Mathematical modeling of thermophysical properties and phase equilibria of pure carbon dioxide and multicomponent mixtures

Abstract

Η δέσμευση και γεωλογική αποθήκευση του άνθρακα (Carbon Capture andSequestration) είναι μια πολλά υποσχόμενη τεχνολογία για την μείωση τηςσυσσώρευσης του διοξειδίου του άνθρακα (CO2) στην ατμόσφαιρα. Πηγές αερίωνρύπων που προέρχονται από καύση ορυκτών πόρων, μπορούν να εξοπλιστούν μεκατάλληλα συστήματα που θα δεσμεύουν το CO2, και στη συνέχεια θα τομεταφέρουν μέσω δικτύου αγωγών σε τοποθεσίες όπου υπάρχουν υπόγειεςκοιλότητες για την αποθήκευση του CO2.Οι αγωγοί μεταφοράς CO2, ενδέχεται να διέρχονται πλησίον κατοικημένωνπεριοχών, γεγονός που επιβάλλει την κατάρτιση διεξοδικών μελετώνδιακινδύνευσης. Απαραίτητα δεδομένα για τους υπολογισμούς των μελετών αυτώναποτελούν οι θερμοφυσικές ιδιότητες των ρευστών της διεργασίας, τα οποία είναικυρίως καθαρό CO2 και πολυσυστατικά μίγματά του με άλλα αέρια.Τέτοιες ιδιότητες είναι για παράδειγμα η πυκνότητα, η ταχύτητα του ήχου, ηκαμπύλη αναστροφής Joule-Thomson, το ιξώδες και ο συντελεστής διάχυσης.Εφαρμόζοντας ένα αξιόπιστο θερμοδυναμικό μοντέλο, μπορεί να εξασφαλισθείκαλύτερη ποιότητα και ακρίβεια για τις μελέτες διακινδύνευσης.Ένα πλήθος καταστατικών εξισώσεων (ΚΕ) αξιολογήθηκαν ως προς τιςδυνατότητές τους για την πρόβλεψη ιδιοτήτων πολυσυστατικών μιγμάτων του CO2με άλλα αέρια. Πειραματικά δεδομένα από τη βιβλιογραφία χρησιμοποιήθηκαν γιατις απαραίτητες συγκρίσεις, αναδεικνύοντας ομοιότητες των μεθόδων σε σχετικάαπλές ιδιότητες, και διαφορές με την αύξηση της πολυπλοκότητας. Οι παράγωγεςθερμοδυναμικές ιδιότητες υπολογίζονται από αναλυτικές εξισώσεις, ενώ οι ιδιότητεςμεταφοράς υπολογίζονται μέσω της επέκτασης των ΚΕ με τη βοήθεια ειδικώνμαθηματικών μοντέλων, τα οποία συνδυάστηκαν κατάλληλα καιπαραμετροποιήθηκαν εκ νέου. Με τη χρήση ενός μετα-ευρετικού αλγορίθμουβελτιστοποίησης καταρτίστηκαν πίνακες παραμέτρων. Οι συνδυασμένες μέθοδοιαυτές, και οι νέες παράμετροι αποτελούν τμήματα ενός θερμοδυναμικούπροσομοιωτή που αναπτύχθηκε στο πλαίσιο της εργασίας.Οι ΚΕ ανώτερης τάξης προβλέπουν τις θερμοδυναμικές ιδιότητες τωνμελετώμενων συστημάτων με μεγαλύτερη ακρίβεια, ενώ το επιπρόσθετουπολογιστικό κόστος δεν είναι απαγορευτικό. Οι υπολογισμοί των παράγωγωνιδιοτήτων τονίζουν την υπεροχή των ΚΕ ανώτερης τάξης απέναντι στις κυβικές ΚΕ,αφού οι τελευταίες συνήθως εμφανίζουν αρκετά μεγαλύτερα σφάλματα. Οι ιδιότητεςμεταφοράς μπορούν να υπολογισθούν αποτελεσματικά μέσω του συνδυασμού τωνΚΕ με κατάλληλα παραμετροποιημένα εξειδικευμένα μοντέλα.