Technische Universität Bergakademie Freiberg: Qucosa
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Tectonics of an intracontinental exhumation channel in the Erzgebirge, Central Europe
Get PDFThe late Variscan rapid extrusion of ultra-high pressure metamorphic rocks into a preexisting nappe stack is the striking feature of the Erzgebirge, N-Bohemian Massif. Complex deformation increments, the large scatter of orientation and geometry of the finite strain ellipsoid as well as partly inverted metamorphic and age profiles are controversially discussed.
Structural analysis and geothermobarometry show that deeply buried continental crust emplaced under transpression with horizontal σ1 (NNW-SSE) and σ3 stress axes. Thereby, west-directed lateral escape of isothermally exhumed high-pressure units led to the formation of an exhumation channel. The pervasive fabric of quartz-feldspar rocks formed between 400–650 °C. Based on Ar-Ar geochronology, the deformation in the exhumation channel is framed between 340 and 335 Ma.
This preliminary results allow a modern texture analysis of natural shear zones, i.e.
electron back scattering and neutron diffraction of quartz from shear zones of the
exhumation channel. Because of an extensive and complex dataset, the crystallographic orientation of quartz is statistically analysed. I applied multidimensional scaling of the error between orientation density functions to visualize quartz textures together with additional microstructural features. I show that the temporal coexistence of two crystallographic orientation endmembers is the exclusive result of varying strain rates and differential stress. This thesis combines for the first time crystallographic textures of the Erzgebirge with modern plate tectonic concepts of the European Variscan orogeny.:Table of contents
PREFACE
Channel exhumation models in collisional Orogens
Texture evolution of quartz in orogenic shear zones
The structure of the thesis
PART 1: THE EXHUMATION CHANNEL OF THE ERZGEBIRGE: GEOLOGICAL
CONSTRAINS
1 Introduction
2 Geological Setting
2.1 The Variscan orogeny
2.2 The Saxo-Thuringian Zone as part of the European Variscides
2.3 Tectonics – constraints for an exhumation channel (<340 Ma)
3 Methods and Data processing
3.1 Field work, sample collection and selection
3.2 Geochemistry
3.3 MLA
3.4 EMP analyses and pressure-temperature estimations
3.5 Ar-Ar dating
3.6 Ar-Ar data handling and statistical treatment
4 Results
4.1 Geochemistry and Mineral Content of the Channel Rocks
4.2 Tectonics of the exhumation channel
4.2.1 Mica schists – roof of the channel
4.2.2 Paragneisses and Orthogneiss (type 1)
4.2.3 Orthogneiss (mgn)
4.2.4 Orthogneiss (type 2) – footwall of the channel
4.3 Petrology and Mineral chemistry
4.3.1 Garnet
4.3.2 Plagioclase
4.3.3 White mica
4.3.4 Biotite
4.4 Geothermobarometry
4.5 40Ar/39Ar – geochronology
4.5.1 Step heating
4.5.2 Single grain fusion
4.5.3 Ar-Ar and mineral chemistry
4.5.4 Ar-Ar and structural geology
5 The tectonometamorphic evolution of the exhumation channel
5.1 Local change in finite strain ellipsoid orientation
5.2 Evidence for advective heat transfer during exhumation
5.3 Position of the gneiss complex Reitzenhain-Catherine
5.4 Do Ar-Ar ages of the Erzgebirge represent cooling or recrystallization?
6 The channel model
6.1 Pre-channel stage – subduction
6.2 Channel stage – lateral extrusion
6.3 Post-channel stage – extensional doming
7 The Constrains for Texture analyses in a channel-type exhumation shear zone
PART 2: QUARTZ TEXTURE AND MICROSTRUCTURAL EVOLUTION IN A
CHANNEL-TYPE EXHUMATION SHEAR ZONE
1 Introduction
2 State of the Art
2.1 Dynamic recrystallization mechanism in quartz.
2.2 Texture evolution from natural and experimental deformed quartz
2.3 Quartz c-axis and textures in the Erzgebirge
3 Sample description
3.1 Mineral content
3.2 Quartz microstructures
3.2.1 Type 1 – Predominance of GBM
3.2.2 Type 2 – GBM overprints SGR
3.2.3 Type 3 – Equal ratio of GBM and SGR
3.2.4 Type 4 – Predominance of SGR
4 Methods
4.1 Time of Flight data processing and analysis
4.2 EBSD data processing and analysis
4.3 Multidimensional scaling
5 Results
5.1 Pole figure geometry
5.2 Multidimensional scaling
5.3 Texture properties and recrystallization
5.4 Grain and sample properties
5.5 Intragranular misorientation
5.6 Subgrain misorientation axes, slip systems and Schmid factor
6 Discussion
6.1 The dependence of quartz content and distribution and the particular CPO
6.2 The context between grain sizes, shape preferred orientation (SPO) and crystal
preferred orientation (CPO)
6.3 Active slip systems during ductile quartz deformation
6.4 Recrystallization mechanism and texture
7 Conclusions
GENERAL CONCLUSIONS
REFERENCES
APPENDIX
A Isochemistry during metamorphism
B Confidentiality of the PT estimations
C Discrepancy of WPA and WMA
D Appendix Figures
E Appendix Table
Logistic Regression for Prospectivity Modeling
Get PDFThe thesis proposes a method for automated model selection using a logistic regression model in the context of prospectivity modeling, i.e. the exploration of minearlisations. This kind of data is characterized by a rare positive event and a large dataset. We adapted and combined the two statistical measures Wald statistic and Bayes' information criterion making it suitable for the processing of large data and a high number of variables that emerge in the nonlinear setting of logistic regression.
The obtained models of our suggested method are parsimonious allowing for an interpretation and information gain. The advantages of our method are shown by comparing it to another model selection method and to arti cial neural networks on several datasets. Furthermore we introduced a possibility to induce spatial dependencies which are important in such geological settings
The lag between micro- and macro-mixing in compressed fluid flows
Get PDFWe report the application of a novel optical Raman-based measurement technique for the simultaneous determination of the progress of mixing on the micro- and on the macro-scale. The introduced measurement technique is applicable to mixing systems containing one compound, which potentially can form hydrogen bonds, such as water, alcohols or amines, and does not rely on the addition of traces of indicator compounds. Here we demonstrate its applicability by analyzing the lag of micro-mixing behind macro-mixing when liquid ethanol is injected into a supercritical bulk environment mainly composed of carbon dioxide (CO2). While the degree of mixing on the macro-scale is determined from the ratio of the intensities of characteristic Raman signals of ethanol and CO2, the degree of mixing on the micro-scale is determined from the shape of the OH stretching vibration Raman signal of ethanol, which is a function of the development of hydrogen bonds
Reaktive nahe- und überkritische Extraktion von Braunkohlen mit Alkanolen
Get PDFGegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Wandlung von Weichbraunkohlen in nie-dermolekulare Produkte durch Reaktion mit Alkanolen, insbesondere Ethanol, unter nahe- bzw. überkritischen Bedingungen. Als potenziell verwertbare Produkte ent-stehen eine ethanollösliche Fraktion, die hohe Anteile an heteroatomfreien aroma-tischen Verbindungen sowie Phenolen enthält, bzw. eine heptanlösliche Fraktion, die große Mengen wachsähnlicher, aliphatischer Komponenten enthält.
Ein Screening von Lösungsmitteln verschiedener Stoffklassen ergab, dass neben Tetrahydronaphthalin insbesondere der Einsatz von n-Alkanolen mit mindestens zwei Kohlenstoffatomen zu hohen Umsätzen des makromolekularen Anteils der Kohle in wesentlich niedermolekularere lösliche Verbindungen führt. Ethanol wird aufgrund seines vergleichsweise niedrigen Preises, der Verfügbarkeit in großen, vorwiegend aus biogenen Quellen hergestellten Mengen sowie der leichten Abtrennbarkeit vom Extrakt für die weiteren Untersuchungen ausgewählt.
Anhand systematischer Untersuchungen des Einflusses verschiedener Reaktions-parameter wie Temperatur, Verweilzeit oder Dichte des Lösungsmittels wird der Prozess hinsichtlich Kohleumsatz und Ethanolverbrauch optimiert. Es zeigt sich, dass bei günstiger Parameterwahl nahezu der gesamte makromolekulare Anteil der Kohle in lösliche Produkte überführt werden kann. Kohlezusammensetzung, Reaktionstem-peratur sowie Verweilzeit stellen die Haupteinflussgrößen auf den Prozess dar.
Ein großes Augenmerk liegt auf der Analytik der festen, flüssigen und gasförmigen Produktfraktionen mit einer großen Breite instrumenteller Techniken. Deren Ziel ist die Aufklärung der ablaufenden Reaktionen zwischen Kohle und Alkanol. Bisher war wenig darüber bekannt, welche Typen von Verbindungen bzw. funktionellen Gruppen der Braunkohle mit Ethanol reagieren und zu dessen Zersetzung beitragen. Um diese Fragestellung beantworten zu können, wird die Komplexität des Systems Kohle-Alkanol reduziert. Dies wird durch die Untersuchung von Reaktionen zwischen Ethanol und Modellkomponenten, die für Braunkohlen typische funktionelle Gruppen tragen, erreicht. Darüber hinaus erfolgt auch eine Betrachtung des Einflusses von Erdalkali- und Alkalimetallcarboxylaten bzw. -phenolaten, da derartige Bindungsformen aufgrund des hohen Anteils acider funktioneller Gruppen in Braunkohlen häufig auftreten.
Im Ergebnis ist festzuhalten, dass ein hoher Umsatz des makromolekularen Anteils der Kohle in niedermolekulare Produkte nur möglich ist, wenn auch die Zersetzung
des Alkanols schnell abläuft. Dies ist genau dann der Fall, wenn in der Reaktions-mischung ein hoher Anteil an Komponenten vorliegt, die Hydroxy-, Carboxy- oder Ethergruppen tragen. Diese Gruppen unterstützen in unterschiedlichem Ausmaß die Dehydrierung und anschließende Spaltung des Ethanols in Kohlenmonoxid und Methan bzw. die Dehydratisierung zu Ethen. Dabei treten Ionen und Radikale als reaktive Zwischenprodukte auf, welche die Fragmentierung der Kohlematrix unter-stützen. Alle relevanten Reaktionspfade werden schließlich zu einem globalen Reak-tionsschema zusammengeführt.:1 Motivation und Problemstellung
2 Stand der Wissenschaft und Technik
2.1 Eigenschaften von Weichbraunkohlen
2.1.1 Inkohlungsreihe und Klassifikation von Kohlen
2.1.2 Zusammensetzung von Braunkohlen
2.1.3 Makromolekulare Struktur der organischen Anteile von Braunkohlen
2.1.4 Einsetzbarkeit von Braunkohlen in thermochemischen Konversionsprozessen
2.2 Kohleverflüssigungsprozesse
2.2.1 Systematik
2.2.2 Pyrolyse
2.2.3 Bergius-Pier-Verfahren
2.2.4 Pott-Broche-Verfahren
2.3 Extraktion von Kohlen mit nahe- und überkritischen Lösungsmitteln
2.4 Alkanole als reaktive Lösungsmittel
2.4.1 Lösungseigenschaften
2.4.2 Reaktionen im unterkritischen Zustand
2.4.3 Reaktionen von reinen Alkanolen im nahe- und überkritischen Bereich
2.4.4 Reaktionen von Alkanolen mit Modellkomponenten im nahe- und überkritischen Bereich
2.5 Umsetzung von Kohlen, Biomassen und Kunststoffen mit n-Alkanolen
2.5.1 Umesterung von Triglyceriden
2.5.2 Depolymerisation von Kunststoffen
2.5.3 Verflüssigung von Ligninen
2.5.4 Upgrading von Bioölen
2.5.5 Extraktion von Braunkohlen
2.6 Produkte der Extraktion von Braunkohlen mit Ethanol
2.7 Reaktionsmechanismus der Extraktion von Braunkohlen mit Ethanol
3 Experimentelles Vorgehen und verwendete Analytik
3.1 Präzisierung der Aufgabenstellung und Herangehensweise
3.2 Aufbereitung der Rohkohlen
3.3 Kohleextraktion
3.3.1 Autoklavenversuche
3.3.2 Semikontinuierliche Kohleextraktion
3.4 Produktaufbereitung
3.4.1 Parametervariation
3.4.2 Ergänzende Versuche zur Parametervariation
3.4.3 Experimente mit Modellkomponenten
3.5 Analytische Methoden
3.5.1 Analyse der Gasproben
3.5.2 Analyse der Extraktfraktionen
3.5.3 Analyse fester Proben (Kohlen, Rückstände)
3.6 Bilanzierung der Versuche
3.6.1 Massenbilanz
3.6.2 Elementbilanz
3.7 Berechnung verschiedener Größen zur Prozessbewertung
3.8 Fehlerbetrachtung und Wiederholbarkeit
4 Ergebnisse und Auswertung der Untersuchungen
4.1 Charakterisierung der Einsatzstoffe
4.2 Lösungsmittel-Screening
4.3 Parametereinfluss auf Produktausbeuten
4.3.1 Untersuchte Parameter und Bereiche
4.3.2 Temperatur- und Druckverlauf im Autoklav
4.3.3 Einfluss der Reaktionstemperatur
4.3.4 Einfluss der Verweilzeit
4.3.5 Einfluss des Kohlewassergehaltes
4.3.6 Einfluss der Dichte des überkritischen Ethanols
4.3.7 Einfluss der Korngröße
4.3.8 Einfluss der Gasatmosphäre
4.3.9 Einfluss der Kohlezusammensetzung
4.3.10 Einfluss der Kohlevorbehandlung
4.3.11 Einfluss der Kettenlänge des Alkanols
4.3.12 Einfluss der Reaktionsführung
4.4 Zwischenfazit Parametereinfluss
5 Detaillierte Produktanalytik
5.1 Charakterisierung des Produktgases
5.2 Charakterisierung der Extraktfraktionen
5.2.1 Elementarzusammensetzung
5.2.2 Molekülgrößenverteilung
5.2.3 ATR-FTIR-Spektroskopie
5.2.4 13C- und 1H-NMR-Spektroskopie
5.2.5 Gaschromatographie
5.3 Charakterisierung des Rückstands
5.3.1 Elementarzusammensetzung
5.3.2 ATR-FTIR-Spektroskopie
5.3.3 Röntgenphotoelektronenspektroskopie
5.4 Zwischenfazit Produktanalytik
6 Untersuchung der Reaktionswege von Modellkomponenten
6.1 Produktgasmengen und entstehendes Wasser
6.2 Ethanollösliche Produkte
6.3 Ableitung möglicher Reaktionswege
6.3.1 Phenol und Benzoesäure
6.3.2 Diphenylether
6.3.3 Phenetol und Veratrol
6.3.4 Ethanol
6.4 Zwischenfazit Modellkomponenten
7 Diskussion der Ergebnisse
7.1 Verwertbarkeit der Produkte
7.2 Beeinflussung von Kohleumsatz und Extraktausbeute
7.3 Ethanolverbrauch
7.4 Schema der ablaufenden Reaktionen
8 Zusammenfassung und Ausblick
A Anhang
B Literaturverzeichnis
C Abkürzungsverzeichnis
D Verwendete FormelzeichenThe subject of the present work is the conversion of lignite into low-molecular products by reaction with alkanols, especially ethanol, under near- or supercritical conditions. The ethanol-soluble fraction, which contains high amounts of heteroatom-free aromatic compounds and phenols as well as the heptane-soluble fraction, which contains large amounts of wax-like, aliphatic components are both potentially usable products.
A screening of solvents of different substance classes showed that, in addition to tetrahydronaphthalene, the use of n-alkanols with at least two carbon atoms leads to high conversions of the macromolecular coal matrix into soluble compounds with much lower molecular weight. Ethanol is selected for further investigations because of its comparatively low price, its availability in large quantities, mainly from biogenic sources, and its simple separability from the extract.
The process is optimized in regard to coal conversion and ethanol consumption by means of systematic investigations of the influence of various reaction parameters such as temperature, residence time or density of the solvent. It has been shown that almost the entire macromolecular coal content can be converted into soluble products if the parameters are selected favorably. Coal composition, reaction temperature and residence time are the main factors influencing the process.
A great deal of attention is paid to the analysis of solid, liquid and gaseous product fractions using a wide range of instrumental techniques. The aim of these techniques is to clarify the reactions taking place between coal and alkanol. So far, little was known about which types of compounds or functional groups of lignite react with ethanol and contribute to its decomposition. To answer this question, the complexity of the coal-alkanol system is reduced. This has been achieved by studying reactions between ethanol and model components containing functional groups typical for lignite. In addition, the influence of alkaline earth and alkali metal carboxylates and phenolates is also considered, since such forms of bonding are common due to the high proportion of acidic functional groups in lignite.
In conclusion, it can be stated that a high conversion of the macromolecular coal content into low-molecular products is only possible if the decomposition of the alkanol takes place rapidly. This is the case when the reaction mixture contains a high pro-portion of components containing hydroxy, carboxy and ether groups. These groups support, to varying degrees, the dehydrogenation and cleavage of ethanol into carbon monoxide and methane or the dehydration to ethene. Within these reactions, ions and radicals occur as reactive intermediates which support the fragmentation of the carbon matrix. All relevant reaction pathways are finally combined to form a global reaction scheme.:1 Motivation und Problemstellung
2 Stand der Wissenschaft und Technik
2.1 Eigenschaften von Weichbraunkohlen
2.1.1 Inkohlungsreihe und Klassifikation von Kohlen
2.1.2 Zusammensetzung von Braunkohlen
2.1.3 Makromolekulare Struktur der organischen Anteile von Braunkohlen
2.1.4 Einsetzbarkeit von Braunkohlen in thermochemischen Konversionsprozessen
2.2 Kohleverflüssigungsprozesse
2.2.1 Systematik
2.2.2 Pyrolyse
2.2.3 Bergius-Pier-Verfahren
2.2.4 Pott-Broche-Verfahren
2.3 Extraktion von Kohlen mit nahe- und überkritischen Lösungsmitteln
2.4 Alkanole als reaktive Lösungsmittel
2.4.1 Lösungseigenschaften
2.4.2 Reaktionen im unterkritischen Zustand
2.4.3 Reaktionen von reinen Alkanolen im nahe- und überkritischen Bereich
2.4.4 Reaktionen von Alkanolen mit Modellkomponenten im nahe- und überkritischen Bereich
2.5 Umsetzung von Kohlen, Biomassen und Kunststoffen mit n-Alkanolen
2.5.1 Umesterung von Triglyceriden
2.5.2 Depolymerisation von Kunststoffen
2.5.3 Verflüssigung von Ligninen
2.5.4 Upgrading von Bioölen
2.5.5 Extraktion von Braunkohlen
2.6 Produkte der Extraktion von Braunkohlen mit Ethanol
2.7 Reaktionsmechanismus der Extraktion von Braunkohlen mit Ethanol
3 Experimentelles Vorgehen und verwendete Analytik
3.1 Präzisierung der Aufgabenstellung und Herangehensweise
3.2 Aufbereitung der Rohkohlen
3.3 Kohleextraktion
3.3.1 Autoklavenversuche
3.3.2 Semikontinuierliche Kohleextraktion
3.4 Produktaufbereitung
3.4.1 Parametervariation
3.4.2 Ergänzende Versuche zur Parametervariation
3.4.3 Experimente mit Modellkomponenten
3.5 Analytische Methoden
3.5.1 Analyse der Gasproben
3.5.2 Analyse der Extraktfraktionen
3.5.3 Analyse fester Proben (Kohlen, Rückstände)
3.6 Bilanzierung der Versuche
3.6.1 Massenbilanz
3.6.2 Elementbilanz
3.7 Berechnung verschiedener Größen zur Prozessbewertung
3.8 Fehlerbetrachtung und Wiederholbarkeit
4 Ergebnisse und Auswertung der Untersuchungen
4.1 Charakterisierung der Einsatzstoffe
4.2 Lösungsmittel-Screening
4.3 Parametereinfluss auf Produktausbeuten
4.3.1 Untersuchte Parameter und Bereiche
4.3.2 Temperatur- und Druckverlauf im Autoklav
4.3.3 Einfluss der Reaktionstemperatur
4.3.4 Einfluss der Verweilzeit
4.3.5 Einfluss des Kohlewassergehaltes
4.3.6 Einfluss der Dichte des überkritischen Ethanols
4.3.7 Einfluss der Korngröße
4.3.8 Einfluss der Gasatmosphäre
4.3.9 Einfluss der Kohlezusammensetzung
4.3.10 Einfluss der Kohlevorbehandlung
4.3.11 Einfluss der Kettenlänge des Alkanols
4.3.12 Einfluss der Reaktionsführung
4.4 Zwischenfazit Parametereinfluss
5 Detaillierte Produktanalytik
5.1 Charakterisierung des Produktgases
5.2 Charakterisierung der Extraktfraktionen
5.2.1 Elementarzusammensetzung
5.2.2 Molekülgrößenverteilung
5.2.3 ATR-FTIR-Spektroskopie
5.2.4 13C- und 1H-NMR-Spektroskopie
5.2.5 Gaschromatographie
5.3 Charakterisierung des Rückstands
5.3.1 Elementarzusammensetzung
5.3.2 ATR-FTIR-Spektroskopie
5.3.3 Röntgenphotoelektronenspektroskopie
5.4 Zwischenfazit Produktanalytik
6 Untersuchung der Reaktionswege von Modellkomponenten
6.1 Produktgasmengen und entstehendes Wasser
6.2 Ethanollösliche Produkte
6.3 Ableitung möglicher Reaktionswege
6.3.1 Phenol und Benzoesäure
6.3.2 Diphenylether
6.3.3 Phenetol und Veratrol
6.3.4 Ethanol
6.4 Zwischenfazit Modellkomponenten
7 Diskussion der Ergebnisse
7.1 Verwertbarkeit der Produkte
7.2 Beeinflussung von Kohleumsatz und Extraktausbeute
7.3 Ethanolverbrauch
7.4 Schema der ablaufenden Reaktionen
8 Zusammenfassung und Ausblick
A Anhang
B Literaturverzeichnis
C Abkürzungsverzeichnis
D Verwendete Formelzeiche
Einfluss von Filterstruktur und Gießsystem auf die Filtrationseffizienz im Aluminiumformguss
Get PDFDie vorliegende Arbeit untersucht den Einfluss von Makroporosität und Oberflächenstruktur des Schaumkeramikfilters sowie der Filterposition im Gießsystem auf die Filterwirksamkeit. Der Thematik wird sich durch CFD-Simulationen mittels Flow 3D und durch Gießversuche im Technikum und der Industrie genähert. Die Simulationen ergaben eine Steigerung der Filtrationseffizienz um 20% - 30% bei der Erhöhung der Makroporosität des Filters von 20 ppi auf 30 ppi in Abhängigkeit von der Filterposition. Außerdem konnte die Abscheidung der Partikel im Filter lokalisiert werden. Die Abnahme des Partikelgehalts über die Filterlänge wurde beobachtet und in den metallographischen Auswertungen der Gießversuche bestätigt. In den Gießversuchen wurde darüber hinaus die PreFil- und PoDFA-Analyse aufgrund ihrer hohen Störanfälligkeit als wenig aussagekräftig eingestuft. Die in den Industrieversuchen eingesetzte LiMCA-Analyse liefert hingegen belastbare Ergebnisse und eine Filtrationseffizienz von bis zu 94% in Abhängigkeit von der Oberflächenstruktur des Filters.:Inhalt
1 Einleitung
2 Grundlagen der Aluminiumschmelzefiltration
2.1 Verunreinigungen in Aluminiumlegierungen
2.1.1 Aluminiumoxid
2.1.2 Aluminium-Magnesium-Mischoxide (Spinell)
2.2 Schaumkeramikfilter
2.3 Filtrationsmechanismen
2.4 Der Filter im Gießsystem
2.4.1 Arten des Gießens
2.4.2 Empfehlungen zur Positionierung des Filters im Gießsystem
2.4.3 Oxidneubildung nach dem Filter
3 Beurteilung der Aluminiumschmelzequalität
3.1 Verfahren zur Beurteilung der Schmelzequalität
3.2 Bestimmung der Filtrationseffizienz
3.3 Filtrationseffizienz von Schaumkeramikfiltern im Aluminiumguss
4 CFD-Simulation
4.1 Flow 3D
4.2 Definition der Parameter
4.2.1 Filter
4.2.2 Geometrie
4.2.3 Schmelze
4.2.4 Partikel
4.3 Definition der Randbedingungen für die Simulation
4.4 Versuchsplan
4.5 Methodik der Auswertung
4.6 Ergebnisse
4.6.1 Volumen-/Massestrom und Geschwindigkeit
4.6.2 Fließgeschwindigkeit
4.6.3 Filtrationseffizienz
4.6.4 Ablagerung der Partikel im Filter
5 Gießversuche
5.1 Materialien
5.1.1 Schaumkeramikfilter
5.1.2 Legierung AlSi7Mg0,3
5.2 Modellschmelze
5.2.1 Duralcan
5.2.2 Durchführung der Vorversuche
5.2.3 Ergebnisse der Vorversuche
5.3 Versuchsdurchführung und Methodik der Versuchsauswertung
5.3.1 Versuchsaufbau
5.3.2 Versuchsübersicht
5.3.3 Versuchsdurchführung
5.3.4 Schmelzeanalyse
5.3.5 Metallographische Auswertung des Filterbereichs
5.3.6 Auswertung PreFil-Kurven der Ausgangsschmelze und des Filtrats
5.3.7 Metallographische Auswertung der Ausgangsschmelze und des Filtrats
5.4 Ergebnisse und Diskussion
5.4.1 Schmelzeanalyse
5.4.2 Metallographische Auswertung des Filters
5.4.3 Auswertung der PreFil-Kurven
5.4.4 PoDFA-Analyse
5.4.5 Gegenüberstellung der Ergebnisse der unterschiedlichen Analysemethoden und Fehlerbetrachtung
5.4.6 Vergleich der Ergebnisse aus Flow 3D-Simulation und Realversuch
6 Filtrationsversuche im industriellen Maßstab
6.1 Materialien
6.1.1 Schmelze
6.1.2 Schaumkeramikfilter
6.2 Versuchsdurchführung und Methodik der Versuchsauswertung
6.3 Ergänzende Vorversuche mittels Wassermodell
6.4 Ergebnisse und Diskussion
6.4.1 Durchflussgeschwindigkeit und Verweilzeit der Schmelze im Filter
6.4.2 Analyse der Versuchsschmelze
6.4.3 LiMCA-Messungen
6.4.4 Metallographische Auswertung der Filter
6.4.5 Auswertung der PoDFA-Analysen
7 Zusammenfassung und Ausblick
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
Literaturverzeichnis
Anhan
Development and testing of alternative methods for speeding up the hydraulic data transmission in deep boreholes
Get PDFFor developing the available hydrocarbon reserves and for exploring new reservoirs, deeper and more complex wells are drilled. Drilling such deeper and complex wells requires a constant monitoring and controlling of the well paths. Therefore, the bottom hole assembly, the lower section of the drill string above the drill bit, is equipped with numerous measuring sensors for collecting geological and directional data while drilling. The collected data have to be transmitted to the surface in real time.
Prior to transmit the data measured downhole to the surface, they are processed and translated into a binary code. Accordingly, the data will be represented as a series of zeroes and ones. The most common method for data transmission in boreholes is the so called mud pulse telemetry which sends the information through the drilling mud inside the drill string by means of coded pressure pulses. There are two types of devices available for downhole pressure pulses generation. The first type is the (positive or negative) pressure pulser which transmits the data by quasi-static variations of the pressure level inside the drill string. The second type is the (rotating or oscillating) mud siren which transmits the data by generating continuous pressure waves at specific frequencies.
The main disadvantage of the mud pulse telemetry is its low data transmission rate which is about 10 bps. This data rate is very low compared to the measured amount of raw data. Therefore, the efficiency of the mud pulse telemetry must be improved, so that the data could be transmitted at higher rates. The present research work presents different developed and tested concepts for increasing the efficiency and the data transmission rate of the mud pulse telemetry. Both, the transmitter and the receiver end, were taken into consideration by developing the new concepts. Different hardware and software tools were used for performing the present research work. The available flow loop test facility and the experimental prototypes of the mud siren and positive pulser were used. The test facility was extended in order to enable the investigation of the new concepts. The available 3D numerical model (ANSYS CFX) was modified and extended in order to study the new concepts.
At the transmitter end, a novel concept for a hybrid mud pulse telemetry system was developed and successfully tested. Here, two different types of mud pulse telemetry could be used in a combination, such as a mud siren and a pressure pulser. The developed concept was registered at the German Patent and Trade Mark Office for a patent in 2018. Two concepts for a multi-frequency mud siren were developed for simultaneous generation of two frequencies. In the first approach, two sets of stator/rotor were installed in a row connection, while they were installed in a parallel connection in the second approach. The two concepts were registered at the German Patent and Trade Mark Office for patents in 2015. An experimental multi-frequency generator was built and used for testing of several new ideas, such as transmitting the data using several carrier frequencies at the same time, transmitting the data with different wave forms (sine, sawtooth, triangle and rectangle), or transmitting the data using the chirp modulation. The innovative design of the experimental multi-frequency generator was registered at the German Patent and Trade Mark Office for patents in 2016.
At the receiver end, two different methods for processing and analyzing the received multi-frequency signals using the Wavelet and Fourier analysis were drafted and tested. A novel concept for the use of a multi-sensor receiver was developed and successfully tested. The use of a multi-sensor receiver could strongly improve the detection of the received signals.:Table of Contents
Declaration ii
Abstract iii
Acknowledgements v
Table of Contents vi
List of Abbreviations x
List of Symbols xii
CHAPTER 1 Introduction 1
CHAPTER 2 Modern Drilling Technology and Low Data Transmission Rate as a Limitation 5
2.1 Introduction to the modern drilling technology 5
2.1.1 Directional drilling technology 5
2.1.2 Steering technology 6
2.1.3 Measuring technology 8
2.1.4 Technology of data transmission in boreholes 9
2.2 Low data transmission rate as a problem with respect to the whole drilling process 13
CHAPTER 3 Fundamentals of Communication Technology 16
3.1 Modulation techniques for data transmission in baseband 16
3.2 Modulation techniques for data transmission in passband 17
3.3 Multiple frequency and chirp spread spectrum modulation techniques 19
3.4 Digital signal processing 21
3.4.1 Fourier transformation 21
3.4.2 Continuous wavelet transformation 23
3.4.3 Filtering 24
CHAPTER 4 State of the Art for Mud Pulse Telemetry Systems 26
4.1 Historical development of mud pulse telemetry including latest improvements applied for increasing its data transmission rate 26
4.2 Available types of mud pulse telemetry devices 30
4.2.1 Negative pulser 31
4.2.2 Positive pulser 32
4.2.3 Mud siren 32
4.2.4 Oscillating shear valve 33
4.3 Limitations of data transmission via mud pulse telemetry 34
4.3.1 Effect of noise sources in the mud channel on the transmission signal 34
4.3.2 Effect of attenuation in the mud channel on the transmission signal 36
4.3.3 Effect of reflections and their interference with the main transmission signal 37
4.3.4 Pass and stop bands 38
4.4.5 Minimum transmission time slot 38
CHAPTER 5 Novel Concepts and Tools for Increased Data Transmission Rates of Mud Pulse Telemetry 40
5.1 Transmitter end 41
5.1.1 Hybrid mud pulse telemetry (HMPT) 41
5.1.2 Multi-frequency generator 43
5.2 Receiver end 45
5.2.1 Investigation of the Wavelet analysis suitability for multi-frequency signal detection 45
5.2.2 Flexible placement of multi-sensor receiver 46
CHAPTER 6 Laboratory Test Facility and Used Hard and Soft Tools 49
6.1 Laboratory test facility for hydraulic data transmission in boreholes 49
6.2 Experimental prototypes of the pressure pulsers and mud siren 53
6.3 3D numerical simulation model for the test facility and mud siren 55
6.4 MATLAB software 58
CHAPTER 7 Hybrid Mud Pulse Telemetry (HMPT) System 59
7.1 Combination of mud siren and negative pressure pulser 60
7.2 Combination of mud siren and positive pressure pulser 63
7.3 Evaluating the laboratory investigations of the hybrid mud pulse telemetry (HMPT) system 66
CHAPTER 8 Mathematical and Numerical Investigation of the Concept of the Multi-Frequency Mud Siren 68
8.1 Preliminary considerations for the concept of the multi-frequency mud siren 69
8.2 Mathematical model investigation of different approaches for the multi-frequency mud siren concept 71
8.2.1 Multi-frequency mud siren with stators and rotors in a row 72
8.2.2 Multi-frequency mud siren with parallel connection of stators and rotors 74
8.3 Numerical model investigation of multi-frequency mud siren with two sets of stator/rotor in a row 77
8.3.1 Numerical simulations for data transmission with a multi-frequency mud siren using two carrier frequencies 79
8.3.2 Evaluation of the simulation results 81
8.3.3 Increasing the transmission reach of the mud siren for deep drilling operations 83
CHAPTER 9 Laboratory Investigations of Multi-Carrier Hydraulic Data Transmission Using an Experimental Multi-Frequency Generator 85
9.1 Laboratory multi-carrier frequency transmission tests 87
9.2 Investigation of the Wavelet analysis suitability for the detection of multi-frequency signal transmitted in boreholes 95
9.3 Initial investigations of hydraulic data transmission using chirp modulation and different pressure wave forms 100
9.3.1 Data transmission using chirp modulation (Chirp Spread Spectrum, CSS) 100
9.3.2 Data transmission using different wave forms 101
CHAPTER 10 Investigation of the Use of a Multi-Sensor Receiver for Improving the Hydraulic Data Transmission in Boreholes 104
10.1 Numerical model investigation of the use of a multi-sensor receiver 104
10.1.1 Data transmission using single-input and multiple-output (SIMO) 104
10.1.2 Data transmission using multiple-input and multiple-output (MIMO) 107
10.2 Laboratory investigations of the use of a multi-sensor receiver 108
10.3 Evaluating the use of a multi-sensor receiver for improving the hydraulic data transmission in boreholes 112
CHAPTER 11 Conclusion and Outlook 116
11.1 Conclusion 116
11.2 Outlook 120
References 122
List of Figures 129
List of Tables 136
List of Publications 137
List of Patents 138
Appendix- Chapter 7 139
Appendix- Chapter 8 141
Appendix- Chapter 9 142
Appendix- Chapter 10 14
Charakterisierung grundlegender Verbrennungseigenschaften von alternativen Treibstoffen und Treibstoffkomponenten
Get PDFIm Rahmen dieser Arbeit wurden die laminaren Flammengeschwindigkeit und die Zündverzugszeit für verschiedene alternative Treibstoffe und Treibstoffkomponenten experimentell bestimmt. Mit Farnesan, Alcohol-to-Jet SPK, Alcohol-to-Jet SKA und ReadiJet wurden vier verschiedene alternative Treibstoffe untersucht, die sich durch ihre Herkunft und in ihrer Zusammensetzung unterscheiden. Die Betrachtung einzelner Treibstoffkomponenten diente der Untersuchung inwieweit die Molekülstruktur einen Einfluss auf die Verbrennungseigenschaften hat. Dazu wurde aus jeder der vier Hauptstrukturgruppen (n-Alkane, iso-Alkane, Cycloalkane und Aromaten) jeweils ein Vertreter ausgewählt: n-Dodecan, Isooctan, n-Propylcyclohexan und n-Propylbenzol. Alle erhaltenen Ergebnisse worden mit Jet A-1, einem realen Treibstoff, verglichen. Aus den einzelnen Komponenten wurde auch ein aromatenfreies Surrogat hergestellt von welchem die Verbrennungseigenschaften ebenfalls experimentell untersucht wurden. Für das Surrogat wie auch seine Komponenten wurden die laminare Flammengeschwindigkeit und die Zündverzugszeit zusätzlich in einer Modellierung berechnet.:SYMBOLVERZEICHNIS
ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS
1 EINLEITUNG
2 GRUNDLAGEN ZUR VERBRENNUNG VON TREIBSTOFFEN
2.1 Laminare Flammen und Zündprozesse
2.2 Vorgänge bei der Oxidation von Kohlenwasserstoffen
2.3 Schadstoffbildung
3 UNTERSUCHTE TREIBSTOFFE
3.1 Jet A‐1
3.2 Alternative Treibstoffe
3.3 Treibstoffkomponenten
4 EXPERIMENTE
4.1 Einführung
4.2 Laminare Flammengeschwindigkeit
4.2.1 Einführung zur Messung der laminaren Flammengeschwindigkeit
4.2.2 Anwendung der Winkelmethode
4.2.3 Einfluss der Streckung auf laminare Flammen
4.2.4 Versuchsaufbau und Durchführung der Messung
4.2.5 Messergebnisse
4.3 Zündverzugszeit
4.3.1 Einführung zur Messung der Zündverzugszeit
4.3.2 Funktionsprinzip eines Stoßrohres
4.3.3 Versuchsaufbau und Durchführung der Messung
4.3.4 Messergebnisse
5 ZUSAMMENHANG ZWISCHEN STRUKTUR UND REAKTIVITÄT
5.1 Vergleich von n‐Dodecan und Isooctan
5.2 Vergleich von n‐Propylcyclohexan und n‐Propylbenzol
6 BERECHNUNG DER VERBRENNUNGSEIGENSCHAFTEN
6.1 DLR‐Mechanismus
6.2 Berechnung der laminaren Flammengeschwindigkeit
6.3 Berechnung der Zündverzugszeit
7 ZUSAMMENFASSUNG
8 FAZIT UND AUSBLICK
9 LITERATURVERZEICHNIS
ABBILDUNGSVERZEICHNIS
TABELLENVERZEICHNIS
ANHAN
Auswahl eines Standortes für ein Endlager für hoch radioaktive Abfallstoffe - geowissenschaftliche Kriterien und Vorgehensweise
Get PDFIm Mai 2017 wurde das „Gesetz zur Suche und Auswahl eines Standortes für ein Endlager für hochradioaktive Abfälle“ (Standortauswahlgesetz -StandAG) vom Bundestag und Bundesrat neu verabschiedet. In diesem Gesetz sind sämtliche Kriterien (geowissenschaftliche Kriterien, planungswissenschaftliche Kriterien, Kriterien für Sicherheitsuntersuchungen) erstmals gesetzlich festgelegt, die für die zukünftige Auswahl eines Standortes für ein Endlager für hoch radioaktive Wärme entwickelnde Abfälle (ausgediente Brennelemente und Abfälle aus der Wiederaufarbeitung bestrahlter Brennelemente) in Deutschland gelten. Die Kriterien sind vorab durch die „Kommission Lagerung hochradioaktiver Abfallstoffe“ (Endlagerkommission) in zweijähriger Arbeit von 2014 bis 2016 in kontroverser Diskussion festgelegt worden. In diesem Beitrag werden die geowissenschaftlichen Kriterien und die Phasen im Standortauswahlverfahrens kurz vorgestellt. Der Autor war Mitglied der Endlagerkommission.In May 2017, the 'Act on the Search for and Selection of a Site for a Repository for Highly Radioactive Waste' (Site Selection Act - StandAG) was passed by the German “Bundestag” and “Bundesrat”. This Act for the first time defines by law all the criteria (geoscientific criteria, planning criteria, criteria for safety investigations) that apply to the future selection of a site for a repository for high-level radioactive, heat-generating waste (spent fuel elements and waste from the reprocessing of spent fuel elements) in Germany. The criteria have been defined in advance by the 'Commission on the Storage of Highly Radioactive Waste Materials' (Final Storage Commission; “Endlagerkommission”) in a controversial discussion during two years of work from 2014 to 2016. In this article, the geoscientific criteria and the phases in the site selection process are briefly presented. The author was member of the Repository Commission
Die rechtsfähige unternehmensverbundene Verbrauchsstiftung
Get PDFEine unternehmensverbundene Verbrauchsstiftung liegt bei einer unmittelbaren (sog. Unternehmensträgerverbrauchsstiftung) oder mittelbaren (sog. Beteiligungsträgerverbrauchsstiftung) Verbindung zwischen Verbrauchsstiftung und Unternehmen zum Zwecke der Zweckverwirklichung (Zweckverwirklichungsbetrieb) oder zur Generierung von Erträgen (Dotationsquelle) vor. Zudem zeichnet sich die unternehmensverbundene Verbrauchsstiftung durch vielfältige Vorteile (z.B. geringe verbrauchbare Vermögensausstattung, fehlende Publizität, privilegierte Haftung) zu anderen Gesellschaftsrechtsformen (z.B. Verein, OHG, KG, GmbH, AG) aus. Die unternehmensverbundene Verbrauchsstiftung ist aufgrund der Veränderungen, infolge des Gesetzes zur Modernisierung des Stiftungsrechts und des Gesetzes zur Stärkung des Ehrenamtes grundsätzlich zulässig. Die Anerkennungsfähigkeit einer unternehmensverbundenen Verbrauchsstiftung bestimmt sich allein nach dem in § 80 Abs. 2 S. 1 und 2 BGB abschließend aufgezählten Tatbestandsvoraussetzungen
Numerische Untersuchungen der Bruchfestigkeit und inelastischen Deformationen von offenzelligen keramischen Schaumstrukturen
Get PDFDie im Rahmen des Sonderforschungsbereiches SFB 920 entstandene Arbeit beschäftigt sich mit bruchmechanischen Vorgängen und der makroskopischen Beschreibung von offenzelligen Keramikschäumen unter Berücksichtigung des Materialverhaltens des Kompaktmaterials mithilfe von numerischen Simulationen. Dabei steht die thermomechanische Belastung einer solchen Struktur während eines Gießprozesses im Vordergrund. Im Rahmen der bruchmechanischen Untersuchungen konnte der Einfluss von verschiedenen Strukturparametern aufgezeigt werden. Die Belastungen entlang der scharfen Kerben im Inneren der Stege ergaben sich dabei als weniger kritisch als entlang der Stegaußenseiten. Das Kriechverhalten des kohlenstoffgebundenen Aluminiumoxides bei Hochtemperatur konnte erfolgreich beschrieben und für Schaumstrukturen angewendet werden. Das vorgeschlagene Modell kann dabei sowohl für virtuell erzeugte Schaumstrukturen als auch für reale Schaumproben angepasst werden. Mithilfe von homogenisierten Materialmodellen basierend auf neuronalen Netzen ergab sich eine drastische Reduzierung der Rechenzeit für komplexe Filterstrukturen. Es ist dabei eine Berücksichtigung von Plastizität und Schädigung für das Kompaktmaterial möglich.This thesis developed within the collaborative research centre SFB 920 deals with fracture mechanical analyses and the macroscopic description of open-cell ceramic foams considering the material behaviour of the bulk material by means of numerical simulations. In the centre of interest is the thermomechanical loading of such a structure during a casting process. Within the framework of fracture mechanical investigations, the influence of various structural parameters is demonstrated. The loads along the sharp notches inside the struts turned out to be less critical than along the outer surfaces of the struts. The creep behaviour of the carbon-bonded alumina at high temperature were successfully described and the mathematical description is applied to foam structures. The proposed model can be adapted for virtually generated foam structures as well as for real foam samples. Using homogenized material models based on neuronal networks, a drastic reduction of the computing time for complex filter structures was achieved. Meanwhile, it is possible to consider plasticity and damage effects for the bulk material