Grenzflächen und Stofftransport unter erhöhten Drücken

Im Zuge der Energiewende haben Prozesse zur Speicherung von CO2 oder Wasserstoff an Relevanz gewonnen. Diesen Prozessen ist gemein, dass diese unter sehr hohen Drücken stattfinden. Die experimentelle Bestimmung thermodynamischer Stoffdaten wie Phasengleichgewichte, Grenzflächeneigenschaften oder Stofftransporteigenschaften ist unter diesen Bedingungen sehr herausfordernd. Deshalb ist es sinnvoll physikalisch begründete Modelle anzuwenden, die es erlauben auf Basis weniger Experimente, die Stoffdaten zu berechnen. Aufbauend auf einem kürzlich entwickelten Modell zur Berechnung des Stofftransportes über die Phasengrenzfläche in flüssig-flüssig System, wird ein Modell entwickelt, welches den Stofftransport über Dampf-Flüssig-Flüssig Grenzflächen bei erhöhten Drücken berechnen kann. Als Modelsystem werden hier zwei quaternärer Systeme betrachtet nämlich das System Wasser/n-Dodekan/n-Butanol/CH4 bzw. wird im zweiten System CH4 durch CO2 ersetzt. Diese Systeme sind aus wissenschaftlicher Sicht interessant, da bekannt ist, dass sich sowohl CO2 als auch n-Butanol an der Grenzfläche anreichern. In diesem Projekt werden erstmals zwei quaternäre Systems systematisch untersucht, d.h. es werden die relevanten thermodynamischen Stoffdaten nicht nur für das zu untersuchende Modellsystem analysiert, sondern auch die relevanten Stoffdaten aller Untersysteme. Darüber hinaus werden in diesem Projekt neue experimentelle Methoden entwickelt, um den Stofftransport über die Phasengrenzfläche zu vermessen. Eine wichtige Voraussetzung hierfür ist auch die enge Verzahnung mit der Modellierung. Im Rahmen dieses Projektes wird ein thermodynamisch konsistentes Modell für den Stofftransport über die Phasengrenzfläche entwickelt. Als Basis dient hierzu PC-SAFT, das eingesetzt wird, um die Phasengleichgewichte zu berechnen. PC-SAFT wurde schon erfolgreich für die Modellierung von Phasengleichgewichten unter Hochdruck eingesetzt. Durch die Kombination von PC-SAFT mit der Dichtegradiententheorie können die Grenzflächeneigenschaften im Gleichgewicht berechnet werden. Außerdem wird ein Ausdruck für die Helmholtz-Energie eines inhomogenen Systems bereitgestellt. Aus diesem kann das chemische Potential abgeleitet werden, welches als Triebkraft für den Stofftransport dient. Das thermodynamische Modell und das Stofftransportmodell wird den experimentell bestimmten Daten der binären Untersysteme parametrisiert und mit den experimentellen Daten der ternären und quaternären Systeme validiert. Darüber hinaus ist es möglich auch experimentell nicht zugängliche Größen wie der Dichte im Nichtgleichgewicht zu berechnen und zur experimentellen Bestimmung der Grenzflächenspannung im Nichtgleichgewicht zu nutzen. Im Erfolgsfall würde erstmals ein thermodynamisch konsistentes Modell zur Berechnung des Stofftransportes in Mehrphasensystemen unter Hochdruck zur Verfügung stehen. Außerdem würde die stoffliche Datenbasis erweitert und neue experimentelle Methoden bereitstehen.

Flüssige Kraftstoffe, Wasser und Gase wie Erdgas, Kohlendioxid oder Wasserstoff treffen sich in vielen Prozessen der Energieversorgung: in Pipelines, Tanks, unterirdischen Speichern oder bei der Rückgewinnung von Erdöl und Erdgas. Genau dort, wo zwei Fluide aneinandergrenzen - an der sogenannten Grenzfläche - entscheidet sich, , wie schnell Stoffe hindurchwandern und ob ein Verfahren sicher und effizient arbeitet. Diese Vorgänge sind bislang vor allem bei Normaldruck verstanden, aber kaum bei den deutlich höheren Drücken, die in der Praxis üblich sind. Dieses Projekt untersuchte deshalb exemplarisch Systeme aus Wasser, einem typischen Ölbestandteil, einem Alkohol (n-Butanol) und den Gasen Methan oder Kohlendioxid bei hohen Drücken. In speziellen Hochdruckzellen wurde mit Kameras und empfindlichen Waagen beobachtet, wie Tropfen wachsen oder schrumpfen, wenn Gas ein- oder austritt. Mit Laserlicht (Raman-Spektroskopie) wurde berührungslos gemessen, wie sich die Konzentrationen der Stoffe im Inneren der Flüssigkeiten mit der Zeit ändern. Parallel dazu wurde ein detailliertes Computermodell entwickelt, das die gemessenen Daten nachbilden und extrapoliert. Sie sollen beschreiben, wie sich Zusammensetzung, Dichte und die Grenzflächeneigenschaften (die Grenzflächenspannung) gegenseitig beeinflussen und wie sie den Austausch von Stoffen steuern. Auch komplizierte Gemische mit mehreren Flüssigkeiten und Gasen werden so virtuell nachgebildet, ohne dass jede Konstellation im Labor getestet werden muss.