פרוטוקול למדידת התכונות התרמיות של מדגם סודה בקירור סינתטי חול-מים-גז מתאן
21 במרץ 2016
אנו מציגים פרוטוקול למדידת התכונות התרמיות של דגימות משקעים סינתטיות נושאות הידרט הכוללות חול, מים, מתאן ומתאן הידרט.
המטרה הכוללת של הליך זה היא לקבוע את התכונות התרמיות של דגימה המורכבת מחול, מים, גז מתאן והידרט מתאן. שיעור זה יכול לעזור לענות על שאלות מפתח בתחום טכנולוגיית ייצור הגז כגון סימולציה של ייצור גז, הידרטים טבעיים של מתאן. כדי להתחיל, הנח את כלי הלחץ הגבוה על השולחן הרוטט.
יוצקים 1.5 ליטר מים טהורים בבקבוק מים ו -4, 000 גרם חול סיליקה בבקבוק חול. שקלו במדויק את המוני החול והמים בבקבוקים שלהם. לאחר מכן שפכו 1 ליטר מים טהורים בכלי הלחץ הגבוה בנפח פנימי של 2, 110 סנטימטרים מעוקבים מבקבוק מים עד שהמים ממלאים מחצית מהכלי הפנימי.
הפעל את השולחן הרוטט כדי להרטיט את כל הכלי. הגדר את קצב הרטט ל-50 הרץ ואת ספק הכוח ל-220 וואט. הסר את שאריות האוויר בקו הניקוז ואת המסנן המתכתי המרוכז בתחתית הכלי על ידי רטט הכלי.
יוצקים 3,300 גרם חול סיליקה מבקבוק חול לתוך הכלי בקצב קבוע של כגרם לשנייה באמצעות משפך המוחזק ליד פני המים בזמן שהכלי כולו רוטט כדי להבטיח אריזה אחידה. עצור את הרטט כאשר המים מגיעים לשולי הכלי. הנח טבעת כקיר זמני על שפת הכלי כדי למנוע שפיכת מים.
רטטו את הכלי שוב כמו קודם, וכאשר החול מגיע לשפת הכלי, כבו את הרטט. הסר את עודפי המים באמצעות קו הניקוז ושפך אותם בחזרה לבקבוק המים. הסר את הקיר הזמני.
ארזו את החול על ידי רטט הכלי פעם או פעמיים ב-50 הרץ ו-300 וואט לשנייה והוסיפו עוד חול במידת הצורך. שקלו את מסת החול והמים בבקבוקים שלהם. לאחר מכן, חשב את מסות החול והמים בכלי מתוך הבדלי המסה בבקבוקי החול והמים.
בניסוי זה, מסת החול בכלי הייתה 3,385 גרם, ומסת המים בכלי הייתה 823.6 גרם. מסת המים בכלי מסומנת כ-w כולל. מכסים את כלי הלחץ הגבוה במכסה נירוסטה ומהדקים את הברגים של זוגות מנוגדים באלכסון ברצף.
העבר את כלי הלחץ הגבוה מהשולחן הרוטט לשולחן המיועד לניסוי. מכסים את כלי הלחץ הגבוה עם מבודד חום לבקרת הטמפרטורה. לאחר מכן חבר את צינורות הלחץ הגבוה ואת קווי זרימת מי הקירור לכלי הלחץ הגבוה.
פתח את שסתומי צינורות הגז הנכנסים והפלטיים. אווררו 10 ליטר מתאן בקצב של 800 מיליליטר לדקה עד שלא יזרמו עודפי מים למלכודת בלחץ אטמוספרי. פריקת החול נמנעת על ידי פילטר מתכתי ממורכז הקבוע בתחתית הכלי.
שאריות המים נשארות על פני החול מכיוון שחול הסיליקה ההידרופילי סופג את מולקולות המים. שקלו את מסת המים במלכודת w מלכודת כדי לקבוע את נפח הגז בכלי. קבע את מסת המים הנותרים, w resi.
במקרה זה w resi הוא 360.6 גרם ומלכודת w הוא 463 גרם. לאחר סגירת השסתום של קו גז הפלט, הזרקו מתאן כדי להגביר את לחץ היציקה של מתאן בכלי לכ-12.1 מגה-פסקל בטמפרטורת החדר. לאחר מכן, סגור את השסתום של קו הגז הנכנס.
התחל לרשום את הלחץ והטמפרטורה בכלי במהלך הניסוי באמצעות לוגר הנתונים. הפעל את הצ'ילר לקירור הכלי מטמפרטורת החדר ל-2.0 מעלות צלזיוס על ידי זרימת נוזל הקירור. תן לנוזל הקירור להסתובב מהצ'ילר לתחתית הכלי, משם למכסה הכלי ולבסוף חזרה לצ'ילר.
הגדר את פרמטרי המדידה באמצעות מקור מישור חולף, או TPS, תוכנת אנלייזר וחישוב מידת קירור-העל כפי שנקבע בפרוטוקול הטקסט. השלב הקריטי ביותר הוא ביצוע מדידה קבועה של סונאר על ידי שמירה על עליית הטמפרטורה על פני נוזל קירור העל של חיישן TPS. מדוד בו זמנית את המוליכות התרמית, הדיפוזיביות התרמית והחום הסגולי הנפחי באמצעות מנתח TPS לאחר שמידת קירור-העל גדולה משתי מעלות צלזיוס.
לאחר כל מדידה, החלף ידנית את הכבלים בין בדיקות ה-TPS למנתח במהלך הניסוי. אסוף נתונים כל שלוש עד חמש דקות. חזור על המדידות עד שמידת קירור-העל מגיעה שוב לשתי מעלות צלזיוס.
בניסוי זה, מידת קירור-העל עולה בתחילה עם הזמן. לאחר שמידת קירור-העל מגיעה לערך המקסימלי, היא יורדת בהדרגה לאפס מעלות צלזיוס מכיוון שהלחץ יורד עם היווצרות MH. מוצג כאן פרופיל טמפרטורה שאינו מושפע מהמסת הידרט מתאן, ופרופיל טמפרטורה המושפע מההתכה. שים לב שלא ניתן לנתח פרופיל זה בטכניקת TPS מכיוון שמשוואות הניתוח מניחות תנאי דגימה יציבים.
הלחץ, הטמפרטורה ומידת קירור-העל בכלי כפונקציה של זמן מוצגים. MH מתגרען לאחר שהמערכת הגיעה לשיווי משקל לחץ וטמפרטורה. הרוויה של המשקעים ב-MH, מים וגז מתאן כפונקציה של זמן מוצגת כאן.
מידת הרוויה מחושבת באמצעות משוואת מצב הגז. דוגמה למדידות הקבועים התרמיים מוצגת כאן. החצים הדו-ראשיים מציינים את טווח הנתונים המשמש בניתוח.
ניתוח 1 הוא דוגמה לטווח לא מתאים, וניתוח 2 הוא דוגמה לטווח מתאים. תוצאות ניתוח היפוך TPS מכל טווח מוצגות כאן. מוצגת הסטייה של נתוני הטמפרטורה מעקומת ההתאמה הליניארית.
אם נבחר טווח הניתוח המתאים, טמפרטורת ההפרש הופכת קטנה וקבועה בערך. לבסוף, מוצגות מוליכות תרמית כפונקציה של זמן, חום ספציפי כפונקציה של זמן ודיפוזיות תרמית כפונקציה של זמן.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
פרוטוקול זה מפרט את ההליך למדידת התכונות התרמיות של דגימות משקעים סינתטיים בעלי הידרטים, הכוללים חול, מים, מתאן והידרט מתאן. הבנת תכונות אלו חיונית להתקדמות בטכנולוגיית הפקת גז.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- מדעי המוח
- ביולוגיה
- טכנולוגיה לייצור גזים
רקע
- הידרטים של מתאן הם מקורות אנרגיה פוטנציאליים.
- תכונות תרמיות משפיעות על יעילות ייצור הגז.
- הבנת התנהגות המשקעים תחת תנאים שונים היא חיונית.
- מחקר זה תורם לתחום של סימולציית ייצור גז.
מטרת המחקר
- לקביעת התכונות התרמיות של משקעים המכילים הידראטים.
- להעמקת ההבנה של ייצור גז מהידראטים טבעיים של מתאן.
- לספק פרוטוקול סטנדרטי למחקרים עתידיים.
השיטות שנעשה בהן שימוש
- הכנת דגימות משקעים עם יחסי חול, מים ומתאן ספציפיים.
- שימוש במכל בלחץ גבוה לצורך הבדיקה.
- מדידת תכונות תרמיות תחת תנאים מבוקרים.
- איסוף נתונים למטרות ניתוח וסימולציה.
תוצאות עיקריות
- מדידה מוצלחת של תכונות תרמיות של הדגימות.
- תובנות לגבי התנהגות של הידרטים של מתאן בסדימנט.
- נתונים התומכים במודלים של סימולציית ייצור גז.
- ביסוס פרוטוקול מהימן למחקרים עתידיים.
מסקנות
- הפרוטוקול מודד ביעילות תכונות תרמיות של משקעים המכילים הידרטים.
- הממצאים תורמים להבנת התנהגותם של הידרטי מתאן.
- התוצאות עשויות לסייע בקידום טכנולוגיות להפקת גז.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למסגרת ניהולית
הבנת התכונות התרמיות של משקעי הידרטים היא קריטית לקידום סימולציות של הפקת גז ופיתוח משאבי אנרגיה. פרוטוקול זה מאפשר מדידה אמינה של מוליכות תרמית, דיפוזיה תרמית וחום סגולי בתנאי קירור-יתר, תוך מזעור הפרעות מחום של מעבר פאזה. השיטה תומכת במידול חיזוי במחקר ופיתוח בתחום האנרגיה על ידי אספקת נתונים תרמיים יציבים עבור מערכות של הידרטי מתאן.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בחינה של התנהגות חומרים במערכות בעלות מעבר פאזה נמוך הרלוונטיות לאגירה והסעה של אנרגיה.
- ערך תפעולי: מספק גישה סטנדרטית לבידוד אותות תרמיים מהשפעות של חום חבוי במהלך היווצרות הידרטים.
סריקה ופיתוח בדיקה
- ערך מדעי: תומך בפיתוח של בדיקות תכונות תרמיות הניתנות לשחזור עבור מערכות המכילות הידרטים, תוך שימוש בטכניקות של מקור מישורי עבר (transient plane source).
- ערך תפעולי: מאפשר מדידה כמותית בעלת רזולוציית זמן של קבועים תרמיים תחת קירור-יתר (supercooling) מבוקר.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- ערך מדעי: מספק רציפות תרגומית למחקר של מערכות אנרגיה מבוססות הידרטים עבור גזי אורח שונים כגון מימן, CO₂ ואוזון.
- ערך תפעולי: ישיים לחומרים אחרים בעלי מעבר פאזה נמוך, ובכך מרחיב את התועלת בזרימות עבודה של מחקר ופיתוח בתחום האנרגיה.
שילוב תהליכי עבודה ו-Pipeline
השיטה משתלבת בתהליכי מו"פ של אנרגיה בשלבים מוקדמים, שבהם אפיון תרמי מנחה את הסימולציה ואת תכנון התהליך עבור טכנולוגיות מבוססות הידרטים.
- ביולוגיית גילוי: תומכת בבדיקת השערות לגבי יציבות תרמית והסעת אנרגיה במערכות היוצרות הידרטים.
- סינון: מאפשרת מוכנות לבדיקות באמצעות מדידות סטנדרטיות וחוזרות של תכונות תרמיות בתנאי שיווי משקל.
- אנליטיקה: מספקת נתונים של מוליכות תרמית, דיפוזיה וחום סגולי ברזולוציית זמן לצורך ניתוח השוואתי של תנאים.
- מחקר תרגומי: מקשרת לרציפות פרה-קלינית על ידי כך שהיא מאפשרת אקסטrapולציה בין גזי אורח שונים בשל קינטיקה משותפת של קצב היווצרות נמוך.
- שימוש חוזר ארגוני: מכוננת פלטפורמה ניתנת לשימוש חוזר לניתוח תרמי של הידרטים וחומרים בעלי קצב מעבר נמוך עבור פרויקטים שונים.
השפעה תפעולית ועסקית
- ערך מדעי: מפחית עמימות מכניסטית במדידות תרמיות על ידי מזעור הפרעות המסה במהלך היווצרות הידרטים.
- ערך תפעולי: מבטיח הדירות באמצעות מדידה במצב של קירור-יתר וספי סף מבוקרים של קירור-יתר.
- ערך אסטרטגי: משפר החלטות "המשך/עצור" (go/no-go) בפיתוח טכנולוגיות אנרגיה באמצעות קלט תרמי מהימן עבור מודלי סימולציה.
- השפעה על הפורטפוליו: מאפשר תיעדוף מותאם סיכונים של פרויקטי אנרגיה מבוססי הידרטים באמצעות מאגרי נתונים מאומתים של תכונות תרמיות.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בהפעלת מכלים בלחץ גבוה ובטכניקת מקור מישורי חולף (transient plane source).
- תלוי בבקרה מדויקת של הטמפרטורה ובניטור קירור-יתר באמצעות צHילר ורשם נתונים.
- מחייב סטנדרטיזציה בין צוותים להכנת המשקעים, חישוב רוויה ובחירת טווח הניתוח.
- כולל שיקולי התאמה בעת הרחבה למערכות אחרות של הידראטים של גז אורח או לחומרים בעלי מעבר נמוך.
- מוגבל על ידי הצורך בתנאי דגימה יציבים במהלך ניתוח TPS, תוך החרגת שלבים המושפעים מהמסה.
