Development and improvement of quantitative composition analysis methods for species relevant to gas industry with benchtop NMR spectroscopy

Ortiz Restrepo, Sergio Alejandro; Klankermayer, Jürgen; Adams, Alina Reghina

doi:HT031548806

Development and improvement of quantitative composition analysis methods for species relevant to gas industry with benchtop NMR spectroscopy

Ortiz Restrepo, Sergio Alejandro^RWTH*

2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Sergio Alejandro Ortiz Restrepo, M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2026

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2026

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Adams, Alina Reghina (Thesis advisor)^RWTH* ; Klankermayer, Jürgen (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2026-04-23

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-06672
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1038663/files/1038663.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Triethylene glycol (frei) ; benchtop NMR spectroscopy (frei) ; high-pressure NMR (frei) ; hydrogen-enriched natural gas (frei) ; indirect hard modelling (frei) ; lineshape analysis (frei) ; natural gas analysis (frei) ; quantitative NMR (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
Die Kernspinresonanzspektroskopie (Nuclear Magnetic Resonance, NMR) unter hohes Drücken wird seit Langem zur Untersuchung komplexer molekularer Systeme wie Erdgas eingesetzt. Hochfeld-NMR-Spektrometer sind jedoch kostenintensiv und daher für Routineanwendungen häufig unzugänglich. In dieser Arbeit werden Methoden präsentiert, welche die Robustheit und Genauigkeit von Benchtop-¹H-NMR-Spektrometern für die quantitative Analyse komplexer Erdgasgemische unter hohem Druck verbessern. Ein zuvor eingeführter Ansatz der Hochdruck-Benchtop-NMR kombiniert mit Indirect Hard Modeling wurde weiter optimiert, um die Genauigkeit der Zusammensetzungsanalyse von Kohlenwasserstoffgemischen bei Drücken von bis zu 200 bar zu steigern. Zu den wesentlichen Innovationen zählen eine neue Hochdruck-NMR-Probenzelle sowie leistungsfähige Qualitätskontrollparameter, welche eine hohe Reproduzierbarkeit gewährleisten. Hierdurch konnte die Methode erfolgreich komplexe Spektren auswerten, die Triethylenglykol (TEG), eine häufig in Erdgasentwässerungsanlagen eingesetzte und daher als Verunreinigung vorhandene Komponente, enthalten. Dies ermöglichte sowohl die Quantifizierung von TEG allein, als auch im Gemisch mit Erdgas. Zusätzlich wurde eine Linienformanalyse zur Bestimmung von Wasser in Glykol-Wasser-Gemischen eingesetzt. Dabei wurde eine hervorragende Übereinstimmung mit der Karl-Fischer-Titration beobachtet, sowie eine Nachweisgrenze von 0,05 Gew.-% (500 ppm) erreicht. Abschließend wurde eine neuartige Durchflussmesszelle für dynamische Hochdruck-1H-NMR-Messungen bis zu 245 bar unter Verwendung markterhältlicher PEEK-Komponenten entwickelt. Dieses Messsystem ermöglicht eine automatisierte und feldtaugliche Analyse wasserstoffangereicherter Erdgasgemische und erlaubte mithilfe datengetriebener Kalibrierung den Gehalt von Gasen ohne Wasserstoffatome abzuschätzen. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass Benchtop-NMR Geräte eine leistungsfähige sowie zuverlässige Zusammensetzungsanalyse komplexer Gas- und Flüssigkeitsgemische für industrielle und wissenschaftliche Anwendungen ermöglichen, zum Beispiel im Energiesektor.

High-pressure Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectroscopy has long been used to study complex molecular systems such as natural gas (NG), but high-field instruments remain costly and inaccessible for routine applications. This thesis presents improved and novel methodologies that enhance the robustness, accuracy, and affordability of benchtop ¹H NMR spectroscopy for the quantitative analysis of complex NG mixtures under high pressure. A previously introduced approach combining high-pressure benchtop NMR with indirect hard modeling (IHM) was improved to boost the accuracy for the composition analysis of hydrocarbon mixtures at up to 200 bar. Key innovations include a high-performance pressure tube and quality control (QC) parameters to ensure reproducibility. The method successfully handled complex spectra influenced by triethylene glycol (TEG), a common NG contaminant used in NG dehydration units, enabling quantification of both TEG and its spectral impact. In addition, a rapid lineshape analysis (LSA) technique was used for determining trace water content in glycol-water mixtures, achieving detection limits as low as 0.05 wt%, in excellent agreement with the Karl Fischer method. Finally, a novel flow-cell for dynamic, high-pressure NMR measurements up to 245 bar was designed using low-cost PEEK components. This setup enabled automated, in-field-compatible analysis of hydrogen-enriched NG and facilitated the estimation of non-hydrogen-bearing gases using data-driven calibration strategies. The outcomes of this work demonstrate that benchtop NMR can serve as a powerful alternative, offering reliable, low-cost compositional analysis for industrial and research environments, particularly within the energy sector.

OpenAccess:
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