Freezing Within Emulsions: Theoretical Aspects and Engineering Applications

Congélation dans les émulsions : aspects théoriques et applications techniques

¹ Université de Technologie de Compiègne, Centre de Recherche, rue Personne de Roberval, BP 20529, 60205 Compiègne – France
² IFP Energies nouvelles, 1-4 avenue de Bois-Préau, 92852 Rueil-Malmaison – France
e-mail: daniele.clausse@utc.fr – christine.dalmazzone@ifpen.fr

^* Corresponding author

Abstract

This article is mainly focused on the freezing behaviour of emulsions which will be considered either as systems permitting to get information about undercooled materials or as complex dispersed systems involved in industrial processes. Due to the fact that there exists a phase dispersed as tiny droplets in emulsions, solidification delays are observed and liquid droplets are still observed under the melting points of pure materials. The correlation between the solidification temperature of the droplets and their size may be therefore used to follow the evolution of the emulsion morphology versus time on ground as in microgravity conditions (FASES project supported by ESA). A description of these phenomena mainly observed through microcalorimetry experiments will be given for dispersed pure materials as for dispersed solutions. In some cases, emulsions may be sought after for their specific properties, such as their large oil/water interface, leading to enhanced mass transfers; emulsions may be consequently used as liquid membranes for extraction, storage and controlled release of active materials. In other cases, the formation of emulsions has a detrimental effect on the process. It is the case in the oil industry where very stable water-in-crude oil emulsions form easily and complicate the operation of crude oil dehydration.

Résumé

Cet article se concentre principalement sur le comportement à la congélation des émulsions qui sont considérées soit comme des systèmes permettant d’obtenir des informations sur les matériaux en surfusion, soit comme des systèmes dispersés complexes impliqués dans les procédés industriels. En raison du fait qu’il existe une phase dispersée sous forme de fines gouttelettes dans les émulsions, des retards à la solidification sont observés et les gouttelettes de liquide persistent même en dessous du point de fusion du matériau. La corrélation entre la température de solidification des gouttelettes et leur taille peut être donc utilisée pour suivre l’évolution de la morphologie de l’émulsion en fonction du temps aussi bien sur terre que dans des conditions de microgravité (projet FASES soutenu par l’ESA). Une description de ces phénomènes observés principalement par microcalorimétrie sera donnée pour des corps purs dispersés ainsi que pour des solutions dispersées. Dans certains cas, les émulsions peuvent être recherchées pour leurs propriétés spécifiques, telles que la grande taille de l’interface huile/eau, conduisant à des transferts de masse améliorés; les émulsions peuvent être par conséquent utilisées comme des membranes liquides pour l’extraction, le stockage et la libération contrôlée de matières actives. Dans d’autres cas, la formation d’émulsions a un effet néfaste sur les procédés, comme dans l’industrie pétrolière où des émulsions eau-dans-pétrole très stables se forment facilement et compliquent l’opération de déshydratation du pétrole brut.