Thèse Année : 2021

Thermodynamic characterization of the under pressure system CO2-salty aqueous solutions (Pmax = 200 bar and Tmax = 150 °C)

Caractérisation thermodynamique du système sous pression CO2 - Impuretés (NOx,N2) (Pmax 150 bar et Tmax 150°C)

Résumé

The Laboratory of Thermal engineering, Energy and Processes (LaTEP) and the French Geological Survey (BRGM) have been collaborating for a long time through various projects on the geological storage of CO2 in deep aquifers to limit greenhouse gas emissions. Depending on the location chosen, great variability in terms of temperature, pressure and composition of the aquifer is to be expected. As the solubility of CO2 varies significantly depending on these conditions, it is important to have precise knowledge to assess storage capacities. Thus, one of the objectives of our team is to characterize the thermodynamic equilibrium of systems under high pressure / temperature and high salinity. The current study focuses on understanding the effect of different salts dissolved in the aqueous phase on the solubility of CO2 under temperature and pressure conditions up to 423.15 K and 20 MPa. The first objective was to acquire experimental data on the CO2 solubility in aqueous solutions containing Na2SO4 and MgCl2. More than 90 points were obtained for the following pressure, temperature and salinity range: T = 303-423 K; P = 1.5-20 MPa; msalt = 0-5 mol/kg. A second objective of this thesis concerns the modeling of the equilibrium of CO2-salt solutions under the T-P-salinity conditions mentioned above, the objective being to improve the phase equilibrium model present in the PhreeSCALE software, by implementing the basics thermodynamic data. The PhreeSCALE software, based on the PHREEQC software, uses the asymmetric γ-φ approach to determine the solubility of CO2 in salt solutions. To do this, the fugacity coefficient of CO2 in the vapor phase is determined by the Peng-Robinson equation of state and the liquid phase activity coefficient is calculated by the Pitzer model. This work aimed to improve the calculation of the activity coefficient by proposing a set of Pitzer interaction parameters optimized from experimental data obtained at LaTEP. Thus, this work made it possible to integrate a set of parameters for the CO2-H2O-NaCl, CO2-H2O-CaCl2, CO2-H2O-Na2SO4 and CO2-H2O-MgCl2 systems under T-P-msalt conditions (T: 273-473 K; P: 0.1-60 MPa; msalt: 0-6.3 mol/kg) of interest for geological CO2 storage projects in deep aquifers.
Le Laboratoire de Thermique, Énergétique et Procédés (LaTEP) et le Bureau de Recherches Géologiques et Minières (BRGM) collaborent de longue date à travers différents projets sur le stockage géologique du CO2 en aquifères profonds pour limiter les émissions de gaz à effet de serre. Selon le réservoir sélectionné, une grande variabilité des conditions de température, pression et composition de l’aquifère est à prévoir. La solubilité du CO2 variant de manière significative en fonction de ces conditions, il est important d’en avoir une connaissance précise pour évaluer les capacités de stockage d’un réservoir. Ainsi, un des objectifs de notre équipe est de caractériser l’équilibre thermodynamique de systèmes sous hautes pression / température et salinité élevée. L’étude en cours porte sur la compréhension de l’effet des différents sels dissous en phase aqueuse sur la solubilité du CO2 dans des conditions de température et pression pouvant aller jusqu’à 423,15 K et 20 MPa. Le premier objectif a consisté en l’acquisition de données expérimentales de solubilité du CO2 dans des solutions aqueuses contenant Na2SO4 et MgCl2. Plus de 90 points ont été obtenus pour la gamme de pression, température et salinité suivante : T = 303-423 K ; P = 1,5-20 MPa ; msel = 0-5 mol/kg. Le second volet de cette thèse porte sur la modélisation de l’équilibre du CO2-solutions salées aux conditions T-P-salinités évoquées précédemment, l’objectif étant de perfectionner le modèle d'équilibre de phase présent dans le logiciel PhreeSCALE, en implémentant les bases de données thermodynamiques. Le logiciel PhreeSCALE, basé sur le logiciel PHREEQC, utilise l’approche dissymétrique γ-φ pour déterminer la solubilité du CO2 dans des solutions salées. Pour ce faire, le coefficient de fugacité du CO2 en phase vapeur est déterminé par l’équation d’état de Peng-Robinson et le coefficient d’activité en phase liquide est calculé par le modèle de Pitzer. Ce travail a visé à améliorer le calcul du coefficient d’activité en proposant un jeu de paramètres d’interaction de Pitzer optimisés à partir de données expérimentales obtenues au LaTEP. Ainsi, ce travail a permis d’intégrer un jeu de paramètres pour les systèmes CO2-H2O-NaCl, CO2-H2O-CaCl2, CO2-H2O-Na2SO4 et CO2-H2O-MgCl2 aux conditions T-P-msel (T : 273-473 K ; P :0.1-60 MPa ; msel : 0-6,3 mol/kg) d’intérêt pour les projets de stockage géologique du CO2 en aquifères profonds.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04868178 , version 1 (06-01-2025)

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  • HAL Id : tel-04868178 , version 1

Citer

Pedro Felipe dos Santos. Caractérisation thermodynamique du système sous pression CO2 - Impuretés (NOx,N2) (Pmax 150 bar et Tmax 150°C). Thermique [physics.class-ph]. Université de Pau et des Pays de l'Adour, 2021. Français. ⟨NNT : 2021PAUU3062⟩. ⟨tel-04868178⟩
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