DDOC T 2018 0312 NOBA

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Modélisation et simulation numérique du comportement
de chargement de gaz naturel liquéé dans une cuve de
méthanier
Ibrahima Sory Noba
To cite this version:
Ibrahima Sory Noba. Modélisation et simulation numérique du comportement de chargement de
gaz naturel liquéé dans une cuve de méthanier. Génie des procédés. Université de Lorraine, 2018.
Français. �NNT : 2018LORR0312�. �tel-02130262�

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THESE
Présentée par
Ibrahima Sory NOBA
Pour l'obtention du grade de :
DOCTEUR DE L'UNIVERSITÉ DE LORRAINE
Spécialité : Génie des Procédés, des Produits et des molécules
Thèse soutenue publiquement le 21 décembre 2018 devant la commission d’examen :
Rapporteurs :
M. Pascal TOBALY
Mme. Lingai LUO
Professeur au CNAM, Paris, France
Professeur à l’Université de Nantes, Nantes, France
Examinateurs :
M. Jean-Noël JAUBERT
M. Romain PRIVAT
Professeur à l’Université de Lorraine, Nancy, France (directeur de thèse)
Maître de conférences à l’Université de Lorraine, Nancy, France (co-directeur de thèse)
Invités :
Mme. Silvia LASALA
M. Rainier HREIZ
Maître de conférences à l’Université de Lorraine, Nancy, France
Maître de conférences à l’Université de Lorraine, Nancy, France
Laboratoire Réactions et Génie des Procédés (LRGP)
1 rue Grandville, 54000, Nancy, France
Modélisation et simulation numérique du
comportement de chargement de gaz naturel
liquéfié dans une cuve de méthanier.

i
Remerciements
Voilà que se terminent trois années de travaux scientifiques qui m’ont permis d’acquérir des
connaissances dans le domaine du transport et du stockage du Gaz Naturel Liquéfié (GNL);
d’approfondir mon expérience en formulation mathématique, en thermique, en
thermodynamique et la cryogénie des fluides multi-composants. Cela n’a été possible que
grâce à la confiance, à l’aide, à la sympathie et au soutien de nombreuses personnes à qui je
souhaiterais adresser ici, des mots de remerciements qui viennent du plus profond de mon
être.
Je souhaiterais tout d’abord remercier mon directeur et mon co-directeur de thèse,
respectivement le Professeur Jean-Noël JAUBERT et Monsieur Romain PRIVAT qui ont tout de
suite cru moi lorsque je leur ai exposé mon projet de thèse. Je suis très sincèrement
reconnaissant de leur marque de confiance à mon égard. J’espère en tout cas que je ne les ai
pas déçus.
Jean-Noël, je souhaiterais te dire que, pour ma part, j’ai été ravi de travailler avec toi. La
grande autonomie que tu m’as accordée et la promptitude que tu as eue lorsque je sollicitais
ton conseil et ton aide, m’ont conduit à me dire que j’ai eu une sacrée chance d’être ton
étudiant.
A présent, je voudrais exprimer ma plus grande gratitude aux membres du jury de thèse qui
ont eu l’amabilité de se déplacer, pour certains de très loin, de lire et de juger ce manuscrit de
thèse. Je remercie particulièrement les Professeurs Pascal TOBALY et Lingai LUO qui ont
rapporté avec bienveillance ce manuscrit. Je tiens à exprimer toute ma gratitude à Madame
Silvia LASALA et Monsieur Rainier HREIZ. C’est un très grand honneur pour moi qu’ils aient
accepté d’être membres de mon jury.
Mes remerciements s’adressent également à toute l’équipe du LRGP, avec son Directeur
Monsieur Laurent FALK, pour m’avoir permis de passer ma thèse dans de très bonnes
conditions. Un grand MERCI à toute l’équipe administrative du laboratoire et de l’Université
de Lorraine.
Pour finir, un grand merci à toute ma famille. Mon oncle Kassé GASSAMA, qui a cru en moi
depuis le début de mes études et qui n’a ménagé aucun effort pour que je puisse être dans
les conditions idéales pour réussir. MERCI KAO.
Mon père et ma mère malgré la distance, vous avez toujours été près de moi et près de mon
cœur. Vous avez su m’épauler, me guider, me conseiller. Vos bénédictions et prières à mon
égard ont été exaucées car aujourd’hui j’ai réalisé mon rêve de devenir Docteur.
Je remercie mes frères et sœurs, mes tantes Mbigui Bintou, Nanding Niouma et Nanding
Magara pour leur soutien durant toutes ces années.
Ma chère épouse Regina, les mots ne manquent pour te remercier de ta présence et de ton
soutient pendant toutes ces années. Merci à tous !
Je dédie cette thèse à mon défunt
oncle Fanding Papa KABA, Tu nous
manques

ii
Résumé
Le processus d’évaporation du Gaz Naturel Liquéfié (GNL) dans les cuves de méthanier est
essentiellement lié aux infiltrations thermiques à travers les parois de l’isolation et également aux
ballottements du liquide dans la cuve (sloshing).
La plupart des modèles développés jusque-là donnent des prédictions en supposant un taux
d’évaporation constant ou concept du BOR Design. Etant donné que le taux d’évaporation réel dépend
de beaucoup plus de paramètres physiques car le GNL est un mélange multi-espèces constitué
essentiellement de méthane, stocké à sa température d’ébullition d’environ -161 °C à pression
atmosphérique. Un modèle 0D dynamique permettant de prédire les transferts thermiques et
l’évolution des propriétés thermodynamiques a été développé. Le modèle est utilisé pour étudier la
variation de la quantité, de la composition et des propriétés thermodynamiques du GNL et du BOG
(Boil-Off Gas) au cours du temps en navigation réelle. Ce concept est appelé BOR opérationnel. Le BOR
Design est utilisé dans l’industrie pour mesurer la performance énergétique d’un navire transportant
du GNL. Elle est indicative et exprime la capacité de l’isolation à laisser entrer la chaleur dans la cuve.
Contrairement au BOR Design, le Boil-Off Rate (BOR) opérationnel est un concept nouveau qui permet
de prédire le comportement réel d’un navire transportant du GNL par la modélisation des phénomènes
physiques complexes prenant en compte les aspects thermiques, thermodynamiques, changements
de phase et sloshing connaissant son profil opérationnel.
Les corrélations menées dans le modèle développé ont permis d’avoir des résultats avec des erreurs
relatives comprises entre 2 %  5 % entre l’observation et la simulation sur l’évaporation naturelle.
Mots clefs : Gaz Naturel Liquéfié (GNL), Thermodynamique, Transfert thermique, Simulation
numérique, modélisation
Abstract
The evaporation process of Liquefied Natural Gas (LNG) in LNG vessel tanks is closely related to heat
infiltration through the walls of the insulation and also to the sloshing of the liquid in the tank. Most
of the models developed give predictions assuming a constant evaporation rate or BOR Design. Real
evaporation depends on many more physical parameters because LNG is a multi-component mixture
consisted essentially of methane, stored at its boiling point of about -161 °C at atmospheric pressure.
A detailed zero-dimensional (0D) dynamic tool that enables one to evaluate the thermal transfers and
thermodynamic properties in LNG carrier tanks has been developed. The model is used to investigate
the variation of the LNG and BOG quantity, composition and thermodynamic properties during typical
voyage profiles of a case study LNG carrier or Operational BOR concept. The principle of the
operational Boil-Off Rate (Operational BOR in this paper) is different from the design BOR. The design
BOR is a benchmark of the thermal performance of the insulation under standard environmental
conditions in a stationary configuration, translated into daily evaporation rate for pure methane.
Conversely, the Operational BOR which is an unsteady calculation of the thermal and thermodynamic
state of LNG, is designed to measure the amount of boil-off gas produced during the navigation taking
into account the actual environmental conditions. A correlations studies carried out in the model gave
results with relative errors between 2% and 5% of natural BOG between observation and simulation.
Keywords: Liquified Natural Gas, Thermodynamic, Heat transfer, Numerical simulation, modeling