Schallgeschwindigkeits- und Dichtemessung von fluiden Stoffen und Stoffgemischen

Im Bereich der Abscheidung und Speicherung von Kohlendioxid (Carbon Capture and Storage, CCS) werden zur Auslegung der einzelnen Verfahrensschritte Stoffdatenmodelle von reinem CO₂ und CO₂-reichen Gemischen benötigt. Für die Erstellung zuverlässiger Stoffdatenmodelle sind genaue Messwerte der thermischen und kalorischen Zustandsgrößen des jeweiligen Stoffes erforderlich. Deshalb werden in einem durch den Norwegischen Forschungsrat geförderten Projekt Schallgeschwindigkeits- und Dichtemessungen sowie Phasengleichgewichtsmessungen an binären CO₂-reichen Gemischen durchgeführt. Das Ziel dieser Arbeiten ist die genaue Vermessung der für die CCS-Prozesskette technisch relevanten Gemische. Dabei werden zu-nächst Messungen an den binären Gemischen CO₂ / N_2, CO₂ / CH₄ sowie CO₂ / O₂ vorgenommen. Darüber hinaus sollen die binären Gemische CO₂ / Ar und CO₂ / CO vermessen werden. Für die Schallgeschwindigkeits- und Dichtemessungen wird zurzeit am Lehrstuhl für Thermodynamik eine bestehende kombinierte Schallgeschwindigkeits- und Dichtemessanlage¹ modifiziert. Für die Phasengleichgewichtsmessungen wird von SINTEF Engery Research in Trondheim eine neue Apparatur aufgebaut.

Zur Messung der Schallgeschwindigkeit wird eine Anlage verwendet, bei der eine Variante des Puls-Echo-Verfahrens eingesetzt wird.² Bei dieser werden zwei Lauflängen und ein Schallgeber, der als Sender und auch als Empfänger dient, verwendet. Der Schallgeber ist ein X-Schnitt-Schwingquarz, der asymmetrisch zwischen zwei Lauflängen eingespannt ist. Die Schallwellen werden vom Quarz in beide Richtungen ausgesendet und an den Reflektoren teilweise zurückgeworfen. Aufgrund der unterschiedlichen Lauflängen erreichen die Echos den Schwingquarz um die Zeitdifferenz Δt_Echo versetzt.

Prinzip der Schallgeschwindigkeitsmessung. Links: Schematische Darstellung des Schall-geschwindigkeitssensors. Rechts: Verlauf der Schallwellen zweier Pulse über der Zeit; hier dargestellt für den Fall der Interferenz.

Die Messungen werden gemäß dem Prinzip des phasenvergleichenden Puls-Echo-Verfahrens durchgeführt.³ Wie anhand des Bildes zu erkennen ist, werden zwei Pulse nacheinander aus-gesendet (Puls 1 und Puls 2). Die Zeitdifferenz Δt_Puls zwischen dem Aussenden des ersten und des zweiten Pulses wird solange variiert bis das zweite Echo des ersten Pulses mit dem ersten Echo des zweiten Pulses vollständig destruktiv interferiert. In diesem Fall sind Δt_Echo und Δt_Puls gleich groß (vgl. Bild 1) und die Schallgeschwindigkeit mithilfe nachfolgender Gleichung auf einfache Weise berechnen:

Die Dichtemessungen werden mit einer Messanlage nach dem, in der Stoffdatenforschung international etablierten, Ein-Senkkörper-Dichtemessverfahren⁴, das auf der Auftriebsmethode nach Archimedes basiert, durchgeführt. Auf diese Weise kann die Dichte ρ eines Fluids aus der Wägung eines Senkkörpers im Vakuum und im Messfluid sehr genau ermittelt werden. Das Ein-Senkkörper-Dichtemessverfahren wurde in den 1990er Jahren am Lehrstuhl für Thermody-namik entwickelt und seitdem kontinuierlich verbessert. In den Jahren 2003 und 2004 wurde der seinerzeit aktuelle Stand der Technik zu Messanlagen, die nach diesem Messverfahren arbeiten, von Wagener et al.⁵ sowie von Wagner und Kleinrahm⁶ ausführlich dargelegt. Darüber hinaus wird das Ein-Senkkörper-Dichtemessverfahren auf dieser Homepage im Bereich „Kompetenzen aus früheren Forschungsprojekten“ im Detail beschrieben.

Literatur