Grenzflächen und Stofftransport unter erhöhten Drücken

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Philip Jaeger
• Fachliche Zuordnung: Technische Thermodynamik ; Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 461538157

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.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich
• Partnerorganisation: Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF)
• Kooperationspartner: Professor Dr.-Ing. Tim Zeiner