Протокол для измерения тепловых свойств переохлажденной Синтетические Песчано-вода-газ-метан гидратов образца
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
Газовые гидраты представляют собой кристаллические соединения , которые содержат обойме структуры с водородными связями молекул воды , содержащих молекулы гостя в клетке 1. Большое количество гидратов метана (MHS) в дна океана и районах вечной мерзлоты интересны будущие энергетические ресурсы , но может повлиять на глобальные климатические условия 2.
В марте 2013 года Япония Нефть, газ и металлы Национальная корпорация провела первую в мире испытания морской добычи для извлечения газа из природных MH-мироносиц отложений в восточной части Нанькайского мульды с использованием метода "разгерметизация" 3,4.
Газовые гидраты могут хранить газы , такие как метан, водород 1 5, CO 2 1,6 и озона 7. Следовательно, метан и водород гидраты изучаются в качестве потенциального накопления энергии и транспортировки средств массовой информации. Для снижения выбросов СО 2 , выброшенного в атмосферу CO 2 sequesрация с использованием СО 2 гидратов в глубоководных осадках были изучены 6. Озон используется в настоящее время в области очистки воды и пищи стерилизации. Исследования сохранения озона технологии были проведены , поскольку он является химически нестабильным 7. Концентрация озона в гидраты гораздо выше , чем в озонированной водой или льдом 7.
Для развития добычи газа из природных MH-мироносиц отложений и гидратов на основе технологий, крайне важно, чтобы понять тепловые свойства газовых гидратов. Тем не менее, данные тепловые свойства и модельные исследования газовых гидратов приносящих отложений не хватает 8.
"Метод разгерметизации" может быть использован для диссоциировать MH в поровом пространстве наносов за счет уменьшения порового давления ниже стабильности гидратов. В этом процессе, компоненты отстой порового пространства изменяются от воды и от MH к воздействию воды, MH, и газа. Измерение тепловых свойств "последнего условия трудно, поскольку теплота плавления MH могут влиять на результаты измерений. Чтобы решить эту проблему, Мураока и др. Выполнили измерения тепловых свойств "в переохлажденных условиях в процессе формирования MH 9.
С помощью этого видео протокола мы объясним метод измерения переохлажденной синтетического образца песчано-вода-газ-MH.
На рисунке 1 показана экспериментальная установка для измерения тепловых свойств искусственного метана гидрат фертильного осадка. Установка такой же , как показано в работе 9. Система в основном содержит сосуд высокого давления, давления и контроля температуры, а также тепловые свойства измерительной системы. Судно высокого давления состоит из цилиндрической нержавеющей стали с внутренним диаметром 140 мм и высотой 140 мм; его внутренний объем с мертвого объема удаляемого 2110 см 3, а его предельное давление составляет 15 МПа. transie плоский источник нт (TPS) метод используется для измерения тепловых свойств 10. Девять TPS зондов с индивидуальным радиусом 2.001 мм помещают внутри сосуда. Компоновка девяти зондов 9 показано на рисунке 2 , в работе9. Датчики TPS подключены к анализатору тепловых свойств 'с помощью кабеля и переключаться вручную во время эксперимента. Детали датчика TPS, схему подключения и установки в емкости показаны на рисунках S1, 2 и 3 вспомогательной информации в справочнике 9.
Рисунок 1:. Экспериментальная установка для измерения тепловых свойств искусственного метана гидрат фертильного осадка Фигура изменяется от ссылки 9.3956fig1large.jpg "целевых =" _blank "> Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Метод ТПС был использован для измерения тепловых свойств каждого образца. Принципы метода описаны в работе 10. В этом методе, зависит от времени увеличение температуры, & Delta ; t пр, является
где
В уравнении 1, W 0 является выходная мощность от датчика, R есть радиус датчика зонда, λ является теплопроводность образца, α температуропроводность, и т является время от начала питания к датчику зонда. D (т) является безразмерной зависящей от времени функции. τ </EM> дается формулой (αt / г) 1/2. В уравнении 2, м это число концентрических колец зонда TPS и I 0 является модифицированная функция Бесселя. Теплопроводность, температуропроводность и удельная теплоемкость образца одновременно определяют анализом инверсии, приложенного к повышению температуры, как питание подается на зонде датчика.
Protocol
Representative Results
Discussion
Влияние образования тепла МЗ по измерению была оценена. Образование тепла МЗ оценивался из продуктов коэффициента изменения S ч , как показано на рисунке 3b и энтальпия образования Н = 52,9 кДж моль -1 для MH 14. Следовательно, максимальное изменение темпер…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Работа выполнена при финансовой поддержке MH21 исследовательского консорциума по Гидрат метана ресурсов в Японии и Национальной программы по метану Сода эксплуатации со стороны Министерства экономики, торговли и промышленности. Авторы хотели бы поблагодарить Т. Маекава и С. Гото за их помощь при проведении экспериментов.
Перепечатано цифры с разрешения (Мураока, М., Susuki, N., Ямагути, H., Цудзи, Т., Ямамото Ю., топливно-энергетические ресурсы, 29 (3), 2015, 1345-1351, 2015, DOI:. 10.1021 / ef502350n). Авторское право (2015) Американское химическое общество.
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).
