Investigations on bio and natural gas conditioning and separation via gas hydrate formation under the use of surface active materials (promoters)
Gas hydrates are solid crystalline inclusions of guest molecules in water. In nature, due to high pressures and low temperatures, they can be found in deep sea or permafrost areas where water molecules form cage-like structures in which stabilizing guest molecules are centered inside. The guest molecules are e.g. lower hydrocarbons or carbon dioxide. Former research was mainly focused on the exploitation of natural gas hydrate deposits and the prevention of gas hydrate formation in gas pipelines. Along with the growing knowledge on gas hydrate properties, new applications are conceivable. Nowadays, efficient gas storages, desalination units, gas separation processes etc. are thinkable. In the coming decades, the relevance of natural and biogas will rise due to the decline of conservative fossil fuels like crude oil. Currently, both gases need to be conditioned with a high cost and energy effort.
The presented thesis follows the attempt to solve these problems by developing an energy saving gas hydrate separation process. Therefore, the gas hydrate formation behavior in presence of diverse kinetic and thermodynamic promoter mixtures is extensively investigated under different conditions and the separation efficiency evaluated. Surface active substances are tested and a promoting coating for reactors and particles is designed. A multitude of reactor designs is developed, operated and optimized with regard to an improved, targeted gas hydrate formation. Furthermore, first-time feasibility studies are performed proving a successful development of a promoting coating, a combined biogas production with subsequent gas hydrate separation, and a gas hydrate absorption process. Additionally an Excel Tool© is developed for the prediction of gas hydrate equilibria. Supported by simulations, the promising results of this thesis result in economic considerations revealing the vast energy and cost saving potential of a gas hydrate separation process applicable for bio and natural gas conditioning. Further, a pilot plant is designed to allow further research with an industrial and commercial focus in the future.
Gashydrate sind feste kristalline Einschlüsse von Gastmolekülen in Wasser. In der Natur kommen sie aufgrund hoher Drücke und niedriger Temperaturen in Tiefsee- oder Permafrostgebieten vor, in denen Wassermoleküle käfigartige Strukturen bilden, welche durch stabilisierende Gastmoleküle besetzt sind. Die Gastmoleküle sind z.B. niedere Kohlenwasserstoffe oder Kohlendioxid. Die bisherige Forschung konzentrierte sich hauptsächlich auf die Ausbeutung von natürlichen Gashydratvorkommen und die Verhinderung von unerwünschter Gashydratbildung in Gaspipelines. Aufgrund des wachsenden Wissens über die Gashydrateigenschaften sind neue Anwendungen denkbar, wie beispielsweise effiziente Gasspeicher, Entsalzungsanlagen und Gastrennprozesse.
In den kommenden Jahrzehnten wird die Bedeutung von Natur- und Biogas durch die zunehmende Verknappung von fossilen Brennstoffen wie Erdöl zunehmen. Derzeit müssen beide Gase mit einem hohen Kosten- und Energieaufwand konditioniert werden.
Die vorliegende Arbeit liefert einen Ansatz zur Lösung dieser Probleme durch die Entwicklung eines energiesparenden Gashydrat-Trennverfahrens. Dabei wird das Gashydratbildungsverhalten in Gegenwart verschiedener kinetischer und thermodynamischer Promotormischungen unter verschiedenen Bedingungen eingehend untersucht und die Trennleistung bewertet. Es werden oberflächenaktive Substanzen getestet und eine fördernde Beschichtung für Reaktoren und Partikel entworfen. Eine Vielzahl von Reaktorkonzepten wird im Hinblick auf eine verbesserte, gezielte Gashydratbildung entwickelt, betrieben und optimiert. Darüber hinaus werden erstmals Machbarkeitsstudien durchgeführt, die die erfolgreiche Entwicklung einer fördernden Beschichtung, einer kombinierten Biogaserzeugung mit anschließender Gashydratabtrennung und eines Gashydratabsorptionsverfahrens belegen. Zusätzlich wurde ein Excel Tool© zur Vorhersage von Gashydratgleichgewichten entwickelt. Unterstützt durch Simulationen ergeben die vielversprechenden Ergebnisse dieser Arbeit wirtschaftliche Überlegungen, die das enorme Energie- und Kosteneinsparungspotenzial eines Gashydrat-Trennverfahrens für die Bio- und Erdgaskonditionierung aufzeigen. Darüber hinaus soll der Entwurf einer Pilotanlage künftig weitere Forschungen mit industriellem und kommerziellem Schwerpunkt ermöglichen.