Simultane Bestimmung von Zusammensetzung und Dichte der koexistierenden Phasen von Dampf/Flüssigkeits-Gleichgewichten bei hohen Drücken und Temperaturen

DFG-Projekt 546754490

Wie zuverlässig sich ein verfahrenstechnischer Prozess auslegen lässt, hängt unmittelbar von der Qualität der zugrunde liegenden Stoffdaten ab. Befindet sich ein Stoffgemisch im Dampf/Flüssigkeits-Gleichgewicht, müssen Zusammensetzung und Dichte beider Phasen bekannt sein. Bei hohen Drücken und Temperaturen fehlen solche Daten jedoch für viele technisch relevante Gemische. Ziel des Projektes ist daher die Entwicklung einer optischen Messtechnik, welche die Zusammensetzung und Dichte beider koexistierender Phasen gleichzeitig und ohne Probenahme bestimmt, bei Drücken bis 25 MPa und Temperaturen bis 650 K.

Das Gemisch strömt hierzu durch eine Kapillare aus Quarzglas mit einem Innendurchmesser von weniger als einem Millimeter, die diesen Bedingungen standhält und zugleich optisch durchlässig ist. In der Kapillare bilden Dampf- und Flüssigphase eine segmentierte Strömung aus abwechselnden Dampfblasen und Flüssigkeitspfropfen. Zwei Lichtschranken tasten diese Strömung im Abstand weniger Zentimeter ab. Aus dem  Laufzeitunterschied zwischen beiden Messstellen ergibt sich die Strömungsgeschwindigkeit; zusammen mit der Dauer der Phasensignale folgen daraus die Blasen- bzw. Pfropfenlängen und damit die Volumenströme beider Phasen. Die Zusammensetzung der koexistierenden Phasen wird zeitgleich mittels Raman-Spektroskopie bestimmt. Da außerdem Gesamtstoffstrom und Gesamtzusammensetzung des zugeführten Gemisches bekannt sind, lassen sich aus den gemessenen Zusammensetzungen und Volumenströmen über Stoffbilanzen die molaren Volumina und daraus die Dichten beider Phasen berechnen.

Der Versuchsaufbau wurde für die zeitaufgelöste Erfassung der Zweiphasenströmung um eine zweite Lichtschranke erweitert. Laser, Lichtschranken und Messelektronik sind in Betrieb; die zugehörige Auswertesoftware wurde entwickelt und zunächst anhand synthetisch erzeugter Signale mit vorgegebenen Parametern überprüft.

In experimentellen Untersuchungen wird das Verfahren an den Systemen Wasser/Stickstoff, Wasser/Kohlendioxid und Ethanol/Kohlendioxid verifiziert. Diese Untersuchungen dienen dazu, die Anforderungen an Signalqualität, Datenauswertung und die robuste Bestimmung der Phasenvolumenströme unter unterschiedlichen Druck-, Temperatur- und Strömungsbedingungen zu identifizieren, auf deren Grundlage Versuchsaufbau und Auswertesoftware überarbeitet wurden. Der Vergleich zwischen gemessenen und bekannten Werten quantifiziert die Messunsicherheit und liefert zugleich die Grundlage für die weitere Optimierung von Versuchsaufbau und Auswerteverfahren. Die validierte Messtechnik soll anschließend auf weitere Gemische angewendet werden, für die bislang keine entsprechenden Stoffdaten vorliegen.