Protocole de mesure des propriétés thermiques d'un synthétique Sable-eau-gaz-méthane Hydrate Sample surfondue
Summary
We present a protocol for measuring the thermal properties of synthetic hydrate-bearing sediment samples comprising sand, water, methane, and methane hydrate.
Abstract
Methane hydrates (MHs) are present in large amounts in the ocean floor and permafrost regions. Methane and hydrogen hydrates are being studied as future energy resources and energy storage media. To develop a method for gas production from natural MH-bearing sediments and hydrate-based technologies, it is imperative to understand the thermal properties of gas hydrates.
The thermal properties’ measurements of samples comprising sand, water, methane, and MH are difficult because the melting heat of MH may affect the measurements. To solve this problem, we performed thermal properties’ measurements at supercooled conditions during MH formation. The measurement protocol, calculation method of the saturation change, and tips for thermal constants’ analysis of the sample using transient plane source techniques are described here.
The effect of the formation heat of MH on measurement is very small because the gas hydrate formation rate is very slow. This measurement method can be applied to the thermal properties of the gas hydrate-water-guest gas system, which contains hydrogen, CO2, and ozone hydrates, because the characteristic low formation rate of gas hydrate is not unique to MH. The key point of this method is the low rate of phase transition of the target material. Hence, this method may be applied to other materials having low phase-transition rates.
Introduction
Les hydrates de gaz sont des composés cristallins qui comprennent des structures en cage de molécules d'eau liées à l' hydrogène contenant des molécules hôtes dans la cage 1. De grandes quantités d'hydrates de méthane (MHS) dans les régions de plancher de l' océan et le pergélisol sont des ressources intéressantes énergétiques futurs , mais peuvent affecter les conditions climatiques mondiales 2.
En Mars 2013, la Japan Oil, Gas, and Metals National Corporation menées premier test de production offshore du monde pour extraire le gaz de sédiments naturels MH-portant dans l'est de Nankai Trough par la "méthode de dépressurisation" 3,4.
Les hydrates de gaz peuvent stocker des gaz tels que le méthane , 1, 5 un atome d' hydrogène, CO 2 de 1,6 et de l' ozone 7. Par conséquent, le méthane et d'hydrogène hydrates sont étudiés comme le stockage d'énergie potentielle et les médias de transport. Pour réduire les émissions de CO 2 dans l'atmosphère, CO 2 sequestration utilisant le CO 2 hydrates dans les sédiments océaniques profonds ont été étudiés 6. L'ozone est actuellement utilisé dans la purification de l'eau et de la stérilisation des aliments. Les études sur la technologie de conservation de l' ozone ont été menées parce qu'il est chimiquement instable 7. La concentration en ozone dans l' hydrate est beaucoup plus élevée que celle de l'eau ozonisée ou de la glace 7.
Pour développer la production de gaz à partir des sédiments MH-portant naturelles et des technologies à base d'hydrates, il est impératif de comprendre les propriétés thermiques des hydrates de gaz. Cependant, les données sur les propriétés thermiques et études de modèles de sédiments d'hydrate portant gaz sont rares 8.
La «méthode de dépressurisation» peut être utilisé pour dissocier MH dans l'espace poreux des sédiments en diminuant la pression de pore inférieure à la stabilité de l'hydrate. Dans ce procédé, les composants spatiaux interstitielles des sédiments changent de l'eau et de l'eau MH, MH, et le gaz. La mesure de Les propriétés thermiquesde cette dernière condition est difficile parce que la chaleur de fusion de MH peut affecter les mesures. Pour résoudre ce problème, Muraoka et al. Réalisée la mesure des propriétés thermiques dans des conditions surfusion pendant la formation MH 9.
Avec ce protocole vidéo, nous expliquons la méthode de mesure de surfusion synthétique échantillon de sable eau-gaz-MH.
La figure 1 illustre le dispositif expérimental permettant de mesurer les propriétés thermiques du méthane artificiel hydrates de sédiments. La configuration est la même que celle indiquée dans la référence 9. Le système comprend essentiellement un récipient à haute pression, de pression et de régulation de la température et des propriétés thermiques du système de mesure. Le récipient à haute pression est en acier inoxydable cylindrique avec un diamètre interne de 140 mm et une hauteur de 140 mm; son volume intérieur avec le volume mort est éliminé 2110 cm 3 et sa limite de pression est de 15 MPa. Le transie source plane nt (TPS) technique est utilisée pour mesurer les propriétés thermiques 10. Neuf sondes TPS avec des rayons individuels de 2.001 mm sont placés à l'intérieur du navire. La disposition des neuf sondes 9 est représenté sur la figure 2 en référence 9. Les sondes TPS sont connectées à l'analyseur des propriétés thermiques d'un câble et commutées manuellement pendant l'expérience. Les détails du capteur TPS, schéma de connexion et la configuration dans le récipient sont représentés sur les figures S1, 2 et 3 de l'information à l' appui en référence 9.
Figure 1:. Le dispositif expérimental pour mesurer les propriétés thermiques de l'artificiel sédiments hydrate de méthane porteur Le chiffre est modifié de la référence 9.3956fig1large.jpg "target =" _ blank "> S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
La méthode TPS a été utilisé pour mesurer les propriétés thermiques de chaque échantillon. Les principes de la méthode sont décrits dans la référence 10. Dans cette méthode, l'augmentation de la température en fonction du temps, AT ave, est
où
Dans l' équation 1, W 0 est la puissance de sortie du capteur, r est le rayon de la sonde de détection, λ est la conductivité thermique de l'échantillon, α est la diffusivité thermique, et t est le temps depuis le début de l'alimentation à la sonde de capteur. D (τ) est une fonction dépendant du temps sans dimension. τ </em> est donnée par (aT / r) 1/2. Dans l' équation 2, m est le nombre d'anneaux concentriques de la sonde TPS et I 0 est une fonction de Bessel modifiée. La conductivité thermique, la diffusivité thermique et la chaleur spécifique de l'échantillon sont simultanément déterminées par une analyse d'inversion appliquée à l'augmentation de la température que l'énergie est fournie à la sonde de détection.
Protocol
Representative Results
Discussion
L'effet de la chaleur de formation de MH sur mesure a été estimé. La chaleur de formation de MH a été estimé à partir des produits de la vitesse de changement S h comme indiqué sur la figure 3b et l'enthalpie de formation H = 52,9 kJ mol -1 MH 14. Par conséquent, la variation de la température maximale était de 0,00081 ° C sec -1. Cela a été beaucoup plus faible que l'augmentation de température AT c</…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Cette étude a été soutenue financièrement par le Consortium pour la recherche MH21 pour méthane Ressources Hydrater au Japon et le Programme national hydrate de méthane Exploitation par le Ministère de l'Economie, du Commerce et de l'Industrie. Les auteurs tiennent à remercier T. Maekawa et S. Goto pour leur aide avec les expériences.
chiffres Reproduit avec la permission de (Muraoka, M., Susuki, N., Yamaguchi, H., Tsuji, T., Yamamoto, Y., Energy Fuels, 29 (3), 2015, 1345-1351, 2015, DOI.: 10.1021 / ef502350n). Droit d'auteur (2015) American Chemical Society.
Materials
| TPS thermal probe, Hot disk sensor | Hot Disk AB Co., Sweden | #7577 | Kapton sensor type, sensor radius 2.001 mm |
| Hot disk thermal properties analyzer | Hot Disk AB Co., Sweden | TPS 2500 | |
| Toyoura standard silica sand | Toyoura Keiseki Kogyo Co., Ltd., Japan | N/A | |
| Methane gas ,99.9999% | Tokyo Gas Chemicals Co., Ltd., Japan | N/A | Grade 6N, Volume 47L, Charging pressure 14.7MPa |
| Water Purification System,Elix Advantage 3 | Merck Millipore., U.S. | N/A | 5 MΩ cm (at 25°C) resistivity |
| Vibrating table, Vivratory packer | Sinfonia Technology Co. Ltd., Japan | VGP-60 | |
| Chiller, Thermostatic Bath Circulator | THOMAS KAGAKU Co., Ltd., Japan | TRL-40SP | |
| Coorant, Aurora brine | Tokyo Fine Chemical Co.,Ltd., Japan | N/A | ethylene glycol 71wt% |
| Temparature gage | Nitto Kouatsu., Japan | N/A | Pt 100, sheath-type platinum resistance temperature detector |
| Pressure gage | Kyowa Electronic Instruments., Japan | PG-200 KU | |
| Data logger | KEYENCE., Japan | NR-500 | |
| Mass flow controller | OVAL Co., Japan | F-221S-A-11-11A | Maximum flow 2000 Nml/M, maximum design pressure 19.6 MPa |
Referenzen
- Sloan, E. D., Koh, C. A. . Clathrate Hydrates of Natural Gases, 3rd ed. , (2007).
- Hatzikiriakos, S. G., Englezos, P. The relationship between global warming and methane gas hydrates in the earth. Chem. Eng. Sci. 48 (23), 3963-3969 (1993).
- Yamamoto, K. Overview and introduction: pressure core-sampling and analyses in the 2012-2013 MH21 offshore test of gas production from methane hydrates in the eastern Nankai Trough. Mar. Petrol. Geol. 66 (Pt 2), 296 (2015).
- Fujii, T., et al. Geological setting and characterization of a methane hydrate reservoir distributed at the first offshore production test site on the Daini-Atsumi Knoll in the eastern Nankai Trough, Japan. Mar. Petrol. Geol. 66 (Pt 2), 310 (2015).
- Mao, W. L., et al. Hydrogen clusters in clathrate hydrate. Science. 297 (5590), 2247-2249 (2002).
- Lee, S., Liang, L., Riestenberg, D., West, O. R., Tsouris, C., Adams, E. CO2 hydrate composite for ocean carbon sequestration. Environ. Sci. Technol. 37 (16), 3701-3708 (2003).
- Muromachi, S., Ohmura, R., Takeya, S., Mori, H. Y. Clathrate Hydrates for Ozone Preservation. J. Phys. Chem. B. 114, 11430-11435 (2010).
- Waite, W. F., et al. Physical properties of hydrate-bearing sediments. Rev. Geophys. 47 (4), (2009).
- Muraoka, M., Susuki, N., Yamaguchi, H., Tsuji, T., Yamamoto, Y. Thermal properties of a supercooled synthetic sand-water-gas-methane hydrate sample. Energy Fuels. 29 (3), 1345-1351 (2015).
- Gustafsson, S. E. Transient plane source techniques for thermal conductivity and thermal diffusivity measurements of solid materials. Rev. Sci. Instrum. 62 (3), 797-804 (1991).
- Sakamoto, Y., Haneda, H., Kawamura, T., Aoki, K., Komai, T., Yamaguchi, T. Experimental Study on a New Enhanced Gas Recovery Method by Nitrogen Injection from a Methane Hydrate Reservoir. J. MMIJ. 123 (8), 386-393 (2007).
- Lee, B. I., Kesler, M. G. A generalized thermodynamic correlation based on three-parameter corresponding states. AIChE J. 21 (3), 510-527 (1975).
- Reid, R. C., Prausnitz, J. M., Poling, B. E. Chapter 3, Unit 3, 7. The properties of gases and liquids. , 47-49 (1987).
- Anderson, G. K. Enthalpy of dissociation and hydration number of methane hydrate from the Clapeyron equation. J. Chem. Thermodyn. 36 (12), 1119-1127 (2004).
- Waite, W. F., deMartin, B. J., Kirby, S. H., Pinkston, J., Ruppel, C. D. Thermal conductivity measurements in porous mixtures of methane hydrate and quartz sand. Geophys. Res. Lett. 29 (24), 82-1-82-4 (2002).
- Kumar, P., Turner, D., Sloan, E. D. Thermal diffusivity measurements of porous methane hydrate and hydrate-sediment mixtures. J. Geophys. Res. 109 (B1), (2004).
- Huang, D., Fan, S. Measuring and modeling thermal conductivity of gas hydrate-bearing sand. J. Geophys. Res. 110 (B1), (2005).
