Protocolo para la medición de las propiedades térmicas de un hidrato muestra sintética de arena-agua-gas metano a sobrefusión
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
Los hidratos de gas son compuestos cristalinos que comprenden estructuras de jaula de moléculas de agua con enlaces de hidrógeno que contienen moléculas huésped en la jaula 1. Grandes cantidades de hidratos de metano (MHS) en las regiones de permafrost y suelo marino son los recursos energéticos futuros interesantes, pero pueden afectar a las condiciones del clima mundial 2.
En marzo de 2013, el Japan Oil, Gas y Metales de la Corporación Nacional llevaron a cabo la primera prueba de producción en alta mar del mundo para extraer gas de los sedimentos naturales que devengan MH en el este de Nankai Trough utilizando el "método de despresurización" 3,4.
Los hidratos de gas pueden almacenar gases como el metano 1, hidrógeno 5, CO 2 1,6, y el ozono 7. Por lo tanto, los hidratos de metano e hidrógeno se estudian como potencial de almacenamiento de energía y medios de transporte. Para reducir las emisiones de CO2 a la atmósfera, CO 2 sequestración utilizando CO 2 hidratos en los sedimentos de las profundidades oceánicas se han estudiado 6. El ozono se utiliza actualmente en la purificación del agua y la esterilización de los alimentos. Estudios de la tecnología de preservación de ozono han llevado a cabo, ya que es químicamente inestable 7. La concentración de ozono en hidratos es mucho mayor que en agua ozonizada o hielo 7.
Para desarrollar la producción de gas a partir de sedimentos que devengan MH naturales y las tecnologías basadas en hidratos, es imprescindible para entender las propiedades térmicas de los hidratos de gas. Sin embargo, los datos de propiedades térmicas y estudios de modelos de sedimentos de hidratos de gas que soportan son escasos 8.
El "método de despresurización" se puede utilizar para disociar MH en el espacio de los poros de sedimentos por la disminución de la presión de poro por debajo de la estabilidad de los hidratos. En este proceso, los componentes espaciales de sedimentos de poro cambian de agua y de MH a agua, MH, y el gas. medición de las propiedades térmicas 'de esta última condición es difícil ya que el calor de fusión de MH puede afectar a las mediciones. Para resolver este problema, Muraoka et al. Cabo la medición de las propiedades térmicas 'en condiciones super-enfriadas durante la formación MH 9.
Con este protocolo de vídeo, se explica el método de medición de la muestra de arena-agua-gas-MH-enfriada sintética.
La Figura 1 muestra la configuración experimental para medir las propiedades térmicas del metano artificial sedimento hidrato-cojinete. La configuración es la misma que se muestra en la referencia 9. El sistema comprende principalmente un recipiente de alta presión, presión y control de la temperatura, y las propiedades térmicas del sistema de medición. El recipiente de alta presión se compone de acero inoxidable cilíndrico con un diámetro interno de 140 mm y una altura de 140 mm; su volumen interior con el volumen muerto es eliminado 2.110 cm3, y su límite de presión es de 15 MPa. el transie fuente plana nt técnica (TPS) se utiliza para medir las propiedades térmicas 10. Nueve sondas de TPS con radios individual de 2.001 mm se colocan dentro del recipiente. La disposición de los nueve sondas 9 se muestra en la figura 2 en la referencia 9. Las sondas están conectadas a TPS analizador de las propiedades térmicas 'con un cable y conmutar manualmente durante el experimento. Los detalles del sensor de TPS, diagrama de conexión y configuración de la embarcación se muestran en las figuras S1, 2, y 3 de la información de apoyo en referencia 9.
Figura 1:. La configuración experimental para la medición de las propiedades térmicas de los sedimentos de hidrato de metano-cojinete artificial La figura se modificó a partir de la referencia 9.3956fig1large.jpg "target =" _ blank "> Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
El método TPS se utilizó para medir las propiedades térmicas de cada muestra. Los principios del método se describen en la referencia 10. En este método, el aumento de la temperatura en función del tiempo,? T ave, es
dónde
En la Ecuación 1, W 0 es la potencia de salida del sensor, r es el radio de la sonda de sensor, λ es la conductividad térmica de la muestra, α es la difusividad térmica, y t es el tiempo desde el inicio de la fuente de alimentación a la sonda de sensor. D (τ) es un tiempo adimensional función dependiente. τ </em> está dada por (αt / r) 1/2. En la Ecuación 2, m es el número de anillos concéntricos de la sonda TPS y 0 es una función de Bessel modificada. La conductividad térmica, difusividad térmica y calor específico de la muestra se determinan simultáneamente por análisis de inversión aplicado al aumento de la temperatura como se suministra energía a la sonda de sensor.
Protocol
Representative Results
Discussion
Se estimó el efecto del calor formación de MH en la medición. El calor de formación MH se estimó a partir de productos de la tasa de cambio de S h como se muestra en la Figura 3b y la entalpía de formación de H = 52,9 kJ mol -1 para MH 14. En consecuencia, el cambio de temperatura máxima era de 0,00081 ° C sec -1. Esto fue mucho menor que el aumento de temperatura? T c del sensor TPS entre 1 ° C y 1,5 ° C durant…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este estudio fue apoyado financieramente por el Consorcio de Investigación de Recursos MH21 hidrato de metano en Japón y el Programa Nacional de hidratos de metano por el Ministerio de Economía, Comercio e Industria. Los autores desean agradecer a T. Maekawa y S. Goto por su ayuda con los experimentos.
cifras Reproducido con permiso del (Muraoka, M., Susuki, N., Yamaguchi, H., Tsuji, T., Yamamoto, Y., Energy Fuels, 29 (3), 2015, 1345-1351, 2015, DOI.: 10.1021 / ef502350n). Derechos de autor (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
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