Protocolo para medir as propriedades térmicas de um sintético areia-água-gás-hidrato de metano Amostra Supercooled
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
Hidratos de gás são compostos cristalinos que compreendem estruturas de gaiola de moléculas de água ligadas a hidrogênio que contêm moléculas hóspedes na gaiola 1. Grandes quantidades de hidratos de metano (MHS) nas regiões de permafrost fundo do oceano e são recursos de energia no futuro interessantes, mas pode afetar as condições climáticas globais 2.
Em março de 2013, o óleo Japão, Gás e Metais National Corporation realizou o primeiro teste de produção offshore do mundo para extrair gás a partir de sedimentos MH-rolamento naturais no leste Nankai Trough pelo "método de despressurização" 3,4.
Hidratos de gás pode armazenar gases como o metano 1, hidrogênio 5, CO 2 1,6, e ozônio 7. Assim, metano e hidrogênio hidratos são estudados como armazenamento de energia potencial e meios de transporte. Para reduzir as emissões de CO2 liberadas na atmosfera, o CO 2 sequestração usando CO 2 hidratos em sedimentos do fundo do oceano têm sido estudados 6. O ozono é actualmente utilizada na purificação de água e esterilização de alimentos. Estudos de tecnologia de preservação de ozono foram realizados porque é quimicamente instável 7. A concentração de ozono em hidratos é muito maior do que em água ozonizada ou 7 gelo.
Para desenvolver a produção de gás a partir de sedimentos MH-rolamento naturais e tecnologias baseadas em hidrato, é imperativo para entender as propriedades térmicas de hidratos de gás. No entanto, os dados propriedades térmicas e estudos de modelos de gás sedimentos contendo hidratos são escassos 8.
O "método de despressurização" pode ser utilizado para dissociar MH no espaço dos poros do sedimento através da diminuição da pressão de poro abaixo da estabilidade do hidrato. Neste processo, os componentes espaciais sedimento poros mudar a partir de água e a partir de MH de água, MH, e gás. medição das propriedades térmicasdesta última condição é difícil porque o calor de fusão de MH podem afectar as medições. Para resolver este problema, Muraoka et al. Realizada a medição das propriedades térmicas em condições super-resfriados durante MH formação 9.
Com este protocolo vídeo, explicar o método de medição da amostra de areia-água-gás-MH sintético super-resfriado.
A Figura 1 mostra a instalação experimental para medir as propriedades térmicas do sedimento hidrato de metano-rolamento artificial. A configuração é a mesma mostrada em referência 9. O sistema compreende, principalmente, um reservatório de alta pressão, pressão e controle de temperatura, e as propriedades térmicas do sistema de medição. O reservatório de alta pressão é composto de aço inoxidável cilíndrico com um diâmetro interno de 140 mm, e uma altura de 140 mm; seu volume interno com o volume morto removido é 2.110 cm3, e seu limite de pressão é de 15 MPa. o transie fonte avião nt (TPS) técnica é usada para medir as propriedades térmicas 10. Nove sondas TPS com raios individual de 2.001 mm são colocados no interior da embarcação. A disposição dos nove sondas 9 é mostrada na Figura 2, em referência 9. As sondas TPS estão ligados ao analisador das propriedades térmicas com um cabo e mudado manualmente durante o experimento. Os detalhes do sensor TPS, diagrama de conexão e configuração no vaso são mostrados nas Figuras S1, 2 e 3 da informação de apoio em referência 9.
Figura 1:. A montagem experimental para medir as propriedades térmicas do sedimento hidrato de metano-rolamento artificial A figura é modificada a partir de referência 9.3956fig1large.jpg "target =" _ blank "> Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
O método TPS foi usada para medir as propriedades térmicas de cada amostra. Os princípios do método são descritas na referência 10. Neste método, o aumento da temperatura em função do tempo, AT av, é
Onde
Na Equação 1, W 0 é a potência de saída do sensor, o símbolo r representa o raio da sonda de sensor, λ é a condutividade térmica da amostra, α é a difusividade térmica, e t é o tempo desde o início da alimentação de energia à sonda sensor. D (τ) é um tempo adimensional função dependente. τ </em> é dada por (aT / r) 1/2. Na Equação 2, o símbolo m representa o número de anéis concêntricos da sonda TPS e I 0 é uma função de Bessel modificada. A condutividade térmica, difusividade térmica e calor específico da amostra são simultaneamente determinado por análise de inversão aplicado ao aumento de temperatura que se forneça energia ao sensor de sonda.
Protocol
Representative Results
Discussion
foi avaliado o efeito do calor formação de MH por medição. O calor formação de HM foi estimada a partir dos produtos da taxa de mudança de S h, como mostrado na Figura 3b, e a entalpia de formação H = 52,9 kJ mol -1 para MH 14. Por conseguinte, a mudança de temperatura máxima foi de 0,00081 ° C seg -1. Isto foi muito menor do que o aumento de temperatura AT C do sensor TPS entre 1 ° C e 1,5 ° C durante o inte…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este estudo foi financiado pelo Consórcio de Pesquisa MH21 de hidrato de metano Recursos no Japão e no Programa Nacional de Hidratos de metano exploração por parte do Ministério da Economia, Comércio e Indústria. Os autores gostariam de agradecer T. Maekawa e S. Goto para a sua assistência com os experimentos.
figuras Reproduzido com permissão de (Muraoka, M., Susuki, N., Yamaguchi, H., Tsuji, T., Yamamoto, Y., combustíveis energéticos, 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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