Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Nachdem im Verbundprojekt COORAL das Hauptaugenmerk auf überkritisches CO2 gelegt wurde, d. h. Transport über kurze Strecken bei erhöhter Temperatur, wurde in CLUSTER ein größeres lokales Transport-Netzwerk betrachtet, bei dem CO2 bei geringeren Temperaturen, also vorwiegend im flüssigen Zustand transportiert wird. Wurden in COORAL die CO2-Ströme von Kohlekraftwerken untersucht, ging es in CLUSTER zusätzlich um die Emissionen von relevanten Industrien, deren CO2-Emissionen nicht ohne Weiteres vermieden werden können.
Aufgrund der Erfahrungen in COORAL konnte eine Auswahl von kommerziellen Werkstoffen getroffen werden, die für einen konkreten Einsatz für CCS zur Verfügung stünden. Die gemischten und fluktuierenden CO2-Zusammensetzungen sind bei geeigneten Begrenzungen der Begleit¬stoffe im CO2 bezüglich Korrosionsvorgänge beherrschbar. Die Machbarkeit eines lokalen CCS-Clusters erscheint daher gegeben, soweit dies die Anlagen für Kompression, Transport und Injektion betrifft.
This book provides a state‐of‐the‐art overview on the processing, characterization, and modelling of metallic and ceramic materials used for energy and environmental applications. 17 scientists show a collection of current knowledge in 8 chapters.
This book fulfills its intention to provide a reference book containing a collection of publications on thin films and coatings made of ceramic and metals used for energy and environmental applications. It covers a broad range of this topic and provides a comprehensive insight. Graduate and undergraduate students of materials science and mechanical engineering can find an overview on this topic to step in this interesting field of engineering.
Der Vortrag berichtet über die Auslagerung von Standardproben nach DIN EN ISO 9223 bis 9226 aus Zink, Stahl, Kupfer und Aluminium auf den verschiedenen atmosphärischen Bewitterungsständen der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM). Im Vortrag werden die Masseverluste, Korrosionsgeschwindigkeiten und Korrosivitätskategorien der Standardproben im freibewitterten und überdachten Bereich nach einem Jahr vorgestellt und Unterschiede hinsichtlich der Atmosphärenbedingungen aufgezeigt. Freibewitterte Proben zeigen dabei deutliche Unterschiede hinsichtlich ihres Korrosionsverhaltens im Vergleich zu überdachten Proben. Die ermittelten Korrosivitätskategorien sind sowohl standort- als auch materialspezifisch.
Der Vortrag berichtet über die Auslagerung von Standardproben nach DIN EN ISO 9223 bis 9226 aus Zink, Stahl, Kupfer und Aluminium auf den verschiedenen atmosphärischen Bewitterungsständen der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM). Im Vortrag werden die Masseverluste, Korrosionsgeschwindigkeiten und Korrosivitätskategorien der Standardproben im freibewitterten und überdachten Bereich nach einem Jahr vorgestellt und Unterschiede hinsichtlich der Atmosphärenbedingungen aufgezeigt. Freibewitterte Proben zeigen dabei deutliche Unterschiede hinsichtlich ihres Korrosionsverhaltens im Vergleich zu überdachten Proben. Die ermittelten Korrosivitätskategorien sind sowohl standort- als auch materialspezifisch.
Der Vortrag berichtet über die Auslagerung von Standardproben nach DIN EN ISO 9223 bis 9226 aus Zink, Stahl, Kupfer und Aluminium auf den verschiedenen atmosphärischen Bewitterungsständen der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM). Im Vortrag werden die Masseverluste, Korrosionsgeschwindigkeiten und Korrosivitätskategorien der Standardproben im freibewitterten und überdachten Bereich nach einem Jahr vorgestellt und Unterschiede hinsichtlich der Atmosphärenbedingungen aufgezeigt. Freibewitterte Proben zeigen dabei deutliche Unterschiede hinsichtlich ihres Korrosionsverhaltens im Vergleich zu überdachten Proben. Die ermittelten Korrosivitätskategorien sind sowohl standort- als auch materialspezifisch.
Unter Passivität versteht man den Korrosionsschutz durch dünne, festhaftende Schichten aus Korrosionsprodukten. Für den schadensfreien Einsatz nichtrostender Stähle ergeben sich daraus zwei grundsätzliche Anforderungen.
Erstens muss sich die Passivschicht vollständig ausbilden können. Dabei sind die Oberflächenausführung,die mechanische Bearbeitung,die Elementverteilung, Ausscheidungen, die Wärmeeinbringung z.B. bei der schweißtechnischen Verarbeitung, Anlauffarben, sowie die chemische Nachbehandlung bzw. Konditionierung der Oberflächen von großer Bedeutung. Zweitens muss die Repassivierung von möglichen Defektstellen unter den Einsatzbedingungen möglich sein. Für das Repassivierungsvermögen sind die Legierungszusammensetzung, mögliche kritische Betriebszustände, prozessbedingte Besonderheiten wie etwa Stagnationsbedingungen und Reinigungsprozesse von Bedeutung.
Der Vortrag stellt ein neuartiges Korrosionsprüfverfahren für Zinküberzüge auf Basis gelartiger Elektrolyte vor und führt die Vorteile gegenüber konventionellen Prüfverfahren auf. Basierend auf den Ergebnissen wird die Idee für einen IGF-Projektantrag in Kooperation mit dem Fraunhofer IKTS vorgestellt.
Aus Rapsöl gewonnener Biodiesel ist eine umweltfreundliche Alternative zu fossilen Energiequellen. In der Europäischen Union, in der 80 % der ölhaltigen Brennstoffe importiert werden müssen, besteht zudem ein Interesse, die Abhängigkeit von exter-nen Ölversorgern zu reduzieren.
Bei jeder Veränderung der Zusammensetzung eines Brennstoffs muss auch die Ma-terialverträglichkeit gewährleistet bleiben. Es stellt sich die Frage, ob Elastomere im Vergleich zu reinem Heizöl auch in Heizöl mit 20 % Biodiesel (B20) beständig sind.
Die Polarität des Biodiesels erhöht die Quellung und fördert die Permeation und Ex-traktion. Sowohl Quellung als auch Extraktion bedingen Änderungen der physikali-schen Eigenschaften der Elastomere. Extraktion verändert die chemische des Heiz-öls. Diese chemischen Veränderungen können auch den Abbau (Hydrolyse und Oxi-dation) der Polymere durch das Herauslösen von Additiven und Stabilisatoren be-schleunigen.
Ziel dieser Arbeit war die Bestimmung der Beständigkeit der Elastomere ACM (Poly-acrylatkautschuk), HNBR (Hydrierter Acrylnitrilbutadienkautschuk), FKM (Fluorkaut-schuk) und PUR (Polyurethan) in Heizöl und im Heizölgemisch B20.
Prüfkörper der Elastomere wurden für 42 Tage (Härteprüfung) und 84 Tage (Zugprü-fung) bei 40 °C ausgelagert. Anschließend wurde die Änderung der Masse, Shore Härte A, Zugfestigkeit, und Reißdehnung bezogen auf die Werte vor der Aus-lagerung bestimmt. Die weniger zur Quellung neigenden Elastomere FKM und HNBR wurden zusätzlich bei 70 °C ausgelagert.
Um die Elastomere im verpressten Zustand zu testen, wurde der Druckverformungs-rest nach DIN ISO 815 bestimmt. Hierzu wurden zylindrische Prüfkörper aus ACM, HNBR und FKM verpresst und in Heizöl und Heizöl mit 20 % FAME für 3, 7, 14, 28, 56 und 90 Tage bei 40 °C ausgelagert. Anschließend wurde über die Dickenmes-sung der Druckverformungsrest ermittelt. Zum Vergleich wurden Prüfkörper verpresst und ohne Medium bei 40 °C ausgelagert.
In den internationalen Normen wurde kein Grenzwert für die Veränderung der Zugei-genschaften und der Härte für eine positive Bewertung der Beständigkeit festgelegt. Deshalb wurde in der BAM ein Grenzwert von 15 % für die Beständigkeitsbewertung herangezogen.
Bei 40 °C lag die Änderung der Zugeigenschaften und der Shore Härte von ACM, HNBR und FKM in Heizöl und in B20 unter 15 %. Folglich sind ACM, HNBR und FKM bei 40 °C in Heizöl und in B20 beständig. PUR ist bei 40 °C in Heizöl beständig, je-doch nicht für eine Verwendung in B20 geeignet, da sich die Zugfestigkeit und Reiß-dehnung um 50 % vermindert haben.
Bei 70 °C ist FKM in Heizöl und B20 beständig, wohingegen HNBR an seine Einsatz-grenzen gelangt und unbeständig ist, in B20 haben sich die Zugfestigkeit um 40 % und die Reißdehnung um 50 % reduziert.
Depending on the CO2 generating and the capture process as well as on consecutive purification steps applied, CO2 streams from different emitters may differ in their composition. When CO2 streams with different compositions are fed into a larger pipeline network, there are several aspects that must be considered: i) chemical reactions, such as acid formation, may occur within the joint CO2 stream; ii) there may be a variation of mass flow rate and CO2 stream composition within the pipeline network if the feed-in behavior of different CO2 sources changes with time. Potential impacts of changing CO2 stream compositions and mass flow rates in CCS cluster systems were investigated in the collaborative project "CLUSTER" (see also www.bgr.bund.de/CLUSTER). In this presentation, we focus on the experimental investigations of formation and condensation of strong acids and their impacts on the corrosion of pipeline steels. When SO2, NO2, O2 and H2O are present simultaneously in CO2 streams chemical cross-reactions may occur leading to the formation of strong acids such as sulfuric and nitric acid. To prevent this acid formation the concentration of at least one of these four impurities must be kept very low (e.g., Rütters et al., 2016). At temperatures below the acid dew point temperature, acids will condense, e.g., on pipeline steel surfaces. In turn, these acid condensates may trigger steel corrosion. To better understand the process of acid formation and condensation and its implications for steel corrosion, exposure tests were performed on pipeline steel X70 in dense CO2 with varying SO2, NO2 and O2 concentration under high pressure and at 278 K in an observable autoclave, in which water was added as droplets or as vapor. Further, electrochemical tests were carried out with X70 specimens immersed in 500 mL CO2-saturated synthetic condensate solution or in droplets of the same solution on the specimen’s surface. Depending on impurity concentrations in the CO2 streams, condensates consisting of different relative amounts of nitric and sulfuric acid were formed. In condensates containing both nitric and sulfuric acid, corrosion rates were higher than the sum of those of the individual acids. In addition, corrosion products and forms depended on the condensate composition. Investigations of water droplets on steel surfaces in impurity-containing dense-phase CO2 revealed the diffusion of SO2 and NO2, followed by cross-reactions forming corresponding acids. An increase in droplet size (from 1 to 5 µl) lead to higher corrosion rates. However, in comparison to measurements in bulk solution, corrosion reactions in droplets resulted in thick, high-resistance corrosion products and observed droplet corrosion rates were significantly lower. In addition, the possibility of acid droplet formation and growth in impure liquid CO2 is influenced by the wetting behavior of the acid droplet on the steel surface. Thus, the contact angle between a water droplet and the surface steel specimens in a CO2 atmosphere was investigated in a high pressure view cell following the sessile drop method. The contact angle wasand found to be larger at higher CO2 pressures (studied from 5 to 20 MPa) and at higher temperatures (e.g. 278 K to 333 K). Further, measured contact angles were larger on rough than on smooth metal surfaces. In addition, acid formation reduced the contact angle, i.e. lead to better wetting, thereby stimulating condensation that was followed by a corrosion process. These detailed insights on the complex interplay of acid formation, condensation, wetting behavior and corrosion allow a better assessment of material suitability for pipeline transportation of impure CO2 streams
Compatibility of polymeric materials with heating oil/biodiesel blends at different temperatures
(2019)
Materials compatibility is a major concern whenever the fuel composition is changed. The question arises of whether polymeric materials are resistant to heating oil with admixtures of 10 % biodiesel (B10) and 20 % biodiesel (B20).
The polarity of biodiesel increases its solvency and facilitates permeation and extrac-tion. Solvation, swelling and/or extraction lead to changes in the physical properties and chemical changes of polymeric materials.
The objective of this research was to determine the resistance of frequently used sealing materials such as FKM, EPDM, CR, CSM, NBR, IIR, VMQ, FVMQ, PA and PUR in up to four-year aged B10 for 84 days at 20 °C, 40 °C and 70 °C.
The polymeric materials: ACM, FKM, HNBR, PA, PE; POM, PUR and PVC were ex-posed to B20 for 84 days at 40°C and 70°C in another research project.
Mass, tensile strength, breaking elongation and Shore hardness A (D) of the test specimens were determined before and after the exposure for 84 (42) days in the heating oil blends B10 and B20.
There is not determined a threshold for the reduction in tensile properties and Shore hardness in the international standards. Therefore, a threshold of 15 % was deter-mined for the evaluation of the compatibility.
Measurements of the variations in mass, tensile properties and Shore hardness after exposure of the polymers in non-aged and aged heating oil B10 showed clearly that FKM, FVMQ and PA were the most resistant materials in B10. The elastomers CR, CSM, EPDM, IIR, NBR and VMQ were generally not resistant to B10. Damage to the materials increased with higher test temperatures and the age of B10.
FKM, POM and PVC showed high compatibility in B20 at 40°C and 70 °C. ACM, HNBR and PA were evaluated as resistant in B20 at 40 °C but not at 70°C.
Biodiesel is subject to degradation processes like oil and grease. The oxidative degradation products of vegetable oil esters in biodiesel particularly lead to enhanced sedimentation in blended fuels.
The polarity of biodiesel increases its solvency and facilitates permeation and extraction. Solvation, swelling and/or extraction lead to changes in the physical properties and chemical changes of polymeric materials. It also accelerates the degradation (hydrolysis and oxidation) of these materials with the loss of additives and stabilizers.
The objective of this research was to determine the resistance of frequently used polymeric materials such as ACM, EPDM, FKM, FVMQ, CR, CSM, IIR, HNBR, NBR, PA, PE; POM, PUR, PVC and VMQ in biodiesel and heating oil with 10 %/20 % biodiesel (B10/B20) at 40°C and 70°C.
Mass, tensile strength and breaking elongation of the test specimens were determined before and after the exposure for 84 days in the biodiesel heating oil blends. The visual examination of some elastomer test specimens clearly showed the great volume increase until break or partial dissolution. Shore hardness A and D were determined before and after exposure of the test specimens in the biofuels for 42 days.
The elastomers CR, CSM, EPDM, IIR, NBR and VMQ were generally not resistant to biodiesel and B10 at 40°C and 70°C. FKM, ACM, HNBR, PA, PE, POM, and PVC showed high compatibility in B10/B20 at 40°C. A lower compatibility was determined for ACM in biodiesel. ACM and HNBR were not resistant in B20 at 70°C.
Biodiesel is viewed as a major source of energy. In areas such as the European Union, where 80 % of the oil-based fuel is imported, there is also the desire to reduce dependence on external oil supplies.
Materials compatibility is a major concern whenever the fuel composition is changed. The question arises of whether polymeric materials are resistant to heating oil with 20 % biodiesel (B20) in comparison to pure heating oil.
The polarity of biodiesel increases its solvency and facilitates permeation and extraction. Solvation, swelling and/or extraction lead to changes in the physical properties. Extraction alters the fuel chemistry. These chemical changes could also accelerate the degradation (hydrolysis and oxidation) of the polymeric material with the loss of additives and stabilizers.
The objective of this research was to determine the resistance of frequently used materials for components in middle distillate facilities such as ACM, FKM, HNBR, PA, PE, POM, PUR and PVC in heating oil and heating oil blend B20 for 84 days at 40 °C, and FKM, HNBR, PA, POM, PUR and PVC at 70 °C.
Mass, tensile strength, breaking elongation and Shore hardness A (D) of the test specimens were determined before and after exposure for 84 (42) days in the test fuels under static conditions.
For the investigations under compressed conditions, the mass and the compression set of FKM test specimens were determined before and after exposure for 3, 7, 14, 28, 56 and 90 days in B20 at 40 °C and 70 °C according to ISO 815-1 “Rubber, vul-canized or thermoplastic - determination of compression set – Part 1: At ambient or elevated temperatures”.
There is not determined a threshold for the reduction in tensile properties and Shore hardness in the international standards. Therefore, a threshold of 15 % was determined for the evaluation of the compatibility.
The change of tensile strength and breaking elongation of test specimens made of ACM, FKM, HNBR, PA, PE, POM, PUR and PVC exposed to heating oil and the blend B20 was less than 15 % at 40 °C. A maximum reduction in Shore hardness A of 14 % was determined for ACM at 40 °C and for HNBR of 15 % at 70 °C.
It can be concluded that ACM, FKM, HNBR, PA, PE, POM, PVC and PUR were resistant in B20 at 40°C. FKM, PA, POM and PVC were evaluated as resistant in heat-ing oil and B20 at 70 °C, HNBR and PUR were not resistant in these fuels at 70°C.
Based on the mass increase and compression set values of FKM test specimens it can be stated that FKM is resistant in B20 under compressed conditions at 40 °C and 70 °C.
In this also completely rewritten and reorganized second part of the two‐volume set 45 international experts comprise the current knowledge of conjugated polymers. In addition to part one on properties, processing characterization and morphology, 16 chapters cover perspectives, theory and new materials.
Finally, it can be concluded that this 4th edition of this handbook fulfills, like the first part, its intention, to be the definitive resource on the topic of conducting polymers. This is assured by the updated and added contributions of all authors, which consider the significant developments both in fundamental understanding, progress and applications since publication of the previous edition. So, it can be recommended to everyone, who wants to get a comprehensive overview on conjugated polymers, not just to researchers, advanced students, and industry professionals working in materials science and engineering.
Interfacial properties related to wettability and corrosion in CO2 transport pipelines are experimentally determined by the sessile and the pendant drop methods. The contact angle of a water drop in a compressed CO2 atmosphere is analyzed on an X70 pipeline carbon steel and compared to that on a martensitic steel S41500 to elucidate the effect of corrosion process on active wetting behaviour. The measurements are performed with liquid CO2 at 278 K and pressures ranging from 5 to 20 MPa. The results show that the contact angle (CA) increases with pressure from 132 ° to 143 ° for S41500 and from 117 ° to 137 ° for X70 and decreases with drop age by 20 ° to 24 ° regardless of the pressure and of the fact that corrosion only occurs on X70, which is confirmed by scanning electron microscopy, element mapping and energy dispersive x-ray spectrometry (EDS) analysis. At higher pressure, the contact angles on both materials converge. Further, related properties like density and interfacial tension were determined. CO2 - saturated water has a higher density than pure water: At 5 MPa saturated water reaches a density of 1017 kg⋅m^(-3) and at 20 MPa 1026 kg⋅m^(-3) compared to pure water with a density of 1002 kg⋅m^(-3) and 1009 kg⋅m^(-3), respectively. In this pressure range the IFT drops from 33 mN⋅m^(-1)at 5 MPa to 23 mN⋅m^(-1) at 20 MPa.
This contribution provides current findings regarding materials susceptibility for carbon capture, utilization and storage (CCUS) applications. Basing on results gathered in 2 German long-term projects (COORAL and CLUSTER) suitable materials are introduced as well as dominating impurities of the CO2-stream and corrosion mechanisms. Investigations cover the whole CCUS process chain and provide material recommendations for certain parts.
This contribution provides current findings regarding materials susceptibility for carbon capture, utilization and storage (CCUS) applications. Basing on results gathered in 2 German long-term projects (COORAL and CLUSTER) suitable materials are introduced as well as dominating impurities of the CO2-stream and corrosion mechanisms. Investigations cover the whole CCUS process chain and provide material recommendations for certain parts.
Geothermal energy is an interesting alternative to polluting fossil energy sources. Therefore, in Belgium, two wells have been drilled for a deep geothermal power plant. However, the environment to which the installations are exposed is challenging. The geothermal brine has 165 g/l total dissolved solids (of which 90% are sodium and chlorine) and the production temperature can be up to 130 °C. To assess their suitability to be used in a geothermal power plant, the corrosivity of the artificial brine to three common construction materials was investigated with exposure and electrochemical tests. The metals under consideration are a low-alloyed carbon steel (S235JR), an austenitic stainless steel (UNS S31603) and a duplex stainless steel (UNS S31803). The carbon steel, that was found to corrode uniformly, could be considered as a constructional material if a sufficient wall thickness is chosen. The austenitic stainless steel and the duplex stainless steel demonstrate very low uniform
corrosion rates. They are however susceptible to pitting and crevice corrosion. To guarantee safe operation of the geothermal power plant, the susceptibility of the alloys to stress corrosion cracking should be tested and in situ experiments should be performed.