Le carburant diesel, une source d’énergie vitale pour de nombreuses industries et systèmes de transport, rencontre souvent des difficultés par temps froid. La formation de cristaux de cire à basse température peut entraîner de mauvaises propriétés d'écoulement, un colmatage des filtres et, à terme, une panne moteur. Pour atténuer ces problèmes, des améliorants de fluidité à froid pour diesel (DCFI) ont été développés et sont largement utilisés. En tant que fournisseur d'amélioration de l'écoulement à froid du diesel, je connais bien les mécanismes derrière ces additifs et leur efficacité pour améliorer les caractéristiques d'écoulement à froid du diesel.
Formation de cire dans le carburant diesel
Le carburant diesel est un mélange complexe d'hydrocarbures, composé principalement de paraffines, de naphtènes et d'aromatiques. Les paraffines, en particulier les paraffines normales, sont les principales responsables de la formation de cire à basse température. Lorsque la température descend en dessous du point de trouble (CP) du diesel, qui est la température à laquelle les cristaux de cire commencent à se former, ces paraffines normales commencent à cristalliser hors de la solution.
À mesure que la température continue de baisser, les cristaux de cire grossissent et s’agglomèrent. Ils peuvent former une structure de réseau tridimensionnelle qui emprisonne le diesel liquide en son sein. Ce réseau augmente considérablement la viscosité du diesel et réduit sa capacité à circuler librement. Finalement, au point d'écoulement (PP), la température la plus basse à laquelle le diesel peut encore s'écouler, le carburant devient semi-solide et ne peut pas être pompé ou livré au moteur.
Mécanismes des améliorants de flux à froid diesel
Inhibition de la nucléation
L’un des principaux mécanismes des DCFI est l’inhibition de la nucléation. Les DCFI contiennent des molécules qui peuvent agir comme noyaux concurrents pour la cristallisation de la cire. Ces molécules ont une structure chimique similaire aux paraffines du carburant diesel mais avec quelques modifications. Lorsque la température approche du point de trouble, au lieu que les paraffines normales du diesel forment de gros cristaux de cire réguliers, les molécules DCFI déclenchent la formation de cristaux de cire plus petits et plus irréguliers.
Les molécules DCFI perturbent l'arrangement ordonné des molécules de paraffine pendant le processus de nucléation. En fournissant des sites de nucléation alternatifs, ils empêchent la formation de gros cristaux de cire qui peuvent facilement s'agglomérer et former un réseau solide. Cela se traduit par un plus grand nombre de cristaux de cire plus petits, moins susceptibles d’obstruer les filtres et les tuyaux. Par exemple, les polymères de certains DCFI peuvent s’adsorber à la surface des noyaux de cire émergents, modifiant ainsi leur taux de croissance et leur forme.
Modification des cristaux
Les DCFI fonctionnent également en modifiant la structure cristalline de la cire qui se forme dans le carburant diesel. Une fois que les cristaux de cire commencent à se développer, les molécules DCFI peuvent s’adsorber à la surface des cristaux. Cette adsorption modifie les propriétés de surface des cristaux de cire, les empêchant d’adhérer les uns aux autres et de former de grandes structures interconnectées.
Les additifs peuvent perturber le schéma de croissance normal des cristaux de cire. Au lieu de se développer en de longs cristaux ressemblant à des aiguilles, les cristaux de cire prennent une forme plus sphérique ou en forme de plaque. Ces cristaux modifiés sont moins susceptibles de s'emmêler et de former un réseau continu, ce qui contribue à maintenir la fluidité du carburant diesel. Par exemple, certains esters des DCFI peuvent interagir avec les cristaux de cire via les forces de Van der Waals et les liaisons hydrogène, modifiant ainsi leur morphologie.
Dispersion
Un autre mécanisme important des DCFI est la dispersion. Les DCFI peuvent agir comme dispersants, gardant les cristaux de cire en suspension dans le carburant diesel plutôt que de leur permettre de se déposer et de former une couche solide. Les molécules du DCFI possèdent à la fois une partie hydrophobe qui peut interagir avec les cristaux de cire et une partie hydrophile qui peut interagir avec le diesel liquide.
Cette structure à double nature permet au DCFI d'entourer les cristaux de cire et de les empêcher d'entrer en contact étroit les uns avec les autres. En gardant les cristaux de cire dispersés, le carburant reste homogène et ses propriétés d'écoulement sont maintenues. Ceci est particulièrement important pour éviter le colmatage des filtres à carburant, car les cristaux de cire dispersés sont suffisamment petits pour traverser les pores du filtre sans provoquer de blocages.
Types d'améliorateurs d'écoulement à froid diesel et leurs mécanismes
Copolymères d'éthylène et d'acétate de vinyle (EVA)
Les copolymères EVA sont l'un des DCFI les plus couramment utilisés. Ces polymères ont un squelette d'unités éthylène avec des groupes latéraux acétate de vinyle. La partie éthylène du polymère a une structure similaire aux paraffines du carburant diesel, lui permettant d'interagir avec les cristaux de cire.
Les groupes latéraux en acétate de vinyle confèrent la flexibilité et la polarité nécessaires au polymère. Pendant le processus de cristallisation de la cire, les molécules du copolymère EVA peuvent être adsorbées à la surface des noyaux de cire. Ils inhibent la croissance des cristaux de cire en empêchant l’ajout de molécules de paraffine supplémentaires à la surface des cristaux. Les copolymères EVA contribuent également à disperser les cristaux de cire présents dans le carburant diesel, réduisant ainsi le risque d'agglomération.
Méthacrylates de polyalkyle (PAMA)
PAMA est un autre type de DCFI. Ces polymères ont une longue chaîne alkyle attachée à un squelette méthacrylate. La chaîne alkyle peut interagir avec les cristaux de cire grâce aux forces de Van der Waals, tandis que le squelette méthacrylate assure la solubilité dans le carburant diesel.
Les polymères PAMA agissent à la fois comme inhibiteurs de nucléation et comme modificateurs cristallins. Ils peuvent initier la formation de petits cristaux de cire puis modifier leur croissance pour empêcher la formation d’un réseau solide. De plus, le PAMA peut améliorer la fluidité du diesel à basse température en réduisant l'adhérence entre les cristaux de cire et les parois du réservoir de carburant ou du pipeline.
Avantages de l'utilisation d'améliorateurs de débit à froid pour diesel
L’utilisation des DCFI offre plusieurs avantages importants. Premièrement, ils améliorent les propriétés d'écoulement à froid du carburant diesel, lui permettant ainsi d'être utilisé dans des climats plus froids sans risque de colmatage des filtres ou de panne moteur. Cela étend la portée géographique dans laquelle les véhicules et équipements fonctionnant au diesel peuvent fonctionner.
Deuxièmement, les DCFI peuvent réduire les coûts de maintenance. En empêchant le dépôt de cire dans les systèmes de carburant, ils minimisent le besoin de remplacement de filtres et de nettoyage du système de carburant. Cela conduit à des intervalles d'entretien plus longs et à des coûts d'exploitation globaux inférieurs pour les utilisateurs de diesel.
De plus, les DCFI peuvent améliorer les performances des moteurs diesel par temps froid. Avec un débit de carburant amélioré, le moteur peut recevoir un approvisionnement en carburant plus constant, ce qui entraîne une meilleure combustion et une réduction des émissions.
Conclusion
Les améliorants de fluidité à froid pour diesel jouent un rôle crucial pour garantir le fonctionnement fiable des moteurs diesel par temps froid. Grâce à des mécanismes tels que l’inhibition de la nucléation, la modification des cristaux et la dispersion, les DCFI peuvent empêcher efficacement la formation de gros cristaux de cire et maintenir les propriétés d’écoulement du carburant diesel.
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Références
- Schabron, JF et Caruthers, JM (1999). Précipitation de cire dans les mélanges pétroliers. Journal des données chimiques et techniques, 44(6), 1377-1382.
- Leontaritis, KJ et Mansoori, GA (1987). Thermodynamique de la précipitation des cires à partir de mélanges pétroliers. Équilibres de phase fluide, 37(1), 147 - 160.
- Dutta, A. et Robinson, RL (1996). Précipitation de cire dans les pétroles bruts : Thermodynamique et rhéologie. Journal des sciences et de l'ingénierie pétrolières, 15(1 - 2), 13 - 28.