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

Abstract

Carbon Capture and Sequestration (CCS) is a very promising technology forthe reduction of CO2 in the atmosphere. Plants that depend heavily on fossil fuels,can be equipped with systems that capture the CO2 from the flue gas stream, andthen transport the CO2-rich stream via pipelines to places where oil reservoirs neardepletion, saline aquifers, or other underground cavities, can receive and store it.Since the CO2 pipeline networks may run close to populated areas, thoroughhazard assessment studies are required both for the regulatory frameworks and thepublic acceptance campaigns. The calculations involved in a hazard assessmentstudy rely heavily on the models used for the prediction of thermophysical propertiesof the fluids involved, mainly CO2 mixtures with other compounds.A large number of properties are necessary for these calculations, such asdensity, compressibility, speed of sound, Joule-Thomson inversion curve, viscosity,and self-diffusion coefficient. By employing an accurate, robust, and reliablethermodynamic model that covers the entire table of properties and conditions,improved quality of hazard assessment studies can be ensured.A number of equations of state (EoS) have been assessed for theircapabilities of predicting accurately the thermodynamic properties of CO2 mixtureswith other gases. Extensive comparisons with literature experimental data havebeen performed, showing the similarities of the approaches in relatively simpleproperties, while pointing out the superiority of higher order EoS when it comes tomore complex properties. The derivative thermodynamic properties were calculatedby analytically derived expressions. Established literature models have beencombined with the EoS, and re-tuned, in order to extend the properties calculationframework to transport properties. The combined approaches and the newoptimized parameters constitute integral parts of a newly developed thermodynamicsimulator.Useful conclusions are drawn from this work that can be used further to simulatorsdedicated to the pipeline transport part of the CCS process. Higher order EoS canpredict more accurately the phase equilibria and the derivative thermodynamicproperties of the systems of interest. Transport properties can be very efficientlycalculated via the combination of an EoS with a specific property model, given thatthe parameters are re-tuned in order to achieve a good fit for the respectivereference systems and states.

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.