Modellazione di un rilascio di CO2 ad alta pressione

Over the last few decades, the pressures for the control and containment of greenhouse gas emissions have been countless. Among these gases there is carbon dioxide which, together with nitrogen oxides, methane, water vapor, halogenated hydrocarbons, and ozone, takes part in complex natural mechanisms. The worldwide energy demand increase, coupled with the demand for fossil fuels, has contributed to a significant and serious increase in atmospheric levels of CO2, so systems have been developed to reduce its emissions. Scenarios to control emissions consist of capturing CO2 from industrial and energy sources, transporting them to a storage site through pipelines and sequestering in geological basins in large quantities. The industrial sector holds a particularly important position in present society, and it is part of a field in a continuous technological growth. This development must be support by a deep focus on safety and sustainable development facing increasingly critical environmental issues. In fact, nowadays we are dealing with more and more restrictive regulatory requirements that demand continuous innovation. This work starts from the need to know the behavior of the substance following an accidental rupture and the danger of the consequences related to pressure dispersion. It has been shown that, in environmental conditions and near the source, the molar fraction of CO2 can generate highly dangerous circumstances. For the resolution a system based on computational fluid dynamics was used, through a simulation a scenario is recreated in which two phases can be distinguished: one of release and one of dispersion, this is because they involve physical and numerical assumptions different from each other. The first phase, where compressibility phenomena are present, is modeled within a domain called Source Box and will serve as input for the second phase, in which decompression phenomena occur. Therefore, in the context of this thesis, we will examine how different geometric and physical parameters of the source box influence the phenomenon in order to identify strategies to correlate the quantities required for the dispersion phase.

Nel corso degli ultimi decenni le spinte per il controllo e il contenimento delle emissioni dei gas ad effetto serra sono state innumerevoli. Tra questi gas vi è l’anidride carbonica che, assieme agli ossidi di azoto, al metano, al vapore acqueo, agli idrocarburi alogenati e all’ozono prende parte a complessi meccanismi naturali. L’incremento mondiale nella richiesta di energia, accoppiato alla richiesta di combustibili da fonte fossile, ha contribuito ad un significativo e grave incremento nei livelli atmosferici di CO2, per questo sono stati sviluppati dei sistemi in grado di ridurne l’emissione. Gli scenari atti a controllare le emissioni consistono dunque nella cattura della CO2, dalle sorgenti industriali ed energetiche, nel trasporto ad un sito di stoccaggio attraverso pipeline e nel sequestro a lungo termine in bacini geologici. Questa evoluzione deve essere accompagnata da una particolare attenzione alla sicurezza e allo sviluppo sostenibile di fronte a questioni ambientali sempre più critiche; infatti, oggi ci troviamo di fronte a requisiti normativi sempre più restrittivi che richiedono una continua innovazione. Questo lavoro nasce dall’esigenza di conoscere il comportamento della sostanza a seguito di una rottura accidentale e la pericolosità delle conseguenze legate alla dispersione in pressione. È stato dimostrato come, in condizioni ambientali e in vicinanza della sorgente, la frazione molare della CO2 possa generare circostanze di forte pericolo. Per la risoluzione di questo scenario incidentale è stato utilizzato un sistema che si basa sulla fluidodinamica computazionale, ovvero tramite una simulazione si ricrea uno scenario nella quale si possono distinguere principalmente due fasi: una di rilascio ed una di dispersione, questo perché comportano assunzioni fisiche e numeriche differenti tra loro. La prima fase, dove sono presenti fenomeni di comprimibilità, è modellata all’interno di un dominio denominato Source Box e servirà come input per la seconda fase, in cui invece si verificano fenomeni di decompressione. Pertanto, nel contesto di questo lavoro, verrà esaminato come vari parametri geometrici e fisici della source box influenzano il fenomeno al fine di identificare strategie per correlare le grandezze richieste per la fase di dispersione.