Θερμοδυναμική μοντελοποίηση καθαρού διοξειδίου του άνθρακα και μιγμάτων του με άλλα αέρια

Abstract

Η μεταπτυχιακή αυτή εργασία, επιχειρεί να συνδέσει τις θερμοδυναμικές καταστατικές εξισώσεις SAFT και PC-SAFT, με την τεχνολογική εφαρμογή της δέσμευσης και γεωλογικής αποθήκευσης του διοξειδίου του άνθρακα. Οι απαιτήσεις της τεχνολογίας αυτής για μαθηματικά μοντέλα και καταστατικές εξισώσεις που θα μπορούν να περιγράφουν με μικρά σφάλματα μια μεγάλη ποικιλία ιδιοτήτων (ογκομετρικές, παράγωγες θερμοδυναμικές και ιδιότητες μεταφοράς) είναι υψηλές, και έτσι έχουν κινήσει το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας γύρω από αυτό το πεδίο. Συγκεκριμένα, η εφαρμογή στην οποία εστιάζει το συγκεκριμένο πόνημα είναι η περιγραφή των ιδιοτήτων του ρευστού κατά την μεταφορά του, ώστε να αποτελέσει εργαλείο για την προσομοίωση της διεργασίας και την αξιολόγηση και ποσοτικοποίηση της διακινδύνευσης. Οι καταστατικές εξισώσεις SAFT και PC-SAFT μπορούν να αποτελέσουν κομμάτι της λύσης, μιας και η ανάπτυξή τους στηρίζεται σε αρχές στατιστικής μηχανικής, κατά συνέπεια το φυσικό περιεχόμενό τους είναι επαληθεύσιμο. Σε διάφορες άλλες εφαρμογές, τα αποτελέσματα που δίνουν είναι αρκετά ακριβή, και σε κάποιες περιπτώσεις υπερέχουν των αντίστοιχων από απλούστερες και πιο ευρέως διαδεδομένες καταστατικές εξισώσεις. Η δομή της εργασίας περιγράφει και το σκελετό του ερευνητικού προγραμματισμού που ακολουθήθηκε. Στην πρώτη ενότητα περιγράφεται η τεχνολογία της δέσμευσης και γεωλογικής αποθήκευσης του διοξειδίου του άνθρακα και οι κίνδυνοι κατά τη μεταφορά, ώστε να γίνει αντιληπτή η περιοχή στην οποία εφαρμόζονται τα όσα παρουσιάζονται παρακάτω. Η δεύτερη ενότητα περιγράφει το πλαίσιο των εξισώσεων SAFT και PC-SAFT με βασικά στοιχεία για την ανάπτυξή τους, τις εφαρμογές τους και φυσικά το μαθηματικό φορμαλισμό. Μέσα από την τρίτη ενότητα αποτυπώνονται τα μοντέλα και οι εξισώσεις που εφαρμόσθηκαν για τις παράγωγες θερμοδυναμικές ιδιότητες και τις ιδιότητες μεταφοράς. Τα αποτελέσματα της μελέτης παρουσιάζονται στην τέταρτη ενότητα, όπου θα συζητηθούν οι ογκομετρικές ιδιότητες των καθαρών ουσιών, η ισορροπία φάσεων κάποιων από τα σημαντικότερα δυαδικά μίγματα που λαμβάνουν χώρα στη διεργασία, οι παράγωγες θερμοδυναμικές ιδιότητες και οι ιδιότητες μεταφοράς των καθαρών συστατικών. Κλείνοντας την εργασία, στην πέμπτη ενότητα, γίνεται καταγραφή των γενικών συμπερασμάτων που εξήχθησαν από την μελέτη και προτείνονται βελτιώσεις και προσθήκες, οι οποίες και αποτελούν τα επόμενα βήματα της έρευνας αυτής.

The present thesis refers to linking two thermodynamic equations of state, namely SAFT and PC-SAFT, with the engineering application of carbon capture and sequestration (CCS). The requirements of this technology for mathematic models and equations of state that have the capability of describing a wide range of properties (volumetric, derivative and transport properties) with high accuracy, are high, hence the interest of scientific and industrial community has been attracted to that field. In particular, this work focuses on the description of the properties of fluid during its transport, so as to form a tool for the simulation of the process as well as the estimation and quantification of the risk involved. SAFT and PC-SAFT equations of state can be part of the solution, since their development lies on principles of statistical mechanics, so their theoretical background is solid. Previous research in other applications showed that these equations of state yield results of high accuracy, while in some cases they were superior compared to simpler and more wide-spread equations of state. The structure of this thesis is based on the research path followed. In the first part, a description of the CCS technology is given, as well as the risks involved and the consequences of an accident are described. In the second part, SAFT and PC-SAFT equations of state framework are described, in conjunction with information on their development, applications, and of course their mathematic formalism. The models and the equations that have been applied for the calculation of the thermodynamic derivative properties and transport properties are presented in the third part. The fourth part refers to the results on the volumetric properties of pure components, phase equilibria of some of the important binary mixtures that can occur in the process, derivative and thermodynamic properties. The fifth part deals with the general conclusions of this work, and the recommendations for future improvements and additions, which also shape the next steps of the research to be carried out.