Methodenartikel

Methanhydratkristallisation auf sessilen Wassertröpfchen

DOI:

10.3791/62686

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26. Mai 2021

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1Earth and Atmospheric Sciences, Georgia Institute of Technology, 2Civil and Environmental Engineering, Georgia Institute of Technology

In diesem Artikel

Zusammenfassung

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Wir beschreiben eine Methode zur Bildung von Gashydrat auf seelischen Wassertröpfchen, um die Auswirkungen verschiedener Inhibitoren, Promotoren und Substrate auf die Morphologie des Hydratkristalls zu untersuchen.

Zusammenfassung

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Diese Arbeit beschreibt eine Methode zur Bildung von Methanhydrathüllen auf Wassertröpfchen. Darüber hinaus liefert es Blaupausen für eine Druckzelle mit einer Nennleistung von 10 MPa Arbeitsdruck, die eine Stufe für sessile Tröpfchen, ein Saphirfenster zur Visualisierung sowie Temperatur- und Druckmessumformer enthält. Eine Druckpumpe, die an eine Methangasflasche angeschlossen ist, wird verwendet, um die Zelle auf 5 MPa unter Druck zu setzen. Das Kühlsystem ist ein 10-Gallonen-Tank (37,85 l), der eine 50% ige Ethanollösung enthält, die über Ethylenglykol durch Kupferspulen gekühlt wird. Dieser Aufbau ermöglicht die Beobachtung der Temperaturänderung, die mit der Hydratbildung und -dissoziation während der Abkühlung bzw. Druckentlastung verbunden ist, sowie die Visualisierung und Fotografie der morphologischen Veränderungen des Tröpfchens. Mit dieser Methode wurde eine schnelle Hydrathüllenbildung bei ~-6 °C bis -9 °C beobachtet. Während der Druckentlastung wurde ein Temperaturabfall von 0,2 °C bis 0,5 °C an der Druck/Temperatur-Stabilitätskurve (P/T) aufgrund der exothermen Hydratdissoziation beobachtet, was durch die visuelle Beobachtung des Schmelzens zu Beginn des Temperaturabfalls bestätigt wurde. Der "Memory-Effekt" wurde nach der Druckberuhigung auf 5 MPa von 2 MPa beobachtet. Dieses experimentelle Design ermöglicht die Überwachung von Druck, Temperatur und Morphologie des Tröpfchens im Laufe der Zeit, was es zu einer geeigneten Methode macht, um verschiedene Additive und Substrate auf Hydratmorphologie zu testen.

Einleitung

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Gashydrate sind Käfige aus wasserstoffgebundenen Wassermolekülen, die Gastgasmoleküle über Van-der-Waals-Wechselwirkungen einfangen. Methanhydrate bilden sich unter Hochdruck- und Tieftemperaturbedingungen, die in der Natur im unterirdischen Sediment entlang der Kontinentalränder, unter arktischem Permafrost und auf anderen planetaren Körpern im Sonnensystem vorkommen1. Gashydrate speichern mehrere tausend Gigatonnen Kohlenstoff, mit wichtigen Auswirkungen auf Klima und Energie2. Gashydrate können auch in der Erdgasindustrie gefährlich sein, da in Gaspipelines günstige Bedingungen für Hydrate auftreten, die die ....

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Protokoll

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1. Entwerfen, validieren und bearbeiten Sie die Druckzelle.

  1. Entwerfen Sie die Zelle so, dass sie eine direkte Visualisierung der Hydratbildung aus einem Wassertropfen ermöglicht. Stellen Sie sicher, dass die Zelle über eine Hauptkammer mit einem durchsichtigen Saphirfenster und vier Anschlüssen für Flüssigkeits-/Gaseinlass, -auslass, Licht und Drähte verfügt (Abbildung 1). Erstellen Sie den endgültigen Entwurf in der Konstruktionssoftware (Ergänzende Abbildung S1).
  2. Um zu überprüfen, ob die Druckzelle unter hohem Arbeitsdruck sicher ist, führen Sie eine Finite-Elemente-Analyse mit Simulationssoftware du....

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Ergebnisse

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Mit dieser Methode kann eine Gashydrathülle auf einem Tröpfchen visuell durch ein Saphirfenster der Druckzelle und über Temperatur- und Druckaufnehmer überwacht werden. Um die Hydrathülle nach dem Druck auf 5 MPa zu keimen, kann Trockeneis an der Oberseite der Druckzelle hinzugefügt werden, um einen thermischen Schock zu induzieren, der eine schnelle Hydratkristallisation auslöst. Es gibt einen deutlichen morphologischen Unterschied bei der Trockeneis-erzwungenen Hydrathüllenbildung. Der Wassertropfen ging von einer glat.......

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Diskussion

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Wir haben eine Methode entwickelt, um Methanhydrathüllen auf sessilen Wassertröpfchen sicher zu bilden und teilen diese Methode, um eine Druckzelle mit einer Nennleistung von 10 MPa-Arbeitsdruck sowie die Druck- und Kühlsysteme zu bearbeiten und zu montieren. Die Druckzelle ist mit einer Stufe für das Tröpfchen ausgestattet, die eingebettete Thermoelemente enthält, einem Saphirfenster zur Visualisierung des Tröpfchens und einem Druckmessumformer, der an der Oberseite der Zelle befestigt ist. Das Kühlsystem umfasst gekühl.......

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Offenlegungen

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Es gibt keine konkurrierenden finanziellen Interessen.

Danksagungen

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NASA Exobiology Grant 80NSSC19K0477 finanzierte diese Forschung. Wir danken William Waite und Nicolas Espinoza für die wertvollen Gespräche.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
CAMERA AND LAPTOP
GehäuseNikonD7200Name im Protokoll: Kamera
Camera Control Pro 2 SoftwareNikonName im Protokoll: Kamera-Software
Laptop HPPavilionhp-pavilion-laptop-14-ce0068stMuss PC mit viel Speicherplatz (~ 1 TB) sein
Name im Protokoll: Laptop
Makrofotografie ObjektivNikonAF-S MICRO 105mm f/2.8G IF-ED Objektivnameim Protokoll: objektiv
VERBRAUCHSMATERIALIEN
deionisiertes WasserName im Protokoll: DI-Wasser
TrockeneisVWR oder LebensmittelgeschäftKaufen kurz vor der Keimbildung
Name im Protokoll: Trockeneis
EthanolName im Protokoll:
Ethanol EthylenglykolName im Protokoll: Ethylenglykol
COOLING SYSTEM
1/2 Zoll Außendurchmesser x 3/8 Zoll ID x 25 Fuß PolyethylenschlauchEverbiltModell # 301844Zum Zirkulieren von Kühlmittel vom Kühler zu den Kupferschlangen im Aquarium
Name im Protokoll: 3/8" (Innendurchmesser) Kunststoffschlauch
UmlaufkühlerPolyscienceName im Protokoll: Kühler
Wirtschaftliche Rohrisolierung aus flexiblem PolyethylenschaumMcMaster-Carr4530K1623/4" dicke Wand; 1/2" Innendurchmesser; R-Wert 3; 6' lang
Name im Protokoll: Isolierung von Schaumrohren
Kunststoffschläucheverwenden alle Schläuche, die für den Anschluss an die Fluggesellschaft im Labor geeignet sind und lang genug sind, um von der Verbindung der Fluggesellschaft bis zur Vorderseite des Aquariums zu gelangen
DATALOGGER
Armature Multiplexer-Modul für 34970A/
34972A, 20-Kanal		Keysight Technologies34901AName im Protokoll: Datenlogger Mehrkanal
Benchvue oder Benchlink SoftwareBenchvue oder BenchlinkName im Protokoll: Temperaturmessumformer Software
Datenerfassungs-/Schalteinheit. GPIB, RS232Keysight Technologies34970AName im Protokoll: Datenlogger
USB/GPIB-SchnittstelleKeysight Technologies82357BName im Protokoll: Datenlogger USB
Datenlogger Mehrkanal
Schott Fostec -Llc 20510 Ace Fiber Optic Light SourceSchott FostecA205003115PS-12W-B20 115 V ~AC 50/60Hz 5/4.5 W
Name im Protokoll: Lichtquelle Einheit
Schott Fostec Lichtquellenführer - EinzelbündelSchott FostecA08031.40Name im Protokoll: Glasfaser-Lichtquellenkabel
METHANGAS- UND REGLER
1/4 OD Zoll x 20 ft. Kupfer Soft Refrigeration CoilEverbiltModell # D 04020PSZur Druckbeaufschlagung der ISCO-Druckpumpe. Für die Kühlmittelzirkulation wird ein zusätzliches Paket benötigt, wie unten aufgeführt.
Name im Protokoll: Hochdruck 1/4" Kupferrohr
MethanflaschenreglerAirgasY11N114G350-AGName im Protokoll: Methanflaschenregler
MethangasflascheAirgasME UHP300Name im Protokoll: Methangasflasche
DRUCKPUMPE
/4 Zoll  flexibler Schlauch, ~ 3 ft.Anschluss an den Pumpeneinlass für die Dichtheitsprüfung
Name im Protokoll: 1/4 "  flexibler Schlauch
260D Spritzenpumpe mit ControllerTeledyne Instruments Inc.67-1240-520Name im Protokoll: Druckpumpensteuerung
− Ethernet/USBTeledyne Instruments Inc.62-1240-114Erwerben Sie diese Option, wenn Sie Labview auf einem Computer installieren und die Druckpumpe fernsteuern möchten. Das haben wir nicht getan.
Nahtloses 316 Edelstahlrohr mit glatter Bohrung, 1/4" Außendurchmesser, 0,035" Wandstärke, 1 Fuß lang (x5)McMaster-Carr89785K824Name im Protokoll: 1/4" Rohr
Nahtloses 316 Edelstahlrohr mit glatter Bohrung, 1/8" Außendurchmesser, 0,02" Wandstärke, 1 Fuß lang (x4)McMaster-Carr89785K811Name im Protokoll: 1/8" Rohr
Swagelok-Rohrverschraubung aus Edelstahl, Reduzierverschraubung, 1/4 Zoll. x 1/8 Zoll Rohr AD (x4)Swagelok  SS-400-6-2Name im Protokoll: 1/8" auf 1/4" Adapter
PRESSURE CELL
316 Edelstahl-Muttern- und Aderendhülsensatz (1 Mutter/1 vordere Ferrule/1 hintere Aderendhülse) für 1/4 Zoll. Rohrverschraubung (20)Swagelok  SS-400-NFSETWird bei Bedarf für die Montage von Anschlüssen verwendet
Name im Protokoll: Aderendhülsensatz
316L Edelstahl-Wellschlauch (FM), 1/4 Zoll, 316L Edelstahlgeflecht, 1/4 Zoll. Rohradapter, 60 Zoll (1,5 m) LängeSwagelokSS-FM4TA4TA4-60Verbindet die Druckpumpe mit der Druckzelle
Name im Protokoll: 1/4" geflochtener flexibler Schlauch aus Edelstahl
ABAQUSABAQUS FEAName im Protokoll: Simulationssoftware
Abriebfeste Dämpfungsscheibe für 7/8" Schraubengröße, 0,875" ID, 2,25" AD, Packungen mit 10 (x1)McMaster-Carr90131A107Name im Protokoll: 2,25" Gummischeibe
Abriebfeste Dichtungsscheibe, Aramidgewebe/Buna-N Gummi, 3/8" Schraubengröße, 0,625" OD, Packungen mit 10 (x1)McMaster-Carr93303A105Verwendet für Beleuchtungsanschluss
Acrylplatte | Weiß 2447 / WRT31
Extrudiertes Papiermaskiert (durchscheinend 55% (0,118 x 12 x 12)		Interstate PlasticsACRW7EPSH Maschine:Einen Kreis aus Acryl in die innere Kammer der Druckzelle passen, der als Hintergrund für die Bildgebung dient
Name im Protokoll: Acrylscheibe
AutoCADAutoCADName im Protokoll: Konstruktionssoftware
Conax passendConax Technologies311401-011TG(PTM2/)-24-A6-T, OPTIONAL 1/4" NPT
Name im Protokoll: Druckdichtungsanschluss
Hochpräzise ölgefüllte Druckmessumformer/-messumformer
für allgemeine
industrielle Anwendungen (x2)		Omega Engineering, Inc.PX409-3.5KGUSBHKaufen Sie zwei, damit es ein Backup gibt.
Name im Protokoll: Druckmessumformer
HOCHDRUCKKAMMER  TEILEWiderristwerkzeug-, Werkzeug- und FertigungsunternehmenBearbeitung von Druckzellenteilen, wie in CAD-Zeichnungen aufgeführt (Abbildung S1)
Name im Protokoll: Teil B = Unterlegscheibe aus rostfreiem Stahl
Hochfeste Innensechskantschraube aus Edelstahl 316, M5 x 0,80 mm Gewinde, 14 mm lang (x20)McMaster-Carr90037A119Wird für die Beleuchtung
Hochfeste Innensechskantschraube aus Edelstahl 316, M8 x 1,25 mm Gewinde, 25 mm lang (x20)McMaster-Carr90037A133Name im Protokoll: M8 Edelstahlschrauben
Ölbeständiger harter Buna-N O-Ring, 3/32 Bruchbreite, Strichnummer 120, Packung mit 50 (x1)McMaster-Carr5308T178Name im Protokoll: 1" O-Ring
Ölbeständiger harter Buna-N O-Ring, 3/32 Bruchbreite, Strichnummer 128, Packung mit 50 (x1)McMaster-Carr5308T186Name im Protokoll: 1,5" O-Ring
Omega Inc. Druckmessumformer-SoftwareOmega Engineering, Inc.Name im Protokoll: Software für Druckmessumformer
Polycarbonat-Scheibe McMaster-Carr8571K31Aufgeführt in CAD-Zeichnungen für den Beleuchtungsanschluss, Abb. S1 Teil E
Saphirfenster (x3)Guild Optical Associates, Inc.Optisches Saphirfenster, C-Plane
Durchmesser: 1.811" ±. 005"
Dicke: .590" ±. 005"
Oberflächenqualität: 60/40
Kanten geschliffen und Sicherheitsabgeschrägt		Kaufen Sie drei, damit es zwei Backups gibt.
Name im Protokoll: Saphirfenster
Massives Thermoelement Draht FEP Isolierung und Mantel, Typ K, 24 Gauge, 50 Fuß Länge (x1)McMaster-Carr3870K32Name im Protokoll: Thermoelemente
Edelstahl Integriertes Motorhaubennadelventil, 0,37 PS, 1/4 Zoll Swagelok Rohrverschraubung, Regulierspindel (x4)Swagelok  SS-1RS4Zwei werden auch für die Druckpumpe verwendet.
Name im Protokoll: 1/4" Nadelventile
Edelstahl-Rohrverschraubung, Sechskantnippel, 1/4 Zoll. NPT-Außengewinde (x2)Swagelok  SS-4-HNWird für den Beleuchtungsanschluss
verwendet Swagelok-Rohrverschraubung aus Edelstahl, weibliches Abzweig-T-Stück, 1/4 Zoll. Rohr-AD x 1/4 Zoll Rohr-AD x 1/4 Zoll NPT-Innengewinde (x2)Swagelok  SS-400-3-4TTFWird mit einem Druckmessumformer verwendet
Name im Protokoll: Abzweig-T-Stück
Swagelok-Rohrverschraubung aus Edelstahl, Stecker, 1/4 Zoll Rohr-AD x 1/4 Zoll NPT-Außengewinde (x4)Swagelok  SS-400-1-4Wird am oberen Anschluss und am seitlichen Anschluss verwendet, der zu Nadelventilen führt
Name im Protokoll: NPT-Schrauben
Swagelok-Rohrverschraubung aus Edelstahl, Anschlussverbinder, 1/4 Zoll. Rohr AD (x8)Swagelok  SS-401-PCVerwendung als Rohrverbindungen zwischen NTP- und Ventilanschlüssen
Name im Protokoll: Anschlussanschlussverschraubung
TANK
1/4 OD in. x 20 ft. Kupfer Soft Refrigeration CoilEverbiltModell # D 04020PSFür zirkulierendes Kühlmittel
Name im Protokoll: 1/4" Kupferrohr
10 Gallonen AquariumTetraName im Protokoll: 10 Gallonen Tank
2 oz. WaterweldJ-B WeldModell # 8277Name im Protokoll: Unterwasserdichtmittel
3 Zoll x 25 Fuß Foil Backed Fiberglas Pipe Wrap InsulationFrost KingModell # SP42X/16Zum Umwickeln von Aquarium
Name im Protokoll: folienbeschichtetes Fiberglas
3/8 7/8 in. Edelstahl-Schlauchschelle (10er Pack)EverbiltModell # 670655EName im Protokoll: Schneckengewinde-Schlauchschellen
StyroporName im Protokoll: Isoliermaterial
TOOLS
1-1/8 in. Ratschen-RohrschneiderHuskyModell # 86-036-0111
1/2 Zoll bis 1 Zoll RohrschneiderApolloModell # 69PTKC001
Verstellbarer Schraubenschlüssel (x2)StahlkernModell # 31899Benötigen Sie zwei Schraubenschlüssel mit Backe mindestens 1
InbusschlüsselsatzHome Depot
KlebebandName im Protokoll: Klebeband
Flexibler Schlauch, wie eine Infusionsleitung, der auf das Ende der Kornsonde (Kanula) passt.im Protokoll: IV Rohr
Grainger 18 Gauge SondeGraingerZum Einführen von Tröpfchen
Name im Protokoll: Kanüle
HochvakuumfettDow CorningAuf O-Ringe auftragen, bevor Saphir Window
eingeführt wird Name im Protokoll: Vakuumfett
Klein Tools Professional 90 Grad 4-in-1 RohrbiegerKlein ToolsModell # 89030Name im Protokoll: Rohrbieger
Snoop Flüssigkeit LeckanzeigerSwagelokMS-SNOOP-8OZZur Erkennung von Lecks unter Druck, wenn Methan
Name im Protokoll: Flüssigkeitsleckdetektor
SaugnapfHome DepotZum Entfernen eng anliegender Saphirfenster
Name im Protokoll: Saugnapf
TeflonbandName im Protokoll: Klempnerband
Temflex 3/4 Zoll x 60 Fuß 1700 Isolierband Schwarz3MModell # 1700-1PK-BB40Name im Protokoll: Isolierband
Camera 1 verwendet " Name

Referenzen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Bohrmann, G., Torres, M. E. Gas hydrates in marine sediments. Marine Geochemistry. Schulz, H. D., Zabel, M. , Springer. Heidelberg, Germany. 481-512 (2006).
  2. Ruppel, C. D., Kessler, J. D. The interaction of climate change and methane hydrates. Reviews of Geophysics. 55 (1), 126-168 (2017).
  3. Hammerschmidt, E. G.

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MethanhydratbildungHydrath llenDruckzelleHydratmorphologieZeitrafferbildgebungTemperatur berwachungHydratdissoziationFrostschutzproteineGashydratstabilit t

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