CCS and EOR hazard analysis. Experimental investigation and modeling of multiphase CO2 pressurized releases.

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.