Πρόβλεψη ισορροπίας φάσεων συμπυκνωμάτων φυσικού αερίου - Πλακιά, Ανθούλα (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Ανάλυσης, Σχεδιασμού και Ανάπτυξης Διεργασιών και Συστημάτων (ΙΙ). Εργαστήριο Θερμοδυναμικής και Φαινομένων Μεταφοράς, 2015)
Το φυσικό αέριο είναι ένα πετρελαϊκό ρευστό, το οποίο αποτελείται από υδρογονάνθρακες, σε μεγαλύτερο ποσοστό το μεθάνιο. Η πρόβλεψη της ισορροπίας φάσεων των μιγμάτων φυσικού αερίου είναι ιδιαίτερα σημαντική για τη βιομηχανία, διότι επηρεάζει το σχεδιασμό και τη λειτουργία των διεργασιών παραγωγής και μεταφοράς φυσικού αερίου. Η πρόβλεψη αυτή γίνεται από διάφορα θερμοδυναμικά μοντέλα, κάθε ένα από τα οποία παρουσιάζει διαφορετική ακρίβεια σε αυτή την πρόβλεψη, ανάλογα και με τη σύσταση του μίγματος που μελετά. Δεν είναι πάντα όμως εφικτό να χρησιμοποιηθεί απευθείας το μοντέλο για αυτή την πρόβλεψη, λόγω της πολυπλοκότητας των μιγμάτων φυσικού αερίου. Το κάθε μίγμα διαχωρίζεται σε ελαφρύ και βαρύ τμήμα. Το ελαφρύ έχει πλήρως καθορισμένη σύσταση, ενώ για το βαρύ κλάσμα (C6+, C7+) τα δεδομένα είναι περιορισμένα. Για το σκοπό αυτό, εξίσου απαραίτητη με τη χρήση θερμοδυναμικών μοντέλων για την πρόβλεψη της ισορροπίας φάσεων είναι η χρήση μεθόδων χαρακτηρισμού (πριν τη χρήση θερμοδυναμικών μοντέλων) για τον προσδιορισμό της σύστασης του βαριού κλάσματος φυσικού αερίου. Στη συνέχεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί το θερμοδυναμικό μοντέλο για την πρόβλεψη της ισορροπίας φάσεων. Στα πλαίσια αυτής της διπλωματικής εργασίας μελετήθηκαν τα δύο παραπάνω θέματα σε αέρια συμπυκνώματα φυσικού αερίου. Αρχικά εξετάστηκαν συνθετικά αέρια συμπυκνώματα, στα οποία η σύσταση ήταν γνωστή. Έτσι συλλέχθηκε από τη βιβλιογραφία η σύσταση τέτοιων μιγμάτων, καθώς επίσης και πειραματικά σημεία δρόσου. Στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκαν τρία θερμοδυναμικά μοντέλα για την πρόβλεψη των σημείων αυτών, με σκοπό να διαπιστωθεί ποιο μοντέλο παρουσιάζει τα μικρότερα σφάλματα σε σχέση με τα πειραματικά σημεία. Χρησιμοποιήθηκαν δύο πολύ διαδομένες κυβικές καταστατικές εξισώσεις: η Soave- Redlich- Kwong (SRK) EOS και η Peng-Robinson (PR) EOS. Αυτές χρησιμοποιηθήκαν χωρίς συντελεστές αλληλεπίδρασης (kij). To άλλο θερμοδυναμικό μοντέλο που χρησιμοποιήθηκε είναι το UMR-new (που έχει αναπτυχθεί από το εργαστήριο Θερμοδυναμικής και Φαινομένων Μεταφοράς). Το μοντέλο αυτό συμπεριλαμβάνει και τη δομή του μορίου στους υπολογισμούς του, μέσω της χρήσης των ομάδων της Unifac. Σε επόμενο στάδιο συγκρίθηκε η πρόβλεψη του κάθε μοντέλου σε συμπυκνώματα με μικρές διαφορές στη σύσταση. Από αυτή την ανάλυση διαπιστώθηκε σε ποια μίγματα δίνει καλύτερα αποτελέσματα το κάθε μοντέλο.Στη συνέχεια της διπλωματικής εργασίας μελετήθηκαν οι μέθοδοι χαρακτηρισμού. Έτσι αρχικά συλλέχθηκαν από τη βιβλιογραφία πραγματικά αέρια συμπυκνώματα φυσικού αερίου και δημιουργήθηκε μία βάση δεδομένων με τις συστάσεις αυτών και τα πειραματικά σημεία δρόσου που δίνονταν. Για κάθε ένα αέριο συμπύκνωμα δίνονταν πληροφορίες για το βαρύ του κλάσμα (όπως η πυκνότητά του και το μοριακό του βάρος) που χρησιμοποιήθηκαν αργότερα στο χαρακτηρισμό. Χρησιμοποιήθηκαν τέσσερις μέθοδοι χαρακτηρισμού: Χαρακτηρισμός με βάση το μοριακό βάρος του βαριού κλάσματος, χαρακτηρισμός με βάση το σημείο βρασμού του βαριού κλάσματος, Modified Shariati και Pedersen. Όλες εκτός από την Modified Shariati δε χρησιμοποιούν PNA κατανομή. Αφού χαρακτηρίστηκαν πολλά από τα μίγματα που συλλέχθηκαν με τις μεθόδους αυτές, προβλέφθηκε η ισορροπία φάσεων για κάθε αέριο συμπύκνωμα χαρακτηρισμένο με κάθε μέθοδο χαρακτηρισμού. Ύστερα από υπολογισμό των σφαλμάτων των υπολογισμένων σε σχέση με τα πειραματικά σημεία βρέθηκε η καλύτερη μέθοδος χαρακτηρισμού και το καλύτερο μοντέλο. Αρχικά για κάθε συμπύκνωμα χαρακτηρισμένο με μία μέθοδο χαρακτηρισμού μελετήθηκε η επίδραση των θερμοδυναμικών μοντέλων (SRK, PR, UMR) , με σκοπό να διαπιστωθεί ποιο είναι το καλύτερο μοντέλο. Στη συνέχεια μελετήθηκαν τα αποτελέσματα μόνο με ένα μοντέλο (το UMR) και κάθε μέθοδο χαρακτηρισμού για κάθε αέριο συμπύκνωμα με σκοπό να διαπιστωθεί ποια μέθοδος χαρακτηρισμού είναι καλύτερη. Αξίζει να σημειωθεί ότι μελετήθηκε και η επίδραση των παραμέτρων αλληλεπίδρασης (kij). Για να μελετηθεί η επίδρασή τους σε συμπυκνώματα φυσικού αερίου, συγκρίθηκαν τα αποτελέσματα της SRK με και χωρίς kij στα μίγματα που είχαν χαρακτηριστεί με τη μέθοδο Modified Shariati. Τέλος σε κάποια συστήματα χρησιμοποιήθηκε και η PC-SAFT για να διαπιστωθεί η ικανότητα πρόβλεψης της ισορροπίας φάσεων και από αυτό το μοντέλο.