Χαρακτηρισμός βαρεών κλασμάτων φυσικού αερίου και πετρελαίου με την μέθοδο Whitson

Δημητρέλης, Χριστόδουλος

dc.contributor.author	Δημητρέλης, Χριστόδουλος	el
dc.date.accessioned	2021-03-09T18:12:15Z
dc.date.available	2021-03-09T18:12:15Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/53010
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.20708
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	Υπολειμματικό κλάσμα	el
dc.subject	Ψευδοσυστατικά	el
dc.subject	Χαρακτηρισμός βαρεού κλάσματος	el
dc.subject	Πετρελαϊκά ρευστά	el
dc.subject	Καταστατικές εξισώσεις	el
dc.subject	Whitson	en
dc.subject	Petroleum fluids	en
dc.subject	Characterization C7+	en
dc.subject	Phase envelopes	en
dc.subject	UMR-PRU	en
dc.title	Χαρακτηρισμός βαρεών κλασμάτων φυσικού αερίου και πετρελαίου με την μέθοδο Whitson	el
dc.contributor.department	Τομέας 2. Ανάλυσης, Σχεδιασμού και Ανάπτυξης Διεργασιών και Συστημάτων. Εργαστήριο θερμοδυναμικής και φαινομένων μεταφοράς	el
heal.type	bachelorThesis
heal.secondaryTitle	Characterization of hydrocarbon plus fraction with Whitson method	en
heal.classification	Chemical Engineering/ Petroleum Engineering	en
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2021-02-18
heal.abstract	Το πετρέλαιο και το φυσικό αέριο καλύπτουν σήμερα το μεγαλύτερο ποσοστό των ενεργειακών αναγκών σε παγκόσμιο επίπεδο. Τα πετρελαϊκά ρευστά είναι μίγματα διαφόρων ειδών υδρογονανθράκων (ναφθένια, παραφίνες, αρωματικές ενώσεις), μη υδρογονανθρακικών συστατικών καθώς και άλλων προσμίξεων (διοξείδιο του άνθρακα, υδρόθειο, νερό, άλατα, κλπ.). Τα πετρελαικά μίγματα ανάλογα με τις συνθήκες, υπάρχουν σε υγρή ή αέρια φάση και η πρόβλεψη των θερμοδυναμικών τους ιδιοτήτων καθώς και των διαγραμμάτων φάσεων είναι σημαντική για την βιομηχανία καθώς αυτά επηρεάζουν την μεταφορά, επεξεργασία και αποθήκευση τους. Συνεπώς υπάρχει μεγάλο ενδιαφέρον από την μεριά της βιομηχανίας αλλά και της ακαδημίας για την διαθεσιμότητα κατάλληλων θερμοδυναμικών εργαλείων που να προβλέπουν την συμπεριφορά αυτών των μιγμάτων. Στα πετρελαικά μίγματα, οι υδρογονάνθρακες με μοριακά βάρη μεγαλύτερα του κανονικού εξανίου, δηλαδή με επτά ή παραπάνω άτομα άνθρακα στο μόριο τους ορίζονται ως το βαρύ υπολειμματικό μέρος, κλάσμα C7+. Τα δεδομένα που είναι διαθέσιμα για αυτό το κλάσμα είναι η σύσταση του στο μίγμα, το μοριακό του βάρος καθώς και η πυκνότητα του. Οι ιδιότητες του υπολειμματικού κλάσματος καθώς και των συστατικών που το απαρτίζουν επηρεάζουν την θερμοδυναμική συμπεριφορά του μίγματος. Ο κατάλληλος χαρακτηρισμός του κλάσματος C7+ είναι απαραίτητος για την σωστή μοντελοποίηση του. Οι μέθοδοι χαρακτηρισμού του υπολειμματικού κλάσματος C¬7+ διακρίνονται: (α) στον διαχωρισμό (splitting), όπου το υπολειμματικό κλάσμα χωρίζεται σε επιμέρους ψευδοσυστατικά μοναδικού αριθμού άνθρακα (Single Carbon Number,SCN) και στην συνέχεια γίνεται ο υπολογισμός των θερμοφυσικών ιδιοτήτων (Τc,Pc,ω,Τb) του κάθε ψευδοσυστατικού, και (β) η ομαδοποίηση (lumping) των SCN σε ενιαία ψευδοσυστατικά (Multiple Carbon Number, MCN) πολλαπλών ατόμων άνθρακα, των οποίων οι ιδιότητες υπολογίζονται από τα αντίστοιχα SCN που τα απαρτίζουν. Αυτό συμβαίνει εξαιτίας του μεγάλου αριθμού SCN, έτσι ώστε η διαδικασία υπολογισμού των θερμοδυναμικών ιδιοτήτων να γίνει πιο εύκολη και να απαιτεί μικρότερο υπολογιστικό χρόνο. Σκοπός της συγκεκριμένης διπλωματικής εργασίας είναι η ανάπτυξη και τροποποίηση της μεθόδου χαρακτηρισμού Whitson, έτσι ώστε με την κατάλληλη καταστατική εξίσωση να οδηγεί σε καλή περιγραφή της θερμοδυναμικής ισορροπίας αερίων συμπυκνωμάτων της βιβλιογραφίας. Η εργασία ξεκινάει με μία βιβλιογραφική ανασκόπηση μεθόδων χαρακτηρισμού, εκ των οποίων παρουσιάζονται αυτές του Katz, Modified Katz, Ahmed, Pedersen και Whitson. Λεπτομερώς αναπτύσσονται οι μέθοδοι Whitson και Pedersen. Ακόμα αναπτύσσονται δύο νέοι μέθοδοι, μία τροποποιημένη (Modified) και μία γενικευμένη (Generalized) βασισμένες στην αρχική μέθοδο του Whitson. H Modified Whitson επαναπροσδιορίζει τις βασικές παραμέτρους της μεθόδου με μία επαναληπτική διαδικασία με σκοπό τα μοριακά βάρη των ψευδοσυστατικών που προκύπτουν να ισούνται με αυτά που προτείνει ο Katz. Στη συνέχεια υπολογίζεται η κατανομή σύστασης για τις μεθόδου Whitson, Modified Whitson και Pedersen καθώς και τα σφάλματα τους από τα πειραματικά. Τα πετρελαικά ρευστά της βιβλιογραφίας καλύπτουν ένα μεγάλο εύρος ιδιοτήτων, από μαύρα πετρέλαια με μεγάλες συστάσεις υπολειμματικού κλάσματος C7+ έως και αέρια συμπυκνώματα με πολύ μικρότερες συστάσεις. Τα αποτελέσματα έδειξαν τις μεθόδους Pedersen και Modified Whitson να έχουν πολύ μικρές αποκλίσεις μεταξύ τους και να περιγράφουν καλύτερα τα πειραματικά δεδομένα, παρουσιάζοντας τα μικρότερα σφάλματα στο σύνολο των ρευστών. Για την ανάπτυξη της Generalized Whitson οι βασικοί παράμετροι «Α,η» του μοντέλου επαναπροσδιορίζονται είτε με ελαχιστοποίηση του απόλυτου επί τις εκατό σφάλματος μεταξύ των αποτελεσμάτων και των πειραματικών για την ανάλυση σύστασης, είτε με ελαχιστοποίηση του αντίστοιχου σφάλματος ρίζας. Κατάλληλη κρίθηκε η επιλογή των παραμέτρων που προκύπτουν με ελαχιστοποίηση των σφαλμάτων ρίζας και στη συνέχεια υπολογίστηκαν τα σφάλματα των αποτελεσμάτων τους στην ανάλυση σύστασης. Οι μέθοδοι χαρακτηρισμού Modified Whitson και Pedersen συγκρίνονται και αναλύονται ως προς τα αποτελέσματα τους στην ισορροπία φάσεων. Τα θερμοδυναμικά μοντέλα που χρησιμοποιήθηκαν ήταν της Peng Robinson, Soave Redlich Kwong όπου υπολογίζουν τις θερμοφυσικές του ιδιότητες από το μοντέλο πρόβλεψης θερμοφυσικών ιδιοτήτων της Pedersen και το θερμοδυναμικό μοντέλο UMR-PRU όπου οι θερμοφυσικές του ιδιότητες υπολογίζονται από το μοντέλο των Retzeka et al. Στην ισορροπία φάσεων αναλύθηκαν 25 δείγματα αερίων συμπυκνωμάτων της βιβλιογραφίας για 80 ψευδοσυστατικά. Από τα σφάλματα που υπολογίστηκαν, φάνηκε τα καλύτερα πακέτα μεθόδου χαρακτηρισμού – θερμοδυναμικού μοντέλου, να είναι αυτό της Modified Whitson/Pedersen με το μοντέλο της Peng Robinson που παρουσίασαν μέσο ποσοστιαίο σφάλμα 7,6%. Ακολουθούν τα θερμοδυναμικά μοντέλα SRK με 14,5% και τέλος το UMR-PRU με 21,5%. Έπειτα υπολογίστηκε η ισορροπία φάσεων με τις μεθόδους Whitson και Generalized Whitson με τα θερμοδυναμικά μοντέλα PR, SRK και UMR-PRU και συγκρίθηκαν με τα αποτελέσματα της Modified Whitson. Τα σφάλματα έδειξαν ότι η μέθοδος Generalized Whitson είναι μια αξιόπιστη μέθοδος χαρακτηρισμού. Στο τελικό στάδιο εξετάστηκαν τα αποτελέσματα της μεθόδου Modified Whitson στην ισορροπία φάσεων για 12, 16, 18, 20 και 30 ομαδοποιημένα ψευδοσυστατικά (lumps), για τα θερμοδυναμικά μοντέλα Peng Robinson, Soave Redlich Kwong και UMR-PRU, όπου για το τελευταίο μοντέλο η πρόβλεψη των θερμοφυσικών ιδιοτήτων έγινε από το μοντέλο του Twu. Ως γενικός κανόνας διαπιστώθηκε ότι η επιλογή 20 lumps για το σύνολο των ρευστών δίνει πολύ ικανοποιητικά αποτελέσματα ισορροπίας φάσεων. Συνολικά φαίνεται οι μέθοδοι Modified Whitson και Generalized Whitson που αναπτύχθηκαν δίνουν καλύτερα αποτελέσματα στον χαρακτηρισμό των αερίων συμπυκνωμάτων από την αρχική μέθοδο Whitson. Τέλος η προτεινόμενη μείωση των ψευδοσυστατικών, για ευκολία των υπολογισμών και μείωση του υπολογιστικού χρόνου, κρίνεται στα 20 ψευδοσυστατικά για το σύνολο των αερίων συμπυκνωμάτων.	el
heal.advisorName	Βουτσάς, Επαμεινώνδας	el
heal.committeeMemberName	Κόλλια, Κωνσταντίνα	el
heal.committeeMemberName	Βουτσάς, Επαμεινώνδας	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	149 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false