction aromatique légère en décalant son craquage de 8 °C.

La cristallisation assistée par ultrasons permet de diminuer le temps d'induction et la largeur de la zone métastable, de modifier la distribution de tailles, de modifier le faciès des cristaux et d'augmenter le nombre des cristaux formés. L'origine microscopique de cet effet reste à ce jour non élucidée. Les ultrasons de puissance engendrent dans un liquide la naissance et l'oscillation très violente de milliards de petites bulles de gaz, phénomène appelé cavitation. Le cycle d'une de ces bulles sur une période acoustique consiste en une phase explosive suivie d'une implosion violente. A la fin de l'implosion, la pression peut atteindre 1 GPa. Plusieurs hypothèses sur les mécanismes mis en jeu sont proposées dans la littérature : refroidissement de la solution et augmentation de la pression au voisinage de l'interface, évaporation du solvant dans la bulle, et ségrégation des molécules ou des ions du soluté au voisinage de la bulle lors de la phase implosive. Afin d'examiner l'influence de la pression, des expériences de cristallisation du sulfate de zinc heptahydraté ont été menées (mesure de temps d'induction). Ce sel présente une solubilité indépendante de la pression entre 0 et 10 000 bars. Nos expériences ont montré que le temps d'induction est fortement diminué en présence d'ultrasons. Ce résultat nous permet d'affirmer que la pression au voisinage de la bulle n'entre pas en jeu dans le mécanisme de la nucléation primaire du ZnSO4,7H2O en présence d'ultrasons. Après l'étude de l'effet de la sursaturation, nous avons essayé d'exploré l'effet de la puissance ultrasonore, du gaz dissous et de la hauteur du liquide dans la cuve sur le temps d'induction. Il a été constaté que les ultrasons permettent de diminuer le temps d'induction. Il a été observé que la courbe du temps d'induction en fonction de la hauteur de la solution présente un minimum. Un autre volet de cette thèse réservé à la modélisation et la simulation. Dans un premier temps, la concentration en clusters ou agrégats moléculaires au voisinage de la bulle été calculée dans le cas du ZnSO4,7H2O grâce à la théorie de la ségrégation en fonction de la pression acoustique. La simulation montre qu'il y a une sur-concentration des clusters (jusqu'à 25 fois supérieure à la concentration stationnaire) augmentant ainsi la probabilité de contact des clusters, durant un temps très court, pouvant ainsi modifier le processus global de nucléation. Dans un deuxième temps, la modélisation/simulation de l'acoustique par COMSOL est réalisée en vue de déterminer les résonances de notre système (liquide + parois de la cuve). Les résonances observées sont cohérentes avec les mesures de temps d'induction. / Power ultrasound is known to enhance crystals nucleation, and nucleation times can be reduced by oneup to three orders of magnitude for several organic or inorganic crystals. The precise physics involved in this phenomenon still remains unclear, and various mechanisms involving the action of inertial cavitation bubbles have been proposed. In this paper, two of these mechanisms, pressure and ségrégation effects, are examined. The first one concerns the variations of supersaturation induced by the high pressures appearing in the neighbourhood of a collapsing bubble, and the second one results from the modification of clusters distribution in the vicinity of bubble. Crystallisation experiments were performed on zinc sulphate heptahydrate ZnSO4. 7H2O, which has been chosen for its pressure-independent solubility, so that pressure variations have no effect on supersaturation. As observed in past studies on other species, induction times were found lower under insonification than under silent conditions at low supersaturations, which casts some doubts on a pure pressure effect. The interfacial energy between the solid and the solution was estimated from induction times obtained in silent conditions, and, using classical nucléation theory, the steady-state distribution of the clusters was calculated. Segregation theory was then applied to calculate the over-concentrations of n-sized clusters at the end of the collapse of a 4 lmbubble driven at 20 kHz by different acoustic pressures. The over-concentration of clusters close to the critical size near a collapsing bubble was found to reach more than one order of magnitude, which may favour the direct attachment process between such clusters, and enhance the global nucleation kinetics. The effects of acoustic cavitation on crystallization of ZnSO4. 7H2O was observed in a sono-reactor build-up from a large emitting area transducer located at the bottom of the vessel. The experimental results have shown that the dissipated acoustic power passes through a maximum at about 15±1 cm, and that the induction-time passes through a minimum for the same liquid-level. The dissipated-power and the induction-time are found to be well correlated as the liquid height was varied. The acoustics of the sono-reactor was studied with linear acoustics, accounting for the wall vibrations by using the COMSOL software. Theoretical dissipated acoustic powers were compared to the experimental ones.

Dans cette thèse, on utilise des outils mathématiques et numériques pour modéliser les écoulements tridimensionnels incompressibles à surface libre instationnaires. L'application industrielle visée est l'étude de la phase de remplissage des moules dans une fonderie. On développe un algorithme pour le transport de l'interface par la vitesse du fluide pour un fluide diphasique incompressible visqueux non-miscible de rapport de densité important en utilisant la méthode de caractéristiques pour traiter le problème de convection. Il y a des défis majeurs dans le contexte de la modélisation des fluides diphasiques. Tout d'abord, on doit prendre en considération l'évolution de l'interface et de ses changements topologiques. Deuxièmement, on doit traiter la non-linéarité convective de l'interface et de l'écoulement. Troisièmement, les équations de Navier-Stokes et du transport doivent être munies des conditions aux bords appropriées. En outre, il faut traiter soigneusement les singularités géométriques et topologiques à travers l'interface en particulier dans le cas de rapport de densité et viscosité important. On doit également maintenir la résolution d'une interface d'épaisseur nulle durant les cas du pliage, la rupture et la fusion de l'interface. Quatrièmement, on doit respecter les propriétés physiques telles que la conservation de la masse pour tout écoulement d'un fluide incompressible. Cinquièmement, il faut toujours penser aux limitations du temps de calcul et de mémoire pour résoudre ce genre de problème dans les cas pratiques. Notre but est de trouver un schéma fiable capable de modéliser le remplissage des moules tridimensionnelles industrielles. La première partie de cette thèse est dédiée à la description mathématique du schéma de transport de l'interface par la vitesse du fluide. Le mouvement des fluides est décrit par les équations de Navier-Stokes. L'interface est capturée par la fonction Level-Set. Le problème est discrétisée en espace par la méthode des éléments finis et en temps par la méthode de caractéristiques.Des conditions aux bords appropriées pour le problème du remplissage d'un moule sont introduites et un algorithme de calcul de la solution est présentée. Finalement,des résultats numériques montrent et valident l'efficacité duschéma proposé. Dans la deuxième partie de cette thèse, on introduit une méthode de décomposition de domaine qui correspond à la discrétisation par la méthode des caractéristiques dans le but d'améliorer la performance de l'algorithme proposé lors de la modélisation du remplissage des moules industrielles à moyennes séries. Des résultats numériques de comparaison valident la précision du code parallèle. / In this thesis, we use mathematical and numerical tools to model three dimensional incompressible laminar flows with free surface. The described industrial application is the study of the mould filling phase in a foundry. We develop an algorithm for the transport of the interface by the fluid velocity for a viscous incompressible immiscible fluids of high density ratio in two-phase flow using the method of characteristics for the convection problem.There are, however, major challenges in the context of two-phase flow modeling.First, we have to take into account the evolution of the interface and its topological changes. Second, we have to deal with the non-linearity for the convection of the flow and the interface. Third, we must assign appropriate boundary conditions to the flow and transport equations.In addition, care must be taken in treating the geometrical and topological singularities across the interface.We also have to maintain a sharp interface resolution, including the cases of interface folding, breaking and merging.Furthermore, we should respect the physical properties such as the mass conservation for any incompressible fluid flows.Finally, we have to keep in mind the limitations in the time of computation and memory to solve this kind of problem in practical cases. Our purpose is to find a reliable scheme able to model the filling of three dimensional industrial moulds.The first part of the thesis is devoted to the mathematical description of the interface transport scheme by the fluid velocity. The fluids motion is described by the Navier-Stokes equations. The interface is captured by the Level-Set function. The problem isdiscretized by the characteristics method in time and finiteelements method in space. The interface is captured by the Level-Setfunction. Appropriate boundary conditions for the problem ofmould filling are investigated, a new natural boundary conditionunder pressure effect for the transport equation is proposed andan algorithm for computing the solution is presented. Finally,numerical experiments show and validate the effectiveness of theproposed scheme.In the second part of the thesis, we introduce a domain decomposition method that suits the discretization by the method of characteristics in order to improve the performance of the proposed algorithm to model the filling phase for moulds of medium series. Numerical results of comparison validate the precision of the parallel code.