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Alt 10.04.2019, 13:53   #1   Druckbare Version zeigen
veritas weiblich 
Mitglied
Themenerstellerin
Beiträge: 21
Elektrochemie/ Korrosionsmechanismus des Stahls

Hallo Leute!
Es geht hierbei um eine Korrosionsfrage in der Geothermieanlage.
Und zwar, werden beim Filtertausch ca. 1 m3 Luft in die Anlage mit dem Geothermwasser reinfliessen. Die Luft gelingt dann in das 2 km langes C-Stahl Rohr 9 5/8”.
Die erste Frage ist, wie genau Luft sich im Geothermalwasser löst?
Und die zweite Frage: zu wie viel Korrosion des C-Stahls kann das führen?

Ich bin wie folgt vorgegangen:
Mit den Henry Law Konstanten (O2= 756,7 amt/(mol/l); 21 % O2 in der Luft) kann man das gelöste Sauerstoff in der wässrigen Lösung berechnen:
Co= 1 atm* 0,21 / 756,1 atm.(mol/l) * 31,9988 g/mol = 0,0089 g/l ~ 0,0089 g/kg = 8,9 g pro 1 m3

Aus der kathodischen und anodischen Reaktion während der Korrosion (Eisen des Stahls mit dem Sauerstoff in der wässr. Lsg.) folgt (et Bardal 2003, Corrosion and protection):
Fe -> Fe2+ + 2 e-
Bei ½ O2 + H2O +2e- -> 2OH-
(Fe3+ kann auch entstehen, aber das habe ich bei der Berechnung weggelassen, es geht schliesslich ums Prinzip)

Aus den Reaktionsgleichungen heisst es für mich: ½ mol O2 kann 1 mol Fe aus dem Stahl rauslösen, d.h. dann
O2 = 8,9 g pro 1 m3 *31, 99 g/mol = 0,2781 mol pro 1 m3 Luft löst 0,5562 mol Fe,
das entspricht 31,06 g Fe.

Ich bin mir aber nicht wirklich sicher, ob meine Schlussfolgerungen korrekt sind und ob ich den Korrosionsmechanismus richtig verstanden habe. Ich weiss nicht genau, ob das gelöste Eisen flächenunanhängig ist, ober wie soll man dies auf 2 km 9 5/8” langes Rohr berechnen ....
Fläche des 9 5/8” Rohres, 2 km lang: 2pi r(r+h)= 2pi *0,12 ( + 2000m) = 1508 m3

r jede Hilfe, Anregung oder besseres Lösungsansatz bin ich auf jeden Fall sehr dankbar!
veritas ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 11.04.2019, 17:37   #2   Druckbare Version zeigen
magician4 Männlich
Mitglied
Beiträge: 7.239
AW: Elektrochemie/ Korrosionsmechanismus des Stahls

Zitat:
Ich bin wie folgt vorgegangen:
Mit den Henry Law Konstanten(...)
(a)wenn ichs grad recht sehe, dann benutzt du dort die konstante fuer 25°C
... eine temperatur , welche fuer geothermie-wasser sicherlich nur bedingt relevant ist

(b) das Henry-gesetz (in der von dir benutzten form) macht nur dann sinn, wenn der partialdruck des betreffenden gases naeherungsaweise konstant ist.
{\to} ist es in diesem falle aber nicht: du hast ja ein einmaliges, endliches und konkretes volumen von ca. 1 m3 80/20 N2/O2 angeboten, und darin reichert sich der sauerstoff-anteil mit jedem bisschen gas welches in loesung geht ja ab

daher: du hast da 1 m3 luft mit 200 L sauerstoff drin ( also sagen wir mal so bummellig 8 mol), and that's it : die verteilen sich - sofern maximal alles in loesung gehen sollte - auf dein gesamtwasser in deinen 2 km rohrleitung, und das gibt dann doch signifikant geringere konzentrationen als deine oben genannten 8,9 g/m³ (45er rohr, 2 km lang {\to} ca. 320 m3 inhalt, 8 mol O2 = 8*32g O2{ \to} 8/10 = 0.8 g O2/m3

Zitat:
Aus der kathodischen und anodischen Reaktion (...)
was du da betrachtest ist die reaktion mit sauerstoff.
die gibt es auch, ok, aber wesentlich relevanter fuer die frage "wie weit kann die korrosion maimal gehen" ist die reaktion mit dem wasser selbst: Fe + H2O {\to} Fe(OH)2 + H2
(der beruehmt-beruechtigte "schwarzschlamm" aus der zentralheizung, wenn du vergessen hast, da protektiv etwas ammoniak mit reinzuhaun)

{\to} dein potentielles korrosionsgeschehen wird also nicht durch den ploetzlich im system befindlichen sauerstoff limitiert, sondern durch die doch signifikant hoehere menge wasser im angebot


... und schlussendlich steht und faellt das ganze mit der frage, welche spezielle stahlsorte du dort am start hast (and then some)*) : das bestimmt wie schnell der kopheista geht.


gruss

Ingo





*)
wenn ich das ganze mit der geothermischen anordnung noch recht vor augen hab, so senkst du ja 2 rohre ab, und laesst es "unten" zwischen den rohren irgendwie frei durchs gestein sich wuehlen.
dabei nimmt dein wasser ja jede menge kram auch noch auf, und das bei hohen temperaturen usw..{ \to} dort handelst du dir die ware ein, die dein system eines tages killen wird (und eben nicht beim gelegentlichen filterwechsel mit lufteintrag)
magician4 ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 12.04.2019, 18:12   #3   Druckbare Version zeigen
cg Männlich
Mitglied
Beiträge: 1.500
AW: Elektrochemie/ Korrosionsmechanismus des Stahls

Die Innenfläche des Rohres ist vollkommen egal. Die Korrosion greift immer punktuell an Korngrenzen und Einschlüssen im Stahl an und führt letzten Endes zu Lochfraß.

(Die Fläche ist d x pi x l und bitte in m².)

Zu der Anmerkung von magician4: Afaik sind in D nur geschlossene Systeme erlaubt. Bei offenen geht C-Stahl gar nicht.
cg ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 15.04.2019, 10:45   #4   Druckbare Version zeigen
veritas weiblich 
Mitglied
Themenerstellerin
Beiträge: 21
AW: Elektrochemie/ Korrosionsmechanismus des Stahls

@magician4
Vielen Dank für deine Antwort!

Die Temperaturen in 2 km Tiefe betragen ca 70°C, jeodhc oben (wo die Filter sind) sind die bei ca 30°C. Somit wollte ich ungefähr einschätzen, wie und ob die reingekommene Luft die Korrosion beschleunigen kann.


Die Frage zur Stahlsorte: Es geht hier um ein klassisches ST37.

veritas ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 15.04.2019, 10:52   #5   Druckbare Version zeigen
veritas weiblich 
Mitglied
Themenerstellerin
Beiträge: 21
AW: Elektrochemie/ Korrosionsmechanismus des Stahls

Zitat:
Zitat von cg Beitrag anzeigen
Die Innenfläche des Rohres ist vollkommen egal. Die Korrosion greift immer punktuell an Korngrenzen und Einschlüssen im Stahl an und führt letzten Endes zu Lochfraß.

(Die Fläche ist d x pi x l und bitte in m².)
oh ja! 1508 m2.
Habe mich leider verschrieben...

Ich dachte, die Flaeche konnte wichtig sein, da die Luft sich ja im gesammten Raum verteilt.
veritas ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 16.04.2019, 13:32   #6   Druckbare Version zeigen
magician4 Männlich
Mitglied
Beiträge: 7.239
AW: Elektrochemie/ Korrosionsmechanismus des Stahls

@cg:
Zitat:
Zu der Anmerkung von magician4: Afaik sind in D nur geschlossene Systeme erlaubt. Bei offenen geht C-Stahl gar nicht.
diese broschuere hier:link(insbes. ab seite 15 ff) hat mich zu der annahme verleitet, in D wuerden eben auch offene systeme eingesetzt, wobei mich diese graphik (link) (aus: link) zu der ueberzeugung kommen liess, bei einer bohrtiefe von > 1000 m (so der TES: 2000 m rohrleitung total) muesse es sich notwendger weise um ein offenes system handeln.
... und ein solches system kann durchaus mit stahverrohrung stabilisiert sein ( siehe S. 16 obiger broschuere, "casing")

sollte ich da trotzalledem mich im irrtum befinden bitte ich um entschuldigung

@ TES
Zitat:
Ich dachte, die Flaeche konnte wichtig sein, da die Luft sich ja im gesammten Raum verteilt.
naja...deine "luft-in-wasser"-loesung verteilt sich im gesamten rohrsystem, das ist richtig
... wobei die lokalkonzentrationen und -aktivitaeten durchaus unterschiedlich sein koennen: schliesslich haengen loeslichkeit, aktivitaet und temperatur ja zusammen, und dein wasser durchlaeuft eben durch die umstroemung doch signifikant unterschiedliche temperaturabschnitte (darum ja auch der ganze aufriss: man will ja schliesslich warmes wasser haben, nachdem man "kaltes" reingepumpt hat)

eine solche betrachtung waere auch durchaus relevant, sofern man es eben mit einem chemismus zu tun haette, der streng-gleichmaessig allueberall nur von der oberflaeche her determiniert deinen stahl korrodiert.

dem ist - wie ja cg bereits darlegte - jedoch nicht so


gruss

Ingo
magician4 ist offline   Mit Zitat antworten
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Stichworte
elektrochemie, geothermie, korrosion, stahl

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