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Phasengleichgewichte mit Hydraten

Neben Phasengleichgewichten zwischen flüssigen und gasförmigen Phasen spielen in vielen technischen Anwendungen auch Phasengleichgewichte mit festen Phasen eine große Rolle. In wasserhaltigen Systemen kommt dabei der Hydratbildung eine besondere Rolle zu. In weiten Bereichen der Erdgas- und Erdölindustrie wird die Hydratbildung gefürchtet, weil sie schon bei Temperaturen deutlich über 0 °C zum Verstopfen von Rohrleitungen und Ventilen durch eisähnliche Strukturen führen kann. Hydrate werden häufig aber auch als Speicheroptionen für den Transport von Gasen oder als Lagerstätte großer Mengen Methans diskutiert. In der Geologie und der Atmosphärenforschung spielen Methanhydrate eine große Rolle, deren Abschmelzen Festlandsockel destabilisieren kann und gefährliche Mengen Methan in die Atmosphäre entlässt.

Hydrate Bunt
Abbildung 1: Phasengleichgewichte bei der Hydratbildung ausgehend von einem Kohlenstoffdioxid/Methan-Gemisch

International werden Phasengleichgewichte mit Hydraten überwiegend mit kommerziell verfügbaren und nicht vollständig dokumentierten Modellen berechnet, die aber zu aktuellen Stoffdatenmodellen für die beteiligten fluiden Phasen nicht konsistent sind. In Kooperation mit dem Thermomechanics Institut der Tschechischen Akademie der Wissenschaften und der Professur für Technische Thermodynamik der TU Dresden wurde in den letzten Jahre eine neue Generation von Hydratmodellen entwickelt, die nicht nur das Gleichgewicht zwischen fester Phase und fluiden Phasen beschreibt, sondern auch die Stoffdaten der fluiden Phase konsistent zu den Ergebnissen der genausten Stoffdatenmodelle für Erdgase, CO2-reiche Gemische, oder einfach der beteiligten Gemische wiedergibt. Damit steht einer konsistenten Berücksichtigung von Hydratphasen in Simulationsrechnungen nichts mehr im Wege.

Derzeit können Hydrate von CO, CO2, CH4, C2H6, C3H8, N2, Ar und O2, sowie von Gemischen dieser Stoffe berechnet werden [1-5]. H2-Hydrate, besondere Fälle der Bildung von Hydraten ausgehend von Gasgemischen und die Dynamik der Hydratbildung sind Forschungsfragen, die es auf Basis des neuen Modelltyps anzugehen gilt.


Literatur

[1] A. Jäger, Václav Vinš, J. Gernert, R. Span und J. Hrubý, Fluid Phase Equilibria 338, 100-113 (2013).

[2] V. Vinš, A. Jäger, R. Span und J. Hrubý, Fluid Phase Equilibria 427, 268–281(2016).

[3] V. Vinš, A. Jäger, J. Hrubý, R. Span, Fluid Phase Equilibria 435, 104-117 (2017).

[4] A. Jäger, V. Vinš, R. Span und J. Hrubý, Fluid Phase Equilibria 429, 55–66 (2016).

[5] S. Hielscher, V. Vinš, A. Jäger, J. Hrubý, C. Breitkopf, R. Span, Fluid Phase Equilibria 459, 170–185 (2018).