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Mocellin, Paolo (2017) CCS and EOR hazard analysis. Experimental investigation and modeling of multiphase CO2 pressurized releases. [Ph.D. thesis]

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Abstract (english)

CO2 handling operations are gaining importance in the worldwide discussion mainly because of the large strategies that are currently being developed to govern the Global Warming.
In this sense, the CO2 is considered one of the most important GHG (Greenhouse Gas) since it is also actually emitted in large quantities from anthropogenic sources. These emissions arise mainly from combustion of fossil fuels and biomass in power generation, gasification, industrial processes, natural gas processing, petroleum refining, building and transport sectors.
The deployment of the Carbon Capture and Storage (CCS) technique is currently under analysis as a mean of limiting these emissions and so the atmospheric concentration of the CO2.
The CCS chain is subdivided into three main systems: the system of capture and compression, the transport system and the storage system. This technology therefore involves the handling of the CO2 to store it in a reservoir, instead of allowing its release to the atmosphere, where it contributes to the Climate Change.
Therefore, an essential element of the CCS chain is the transportation of large amounts of captured CO2 to the storage site. This is usually achieved by means of large infrastructures mainly consisting of pressurized pipelines that may typically be several hundred kilometers long.
Given the significant amounts of CO2 involved and because of this substance at high concentrations is an asphyxiant, the safety of CO2 pipelines is of primarily importance to the public acceptance of CCS as viable means for tackling the impact of the Global Warming.
This works moves therefore from the fact that central to QRA (Quantitative Risk Assessment) procedure of pressurized pipeline carrying CO2 is the accurate prediction of the flow parameters concerning an accidental release induced by a rupture. From this point of view, there is naturally the possibility of pipeline rupture that may be driven by many factors like human errors, component failures, corrosion, earthquakes and many others external interferences.
In what concerning the CO2 releases modeling, it should be underlined the lack of a comprehensive model able to manage all phenomena that are expected to take place during a rapid depressurization. In the case of CO2 pipeline, the model must be capable of handling multiphase flows also at sonic conditions as well as the peculiar thermodynamic behavior that may invoke the occurrence of the solid phase.
The main target is to have a comprehensive, reliable and easy applicable (from a QRA perspective) model to be used in assessing hazard profiles related to a CO2 pipeline rapid depressurization.
In this sense, available models lack the whole dynamics and the formation and sublimation of solid CO2 expect for sophisticated and detailed CFD (Computational Fluid Dynamic) simulation that are substantially inappropriate to face the emergencies and the investigation of general scenarios.
The model availability is also still limited by the lack of experimental data that are used to drive the model formulation and its validation. The few accessible experimental series give contradictory results in what concerning the peculiar CO2 behavior under transient pressure fields and in correspondence of choked flow conditions thus requiring further investigations.
Moving from these considerations, the present study has the aim of covering the existing gaps in what concerning the availability of a descriptive model.
The study is introduced by a detailed theoretical investigation of specific phenomena the CO2 undergoes when subjected to a rapid depressurization. Examples of these may include the occurrence of multiple choked flow states depending on the established thermodynamic equilibrium (liquid-vapor, solid-vapor) and the investigation of specific thermodynamic pathways that are linked to the solid phase appearance.
A section pertaining to the experimental campaign follows. In this sense the data availability is enhanced by the collection of self-made data series especially linked to moderate pressures (up to 65-70 barg). The experimental arrangement allows for the investigation of different charging states, matching the operative CO2 conditions. Collected data are then used to support the model development in the assessment of specific discharge and thermodynamic parameters that are needed to close the mathematical structure.
The proposed model, that is the main target of this investigation, is illustrated and discussed in a specific section with details on the adopted assumptions, the mathematical structure and the numerical approach. The structure covers all main mechanisms related to the rapid CO2 depressurization including phase change mechanisms (boiling, solidification and sublimation), heat transfer and friction effects as well as a reliable thermodynamic description of the expansion pathway to atmospheric conditions.
Results are first checked against the collected laboratory scale experimental data especially in what concerning the prediction of the main depressurization variables requested by the QRA procedure (stagnation and orifice pressure and temperature profiles, mass flow rate evolution, total discharge time).
A model extension oriented to large scale geometries and different orifice sizes and operative conditions is then proposed. Main discharge parameters are analyzed and their sensitivity to variations in the domain and orifice sizes is assessed with specific light on the relative amounts of dense phase produced and the total discharge time.
The mathematical model is then supplemented of some features concerning non-equilibrium phenomena that do not allow for a mere thermodynamic description. Among these the behavior in the spinodal region, the structural entropy increase in the passage across the triple point and the irreversibilities in the phase change mechanisms are investigated. The target is to firstly check if the additional complication is reasonable from the QRA perspective to then move to variations in the release parameters that emerge because of this extended approach.
A final section is dedicated to the model application to some real existing CCS and EOR (Ehnanced Oil Recovery) projects worldwide making available the main discharge parameters and profiles for different pipeline lengths and orifice sizes. A specific investigation on the solid CO2 is performed in addition to the collection of useful comprehensive parameters to be used in QRA studies.

Abstract (italian)

Il presente lavoro muove dalla necessità di colmare alcune lacune esistenti riguardanti l’Analisi Quantitativa di Rischio (AQR) applicata ad infrastrutture di movimentazione di CO2.
La recente diffusione di complessi sistemi per la cattura e lo stoccaggio della CO2 e per lo spurgo di pozzi petroliferi esausti ha posto il problema di garantire adeguati standard di sicurezza in fase di trasporto mediante pipelines, dato il carattere asfissiante della sostanza movimentata.
Per quanto riguarda l’AQR preliminare e di esercizio applicata al caso della CO2, essa risente della carenza di modelli ad-hoc e di dati sperimentali di supporto utili allo sviluppo di idonei strumenti di calcolo descrittivi dei fenomeni di rapida depressurizzazione. La CO2, infatti, è caratterizzata da un peculiare comportamento termodinamico che in fase di depressurizzazione può portare alla comparsa di fase liquida e solida, rendendo di fatto inadatti e imprecisi i modelli tradizionali attualmente disponibili.
Volendo pertanto trattare tali carenze, il lavoro di ricerca ha previsto la raccolta di dati sperimentali relativi a rapide depressurizzazioni di CO2 nonché la formulazione di un modello comprensivo a scopi di AQR.
L’apparecchiatura sperimentale predisposta ha pertanto consentito di indagare i fenomeni transitori meccanici e termici che seguono ad un rilascio pressurizzato così come fare luce sui meccanismi competitivi di scambio termico che determinano la trasformazione risultante di espansione. I dati relativi a cariche liquide hanno altresì evidenziato le peculiarità derivanti dai meccanismi di cambio di fase sulla determinazione dei profili di pressione e di temperatura all’interno del serbatoio e all’orifizio. Allo scopo di supportare lo sviluppo del modello, sia il coefficiente di scarico che i dettagli sulla trasformazione di espansione sono stati derivati, dipendentemente dalle condizioni di carico del serbatoio.
Il modello proposto si articola in un complesso sistema di equazioni di bilancio unite a specifiche correlazioni utili a descrivere i meccanismi di scambio termico e di transizione di fase che, nel caso della CO2, possono coinvolgere l’ebollizione, la solidificazione e la sublimazione. Specifiche equazioni di stato per la CO2 contribuiscono ad una robusta descrizione del fenomeno. È stata dedicata particolare attenzione all’indagine preliminare della fluidodinamica dei moti soggetti a rilevanti gradienti termici nonché al peculiare comportamento della CO2 in regime di choked flow.
La corrispondenza quantitativa e qualitativa con i dati sperimentali raccolti è buona. Inoltre, il modello ha permesso di ricavare dettagli sul grado di reversibilità dei percorsi di espansione e sui principali parametri richiesti in fase di AQR quali i profili di pressione e di temperatura, l’evoluzione della portata massiva rilasciata dal sistema e il tempo totale di scarico.
L’estensione del modello a domini su scala reale ha previsto l’indagine dell’incidenza delle condizioni operative, della dimensione della pipeline così come di quella del foro di scarico sull’evoluzione del fenomeno di depressurizzazione. I risultati hanno consentito di fare luce sulle condizioni che determinano la comparsa di fase solida in fase di rilascio, spesso trascurata dai modelli tradizionali.
Diverse simulazioni hanno evidenziato come sia le condizioni operative che la dimensione dell’orifizio rappresentino i parametri chiave nel governare i processi di cambiamento di fase e le modalità di espansione. Inoltre, l’analisi ha consentito di stabilire sotto quali condizioni sia possibile semplificare l’intera modellazione adottando l’ipotesi di isotermia e di scambio termico trascurabile mostrando come pipeline molto lunghe soggette a piccoli fori soddisfino a tali requisiti.
Infine, il perfezionamento del modello mediante l’introduzione di concetti legati sia a fenomeni di non-equilibrio che di processi irreversibili che accompagnano le transizioni di fase, ha mostrato come per pressioni moderate e piccole pipelines ciò sia del tutto superfluo. Negli altri casi, invece, l’adozione di questo approccio supplementare mostra importanti deviazioni nella stima sia della dinamica termica che del tempo totale di scarico.

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EPrint type:Ph.D. thesis
Tutor:Maschio, Giuseppe
Ph.D. course:Ciclo 29 > Corsi 29 > INGEGNERIA INDUSTRIALE
Data di deposito della tesi:23 January 2017
Anno di Pubblicazione:31 January 2017
Key Words:Safety, Pipelines, CCS, Blowdown, QRA, CO2
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 09 - Ingegneria industriale e dell'informazione > ING-IND/25 Impianti chimici
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento di Ingegneria Industriale
Codice ID:9893
Depositato il:14 Nov 2017 16:18
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