Étude sur l'Élaboration Continue d'Émulsions de Bitume

L'étude s'inscrit dans le contexte de la fabrication d'émulsions de bitume par Eurovia, une société possédant une dizaine d'usines en France. Actuellement, ces usines utilisent des moulins colloïdaux, une technologie éprouvée mais énergivore, bruyante et coûteuse en maintenance. La recherche vise à proposer une alternative plus efficiente : l'utilisation de mélangeurs statiques pour la production d'émulsions de bitume concentrées. La littérature décrit des mécanismes d'émulsification dans les mélangeurs statiques, mais ces descriptions sont limitées à des faibles fractions de phase dispersée, rendant leur application industrielle difficile. Ce travail se concentre donc sur l'émulsification de bitume à des fractions massiques supérieures à 65%, correspondant à des émulsions concentrées, voire très concentrées au-delà de 80 ou 90%. L'approche adoptée intègre les paramètres de procédé, de formulation et de composition pour maîtriser la taille des gouttes en production continue et à fortes teneurs en bitume. Le but ultime est de développer un procédé industriel performant et économiquement avantageux pour la production d'émulsions de bitume.

L'utilisation de mélangeurs statiques est largement répandue dans l'industrie chimique, témoignant de leur maturité technologique. Cependant, leur adoption dans l'industrie routière pour l'émulsification du bitume reste quasiment inexistante. A notre connaissance, la seule expérience notable est celle du procédé développé par ESSO, utilisant des mélangeurs statiques hélicoïdaux à haute pression et un apport d'énergie élevé en régime turbulent pour créer l'interface. Ce travail vise donc à explorer le potentiel des mélangeurs statiques pour une émulsification contrôlée de bitume en continu, en optimisant la taille de gouttes. L'absence d'organes mobiles, la possibilité d'un écoulement piston en régime laminaire ou turbulent et les excellentes capacités de dispersion et de rupture de gouttes offertes par ces mélangeurs représentent des atouts majeurs pour l'émulsification de produits complexes comme le bitume, notamment à des concentrations élevées en phase dispersée. L'étude se concentrera sur l'impact de ces caractéristiques sur la qualité de l'émulsion.

Les propriétés rhéologiques des émulsions bitumineuses sont déterminées par trois paramètres principaux : la fraction de bitume, le diamètre moyen des gouttes et la distribution de tailles de gouttes. La nature du bitume peut également jouer un rôle. Le formulateur cherche à ajuster ces paramètres pour obtenir la viscosité appropriée à l'application. Cependant, dans l'industrie routière actuelle, le paramètre le plus facilement contrôlable est la fraction de bitume. Les autres paramètres sont liés à la matière première et aux variables de procédé, souvent imposées. L'étude approfondira les relations complexes entre ces paramètres et la taille des gouttes, en étudiant notamment l'influence de la viscosité de la phase continue et l'impact de phénomènes comme l'écoulement hyperbolique plan, en lien avec le nombre de Reynolds des gouttes. L'analyse des émulsions bimodales et monomodales permettra de mieux comprendre ces interactions et leur influence sur la viscosité.

La formulation physico-chimique des émulsions concerne la nature et les quantités relatives des composants (huile, eau, tensioactif). Les principales variables de formulation incluent la longueur de la chaîne alkyle du surfactant, son groupement hydrophile, la salinité de la phase aqueuse, le type d'huile, la présence d'alcools, la température et la pression. Maîtriser l'impact de ces variables sur les interactions entre le tensioactif, la phase aqueuse et la phase huileuse est essentiel pour une émulsification réussie. L'étude utilise des cartes formulation-composition pour élaborer des émulsions à forte teneur en phase dispersée (HIPR). Différentes stratégies seront explorées, notamment l'inversion de phases à partir d'un système anormal à formulation et composition constantes, afin d'optimiser la formulation et la taille des gouttes. L'analyse des différents modèles de formulation existants permettra de guider le choix des paramètres optimaux.

L'émulsification dans les mélangeurs statiques peut se dérouler en régime laminaire ou turbulent. La littérature décrit les mécanismes de formation des gouttes, mais ces descriptions sont principalement établies pour de faibles fractions de phase dispersée. Cette limitation rend difficile l'extrapolation de ces connaissances à un procédé industriel. L'étude s'attache donc à explorer l'émulsification du bitume pour des fractions supérieures à 65% en masse, correspondant à des émulsions concentrées (voire très concentrées au-delà de 80-90%). L'objectif est de comprendre et de maîtriser la formation des gouttes dans ces conditions spécifiques, en intégrant les paramètres de procédé, de formulation et de composition afin d'optimiser la taille des gouttes obtenues en continu avec des fortes teneurs en bitume. L'analyse des régimes d'écoulement et leur impact sur la formation des gouttes constitue un axe central de la recherche.

Le phénomène d'inversion de phases est au cœur de cette étude. L'inversion de phases catastrophique est mise en avant comme un mécanisme clé pour produire des émulsions très concentrées. Le texte explore l'impact de divers paramètres, tels que la nature du bitume (naphténique, etc.), la concentration en tensioactif, et la température sur la cinétique de cette inversion. L'analyse combine des observations microscopiques avec un suivi rhéologique in situ (mesure de la viscosité), permettant de suivre l'évolution morphologique de l'émulsion et de définir les étapes critiques du processus. Des observations microscopiques permettent de caractériser l'apparition d'émulsions multiples et l'affinement progressif des gouttes au cours du processus. L'étude met l'accent sur la compréhension des mécanismes physiques responsables de l'inversion et de l'affinement des gouttes.

La viscosité joue un rôle crucial dans l'émulsification, et son influence est examinée en détail. L'étude mentionne que, pour des systèmes à forte concentration en phase dispersée (autour de 70%), c'est la viscosité du milieu et non celle de la phase continue qui gouverne la rupture des gouttes. Une augmentation de cette viscosité globale améliorerait l'efficacité de la rupture grâce à un champ de contraintes accru. Pour les gouttes situées entre des tourbillons, les forces de cisaillement peuvent induire la rupture, et le type d'écoulement (similiaire à un écoulement hyperbolique plan) est analysé. Le nombre de Reynolds des gouttes, inférieur à 1 dans le domaine de dissipation visqueuse, est aussi considéré. Par ailleurs, l'impact de la viscosité sur la taille des gouttes est discuté, avec des exceptions relevées où une augmentation de la viscosité de la phase continue peut, dans certains cas, diminuer la taille moyenne des gouttes. L'influence de forces d'interactions en plus des forces hydrodynamiques est également envisagée pour des tailles de gouttes inférieures à 1µm.

L'étude se concentre sur l'émulsification par inversion de phase catastrophique en mode continu, pour des émulsions très riches en phase dispersée. Le suivi de la morphologie par microscopie optique et la cinétique d'émulsification par mesure in situ de la viscosité permettent de suivre l'inversion de phase, notamment du passage d'une émulsion anormale à une émulsion normale. L'impact de paramètres de formulation (nature et concentration du tensioactif, nature du bitume) sur le phénomène d'inversion est analysé. Les résultats montrent que l'inversion de phase catastrophique est atteinte rapidement en mode continu, contrairement aux procédés discontinus. L'influence de la viscosité de l'huile sur le déclenchement et l'efficacité de l'inversion est mise en avant. L'étude souligne aussi la formation d'émulsions multiples (huile-dans-eau-dans-huile) au cours de l'inversion et leur impact sur la viscosité. Enfin, l’affinement ultérieur des gouttes par agitation mécanique est discuté.

La caractérisation rhéologique des émulsions bitumineuses est essentielle. Trois paramètres principaux gouvernent leur comportement : la fraction de bitume, le diamètre moyen des gouttes et leur distribution de tailles. La nature du bitume lui-même peut également influencer ces propriétés. Le but est d'ajuster ces paramètres pour atteindre la viscosité souhaitée pour chaque application. Cependant, la fraction de bitume est le paramètre le plus facilement contrôlable par le fabricant, les autres étant liés à la matière première et aux variables de procédé. L'étude explore les relations complexes entre ces paramètres et les propriétés rhéologiques des émulsions, en analysant, par exemple, le comportement différent d'émulsions bimodales et monomodales. La diminution de la viscosité des émulsions bimodales concentrées, due à la réduction des interactions physico-chimiques entre les gouttes, est expliquée. L'équation 6, prédisant l'indépendance de la taille des gouttes par rapport à la viscosité de la phase continue, est examinée, ainsi que des exceptions à cette règle.

Pour caractériser les émulsions dans leurs conditions de procédé, l'étude utilise une méthodologie appelée « analogie de Poiseuille ». Cette approche permet, par calibration avec un fluide newtonien, de caractériser le mélangeur statique (ou tout autre milieu) à travers deux facteurs géométriques. Ces facteurs permettent de déterminer une viscosité in-line (ou de procédé) pour un fluide traversant le mélangeur. L'analogie de Poiseuille est validée par comparaison avec des mesures de rhéologie conventionnelle, l'écart relatif maximal entre la viscosité de procédé et la viscosité obtenue de manière conventionnelle étant inférieur à 10%. Ceci démontre la pertinence de cette méthode pour le suivi in-line de la viscosité. L'étude utilise cette méthodologie pour suivre l'évolution de la viscosité des émulsions de bitume en fonction du débit, permettant d'établir un lien avec la taille des gouttes. La capacité à atteindre des vitesses de cisaillement élevées, inaccessibles avec un rhéomètre standard, est un avantage clé de cette approche.

Une analyse approfondie de la relation entre la viscosité, la taille des gouttes et la perte de charge est menée. Des résultats montrent un comportement essentiellement newtonien des émulsions dans une plage étroite de vitesses de cisaillement, avec des viscosités variant selon la fraction volumique. Ce comportement est attribué à des hauts niveaux de vitesse de cisaillement et à la constance de la taille des gouttes avec le débit. À faible teneur en tensioactif, l'augmentation de la perte de charge est uniquement due à l'augmentation de la viscosité liée à la fraction massique de bitume. Cependant, à des concentrations en bitume supérieures à 80%, un saut de viscosité est observé, corrélé à une réduction importante de la taille des gouttes (diamètre médian trois fois plus petit). Des forces d'interactions supplémentaires, en plus des forces hydrodynamiques, expliquent cette augmentation de viscosité pour des tailles de gouttes inférieures à 1 µm. L’analyse globale met en évidence le lien intime entre ces trois paramètres.

La nature du bitume influence les propriétés de l'émulsion. Les bitumes naphténiques, avec leur forte teneur en acides naphténiques (acides carboxyliques monobasiques), présentent un indice d'acide élevé, impactant la taille des gouttes. L'étude explore l'influence de la formulation globale du système sur les propriétés de l'émulsion, en observant notamment la relation entre la tension interfaciale et la taille des gouttes. Une diminution de la tension interfaciale n'entraîne pas systématiquement une réduction de la taille des gouttes, soulignant l'importance de la formulation globale. L'augmentation de la température entraîne une diminution de la viscosité de la phase continue et de l'émulsion, favorisant ainsi l'obtention de gouttes plus fines. Cependant, des résultats montrent que, à forte fraction en phase dispersée, l'augmentation de la température (ou diminution de la viscosité du bitume) favorise également l'affinement de l'émulsion, révélant une compétition entre les effets de la formulation et les effets énergétiques.

Les résultats montrent la faisabilité de la fabrication d'émulsions de bitume via des mélangeurs statiques. Des essais sur des émulsions conventionnelles d'Eurovia ont donné des résultats positifs, démontrant la capacité à obtenir des émulsions de qualité comparable à celles produites avec les moulins colloïdaux. Bien que les mélangeurs statiques produisent des diamètres médians de gouttes plus élevés, ils permettent d'obtenir des déviations standards plus faibles. L'exception notable est l'émulsion à base de bitume naphténique (émulsion d'enrobage) qui conserve les mêmes caractéristiques de taille de gouttes. L'ajout d'acide gras (Résinoline BD2) améliore légèrement le diamètre médian, se rapprochant de celui des émulsions de référence tout en maintenant une distribution serrée des tailles de gouttes. Ces résultats soulignent le potentiel des mélangeurs statiques comme alternative aux moulins colloïdaux.

L'analyse couplée du suivi morphologique (microscopie) et de la cinétique d'émulsification (suivi de viscosité in situ) révèle des mécanismes importants. Pour des émulsions très concentrées en bitume, le processus passe par une inversion de phase catastrophique. Cette inversion est suivie d'un affinement de l'émulsion par l'agitation mécanique. Le suivi de la viscosité permet d'identifier les différentes étapes de l'inversion de phase : homogénéisation, formation d'une émulsion simple anormale, puis multiple, avant l'inversion et enfin l'affinement des gouttes. L'augmentation de l'indice d'acide du bitume semble accélérer la cinétique d'émulsification, démontrant l'influence de la formulation sur le processus. L'étude précise que l'inversion de phase catastrophique est beaucoup plus rapide en mode continu qu'en mode discontinu, ce qui est un avantage pour la production industrielle.

Un pilote de production continu d'émulsions de bitume, capable de produire jusqu'à 500 kg/h, a été conçu, construit et mis en route pour Eurovia. Ce pilote, doté de deux lignes d'émulsification, permet d'adapter le système à différentes conditions opératoires. Il permettra la poursuite des développements d'Eurovia et de ses filiales, non seulement pour l'émulsification du bitume, mais aussi pour d'autres applications telles que la dispersion de pigments dans la fabrication de peintures. La fourniture de ce pilote représente une contribution significative au transfert de technologie vers l'industrie. L'étude a également fourni à Eurovia non seulement des outils instrumentaux, mais aussi un savoir-faire dans les émulsions concentrées et la rhéologie systémique.

L'étude démontre la faisabilité et l'intérêt de l'utilisation de mélangeurs statiques pour la production continue d'émulsions de bitume concentrées. L'augmentation de la concentration en phase dispersée (bitume) semble rendre la taille des gouttes moins dépendante des aspects énergétiques (débit et perte de charge) tout en permettant d'obtenir des tailles plus fines. Pour des fractions de bitume supérieures à 80%, c'est la concentration en bitume qui semble déterminer principalement la taille des gouttes. Ceci est cohérent avec les observations en mode discontinu où une viscosité élevée améliore le transfert de quantité de mouvement, augmentant l'efficacité du mélange et réduisant la taille des gouttes. La possibilité de produire des émulsions bimodales en ajoutant du bitume dans une seconde zone d'émulsification est envisagée. Globalement, le travail fournit à Eurovia une alternative prometteuse à la technologie des moulins colloïdaux.