Een Uniaxiaal compressie-experiment met CO2-dragende kolen met behulp van een gevisualiseerd en constant volume-Gasmassief koppelings testsysteem
12 juni 2019
Dit protocol demonstreert hoe een Briket monster voor te bereiden en een uniaxiaal compressie experiment uit te voeren met een Briket in verschillende co2 -drukken met behulp van een gevisualiseerd en constant volume-gasmassief koppelings testsysteem. Het is ook bedoeld om veranderingen te onderzoeken in termen van de fysische en mechanische eigenschappen van kolen, geïnduceerd door CO2 -adsorptie.
Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van belangrijke vragen op het gebied van koolstofdioxide geologische sekwestratie en coalbed methaan terugwinning over de relatie tussen de eigenschappen van steenkool en gas adsorptie. Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat statische en dynamische belasting kan worden toegepast op briket in constante volumetoestand en het hele experimentproces wordt gevisualiseerd door fotografische monitoring. Er is geen bijzondere eis voor de soorten van het monster, daarom kan deze methode van toepassing zijn op mechanische tests van poreus gesteente.
Om te beginnen weegt u 1000 gram en 300 gram verpulverde steenkool met een deeltjesgrootteverdeling van respectievelijk nul tot één millimeter en één tot drie millimeter. Zet ze samen in een beker in een massaverhouding van 0,76 tot 0,24 en gebruik een glazen staaf met een diameter van zes millimeter om ze goed te mengen. Om het cement te bereiden, doe vier gram natrium humate poeder in een beker en voeg ongeveer 96 millimeter gedestilleerd water.
Gebruik een glazen staaf om ze te roeren en zorg ervoor dat alle natrium humate is goed opgelost. Meng vervolgens 230 gram gemengd kolenpoeder en 20 gram natriumhamanmaatoplossing in een beker. Om een standaard gepekeld briketlaag te produceren, het binnenoppervlak van de vormgereedschappen met smeerolie.
Monteer gereedschapscomponenten Bodemplaat, hoofdbak en ring en vul het gat met 250 gram gemengd materiaal. Zet Perszuiger op het gemengde materiaal en plaats alle onderdelen onder de zuiger van een elektrohydraulische servo universele testmachine. Start de software WinWdw om de elektrohydraulische servo universele testmachine te bedienen.
Klik in de software op krachtbereik om de maximale kracht in te stellen op 50 kilonewtons en klik op reset om de verplaatsingswaarde te wissen. Klik links op het besturingselement voor het laden van de optie. Stel de verhuisverhouding in op 0,1 kilonewton per seconde.
Stel de doelkrachtwaarde in op 29,4 kilonewtons en houdtijd op 900 seconden. Klik dan op start. Daarna haal je de vormgereedschappen eruit en keer je ze om op een rubberen plaat.
Gebruik een rubberen hamer om gereedschapscomponenten in de volgorde van onder naar boven te demonteren. Doe de briket 48 uur in een couveuse van 40 graden Celsius. Bevestig eerst de achterdeur van het gevisualiseerde vat met bouten met hoge sterkte.
Sluit de computer, data-acquisitiebox en de ingebouwde gasdruksensor aan op de achterdeur. Om de gasdrukgegevens in het gevisualiseerde schip te verkrijgen, start u de software Data Acquisition Sensor. Klik op de software op start.
Open de klep V1 en sluit V2, V3 en V4 om de gevisualiseerde vatkamer te stofzuigen. Zet V1 en vacuümpomp na 30 minuten uit. Open V2 en de gastank met helium.
Gebruik de handmatige drukverlagende klep om de uitlaatdruk van de gastank aan te passen. Let zorgvuldig op de gasdrukcurve die wordt weergegeven op data-acquisitiesensor 16. Wanneer het bereikt ongeveer twee megapascals uitschakelen V2 en de gastank.
Dan op de computer, start de software WinWdw om de wrijvingskracht van de laadzuiger naar beneden bewegen in de testmachine te meten. Klik in de software op krachtbereik om de maximale kracht in te stellen op vijf kilonewtons en klik op reset om de verplaatsingswaarde te wissen. Klik links op de bewogen snelheid van de verplaatsing van de optieverplaatsing en stel de verhuisverhouding in op één millimeter per minuut.
De klik op start. Open V4 en lozing helium in de lucht. Demontage de achterdeur van het gevisualiseerde vat en sluit V4. Meet de hoogte en diameter van de briket met behulp van een vernier remklauw met een precisie van 0,02 millimeter.
Weeg de massa van de briket af met een elektronische weegschaal met een precisie van 0,01 gram. Installeer de kettingroller van het omtrekvervormingstestapparaat rond de middelste positie van de briket en bevestig de klemhouder. Sluit de sensor aan met de data-acquisitiebox via de luchtvaartconnector in het gevisualiseerde schip en plaats ze onder de laadzuiger.
Om de nauwkeurigheid van de gegevensverwerving te garanderen, past u de kettingrol en het bovenoppervlak van de briket zo aan dat ze parallel aan de laadzuiger zijn. Start dan WinWdw om de universele testmachine te bedienen. Klik in de software links op de laadsnelheid van de optieverplaatsing.
Stel de bewegingsverhouding in op 10 millimeter per minuut. Druk op de afstandsbediening op de down-knop voor de universele testmachine totdat de afstand tussen de zuiger en de briket ongeveer één tot twee millimeter is. Monteer vervolgens de achterdeur van het gevisualiseerde vat.
Vacuüm de gevisualiseerde vatkamer als voorheen. Vervolgens open V3 en de gastank van kooldioxide bij zuiverheid 99,99%Gebruik de handmatige drukverlagende waarde om de uitlaatdruk van de gastank aan te passen. Let zorgvuldig op de gasdrukcurve die wordt weergegeven in data-acquisitiesensor 16.
Wanneer het dicht genoeg bij de doelwaarde wordt, sluit V3 en de gastank. Na 24 uur adsorptietijd blijft de gasdrukcurve stabiel en heeft de briket zijn adsorptie- en desorptiedynamische evenwichtstoestand bereikt. Plaats een camera met een statief naast het venster van het gevisualiseerde vat en pas de hoogte en hoek aan om ervoor te zorgen dat het beeld van het monster in het midden van het camerascherm wordt weergegeven.
Start de software SDU Deformation Acquisition v2.0 om de omtrekvervorming van de briket te controleren. Klik op start. Klik op WinWdw op nieuw monster en typ de hoogte en diameter van de briket.
Klik op sectioneel gebied en klik vervolgens op bevestigen. Klik op krachtbereik om de maximale kracht in te stellen op vijf kilonewtons en klik op reset om de verplaatsingswaarde te wissen. Klik links op de bewogen snelheid van de verplaatsing van de optieverplaatsing en stel de verhuisverhouding in op één millimeter per minuut.
Klik op start om het monster te comprimeren. Druk tegelijkertijd op de startknop op de camera om te beginnen met video-opname. Wanneer het monster volledig mislukt, klik op stop en gegevens op te slaan in zowel WinWdw en SDU Deformation Acquisition v2.0.
Druk vervolgens opnieuw op de startknop op de camera om video-opname te stoppen. Open V4 om kooldioxide in de scheepskamer vrij te geven en de achterdeur van het vat uit elkaar te halen. Koppel de luchtvaartconnectoren voor de gasdruksensor en het omtrekvervormingstestapparaat los.
Klik links op de optie verplaatsing laadsnelheid op WinWdw, stel de bewegende verhouding op 10 millimeter per minuut. Druk op de up-knop op de afstandsbediening van de universele testmachine. Wanneer de laadzuiger van het vat ongeveer twee tot drie millimeter boven de briket staat, haal je de briket eruit en haal je het uit de kettingroller.
Demontagegereedschap tussen de zuigers en gebruik een stofzuiger om het gevisualiseerde vat schoon te maken. In dit experiment bleek de isothermale adsorptietest een vergelijkbare capaciteit voor methaangas adsorptie tussen ruwe steenkool en briket. De sterkte van de briketmonsters die in de test werden gebruikt, vertoonde enige fluctuatie, maar het was vrij gering en had weinig invloed op de analyse van de experimentele resultaten.
Wanneer onder verschillende kooldioxide-druk, variërend van nul tot twee megapascals, de stress axiale stam curven toonde duidelijke verdichting, elastische en plastic vervorming fasen. Als de kooldioxide druk verhoogde de piek sterkte van de kolen monster afgenomen, waar het toonde een niet-lineaire relatie. De elastische modulus daalde onder de koolstofdioxide verzadigde toestand en dat de relatie tussen de elastische modulus afnam en de gasdruk ook niet-lineair was.
De beelden verkregen door de camera gebeurtenissen van de breuk evolutie op het oppervlak van het monster, onder verschillende kooldioxide druk. De box counting dimension methode werd aangenomen om het kenmerk van breuken in faaltoestand onder verschillende kooldioxide druk te beschrijven. De correlatiecoëfficiënten tussen het vaknummer en de zijlengte waren allemaal meer dan 0,95.
De waarden van de fractale dimensie waren evenredig met die van de kooldioxidedruk en hun trend wees op gelijkenis met die van de mate van schade aan de kolencentrale. Het belangrijkste is om een goed begrip van de testprocedure en enige ervaring in experimenten van rotsmechanica en de werking van hogedrukgas. Na de verbetering kan deze techniek een manier bieden voor de studie van poreuze media en gaskoppelingseffect onder uniaxiale of triaxiale laadtoestand.
Omdat hoge druk gastanks worden gebruikt in deze techniek, mensen nodig hebben om zorgvuldig te werken tijdens het vullen van gas en het vrijgeven.
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Dit protocol demonstreert de bereiding van een briketmonster en de uitvoering van een uniaxial compressie-experiment onder variërende CO2-drukken. Het doel is om de veranderingen in de fysische en mechanische eigenschappen van steenkool als gevolg van CO2-adsorptie te onderzoeken.
Belangrijkste Componenten van de Studie
Wetenschappelijk vakgebied
- Geologische sequestratie
- Herwinning van steenkoolmethaan
- Gas-vaststofinteracties
Achtergrond
- Deze methode behandelt de relatie tussen steenkoleneigenschappen en gasadsorptie.
- Statische en dynamische belastingen kunnen worden aangebracht op briketten in een toestand van constant volume.
- Het volledige experimentele proces wordt gevisualiseerd via fotografische monitoring.
- De methode is toepasbaar op elke soort poreus gesteente.
Doel van de studie
- Om de effecten van CO2 op de fysische en mechanische eigenschappen van steenkool te onderzoeken.
- Om inzicht te verschaffen in de geologische opslag van koolstofdioxide.
- Om het begrip van processen voor de terugwinning van koollaagmethaan te verbeteren.
Gebruikte methoden
- Weeg 1000 gram vermalen steenkool met een deeltjesgrootte van 0-1 mm en 300 gram met een grootte van 1-3 mm af.
- Meng de steenkool in een bekerglas in een massaverhouding van 0,76 tot 0,24.
- Bereid cement voor door natriumhumaatpoeder te mengen met gedestilleerd water.
- Voer axiale compressie-experimenten uit onder gecontroleerde CO2-drukken.
Belangrijkste resultaten
- De methode maakt visualisatie van het experimentele proces mogelijk.
- Statische en dynamische belastingen kunnen effectief worden aangebracht op de briketmonsters.
- Veranderingen in de koleneigenschappen als gevolg van CO2-adsorptie werden waargenomen.
- De techniek is veelzijdig voor het testen van diverse poreuze gesteenten.
Conclusies
- Dit protocol biedt een betrouwbare methode voor het bestuderen van steenkooleigenschappen onder CO2-condities.
- Het levert waardevolle gegevens voor onderzoek naar koolstofvastlegging en methaanterugwinning.
- De experimentele opstelling kan worden aangepast voor verschillende monstertypes.
Veelgestelde vragen
Industriële Relevantie voor Directie
Deze methode maakt visualisatie van gas-vaststofinteracties onder gecontroleerde druk mogelijk, wat bijdraagt aan mechanische risicoreductie in de materiaalwetenschap voor energietoepassingen. Door te kwantificeren hoe CO2-adsorptie mechanische eigenschappen zoals sterkte en elasticiteitsmodulus beïnvloedt, biedt het voorspellende betrouwbaarheid voor modellering van gedrag in de ondergrond. De aanpak helpt bij het evalueren van de materiaalintegriteit onder multifield-koppelingscondities die relevant zijn voor geologische opslag en toepassingen voor grondstofwinning.
Strategische Toepassingen in Biofarmaceutische R&D
Vroege Ontdekking & Targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt het mogelijk om de respons van materialen op gasadsorptie te onderzoeken, wat hypothesetesten over relaties tussen eigenschappen en gassen ondersteunt.
- Operationele waarde: Biedt een reproduceerbaar platform voor het beoordelen van mechanische veranderingen onder gecontroleerde gasblootstelling.
Screening & Assayontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Genereert kwantitatieve resultaten, waaronder pieksterkte, elastische modulus en fractale dimensie voor comparatieve analyse.
- Operationele waarde: Ondersteunt standaardisatie door constante-volumestestcondities en real-time visualisatie.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Wetenschappelijke waarde: Correleert gasdruk met mechanische degradatie en breukevolutie, wat risico-geïnformeerde extrapolatie mogelijk maakt.
- Operationele waarde: Faciliteert continuïteit van testen op ontdekkingsschaal naar voorspellende modellering van ondergronds gedrag.
Integratie van Pipeline & Workflow
De methode past binnen vroege discovery-workflows waarbij de stabiliteit van materialen onder omgevingsstressoren wordt geëvalueerd voorafgaand aan verdere toepassingen.
- Discovery Biology: Ondersteunt hypothesetesten over hoe gasadsorptie de mechanische integriteit van poreuze matrices beïnvloedt.
- Screening: Levert reproduceerbare, kwantitatieve mechanische resultaten onder variabele gasdrukken voor vergelijkende screening.
- Analytics: Biedt fractale dimensie-analyse van faalpatronen, wat een kwantitatieve karakterisering van de schade-evolutie mogelijk maakt.
- Translational Research: Verbindt de mechanische respons op lab-schaal met voorspellende modellen van in situ gedrag onder blootstelling aan gas.
- Enterprise Reuse: Biedt een herbruikbaar platform voor het bestuderen van gas-vaststofkoppeling bij verschillende poreuze materialen en drukken.
Operationele en bedrijfsmatige impact
- Wetenschappelijke waarde: Vermindert mechanische ambiguïteit door gasadsorptie te koppelen aan meetbare mechanische en structurele veranderingen.
- Operationele waarde: Waarborgt reproduceerbaarheid door constante-volumesturing en real-time monitoring.
- Strategische waarde: Verbetert go/no-go-beslissingen bij materiaalselectie door het gedrag onder gasrijke omstandigheden te voorspellen.
- Impact op portfolio: Maakt risico-gecorrigeerde prioritering van materialen mogelijk op basis van gekwantificeerde gas-geïnduceerde degradatie.
Overwegingen voor implementatie
- Vereist expertise in gesteentemechanica en het omgaan met gas onder hoge druk.
- Necessiteert instrumentatie die in staat is tot constante volumeregeling, belastingtoediening en real-time beeldvorming.
- Vereist standaardisatie van de monstervoorbereiding om de representativiteit van de briketten te waarborgen.
- Omvat veiligheidsprotocollen voor het hanteren van CO2 onder hoge druk en potentieel brandbare gassen.
- Beperkt door de huidige onmogelijkheid om met methaan te testen vanwege beperkingen met betrekking tot brandbaarheid.
