Development of computational algorithms and thermodynamic models for multiphase, multicomponent CO2 mixtures

Νικολαΐδης, Ηλίας; Nikolaidis, Ilias

dc.contributor.author	Νικολαΐδης, Ηλίας	el
dc.contributor.author	Nikolaidis, Ilias	en
dc.date.accessioned	2016-09-21T09:43:34Z
dc.date.available	2016-09-21T09:43:34Z
dc.date.issued	2016-09-21
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/43619
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.5695
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Υπολογιστική Μηχανική”	el
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Computational algorithms	en
dc.subject	Multiphase equilibrium	en
dc.subject	Thermodynamic models	en
dc.subject	CO2 mixtures	en
dc.subject	Solidification	en
dc.subject	Θερμοδυναμικά μοντέλα	el
dc.subject	Πολυφασική ισορροπία	el
dc.subject	Υπολογιστικοί αλγόριθμοι	el
dc.subject	Μείγματα διοξειδίου του άνθρακα	el
dc.subject	Στερεοποίηση	el
dc.title	Development of computational algorithms and thermodynamic models for multiphase, multicomponent CO2 mixtures	en
heal.type	masterThesis
heal.classification	Thermodynamics	en
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2015-10-12
heal.abstract	Carbon Capture and Sequestration (CCS) is a technology designed to reduce carbon dioxide (CO2) emissions from large point sources of production. CCS has grown in recent years from lab and pilot scale activity to a full blown industrial process. Preliminary conceptual design, detailed design, simulation and optimization of a CCS process require, among others, accurate knowledge of the physical properties of the chemical system involved. CO2 is typically captured from fossil fuel power plants and is transported through pipelines to the appropriate storage location. This fluid stream contains different chemical impurities in various concentrations, that depend on the initial process and the type of pre-treatment imposed to the stream prior to transportation. Accurate knowledge of the physical properties of the chemical system as a function of temperature, pressure and composition is required. Quite often, the system exists in more than one phase (i.e., liquid, vapor and/or solid) and as a result process design calculations have to take into account the phase equilibrium conditions and also the composition of the relevant phases and the respective physical property values. The calculation of the physical properties of the stream and the phase equilibria are calculated traditionally with Equations of State (EoS). The two challenges that arise are the accurate prediction or correlation of the physical properties of the system and the conditions of instability, where the system is going to split into two or more coexisting phases. Moreover, calculation of phase equilibria itself generates various computational challenges and the need of robust algorithms has driven a wealth of mathematical formulations of the phase equilibrium problem. In this work, a robust numerical scheme for the calculation of constant composition (isoplethic) phase diagrams of complex multicomponent mixtures has been developed. The scheme refers to the sequential calculation of the phase envelope of a mixture by guiding the estimation for the equilibrium curve via the introduction of a ―spring‖ that sets the slope value of the modified tangent plane distance with respect to either temperature or pressure. A simple variation of the proposed method allows direct estimation of the Cricondentherm (maximum temperature) and/or Cricondenbar (maximum pressure) points, thus avoiding the calculation of the entire phase diagram. Extensive tests of the proposed scheme for different types of phase diagrams, using both cubic and higher order EoS have been performed. Moreover, several EoS have been used to model the vapor - liquid phase behavior of binary, ternary and multicomponent mixtures of CO2 with other gases. Extensive comparisons with experimental data available in the literature have been performed to validate the predictive and the correlative capabilities of each fluid equation of state. Calculations have been also ii extended to modeling the two and multiphase solid – fluid equilibria of binary CO2 mixtures, so that the effect of impurities on the solidification phenomena could be assessed. A new algorithm for the calculation of the solid – liquid – gas (SLG) equilibrium has been developed and different solid modeling approaches have been coupled with various fluid EoS. The resulting models have been validated against experimental SLG data available in the literature.	en
heal.abstract	Η δέσμευση και γεωλογική αποθήκευση του άνθρακα (Carbon Capture and Sequestration) είναι μία τεχνολογία σχεδιαμένη για τη μείωση των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα (CO2) από μεγάλες σημειακές πηγές παραγωγής. Η διεργασία έχει εξελιχθεί τα τελευταία χρόνια από εργαστηριακή και πιλοτική κλίμακα σε πλήρη βιομηχανική διεργασία, ενώ ο προκαταρκτικός και αναλυτικός σχεδιασμός, η προσομοίωση και βελτιστοποίηση της διεργασίας απαιτούν, μεταξύ άλλων, ακριβή γνώση των φυσικοχημικών ιδιοτήτων του εμπλεκόμενου χημικού συστήματος. Το CO2 δεσμεύεται συνήθως από ηλεκτροπαραγωγικές μονάδες καύσης ορυκτών καυσίμων και μεταφέρεται μέσω δικτύου αγωγών σε κατάλληλους χώρους αποθήκευσης. Το ρεύμα που μεταφέρεται περιέχει διάφορες χημικές προσμίξεις σε διαφορετικά επίπεδα συγκεντρώσεων, τα οποία εξαρτώνται από την αρχική διεργασία και το είδος της προεπεξεργασίας η οποία εφαρμόζεται στο ρεύμα πριν τη μεταφορά. Η ακριβής γνώση των φυσικοχημικών ιδιοτήτων του χημικού συστήματος ως συνάρτηση της θερμοκρασίας, της πίεσης και της σύστασης είναι απαραίτητη. Επιπλέον, συχνά το σύστημα συνυπάρχει σε παραπάνω από μία φάσεις (υγρή, ατμώδης και/ή στερεή) και συνεπώς ο σχεδιασμός της διεργασίας πρέπει να λάβει υπόψη τις συνθήκες ύπαρξης ισορροπίας φάσεων, όπως επίσης και τη σύσταση και τις ιδιότητες των φάσεων. Ο υπολογισμός των φυσικοχημικών ιδιοτήτων του ρεύματος και η ισορροπία φάσεων, υπολογίζονται παραδοσιακά με καταστατικές εξισώσεις (ΚΕ). Οι δύο προκλήσεις οι οποίες προκύπτουν είναι η ακριβής πρόβλεψη ή συσχέτιση των φυσικοχημικών ιδιοτήτων και ο προσδιορισμός των συνθηκών αστάθειας, όπου το σύστημα θα διαχωριστεί σε δύο ή περισσότερες συνυπάρχουσες φάσεις. Επιπλέον, ο ίδιος ο υπολογισμός της ισορροπίας φάσεων παρουσιάζει διάφορες προκλήσεις και η ανάγκη για εύρωστους αλγορίθμους έχει οδηγήσει σε μια πληθώρα μαθηματικών διατυπώσεων. Στην παρούσα εργασία αναπτύχθηκε ένα εύρωστο αριθμητικό σχήμα για τον υπολογισμό του διαγράμματος ισορροπίας φάσεων υπό σταθερή σύσταση για πολύπλοκα, πολυσυστατικά μείγματα. Το σχήμα αναφέρεται στον διαδοχικό υπολογισμό του διαγράμματος φάσης ενός μείγματος με το να οδηγείται η εκτίμηση για την καμπύλη ισορροπίας μέσω της εισαγωγής ενός «ελατηρίου» το οποίο θέτει την τιμή της κλίσης της τροποποιημένης εφαπτομενικής απόστασης από επίπεδο ως προς την θερμοκρασία ή την πίεση. Με μια απλή τροποποίηση, η προτεινόμενη μέθοδος επιτρέπει τον απευθείας προσδιορισμό των σημείων Cricondentherm (σημείο μέγιστης θερμοκρασίας) και/ή Cricondenbar (σημείο μέγιστης πίεσης), αποφεύγοντας με αυτόν τον τρόπο τον υπολογισμό ολόκληρου του φασικού διαγράμματος. Στο πλαίσιο εφαρμογής της μεθόδου, πραγματοποιήθηκαν εκτενείς δοκιμές του προτεινόμενου σχήματος σε διαφορετικούς τύπους διαγραμμάτων φάσης, χρησιμοποιώντας κυβικές και ανώτερης τάξης καταστατικές εξισώσεις. Επιπλέον, διαφορετικές ΚΕ χρησιμοποιήθηκαν για τη μοντελοποίηση της ισορροπίας φάσεων υγρού – ατμού δυαδικών, τριαδικών και πολυσυστατικών μειγμάτων CO2 με άλλα αέρια. Εκτενής σύγκριση με πειραματικά δεδομένα διαθέσιμα στη βιβλιογραφία πραγματοποιήθηκε, για να αξιολογηθούν οι ικανότητες πρόβλεψης και συσχέτισης της κάθε ΚΕ. Οι υπολογισμοί επιπλέον επεκτάθηκαν στη μοντελοποίηση της διφασικής και πολυφασικής ισορροπίας στερεού – ρευστού δυαδικών μειγμάτων CO2, έτσι ώστε να αξιολογηθεί η επίδραση προσμίξεων στα φαινόμενα στερεοποίησης. Ένας νέος αλγόριθμος για τον υπολογισμό της ισορροπίας στερεού – υγρού – αερίου αναπτύχθηκε και διαφορετικές προσεγγίσεις μοντελοποίησης της στερεής φάσης συζεύκτηκαν με διάφορες ΚΕ ρευστής φάσης. Οι προβλέψεις των μοντέλων που προέκυψαν αξιολογήθηκαν με βάση πειραματικά δεδομένα διαθέσιμα στη βιβλιογραφία.	el
heal.advisorName	Μπουντουβής, Ανδρέας	el
heal.committeeMemberName	Μπουντουβής, Ανδρέας	el
heal.committeeMemberName	Οικονόμου, Ιωάννης	el
heal.committeeMemberName	Θεοδώρου, Θεόδωρος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	136 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true