Synthesis of gas hydrates

Bei Clathraten handelt es sich um Einschlussverbindungen, bei denen beliebige Gastmoleküle in einem Käfig bzw. Gitter von beliebigen Wirtsmolekülen eingeschlossen sind. Bei hohem Druck und niedriger Temperatur können beispielsweise Gasmoleküle in einem Wirtsgitter aus Wassermolekülen eingelagert werden. Natürlich vorkommende Hydrate in den Tiefeneisfeldern der Schelfmeere und in Permafrostgebieten zu finden und haben hauptsächlich Methan als Gastgas. Im Forschungsbereich Energie der Fachhochschule Vorarlberg (FHV) werden die Bildungs- und Zerfallsprozesse von Gashydraten erforscht. Für die Herstellung dieser Proben ist ein Mikroreaktor vorhanden, mit dem keine zufriedenstellenden Ergebnisse erzielt werden können, da die Dauer der Bildung von ausreichenden Mengen an Hydratproben hoch ist. Obwohl die Synthese von Hydraten bereits mehrfach Gegenstand der Forschung war und es weiterhin ist, besteht nach wie vor ein großes Potential in der Beschleunigung des Wachstumsprozesses von Hydraten. Da der Beginn des Hydratwachstums durch einen stochastischen Prozess ausgelöst wird, kann die Dauer der Keimbildung bzw. bis zum Beginn des Kristallwachstums viel Zeit in Anspruch nehmen. Für weitere Forschungsarbeiten im Forschungsbereich Energie der FHV ist eine beschleunigte und technisch einfache Herstellung von Hydraten von hoher Wichtigkeit. Deshalb ist der Fokus bzw. das Thema dieser Arbeit die Entwicklung eines neuartigen Versuchsreaktors, der die Möglichkeit bietet, verschiedene bekannte sowie neue Methoden für die Synthese von Gashydrat anzuwenden und für die Herstellung von Hydratproben untereinander zu kombinieren. Der im Zuge dieser Arbeit entwickelte Versuchsreaktor ist so aufgebaut, dass mehrere aus der Literatur bekannte Synthesemethoden, sowohl einzeln wie auch in Kombination untereinander, verwendet werden können. Als zusätzliche und neuartige Synthesemethode ist eine Baugruppe des Aufbaus darauf ausgelegt, das Hydratwachstum ausschließlich aus der Gasphase zu ermöglichen. Der Versuchsaufbau verfügt über mehrere Temperaturfühler und einen Druckaufnehmer, die über ein Datenerfassungssystem eine Steuerung und eine Überwachung des Herstellungsprozesses erlauben. Es wurden neben verschiedenen Inbetriebnahmetests insgesamt drei Versuche zur Ermittlung der Tauglichkeit des Systems zur Hydratsynthese durchgeführt. In jeder dieser drei Versuchsreihen konnten neue Erkenntnisse bezüglich des Wachstumsprozesses von Hydraten gewonnen werden, die auch in der gesichteten Literatur bisher nicht dokumentiert sind. Weiters wurde die neuartige Synthesemethode aus der Gasphase erprobt. Obwohl diese grundsätzlich funktioniert, sind die erreichbaren Produktionsraten prozessbedingt niedrig. Das Ziel, Hydratproben einfach und schnell erzeugen zu können, konnte mit dem entwickelten Versuchsreaktor erreicht werden.Clathrates are inclusion compounds in which variable gas molecules are inclosed in a cage or grill of variable host molecules. With high pressure and low temperature, it is possible to place into stock for example gas molecules in a host grill composed of water molecules. Hydrates occur naturally for instance in the deep ice fields of the shelf sea and in permafrost zones and mainly have methane as a host gas. In the research institute for energy of the Fachhochschule Vorarlberg (FHV) they investigate the formation and decay processes of gas hydrates. For the production of these samples, there is a micro reactor, which is not appropriate to provide satisfactory results because the formation of sufficient quantities of gas hydrates takes a very long time. Although until now it has been done a lot of research on the synthesis of hydrates, there is still the need to accelerate the growth process of hydrates. As the beginning of this process is initiated by a stochastic process, the nucleation and respectively the beginning of the crystal growth may take a lot of time. In order to facilitate more research and investigations on the research institute for energy of the FHV it is essential to provide a faster and technically easier hydrate production. Because of this the main issue of the present thesis is the development of a new and innovative experimental reactor which renders possible to use many different new or well-known methods for the synthesis of gas hydrates and to combine these also for the fabrication of hydrate samples. The experimental reactor, which was developed in the course of the present thesis, was constructed like that in order to allow the use of several synthesizing methods separately and in combination with the others. As an additional and innovative synthesizing method, a component of the structure aims at rendering possible the hydrate growth during the gas phase. There are several temperature sensors and a pressure transducer, which allow to control and to supervise the production process via a data acquisition system. In addition to different commissioning tests there were carried out three tests in order to check the efficiency of the hydrate synthesizing system. In each of the conducted experiments there could be gained new results about the growth process of hydrates, which have not appeared until then in the common literature. Moreover, the innovative synthesizing method with the gas phase was tested. Although this method generally works, the reachable production rates are very low due to the process. The aim to produce hydrate samples easily and quickly could be reached with the developed experimental reactor