Experimentelle und theoretische Untersuchungen der Grenzflächenspannung in Mischungen aus unpolaren und assoziierenden Komponenten unter erhöhten Drücken
Final Report Abstract
Basierend auf einer Zustandsgleichung, die in der Lage ist, verschiedene Wechselwirkungen (disperse, assoziative, polare Wechselwirkungen) zu berücksichtigen, wurden Reinstoffe, binäre und ternäre Mischungen mit einem Bezug zur Erdöl- bzw. Erdgasförderung bei gleichseitiger CO2-Einspeisung untersucht. Als eine geeignete Zustandsgleichung erwies sich die PCP-SAFT Zustandsgleichung, die eine Extrapolation der thermodynamischen Bulk-Eigenschaften für Reinstoffe und für Mischungen über einen großen Temperatur- und Druckbereich erlaubt. Hinsichtlich der besonders schwierigen Mischungen, bestehend aus Wasser und n-Alkanen, gelang es, die Konzentrationsverhältnisse in allen koexistierenden Phasen in sehr guter Überein¬stimmung mit experimentellen Daten zu beschreiben. Dieser große Fortschritt beruht auf einer komplexen Mischungsregel für den binären Wechselwirkungsparameter, der sowohl von der Temperatur als auch von der Zusammensetzung abhängt. Mit Hilfe der Zustandsgleichung können auch die Gemischdichten der beiden Phasen in sehr guter Übereinstimmung mit Daten aus der Literatur und mit in diesem Projekt gewonnenen Daten erzielt werden. Dieses Ergebnis erlaubt es auf die sehr aufwendige Messung der Gemischdichten für die experimentelle Bestimmung der Grenzflächenspannung mit Hilfe der Pendant oder Spinning drop Methode zu verzichten. Die Kombination der Zustandsgleichung mit der Dichtegradiententheorie ermöglichte die Berechnung der Ober- bzw. Grenzflächeneigenschaften für reine Stoffe, binäre und ternäre Mischungen. Auf experimentellem Gebiet konnte eine neue Methode für die Messung der Grenzflächeneigenschaften bei tiefen Temperaturen aufgebaut werden. Im Rahmen der Dichtegradiententheorie ist für jeden reinen Stoff der sogenannte Einflussparameter notwendig. Für Stoffe mit einem kritischen Punkt bei sehr tiefen Temperaturen konnte die Extrapolationsfähigkeit dieses Parameters in das überkritische Gebiet nachgewiesen werden. Im Falle der n-Alkane hängt der Einflussparameter nur von der Kettenlänge ab, so dass auch hier eine Extrapolation hinsichtlich der Kettenlänge möglich ist. Durch die Annahme von 4 Assoziationsplätzen für Wasser gelang erstmalig die Modellierung der Oberflächenspannung von Wasser über einen großen Temperaturbereich. Für Mischungen, die kein Wasser enthalten, war die Vorhersage der Oberflächenspannung aus den Einflussparametern der reinen Stoffe durch die Verwendung der geometrischen Mischungsregel möglich. In wässrigen Systemen muss diese Mischungsregel durch einen temperaturunabhängigen Parameter korrigiert werden. Die Verwendung der komplexen Mischungsregel bzgl. des binären Wechselwirkungsparameters erlaubt die Berechnung der Grenzflächeneigenschaften von Systemen, die aus Wasser und n-Alkanen bestehen, in guter Übereinstimmung mit experimentellen Daten, die innerhalb des Projektes entstanden sind und mit experimentellen Daten aus der Literatur. Die angewendete theoretische Vorgehensweise ist durch die Eigenschaften der reinen Stoffe und der binären Mischungen vollständig parametrisiert. Somit konnten sowohl die Bulkeigenschaften als auch die Grenzflächeneigenschaften von ternären Mischungen in exzellenter Übereinstimmung mit experimentellen Daten vorhergesagt werden. Die innerhalb dieses Projektes erzielten Ergebnisse ebnen somit den Weg für die Berechnung der Phasen- und Grenzflächeneigenschaften in realen Lagerstätten bei gleichzeitiger Einspeisung von Kohlendioxid.
Publications
- "Interfacial properties of mixtures containing supercritical gases" J. Supercrit. Fluids 55 (2010) 724-34
O.G. Niño Amézquita, S. Enders, P.T. Jaeger, R. Eggers
- "Measurement and Prediction of Interfacial Tension of Binary Mixtures" Ind. Eng. Chem. Res. 49 (2010) 592-601
O.G. Niño Amézquita, S. Enders, Ph.T. Jaeger, R. Eggers
- "Prediction of Interfacial Tension of Binary Mixtures" Computer-Aided Chemical Eng. 28 (2010) 85-90
O.G. Nino-Amezquita, S. Enders
- Phasenverhalten und Grenzflächeneigenschaften im System Kohlendioxid + Wasser. Process-Net Fachausschuss “Thermodynamik” Frankfurt/Main (Deutschland) 04.10.-6.10.2011
G. Niño-Amézquita S. Enders
- “Interfacial properties at elevated pressures in reservoir systems containing compressed or supercritical carbon dioxide” J. Supercrit. Fluids 66 (2012) 80-85
P.T. Jaeger, R. Eggers
(See online at https://doi.org/10.1016/j.supflu.2011.12.024) - “Phase behavior and Interfacial Properties of the System Water + Carbon dioxide” Fluid Phase Equilibria 332 (2012) 40-47
O.G. Niño Amézquita, D. Putten, S. Enders
