Przedstawiamy protokół pomiaru właściwości termicznych próbek syntetycznych osadów zawierających hydraty, składające się z piasku, wody, metanu i hydratu metanu.
Artykuł metodologiczny
Przedstawiamy protokół pomiaru właściwości termicznych próbek syntetycznych osadów zawierających hydraty, składające się z piasku, wody, metanu i hydratu metanu.
Hydraty metanu (MH) są obecne w dużych ilościach na dnie oceanu i w obszarach wiecznej zmarzliny. Metan i hydraty wodoru są badane jako przyszłe zasoby energetyczne i nośniki magazynowania energii. Aby opracować metodę produkcji gazu z naturalnych osadów zawierających MH i technologie oparte na hydratach, konieczne jest zrozumienie właściwości termicznych hydratów gazowych.
Pomiary właściwości termicznych próbek zawierających piasek, wodę, metan i MH są trudne, ponieważ ciepło topnienia MH może wpływać na pomiary. Aby rozwiązać ten problem, przeprowadziliśmy pomiary właściwości termicznych w warunkach przechłodzenia podczas powstawania MH. Opisano tutaj protokół pomiarowy, metodę obliczania zmiany nasycenia oraz wskazówki dotyczące analizy próbek za pomocą stałych termicznych przy użyciu technik źródła w płaszczyźnie stanów nieustalonych.
Wpływ ciepła formowania się MH na pomiar jest bardzo mały, ponieważ tempo formowania się hydratu gazu jest bardzo powolne. Ta metoda pomiaru może być zastosowana do właściwości termicznych układu hydrat gazu-woda-gość, który zawiera hydraty wodoru, CO2 i ozonu, ponieważ charakterystyczna niska szybkość tworzenia hydratu gazu nie jest unikalna dla MH. Kluczowym punktem tej metody jest niskie tempo przemiany fazowej materiału docelowego. W związku z tym metoda ta może być stosowana do innych materiałów o niskich szybkościach przemiany fazowej.
Hydraty gazów są związkami krystalicznymi, które tworzą struktury klatkowe z cząsteczek wody związanych wiązaniami wodorowymi, zawierające wewnątrz klatek cząsteczki gościnne1. Duże ilości hydratów metanu (MHs) w dnie oceanicznym i regionach zmarzliny stanowią interesujące przyszłe zasoby energetyczne, lecz mogą wpływać na globalne warunki klimatyczne2.
W marcu 2013 roku Japan Oil, Gas, and Metals National Corporation przeprowadziła pierwszy na świecie offshore'owy test wydobywczy w celu ekstrakcji gazu z naturalnych osadów zawierających MH w wschodniej części Rowu Nankai, stosując „metodę depresuryzacji” 3,4.
Hydraty gazów mogą magazynować gazy takie jak metan1, wodór5, CO21,6 oraz ozon7. W związku z tym hydraty metanu i wodoru są badane jako potencjalne media do magazynowania i transportu energii. W celu redukcji emisji CO2 do atmosfery badano sekwestrację CO2 z wykorzystaniem hydratów CO2 w głębinowych osadach oceanicznych6. Ozon jest obecnie stosowany w oczyszczaniu wody i sterylizacji żywności. Ze względu na jego niestabilność chemiczną prowadzono badania nad technologią konserwacji ozonu7. Stężenie ozonu w hydratach jest znacznie wyższe niż w wodzie ozonowanej lub lodzie7.
Aby opracować metody pozyskiwania gazu z naturalnych osadów zawierających MH oraz technologie oparte na hydratach, konieczne jest zrozumienie właściwości termicznych hydratów gazu. Jednak dane dotyczące właściwości termicznych oraz badania modelowe osadów zawierających hydraty gazu są nieliczne8.
„Metoda depresuryzacji” może być stosowana do dysocjacji MH w przestrzeni porowej osadu poprzez obniżenie ciśnienia porowego poniżej granicy stabilności hydratów. W tym procesie składniki przestrzeni porowej osadu zmieniają się z wody i MH na wodę, MH i gaz. Pomiar właściwości termicznych w tym drugim stanie jest trudny, ponieważ ciepło topnienia MH może wpływać na wyniki pomiarów. Aby rozwiązać ten problem, Muraoka et al. przeprowadzili pomiary właściwości termicznych w warunkach przechłodzenia podczas formowania się MH9.
W niniejszym protokole wideo wyjaśniamy metodę pomiarową dla przechłodzonej syntetycznej próbki piasek-woda-gaz-MH.
Rysunek 1 przedstawia układ doświadczalny do pomiaru właściwości termicznych sztucznego osadu zawierającego hydraty metanu. Układ jest taki sam, jak pokazano w referencji9. System składa się głównie z naczynia wysokociśnieniowego, układu kontroli ciśnienia i temperatury oraz systemu pomiaru właściwości termicznych. Naczynie wysokociśnieniowe wykonane jest z cylindrycznej stali nierdzewnej o średnicy wewnętrznej 140 mm i wysokości 140 mm; jego objętość wewnętrzna po odjęciu objętości martwej wynosi 2 110 cm3, a granica ciśnienia to 15 MPa. Do pomiaru właściwości termicznych wykorzystano technikę przejściowego źródła płaskiego (TPS)10. Wewnątrz naczynia umieszczono dziewięć sond TPS o promieniach poszczególnych wynoszących 2,001 mm. Rozmieszczenie dziewięciu sond9 pokazano na Rysunku 2 w referencji9. Sondy TPS są połączone z analizatorem właściwości termicznych za pomocą kabla i przełączane ręcznie podczas eksperymentu. Szczegóły dotyczące sensora TPS, schemat połączeń oraz konfiguracja w naczyniu przedstawione są na Rysunkach S1, 2 i 3 w informacjach uzupełniających do referencji9.

Rysunek 1: Układ doświadczalny do pomiaru właściwości termicznych sztucznego osadu zawierającego hydraty metanu. Rysunek zmodyfikowano na podstawie źródła9. Aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku, kliknij tutaj.
Do pomiaru właściwości termicznych każdej próbki wykorzystano metodę TPS. Zasady tej metody opisano w publikacji referencyjnej10. W metodzie tej zależny od czasu wzrost temperatury, ΔTave, jest

gdzie

W równaniu 1, W0 to moc wyjściowa z czujnika, r to promień sondy czujnika, λ to przewodność cieplna próbki, α to dyfuzyjność cieplna, a t to czas od momentu rozpoczęcia dostarczania mocy do sondy czujnika. D(τ) jest bezwymiarową funkcją zależną od czasu. τ jest określone wzorem (αt/r)1/2. W równaniu 2, m to liczba koncentrycznych pierścieni sondy TPS, a I0 to zmodyfikowana funkcja Bessela. Przewodność cieplna, dyfuzyjność cieplna oraz ciepło właściwe próbki są wyznaczane jednocześnie za pomocą analizy inwersyjnej zastosowanej do wzrostu temperatury podczas dostarczania mocy do sondy czujnika.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Uwaga: Należy zapoznać się ze wszystkimi odpowiednimi kartami charakterystyki materiałów, ponieważ w badaniu tym wykorzystuje się palny metan pod wysokim ciśnieniem oraz duże naczynie wysokociśnieniowe. Należy nosić kask, okulary ochronne i obuwie ochronne. W przypadku awarii systemu kontroli temperatury ciśnienie w naczyniu wzrośnie w wyniku dysocjacji MH. Aby zapobiec wypadkom, zdecydowanie zaleca się stosowanie systemu zaworów bezpieczeństwa, który automatycznie odprowadza gaz metan do atmosfery. System zaworów bezpieczeństwa może działać bez zasilania elektrycznego.
1. Przygotowanie próbek gazowych piasek-woda-metan9
2. Synteza MH i pomiar właściwości termicznych próbki przechłodzonej9
3. Obliczanie zmiany nasycenia próbki9,11
Uwaga: Stopień nasycenia MH, wody i gazu w próbce w funkcji czasu t oblicza się przy użyciu równania stanu gazu. Szczegóły obliczeń oraz wykorzystane równania zostały opisane wcześniej11.






Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Rycina 2a przedstawia profil temperatury, na który topnienie MH nie ma wpływu. ΔTc to zmiana temperatury wynikająca z pomiaru stałych cieplnych. Rycina 2b przedstawia profil temperatury pod wpływem topnienia MH. Profilu na Rycynie 2b nie można analizować za pomocą równań 1 i 2, ponieważ równania te wyprowadzono przy założeniu stabilnych warunków próbki.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Oszacowano wpływ ciepła powstawania MH na pomiar. Ciepło powstawania MH oszacowano na podstawie iloczynów szybkości zmian Sh, jak pokazano na rysunku 3b, oraz entalpii formacji H = 52,9 kJ mol−1 dla MH14. W związku z tym maksymalna zmiana temperatury wyniosła 0,00081 °C sec−1. Było to znacznie mniej niż wzrost temperatury ΔTc czujnika TPS między 1 °C a 1,5 °C w przedziale czasowym 5 sekund. Szczegółowa ocena i dyskusja są o...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
To badanie było wspierane finansowo przez Konsorcjum Badawcze MH21 ds. Zasobów Hydratów Metanu w Japonii oraz Narodowy Program Eksploatacji Hydratów Metanu przez Ministerstwo Gospodarki, Handlu i Przemysłu. Autorzy pragną podziękować T. Maekawie i S. Goto za pomoc w eksperymentach.
Przedruk rysunków za zgodą (Muraoka, M., Susuki, N., Yamaguchi, H., Tsuji, T., Yamamoto, Y., Energy Fuels, 29(3), 2015, 1345-1351., 2015, DOI: 10.1021/ef502350n). Prawa autorskie (2015) Amerykańskie Towarzystwo Chemiczne.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Sonda termiczna TPS, czujnik gorącego dysku | Hot Disk AB Co., Szwecja | #7577 | Typ czujnika kaptonowego, promień czujnika 2.001 mm |
| Analizator właściwości termicznych gorącego dysku | Hot Disk AB Co., Szwecja | TPS 2500 | |
| Standardowy piasek kwarcowy | Toyoura Keiseki Kogyo Co., Ltd., Japonia | Nie dotyczy | |
| metanu, 99,9999% | Tokyo Gas Chemicals Co., Ltd., Japonia | Nie dotyczy | klasy 6 N, Tom 47 L, Ciśnienie ładowania 14,7 |
| System oczyszczania wody MPa, Elix Advantage 3 | Merck Millipore., Stany Zjednoczone | Nie dotyczy | 5 MΩ cm (przy 25 ° C) rezystywność |
| Stół wibracyjny, Vivratory packer | Sinfonia Technology Co. Ltd., Japonia | VGP-60 | |
| Chiller, Termostatyczny cyrkulator kąpielowy | THOMAS KAGAKU Co., Ltd., Japonia | TRL-40SP | |
| Coorant, Aurora solanka | Tokyo Fine Chemical Co., Ltd., Japonia | N/A | glikol etylenowy 71 wt% |
| Miernik temperatury | Nitto Kouatsu., Japonia | Nie dotyczy Pt | 100, platynowy rezystancyjny detektor temperatury typu osłonowego |
| Manometr | Kyowa Electronic Instruments., Japonia | PG-200 KU | |
| Rejestrator danych | KEYENCE., Japonia | NR-500 | |
| Regulator przepływu masowego | OVAL Co., Japonia | F-221S-A-11-11A | Maksymalny przepływ 2 000 Nie ml/ M, maksymalne ciśnienie obliczeniowe 19,6 Mpa |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE
Poproś o pozwolenie