The Effect of Ultrasonic Excitation on Ice as a Substitute for Natural Gas Hydrates

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenMasterarbeit

Abstract

Neueste Erkenntnisse durch Feld- und Laborversuche haben in den letzten Jahren gezeigt, dass die Anwendungen von Ultraschall in der Erdöl- und Erdgasindustrie vielseitig und in den meisten Fällen nicht nur aus technischer Sichtweise Sinn machen, sondern auch eine wirtschaftliche, nachhaltige und effiziente Alternative zu heute gängigen Methoden darstellen. Die Grundzüge dieser Arbeit konzentrieren sich einerseits auf die verschiedenen Anwendungsbereiche von Ultraschall in der Erdöl- und Erdgasindustrie und legt andererseits ihren Fokus auf die Auswirkungen von Ultraschallwellen auf Eis, welches als Ersatz für Gashydrate angesehen werden kann. Im direkten Zusammenhang wird eine sichere, effiziente und umweltfreundliche Methode gesucht um solche Gashydrate mit Ultraschall entfernen zu können. Die Bildung von Gashydraten während der Produktion, der Verarbeitung und dem Transport von Erdgas stellt ein großes Problem dar. Vorfälle, die direkt oder indirekt mit der Handhabung von Gashydraten zusammenhängen, kosten der Erdgasindustrie Millionen von Dollar. Viel schlimmer ist die Bedrohung von Menschenleben durch Unfälle oder unsachgemäßes Verhalten. Daher ist das Verständnis für eine effektive Hydratprävention und in weiterer Folge für die Entfernung von Hydratablagerungen und Verstopfungen ein entscheidender Faktor, der eine ständige Entwicklung und Verbesserung fordert. Um die Wirkung von Ultraschall auf Eis bewerten zu können, werden drei unterschiedliche Experimente durchgeführt. Zur ersten Orientierung (Setup 1) wird ein einfacher Ultraschallreiniger, der üblicherweise im Haushalt Anwendung findet, eingesetzt. Ein sofortiger Effekt des Ultraschalls ist sowohl visuell als auch akustisch wahrnehmbar: in unterschiedlichen Bereichen des Eisblocks treten Luftblasen auf, die auf den Effekt der Kavitation zurückzuführen sind. In weiterer Folge bricht das Eis und es entstehen flüssigkeitsgefüllte Hohlräume. Im Vergleich zum Kontrollexperiment unter normalen Bedingungen ohne Ultraschall wird eine 24-mal schnellere Auflösung beobachtet. Der zweite Versuchsaufbau (Setup 2) setzt sich mit dem Zerfall, beziehungsweise der Zerstörung, von Hydratstopfen in einem Stahlzylinder, der einen Rohrabschnitt simuliert, auseinander. Die Ultraschallanregung beweist hierbei eine um eine vielfache schnellere Auflösung, außerdem können Veränderungen der mechanischen Eigenschaften des Eises beobachtet werden: der Eisblock wird brüchig, instabil und zerfällt unter leichtester Beanspruchung. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt jedoch auf Setup 3, da hierbei durch das Anlegen eines Kontrolldruckes an den Einlass des Zylinders, Auskunft über den Durchbruch des Eisblocks gegeben werden kann. Dieser Punkt ist wesentlich, da er verdeutlicht, ab wann eine Druck- oder Strömungskommunikation zwischen dem Einlass und dem Auslass gegeben ist und somit den Zeitpunkt darstellt, ab wann ein verstopftes Rohr wieder „frei“ fließen kann. Generell können bei allen Versuchen unter Ultraschallanregung schnellere Zerfall- und Durchbruchzeiten beobachtet werden. Untersuchungen bezüglich unterschiedlich starker Ultraschallsignale, realisiert durch die unterschiedliche Anzahl an Ultraschallwandlern mit Gesamtleistungen von 200, 400 oder 1000 Watt zeigen nicht notwendigerweise eine Verbesserung der Anwendung. Zusammengefasst, ein Anstieg der Leistung bedeutet keinesfalls einen Anstieg der Auflösungseffizienz. Alle Experimente dieser Arbeit vergleichen die Wirkung von Ultraschall mit den Ergebnissen von nicht beschallten System bei Umgebungsbedingungen. Um industriell relevante Vergleiche mit gängigen Methoden der Hydratentfernung zu erhalten, sind weitere wissenschaftliche Anstrengungen und Experimente notwendig.

Details

Titel in ÜbersetzungDie Wirkung von Ultraschallwellen auf Eis als Ersatz für Gashydrate
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDipl.-Ing.
Gradverleihende Hochschule
Betreuer/-in / Berater/-in
Datum der Bewilligung19 Okt. 2018
StatusVeröffentlicht - 2018