פרוטוקול למדידת התכונות התרמיות של מדגם סודה בקירור סינתטי חול-מים-גז מתאן
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
הידרט גז הם תרכובות גבישי המרכיבות מבנים כלוב של מולקולות מים מלוכדות מימן המכיל מולקולות אורח בכלוב 1. כמויות גדולות של נוזלים מתאן (MHS) באזורי הרצפה קפוא אוקיינוס הן מקורות אנרגיה בעתיד מעניינים אך הוא עשוי לפגוע בתנאי האקלים הגלובלי 2.
בחודש מרץ 2013, יפן הנפט, הגז, והמתכות הלאומיות Corporation שנערכו במבחן הפקת הנפט הראשון בעולם כדי לחלץ גז טבעי ממשקעים MH נושא בשוקת Nankai המזרחית באמצעות "שיטת ירידת לחץ" 3,4.
הידרט גז יכול לאחסן גזים כגון מתאן 1, מימן 5, CO 2 1,6, ו אוזון 7. לפיכך, הידרט המתאן ומימן נלמדים כאחסון אנרגיה פוטנציאלית ומדיה תחבורה. כדי להפחית את פליטת ה- CO 2 משתחררים לאטמוספירה, CO 2 sequestration באמצעות CO 2 הידרט במשקעים למעמקי האוקיינוס נחקרו 6. האוזון משמש כיום לטיהור מים ועיקור מזון. מחקרים של טכנולוגיית שימור האוזון נערכו כי זה 7 כימיה יציבה. ריכוז האוזון הידרט הוא גבוה הרבה יותר מזה במים ozonized או קרח 7.
כדי לפתח ייצור גז טבעי ממשקעים MH נושאות וטכנולוגיות מבוססי מימה, זה הכרחי כדי להבין את תכונות תרמיות של נוזלים וגז. עם זאת, נתוני תכונות תרמיות ומחקרי מודל של משקעים מימה נושאות גז נדירים 8.
"שיטת ירידת הלחץ" שניתן להשתמש בם כדי לנתק MH במרחב הנקבובי משקע ידי הפחתת הלחץ הנקבובי מתחת יציבות מימה. בתהליך זה, את הרכיבים הנקבוביות משקעים לשנות ממים ומן MH למים, MH, וגז. המדידה 'התכונות התרמיותהתנאי האחרון הוא קשה בגלל חום ההיתוך של MH עשוי להשפיע על המדידות. כדי לפתור בעיה זו, Muraoka et al. בצע את המדידה 'תכונות תרמיות בתנאים בקירור במהלך MH היווצרות 9.
עם פרוטוקול בסרטון הזה, נסביר את שיטת המדידה של מדגם סינתטי בקירור חול-מים-גז-MH.
איור 1 מציג את הגדרת הניסוי למדידת התכונות התרמיות של משקעים מימה נושאות מתאן מלאכותית. ההתקנה היא זהה המוצג התייחסות 9. המערכת כוללת בעיקר כלי בלחץ גבוה, לחץ ובקרת טמפרטורה, ואת תכונות תרמיות של מערכת המדידה. הספינה בלחץ גבוה מורכבת נירוסטה גלילית עם קוטר פנימי של 140 מ"מ וגובה של 140 מ"מ; הנפח הפנימי שלה עם הנפח המת סיר הוא 2,110 סנטימטר 3, ולהגביל הלחץ שלה הוא 15 מגפ"ס. transie טכניקת NT מקור מטוס (תב"ע) משמשת כדי למדוד את תכונות תרמיות 10. תשע בדיקות TPS עם רדיוס פרט של 2.001 מ"מימ ממוקמות בתוך הכלי. הפריסה של תשע הבדיקות 9 מוצגת באיור 2 בהתייחס 9. בדיקות TPS מחובר המנתח 'תכונות תרמיות באמצעות כבל ועברה ידני במהלך הניסוי. הפרטים של חיישן TPS, דיאגרמת חיבור ולאחר ההתקנה בתוך כלי מוצגי S1 הדמויים, 2, ו -3 של מידע התומך התייחסות 9.
איור 1:. הגדרת הניסוי למדידת תכונות התרמיות של המשקעים מימה נושאות מתאן המלאכותיים הדמות שונה מהתייחסות 9.3956fig1large.jpg "target =" _ blank "> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
השיטה TPS שימש למדידת התכונות התרמיות של כל דגימה. עקרונות השיטה מתוארים ביחס 10. בשיטה זו, הגידול הטמפרטורה תלוי זמן, ave ΔT, הוא
אֵיפֹה
במשוואה 1, W 0 הוא הספק המוצא מהחיישן, r הוא רדיוס של החללית חיישן, λ הוא מוליכות תרמית של המדגם, α הוא diffusivity תרמית, ו t הוא הזמן מתחילת אספקת החשמל אל בדיקת החיישן. D (τ) הוא פונקציה תלויה ממדי זמן. τ </em> ניתן על ידי (αt / r) 1/2. במשוואה 2, m הוא מספר טבעות קונצנטריות של החללית TPS ואני 0 היא פונקציה Bessel שונה. מוליכות התרמית, diffusivity תרמית, והחום סגולי של המדגם נקבעים בו זמנית על ידי ניתוח היפוך להחיל את העלאת הטמפרטורה ככח מסופק חללית החיישן.
Protocol
Representative Results
Discussion
שפעת חום ההיווצרות של MH על מדידה נאמדה. חום ההיווצרות של MH נאמד ממוצרים של שינוי בשער של h S כפי שמוצג איור 3B ו אנתלפיה של היווצרות H = 52.9 kJ mol -1 עבור MH 14. כתוצאה מכך, שינוי הטמפרטורה המקסימלית היו 0.00081 ° C שניות -1. זה היה הרבה יותר נ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מחקר זה נתמך כלכלית על ידי קונסורציום מחקר MH21 משאבי גז הידרט ביפן והתכנית ניצול סודה הלאומי מתאן על ידי משרד הכלכלה, המסחר והתעשייה. המחברים מבקשים להודות ט Maekawa וס גוטו על עזרתם עם הניסויים.
דמויות הודפס מחדש באישור (Muraoka, מ ', Susuki, נ, ימגוצ'י, ח', צוג'י, ט, ימאמוטו, י ', דלק אנרגיה, 29 (3), 2015, 1345-1351, 2015, DOI.: 10.1021 / ef502350n). כל הזכויות שמורות (2015) האגודה האמריקנית לכימיה.
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).
