Propriétés thermodynamiques et de transport des fluides complexes dans le cadre du captage et de la séquestration du CO2: approche expérimentale et modélisation

Thermodynamic and transport properties of complex fluids in the context of carbon capture and sequestration: an experimental and modeling approach

• Auteur / Autrice : Ehsan Asadi
• Direction : Jérôme Sterpenich
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Inscription en doctorat le 27/11/2023
• 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

Mots clés

Mots clés libres

Thermodynamique

Experimentation

Ccus

Thermodynamics

Experiments

Ccus

Résumé

En fonction du procédé industriel et de technologies de captage du CO2 utilisées pour décarboner l'industrie, les flux de CO2 captés peuvent contenir différentes impuretés ou gaz annexes, telles que N2, O2, Ar, H2O, CO, H2, COS, SOx, NOx, CH4 et H2S. De plus, leur interaction avec l'environnement géologique de stockage, à des pressions élevées, donne lieu à une multitude de réactions complexes avec les minéraux. Cette complexité montre implique une difficulté à modéliser les propriétés thermophysiques de ces mélanges et à déterminer la précision des modèles appliqués. Aujourd'hui, le développement de modèles thermodynamiques nécessite encore l'acquisition de données expérimentales ; en effet, il n'existe aucun modèle qui soit entièrement prédictif. Cependant, les données expérimentales d'équilibre de phase et de point critique, essentielles à l'optimisation des modèles thermodynamiques, sont toujours lacunaires pour plus d'un tiers des mélanges binaires résultant de la combinaison binaire des molécules formant les mélanges d'intérêt dans le CCUS. De plus, les données thermodynamiques des mélanges multicomposants sont presque absentes de la littérature (seuls trois mélanges ternaires à base de CO2 sont connus: CO2-CH4-H2, CO2-CH4-N2, CO2-H2S-CH4). De même, un faible nombre de mélanges contenant des molécules toxiques (CO, SOx, NOx, H2S et COS) sont caractérisés expérimentalement. Les modèles thermodynamiques disponibles ne sont donc que partiellement optimisés (c'est-à-dire sur un nombre limité de systèmes) et ne sont pas validés sur des données de mélanges multicomposants car ces dernières ne sont pas disponibles. En outre, il est un fait que les simulateurs de processus tels que Aspen Plus ou ProII, utilisés dans l'industrie ou par les groupes de recherche travaillant sur l'optimisation des systèmes de captage du CO2, n'utilisent actuellement des modèle thermodynamiques simples et peu précis. Ceci peut avoir des répercussions directes sur le dimensionnement de colonnes de distillation pour la séparation des gaz par exemple. Si des modèles thermodynamiques sont disponibles pour décrire la thermodynamique des mélanges, les modèles permettant de prédire les propriétés de transport des systèmes multicomposants n'existent pas encore. En effet, des corrélations empiriques ne sont disponibles que pour des fluides purs ou des mélanges bien connus (comme l'air ou le mélange de gaz naturel) mais indisponibles pour tout autre système. Récemment, l'équipe ''Thermodynamique et Energie'' du LRGP a développé la première approche théorique permettant de déterminer de manière fiable les propriétés de transport à partir d'une équation d'état. En accord avec à l'état de l'art présenté ci-dessus, la collaboration entre GeoRessources et ThermE (LRGP) sera axée sur une recherche approfondie permettant la caractérisation expérimentale de mélanges CCUS multicomposants, la validation de modèles thermodynamiques sur ces données, ainsi que le calcul des propriétés thermodynamiques et de transport au moyen d'une équation d'état. Un autre objectif réside dans la création d'un programme informatique incorporant ces modèles et permettant d'effectuer des calculs thermodynamiques de mélanges CCUS.

Depending both on the industrial process to be decarbonized and on the type of CO2-capture technology, captured CO2 streams may contain different types and amounts of impurities, such as N2, O2, Ar, H2O, CO, H2, COS, SOx, NOx, CH4 and H2S. Moreover, their interaction with geological substrates, at high pressures, gives rise to even more diversified and complex fluid mixtures containing, also, mineral compounds. This complexity suggests the difficulty in modelling the thermophysical properties of these mixtures and in quantifying the accuracy of applied models. Today, the development of thermodynamic models still requires experimental data; indeed, no model exists which is entirely predictive. However, phase equilibrium and critical point experimental data, pivotal in the optimization of their thermodynamic models, are still missing for more than 1/3 of the binary mixtures resulting from the binary combination of the molecules forming CCS mixtures. Moreover, thermodynamic data of multicomponent mixtures involved in CCS processes are almost absent in the literature (only three CO2-based ternary mixtures are measured: CO2-CH4-H2, CO2-CH4-N2, CO2-H2S-CH4). Also, a scarce number of mixtures containing toxic molecules (CO, SOx, NOx, H2S and COS) are experimentally characterized. The available thermodynamic models are therefore only partially optimised (i.e. on a limited number of systems) and are not validated on multi-component mixture data as the latter are not available. Furthermore, it is a fact that process simulators such as Aspen Plus or ProII, used in industry or by research groups working on the optimisation of CO2 capture systems, currently only use simple and not very accurate thermodynamic models. This can have direct repercussions on the design of distillation columns for gas separation, for example. While thermodynamic models are available to describe the thermodynamics of mixtures, models to predict the transport properties of multicomponent systems do not yet exist. Indeed, empirical correlations are only available for pure fluids or well known mixtures (such as air or natural gas mixtures) but are not available for any other system. Recently, the 'Thermodynamics and Energy' team of the LRGP has developed the first theoretical approach to reliably determine transport properties from an equation of state. In line with the state of the art presented above, the collaboration between GeoRessources and ThermE (LRGP) will focus on in-depth research allowing the experimental characterisation of multi-component CCUS mixtures, the validation of thermodynamic models on these data, as well as the calculation of thermodynamic and transport properties by means of an equation of state. Another objective is to create a computer program incorporating these models and allowing thermodynamic calculations of CCUS mixtures to be performed.