Bir süpersoğutmalı Sentetik Kum-su-gaz-metan hidrat Örnek Termal Özelliklerini Ölçmek İçin Protokol
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
Gaz hidratları kafes 1 konuk moleküllerin içeren hidrojen-bağlı su moleküllerinin kafes yapılarını ihtiva kristalin bileşiklerdir. Okyanus tabanı ve sürekli donmuş bölgelerindeki metan hidrat (MD'nin) büyük miktarda ilginç gelecekteki enerji kaynaklarıdır ancak küresel iklim koşulları 2 etkileyebilir.
Mart 2013'te, Japonya Petrol, Gaz ve Metal Ulusal Şirketi "basınç düşürme yöntemi" 3,4 ile Doğu Nankai çukur içinde doğal MH taşıyan çökelleri gaz çıkarmak için dünyanın ilk denizaşırı üretim testi yapılmıştır.
Gaz hidratlar, metan 1, hidrojen 5 CO 2 1,6 ve ozon 7 gibi gazları saklayabilirsiniz. Dolayısıyla, metan ve hidrojen nemlendirir potansiyel enerji depolama ve ulaştırma medya olarak incelenmiştir. CO, CO2 seques atmosfere salınan 2 emisyonlarını azaltmak içinCO derin okyanus çökelleri 2 hidratlar kullanılarak trasyon 6 çalışılmıştır. Ozon halen su arıtma ve gıda sterilizasyon kullanılır. , Kimyasal 7 kararsız olduğu için ozon koruma teknolojisinin çalışmalar yapılmıştır. Hidratlar ozon konsantrasyonu ozonlu su veya buz 7 çok daha yüksektir.
Doğal MH taşıyan sedimanlar ve hidrat tabanlı teknolojiler gaz üretimini geliştirmek için, gaz hidratların termal özelliklerini anlamak için şarttır. Ancak, gaz hidrat taşıyan çökellerin termal özellikleri veriler ve model çalışmaları 8 azdır.
"Basınç düşürme yöntemi" hidrat istikrar altında gözenek basıncı azaltarak sediment gözenek uzayda MH ayırmak için kullanılabilir. Bu süreçte, sediment gözenek alanı bileşenleri su ve MH su, MH, ve gaz değiştirin. Termal gayrimenkullerin ölçümMH erime ısı ölçümlerini etkileyebilir, çünkü ikinci durumun zordur. Bu sorunu çözmek için, Muraoka ve ark., MH formasyonu 9'da aşırı soğutulmuş koşullar altında Isıl Özellikleri "ölçüm yapıldı.
Bu video protokolü ile, aşırı soğutulmuş sentetik kum-su-gaz-MH numunenin ölçüm yöntemi açıklamak.
Şekil 1 yapay metan hidrat taşıyan sediment termal özelliklerini ölçmek için deney düzeneği gösterir. Referans 9'da gösterildiği gibi ayar aynıdır. Sistem temel olarak bir yüksek basınç kabı, basınç ve sıcaklık kontrolü ve ölçüm sisteminin termal özelliklerini içermektedir. Yüksek basınçlı kap 140 mm bir iç çapa ve 140 mm yüksekliğe sahip silindirik paslanmaz çelikten oluşmaktadır; çıkarıldı ölü hacim ile iç hacim 2.110 cm3, ve basınç sınırı 15 MPa'dır. transie nt düzlemi kaynağı (TPS) tekniği termal özellikleri 10 ölçmek için kullanılır. 2.001 mm bireysel yarıçapı ile Dokuz TPS probları kabın içine yerleştirilir. Dokuz prob 9 düzeni referans 9, Şekil 2'de gösterilmiştir. TPS sondalar bir kablo ile termal gayrimenkullerin 'analizöre bağlı ve deney sırasında elle değiştirilir. Kap içinde TPS sensörü, bağlantı şemasına ve kurulum detayları referans 9 Şekil S1, 2 ve destekleyici bilgiler 3'te gösterilmiştir.
Şekil 1:. Yapay metan hidrat taşıyan sediment termal özelliklerini ölçmek için deney düzeneği Şekil referansı 9 modifiye edilir.3956fig1large.jpg "target =" _ blank "> bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.
TPS yöntemi, her numunenin termal özelliklerini ölçmek için kullanıldı. Yöntem, ilkeleri referans 10 de tarif edilmiştir. Bu yöntemde, zaman-bağımlı sıcaklık artışı, DT Ave, olduğu
nerede
0 sensör çıkış gücü B Denklem 1 'de, R sensoru probunun yarıçapı, λ numunesinin termal iletkenlik, α termik yayıcılığıdır olduğu ve t güç kaynağı başlangıcından zamanı sensör probu. D (τ) boyutsuz bir zamana bağlı fonksiyonu. τ ise </em> (spa'sında / r) 1/2 ile verilir. Denklem 2'de, m TPS probunun konsantrik halkalar sayısıdır ve 0 değiştirilmiş Bessel fonksiyonudur. Numunenin termal iletkenlik, ısıl yayılım ve özgül ısı, aynı anda enerji sensoru probunun tedarik edilir, sıcaklık artışı uygulanan ters analizi ile tespit edilmiştir.
Protocol
Representative Results
Discussion
ölçümü MH oluşumu ısı etkisi tahmin edildi. Şekil 3b ve oluşum H = 52.9 kJ mol -1 MH 14 için entalpisi gösterildiği gibi MH oluşumu ısı S h değişim oranı ürünlerinden tahmin edilmiştir. Sonuç olarak, maksimum sıcaklık değişimi 0,00081 ° C sn -1. Bu 5 saniyelik bir zaman aralığı boyunca 1 ° C ile 1.5 ° C arası TPS sensörünün sıcaklık artışı DT C'den daha düşük olmuştur. Ayrı…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma mali Japonya'da Metan hidrat Kaynakları MH21 Araştırma Konsorsiyumu ve Ekonomi, Ticaret ve Sanayi Bakanlığı tarafından Milli Metan hidrat Sömürü Programı tarafından desteklenmiştir. Yazarlar deneyler ile yardım için T. Maekawa ve S. Goto teşekkür etmek istiyorum.
. (Muraoka, M., Susuki, N., Yamaguchi, H., Tsuji, T., Yamamoto, Y., Enerji yakıtlar, 29 (3), 2015, 1345-1351, 2015, DOI izni ile yayımlanmaktadır rakamlar: 10,1021 / ef502350n). Telif Hakkı (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 |
References
- 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).
