بروتوكول لقياس الخصائص الحرارية من فائق التبريد الاصطناعية الرمال والغاز والمياه، هيدرات الميثان عينة
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
هيدرات الغاز هي مركبات البلورية التي تشكل هياكل قفص من جزيئات الماء المستعبدين الهيدروجين التي تحتوي على جزيئات ضيف في قفص 1. كميات كبيرة من هيدرات الميثان (MHS) في مناطق قاع المحيط والأرض دائمة التجمد هي موارد الطاقة مثيرة للاهتمام في المستقبل ولكن قد تؤثر الظروف المناخية العالمية 2.
في مارس 2013، أجرى النفط اليابان والغاز والمعادن المؤسسة الوطنية أول اختبار انتاج النفط في العالم لاستخراج الغاز من الرواسب MH-تحمل الطبيعية في شرق نانكاى منخفض باستخدام "طريقة تخفيض الضغط" 3،4.
يمكن هيدرات الغاز تخزين الغازات مثل غاز الميثان 1، هيدروجين 5، CO 2 1،6، والأوزون 7. وبالتالي، يتم دراسة الميثان والهيدروجين هيدرات للتخزين الطاقة الكامنة وسائل الاعلام وسائل النقل. للحد من انبعاثات غاز CO 2 التي تطلق في الجو، CO 2 sequesوقد تم دراسة tration باستخدام ثاني أكسيد الكربون 2 هيدرات في رواسب أعماق المحيطات 6. يستخدم الأوزون حاليا في تنقية المياه وتعقيم المواد الغذائية. وقد أجريت دراسات لتكنولوجيا الحفاظ الأوزون لأنها كيميائيا غير مستقر 7. تركيز الأوزون في هيدرات هو أعلى من ذلك بكثير في الماء ozonized أو الجليد 7.
لتطوير إنتاج الغاز من الرواسب MH-تحمل الطبيعية والتكنولوجيات القائمة على هيدرات، لا بد من فهم الخصائص الحرارية من هيدرات الغاز. ومع ذلك، فإن بيانات الخصائص الحرارية والدراسات نموذج من الرواسب الحاملة للهيدرات الغاز شحيحة 8.
"طريقة تخفيض الضغط" يمكن أن تستخدم لفصل MH في الفضاء المسام الرواسب من خلال خفض ضغط المسام دون استقرار هيدرات. في هذه العملية، تغيير مكونات الفضاء الرواسب المسام من المياه ومن MH على المياه، MH، والغاز. قياس الخصائص الحرارية "من الشرط الأخير هو صعب لأن حرارة انصهار MH قد تؤثر على القياسات. لحل هذه المشكلة، موراؤكا آخرون بعمل قياس الخواص الحرارية "في الظروف فائق التبريد خلال تشكيل MH 9.
مع هذا البروتوكول الفيديو، ونحن شرح طريقة قياس فائق التبريد الاصطناعية عينة الرمال والغاز والمياه-MH.
ويبين الشكل (1) والإعداد التجريبية لقياس الخصائص الحرارية للغاز الميثان الاصطناعي الهيدرات تحمل الرواسب. الإعداد هو نفسه كما هو مبين في اشارة 9. ويتألف النظام أساسا سفينة ذات الضغط العالي والضغط والتحكم في درجة الحرارة، والخصائص الحرارية لنظام القياس. وتتكون السفينة الضغط العالي من الفولاذ المقاوم للصدأ أسطواني بقطر داخلي من 140 ملم وارتفاعها 140 ملم. حجم الداخلية مع حجم القتلى إزالتها هو 2110 سم 3، والحد من ضغوطها هو 15 ميجا باسكال. وtransie مصدر الطائرة الإقليم الشمالي يستخدم (TPS) تقنية لقياس الخواص الحرارية 10. وضعت تسعة تحقيقات TPS مع نصف قطر الفردية من 2.001 ملم داخل السفينة. يظهر تخطيط وتسعة تحقيقات 9 في الشكل 2 في إشارة 9. وترتبط تحقيقات TPS إلى محلل الخواص الحرارية 'مع كابل وتحول يدويا أثناء التجربة. وترد تفاصيل استشعار TPS، اتصال الرسم التخطيطي، والإعداد في السفينة في أرقام S1، 2، و 3 من المعلومات الداعمة في اشارة 9.
الشكل 1: الإعداد التجريبية لقياس الخصائص الحرارية للالاصطناعي الرواسب هيدرات الميثان الحاملة يتم تعديل هذا الرقم من الإشارة 9.3956fig1large.jpg "الهدف =" _ فارغة "> الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
تم استخدام أسلوب TPS لقياس الخصائص الحرارية من كل عينة. ووصف مبادئ الأسلوب في اشارة 10. في هذه الطريقة، وارتفاع درجة الحرارة تعتمد على الوقت، ΔT افي، هو
أين
في المعادلة 1، W 0 هو انتاج الطاقة من أجهزة الاستشعار، ص هي دائرة نصف قطرها من التحقيق الاستشعار، λ هو التوصيل الحراري للعينة، α هو انتشار حراري، و t هو الزمن من بداية امدادات الطاقة لجنة التحقيق الاستشعار. D (τ) هو الوقت أبعاد وظيفة تعتمد. τ </م> تعطى من قبل (αt / ص) 1/2. في المعادلة 2، م هو عدد حلقات متحدة المركز لجنة التحقيق TPS وأنا 0 هي وظيفة بسل المعدلة. يتم تحديد الموصلية الحرارية، وانتشار حراري، والحرارة النوعية للعينة في وقت واحد عن طريق تحليل انعكاس تطبيقها على ارتفاع درجة الحرارة كما يتم توفير القدرة على التحقيق الاستشعار.
Protocol
Representative Results
Discussion
وقدرت تأثير الحرارة تشكيل MH على القياس. وقدرت الحرارة تشكيل MH من المنتجات من معدل تغيير S ح كما هو مبين في الشكل 3B والمحتوى الحراري من تشكيل H = 52.9 كج مول -1 لMH 14. ونتيجة لذلك، كان الحد الأقصى للتغير في درجة الحرارة 0.00081 درجة مئوية ثاني?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وأيد هذه الدراسة ماليا من قبل اتحاد البحوث MH21 للموارد هيدرات الميثان في اليابان والبرنامج الوطني لهيدرات الميثان استغلال من قبل وزارة الاقتصاد والتجارة والصناعة. فإن الكتاب أود أن أشكر T. ميكاوا وS. انتقل على المساعدة التي قدموها مع التجارب.
الأرقام طبع بإذن من (موراؤكا، M.، Susuki، N.، ياماغوتشي، H.، تسوجي، T.، ياماموتو، Y.، وقود الطاقة، 29 (3)، 2015، 1345-1351، 2015، دوى: 10.1021 / ef502350n). حقوق التأليف والنشر (2015) جمعية الكيميائية الأميركية.
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 |
References
- 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).
