Analisi e simulazione di serbatoi per lo stoccaggio di liquidi criogenici: valutazione delle problematiche di sicurezza

Per fluido criogenico si intende un liquido mantenuto a temperature estremamente basse (inferiori a 0°C), tali da garantire la liquefazione di gas e vapori, riducendo enormemente i volumi. L’elevato gradiente termico esistente tra l’esterno e l’interno delle apparecchiature costituisce la forza motrice per il trasferimento di calore all’interno del serbatoio. Come conseguenza si avrà il riscaldamento e l’evaporazione del liquido (formazione di “boil off gas”, BOG) che si tradurrà, in un serbatoio chiuso, in un aumento di pressione. Previsioni accurate sia della pressurizzazione che dei tassi di BOG associati, sono di fondamentale importanza per il controllo delle condizioni operative e per la definizione dei requisiti di progettazione dei serbatoi. Le applicazioni di processo di fluidi stoccati e/o processati in condizioni criogeniche stanno vivendo negli ultimi anni un notevole sviluppo grazie alla varietà di ambiti nei quali rivestono un ruolo fondamentale. Il crescente utilizzo di sistemi basati su fluidi criogenici in molti settori della ricerca, dell'industria e della medicina ha favorito un rapido sviluppo di questo campo soprattutto negli ultimi decenni. L'impulso più cospicuo è stato dato dalla costruzione dei grandi vettori spaziali, dai recenti sviluppi legati alla tecnologia di accumulo e recupero di energia sotto forma di idrogeno, dall’impiego di gas naturale liquefatto come alternativa più pulita al diesel e dall’utilizzo di etilene come materia prima per la produzione di plastiche e di altri prodotti di ampio consumo. Tuttavia il GNL e l’etilene sono sostanze altamente infiammabili e, come tali, le conseguenze di una potenziale rilascio potrebbero provocare gravi incendi ed esplosioni in aree vulnerabili. Nel presente studio è stato sviluppato un modello di fluidodinamica computazionale (CFD) per serbatoi di stoccaggio parzialmente riempiti di liquido criogenico, in condizioni di perfetto isolamento, esposti a fonti di calore esterne. Scopo del lavoro è lo studio dell’evoluzione della pressione dinamica accumulata e dei profili di temperatura delle fasi in seguito all’ingresso di calore nel serbatoio. Un problema chiave nella modellazione di questo sistema è la previsione della stratificazione del fluido interno durante il processo di riscaldamento. Tale fenomeno è dovuto ad un flusso guidato dalle forze di galleggiamento, causato dal più rapido aumento di temperatura del liquido a contatto con le pareti del serbatoio riscaldato dall'ambiente esterno rispetto a quello nel cuore del recipiente. Il naturale trasferimento di calore convettivo con l'aria circostante e la radiazione solare sono il principale contributo all'aumento della temperatura e alla generazione di BOG. Per analizzare tali fenomeni legati al riscaldamento di fluidi criogenici, è stato sviluppato un modello CFD multifase, basato sul Volume-Of-Fluid (VOF) attraverso il software ANSYS Fluent. Un dominio bidimensionale assialsimmetrico è stato adottato e discretizzato con una griglia strutturata a blocchi, rifinita vicino alle pareti e al livello di riempimento. Diversi fluidi criogenici sono stati implementati nelle simulazioni in condizioni di saturazione, ovvero azoto, etilene e gas naturale liquefatto. Quest’ultimo è stato rappresentato come metano puro. Il modello è stato sviluppato inizialmente per recipienti completamente isolati. Questo ha consentito di ottenerne la validazione attraverso il confronto con i dati sperimentali su piccola scala ricavati per recipienti di azoto liquido. Successivamente il modello è stato esteso a serbatoio di scala industriale considerando la presenza di uno strato di rivestimento isolante esterno di perlite a vuoto. È stato considerato un possibile danno allo strato isolante, preso in considerazione modificando le condizioni al contorno e aumentando il flusso di calore in entrata. Ciò ha permesso di predire la pressione dinamica accumulata nel serbatoio danneggiato, ottenendo così indicazioni chiave per la valutazione della resistenza meccanica del serbatoio e l'impostazione di misure di sicurezza. Il modello ha anche fornito la previsione della temperatura del vapore rispetto al tempo e alla fonte di calore esterna, che è un aspetto chiave per valutare l'efficacia dell'isolamento termico