Nous présentons un protocole pour mesurer les propriétés thermiques d’échantillons de sédiments synthétiques contenant des hydrates comprenant du sable, de l’eau, du méthane et de l’hydrate de méthane.
Article de méthode
Nous présentons un protocole pour mesurer les propriétés thermiques d’échantillons de sédiments synthétiques contenant des hydrates comprenant du sable, de l’eau, du méthane et de l’hydrate de méthane.
Les hydrates de méthane (MH) sont présents en grande quantité dans les régions du fond océanique et du pergélisol. Le méthane et les hydrates d’hydrogène sont à l’étude en tant que ressources énergétiques futures et supports de stockage d’énergie. Pour développer une méthode de production de gaz à partir de sédiments naturels porteurs de MH et des technologies à base d’hydrates, il est impératif de comprendre les propriétés thermiques des hydrates de gaz.
Les mesures des propriétés thermiques d’échantillons comprenant du sable, de l’eau, du méthane et de la MH sont difficiles car la chaleur de fusion de la MH peut affecter les mesures. Pour résoudre ce problème, nous avons effectué des mesures des propriétés thermiques dans des conditions de surfusion lors de la formation de MH. Le protocole de mesure, la méthode de calcul du changement de saturation et les conseils pour l’analyse des constantes thermiques de l’échantillon à l’aide de techniques de source plane transitoire sont décrits ici.
L’effet de la chaleur de formation de MH sur la mesure est très faible car le taux de formation d’hydrates de gaz est très lent. Cette méthode de mesure peut être appliquée aux propriétés thermiques du système hydrate de gaz-eau-gaz invité, qui contient de l’hydrogène, du CO2 et des hydrates d’ozone, car le faible taux de formation caractéristique de l’hydrate de gaz n’est pas propre à MH. Le point clé de cette méthode est le faible taux de transition de phase du matériau cible. Par conséquent, cette méthode peut être appliquée à d’autres matériaux ayant de faibles taux de transition de phase.
Les hydrates de gaz sont des composés cristallins qui comprennent des structures en cage de molécules d'eau liées à l' hydrogène contenant des molécules hôtes dans la cage 1. De grandes quantités d'hydrates de méthane (MHS) dans les régions de plancher de l' océan et le pergélisol sont des ressources intéressantes énergétiques futurs , mais peuvent affecter les conditions climatiques mondiales 2.
En Mars 2013, la Japan Oil, Gas, and Metals National Corporation menées premier test de production offshore du monde pour extraire le gaz de sédiments naturels MH-portant dans l'est de Nankai Trough par la "méthode de dépressurisation" 3,4.
Les hydrates de gaz peuvent stocker des gaz tels que le méthane , 1, 5 un atome d' hydrogène, CO 2 de 1,6 et de l' ozone 7. Par conséquent, le méthane et d'hydrogène hydrates sont étudiés comme le stockage d'énergie potentielle et les médias de transport. Pour réduire les émissions de CO 2 dans l'atmosphère, CO 2 sequestration utilisant le CO 2 hydrates dans les sédiments océaniques profonds ont été étudiés 6. L'ozone est actuellement utilisé dans la purification de l'eau et de la stérilisation des aliments. Les études sur la technologie de conservation de l' ozone ont été menées parce qu'il est chimiquement instable 7. La concentration en ozone dans l' hydrate est beaucoup plus élevée que celle de l'eau ozonisée ou de la glace 7.
Pour développer la production de gaz à partir des sédiments MH-portant naturelles et des technologies à base d'hydrates, il est impératif de comprendre les propriétés thermiques des hydrates de gaz. Cependant, les données sur les propriétés thermiques et études de modèles de sédiments d'hydrate portant gaz sont rares 8.
La «méthode de dépressurisation» peut être utilisé pour dissocier MH dans l'espace poreux des sédiments en diminuant la pression de pore inférieure à la stabilité de l'hydrate. Dans ce procédé, les composants spatiaux interstitielles des sédiments changent de l'eau et de l'eau MH, MH, et le gaz. La mesure de Les propriétés thermiquesde cette dernière condition est difficile parce que la chaleur de fusion de MH peut affecter les mesures. Pour résoudre ce problème, Muraoka et al. Réalisée la mesure des propriétés thermiques dans des conditions surfusion pendant la formation MH 9.
Avec ce protocole vidéo, nous expliquons la méthode de mesure de surfusion synthétique échantillon de sable eau-gaz-MH.
La figure 1 illustre le dispositif expérimental permettant de mesurer les propriétés thermiques du méthane artificiel hydrates de sédiments. La configuration est la même que celle indiquée dans la référence 9. Le système comprend essentiellement un récipient à haute pression, de pression et de régulation de la température et des propriétés thermiques du système de mesure. Le récipient à haute pression est en acier inoxydable cylindrique avec un diamètre interne de 140 mm et une hauteur de 140 mm; son volume intérieur avec le volume mort est éliminé 2110 cm 3 et sa limite de pression est de 15 MPa. Le transie source plane nt (TPS) technique est utilisée pour mesurer les propriétés thermiques 10. Neuf sondes TPS avec des rayons individuels de 2.001 mm sont placés à l'intérieur du navire. La disposition des neuf sondes 9 est représenté sur la figure 2 en référence 9. Les sondes TPS sont connectées à l'analyseur des propriétés thermiques d'un câble et commutées manuellement pendant l'expérience. Les détails du capteur TPS, schéma de connexion et la configuration dans le récipient sont représentés sur les figures S1, 2 et 3 de l'information à l' appui en référence 9.

Figure 1:. Le dispositif expérimental pour mesurer les propriétés thermiques de l'artificiel sédiments hydrate de méthane porteur Le chiffre est modifié de la référence 9.3956fig1large.jpg "target =" _ blank "> S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
La méthode TPS a été utilisé pour mesurer les propriétés thermiques de chaque échantillon. Les principes de la méthode sont décrits dans la référence 10. Dans cette méthode, l'augmentation de la température en fonction du temps, AT ave, est

où

Dans l' équation 1, W 0 est la puissance de sortie du capteur, r est le rayon de la sonde de détection, λ est la conductivité thermique de l'échantillon, α est la diffusivité thermique, et t est le temps depuis le début de l'alimentation à la sonde de capteur. D (τ) est une fonction dépendant du temps sans dimension. τ est donnée par (aT / r) 1/2. Dans l' équation 2, m est le nombre d'anneaux concentriques de la sonde TPS et I 0 est une fonction de Bessel modifiée. La conductivité thermique, la diffusivité thermique et la chaleur spécifique de l'échantillon sont simultanément déterminées par une analyse d'inversion appliquée à l'augmentation de la température que l'énergie est fournie à la sonde de détection.
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Remarque: S'il vous plaît consulter toutes les fiches de données de sécurité des matériaux pertinents comme cette étude utilise haute pression inflammable gaz de méthane et un grand navire à haute pression. Portez un casque, des lunettes de sécurité, et des bottes de sécurité. Si le système de régulation de température cesse, la pression dans la cuve augmente avec MH dissociation. Pour éviter tout accident, l'utilisation d'un système de soupape de sécurité est fortement recommandée pour libérer automatiquement le gaz de méthane dans l'atmosphère. Le système de soupape de sécurité peut fonctionner sans alimentation électrique.
1. Préparation des échantillons de gaz de sable à l' eau-méthane 9
2. MH Synthèse et la mesure de l'échantillon surfondue 9 de Propriétés thermiques
3. Calcul de la Saturation Changement de l'échantillon 9,11
Remarque:Le degré de saturation pour MH, d' eau et de gaz dans l'échantillon en fonction du temps t est calculée en utilisant l'équation d'état du gaz. Les détails de calcul et les équations utilisées sont décrites précédemment 11.





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La figure 2a représente le profil de température qui ne soit pas affectée par MH fusion. C AT est la variation de température due à la mesure des constantes thermiques. La figure 2b montre le profil de température qui est affectée par MH fusion. Le profil de la figure 2b ne peut être analysé par les équations 1 et 2 parce que ces équations sont dérivées en supposant que les conditions d'échantillonnage stables.
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L'effet de la chaleur de formation de MH sur mesure a été estimé. La chaleur de formation de MH a été estimé à partir des produits de la vitesse de changement S h comme indiqué sur la figure 3b et l'enthalpie de formation H = 52,9 kJ mol -1 MH 14. Par conséquent, la variation de la température maximale était de 0,00081 ° C sec -1. Cela a été beaucoup plus faible que l'augmentation de température AT c du capteur...
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Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Cette étude a été soutenue financièrement par le Consortium pour la recherche MH21 pour méthane Ressources Hydrater au Japon et le Programme national hydrate de méthane Exploitation par le Ministère de l'Economie, du Commerce et de l'Industrie. Les auteurs tiennent à remercier T. Maekawa et S. Goto pour leur aide avec les expériences.
chiffres Reproduit avec la permission de (Muraoka, M., Susuki, N., Yamaguchi, H., Tsuji, T., Yamamoto, Y., Energy Fuels, 29 (3), 2015, 1345-1351, 2015, DOI.: 10.1021 / ef502350n). Droit d'auteur (2015) American Chemical Society.
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| Nom | Entreprise | Numéro de catalogue | Commentaires |
|---|---|---|---|
| Sonde thermique TPS, capteur de disque chaud | Hot Disk AB Co., Suède | #7577 | Type de capteur Kapton, rayon du capteur 2,001 mm |
| Analyseur de propriétés thermiques de disque chaud | Hot Disk AB Co., Suède | TPS 2500 ; | |
| Sable de silice standard Toyoura | Keiseki Kogyo Co., Ltd., Japon | N/A | |
| Gaz méthane, 99,9999 % | Tokyo Gas Chemicals Co., Ltd., Japon | N/A | Grade 6 ; N, Tome 47 L, Pression de charge 14.7 ; Système de purification d’eau MPa |
| , Elix Advantage 3 | Merck Millipore., États-Unis | N/A | 5 M&Omega ; cm (à 25 ; ° ; C) table vibrante de résistivité |
| , emballeur vibrant | Sinfonia Technology Co. Ltd., Japon | Refroidisseur VGP-60 | |
| , circulateur à bain thermostatique ; | THOMAS KAGAKU Co., Ltd., Japon | TRL-40SP | |
| Coorant, saumure Aurora | Tokyo Fine Chemical Co.,Ltd., Japon | N/A | éthylène glycol 71 ; wt % |
| Jauge | de température Nitto Kouatsu., Japon | N/A | Pt 100, type gaine Détecteur de température à résistance en platine |
| Jauge | de pression Kyowa Electronic Instruments., Japon | PG-200 KU | |
| Enregistreur de données | KEYENCE., Japon | NR-500 | |
| Régulateur de débit massique | OVAL Co., Japon | F-221S-A-11-11A | Débit maximal 2 000 ; N ; ml ;/ ; M, pression de conception maximale 19,6 ; Mpa |
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