Name: Protokół pomiaru właściwości termicznych przechłodzonej syntetycznej próbki hydratu piasku, wody, gazu i metanu (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-03-21T15:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 46 s
Description: Poznaj protokół pomiaru właściwości termicznych syntetycznych osadów zawierających hydrat metanu przy użyciu naczynia wysokociśnieniowego i analizatora TPS. Metoda ta wspiera rozwój technologii wydobycia gazu.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

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.

Uwaga: Należy zapoznać się ze wszystkimi odpowiednimi kartami charakterystyki materiałów, ponieważ w badaniu tym wykorzystano łatwopalny 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 pracować bez zewnętrznego zasilania elektrycznego.
1. Przygotowanie próbek gazowych piasek-woda-metan9
<ol>
	<li>Umieść naczynie wysokociśnieniowe na stole wibracyjnym.</li>
	<li>Wlej 1,5 l czystej wody do butelki z wodą, a 40 g piasku kwarcowego do butelki z piaskiem. Precyzyjnie zważ masę piasku i wody w odpowiednich butelkach.</li>
	<li>Wlej 1 L czystej wody do naczynia wysokociśnieniowego o objętości wewnętrznej 2 10 cm³3 z butelki z wodą, aż woda wypełni połowę wewnętrznego naczynia.</li>
	<li>Włącz stół wibracyjny, aby wprowadzić w drgania całe naczynie. Ustaw częstotliwość wibracji na 50 Hz, a moc zasilania na 20 W. Stosuj wibracje aż do zakończenia kroku 1.5. Usuń resztkowe powietrze z linii odpływowej i spiekanego filtra metalowego na dnie naczynia poprzez wibrację naczynia.</li>
	<li>Wsypać 3,30 g piasku kwarcowego z butelki z piaskiem do naczynia ze stałą prędkością wynoszącą około 1 g/s.−1 przy użyciu lejka trzymanego blisko powierzchni wody, podczas gdy całe naczynie jest poddawane wibracjom w celu zapewnienia jednorodnego upakowania.</li>
	<li>Przerwij wibracje, gdy woda osiągnie krawędź naczynia.</li>
	<li>Umieść pierścień na krawędzi naczynia jako tymczasową ściankę, aby zapobiec rozlaniu wody.</li>
	<li>Ponownie poddaj naczynie działaniu wibracji o częstotliwości 50 Hz i mocy 20 W.</li>
	<li>Gdy piasek dotrze do krawędzi naczynia (wysokość 140 mm), wyłącz wibracje.</li>
	<li>Usuń tymczasową ściankę oraz nadmiar wody porowej, korzystając z linii drenażowej. Wlej nadmiar wody porowej z powrotem do butelki z wodą.</li>
	<li>Ubijeć piasek, wibrując naczynie raz lub dwa razy z częstotliwością 50 Hz i mocą 30 W przez 1 s, a w razie potrzeby dodać więcej piasku.</li>
	<li>Zważ masy piasku i wody w butelkach z piaskiem i wodą. Oblicz masy piasku i wody w naczyniu na podstawie różnic mas w butelkach z piaskiem i wodą. W tym eksperymencie masy piasku i wody w naczyniu wynosiły odpowiednio 3,385 g i 823,6 g. Masę wody w naczyniu oznaczono jako Wybacz, ale nie podałeś tekstu źródłowego do przetłumaczenia. Proszę o przesłanie treści, którą mam przełożyć na język polski zgodnie z Twoimi wytycznymi.całkowity.</li>
	<li>Przykryj naczynie wysokociśnieniowe pokrywą ze stali nierdzewnej i dokręć śruby w parach leżących naprzeciwlegle po przekątnej, zachowując odpowiednią kolejność.</li>
	<li>Przenieś naczynie wysokociśnieniowe ze stołu wibracyjnego na stół przeznaczony do przeprowadzenia eksperymentu.</li>
	<li>Przykryj naczynie wysokociśnieniowe izolatorem ciepła w celu kontrolowania temperatury.</li>
	<li>Podłącz rurociągi wysokiego ciśnienia oraz linie doprowadzające wodę chłodzącą do naczynia wysokociśnieniowego.</li>
	<li>Otwórz zawory rurociągów doprowadzających i odprowadzających gaz. Przedmuchaj układ 10 L metanu z przepływem 80 ml min-1.−1 aż do momentu, gdy pod ciśnieniem atmosferycznym do pułapki nie będzie już wypływać nadmiar wody. Wypływ piasku jest zapobiegany przez spieczony filtr metalowy zamocowany na dnie naczynia. Pozostała woda utrzymuje się na powierzchni piasku, ponieważ hydrofilowy piasek kwarcowy adsorbuje cząsteczki wody.</li>
	<li>Zważ masę wody w pułapce, wpułapka, aby wyznaczyć objętość gazu w naczyniu. Wyznacz masę pozostałej wody, wwynik, w naczyniu, korzystając z równania wwyniki = wcałkowity − wpułapkaW tym przypadku, wwynik i Wpułapka wynosiły odpowiednio 360,6 g i 463,0 g.</li>
	<li>Wyznacz porowatość próbki, korzystając ze wzoru Ѱ = 1 - Vpiasek / Vkomórka, gdzie Vpiasek czy objętość piasku jest określana przez stosunek masy piasku do jego gęstości (t. j., ρs = 2,630 kg m−3), oraz Vkomórka jest objętością wewnętrzną naczynia. Porowatość Ѱ próbki wynosiła 0,39.</li>
	<li>Zamknąć zawór linii wylotowej gazu. Wstrzyknąć metan, aby zwiększyć ciśnienie porowe metanu w naczyniu do około 12,1 MPa w temperaturze pokojowej (t. j., 31.6 °C).</li>
	<li>Zamknij zawór doprowadzającej linii gazowej.</li>
	<li>Za pomocą rejestratora danych rozpocząć pomiar ciśnienia i temperatury w naczyniu podczas eksperymentu. Interwał próbkowania danych wynosi 5 s. Całkowity czas trwania eksperymentu wynosi około 30 min.</li>
</ol>
2. Synteza MH i pomiar właściwości termicznych próbki przechłodzonej9
<ol>
	<li>Włącz chiller w celu schłodzenia naczynia z temperatury pokojowej do 2.0 °C poprzez cyrkulację chłodziwa. Należy doprowadzić do cyrkulacji chłodziwa z chillera do dna naczynia, następnie do jego pokrywy, a na koniec z powrotem do chillera. Szybkość zmiany temperatury w naczyniu wynosiła około 0.001 °C sek−1.</li>
	<li>Skonfiguruj parametry pomiarowe w oprogramowaniu analizatora TPS. Ustaw typ czujnika na model #757. Ustaw moc wyjściową W0 do 30 mW, a czas pomiaru do 5 s. Należy pamiętać, że odpowiednie parametry należy zmienić w przypadku zmiany typu czujnika lub warunków próbki. Ustaw parametry tak, aby zwiększyć temperaturę z 1 °C Proszę podać tekst źródłowy do przetłumaczenia. 1.5 °C.</li>
	<li>Oblicz stopień przechłodzenia, ΔTsupz następującym równaniem: 
	ΔTsup = Trównanie(P) − T. (3) 
	Teq(P) jest temperaturą równowagi MH w funkcji ciśnienia P. Trównanie(P) oblicza się przy użyciu oprogramowania CSMGem1.  P i T ciśnienie i temperatura w naczyniu są mierzone odpowiednio za pomocą manometru oraz termometru.</li>
	<li>Jednocześnie zmierz przewodność cieplną, dyfuzyjność cieplną oraz właściwą ciepłowość objętościową za pomocą analizatora TPS po ΔTsup jest większy niż 2 °C.</li>
	<li>Po każdym pomiarze należy zmienić sondę TPS podłączoną do analizatora właściwości termicznych. Przełączanie kabli pomiędzy sondami TPS a analizatorem należy przeprowadzać ręcznie w trakcie eksperymentu.9Schemat połączeń przedstawiono na Rycina S2 w odniesieniu do9Sekwencja przełączania dla każdego czujnika to nr 6 → 2 → 7 → 5 → 1 → 9 → 4 → 3 → 8 → 6…. Sekwencja ta opiera się na odległości między czujnikami, która jest ustawiona na maksymalną możliwą wartość, aby zapobiec wpływowi ciepła resztkowego na pomiary. Dane należy zbierać co 3–5 min.</li>
	<li>Powtarzać pomiary do momentu, aż ΔTsup osiąga 2 °C ponownie. W tym doświadczeniu, ΔTsup początkowo rośnie wraz z upływem czasu. Po ΔTsup osiąga wartość maksymalną, ΔTsup stopniowo spada do 0 °C ponieważ ciśnienie spada w wyniku powstawania hydratów metanu (MH). Sprawdzić, czy ΔTsup jest większy niż 2 °C przed pomiarami TPS z wykorzystaniem równania 3.</li>
	<li>Należy upewnić się, że profil temperatury nie jest zaburzony przez topnienie MH. Jeśli MH stopi się podczas pomiarów, temperatura nie wzrośnie, ponieważ topnienie MH jest reakcją endotermiczną. Profil temperatury podczas pomiarów należy sprawdzić; zostanie on omówiony w sekcji wyników.</li>
	<li>Przeprowadź analizę właściwości termicznych dla wszystkich danych profilu temperatury z wykorzystaniem techniki TPS.</li>
</ol>
3. Obliczanie zmiany stopnia nasycenia próbki9,1
Uwaga: Stopień nasycenia MH, wody i gazu w próbce w funkcji czasu t jest obliczany przy użyciu równania stanu gazu. Szczegóły obliczeń oraz wykorzystane równania zostały opisane wcześniej11.
<ol>
	<li>Oblicz objętość gazowego metanu Vgaz,T w czasie t 
	<img alt="Wzór na objętość gazu, V_gas,t = Q - V_MH,t-1(1 - R_Vlhw), wyrażenie matematyczne." src="/files/ftp_upload/53956/53956eq4.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Równanie 4"> 
	gdzie Q jest początkową objętością gazu w naczyniu, VMH,t − 1 czy objętość MH w czasie t − 1 oraz RVhw jest stosunek objętości wody i MH. 
	<img alt="Równanie relacji gęstości w dynamice płynów; symbole RV_hw, ηρ_MH, W_water w formule." src="/files/ftp_upload/53956/53956eq5.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Równanie 5"> 
	W równaniu 5, n liczba cząsteczek hydratacji MH wynosi około 6), ρMH i ρwoda odpowiadają odpowiednio gęstości MH oraz wody, a wMH i wwoda oznaczają odpowiednio masę cząsteczkową MH i wody.</li>
	<li>Oblicz ilość ΔMt (mol) MH powstałego z t − 1 do t 
	<img alt="Równanie analizujące zmiany stanu gazu; wzór ΔMt=(1/R)((Pt-1Vgast-1/Zt-1Tt-1)-(PtVgast/ZtTt))." src="/files/ftp_upload/53956/53956eq6.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Równanie 6"> 
	gdzie R jest stałą gazową, P jest ciśnieniem gazowego metanu, a Zt (Tgaz,t, Pgaz,t) jest współczynnikiem ściśliwości metanu w czasie Proszę podać tekst źródłowy do tłumaczenia.My9 oraz Sakamoto i in.11 wykorzystano równanie Benedicta-Webba-Rubina (BWR) w modyfikacji Lee i Keslera do obliczenia Zt12,13Do tego obliczenia zastosowano wzory (3–7.1)–(3–7.4) równania BWR13 a stałe Lee’ego-Keslera są wykorzystywane w Tabela 3–7 referencyjny13.</li>
	<li>Oblicz zmianę objętości ΔVMH,Proszę podać tekst źródłowy do tłumaczenia. MH z t − 1 do t 
	<img alt="Równanie zmiany objętości gazu, ΔVMH,t=ΔMt(ZsRTs/Ps)(1/VCH4), wzór matematyczny." src="/files/ftp_upload/53956/53956eq7.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Równanie 7"> 
	gdzie Ps ciśnienie odniesienia wynosi 101325 Pa, Ts jest to temperatura odniesienia wynosząca 273,15 K, Zs jest współczynnik sprężania w Ps i Ts (Zs ~1) oraz VCH4 stosunek objętości gazu metanu w jednostkowej objętości MH [Nm3 m−3]. Użyj VCH4 wartość 165,9 [Nm]3 m−3].</li>
	<li>Oblicz objętość VMH,t MH w czasie t 
	<img alt="Równanie ilustrujące dynamiczną zmianę objętości, \(V_{MH,t} = V_{MH,t-1} + \Delta V_{MH,t}\)." src="/files/ftp_upload/53956/53956eq8.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Równanie 8"></li>
	<li>Oblicz objętość wody Vwoda,t w naczyniu ciśnieniowym w czasie t 
	<img alt="Równanie równowagi statycznej Vwater,t=Vwater,1-RVlvwΔVMH,t opisuje zmiany objętości cieczy." src="/files/ftp_upload/53956/53956eq9.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Równanie 9"> 
	gdzie Vwoda,1 jest początkową objętością wody.</li>
	<li>Powtórzyć obliczenia z wykorzystaniem równań 4–9 w czasie t = 2, 3, … w celu określenia zmiany nasycenia wodą, metanem i MH11Warunkiem początkowym jest Proszę podać tekst do tłumaczenia. = 1, tj., Vgaz,1 = Q. The P i T w czasie t zostały pobrane z dzienników danych9Wyniki obliczeń przedstawiono w następnej sekcji.</li>
</ol>

<ol><li>Sloan, E. D., Koh, C. A. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aSloan%2C+ED+%22Clathrate+Hydrates+of+Natural+Gases%2C+3rd+ed%22">Clathrate Hydrates of Natural Gases, 3rd ed</a>. , 3rd ed, CRC Press. Boca Raton, FL. (2007).</li>
<li>Hatzikiriakos, S. G., Englezos, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+relationship+between+global+warming+and+methane+gas+hydrates+in+the+earth%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Eng.+Sci%22%5BJournal%5D)">The relationship between global warming and methane gas hydrates in the earth.</a> Chem. Eng. Sci. 48 (23), 3963-3969 (1993).</li>
<li>Yamamoto, K. Overview and introduction: pressure core-sampling and analyses in the 2012-2013 MH21 offshore test of gas production from methane hydrates in the eastern Nankai Trough. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aYamamoto%2C+K+%22Mar.+Petrol.+Geol%22">Mar. Petrol. Geol</a>. 66 (Pt 2), 296(2015).</li>
<li>Fujii, T., et al. Geological setting and characterization of a methane hydrate reservoir distributed at the first offshore production test site on the Daini-Atsumi Knoll in the eastern Nankai Trough, Japan. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aFujii%2C+T+%22Mar.+Petrol.+Geol%22">Mar. Petrol. Geol</a>. 66 (Pt 2), 310(2015).</li>
<li>Mao, W. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hydrogen+clusters+in+clathrate+hydrate%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Hydrogen clusters in clathrate hydrate.</a> Science. 297 (5590), 2247-2249 (2002).</li>
<li>Lee, S., Liang, L., Riestenberg, D., West, O. R., Tsouris, C., Adams, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((CO2+hydrate+composite+for+ocean+carbon+sequestration%5BTitle%5D)+AND+%22Environ.+Sci.+Technol%22%5BJournal%5D)">CO2 hydrate composite for ocean carbon sequestration.</a> Environ. Sci. Technol. 37 (16), 3701-3708 (2003).</li>
<li>Muromachi, S., Ohmura, R., Takeya, S., Mori, H. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Clathrate+Hydrates+for+Ozone+Preservation%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Phys.+Chem.+B%22%5BJournal%5D)">Clathrate Hydrates for Ozone Preservation.</a> J. Phys. Chem. B. 114, 11430-11435 (2010).</li>
<li>Waite, W. F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Physical+properties+of+hydrate-bearing+sediments%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Geophys%22%5BJournal%5D)">Physical properties of hydrate-bearing sediments.</a> Rev. Geophys. 47 (4), (2009).</li>
<li>Muraoka, M., Susuki, N., Yamaguchi, H., Tsuji, T., Yamamoto, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thermal+properties+of+a+supercooled+synthetic+sand-water-gas-methane+hydrate+sample%5BTitle%5D)+AND+%22Energy+Fuels%22%5BJournal%5D)">Thermal properties of a supercooled synthetic sand-water-gas-methane hydrate sample.</a> Energy Fuels. 29 (3), 1345-1351 (2015).</li>
<li>Gustafsson, S. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Transient+plane+source+techniques+for+thermal+conductivity+and+thermal+diffusivity+measurements+of+solid+materials%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Sci.+Instrum%22%5BJournal%5D)">Transient plane source techniques for thermal conductivity and thermal diffusivity measurements of solid materials.</a> Rev. Sci. Instrum. 62 (3), 797-804 (1991).</li>
<li>Sakamoto, Y., Haneda, H., Kawamura, T., Aoki, K., Komai, T., Yamaguchi, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experimental+Study+on+a+New+Enhanced+Gas+Recovery+Method+by+Nitrogen+Injection+from+a+Methane+Hydrate+Reservoir%5BTitle%5D)+AND+%22J.+MMIJ%22%5BJournal%5D)">Experimental Study on a New Enhanced Gas Recovery Method by Nitrogen Injection from a Methane Hydrate Reservoir.</a> J. MMIJ. 123 (8), 386-393 (2007).</li>
<li>Lee, B. I., Kesler, M. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+generalized+thermodynamic+correlation+based+on+three-parameter+corresponding+states%5BTitle%5D)+AND+%22AIChE+J%22%5BJournal%5D)">A generalized thermodynamic correlation based on three-parameter corresponding states.</a> AIChE J. 21 (3), 510-527 (1975).</li>
<li>Reid, R. C., Prausnitz, J. M., Poling, B. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Chapter+3%2C+Unit+3%2C+7%5BTitle%5D)+AND+%22The+properties+of+gases+and+liquids%22%5BJournal%5D)">Chapter 3, Unit 3, 7.</a> The properties of gases and liquids. , 4th ed, 47-49 (1987).</li>
<li>Anderson, G. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Enthalpy+of+dissociation+and+hydration+number+of+methane+hydrate+from+the+Clapeyron+equation%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Chem.+Thermodyn%22%5BJournal%5D)">Enthalpy of dissociation and hydration number of methane hydrate from the Clapeyron equation.</a> J. Chem. Thermodyn. 36 (12), 1119-1127 (2004).</li>
<li>Waite, W. F., deMartin, B. J., Kirby, S. H., Pinkston, J., Ruppel, C. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thermal+conductivity+measurements+in+porous+mixtures+of+methane+hydrate+and+quartz+sand%5BTitle%5D)+AND+%22Geophys.+Res.+Lett%22%5BJournal%5D)">Thermal conductivity measurements in porous mixtures of methane hydrate and quartz sand.</a> Geophys. Res. Lett. 29 (24), 82-1-82-4 (2002).</li>
<li>Kumar, P., Turner, D., Sloan, E. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thermal+diffusivity+measurements+of+porous+methane+hydrate+and+hydrate-sediment+mixtures%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Geophys.+Res%22%5BJournal%5D)">Thermal diffusivity measurements of porous methane hydrate and hydrate-sediment mixtures.</a> J. Geophys. Res. 109 (B1), (2004).</li>
<li>Huang, D., Fan, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measuring+and+modeling+thermal+conductivity+of+gas+hydrate-bearing+sand%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Geophys.+Res%22%5BJournal%5D)">Measuring and modeling thermal conductivity of gas hydrate-bearing sand.</a> J. Geophys. Res. 110 (B1), (2005).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

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...

Hydraty gazów to związki krystaliczne, które tworzą struktury klatkowe z cząsteczek wody powiązanych wiązaniami wodorowymi, zawierające wewnątrz klatek cząsteczki gościa1. Duże ilości hydratów metanu (MHs) w dnie oceanicznym i regionach wieloletniej 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 produkcyjny w celu wydobycia gazu z naturalnych osadów zawierających MH we wschodniej części Rowu Nankai, stosując „metodę depresuryzacji” 3,4.
Hydraty gazowe mogą magazynować gazy takie jak metan1, wodór5, CO21,6 oraz ozon7. Z tego powodu hydraty metanu i wodoru są badane jako potencjalne media do magazynowania i transportu energii. W celu ograniczenia 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 technologie wydobycia gazu z naturalnych osadów zawierających MH oraz technologie oparte na hydratach, niezbędne jest zrozumienie właściwości termicznych hydratów gazu. Jednakże dane dotyczące właściwości termicznych oraz badania modelowe osadów zawierających hydraty gazu są rzadkie8.
„Metoda depresuryzacji” może być wykorzystywana do dysocjacji MH w przestrzeniach porowych 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 pomiar właściwości termicznych w warunkach przechłodzenia podczas tworzenia się MH9.
W niniejszym protokole wideo wyjaśniamy metodę pomiaru dla przechłodzonej syntetycznej próbki piasku, wody, gazu i MH.
Rysunek 1 przedstawia układ eksperymentalny służący do pomiaru właściwości termicznych sztucznego osadu zawierającego hydraty metanu. Układ ten jest taki sam, jak pokazano w materiale referencyjnym9System 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 odliczeniu objętości martwej wynosi 2 10 cm³3, a jego limit ciśnienia wynosi 15 MPa. Do pomiaru właściwości termicznych wykorzystuje się metodę przejściowego źródła płaskiego (TPS).10Dziewięć sond TPS o promieniu 2,01 mm każda zostaje umieszczonych wewnątrz naczynia. Układ dziewięciu sond9 przedstawiono w Rycina 2 w odniesieniu do9Sondy TPS są połączone z analizatorem właściwości termicznych za pomocą kabla i przełączane ręcznie w trakcie eksperymentu. Szczegóły dotyczące czujnika TPS, schemat połączeń oraz konfiguracja w naczyniu zostały przedstawione w Ryciny S1, 2i 3 informacji uzupełniających w literaturze przedmiotu9.
<img alt="Schemat analizy termicznej; technika TPS z czujnikami, przepływem gazu, manometrami, układem do metanu." src="/files/ftp_upload/53956/53956fig1.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Rycina 1"> 
Rysunek 1: Układ eksperymentalny do pomiaru właściwości termicznych sztucznego osadu zawierającego hydraty metanu. Rysunek zmodyfikowano na podstawie źródła9. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53956/53956fig1large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
Do pomiaru właściwości termicznych każdej próbki wykorzystano metodę TPS. Zasady tej metody opisano w referencji10. W tej metodzie zależny od czasu wzrost temperatury, ΔTave, jest
<img alt="Równanie uśredniania temperatury: ΔTave(τ)=W0(π^(3/2)rλ)^(-1)D(τ), formuła naukowa." src="/files/ftp_upload/53956/53956eq1.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Równanie 1">
gdzie
<img alt="Równanie współczynnika dyfuzji D(τ), zapis całkowy i sumacyjny, analiza matematyczna." src="/files/ftp_upload/53956/53956eq2.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Równanie 2">
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 rozpoczęcia dostarczania energii do sondy czujnika. D(τ) jest bezwymiarową funkcją zależną od czasu. τ jest określone jako (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 poprzez analizę inwersyjną zastosowaną do wzrostu temperatury podczas dostarczania energii do sondy czujnika.

<table><tbody><tr><td>Sonda termiczna TPS, czujnik gorącego dysku</td><td>Hot Disk AB Co., Szwecja</td><td>#7577</td><td>Typ czujnika kaptonowego, promień czujnika 2.001 mm</td></tr><tr><td>Analizator właściwości termicznych gorącego dysku</td><td>Hot Disk AB Co., Szwecja</td><td>TPS 2500&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>Standardowy piasek kwarcowy</td><td>Toyoura Keiseki Kogyo Co., Ltd., Japonia</td><td>Nie dotyczy</td><td></td></tr><tr><td>metanu, 99,9999%</td><td>Tokyo Gas Chemicals Co., Ltd., Japonia</td><td>Nie dotyczy</td><td>klasy 6&nbsp; N, Tom 47&nbsp; L, Ciśnienie ładowania 14,7&nbsp; </td></tr><tr><td>System oczyszczania wody MPa, Elix Advantage 3</td><td>Merck Millipore., Stany Zjednoczone</td><td>Nie dotyczy</td><td>5 M&Omega; cm (przy 25&nbsp; &deg; C) rezystywność</td></tr><tr><td>Stół wibracyjny, Vivratory packer</td><td>Sinfonia Technology Co. Ltd., Japonia</td><td>VGP-60</td><td></td></tr><tr><td>Chiller, Termostatyczny cyrkulator kąpielowy&nbsp;</td><td>THOMAS KAGAKU Co., Ltd., Japonia</td><td>TRL-40SP</td><td></td></tr><tr><td>Coorant, Aurora solanka</td><td>Tokyo Fine Chemical Co., Ltd., Japonia</td><td>N/A</td><td>glikol etylenowy 71&nbsp; wt%</td></tr><tr><td>Miernik temperatury</td><td>Nitto Kouatsu., Japonia</td><td>Nie dotyczy Pt</td><td>100, platynowy rezystancyjny detektor temperatury typu osłonowego</td></tr><tr><td>Manometr</td><td>Kyowa Electronic Instruments., Japonia</td><td>PG-200 KU</td><td></td></tr><tr><td>Rejestrator danych</td><td>KEYENCE., Japonia</td><td>NR-500</td><td></td></tr><tr><td>Regulator przepływu masowego</td><td>OVAL Co., Japonia</td><td>F-221S-A-11-11A</td><td>Maksymalny przepływ 2 000&nbsp; Nie &nbsp; ml&#8288;/&#8288; M, maksymalne ciśnienie obliczeniowe 19,6&nbsp; Mpa</td></tr></tbody></table>

protokół pomiaru właściwości termicznych przechłodzonej syntetycznej próbki hydratu piasku, wody, gazu i metanu

Protocol for Measuring the Thermal Properties of a Supercooled Synthetic Sand-water-gas-methane Hydrate Sample

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.

Rysunek 2a przedstawia profil temperatury, który nie jest wpływany przez topnienie MH. ΔTc to zmiana temperatury spowodowana pomiarem stałych termicznych. Rysunek 2b przedstawia profil temperatury, który jest wpływany przez topnienie MH. Profil na Rysunku 2b nie może być analizowany za pomocą równań 1 i 2, ponieważ równania te zostały wyprowadzone przy założeniu stałych warunków próbki.
<p class="jove_content" fo:k...

Przedstawiamy protokół pomiaru właściwości termicznych próbek syntetycznych osadów zawierających hydraty, składające się z piasku, wody, metanu i hydratu metanu.

Protokół pomiaru właściwości termicznych przechłodzonej syntetycznej próbki hydratu piasku, wody, gazu i metanu

Methane hydrates (MHs) are present in large amounts in the ocean floor and permafrost regions. Methane and hydrogen hydrates are being studied as future ...

Ogólnym celem tej procedury jest określenie właściwości termicznych próbki składającej się z piasku, wody, metanu i hydratu metanu. Ta lekcja może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w dziedzinie technologii produkcji gazu, takie jak symulacja produkcji gazu, naturalne hydraty metanu. Aby rozpocząć, umieść naczynie wysokociśnieniowe na stole wibracyjnym.Wlej 1,5 litra czystej wody do butelki z wodą i 4 000 gramów piasku kwarcowego do butelki z piaskiem. Dokładnie zważ masy piasku i wody w odpowiednich butelkach. Następnie wlej 1 litr czystej wody do naczynia wysokociśnieniowego o wewnętrznej objętości 2 110 centymetrów sześciennych z butelki z wodą, aż woda wypełni połowę naczynia wewnętrznego.Włącz stół wibracyjny, aby wprawić w drgania całe naczynie. Ustaw częstotliwość wibracji na 50 Hz, a zasilacz na 220 watów. Usuń resztki powietrza z przewodu odpływowego i wyśrodkowanego metalowego filtra na dnie naczynia, wibrując naczynie.Wsypać 3 300 gramów piasku kwarcowego z butelki z piaskiem do naczynia ze stałą prędkością około jednego grama na sekundę za pomocą lejka trzymanego blisko powierzchni wody, podczas gdy całe naczynie jest wibrowane, aby zapewnić równomierne upakowanie. Zatrzymaj wibracje, gdy woda dotrze do krawędzi naczynia. Umieść pierścień jako tymczasową ścianę na krawędzi naczynia, aby zapobiec rozlaniu się wody.Ponownie wibruj naczynie jak poprzednio, a gdy piasek dotrze do krawędzi naczynia, wyłącz wibracje. Usuń nadmiar wlej wodę za pomocą przewodu odpływowego i wlej ją z powrotem do butelki z wodą. Usuń tymczasową ścianę.Ubij piasek, wibrując naczynie raz lub dwa razy z częstotliwością 50 Hz i 300 watów na sekundę i w razie potrzeby dodaj więcej piasku. Zważ masę piasku i wody w odpowiednich butelkach. Następnie oblicz masy piasku i wody w naczyniu na podstawie różnic mas w butelkach z piaskiem i wodą.W tym eksperymencie masa piasku w naczyniu wynosiła 3 385 gramów, a masa wody w naczyniu 823,6 gramów. Masa wody w naczyniu jest oznaczana jako w całkowite. Przykryj naczynie wysokociśnieniowe pokrywką ze stali nierdzewnej i dokręć kolejno przeciwległych par po przekątnej.Przenieś naczynie wysokociśnieniowe ze stołu wibracyjnego na stół przeznaczony do eksperymentu. Przykryj naczynie wysokociśnieniowe izolatorem ciepła w celu kontrolowania temperatury. Następnie podłącz rurociągi wysokiego ciśnienia i przewody przepływowe wody chłodzącej do zbiornika wysokociśnieniowego.Otwórz zawory gazociągów wejściowych i wyjściowych. Przewietrzyć 10 litrów metanu z szybkością 800 mililitrów na minutę, aż nadmiar wody nie przedostanie się do syfonu pod ciśnieniem atmosferycznym. Wydostawaniu się piasku zapobiega wyśrodkowany metalowy filtr zamocowany na dnie naczynia.Resztki wody pozostają na powierzchni piasku, ponieważ hydrofilowy piasek kwarcowy pochłania cząsteczki wody. Zważyć masę wody w syfon w celu określenia objętości gazu w zbiorniku. Określić masę pozostałej wody, w resi.W tym przypadku w resi wynosi 360,6 grama, a w pułapka 463 gramy. Po zamknięciu zaworu przewodu wyjściowego gazu należy wstrzyknąć metan w celu zwiększenia ciśnienia nalewania metanu w zbiorniku do około 12,1 megapaskali w temperaturze pokojowej. Następnie zamknij zawór przewodu gazu wejściowego.Rozpocznij rejestrację ciśnienia i temperatury w naczyniu podczas eksperymentu za pomocą rejestratora danych. Włącz agregat chłodniczy w celu schłodzenia naczynia z temperatury pokojowej do 2.0 stopni Celsjusza poprzez cyrkulację chłodziwa. Pozwól płynowi chłodzącemu krążyć od chłodziarki do dna naczynia, stamtąd do pokrywy naczynia i na koniec z powrotem do chłodziarki.Skonfiguruj parametry pomiaru za pomocą oprogramowania analizatora źródła płaszczyzny przejściowej (TPS) i oblicz stopień przechłodzenia określony w protokole tekstowym. Najważniejszym krokiem jest wykonanie stałego pomiaru sonaru poprzez utrzymanie wzrostu temperatury nad czynnikiem dochłodzącym czujnika TPS. Jednocześnie mierz przewodność cieplną, dyfuzyjność cieplną i objętościowe ciepło właściwe za pomocą analizatora TPS, gdy stopień przechłodzenia jest większy niż dwa stopnie Celsjusza.Po każdym pomiarze ręcznie przełączaj między sondami TPS a analizatorem podczas eksperymentu. Zbieraj dane co trzy do pięciu minut. Powtarzaj pomiary, aż stopień przechłodzenia ponownie osiągnie dwa stopnie Celsjusza.W tym eksperymencie stopień przechłodzenia początkowo wzrasta z czasem. Po osiągnięciu maksymalnej wartości stopień przechłodzenia stopniowo spada do zera stopni Celsjusza, ponieważ ciśnienie spada wraz z powstawaniem MH. Przedstawiono tutaj profil temperatury, na który nie ma wpływu topnienie hydratu metanu, oraz profil temperatury, na który ma wpływ topnienie. Należy zauważyć, że tego profilu nie można przeanalizować za pomocą techniki TPS, ponieważ równania analizy zakładają stabilne warunki próbki.Pokazane jest ciśnienie, temperatura i stopień przechłodzenia w zbiorniku w funkcji czasu. MH nukleuje się po osiągnięciu przez układ równowagi ciśnienia i temperatury. Pokazano tutaj nasycenie osadu MH, wodą i metanem w funkcji czasu.Stopień nasycenia oblicza się za pomocą równania stanu gazu. Przykład pomiarów stałych termicznych przedstawiono tutaj. Strzałki z dwoma grotami oznaczają zakres danych użytych w analizie.Analiza 1 jest przykładem nieodpowiedniego zakresu, a Analiza 2 jest przykładem odpowiedniego zakresu. Wyniki analizy inwersji TPS dla każdego zakresu są pokazane tutaj. Pokazano odchylenie danych temperatury od krzywej dopasowania liniowego.W przypadku wybrania odpowiedniego zakresu analizy różnica temperatur staje się mała i w przybliżeniu stała. Na koniec pokazano przewodność cieplną w funkcji czasu, ciepło właściwe w funkcji czasu i dyfuzyjność cieplną w funkcji czasu.

protocol-for-measuring-thermal-properties-supercooled-synthetic-sand

Research

JoVE Journal

Environment

Środowisko

Używamy izotermicznego aparatu adsorpcyjnego, grawimetrycznego analizatora sorpcji, do testowania zdolności adsorpcyjnej różnych rozmiarów cząstek łupku, aby dowiedzieć się, jaka jest zależność między wielkością cząstek a zdolnością adsorpcyjną łupków.

Eksperymentalne badania zależności między wielkością cząstek a zdolnością sorpcji metanu w łupkach

Minerały występujące w dużych ilościach na ziemi odgrywają ważną rolę w naturalnych systemach hydrotermalnych. W tym miejscu opisujemy wiarygodną i opłacalną metodę eksperymentalnego badania oddziaływań organiczno-mineralnych w warunkach hydrotermalnych.

Eksperymentalny protokół badania wpływu minerałów na organiczne przemiany hydrotermalne

Precyzyjne określenie szybkości przepływu wydzielanych gazów jest kluczowe do badania szczegółów reakcji. Zapewniamy nowatorską metodę analizy ilościowej równoważnej analizy widma charakterystyki dla termograwimetrycznej analizy widma masowego poprzez ustanowienie systemu kalibracji widma charakterystycznego i czułości względnej w celu uzyskania natężenia przepływu.

Analiza ilościowa za pomocą termograwimetrii-analiza widma mas dla reakcji z wydzielającymi się gazami

Tutaj przedstawiamy syntezę i charakterystykę uporządkowanego nanoporowatego węgla (o wielkości porów 4,6 nm) i SBA-15 (o wielkości porów 5,3 nm). W pracy opisano właściwości powierzchniowe i teksturalne nanoporowatych sit molekularnych, ich zwilżalność oraz topnienie D2O zamkniętego w materiałach.

Właściwości powierzchniowe zsyntetyzowanych nanoporowatych matryc węglowych i krzemionkowych

Przedstawiamy protokół do badania powstawania hydratów w obecności niejonowych środków powierzchniowo czynnych na granicy kropel wody zanurzonych w cyklopentanie. Protokół polega na zbudowaniu taniego, programowalnego regulatora temperatury. System kontroli temperatury jest połączony z technikami wizualizacji i pomiarami ciśnienia wewnętrznego.

Badanie wpływu środków powierzchniowo czynnych na krystalizację hydratów na granicy faz olej-woda przy użyciu niedrogiego, zintegrowanego modułowego urządzenia Peltiera

Opisujemy metodę tworzenia hydratu gazu na kropelkach wody siedzącej, aby zbadać wpływ różnych inhibitorów, promotorów i substratów na morfologię kryształu hydratu.

Krystalizacja hydratu metanu na siedzących kropelkach wody

Obecny protokół opisuje krystalizację mikroskopijnych kryształków lodu i hydratów klatratu w urządzeniach mikroprzepływowych, umożliwiając wymianę cieczy wokół utworzonych kryształów. Daje to niezrównane możliwości badania procesu krystalizacji i mechanizmów wiązania inhibitorów.

Mikroprzepływowe podejście do badania krystalizacji lodu i hydratów klatratu

Ta praca ma na celu ułatwienie rozwoju standardowych technik impregnacji lub szczepienia związków aminowanych na podłożach krzemionkowych, które często są szeroko opisane w literaturze. Szczegółowo omówione zostaną konkretne ilości rozpuszczalnika, substratu, amin oraz wartości innych ważnych parametrów eksperymentalnych.

Syntetyczna metodologia otrzymywania impregnowanych i szczepionych kompozytów krzemionkowych na bazie amin do wychwytywania dwutlenku węgla

Nanokompozyty CdSe-SnSe są wytwarzane przez konsolidację cząstek SnSe zaprojektowanych powierzchniowo. Do produkcji cząstek SnSe stosuje się prostą syntezę wodną. Powlekanie cząstek SnSe kompleksami molekularnymi CdSe pozwala na kontrolowanie wielkości ziaren i zwiększenie liczby defektów występujących w nanokompozycie, a tym samym obniżenie przewodnictwa cieplnego.

Polikrystaliczny CdSe-SNSE o niskiej przewodności cieplnej poddany obróbce w roztworze, poddany inżynierii powierzchniowej

To badanie demonstruje podejście do pomiaru stężeń metanu w próbkach wodnych za pomocą przenośnych analizatorów optycznych połączonych z komorą wtryskową w zamkniętej pętli. Wyniki są podobne do wyników konwencjonalnej chromatografii gazowej, co stanowi praktyczną i tanią alternatywę, szczególnie przydatną do zdalnych badań terenowych.

Pomiar rozpuszczonego metanu w ekosystemach wodnych za pomocą analizatora gazów ze spektroskopią optyczną

Poznaj protokół pomiaru właściwości termicznych syntetycznych osadów zawierających hydrat metanu przy użyciu naczynia wysokociśnieniowego i analizatora TPS. Metoda ta wspiera rozwój technologii wydobycia gazu.

Protokół pomiaru właściwości termicznych przechłodzonej syntetycznej próbki hydratu piasku, wody, gazu i metanu

Przeglądaj więcej filmów