Comportement thermodynamique des systèmes soufrés à haute pression et haute température : approche expérimentale et numérique

Thermodynamic behavior of sulfur and nitrogen systems at high pressure and high temperature : Experimental and numerical approach

• Auteur / Autrice : Khouloud Saadallah
• Direction : Jérôme Sterpenich, Marie-Camille Jodin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Soutenance le 19/12/2023
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIReNa - Science et ingénierie des ressources naturelles (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GeoRessources
• Jury : Président / Présidente : Samuel Marre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jérôme Sterpenich, Marie-Camille Jodin, Christophe Coquelet, Véronique Lachet, Silvia Lasala
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Samuel Marre, Christophe Coquelet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diagrammes de phases

Mélanges (chimie)

Dioxyde de soufre

Méthode de Monte-Carlo

Thermodynamique

Spectroscopie Raman

Captage et stockage géologique du dioxyde de carbone

Solubilité

Gaz

Mots clés libres

Solubilité des gaz

Stockage de CO₂

Spectroscopie Raman

Thermodynamique

Simulation moléculaire

Diagramme de phase

Gas solubility

CO₂ Storage

Raman spectroscopy

Thermodynamic

Monte Carlo Molecular Simulation

Phase diagram

Résumé

Le captage, l'utilisation et le stockage du carbone (CCUS) est l'une des méthodes qui peuvent être utilisées pour contrôler les émissions de CO₂ dans l'atmosphère et limiter le réchauffement de la planète. Le flux de CO₂ injecté sous terre peut contenir de petites quantités de composants gazeux associés tels que le SO₂. La capacité de stocker le CO₂ avec d'autres impuretés fait encore l'objet de recherches. L'existence de ces impuretés pourrait avoir un impact sur la conception et le fonctionnement des CCUS. Pour garantir le stockage à long terme du CO₂ dans des conditions sûres et durables, il est obligatoire de prendre en compte les gaz co-injectés lors de la conception et du traitement du captage, du transport et du stockage. La connaissance des propriétés thermodynamiques de ces mélanges gazeux est nécessaire pour comprendre le rôle joué par ces impuretés sur la chaîne du CCUS. Les données telles que la solubilité sont nécessaires pour comprendre et prédire, sur la base de codes géochimiques, le comportement des gaz injectés dans les formations géologiques souterraines. Avant d'aborder l'étude des mélanges ternaires contenant du CO₂, du SO₂ et de l'eau, l'accent est mis sur la solubilité du SO₂ dans l'eau. Malheureusement, il n'existe que peu d'informations sur les systèmes binaires contenant ces gaz. L'objectif de cette étude est d'acquérir de nouvelles données thermodynamiques sur le SO₂ dans des conditions géologiques de pression et de température. La solubilité du SO₂ dans l'eau est mesurée par spectroscopie Raman à l'aide de cellules optiques à haute pression et de capsules capillaires après un étalonnage basé sur la simulation moléculaire Monte Carlo (MC) et les données de la littérature. De nouvelles données de solubilité sont alors proposées pour le SO₂. L'objectif final de ce travail est d'évaluer l'impact du SO₂ sur le mélange CO₂/H₂O. En utilisant la simulation de Monte Carlo pour le mélange ternaire contenant SO₂/CO₂/H₂O, les résultats montrent qu'à faible taux de SO₂, son effet peut être négligeable sur les variations de solubilité du CO₂ dans l'eau. Cependant, à une pression plus élevée, cet effet doit être considéré. Dans l'ensemble, ce travail démontre que la combinaison des données expérimentales de la spectroscopie Raman et des simulations moléculaires est pertinente pour combler le manque d'informations sur les mélanges de gaz des systèmes rencontrés dans les opérations de CCUS.

Carbon Capture, Utilization and Storage (CCUS) is one of the mitigation approaches that can be used to control CO₂ emissions into the atmosphere and to limit global warming. The CO₂ stream injected underground may contain small amounts of associated gaseous components such as SO₂. The capability of storing CO₂ along with other impurities is still under research. The existence of these impurities might impact the design and operation of CCUS. To ensure the long-term CO₂ storage under safe and sustainable conditions, it is mandatory to take the co-injected gases into consideration when designing and processing the capture, transport, and storage. The knowledge of thermodynamic properties of these gas mixtures is required to understand the role played by those impurity gases in CCUS. Thermodynamic data such as solubility are required to understand and predict, based on geochemical codes, the behavior of the gases injected in subsurface geological formations. Before moving into the study of ternary mixtures containing CO₂, SO₂ and water, the major focus is the solubility of SO₂ in water. Unfortunately, there is only scarce information on hazardous binary systems containing such gases. The purpose of this study is to acquire new thermodynamic data on SO₂ under geological conditions of pressure and temperature. The solubility of SO₂ in water is measured by Raman spectroscopy using high-pressure optical cells and capillary capsules after a calibration based on Monte Carlo (MC) molecular simulation and literature data. New solubility data are measured for SO₂. The final objective of this work is to evaluate the impact that SO₂ has on CO₂/H₂O mixture. Using Monte Carlo simulation for the ternary mixture containing SO₂/CO₂/H₂O, the results show that at lower SO₂ impurity, the effect of SO₂ might be negligible when it comes to CO₂ solubility change. However, at higher pressure, this effect is more noticeable. Overall, this work demonstrates that combining experimental data from Raman spectroscopy and molecular simulations is relevant to fill the lack of information for gas mixtures from systems encountered in CCS operations.