Filmkoking og rask faseovergang av flytende naturgass

I sitt doktorarbeid ved NTNU studerte Eskil Aursand hva som skjer dersom iskald flytende naturgass (LNG) kommer i kontakt med relativt sett kokvarmt vann. Arbeidet danner grunnlag for bedre å forstå sikkerheten ved transport av LNG.

Dansende dråper

Når naturgass skal transporteres over lange avstander, kjøles den ned til under −162°C. Da blir gassen til en væske, og det lønner seg å transportere den i skip.

Om denne flytende naturgassen (LNG-en) ved et uhell skulle havne på sjøen, vil vannet være kokvarmt i forhold. Da skjer noe som likner på det som mange har sett på kjøkkenet: Om man søler vann på en veldig varm kokeplate, vil vanndråpene «danse» omkring. Dette skjer fordi dråpene holdes oppe av sin egen damp, som danner en film mellom dråpen og kokeplaten. Dette kalles filmkoking. Samtidig virker dampen isolerende, slik at det tar en god stund før dråpene fordamper. Den kokeplate-temperaturen som kan få vanndråper til å danse, kalles Leidenfrost-temperaturen.

Rask faseovergang

Med LNG kan det skje mer: Noen ganger blir LNG-væsken varmet opp på en slik måte at væsken blir ustabil og ikke «klarer» å være væske lenger. Da går væsken spontant over til damp. Dette betyr en kraftig utvidelse av volumet, eller sagt på en annen måte, en eksplosjon. Selv uten at gassen antennes, vil dette være farlig f.eks. for konstruksjoner som måtte være i nærheten. Et annet uttrykk for dette fenomenet, er rask faseovergang, eller rapid phase transition (RPT) på engelsk.

Så vidt vi vet, har det aldri skjedd større ulykker på denne måten, men man ønsker å være på den sikre siden, og det har vært forsket siden 1970-tallet på dette. Likevel forstår vi ikke til bunns under hvilke forhold rask faseovergang av LNG vil skje.

Aursand har angrepet problemet ved hjelp av våpen som strømningsmekanikk, kinetisk gassteori og stabilitet av gass-væskefilmer – ting som vi ikke skal gå i detalj om her, men som den interesserte leser kan finne i de seks journalartiklene som han har publisert fra doktorarbeidet.

Enkelt, men vanskelig

Ett av resultatene er et enkelt kriterium for når rask faseovergang av LNG på vann kan skje: Vanntemperaturen må ligge under Leidenfrost-temperaturen til LNG-en og over den høyeste temperaturen hvor LNG-en kan eksistere som væske. Problemet (eller det interessante) er imidlertid at ingen av disse temperaturene er enkle å regne ut, så Aursand konkluderte avhandlingen sin med fem forslag til nye prosjekter for å belyse dette.

Som del av arbeidet hadde Aursand et forskningsopphold i gruppen til professor Stephen H. Davis ved Northwestern University i Chicago.

Doktorarbeidet har vært en del av KPN-prosjektet (kompetanseprosjekt for næringslivet) Predict-RPT, som er et samarbeidsprosjekt mellom SINTEF Energi, Institutt for energi- og prosessteknikk ved NTNU, og Gassteknisk senter, der Equinor er partner. Prosjektet er støttet av Maroff-programmet i Norges forskningsråd.

Hovedveileder for doktorarbeidet var professor Bernhard Müller ved NTNU. Professor emeritus Tor Ytrehus (NTNU), forsker Morten Hammer (SINTEF) og jeg var medveiledere. Eskil Aursand er ansatt som forsker ved Avdelings gassteknologi ved SINTEF Energi.