Protokol til måling af de termiske egenskaber af en underafkølede Syntetisk Sand-vand-gas-metan hydrat Sample
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
Gashydrater er krystallinske forbindelser, der omfatter bur strukturer af hydrogenbundne vandmolekyler indeholder gæstemolekyler i buret en. Store mængder methanhydrater (MHS) i havbunden og permafrost regioner er interessante fremtidige energiressourcer, men kan påvirke den globale klimaforhold 2.
I marts 2013 Japan Oil, Gas, og Metals National Corporation gennemførte verdens første offshore produktion test for at udvinde gas fra naturlige MH-bærende sedimenter i den østlige Nankai Trough ved hjælp af "trykreduktion metoden" 3,4.
Gashydrater kan lagre gasser som methan 1, hydrogen 5, CO 2 1,6, og ozon 7. Derfor er metan og brint hydrater undersøgt som potentielle opbevaring energi og transport medier. For at reducere CO 2 -udledningen frigivet i atmosfæren, CO 2 sequestion ved hjælp af CO 2 hydrater i dyb-ocean sedimenter er undersøgt 6. Ozon er i øjeblikket anvendes i vandrensning og sterilisering af fødevarer. Undersøgelser af ozon konservering teknologi er blevet udført, fordi det er kemisk ustabile 7. Koncentrationen af ozon i hydrater er meget højere end den, ozoniseret vand eller is 7.
At udvikle gasproduktionen fra naturlige MH-bærende sedimenter og hydrat-baserede teknologier, er det bydende nødvendigt at forstå de termiske egenskaber af gashydrater. Men de termiske egenskaber data og modelstudier af gas hydrat bærende sedimenter er knappe 8.
Den "trykaflastning metode" kan bruges til at dissociere MH i sedimentet porevolumen ved at sænke poretrykket under hydrat stabilitet. I denne proces, de aflejringsporevand rumkomponenter skifte fra vand og fra MH til vand, MH, og gas. De termiske egenskaber 'målingDen sidstnævnte betingelse er vanskeligt, fordi smeltevarmen af MH kan påvirke målingerne. For at løse dette problem, Muraoka et al. Udført de termiske egenskaber 'måling ved underafkølede forhold under MH dannelse 9.
Med denne video protokol, vi forklare målemetoden af underafkølede syntetisk sand-vand-gas-MH prøve.
Figur 1 viser den eksperimentelle opsætning til måling af de termiske egenskaber af den kunstige methan hydrat-bærende sediment. Opsætningen er den samme som vist i henvisning 9. Systemet omfatter især en høj-trykbeholder, tryk og temperatur kontrol, og termiske egenskaber af målesystemet. Højtryks- beholder er sammensat af cylindriske rustfri stål med en indvendig diameter på 140 mm og en højde på 140 mm; dets indre volumen med de døde volumen fjernet er 2110 cm3, og sin grænse tryk er 15 MPa. Den transie nt fladekilde (TPS) teknikken anvendes til at måle de termiske egenskaber 10. Ni TPS prober med individuel radier af 2.001 mm anbringes inden i beholderen. Layoutet af de ni prober 9 er vist i figur 2 i henvisningen 9. TPS sonder er forbundet til de termiske egenskaber «analysator med et kabel og skiftes manuelt under eksperimentet. Detaljerne i TPS sensor, tilslutning diagram, og opsætning i beholderen er vist i figur S1, 2, og 3 i den understøttende oplysninger i henvisning 9.
Figur 1:. Forsøgsopstillingen til måling af termiske egenskaber af den kunstige methan hydrat-bærende sediment Figuren er modificeret fra henvisning 9.3956fig1large.jpg "target =" _ blank "> Klik her for at se en større version af dette tal.
TPS metode blev anvendt til måling de termiske egenskaber af hver prøve. Principper Metoden er beskrevet i reference 10. I denne fremgangsmåde den tidsafhængige temperaturstigning, AT ave, er
hvor
I ligning 1, W 0 er udgangseffekten fra sensoren, r er radius af sensorsonden, λ er den termiske ledningsevne af prøven, α er den termiske diffusivitet, og t er tiden fra starten af strømforsyningen til sensorsonden. D (τ) er en dimensionsløs tidsafhængig funktion. τ </em> er givet ved (αt / r) 1/2. I ligning 2, m er antallet af koncentriske ringe af TPS probe og I 0 er en modificeret Bessel-funktion. Den termiske ledningsevne, termisk diffusivitet og specifikke varme af prøven bestemmes simultant ved inversion analyse anvendes på temperaturstigningen som leveres strøm til sensorsonden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Virkningen af dannelsen varmen i MH på måling blev estimeret. Dannelsen varme MH blev estimeret på basis af varer ændring på S h som vist i figur 3b og dannelses-enthalpi H = 52,9 kJ mol -1 for MH 14. Følgelig er den maksimale ændring temperaturen var 0,00081 ° C sek-1. Dette var meget lavere end temperaturstigningen AT ci TPS sensoren mellem 1 ° C og 1,5 ° C under tidsinterval på 5 sek. Detaljeret estimer…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne undersøgelse blev støttet af MH21 Forskningskonsortium for Metan hydrat Resources i Japan og National Metan Hydrate udnyttelse Program af ministeriet for økonomi, handel og industri. Forfatterne vil gerne takke T. Maekawa og S. Goto for deres hjælp med forsøgene.
Genoptrykt tal med tilladelse fra (Muraoka, M., Susuki, N., Yamaguchi, H., Tsuji, T., Yamamoto, Y., Energi Brændstof, 29 (3), 2015, 1345-1351, 2015, DOI.: 10,1021 / ef502350n). Copyright (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 |
Riferimenti
- 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).
