ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
15-dic-2020
2019/2020
L'aumento della domanda energetica globale sta contribuendo all'esaurimento delle riserve di gas naturale ”sweet”. Di conseguenza, i giacimenti di gas naturale molto ricchi in CO2, non sfruttati in passato, sono ora presi in considerazione per essere messi in produzione. Ciò ha contribuito, negli anni più recenti, ad un’intensa attività di ricerca finalizzata allo sviluppo di nuove tecnologie che permettano di ridurre il contenuto di gas acidi, ed in particolare di CO2, in modo più conveniente rispetto alle tecnologie convenzionali. Tra le possibili tecnologie di separazione della CO2, quelle a bassa temperatura/criogeniche risultano promettenti grazie alla loro capacità di trattare correnti gassose caratterizzate da diversi contenuti di CO2 e H2S. Tali tecnologie consentono, inoltre, di separare i componenti acidi come liquido ad alta pressione, più favorevole per applicazioni quali il sequestro o il recupero assistito di olio (Enhanced Oil Recovery). La progettazione ed il funzionamento di questo tipo di processi richiedono una corretta descrizione della termodinamica degli equilibri di fase in presenza di CO2 solida. In questo lavoro di tesi si propone un metodo termodinamico per il calcolo simultaneo della stabilità e dell'equilibrio multifase delle miscele di CO2 con idrocarburi e altri componenti tipicamente presenti nel gas naturale o nel biogas. Considerando condizioni operative che prevedono la formazione di CO2 solida, il confronto dei risultati con i dati disponibili in letteratura per equilibri solido-vapore e solido-liquido-vapore dimostra l’affidabilità del metodo proposto. I risultati dell'analisi termodinamica vengono, poi, utilizzati per valutare l'affidabilità dell’unità disponibile nel simulatore di processo Aspen Plus® V9.0 per la modellazione degli equilibri di fase in presenza di CO2 solida e, quindi, per la simulazione di processi di separazione di CO2 che prevedono la formazione di ghiaccio secco. Si considera, in particolare, un processo recentemente proposto in letteratura, basato sull’anti-sublimazione della CO2, per applicazione ad un diverso caso studio: l’upgrading di un gas da discarica attraverso contattamento in contro-corrente con un liquido freddo. Viene eseguita un’analisi per valutare come la portata iniziale di liquido di contatto e la sua temperatura influenzano le prestazioni del processo e le sue richieste energetiche, che sono confrontate con quelle delle tecnologie convenzionalmente utilizzate per il trattamento di gas da discarica.
The increasing global energy demand is leading to the depletion of sweet natural gas reserves. As a consequence, many sour/acid reserves that had been left undeveloped in the past are now considered for exploitation. This has recently contributed to an intense research aimed at developing novel technologies that allow reducing the content of acid gases, such as CO2, more conveniently than conventional technologies. Among the established CO2 separation technologies, low-temperature/cryogenic CO2 removal methods are promising due to their capability of advantageously handling natural gases with a wide range of CO2 and H2S content. Furthermore, they allow separating the acid gas components as a high pressure liquid stream, providing for a more economical reinjection, be that for sequestration or for Enhanced Oil Recovery purposes. The design and the operation of this type of processes require a correct description of the thermodynamics of phase equilibria in the presence of solid CO2. In this thesis work, a thermodynamic method is proposed for the simultaneous computation of stability and multiphase equilibrium of CO2 mixtures with hydrocarbons and other components typically found in natural gas or biogas. Considering operating conditions where solid CO2 can form, the good agreement of the results with the solid-vapour and solid-liquid-vapour equilibrium data available in the literature proves the reliability of the proposed method. The results of the thermodynamic analysis are exploited to evaluate the reliability of the calculation tool available in the Aspen Plus® V9.0 process simulator for predicting phase equilibria in the presence of solid CO2 and, therefore, for simulating CO2 removal processes that involve the formation of dry ice. In particular, a process recently presented in the literature, which is based on CO2 desublimation, is taken into account and simulated for application to a different case study: the upgrading of landfill gas by counter current contact with a cold liquid. An analysis is performed to investigate the influence of the initial flowrate of the contact liquid and of its temperature on the performances and on the energy requirements of the process, which are compared with those of conventional technologies used for the treatment of landfill gas.