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Artigo de método

Protocolo para medir as propriedades térmicas de um sintético areia-água-gás-hidrato de metano Amostra Supercooled

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DOI:

10.3791/53956

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21 de março de 2016

 ,  ,  ,  , 
1Research Institute of Energy Frontier, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), 2College of Industrial Technology, Nihon University, 3SHIZEN ikohza, Malaysia-Japan International Institute of Technology, Universiti Teknologi Malaysia

Neste artigo

Resumo

Apresentamos um protocolo para medir as propriedades térmicas de amostras de sedimentos sintéticos contendo hidratos compreendendo areia, água, metano e hidrato de metano.

Resumo

Os hidratos de metano (MHs) estão presentes em grandes quantidades no fundo do oceano e nas regiões do permafrost. O metano e os hidratos de hidrogênio estão sendo estudados como futuros recursos energéticos e meios de armazenamento de energia. Para desenvolver um método para produção de gás a partir de sedimentos naturais contendo MH e tecnologias baseadas em hidratos, é imperativo entender as propriedades térmicas dos hidratos gasosos.

As medições de propriedades térmicas' de amostras compostas por areia, água, metano e MH são difíceis porque o calor de fusão do MH pode afetar as medições. Para resolver este problema, realizamos medições de propriedades térmicas em condições super-resfriadas durante a formação de MH. O protocolo de medição, o método de cálculo da mudança de saturação e as dicas para análise de constantes térmicas da amostra usando técnicas de fonte de plano transiente são descritos aqui.

O efeito do calor de formação de MH na medição é muito pequeno porque a taxa de formação de hidrato de gás é muito lenta. Este método de medição pode ser aplicado às propriedades térmicas do sistema de hidrato de gás-água-gás convidado, que contém hidrogênio, CO2 e hidratos de ozônio, porque a baixa taxa de formação característica do hidrato de gás não é exclusiva do MH. O ponto-chave deste método é a baixa taxa de transição de fase do material alvo. Portanto, este método pode ser aplicado a outros materiais com baixas taxas de transição de fase.

Introdução

Hidratos de gás são compostos cristalinos que compreendem estruturas de gaiola de moléculas de água ligadas a hidrogênio que contêm moléculas hóspedes na gaiola 1. Grandes quantidades de hidratos de metano (MHS) nas regiões de permafrost fundo do oceano e são recursos de energia no futuro interessantes, mas pode afetar as condições climáticas globais 2.

Em março de 2013, o óleo Japão, Gás e Metais National Corporation realizou o primeiro teste de produção offshore do mundo para extrair gás a partir de sedimentos MH-rolamento naturais no leste Nankai Trough pelo "método de despressurização" 3,4.

Hidratos de gás pode armazenar gases como o metano 1, hidrogênio 5, CO 2 1,6, e ozônio 7. Assim, metano e hidrogênio hidratos são estudados como armazenamento de energia potencial e meios de transporte. Para reduzir as emissões de CO2 liberadas na atmosfera, o CO 2 sequestração usando CO 2 hidratos em sedimentos do fundo do oceano têm sido estudados 6. O ozono é actualmente utilizada na purificação de água e esterilização de alimentos. Estudos de tecnologia de preservação de ozono foram realizados porque é quimicamente instável 7. A concentração de ozono em hidratos é muito maior do que em água ozonizada ou 7 gelo.

Para desenvolver a produção de gás a partir de sedimentos MH-rolamento naturais e tecnologias baseadas em hidrato, é imperativo para entender as propriedades térmicas de hidratos de gás. No entanto, os dados propriedades térmicas e estudos de modelos de gás sedimentos contendo hidratos são escassos 8.

O "método de despressurização" pode ser utilizado para dissociar MH no espaço dos poros do sedimento através da diminuição da pressão de poro abaixo da estabilidade do hidrato. Neste processo, os componentes espaciais sedimento poros mudar a partir de água e a partir de MH de água, MH, e gás. medição das propriedades térmicasdesta última condição é difícil porque o calor de fusão de MH podem afectar as medições. Para resolver este problema, Muraoka et al. Realizada a medição das propriedades térmicas em condições super-resfriados durante MH formação 9.

Com este protocolo vídeo, explicar o método de medição da amostra de areia-água-gás-MH sintético super-resfriado.

A Figura 1 mostra a instalação experimental para medir as propriedades térmicas do sedimento hidrato de metano-rolamento artificial. A configuração é a mesma mostrada em referência 9. O sistema compreende, principalmente, um reservatório de alta pressão, pressão e controle de temperatura, e as propriedades térmicas do sistema de medição. O reservatório de alta pressão é composto de aço inoxidável cilíndrico com um diâmetro interno de 140 mm, e uma altura de 140 mm; seu volume interno com o volume morto removido é 2.110 cm3, e seu limite de pressão é de 15 MPa. o transie fonte avião nt (TPS) técnica é usada para medir as propriedades térmicas 10. Nove sondas TPS com raios individual de 2.001 mm são colocados no interior da embarcação. A disposição dos nove sondas 9 é mostrada na Figura 2, em referência 9. As sondas TPS estão ligados ao analisador das propriedades térmicas com um cabo e mudado manualmente durante o experimento. Os detalhes do sensor TPS, diagrama de conexão e configuração no vaso são mostrados nas Figuras S1, 2 e 3 da informação de apoio em referência 9.

figure-introduction-1
Figura 1:. A montagem experimental para medir as propriedades térmicas do sedimento hidrato de metano-rolamento artificial A figura é modificada a partir de referência 9.3956fig1large.jpg "target =" _ blank "> Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

O método TPS foi usada para medir as propriedades térmicas de cada amostra. Os princípios do método são descritas na referência 10. Neste método, o aumento da temperatura em função do tempo, AT av, é

figure-introduction-2

Onde

figure-introduction-3

Na Equação 1, W 0 é a potência de saída do sensor, o símbolo r representa o raio da sonda de sensor, λ é a condutividade térmica da amostra, α é a difusividade térmica, e t é o tempo desde o início da alimentação de energia à sonda sensor. D (τ) é um tempo adimensional função dependente. τ é dada por (aT / r) 1/2. Na Equação 2, o símbolo m representa o número de anéis concêntricos da sonda TPS e I 0 é uma função de Bessel modificada. A condutividade térmica, difusividade térmica e calor específico da amostra são simultaneamente determinado por análise de inversão aplicado ao aumento de temperatura que se forneça energia ao sensor de sonda.

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Protocolo

Nota: Por favor, consulte todas as fichas de dados de segurança do material relevantes como este estudo utiliza alta pressão inflamável gás metano e um grande reservatório de alta pressão. Usar um capacete, óculos de segurança e botas de segurança. Se o sistema de controlo pára temperatura, a pressão no recipiente aumenta com MH dissociação. Para evitar acidentes, o uso de um sistema de válvula de segurança é fortemente recomendada para libertar automaticamente o gás de metano para a atmosfera. O sistema de válvula de segurança pode trabalhar sem fornecimento de energia elétrica.

1. Preparação das amostras de gás de areia-água-de metano 9

  1. Colocar o recipiente de alta pressão sobre a mesa de vibração.
  2. Despeje 1,5 L de água pura em uma garrafa de água e 4,000 g de areia de sílica em uma garrafa de areia. Pesar com precisão as massas de areia e de água nas garrafas de areia e água, respectivamente.
  3. Pour 1 L de água pura no recipiente de alta pressão com um volume interno de 2110 centímetros 3 a partir de uma garrafa de águaaté que a água enche a metade do recipiente interior.
  4. Ligue a mesa de vibração para vibrar todo o vaso. Definir a taxa de vibração e a fonte de alimentação a 50 Hz e 220 W, respectivamente. Aplicar a vibração até a conclusão da etapa 1.5. Retirar o ar residual na linha de drenagem e filtro metálico sinterizado no fundo do recipiente por meio de vibração do navio.
  5. Pour 3300 g de areia de sílica a partir de uma garrafa de areia para o recipiente a uma velocidade constante de cerca de 1 g s-1 utilizando um funil realizado perto da superfície da água, enquanto todo o vaso é agitado para assegurar a embalagem uniforme.
  6. Pare a vibração quando a água atinge o rebordo do recipiente.
  7. Coloque um anel como uma parede temporária na borda do recipiente para impedir a água de derramar.
  8. Vibrar o recipiente de novo a 50 Hz e 220 W.
  9. Quando a areia atinge o rebordo do recipiente (140 milímetros de altura), desligar a vibração.
  10. Retirar a parede temporária e excesso de água dos poros usando thlinha de drenagem e. Despeje a água de volta pore excesso na garrafa de água.
  11. Embalar a areia pela vibração do navio uma ou duas vezes a 50 Hz e 300 W por 1 segundo e adicionar mais areia se necessário.
  12. Pesar as massas de areia e de água nas garrafas de areia e água. Calcule as massas de areia e de água no recipiente a partir das diferenças de massa nas garrafas de areia e água. Nesta experiência, as massas de areia e água no vaso foram 3.385 g e 823,6 g, respectivamente. A massa de água no recipiente é denotado como w total.
  13. Cobrir o vaso de alta pressão com uma tampa de aço inoxidável e apertar os parafusos de pares opostos diagonalmente em sequência.
  14. Mover o reservatório de alta pressão a partir da mesa de vibração para a tabela destina-se para a experiência.
  15. Cobrir o vaso de alta pressão com o isolador de calor para controlar a temperatura.
  16. Ligar as condutas de alta pressão e as linhas de fluxo de água de arrefecimento para o reservatório de alta pressão.
  17. Abra as válvulas dos dutos de entrada e de gás de saída. Ventilar 10 L metano a uma taxa de 800 ml min -1 até que não há excesso de descargas de água para dentro da armadilha, sob pressão atmosférica. A descarga de areia é impedida por um filtro metálico sinterizado fixo na parte inferior do navio. A água residual permanece na superfície da areia, porque a areia de sílica hidrofílica absorve as moléculas de água.
  18. Pesa-se a massa de água na armadilha, W armadilha, para determinar o volume de gás no vaso. Determinar a massa de água residual, res w, no recipiente utilizando a equação w res = w total - w armadilha. Neste caso, res W e W armadilha era 360,6 g e 463,0 g, respectivamente.
  19. Determinar a porosidade da amostra usando a fórmula Ѱ = 1 - célula V areia / V, em que V é o volume da areia de tele areia determinada pela razão de massa de areia a densidade da areia (ou seja, ρ s = 2,630 kg m-3), e célula de V é o volume interior do vaso. O Ѱ porosidade da amostra foi de 0,39.
  20. Fechar a válvula da linha de gás de saída. Injectar metano para aumentar a pressão de poro de metano no vaso a cerca de 12,1 MPa a temperatura ambiente (ou seja, 31,6 ° C).
  21. Fechar a válvula da linha de entrada de gás.
  22. Iniciar a gravação da pressão e da temperatura no vaso durante o experimento usando o registrador de dados. O intervalo de amostragem de dados é de 5 seg. O tempo total do experimento é de aproximadamente 3.000 min.

2. MH Síntese e medição da amostra Supercooled 9 'Propriedades Térmicas

  1. Ligue o arrefecedor para arrefecimento do vaso desde a temperatura ambiente a 2,0 ° C, fazendo circular o líquido de arrefecimento. Deixe a circular refrigerante do chiller tO fundo do recipiente, a partir daí para a tampa do recipiente, e, finalmente, de volta para o resfriador. A taxa de alteração da temperatura no vaso foi de aproximadamente 0.001 ° C seg -1.
  2. Defina os parâmetros de medição usando o software analisador de TPS. Defina o tipo de sensor para sensor projeto # 7577. Definir a potência de saída W 0 a 30 mW e o tempo de medição a 5 segundos. Note-se que os parâmetros apropriados devem ser alteradas se o tipo de sensor ou condições de amostra mudar. Definir os parâmetros para aumentar a temperatura de 1 ° C a 1,5 ° C.
  3. Calcular o grau de super-ref rigeração, AT sup, com a seguinte equação:
    AT sup = eq T (P) - T. (3)
    T EQ (P) é a temperatura de equilíbrio da MH como uma função da pressão P. Eq T (P) é calculada utilizando o software CSMGem 1.0; P e T são a pressão e a temperatura no recipiente de medida utilizando medidores de pressão e temperatura, respectivamente.
  4. Simultaneamente medir a condutividade térmica, a difusividade térmica e calor específico volumétrico utilizando o analisador de TPS após sup AT é maior do que 2 ° C.
  5. Mudar a sonda TPS conectado ao analisador de propriedades térmicas após cada medição. Alterne os cabos entre as sondas TPS e o analisador manualmente durante o experimento 9. O esquema de ligação é mostrado na Figura 9 em referência S2. A sequência de comutação para cada sensor é não. 6 → 2 → 7 → 5 → 1 → 9 → 4 → 3 → 8 → 6 .... A sequência baseia-se na distância entre os sensores, o que é definido como medida do possível, para impedir que o calor residual a partir de afectar as medições. Coletar dados a cada 3-5 min.
  6. Repita as medições até & #916; sup T chega a 2 ° C novamente. Nesta experiência, Δ t sup inicialmente aumenta com o tempo. Após AT sup atinge o valor máximo, AT sup diminui gradualmente até 0 ° C, porque a pressão diminui, com a formação de MH. Verificar se sup AT é maior do que 2 ° C antes de as medições usando a equação 3 TPS.
  7. Certifique-se de que o perfil de temperatura não é afectada por MH fusão. Se MH derrete durante as medições, a temperatura não irá aumentar, porque de fusão de MH é uma reacção endotérmica. Verificar o perfil de temperaturas durante as medições, e é discutido na secção de resultados.
  8. Realizar a análise das propriedades térmicas para todos os dados do perfil de temperatura utilizando a técnica de TPS.

3. Cálculo da Mudança Saturação da Amostra 9,11

Nota:O grau de saturação para MH, água, gás e na amostra como função do tempo t é calculado utilizando a equação de estado do gás. Os detalhes de cálculo e equações utilizadas são previamente descrito 11.

  1. Calcule o V gás volume de gás metano, t no momento t
    figure-protocol-1
    onde Q é o volume inicial do gás no reservatório, V MH, t - 1 é o volume de MH no tempo t - 1, e R é VHW a proporção em volume de água e MH.
    figure-protocol-2
    Na equação 5, n é o número de hidratação MH (~ 6), MH ρ e ρ água correspondem à densidade de MH e água, respectivamente, e W MH e água W denotar a massa molecular de MH e água, respectively.
  2. Calcular a quantidade Dm t (mol) de MH formado a partir de t - 1 a t
    figure-protocol-3
    onde R é a constante dos gases, P é a pressão do gás metano, e Z t (gás T, T, P gás, t) é o coeficiente de compressão de metano no tempo t. Nós 9 e Sakamoto et al. 11 usaram a equação Benedict-Webb-Rubin (BWR), modificado por Lee e Kesler, para o cálculo de Z t 12, 13. Para este cálculo, as fórmulas (3-7.1) - (3-7.4) da equação 13 BWR e as constantes de Lee-Kesler são utilizadas nas Tabelas 3 - 7 de referência 13.
  3. Calcule a variação do volume Δ V MH, t de MH de t - 1 a t
    figure-protocol-4
    onde P s representa a pressão de referência de 101325 Pa, Ts é a temperatura de referência de 273,15 K, Z s é o coeficiente de compressão em P s e t s (Z s ~ 1), e V CH4 é a razão entre o volume de gás metano na unidade de volume de MH [Nm 3 m -3]. Use um valor V CH4 de 165.99 [Nm 3 m -3].
  4. Calcule o volume V MH, t de MH no tempo t
    figure-protocol-5
  5. Calcular o volume de água da água V, T no recipiente de pressão no tempo t
    figure-protocol-6
    onde V água, 1 é o volume inicial de água.
  6. Repita os cálculos usando equações. 4-9 no tempo t = 2, 3, ... para determinar a alteração da saturação da água, metano, e MH 11. A condição inicial é t = 1, ou seja, gás V, 1 = Q. A P e T no tempo t são tomadas a partir dos registros de dados 9. Os resultados dos cálculos são mostrados na secção seguinte.

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Resultados

A Figura 2a mostra o perfil de temperatura que não é afectada por MH fusão. AT C é a mudança de temperatura devido à medição "constantes térmicas. A Figura 2B mostra o perfil de temperatura que é afectada por MH fusão. O perfil na Figura 2b não pode ser analisada por meio das equações 1 e 2, porque estas equações são derivados assumindo condições estáveis ​​de amostra.

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Discussão

foi avaliado o efeito do calor formação de MH por medição. O calor formação de HM foi estimada a partir dos produtos da taxa de mudança de S h, como mostrado na Figura 3b, e a entalpia de formação H = 52,9 kJ mol -1 para MH 14. Por conseguinte, a mudança de temperatura máxima foi de 0,00081 ° C seg -1. Isto foi muito menor do que o aumento de temperatura AT C do sensor TPS entre 1 ° C e 1,5 ° C durante o intervalo de tempo...

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Divulgações

Os autores não têm nada a divulgar.

Agradecimentos

Este estudo foi financiado pelo Consórcio de Pesquisa MH21 de hidrato de metano Recursos no Japão e no Programa Nacional de Hidratos de metano exploração por parte do Ministério da Economia, Comércio e Indústria. Os autores gostariam de agradecer T. Maekawa e S. Goto para a sua assistência com os experimentos.

figuras Reproduzido com permissão de (Muraoka, M., Susuki, N., Yamaguchi, H., Tsuji, T., Yamamoto, Y., combustíveis energéticos, 29 (3), 2015, 1345-1351, 2015, DOI.: 10.1021 / ef502350n). Copyright (2015) American Chemical Society.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Sonda térmica TPS, sensor de disco quenteHot Disk AB Co., Suécia#7577Tipo de sensor Kapton, raio do sensor 2.001 mm
Analisador de propriedades térmicas de disco quenteHot Disk AB Co., SuéciaTPS 2500 
ToyouraKeiseki Kogyo Co., Ltd., JapãoN/A
Gás metano, 99,9999%Tokyo Gas Chemicals Co., Ltd., JapãoN/AGrau 6  N, Volume 47  L, Pressão de carga 14.7 
Sistema de Purificação de Água MPa, Elix Advantage 3Merck Millipore., EUAN/A5 MΩ cm (a 25  ° C) resistividade
Mesa vibratória, Empacotador de vibraçãoSinfonia Technology Co. Ltd., JapãoVGP-60
Chiller, Termostático Circulador de Banho THOMAS KAGAKU Co., Ltd., JapãoTRL-40SP
Coorant, Salmoura AuroraTokyo Fine Chemical Co.,Ltd., JapãoN/Aetilenoglicol 71  wt%
Medidor de temperaturaNitto Kouatsu., JapãoN/APt 100, detector de temperatura de resistência de platina tipo bainha
Medidor de pressãoKyowa Electronic Instruments., JapãoPG-200 KU
Registrador de dadosKEYENCE., JapãoNR-500
Controlador de fluxo de massaOVAL Co., JapãoF-221S-A-11-11AFluxo máximo 2.000  N  ML⁠/⁠ M, pressão máxima de projeto 19,6  Mpa

Referências

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