Kohlenwasserstoff-Taupunkttemperatur

Als Kohlenwasserstoff-Taupunkt oder Kohlenwasserstoff-Taupunkttemperatur bezeichnet man die Temperatur, bei der sich auf einem Gegenstand (bei vorhandenem gasförmigen kondensatbildendem Kohlenwasserstoff) ein Gleichgewichtszustand von kondensierendem und verdunstendem Kohlenwasserstoff einstellt, in anderen Worten die Kondensatbildung gerade einsetzt. Die Kondensatbildung von Kohlenwasserstoffen ist nicht nur von Druck und Temperatur abhängig, sondern auch von der Zusammensetzung des Gases. Beispielsweise hat Methan bei gleicher Konzentration einen geringeren Taupunkt als Ethan oder Aceton. Bei Erdgas ist der Kohlenwasserstoff-Taupunkt eine ganz besondere Messgröße, da hier ein Taupunkt eines Mischgases gemessen wird.

Sensoren

Streulicht durch Reflexion an rauen Oberflächen

Kohlenwasserstoff-Taupunktsensoren arbeiten ähnlich wie Taupunktspiegelhygrometer nach dem fundamentalen direkten Messprinzip und verwendet zur Messung des Taupunktes eine temperierbare Kondensationsfläche. Allerdings eignet sich ein unmodifiziertes Taupunktspiegelhygrometer nicht zum Messen von Kohlenwasserstoff-Taupunkten. Das Kondensat der Kohlenwasserstoffe verändert die Spiegeleigenschaften in zu geringem Maße. Die Kohlenwasserstoff-Niederschläge sind in ihren Eigenschaften einem Ölfilm ähnlich. Daher misst man bei Kohlenwasserstoff-Taupunkt-Sensoren das sich durch die Kondensatbildung verringernde Streulicht von angerauhten Oberflächen. Der Effekt ist vergleichbar mit dem Einölen von stumpf gewordenen Lacken, solange genug Öl vorhanden ist, gibt es so gut wie kein Streulicht, die Oberfläche glänzt, so dass man sich drin spiegeln kann. Das Messverfahren ist an sonsten identisch, auch hier wird die Temperatur des Reflektors zum Zeitpunkt der Kondensatbildung gemessen.

Praxis

Der Kohlenwasserstofftaupunkt ist ein komplexer und schwierig zu messender Parameter. Das liegt unter anderem daran, dass in der Praxis normalerweise Mischgase, wie Erdgas untersucht werden.

Gasgemische wie Erdgas bestehen aus einer großen Zahl einzelner Komponenten, von Wasserstoff bis hin zu langkettigen Kohlenwasserstoffen. Jede Komponente hat ihren eigenen Taupunkt. Wenn daher eine Erdgasprobe gekühlt wird, fangen die Komponenten an zu kondensieren, deren Taupunkt jeweils erreicht wird. Schwere Kohlenwasserstoffe sind die ersten; da sie normalerweise aber die Spurenkomponenten der Gasmischung darstellen, kondensieren nur kleine Mengen - der Detektor schlägt also nicht (oder nur nach extrem langer Wartezeit) an. Folglich können sich Taupunkte überlagern, denn der Detektor schlägt immer erst dann an, wenn genügend Kondensat vorhanden ist, also der Taupunkt mehrerer Spurengase überschritten bzw. erreicht wurde. Zusätzlich können die Komponenten einer Probe miteinander wechselwirken, z.B. schwache Bindungen bilden. Auch deshalb kann der erwartete Taupunkt vom gemessenen Ergebnis abweichen. Diese besondere Sensibilität macht die Taupunkttemperatur zum reaktionsschnellen, komplexen Anzeiger praktisch jedweder Änderungen eines Gasgemischs. Die Phasenbeziehung von Erdgas folgt einem vollkommen anderen Muster als die einfacher Gasmischungen.

Besonderheiten des Erdgastaupunkts

Der Kohlenwasserstofftaupunkt von Erdgas ist Taupunkt eines Stoffgemischs, bei dem natürlich jede beteiligte gasförmige Komponente einen eigenen Taupunkt hat. Dieser Taupunkt verhält sich in der Praxis weit Anderes als oft erwartet wird. Würde er genau so gemessen werden, wie es bei Taupunkten im Bereich Spurenfeuchte üblich ist, so würde die Spiegeltemperatur extrem langsam abgesenkt werden und nur der Stoff mit dem höchsten Taupunkt und am Spiegel Kondensat bilden (z.B. Butan bei ca. -0,5°C oder falls auch Pentan enthalten ist wäre es Pentan bei ca. +36°C). Es würde also nur dieser Taupunkt detektiert werden (So ist es zu mindest bei Messaufbauten für Spurenfeuchte). Dies ist in der Praxis nicht der Fall. Weit verbreitet ist die bereits um 1930 entwickelte Messung nach den Vorgaben des United States Bureau of Mines. Bei dieser manuell durchgeführten Messung wird die Temperatur des Spiegels manuell und weit aus schneller gesenkt, als es bei Messungen im Bereich Spurenfeuchte üblich ist. Folglich überlagert sich die Kondensatbildung mehrerer Gaskomponenten. Auch neuere automatisierte Messaufbauten wie das weit verbreitete Ametek 241 CE II arbeiten analog zu diesen Vorgaben - Der ebenfalls weit verbreitete Michell Instruments Condumax II arbeitet ähnlich, aber nicht mit einem vorgegebenen Temperaturgradienten, sondern mit einen festen Gasvolumen und erzeigt auch so sich überlagernde Kondensatniederschläge und Taupunkte mit einer besonders hohen Wiederholbarkeit. (Siehe: Testing of Methods for Measuring Hydrocarbon Dew Points in Natural Gas Streams vom South West Research Institute in San Antonio, Texas). Das Messergebnis hängt bei allen Messverfahren in hohem Maße je nach Hersteller entweder am Temperaturgradienten oder am geprüften Gasvolumen. Diese Abhängigkeiten machen zwar die Ergebnisse verschiedener Messaufbauten weniger vergleichbar, sie haben aber den Vorteil dass die Messergebnisse komplexe aussagekräftige und dennoch vergleichsweise schnell und einfach zu messende Parameter der Gasqualität sind.

Oberflächenspannung

Weiter ist zu beachten, dass Kohlenwasserstoffkondensate eine äußerst geringe Oberflächenspannung im Vergleich zu dem bei Hygrometern detektierten Wasser aufweisen. Wenn sich daher Kondensat auf einer Oberfläche bildet, wird es dazu neigen, einen Film an Stelle einzelner Tröpfchen zu bilden, was die Feststellung durch herkömmliche optische Mittel weitaus schwieriger macht als die Feststellung von Wassertaupunkten.