Protokoll for Måling termiske egenskaper en underkjølt syntetisk Sand-vann-gass-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
Gasshydrater er krystallinske forbindelser som utgjør buret strukturer av hydrogen-bundne vannmolekyler inneholdende gjestemolekyler i buret 1. Store mengder metanhydrater (MHS) i havbunnen og permafrostområdene er interessante fremtidige energiressurser, men kan påvirke global klimaforhold 2.
I mars 2013 Japan Oil, Gas, og Metals National Corporation gjennomført verdens første offshore produksjonstest for å trekke ut gass fra naturlige MH-bærende sedimenter i den østlige Nankai Gjennom hjelp av "trykkavlastning metoden" 3,4.
Gasshydrater kan lagre gasser slik som metan 1, hydrogen 5, CO 2 1,6, og ozon 7. Derfor er metan og hydrogen hydrater studert som potensiell energi lagring og transport medier. For å redusere CO 2 -utslippene sluppet ut i atmosfæren, CO 2 sequesnen ved hjelp av CO 2 hydrater i dype hav sedimenter har blitt studert seks. Ozon i dag brukes i vannrensing og mat sterilisering. Studier av ozon bevaring teknologi har blitt utført fordi det er kjemisk ustabile 7. Ozonkonsentrasjonen i hydrater er mye høyere enn det som i ozonisert vann eller is 7.
Å utvikle gassproduksjon fra naturlige MH-bærende sedimenter og hydrat-baserte teknologier, er det viktig å forstå de termiske egenskapene til gasshydrater. Men de termiske egenskaper data og modellstudier av gasshydrat førende sedimenter er knappe åtte.
Den "trykkavlastning metoden" kan anvendes for å dissosiere MH i sedimentet porerommet ved å redusere poretrykket under hydratet stabilitet. I denne prosessen, sediment porerom komponenter endres fra vann og fra MH til vann, MH, og gass. De termiske egenskapene 'målingav den sistnevnte betingelse er vanskelig fordi smeltevarmen MH kan påvirke målingene. For å løse dette problemet, Muraoka et al. Utførte de termiske egenskaper 'måling på underkjølte forhold under MH formasjon 9.
Med denne videoen protokollen, forklarer vi målemetode kjølt syntetisk sand-vann-gass-MH prøve.
Figur 1 viser det eksperimentelle arrangement for å måle de termiske egenskapene til den kunstige metanhydrat bærende sediment. Oppsettet er det samme som vist i referanse 9. Systemet består i hovedsak av en høytrykksbeholder, trykk og temperaturkontroll, og termiske egenskaper av målesystemet. Høytrykksbeholderen er sammensatt av sylindriske rustfritt stål med en indre diameter på 140 mm og en høyde på 140 mm; dens indre volum med dødvolumet fjernes er 2110 cm3, og dens trykkgrense er 15 MPa. den transie nt plane kilde (TPS) teknikk som brukes til å måle de termiske egenskaper 10. Ni TPS prober med individuell radiene av 2.001 mm er plassert inne i beholderen. Utformingen av de ni sondene 9 er vist i figur 2 i referanse 9. TPS prober er koblet til de termiske egenskapene 'analysator med en kabel og slått manuelt under forsøket. Detaljene i TPS sensor, koblingsskjema, og oppsettet i fartøyet er vist i figur S1, 2, og 3 av saksdokumenter i referanse 9.
Fig. 1: Det eksperimentelle oppsett for å måle de termiske egenskapene til den kunstige metanhydrat bærende sediment Figuren er modifisert fra referanse 9.3956fig1large.jpg "target =" _ blank "> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
TPS-metoden ble anvendt for å måle de termiske egenskapene til hver prøve. Fremgangsmåten prinsippene er beskrevet i referanse 10. I denne metoden, den tidsavhengige temperaturøkning, AT ave, er
hvor
I ligning 1, W 0 er utgangseffekten fra sensoren, r er radien av sensoren sonden, er λ den termiske ledningsevnen til prøven, er α termisk diffusivitet, og t er tiden fra starten av strømforsyningen til sensorsonden. D (τ) er en dimensjonsløs tidsavhengig funksjon. τ </em> er gitt ved (αt / r) 1/2. I ligning 2, m er antallet av konsentriske ringer av TPS-sonde, og jeg 0 er en modifisert Bessel-funksjon. Den termiske ledningsevne, termisk diffusivitet, og spesifikk varme av prøven blir samtidig bestemt ved inversjon analyse anvendt på temperaturøkningen som strømtilførsel til sensoren proben.
Protocol
Representative Results
Discussion
Virkningen av dannelsen av varmen MH på målingen ble beregnet. Dannelsen av varme MH ble estimert fra produkter med endringshastigheten av S h som vist i figur 3b og entalpien av formasjons H = 52,9 kJ mol -1 for MH 14. Følgelig er den maksimale temperaturendringen var 0,00081 ° C sek -1. Dette var mye lavere enn den temperaturøkning AT c av TPS sensoren mellom 1 ° C og 1,5 ° C i løpet av tidsintervall på 5 sek. D…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne studien ble finansielt støttet av MH21 Forskning Consortium for metanhydrat Resources i Japan og National metanhydrat Utnyttelse Program av departementet for økonomi, handel og industri. Forfatterne ønsker å takke T. Maekawa og S. Gå for deres hjelp med forsøkene.
Gjengitt tallene med tillatelse fra (Muraoka, M., Susuki, N., Yamaguchi, H., Tsuji, T., Yamamoto, Y., Energi 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 |
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).
