Protokoll zur Messung der thermischen Eigenschaften einer unterkühlten Synthetic Sand-Wasser-Gas-Methanhydrat Probe
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
Gashydrate sind kristalline Verbindungen , die Käfigstrukturen von wasserstoffgebundenen Wassermoleküle umfassen enthält Gastmoleküle in den Käfig 1. Große Mengen an Methanhydrat (MHS) in den Meeresboden und Permafrostregionen sind interessante Zukunftsenergieressourcen , sondern globale Klimabedingungen 2 beeinflussen können.
Im März 2013 führte die Japan Oil, Gas und Metals National Corporation die erste Offshore – Produktionstest der Welt Gas aus natürlichen MH haltigen Sedimenten im östlichen Nankai Trough mit dem "Entspannungsmethode" 3,4 zu extrahieren.
Gashydrate können Gase wie Methan speichern 1 Wasserstoff 5, CO 2 1,6 und Ozon 7. Daher Methan und Wasserstoff Hydrate werden als potentielle Energiespeicher und Transportmedien untersucht. Die CO 2 -Emissionen in die Atmosphäre, CO 2 seques freigegeben zu reduzieren ,tration CO 2 Hydrate in Tiefseesedimenten verwendet haben 6 untersucht worden. Ozon wird zur Zeit in der Wasserreinigung und Lebensmittel Sterilisation verwendet. Studien von Ozon Konservierungstechnologie durchgeführt worden , weil sie chemisch instabil 7 ist. Die Ozonkonzentration in Hydrate ist viel höher als die in mit Ozon angereichertem Wasser oder Eis 7.
Um die Gasproduktion aus natürlichen MH haltigen Sedimenten und Hydrat-basierte Technologien zu entwickeln, ist es zwingend notwendig, um die thermischen Eigenschaften von Gashydraten zu verstehen. Allerdings sind die thermischen Eigenschaften Daten und Modellstudien von Gashydrat haltigen Sedimenten knapp 8.
Die "Entspannungsmethode" kann verwendet werden, MH im Sediment Porenraum zu trennen von der Porendruck unterhalb des Hydratstabilität abnimmt. Bei diesem Verfahren ändern sich die Sedimentporenraum-Komponenten aus dem Wasser und von MH zu Wasser, MH, und Gas. Die thermischen Eigenschaften 'Messungder letztgenannte Bedingung ist schwierig, weil die Schmelzwärme von MH die Messungen beeinflussen können. Um dieses Problem zu lösen, Muraoka et al. Geführt , um die Messung "thermischen Eigenschaften bei unterkühlten Bedingungen während MH Bildung 9.
Mit diesem Video-Protokoll erläutern wir die Messmethode unterkühlten synthetischen Sand-Wasser-Gas-MH Probe.
Abbildung 1 zeigt den Versuchsaufbau für die thermischen Eigenschaften des künstlichen Methanhydrat tragenden Sediments gemessen wird . Der Aufbau ist der gleiche wie in Bezug auf 9 dargestellt ist . Das System umfasst im Wesentlichen einen Hochdruckbehälter, Druck- und Temperaturkontrolle und thermischen Eigenschaften des Messsystems. Der Hochdruckbehälter ist aus zylindrischen rostfreiem Stahl mit einem Innendurchmesser von 140 mm und einer Höhe von 140 mm zusammengesetzt ist; dessen Innenvolumen mit dem Totvolumen entfernt ist 2.110 cm 3, und seine Druckgrenze beträgt 15 MPa. Die transie nt Ebene Quelle (TPS) Technik wird verwendet , 10 um die thermischen Eigenschaften zu messen. Neun TPS Sonden mit Einzelradien 2.001 mm sind im Inneren des Behälters angeordnet. Das Layout der neun Sonden 9 ist in Figur 2 in Bezug auf 9 dargestellt ist . Die TPS-Sonden sind mit den thermischen Eigenschaften 'Analysator mit einem Kabel und schaltet manuell während des Experiments. Die Einzelheiten des TPS – Sensor, Anschlussbild und Einrichtung im Behälter sind in den S1 gezeigt, 2 und 3 der unterstützenden Informationen in Bezug auf 9.
Abb . 1: Der Versuchsaufbau für die thermischen Eigenschaften des künstlichen Methanhydrat-Lager Sediment Messung Die Figur ist aus Referenz 9 geändert.3956fig1large.jpg "target =" _ blank "> Bitte hier klicken, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Die TPS-Verfahren wurde verwendet, um die thermischen Eigenschaften jeder Probe zu messen. Die Verfahrensprinzipien sind in 10 beschrieben. In diesem Verfahren ist die zeitabhängige Temperaturanstieg & Delta; T ave,
woher
In Gleichung 1, W 0 die Ausgangsleistung von dem Sensor ist, r der Radius der Sensorsonde, λ die thermische Leitfähigkeit der Probe, α das thermische Diffusionsvermögen ist, und t die Zeit vom Beginn der Stromversorgung an die Sensorsonde. D (τ) ist eine dimensionslose zeitabhängige Funktion. τ </em> durch (& agr; t / r) 1/2 gegeben. In Gleichung 2, m ist die Anzahl der konzentrischen Ringe der Sonde TPS und I 0 ist eine modifizierte Bessel – Funktion. Die Wärmeleitfähigkeit, Temperaturleitfähigkeit und die spezifische Wärme der Probe gleichzeitig durch Inversion Analyse auf die Temperaturerhöhung angewandt bestimmt als Kraft auf die Sensorsonde zugeführt wird.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die Wirkung der Bildung Wärme MH auf der Messung geschätzt. Die Bildung von Wärme MH wurde von Produkten Änderungsrate des S h geschätzt , wie in 3b und die Bildungsenthalpie H = 52,9 kJ mol -1 für MH 14 gezeigt. Infolgedessen wurde die maximale Temperaturänderung 0,00081 ° C s -1. Dies war viel niedriger als der Temperaturanstieg & Dgr; T c des TPS – Sensor zwischen 1 ° C und 1,5 ° C während des Zeitinterva…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Studie wurde finanziell von der MH21 Research Consortium für Methanhydrat Ressourcen in Japan und der National Methanhydratförderung Programm durch das Ministerium für Wirtschaft, Handel und Industrie unterstützt. Die Autoren möchten T. Maekawa und S. Goto für die Unterstützung bei den Experimenten zu danken.
Abgedruckt Zahlen mit freundlicher Genehmigung von (Muraoka, M., Susuki, N., Yamaguchi, H., Tsuji, T., Yamamoto, Y., Energy Fuels, 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 |
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