Ein uniaxiales Kompressionsexperiment mit CO2-Lagerkohle mit einem visualisierten und konstantvolumigen Gas-Solid-Kopplungs-Testsystem
12. Juni 2019
Dieses Protokoll zeigt, wie eine Brikettprobe vorbereitet wird und ein uniaxiales Kompressionsexperiment mit einem Brikett in verschiedenen CO2-Drücken mit einem visualisierten und konstanten Gas-Fest-Kopplungstestsystem durchgeführt wird. Außerdem sollen Veränderungen in Bezug auf die physikalischen und mechanischen Eigenschaften von Kohle untersucht werden, die durch die CO2-Adsorption induziert werden.
Diese Methode kann helfen, wichtige Fragen im Bereich der geologischen Kohlendioxid-Sequestrierung und der Kohlebett-Methanrückgewinnung über den Zusammenhang zwischen den Eigenschaften der Kohle und der Gasadsorption zu beantworten. Der Hauptvorteil dieser Technik ist, dass statische und dynamische Last auf Brikett im konstanten Volumenzustand angewendet werden kann und der gesamte Experimentalprozess durch fotografische Überwachung visualisiert wird. Es gibt keine besondere Anforderung für die Art der Probe, daher kann diese Methode für mechanische Tests von porösem Gestein gelten.
Zunächst wiegen Sie 1000 Gramm und 300 Gramm pulverisierte Kohle mit einer Partikelgrößenverteilung von null bis einem Millimeter bzw. ein bis drei Millimetern. Setzen Sie sie in einem Becher in einem Massenanteil von 0,76 bis 0,24 zusammen und verwenden Sie eine Glasstange mit sechs Millimeterdurchmessern, um sie gut zu mischen. Zur Zubereitung des Zements vier Gramm Natriumhumatpulver in ein Becherglas geben und etwa 96 Millimeter destilliertes Wasser hinzufügen.
Verwenden Sie eine Glasstange, um sie zu rühren und sicherzustellen, dass alle Natriumhumate gut gelöst ist. Dann mischen Sie 230 Gramm gemischtes Kohlepulver und 20 Gramm Natriumhumatlösung in einem Becher. Um eine Standardgröße Brikettbeschichtung der Innenfläche der Formwerkzeuge mit Schmieröl zu produzieren.
Montieren Werkzeugkomponenten Bodenplatte, Hauptkörper und Ring und füllen Sie das Loch mit 250 Gramm Mischmaterial. Presskolben auf das Mischmaterial setzen und alle Teile unter den Kolben einer elektrohydraulischen Servo-Universalprüfmaschine legen. Starten Sie die Software WinWdw, um die elektrohydraulische Servo-Universalprüfmaschine zu steuern.
Klicken Sie in der Software auf Den Kraftbereich, um die maximale Kraft auf 50 Kilonewton einzustellen, und klicken Sie auf Reset, um den Verschiebungswert zu löschen. Linksklick auf die Option Ladesteuerung erzwingen. Legen Sie das Bewegungsverhältnis auf 0,1 Kilonewton pro Sekunde fest.
Legen Sie den Zielkraftwert auf 29,4 Kilonewton und die Haltezeit auf 900 Sekunden fest. Klicken Sie dann auf start. Danach nehmen Sie die Formwerkzeuge heraus und kehren Sie sie auf eine Gummiplatte um.
Verwenden Sie einen Gummihammer, um Werkzeugkomponenten in der Reihenfolge von unten nach oben zu zerlegen. Legen Sie das Brikett 48 Stunden lang in einen 40 Grad Celsius Inkubator. Fixieren Sie zunächst die Hintertür des visualisierten Gefäßes mit hochfesten Schrauben.
Schließen Sie den Computer, die Datenerfassungsbox und den eingebetteten Gasdrucksensor an die Hintertür an. Um die Gasdruckdaten im visualisierten Behälter zu erfassen, starten Sie die Software Data Acquisition Sensor. Klicken Sie in der Software auf start.
Öffnen Sie das Ventil V1 und schließen Sie V2, V3 und V4, um die visualisierte Gefäßkammer zu saugen. Nach 30 Minuten V1 und Vakuumpumpe ausschalten. Öffnen Sie V2 und den Gastank mit Helium.
Verwenden Sie das manuelle Druckminderventil, um den Auslassdruck des Gastanks einzustellen. Beobachten Sie die gasdruckkurve, die auf dem Datenerfassungssensor 16 angezeigt wird, sorgfältig. Wenn es etwa zwei Megapascal erreicht, schalten Sie V2 und den Gastank aus.
Starten Sie dann auf dem Computer die Software WinWdw, um die Reibungskraft des Nachdruckkolbens zu messen, der sich in der Prüfmaschine nach unten bewegt. Klicken Sie in der Software auf Den Kraftbereich, um die maximale Kraft auf fünf Kilonewton einzustellen, und klicken Sie auf Reset, um den Verschiebungswert zu löschen. Mit der linken Maustaste klicken Sie auf die Option Verschiebungsladerate und legen Sie das Bewegungsverhältnis auf einen Millimeter pro Minute fest.
Klicken Sie auf start. Öffnen Sie V4 und entladen Sie Helium in die Luft. Zerlegen Sie die Hintertür des visualisierten Gefäßes und schließen Sie V4. Messen Sie die Höhe und den Durchmesser der Briketts mit einem Vernier-Sättel mit einer Genauigkeit von 0,02 Millimetern.
Wiegen Sie die Masse der Briketts mit einer elektronischen Waage mit einer Genauigkeit von 0,01 Gramm. Installieren Sie die Kettenwalze des Umfangsverformungsprüfgeräts um die mittlere Position des Briketts und fixieren Sie den Klemmhalter. Verbinden Sie den Sensor mit der Datenerfassungsbox durch den Aviation-Anschluss im visualisierten Behälter und legen Sie ihn unter den Ladekolben.
Um die Genauigkeit der Datenerfassung zu gewährleisten, stellen Sie die Kettenwalze und die Oberseite des Briketts so ein, dass sie parallel zum Ladekolben verlaufen. Starten Sie dann WinWdw, um die universelle Prüfmaschine zu steuern. Klicken Sie in der Software mit der linken Maustaste auf die Option Verschiebungsladerate.
Stellen Sie das Bewegungsverhältnis auf 10 Millimeter pro Minute ein. Drücken Sie auf der Fernbedienung die Abwärtstaste für die universelle Prüfmaschine, bis der Abstand zwischen Kolben und Brikett etwa ein bis zwei Millimeter beträgt. Dann montieren Sie die Hintertür des visualisierten Gefäßes.
Vakuumieren Sie die visualisierte Gefäßkammer wie bisher. Nächster offene V3 und der Gastank von Kohlendioxid bei Reinheit 99,99%Verwenden Sie den manuellen Druckminderwert, um den Auslassdruck des Gastanks einzustellen. Beobachten Sie die gasdruckkurve, die im Datenerfassungssensor 16 angezeigt wird, sorgfältig.
Wenn es nah genug an den Zielwert kommt, schließen Sie V3 und den Gastank. Nach 24 Stunden Adsorptionszeit bleibt die Gasdruckkurve stabil und das Brikett hat seinen Adsorptions- und Desorptionsdynamikzustand erreicht. Platzieren Sie eine Kamera mit einem Stativ neben dem Fenster des visualisierten Gefäßes, und passen Sie die Höhe und den Winkel an, um sicherzustellen, dass das Bild der Probe in der Mitte des Kamerabildschirms angezeigt wird.
Starten Sie die Software SDU Deformation Acquisition v2.0, um die Umlaufverformung des Briketts zu überwachen. Klicken Sie auf start. Klicken Sie auf WinWdw auf neue Probe und geben Sie die Höhe und den Durchmesser des Briketts ein.
Klicken Sie auf den Schnittbereich und dann auf Bestätigen. Klicken Sie auf Den Kraftbereich, um die maximale Kraft auf fünf Kilonewton stell zu setzen, und klicken Sie auf Zurücksetzen, um den Verschiebungswert zu löschen. Klicken Sie mit der linken Maustaste auf die Option Verschiebungsladerate und legen Sie das Bewegungsverhältnis auf einen Millimeter pro Minute fest.
Klicken Sie auf Start, um die Probe zu komprimieren. Drücken Sie gleichzeitig die Starttaste auf der Kamera, um mit der Videoaufzeichnung zu beginnen. Wenn das Beispiel vollständig fehlschlägt, klicken Sie auf Stopp und Datenspeichern in WinWdw und SDU Deformation Acquisition v2.0.
Drücken Sie dann erneut die Starttaste auf der Kamera, um die Videoaufzeichnung zu stoppen. Öffnen Sie V4, um Kohlendioxid in der Gefäßkammer freizusetzen und die Hintertür des Behälters zu zerlegen. Trennen Sie die Luftsteckverbinder für den Gasdrucksensor und die umlaufende Verformungsprüfvorrichtung.
Klicken Sie mit der linken Maustaste auf die Option Verschiebungsladerate auf WinWdw, legen Sie das Bewegungsverhältnis auf 10 Millimeter pro Minute fest. Drücken Sie die Auf-Taste auf der Fernbedienung der universellen Prüfmaschine. Wenn der Ladekolben des Behälters etwa zwei bis drei Millimeter über dem Brikett liegt, nehmen Sie das Brikett heraus und entfernen Es aus der Kettenwalze.
Demontieren Sie das Verbindungswerkzeug zwischen den Kolben und verwenden Sie einen Staubsauger, um das visualisierte Gefäß zu reinigen. In diesem Experiment erwies sich der isotherme Adsorptionstest als ähnlicher Fähigkeit zur Methangasadsorption zwischen Rohkohle und Brikett. Die Stärke der im Test verwendeten Brikettproben hatte eine gewisse Fluktuation, war aber eher gering und hatte wenig Einfluss auf die Analyse der experimentellen Ergebnisse.
Bei unterschiedlichen Kohlendioxiddrücken von null bis zwei Megapascal zeigten die axialen Spannungsdehnungskurven offensichtliche Verdichtungs-, elastische und plastische Verformungsphasen. Als der Kohlendioxiddruck erhöhte, verringerte sich die Spitzenfestigkeit der Kohleprobe, wo sie eine nichtlineare Beziehung zeigte. Der elastische Modul verringerte sich unter dem kohlendioxidgesättigten Zustand und dass die Beziehung zwischen dem elastischen Modul abnahm und der Gasdruck auch nichtlinear war.
Die durch die Kamera erhaltenen Bilder ereignisse die Entwicklung des Bruchs auf der Probenoberfläche unter verschiedenen Kohlendioxiddrücken. Die Methode zur Schachtelzählung wurde verwendet, um das Merkmal von Frakturen im Ausfallzustand unter unterschiedlichen Kohlendioxiddrücken zu beschreiben. Die Korrelationskoeffizienten zwischen der Feldnummer und der Seitenlänge waren alle mehr als 0,95.
Die Werte der fraktalen Dimension waren proportional zu denen des Kohlendioxiddrucks, und ihr Trend deutete auf eine Ähnlichkeit mit dem Grad der Schädigung des Kohlekörpers hin. Das Wichtigste ist, ein gutes Verständnis des Prüfverfahrens und einige Erfahrungen in Experimenten der Gesteinsmechanik und des Betriebs von Hochdruckgas zu haben. Nach seiner Verbesserung kann diese Technik eine Möglichkeit für die Untersuchung der porösen Medien- und Gaskopplungswirkung unter uniaxialem oder triaxialem Ladezustand bieten.
Da bei dieser Technik Hochdruck-Gastanks verwendet werden, müssen die Menschen beim Gasabfüllen und -lösen vorsichtig arbeiten.
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Übersicht
Dieses Protokoll demonstriert die Herstellung einer Brikettprobe und die Durchführung eines einaxialen Kompressionsexperiments unter variierenden CO2-Drücken. Es zielt darauf ab, die Änderungen der physikalischen und mechanischen Eigenschaften von Kohle aufgrund der CO2-Adsorption zu untersuchen.
Wesentliche Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Geologische Sequestrierung
- Gewinnung von Kohleflözgas
- Gas-Feststoff-Wechselwirkungen
Hintergrund
- Diese Methode untersucht den Zusammenhang zwischen Kohleeigenschaften und Gasadsorption.
- Statische und dynamische Lasten können auf Briketts im Zustand konstanten Volumens aufgebracht werden.
- Der gesamte experimentelle Prozess wird durch fotografische Überwachung visualisiert.
- Die Methode ist auf jede poröse Gesteinsart anwendbar.
Zweck der Studie
- Untersuchung der Auswirkungen von CO2 auf die physikalischen und mechanischen Eigenschaften von Kohle.
- Gewinnung von Erkenntnissen zur geologischen Sequestrierung von Kohlendioxid.
- Verbesserung des Verständnisses von Gewinnungsprozessen von Kohleflöz-Methan.
Verwendete Methoden
- Wiegen Sie 1000 Gramm pulverisierte Kohle mit einer Korngröße von 0–1 mm und 300 Gramm mit einer Korngröße von 1–3 mm.
- Mischen Sie die Kohle in einem Becher im Massenverhältnis von 0,76 zu 0,24.
- Stellen Sie Zement her, indem Sie Natriumhumatpulver mit destilliertem Wasser mischen.
- Führen Sie einaxiale Druckversuche unter kontrollierten CO2-Drücken durch.
Hauptergebnisse
- Die Methode ermöglicht die Visualisierung des experimentellen Prozesses.
- Statische und dynamische Lasten können effektiv auf die Brikettproben angewendet werden.
- Änderungen der Kohleeigenschaften aufgrund der CO2-Adsorption wurden beobachtet.
- Die Technik ist vielseitig einsetzbar, um verschiedene poröse Gesteine zu testen.
Schlussfolgerungen
- Dieses Protokoll bietet eine zuverlässige Methode zur Untersuchung von Kohleeigenschaften unter CO2-Bedingungen.
- Es liefert wertvolle Daten für die Forschung zur Kohlenstoffsequestrierung und Methanrückgewinnung.
- Die experimentelle Anordnung kann für verschiedene Probenarten angepasst werden.
Häufig gestellte Fragen
Ausschlaggebende Bedeutung für die Industrie
Diese Methode ermöglicht die Visualisierung von Gas-Feststoff-Wechselwirkungen unter kontrolliertem Druck und unterstützt die mechanistische Risikominimierung in der materialwissenschaftlichen Energieforschung. Durch die Quantifizierung der Auswirkungen der CO2-Adsorption auf mechanische Eigenschaften wie Festigkeit und Elastizitätsmodul liefert sie eine verlässliche Vorhersagebasis für die Modellierung des Verhaltens im Untergrund. Der Ansatz hilft dabei, die Materialintegrität unter Mehrfeld-Kopplungsbedingungen zu bewerten, die für Anwendungen in der geologischen Speicherung und der Ressourcengewinnung relevant sind.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Wissenschaftlicher Wert: Ermöglicht die Untersuchung der Materialreaktion auf Gasadsorption und unterstützt die Überprüfung von Hypothesen zu Beziehungen zwischen Eigenschaften und Gasen.
- Operativer Wert: Bietet eine reproduzierbare Plattform zur Bewertung mechanischer Veränderungen unter kontrollierter Gasexposition.
Screening und Assay-Entwicklung
- Wissenschaftlicher Wert: Erzeugt quantitative Ergebnisse wie Spitzendruckfestigkeit, Elastizitätsmodul und fraktale Dimension für den Vergleichsanalysen.
- Operativer Wert: Unterstützt die Standardisierung durch Bedingungen konstanten Volumens und Echtzeit-Visualisierung.
Translationale und präklinische Forschung
- Wissenschaftlicher Wert: Korreliert Gasdruck mit mechanischer Degradation und Bruchentwicklung, wodurch eine risikobasierte Extrapolation ermöglicht wird.
- Operativer Wert: Ermöglicht die Kontinuität von tests im Entdeckungsmaßstab bis hin zur prädiktiven Modellierung des Verhaltens im Untergrund.
Pipeline- und Workflow-Integration
Die Methode passt in frühe Entdeckungsworkflows, bei denen die Materialstabilität unter Umweltstressoren vor der weiteren Anwendung bewertet wird.
- Entdeckungsbiologie: Unterstützt die Hypothesenprüfung dazu, wie Gasadsorption die mechanische Integrität poröser Matrizen beeinflusst.
- Screening: Liefert reproduzierbare, quantitative mechanische Messwerte unter variablen Gasdrücken für vergleichende Untersuchungen.
- Analytik: Ermöglicht die fraktale Dimensionsanalyse von Versagensmustern und damit die quantitative Charakterisierung der Schädigungsentwicklung.
- Translationale Forschung: Verbindet das mechanische Verhalten im Labormaßstab mit Vorhersagemodellen zum in-situ-Verhalten unter Gasexposition.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Bietet eine wiederverwendbare Plattform zur Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Gas und Feststoff bei unterschiedlichen porösen Materialien und Drücken.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Verringert mechanistische Mehrdeutigkeiten, indem die Gasadsorption mit messbaren mechanischen und strukturellen Veränderungen verknüpft wird.
- Operativer Wert: Stellt Reproduzierbarkeit durch konstante Volumenkontrolle und Echtzeitüberwachung sicher.
- Strategischer Wert: Verbessert die Entscheidungsfindung bei der Materialauswahl, indem das Verhalten unter gasreichen Bedingungen vorhergesagt wird.
- Portfolio-Wirkung: Ermöglicht eine risikoadjustierte Priorisierung von Materialien basierend auf quantifizierter, gasinduzierter Degradation.
Durchführungsaspekte
- Erfordert Fachkenntnisse in der Gebirgsmechanik und im Umgang mit Hochdruckgasen.
- Benötigt eine Instrumentierung, die eine Kontrolle des konstanten Volumens, die Aufbringung von Lasten und eine Echtzeit-Bildgebung ermöglicht.
- Erfordert eine Standardisierung der Probenvorbereitung, um die Repräsentativität der Briketts sicherzustellen.
- Beinhaltet Sicherheitsprotokolle für den Umgang mit Hochdruck-CO2 und potenziell brennbaren Gasen.
- Wird durch die derzeitige Unmöglichkeit eingeschränkt, mit Methan zu testen, aufgrund von Entzündlichkeitsbedenken.
