Cristallizzazione dell'idrato di metano su goccioline d'acqua sessili

Sommario

Descriviamo un metodo per formare idrato di gas su goccioline d'acqua sessili per studiare gli effetti di vari inibitori, promotori e substrati sulla morfologia del cristallo idrato.

Abstract

Questo documento descrive un metodo per formare gusci di idrato di metano su goccioline d'acqua. Inoltre, fornisce progetti per una cella di pressione con una pressione nominale di 10 MPa, contenente uno stadio per goccioline sessili, una finestra di zaffiro per la visualizzazione e trasduttori di temperatura e pressione. Una pompa a pressione collegata a una bombola di gas metano viene utilizzata per pressurizzare la cella a 5 MPa. Il sistema di raffreddamento è un serbatoio da 10 galloni (37,85 L) contenente una soluzione di etanolo al 50% raffreddata tramite glicole etilenico attraverso bobine di rame. Questa configurazione consente l'osservazione del cambiamento di temperatura associato alla formazione di idrati e alla dissociazione durante il raffreddamento e la depressurizzazione, rispettivamente, nonché la visualizzazione e la fotografia dei cambiamenti morfologici della goccia. Con questo metodo, è stata osservata una rapida formazione di guscio idrato a ~ -6 ° C a -9 ° C. Durante la depressurizzazione, è stato osservato un calo di temperatura da 0,2 °C a 0,5 °C alla curva di stabilità pressione/temperatura (P/T) a causa della dissociazione esotermica dell'idrato, confermata dall'osservazione visiva della fusione all'inizio della caduta di temperatura. L'"effetto memoria" è stato osservato dopo la repressurizzazione a 5 MPa da 2 MPa. Questo disegno sperimentale consente il monitoraggio della pressione, della temperatura e della morfologia della goccia nel tempo, rendendolo un metodo adatto per testare vari additivi e substrati sulla morfologia dell'idrato.

Introduzione

Gli idrati di gas sono gabbie di molecole d'acqua legate all'idrogeno che intrappolano le molecole di gas ospite attraverso le interazioni di van der Waals. Gli idrati di metano si formano in condizioni di alta pressione e bassa temperatura, che si verificano in natura nei sedimenti del sottosuolo lungo i margini continentali, sotto il permafrost artico e su altri corpi planetari nel sistema solare¹. Gli idrati di gas immagazzinano diverse migliaia di gigatonnellate di carbonio, con importanti implicazioni per il clima e l'energia². Gli idrati di gas possono anche essere pericolosi nell'industria del gas natural....

Protocollo

1. Progettare, convalidare e lavorare la cella di pressione.

1. Progettare la cellula per consentire la visualizzazione diretta della formazione di idrato da una goccia d'acqua. Assicurarsi che la cella abbia una camera principale con una finestra in zaffiro trasparente e quattro porte per l'ingresso, l'uscita, la luce e i fili del fluido/gas (Figura 1). Creare il progetto finale nel software di progettazione ingegneristica (Figura supplementare S1).
2. Per verificare che la cella di pressione sia sicura sotto alta pressione di lavoro, condurre un'analisi agli elementi finiti utilizzando un software di simul....

Risultati

Con questo metodo, un guscio di idrato di gas su una goccia può essere monitorato visivamente attraverso una finestra di zaffiro della cella di pressione e tramite trasduttori di temperatura e pressione. Per nucleane il guscio idrato dopo la pressurizzazione a 5 MPa, il ghiaccio secco può essere aggiunto alla parte superiore della cella di pressione per indurre uno shock termico per innescare una rapida cristallizzazione dell'idrato. C'è una chiara differenza morfologica sulla formazione del guscio idrato forzato dal ghi.......

Discussione

Abbiamo sviluppato un metodo per formare gusci di idrato di metano su goccioline d'acqua sessili in modo sicuro e condividiamo questo metodo per lavorare e assemblare una cella di pressione nominale a 10 MPa di pressione di esercizio, così come i sistemi di pressurizzazione e raffreddamento. La cella di pressione è dotata di uno stadio per la goccia contenente termocoppie incorporate, una finestra di zaffiro per visualizzare la goccia e un trasduttore di pressione fissato alla parte superiore della cella. Il sistema di r.......

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo

Nome	Azienda	Numero di catalogo	Commenti
FOTOCAMERA E LAPTOP
Corpo della fotocamera	Nikon	D7200	Nome nel protocollo: fotocamera
Camera Control Pro 2 Software	Nikon		Nome nel protocollo: software della fotocamera
Laptop	HP Pavilion	hp-pavilion-laptop-14-ce0068st	Deve essere un PC con molto spazio di archiviazione (~ 1 Tb) Nome nel protocollo: laptop
Obiettivo per macrofotografia	Nikon	AF-S MICRO 105mm f/2.8G IF-ED Nome dell'obiettivo	nel protocollo: lens
CONSUMABLES
		deionizzata	Nome nel protocollo: acqua deionizzata
Ghiaccio secco	VWR o negozio		Acquista appena prima della nucleazione Nome nel protocollo: ghiaccio secco
Etanolo			Nome nel protocollo: etanolo
glicole			Nome nel protocollo: glicole etilenico
SISTEMA DI RAFFREDDAMENTO
1/2 pollici O.D. x 3/8 pollici D.I. x 25 piedi Tubo in polietilene	Everbilt	Modello # 301844	Per la circolazione del refrigerante dal refrigeratore alle bobine di rame nell'acquario Nome nel protocollo: 3/8" (diametro interno) tubo di plastica Refrigeratore
circolazione	Polyscience		Nome nel protocollo: refrigeratore
Isolamento economico del tubo flessibile in schiuma di polietilene	McMaster-Carr	4530K162	3/4" parete spessa; 1/2" diametro interno; Valore R 3; 6' long Nome nel protocollo: isolamento del tubo in schiuma
Il tubo di			utilizza qualsiasi tubo che si adatta alla connessione della linea aerea in laboratorio e abbastanza lungo da viaggiare dalla connessione della linea aerea alla parte anteriore dell'acquario
DATALOGGER
Armature Multiplexer per 34970A/ 34972A, Keysight Technologies a 20 canali		34901A	Nome nel protocollo: datalogger multicanale
Benchvue o Benchlink software	Benchvue o Benchlink		Nome nel protocollo: trasduttore di temperatura software
Unità di acquisizione/commutazione dati. GPIB, RS232	Keysight Technologies	34970A	Nome nel protocollo: datalogger
Interfaccia USB/GPIB	Keysight Technologies	82357B	Nome nel protocollo: datalogger Datalogger
USB multicanale
Schott Fostec -Llc 20510 Ace Sorgente luminosa in fibra ottica	Schott Fostec	A20500	3115PS-12W-B20 115 V ~AC 50/60Hz 5/4,5 W Nome nel protocollo: sorgente luminosa unità
Schott Fostec guida alla sorgente luminosa - pacchetto singolo	Schott Fostec	A08031.40	Nome nel protocollo: cavo sorgente luminosa in fibra ottica
GAS METANO E REGOLATORE
1/4 OD in. x 20 piedi Bobina di refrigerazione morbida in rame	Everbilt	Modello # D 04020PS	Per la pressurizzazione della pompa a pressione ISCO. Per la circolazione del refrigerante è necessario un pacco aggiuntivo, come elencato di seguito. Nome nel protocollo: alta pressione nominale 1/4" tubo di rame
Regolatore della bombola di metano	Airgas	Y11N114G350-AG	Nome nel protocollo: regolatore della bombola
metano Bombola di gas metano	Airgas	ME UHP300	Nome nel protocollo: bombola di gas metano
POMPA DI PRESSIONE
1/4 in.  tubo flessibile, ~ 3 piedi.			Collegare all'ingresso della pompa per il test di tenuta Nome nel protocollo: 1/4"  tubo flessibile
Pompa a siringa 260D con controller	Teledyne Instruments Inc.	67-1240-520	Nome nel protocollo: controller della pompa a pressione
& meno; Ethernet/USB	Teledyne Instruments Inc.	62-1240-114	Acquistare se si desidera installare Labview sul computer e controllare la pompa di pressione da remoto. Non l'abbiamo fatto noi.
Tubo in acciaio inossidabile 316 senza saldatura a foro liscio, 1/4" OD, spessore parete 0,035", lunghezza 1 piede (x5)	McMaster-Carr	89785K824	Nome nel protocollo: tubo da 1/4"
Tubo in acciaio inossidabile 316 senza saldatura a foro liscio, 1/8" OD, spessore parete 0,02", lunghezza 1 piede (x4)	McMaster-Carr	89785K811	Nome nel protocollo: tubo
da 1/8"Raccordo per tubo Swagelok in acciaio inox, raccordo di riduzione, 1/4 poll. x 1/8 pollici Tubo OD (x4)	Swagelok	SS-400-6-2	Nome nel protocollo: adattatore da 1/8" a 1/4
PRESSURE CELL
316 Set di dadi e ghiere in acciaio inossidabile (1 dado/1 ghiera anteriore/1 ghiera posteriore) per 1/4 di pollice. Raccordo per tubi (20)	Swagelok	SS-400-NFSET	Utilizzato per il montaggio dei collegamenti ove necessario Nome nel protocollo: set di ghiere
Tubo flessibile contorto (FM) in acciaio inossidabile 316L, 1/4 di pollice, treccia in acciaio inossidabile 316L, 1/4 di pollice. Adattatori per tubi, 60 pollici. (1,5 metri) Lunghezza	Swagelok	SS-FM4TA4TA4-60	Collega la pompa a pressione alla cella a pressione Nome nel protocollo: tubo flessibile intrecciato in acciaio inossidabile da 1/4"
ABAQUS	ABAQUS FEA		Nome nel protocollo: software di simulazione
Rondella ammortizzante resistente all'abrasione per viti da 7/8", 0,875" ID, 2,25" OD, confezioni da 10 (x1)	McMaster-Carr	90131A107	Nome nel protocollo: rondella di gomma da 2,25
Rondella di tenuta resistente all'abrasione, tessuto aramidico/gomma Buna-N, vite da 3/8", diametro esterno 0,625", confezioni da 10 (x1)	McMaster-Carr	93303A105	Utilizzato per
la lastra acrilica della porta di illuminazione | Bianco 2447 / WRT31 Carta estrusa mascherata (traslucido 55% (0,118 x 12 x 12)	Plastica interstatale	ACRW7EPSH	Macchina un cerchio di acrilico da inserire nella camera interna della cella di pressione per fungere da sfondo per l'imaging Nome nel protocollo: disco acrilico
AutoCAD	AutoCAD		Nome nel protocollo: software di progettazione ingegneristica
Raccordo	Conax Technologies	311401-011	TG(PTM2/)-24-A6-T, OPZIONALE 1/4" NPT Nome nel protocollo: connettore di tenuta a pressione
Trasduttori/trasmettitori di pressione riempiti d'olio ad alta precisione per applicazioni industriali generiche (x2)	Omega Engineering, Inc.	PX409-3.5KGUSBH	Compra due in modo che ci sia un backup. Nome nel protocollo: trasduttore di pressione
CAMERA AD ALTA PRESSIONE  PARTI	Utensili di appassimento, matrici e azienda		Lavorazione per parti di celle a pressione come elencato nei disegni CAD (Figura S1) Nome nel protocollo: Parte B = rondella in acciaio inossidabile
Vite a brugola in acciaio inossidabile 316 ad alta resistenza, filettatura M5 x 0,80 mm, lunghezza 14 mm (x20)	McMaster-Carr	90037A119	Utilizzato per la porta di illuminazione
Vite a brugola in acciaio inossidabile 316 ad alta resistenza, Filettatura M8 x 1,25 mm, lunghezza 25 mm (x20)	McMaster-Carr	90037A133	Nome nel protocollo: viti in acciaio inossidabile M8
O-ring Buna-N rigido resistente all'olio, larghezza frazionaria 3/32, numero trattino 120, confezioni da 50 (x1)	McMaster-Carr	5308T178	Nome nel protocollo: o-ring da 1"
O-ring Buna-N rigido resistente all'olio, larghezza frazionaria 3/32, numero trattino 128, confezioni da 50 (x1)	McMaster-Carr	5308T186	Nome nel protocollo: 1.5" o-ring
Omega Inc. trasduttore di pressione software	Omega Engineering, Inc.		Nome nel protocollo: software del trasduttore di pressione
Disco in policarbonato	McMaster-Carr	8571K31	Elencato nei disegni CAD per la porta di illuminazione, Fig. S1 Parte E
Finestre in zaffiro (x3)	Guild Optical Associates, Inc.	Finestra in zaffiro di grado ottico, C-Plane Diametro: 1,811" ±. 005" Spessore: .590" ±. 005" Qualità della superficie: 60/40 Bordi rettificati e smussati di sicurezza Acquistane	tre in modo che ci siano due backup. Nome nel protocollo: finestra in zaffiro
Isolamento e guaina FEP con filo per termocoppia solido, tipo K, calibro 24, lunghezza 50 piedi (x1)	McMaster-Carr	3870K32	Nome nel protocollo: termocoppie
Valvola a spillo con cofano integrato in acciaio inossidabile, 0,37 Cv, 1/4 pollice Raccordo per tubo Swagelok, stelo di regolazione (x4)	Swagelok	SS-1RS4	Due saranno utilizzati anche per la pompa a pressione. Nome nel protocollo: valvole a spillo da 1/4"
Raccordo per tubi in acciaio inossidabile, capezzolo esagonale, 1/4 in. Maschio NPT (x2)	Swagelok	SS-4-HN	Utilizzato per la porta di illuminazione
Raccordo per tubo Swagelok in acciaio inossidabile, raccordo a T femmina, 1/4 in. Diametro esterno del tubo x 1/4 in. Diametro esterno del tubo x 1/4 in. Femmina NPT (x2)	Swagelok	SS-400-3-4TTF	Utilizzato con trasduttore di pressione Nome nel protocollo: raccordo a T di derivazione
Raccordo per tubo Swagelok in acciaio inossidabile, connettore maschio, 1/4 in. Diametro esterno del tubo x 1/4 in. Maschio NPT (x4)	Swagelok	SS-400-1-4	Utilizzato sulla porta superiore e sulla porta laterale che porta alle valvole a spillo Nome nel protocollo: viti NPT
Raccordo per tubo Swagelok in acciaio inossidabile, connettore per porte, 1/4 di pollice. Tubo OD (x8)	Swagelok	SS-401-PC	Utilizzare come collegamenti per tubi tra NTP e connessioni valvole Nome nel protocollo: raccordo connettore porta
TANK
1/4 OD in. x 20 piedi Bobina di refrigerazione morbida in rame	Everbilt	Modello # D 04020PS	Per refrigerante circolante Nome nel protocollo: 1/4" tubo di rame
10 galloni	acquario Tetra		Nome nel protocollo: Serbatoio da 10 galloni
2 once Waterweld	J-B Weld	Modello # 8277	Nome nel protocollo: sigillante subacqueo
3 pollici x 25 piedi Foglio di vetro con supporto in fibra di vetro Tubo Wrap Isolamento	Frost King	Modello # SP42X / 16	Per avvolgere intorno all'acquario Nome nel protocollo: fibra di vetro rivestita in lamina
3/8 7/8 in. Fascetta stringitubo in acciaio inossidabile (confezione da 10)	Everbilt	Modello # 670655E	Nome nel protocollo: fascette stringitubo a vite senza fine
Polistirolo			Nome nel protocollo: materiale isolante
STRUMENTI
1-1/8 pollici. Tagliatubi a cricchetto	Husky	Modello # 86-036-0111
da 1/2 pollice a 1 pollice Tagliatubi	Apollo	Modello # 69PTKC001
Chiave regolabile (x2)	Nucleo in acciaio	Modello # 31899	Sono necessarie due chiavi con ganascia da almeno 1
Set di chiavi a brugola Home	Depot
Nastro			Nome nel protocollo: nastro adesivo
Tubo flessibile, come una linea IV, per adattarsi all'estremità della sonda grainger (canula)			Nome nel protocollo: IV tubo
Grainger Sonda calibro 18	Grainger		Per l'inserimento di goccioline Nome nel protocollo: cannula
Grasso per alto vuoto	Dow corning		Applicare agli o-ring prima di inserire la finestra in zaffiro Nome nel protocollo: grasso sottovuoto
Klein Tools Professional 90 gradi 4-in-1 Tube Bender	Klein Tools	Modello # 89030	Nome nel protocollo: piegatubi
Snoop liquido rilevatore di perdite	Swagelok	MS-SNOOP-8OZ	Per rilevare perdite quando pressurizzato quando metano Nome nel protocollo: rilevatore di perdite di liquidi
Ventosa	Home Depot		Per la rimozione della finestra in zaffiro aderente Nome nel protocollo: ventosa
		teflon	Nome nel protocollo: nastro da idraulico
Temflex 3/4 pollici x 60 piedi 1700 Nastro isolante nero	3M	Modello # 1700-1PK-BB40	Nome nel protocollo: nastro isolante