Ανάπτυξη μιας νέας καταστατικής εξίσωσης για την πρόβλεψη ιδιοτήτων πετρελαϊκών ρευστών

Ζαρκαλίου, Αχιλλέας; Zarkaliou, Achilleas

dc.contributor.author	Ζαρκαλίου, Αχιλλέας	el
dc.contributor.author	Zarkaliou, Achilleas	en
dc.date.accessioned	2018-11-23T12:26:54Z
dc.date.available	2018-11-23T12:26:54Z
dc.date.issued	2018-11-23
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/48117
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.15954
dc.rights	Default License
dc.subject	Φυσικό αέριο	el
dc.subject	Καταστατική εξίσωση	el
dc.subject	Ισορροπία φάσεων	el
dc.subject	Θερμοδυναμικό μοντέλο	el
dc.subject	UMR-PR FIT	el
dc.title	Ανάπτυξη μιας νέας καταστατικής εξίσωσης για την πρόβλεψη ιδιοτήτων πετρελαϊκών ρευστών	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Χημική θερμοδυναμική	el
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/12f978f53da9dfd6e96febfecdddcd4833f20027
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2018-09
heal.abstract	Η γνώση της ισορροπίας φάσεως είναι ιδιαίτερα σημαντική για τον σχεδιασμό διεργασιών που αφορούν την βιομηχανία φυσικού αερίου, όπως η εξόρυξη, η αποθήκευση, η μεταφορά και η τελική διανομή στο καταναλωτή. Για το λόγο αυτό στη βιομηχανία χρησιμοποιούνται ευρύτατα, θερμοδυναμικά μοντέλα πρόβλεψης ισορροπίας φάσης υγρού- ατμού. Μια τέτοια κατηγορία μοντέλων, είναι τα αποκαλούμενα EoS -GE , τα οποία συνδυάζουν μια κυβική καταστατική εξίσωση με ένα μοντέλο πρόβλεψης συντελεστού ενεργότητας, αναπτύσσοντας με αυτό τον τρόπο νέους, προηγμένους κανόνες ανάμειξης για τις κυβικές καταστατικές εξισώσεις σε σχέση με του κλασσικούς κανόνες ανάμειξης van der Waals του ενός ρευστού. Στην παρούσα διπλωματική εργασία αναπτύχθηκε ένα μοντέλο της συγκεκριμένης κατηγορίας με σκοπό την χρήση του για την πραγματοποίηση υπολογισμών σε πετρελαϊκά ρευστά. Το μοντέλο που αναπτύχθηκε κάνει χρήση της καταστατικής εξίσωσης Peng-Robinson Fit (PR-Fit) και των κανόνων ανάμιξης Universal Mixing Rules (UMR), που έχουν αναπτυχθεί στο Εργαστήριο Θερμοδυναμικής και Φαινομένων Μεταφοράς (ΕΘΦΜ). Η PR-Fit, διαφέρει ως προς τη χρήση ψευδοκρίσιμων ιδιοτήτων και ακεντρικού παράγοντα(T’C ,P’C και ω’), από την κλασσική PR, που χρησιμοποιεί τις πειραματικές τιμές για αυτές τις ιδιότητες. Οι νέες τιμές T’C ,P’C και ω’ προκύπτουν μέσω προσαρμογής τους σε πειραματικά δεδομένα τάσης ατμών και κορεσμένου όγκου υγρής φάσης. Η μελέτη της ανάπτυξης του EoS-GE μοντέλου UMR-PR Fit αποτελεί σύνθεση τριών επιμέρους σταδίων: - της μελέτης της ισορροπίας φάσεων υγρού-ατμού καθαρών συστατικών, δυαδικών μιγμάτων και τέλος πολυσυστατικών μιγμάτων. Καθ’ όλη την διάρκεια της παραπάνω μελέτης πραγματοποιήθηκε σύγκριση του υπό ανάπτυξη μοντέλου με το αντίστοιχο μοντέλο UMR-PRU, το οποίο αναπτύχθηκε στο ΕΘΦΜ. Η μελέτη της περιγραφής ισορροπίας φάσης υγρού-ατμού σε καθαρά συστατικά έγινε μέσω της πρόρρησης τάσης ατμών και κορεσμένων όγκων υγρής φάσης με τις καταστατικές εξισώσεις PR και PR -Fit. Η σύγκριση των αποτελεσμάτων έδειξε ότι η χρήση των τροποποιημένων τιμών για τις κρίσιμες ιδιότητες και τον ακεντρικό παράγοντα βελτίωσε την ακρίβεια των υπολογισμών σημαντικά. Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε υπολογισμός των ενεργειακών παραμέτρων αλληλεπίδρασης της UNIFAC μέσω προσαρμογής σε πειραματικά δεδομένα. Οι αλληλεπιδράσεις που εξετάστηκαν είναι μεταξύ των ομάδων των αερίων (CH4, C2H6, CO2 και N2) και των ομάδων των παραφινικών, ναφθενικών και αρωματικών υδρογονανθράκων. Η παραπάνω διαδικασία πραγματοποιήθηκε με τρείς διαφορετικούς κανόνες συνδυασμού για την παράμετρο του απωστικού όρου της K.E., τα οποία θα αποκαλούνται UMR-PR Fit[s=1,s=2,s=4/3]. Ακολούθησαν υπολογισμοί ισορροπίας για δυαδικά μίγματα για όλα τα αέρια και το σύνολο των υδρογονανθράκων. Η πρόρρηση πιέσεων ισορροπίας και ποσοστού ατμώδους φάσης σε δυαδικά με τα παραπάνω μοντέλα έδωσε παρόμοια αποτελέσματα και για τα τρία μοντέλα UMR-PR Fit που αναπτύχθηκαν. Η σύγκριση των αποτελεσμάτων των UMR-PR Fit με το UMR-PRU μας οδηγεί στο συμπέρασμα ότι οι δυαδικές παράμετροι που υπολογίστηκαν περιγράφουν ικανοποιητικά τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ομάδων των αερίων που μελετήθηκαν. Η ανωτέρω μελέτη ολοκληρώθηκε με την εφαρμογή των θερμοδυναμικών μοντέλων που αναπτύχθηκαν σε πολυσυστατικά μίγματα. Η εξέταση της συμπεριφοράς των μοντέλων σε πολυσυστατικά μίγματα έγινε μέσω των υπολογισμών ισορροπίας σε μια σειρά από μίγματα φυσικού αερίου, συνθετικά (SNGs) και πραγματικά (RNGs), καθώς και σε συνθετικά μίγματα αέριων ταμιευτήρων (SGCs). Για τα SNGs τα περισσότερα πειραματικά σημεία βρίσκονται κοντά στο cricondentherm για το λόγο αυτό η αξιολόγηση των μοντέλων έγινε μέσω υπολογισμών θερμοκρασίας υπό σταθερή πίεση, για όλο το εύρος θερμοκρασιών των πειραματικών δεδομένων. Για τα συνθετικά μίγματα συνθετικών φυσικών αερίων, τα μοντέλα UMR-PR Fit[s=2] και UMR-PR Fit[s=4/3] παρουσιάζουν χαμηλά σφάλματα, παρόμοια με το μοντέλο UMR-PRU. Το μοντέλο UMR-PR Fit[s=1] πέραν του ελαφρώς αυξημένου σφάλματος παρουσιάζει και ανικανότητα πρόβλεψης διφασικής ισορροπίας για περισσότερα πειραματικά σημεία. Η βελτίωση του UMR-PR Fit[s=2] και UMR-PR Fit[s=4/3] ως προς το αντίστοιχο UMR-PRU οφείλεται στην τάση των συγκεκριμένων μοντέλων να εκτιμούν καλύτερα τις υψηλότερες πιέσεις σημείου δρόσου, κοντά στο σημείο μέγιστης -πίεσης διφασικής ισορροπίας (cricondenbar). Στην συγκεκριμένη περιοχή το UMR-PRU υποεκτιμά τα πειραματικά δεδομένα. Ωστόσο στην περιοχή του σημείου μέγιστης- θερμοκρασίας διφασικής ισορροπίας (cricondentherm), τα σφάλματα των μοντέλων UMR-PR Fit[s=2] και UMR-PR Fit[s=4/3] είναι υψηλότερα από αυτά που λαμβάνουμε με το UMR-PRU. Η παραπάνω συμπεριφορά παρατηρείται εντονότερα στα μίγματα των πραγματικών φυσικών αερίων που εξετάστηκαν. Όπως και στα μίγματα των συνθετικών φυσικών αερίων, τα μοντέλα UMR-PR Fit[s=2] και UMR-PR Fit[s=4/3] δίνουν καλύτερα αποτελέσματα στις υψηλότερες πιέσεις, ενώ παρουσιάζουν αυξημένο σφάλμα κοντά στο cricondentherm σε σχέση με το UMR-PRU. Η μελέτη ισορροπίας φάσης υγρού-ατμού διαφοροποιείται για τα συνθετικά μίγματα αέριων ταμιευτήρων ως προς το είδος των υπολογισμών που πραγματοποιούνται για την αξιολόγηση των μοντέλων. Για τα συγκεκριμένα μίγματα τα περισσότερα σημεία βρίσκονται κοντά στην περιοχή του cricondenbar για το λόγο αυτό πραγματοποιήθηκαν υπολογισμοί πίεσης υπό σταθερή θερμοκρασία για όλο το εύρος πιέσεων των πειραματικών δεδομένων. Για τα συγκεκριμένα συστήματα τα σφάλμα είναι μικρότερο για το μοντέλο UMR-PR Fit[s=4/3]. Το μοντέλο UMR-PR Fit[s=2] παρουσιάζει επίσης ικανοποιητικά αποτελέσματα. To UMR-PR Fit[s=1] παρουσιάζει και εδώ αδυναμία πρόβλεψης διφασικής ισορροπίας σε πολλές περιπτώσεις. Τέλος πραγματοποιήθηκαν υπολογισμοί ποσοστού όγκου υγρών συμπυκνωμάτων (Volume percent Liquid) σε μίγματα φυσικού αερίου. Τα σφάλματα που παρουσιάζουν τα μοντέλα UMR-PR Fit, ενώ είναι μικρότερα από τα αντίστοιχα του UMR-PRU, δεν καθιστούν κάποιο από αυτά ιδιαίτερα αξιόπιστο ως προς τον υπολογισμό της συγκεκριμένης ιδιότητας. Η παραπάνω μελέτη οδηγεί στο συμπέρασμα ότι το μοντέλο UMR-PR Fit[s=2] είναι ένα αρκετά αξιόπιστο εργαλείο πρόβλεψης και περιγραφής ισορροπίας φάσης υγρού-ατμού για πετρελαϊκά ρευστά και ιδιαίτερα για μίγματα φυσικού αερίου.	el
heal.abstract	The knowledge of vapor-liquid phase equilibria is very important for the designing of processes which concern the oil and gas industry. For these reason thermodynamic models are vastly used for the prediction of phase equilibria behavior. A category of those models is E the EoS-G which combine a cubic equation of state (EoS) with a an activity coefficient model, in order to create new superior combing rules. In this diploma Thesis the UMR-PR Fit model was developed, which combines the PR-Fit EoS with the Universal Mixing Rules (UMR) that were developed at the Thermodynamics and Transport Phenomena Lab. The PR Fit EoS differs from the original PR by the use of pseudocritical and acentric factor (Tc’,Pc’ω’) instead of the experimental values of the pure components. The new modified values were generated from fitting of experimental pressure and liquid volume data. The development of the UMR-PR Fit model was conducted in three stages, the prediction of pure component phase equilibria for pure components, binary mixtures and finally multicomponent systems. The results of pure components phase equilibria calculation showed significant improvement with the use of PR-Fit EoS instead of the original PR. Subsequently we calculated the binary interaction parameters for the UNIFAC groups needed, in order to apply the UMR-PR Fit model in mixtures similar to those of petroleum fluids. This procedure was repeated for three different combing rules for the repulsive term b of the PR EoS. As a result we developed three models which are called UMR-PR Fit[s=2,s=4/3 and s=1]. The application of the model in binary mixtures gave similar results for all UMR-PR Fit models. The comparison with similar results given by the UMR-PRU model lead to the conclusion that the parameters that were calculated give an efficient description of the group interaction they refer. The final and most important stage of this study was the application of the UMR-PR Fit models that were developed at multicomponent mixtures with composition similar to petroleum fluids. The models were used for phase equilibria calculation at synthetic natural gas mixtures, real natural gas mixtures and synthetic natural gas condensates. From the evaluation of the UMR-PR Fit models application in those systems we conclude that the UMR-PR Fit[s=2]thermodynamic model is an efficient and accurate tool for phase equilibria predictions in natural gas mixtures.	en
heal.advisorName	Βουτσάς, Επαμεινώνδας	el
heal.committeeMemberName	Βουτσάς, Επαμεινώνδας	el
heal.committeeMemberName	Καραγιάννη, Χάιδω-Στεφανία	el
heal.committeeMemberName	Μαγουλάς, Κωνσταντίνος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Ανάλυσης, Σχεδιασμού και Ανάπτυξης Διεργασιών και Συστημάτων (ΙΙ). Εργαστήριο Θερμοδυναμικής και Φαινομένων Μεταφοράς	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	160 σ.
heal.fullTextAvailability	true