Μελέτη και προσομοίωση της διεργασίας ανάμειξης CO2 σε υδατικά διαλύματα αλάτων

Πουλόπουλος, Ιωάννης; Poulopoulos, Ioannis

dc.contributor.author	Πουλόπουλος, Ιωάννης	el
dc.contributor.author	Poulopoulos, Ioannis	en
dc.date.accessioned	2020-11-10T13:59:36Z
dc.date.available	2020-11-10T13:59:36Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/51884
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.19582
dc.rights	Default License
dc.subject	Διοξείδιο	el
dc.subject	Μοντελοποίηση	el
dc.subject	Έγχυση	el
dc.subject	Προσομοίωση	el
dc.subject	Dioxide	en
dc.subject	Θερμοδυναμική	el
dc.subject	Injection	en
dc.subject	Modeling	en
dc.subject	Thermodynamics	en
dc.subject	Simulation	en
dc.title	Μελέτη και προσομοίωση της διεργασίας ανάμειξης CO2 σε υδατικά διαλύματα αλάτων	el
dc.title	Development and simulation of the production process of carbonated water for injection in oil reservoirs	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Process Analysis, Plant Design, Thermodynamics	en
heal.classification	Ανάλυση Διεργασιών, Σχεδιασμός Διεργασιών, Θερμοδυναμική	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2020-10-09
heal.abstract	Την στιγμή που η συγκέντρωση του διοξειδίου του άνθρακα αυξάνεται στην ατμόσφαιρα, η δέσμευση και αποθήκευσή του θεωρείται μία από τις πιο σημαντικές μεθόδους που υπάρχουν για την αντιμετώπιση αυτού του φαινομένου. Παράλληλα, καθώς οι παγκόσμιες ενεργειακές απαιτήσεις αυξάνονται και αρκετά πεδία πετρελαίου βρίσκονται στο τελευταίο στάδιο παραγωγής τους, έχει προκύψει η ανάγκη για την ύπαρξη μιας τεχνολογίας που να οδηγεί σε μία βελτιωμένη ανάκτηση πετρελαίου. Η έγχυση ανθρακούχου νερού θεωρείται ως μία από τις πιο βιώσιμες λύσεις ως απάντηση στα παραπάνω ζητήματα στις διεργασίες πετρελαίου και φυσικού αερίου. Η μέθοδος αυτή έχει τη δυνατότητα να αποθηκεύει CO2, μειώνοντας με αυτό τον τρόπο το αποτύπωμα άνθρακα, και ταυτόχρονα οδηγεί στην ενίσχυση της ανάκτησης του πετρελαίου. Η χρήση του CO2 αποτελεί ένα σημαντικό πλεονέκτημα συγκριτικά με άλλες μεθόδους ενισχυμένης ανάκτησης πετρελαίου. Σε αυτή την τεχνολογία, η ανάκτησή του επιτυγχάνεται μέσω της διάλυσης του CO2 σε νερό, το οποίο μεταφέρεται στην φάση του πετρελαίου βελτιώνοντας την κινητικότητά του και προκαλώντας την διόγκωσή του, φαινόμενα που ενισχύουν την αποδοτικότητα της εκτόπισής του. Η παρούσα διπλωματική ασχολείται με την ανάπτυξη και προσομοίωση της διεργασίας έγχυσης υδατικών διαλυμάτων ορισμένης αλατότητας κορεσμένα με διοξείδιο του άνθρακα. Η διαθεσιμότητα ενός μοντέλου, το οποίο προβλέπει ικανοποιητικά την διαλυτότητα του διοξειδίου του άνθρακα σε υδατικά διαλύματα με άλατα για ένα μεγάλο εύρος πιέσεων, θερμοκρασιών και αλατοτήτων καθίσταται πολύ σημαντική για την ανάπτυξή της. Αρχικά μελετάται η μοντελοποίηση της ισορροπίας φάσεων των μιγμάτων και στη συνέχεια γίνεται προσομοίωση της παραγωγής υδατικών διαλυμάτων ορισμένης αλατότητας κορεσμένα με διοξείδιο του άνθρακα, με χρήση κατάλληλου εμπορικού πακέτου. Γίνεται ανάλυση της επίδρασης των παραμέτρων της διεργασίας ως προς τις ενεργειακές απαιτήσεις της και τα οικονομικά της διεργασίας. Τα μίγματα που συναντώνται σε μια τέτοια διεργασία είναι μίγματα CO2 με νερό ή άλμη, καθώς το νερό το οποίο χρησιμοποιείται είναι θαλασσινό. Επίσης, επειδή το CO2 προέρχεται από τη διεργασία επεξεργασίας πετρελαίου, παρά τον προηγούμενο καθαρισμό του, μπορεί να περιέχει «ρυπαντές», με σημαντικότερους το Ν2 και το Ο2. Όσο αφορά την ισορροπία φάσεων των μιγμάτων αυτών, και συγκεκριμένα τον υπολογισμό της διαλυτότητας του ρεύματος του CO2 σε νερό ή άλμη, οι κλασσικές καταστατικές εξισώσεις δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν, λόγω της αδυναμίας τους να περιγράψουν τους δεσμούς υδρογόνου που χαρακτηρίζουν την ισορροπία εξαιτίας της παρουσίας του νερού αλλά και την επίδραση των ιόντων που προέρχονται από τα ανόργανα άλατα (NaCl) που είναι παρόντα. Σε αυτή την διπλωματική, εξετάζονται δύο υπάρχοντα μοντέλα για την πρόβλεψη της διαλυτότητας του CO2 σε νερό και άλμες NaCl. Το πρώτο μοντέλο είναι το μοντέλο των Duan και Sun, το οποίο εξισώνοντας το χημικό δυναμικό του διοξειδίου του άνθρακα στην υγρή φάση και την αέρια φάση οδηγεί στον υπολογισμό της διαλυτότητας του CO2 χρησιμοποιώντας, για την υγρή φάση, εξισώσεις τύπου Pitzer για τον υπολογισμό των παραμέτρων αλληλεπίδρασης μεταξύ των ιόντων και του CO2 και του χημικού δυναμικού του CO2 σε υποθετικά ιδανικό διάλυμα. Η ατμώδης φάση περιγράφεται μέσω μιας σχέσης έκφρασης του συντελεστή τάσης διαφυγής του CO2 συναρτήσει της πίεσης και της θερμοκρασίας. Το δεύτερο μοντέλο είναι το μοντέλο των Li et al., το οποίο περιγράφει την ισορροπία φάσεων χρησιμοποιώντας την καταστατική εξίσωση Peng-Robinson για την αέρια φάση, ενώ η υδατική φάση περιγράφεται μέσω της σταθεράς Henry και του συντελεστή ενεργότητας που υπολογίζεται μέσω εξισώσεων τύπου Pitzer. Επίσης, στην παρούσα εργασία αναπτύσσεται ένα τρίτο μοντέλο, στο οποίο για την αέρια φάση χρησιμοποιείται η t-m Peng-Robinson. Για την υγρή φάση, η τάση διαφυγής του νερού περιγράφεται όπως παρουσιάζεται από τους Prausnitz et al. και αυτή του CO2 μέσω του συντελεστή Henry. Για τον υπολογισμό του αναπτύσσονται σχέσεις συναρτήσει της θερμοκρασίας και της αλατότητας του νερού, οι σταθερές των οποίων υπολογίζονται με συσχέτιση πειραματικών δεδομένων. Το βασικό πλεονέκτημα του μοντέλου των Duan and Sun, συγκρινόμενο με το μοντέλο της παρούσας εργασίας, είναι ο εύκολος υπολογισμός του συντελεστή τάσης διαφυγής του διοξειδίου του άνθρακα στην ατμώδη φάση που δεν απαιτεί επαναληπτική διαδικασία. Από την άλλη μεριά, το νέο μοντέλο προβλέπει καλύτερα την διαλυτότητα του CO2 σε υψηλές συγκεντρώσεις άλατος, υψηλότερες των 4 mol/kg διαλύτη. Τέλος, το πλεονέκτημα του μοντέλου των Li et al. είναι ότι, παρά την όχι τόσο ακριβή πρόβλεψη της διαλυτότητας του CO2 σε συστήματα CΟ2-νερού-αλάτων, περιλαμβάνει επίσης την επίδραση των προσμείξεων, όπως του O2 και του N2. Στη συνέχεια χρησιμοποιώντας το εμπορικό πακέτο Unisim Design της Honeywell αναπτύσσεται και προσομοιώνεται η διεργασία παραγωγής ανθρακούχου νερού έγχυσης. Δεδομένου ότι τα ενσωματωμένα στο Unisim θερμοδυναμικά μοντέλα δεν περιγράφουν καλά την ισορροπία του συστήματος CO2-O2-N2-νερού και αλάτων, το μοντέλο των Li et al. εισάγεται στο Unisim μέσω του CAPE-OPEN Interface Standard. Περαιτέρω, επειδή το μοντέλο αυτό δεν είναι ικανό να υπολογίσει τις θερμοδυναμικές ιδιότητες του ρευστού, πραγματοποιείται σύγκριση μεταξύ των δύο κλασσικών καταστατικών εξισώσεων, της Peng-Robinson και της Soave-Redlich-Kwong, προκειμένου να βρεθεί ποια προσομοιώνει με καλύτερο τρόπο τη συμπεριφορά του μοντέλου των Li et al., ώστε να χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό των υπόλοιπων ιδιοτήτων. Η προσομοίωση της διεργασίας βασίζεται σε μία μελέτη περίπτωσης η οποία παρέχεται από την εταιρεία πετρελαίου και φυσικού αερίου Equinor, Νορβηγία. Συγκεκριμένα, αναφέρεται σε μία παράκτια διεργασία, η οποία παράγει ανθρακούχο νερό, αναμειγνύοντας ένα ρεύμα νερού και ένα διοξειδίου του άνθρακα, σε πίεση 180 bar. Από τη στιγμή, που η συγκεκριμένη έγχυση δεν είναι μία ώριμη διεργασία, δεν υπάρχουν διαθέσιμες εκτενείς μοντελοποιήσεις/προσομοιώσεις της. Στην παρούσα εργασία, μελετώνται δύο διαμορφώσεις της διεργασίας. Η πρώτη αφορά την συμπίεση του νερού και του διοξειδίου του άνθρακα στην πίεση των 180 bar και στη συνέχεια την ανάμιξή τους. Στη δεύτερη το νερό και το διοξείδιο του άνθρακα συμπιέζονται αρχικά σε μία ενδιάμεση πίεση, που να εξασφαλίζει την πλήρη διάλυση του CO2, και μετά την ανάμιξή τους, το ανθρακούχο νερό συμπιέζεται εκ νέου στην πίεση των 180 bar. Η περίπτωση της ενδιάμεσης πίεσης αναπτύχθηκε εφόσον παρατηρήθηκε ότι η δεδομένη ποσότητα του CO2 μπορεί να διαλυθεί στη δεδομένη ποσότητα νερού σε πίεση χαμηλότερη αυτής των 180 bar. Τα κριτήρια, στα οποία βασίζεται η τελική επίλογη του βέλτιστου σεναρίου, είναι η σύγκριση των ενεργειακών απαιτήσεων για την ψύξη και την συμπίεση διοξειδίου του άνθρακα και του νερού καθώς και του συνολικού κόστους της διεργασίας. Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι οι ενεργειακές απαιτήσεις για την συμπίεση του νερού για τις δύο περιπτώσεις παίρνουν παρόμοιες τιμές. Συνεπώς, οι απαιτήσεις για την συμπίεση και την ψύξη του διοξειδίου του άνθρακα είναι αυτές που καθορίζουν την τελική επιλογή. Με όρους ενεργειακών απαιτήσεων, η περίπτωση της ενδιάμεσης πίεσης είναι συμφέρουσα. Επιπλεόν, πραγματοποιείται ανάλυση ευαισθησίας για να εξεταστεί η επίδραση ορισμένων από τις πιο σημαντικές λειτουργικές παραμέτρους του επιλεχθέντος σεναρίου ανάμιξης στις προαναφερθείσες ενεργειακές απαιτήσεις. Έτσι, μελετώνται η επίδραση του τύπου της συμπίεσης (μονοβάθμια έναντι πολυβάθμιας), το ποσοστό της προσέγγισης στην θερμοδυναμική ισορροπία, η πτώση πίεσης στους εναλλάκτες και στον μίκτη και ο λόγος συμπίεσης. Οι ενεργειακές απαιτήσεις για συμπίεση είναι χαμηλότερες όταν ο λόγος συμπίεσης των διαφόρων σταδίων είναι ίδιος και επιλέγεται η πολυβάθμια συμπίεση. Η απαιτούμενη πίεση για την πλήρη διάλυση της δεδομένης ποσότητας του CO2 μειώνεται με το ποσοστό της προσέγγισης στη θερμοδυναμική ισορροπία και αυξάνεται με την πτώση πίεσης στους εναλλάκτες και στον μίκτη. Όσο υψηλότερη είναι η τελική πίεση του CO2, τόσο υψηλότερες είναι οι ενεργειακές απαιτήσεις για την ψύξη και τη συμπίεση. Τέλος, πραγματοποιείται προκαταρκτική οικονομική ανάλυση των διαφορετικών σεναρίων. Έγκειται στη σύγκριση του κόστους πάγιου κεφαλαίου, του συνολικού κόστους παραγωγής και των τιμών τους ανά τόνο διοξειδίου του άνθρακα και παραγόμενου ανθρακούχου νερού. Διαπιστώνεται ότι οι περιπτώσεις οι οποίες περιλαμβάνουν την συμπίεση του νερού και του διοξειδίου του άνθρακα στην πίεση των 180 bar και στη συνέχεια την ανάμιξή τους είναι συμφέρουσες από οικονομική άποψη. Παρατηρείται, επίσης, ότι λόγω της οικονομίας κλίμακας, το κόστος ανά μονάδα παραγόμενου ανθρακούχου νερού μειώνεται όσο αυξάνεται η δυναμικότητα της μονάδας. Λαμβάνοντας υπ’ όψη και τα δύο κριτήρια αλλά και το γεγονός ότι η επίδραση των ενεργειακών απαιτήσεων περιλαμβάνεται στο κόστος, συμπεραίνεται ότι ο πιο συμφέρων τρόπος για την παραγωγή ανθρακούχου νερού έγχυσης είναι η συμπίεση του νερού και του διοξειδίου του άνθρακα στην πίεση των 180 bar και στη συνέχεια η ανάμιξή τους.	el
heal.abstract	While the concentration of the carbon dioxide has been rising in the atmosphere, its capture and storage is considered as one of the most important methods in the fight against this phenomenon. At the same time, as the global energy demands continue to increase and many of the existing oil fields are in the tail end production, the need has risen for development of improved oil recovery methods. Carbonated Water Injection (CWI) is considered as one of the most sustainable solutions in response to CO2 emissions in oil and gas processes. This method has the potential to store CO2 in geological formations, reducing this way the carbon footprint, and at the same time leading to enhanced oil recovery. The use of carbon dioxide is a key asset of CWI, comparing to other enhanced oil recovery methods (EOR). In this technology, its recovery is achieved through the dissolution of CO2 in water, which transfers to the oil phase improving the oil mobility and causing oil swelling, both enhancing the sweep efficiency. This diploma thesis deals with the development and simulation of the aqueous solutions’ injection process, of constant salinity, saturated with carbon dioxide. The availability of a model that accurately predicts the solubility of CO2 in saline aqueous solutions for a wide range of pressures, temperatures and salinities is very important for its development. At the beginning, the modelling of the mixtures’ phase equilibrium is studied and then the production simulation of saline aqueous solutions takes place, through a software of process design and simulation. Τhe effect of the operational parameters of the CWI process on the energy demands and the economics of the process are also studied. The mixtures in this process are mixtures of carbon dioxide with water or brine, since the water that is used is seawater. Furthermore, since CO2 comes from oil and gas processes, despite its sweetening, it may contain impurities, like those of O2 and N2. Regarding the phase equilibrium of these mixtures, and more specifically the calculation of the CO2 solubility in water or brine, the standard equations of state cannot be used, since they are not able to describe the hydrogen bonding that characterizes the equilibrium and the effect of polar molecules, like the inorganic salts (NaCl) that are present. In this diploma thesis, two existing models are examined for the prediction of the CO2 solubility in water and NaCl brines. The first model is the model of Duan and Sun, which, by equalizing the chemical potential of CO2 in the liquid and the vapor phase, leads to the calculation of its solubility making use, for the liquid phase, of Pitzer type equations for the calculation of the interaction parameters between the carbon dioxide and the ions and the CO2’s chemical potential in a hypothetically ideal solution. The vapor phase is described through an expression of the CO2’s fugacity coefficient as a function of pressure and temperature. The second model is the model of Li et al., which describes the phase equilibrium using the Peng-Robinson equation of state for the vapor phase, while the liquid phase is described through the Henry constant and the activity coefficient, which is calculated by Pitzer type equations. In this work, a third model is also presented, in which the t-m Peng-Robinson is used for the vapor phase. For the liquid phase, the fugacity of water is described as presented by Prausnitz et al. and that of CO2 through the Henry coefficient. It is expressed as a function of temperature and salinity through correlation of their values to solubility data of CO2 in pure water and NaCl solutions. The basic advantage of Duan and Sun’s model, compared to the model of this work, is the easy calculation of the CO2’s fugacity coefficient in the vapor phase, which does not require an iterative method. On the other hand, the new model predicts in a better way the CO2 solubility at higher salt concentrations, higher than 4 mol/kg solvent. Finally, the advantage of Li et al.’s model is that, despite the not so accurate prediction of the CO2 solubility in CO2-water-brine systems, it includes the effect of the impurities, such as O2 and N2. Then the production process of the carbonated water to injection is developed and simulated using the Honeywell’s commercial package Unisim Design. Taking into consideration that the already integrated thermodynamic models in Unisim don’t describe well the equilibrium of the CO2-O2-N2-water and salts system, the model of Li et al. is introduced in Unisim through the CAPE-OPEN Interface Standard. Furthermore, since the model is not able to calculate the thermodynamic properties of the fluid, a comparison is made between the two classical equations of state, Peng-Robinson and Soave-Redlich-Kwong, so as to be found which one simulates in a better way the Li et al.’s model, in order to be used for the calculation of the rest of the properties. The process simulation is studied based on a case study provided by the oil and gas company Equinor, Norway. More specifically, it is referring to an offshore process, that produces carbonated water, by mixing a water and a carbon dioxide stream, in the pressure of 180 bar. Since, the CWI is not a mature process, the available modelling/simulation studies are not extensive. In the present work, two considerations of the process are studied. The first one refers to the pumping of the water and the compression of the carbon dioxide in the pressure of 180 bar and then their mixing. In the second one the water is pumped and the carbon dioxide is compressed initially in an intermediate pressure, which secures the complete dissolution of CO2, and after their mixing, the carbonated water is pumped in the pressure of 180 bar. The case of the intermediate pressure was developed since it was observed that the given amount of CO2 can be dissolved in the given amount of water in lower pressure than this of 180 bar. The criteria, on which the final selection of the optimal case is based, are the energy requirements concerning the cooling and the compression of the CO2 stream, the pumping of the water stream and the overall cost of the process. The results indicate that the energy requirements for the water pumping have similar values for both cases. Thus, the compression and the cooling duties are those which define the final selection. In terms of energy requirements, the intermediate pressure case is profitable. Furthermore, a sensitivity analysis is conducted in order to examine the effect of some of the most important operational parameters of the selected production process on the aforementioned duties. Therefore, the effect of the type of compression (single vs multi-stage), the approach to thermodynamic equilibrium at the mixer, the pressure drop at the heat exchangers and the mixer and the pressure ratio is studied. The compression requirements are lower when the pressure ratio of the compression stages is the same and the multistage compression is chosen. The required pressure for the complete dissolution of the given amount of CO2 decreases with the approach to thermodynamic equilibrium and increases with the pressure drop at the heat exchangers and the mixer. The higher the compression pressure, the higher the cooling and the compression duties. A preliminary evaluation of the economics of the alternate cases takes place. It consists of the comparison of the fixed capital investment (FCI), the total product cost (TPC) and their values per tonne of injected carbon dioxide and produced carbonated water. It is indicated that the cases, which consist of the pumping of water and the compression of carbon dioxide in the pressure of 180 bar and then their mixing, are profitable from an economic perspective. It is also observed that, due to the economy of scale, the cost per unit of produced carbonated water decreases as the capacity of the unit rises. Taking into consideration both these criteria and that the effect of the energy requirements for cooling, compression and pumping is included in the cost evaluation, it is concluded that the most profitable way of producing the carbonated water is by pumping the water and compressing the carbon dioxide stream in the pressure of 180 bar and then mixing them.	en
heal.advisorName	Voutsas, Epaminondas	en
heal.committeeMemberName	Voutsas, Epaminondas	en
heal.committeeMemberName	Tzia, Constantina	en
heal.committeeMemberName	Magoulas, Konstantinos	en
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	147 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false
heal.fullTextAvailability	false