Descrevemos um método para formar hidrato de gás em gotículas de água sessile para estudar os efeitos de vários inibidores, promotores e substratos na morfologia cristalina hidrato.
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Artigo de método
Cristalização do hidrato de metano em gotículas de água sessile
Neste artigo
Resumo
Resumo
Este artigo descreve um método para formar conchas de hidrato de metano em gotículas de água. Além disso, fornece plantas para uma célula de pressão avaliada em 10 MPa de pressão de trabalho, contendo um estágio para gotículas sessile, uma janela de safira para visualização e transdutores de temperatura e pressão. Uma bomba de pressão conectada a um cilindro de gás metano é usada para pressurizar a célula a 5 MPa. O sistema de resfriamento é um tanque de 37,85 L contendo uma solução de 50% de etanol resfriada através de glicol de etileno através de bobinas de cobre. Esta configuração permite a observação da mudança de temperatura associada à formação e dissociação do hidrato durante o resfriamento e despressurização, respectivamente, bem como a visualização e fotografia das alterações morfológicas da gotícula. Com este método, observou-se formação rápida de conchas hidratantes a ~-6 °C a -9 °C. Durante a despressurização, observou-se uma queda de temperatura de 0,2 °C a 0,5 °C na curva de estabilidade de pressão/temperatura (P/T) devido à dissociação do hidratado exotérmico, confirmada pela observação visual do derretimento no início da queda da temperatura. O "efeito memória" foi observado após repressurização para 5 MPa de 2 MPa. Este projeto experimental permite o monitoramento da pressão, temperatura e morfologia da gotícula ao longo do tempo, tornando este um método adequado para testar vários aditivos e substratos na morfologia hidratada.
Introdução
Hidratos de gás são gaiolas de moléculas de água ligadas a hidrogênio que capturam moléculas de gás convidado através de interações van der Waals. Os hidratos de metano formam-se sob condições de alta pressão e baixa temperatura, que ocorrem na natureza nos sedimentos subsuperficial ao longo das margens continentais, sob o permafrost ártico, e em outros corpos planetários no sistema solar1. Hidratos a gás armazenam vários milhares de gigatoneladas de carbono, com implicações importantes para o clima e a energia2. Hidratos de gás também podem ser perigosos na indústria de gás natural porque condições favoráveis p....
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Protocolo
1. Projete, valide e máquina a célula de pressão.
- Projete a célula para permitir a visualização direta da formação de hidrato a partir de uma gotícula de água. Certifique-se de que a célula tenha uma câmara principal com janela de safira e quatro portas para entrada de fluido/gás, saída, luz e fios(Figura 1). Crie o design final em software de design de engenharia(Figura Suplementar S1).
- Para verificar se a célula de pressão é segura sob alta pressão, realize uma análise de elementos finitos usando software de simulação.
- Insira o modelo de célula de pressão em tamanho real do software de projet....
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Resultados
Com este método, uma casca de hidrato a gás em uma gotícula pode ser monitorada visualmente através de uma janela de safira da célula de pressão e através de transdutores de temperatura e pressão. Para nuclear a casca de hidratação depois de pressurizar para 5 MPa, o gelo seco pode ser adicionado ao topo da célula de pressão para induzir um choque térmico para desencadear a cristalização rápida do hidrato. Há uma clara diferença morfológica na formação de conchas de hidrato forçadas ao gelo seco. A gotícula de água passo.......
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Discussão
Desenvolvemos um método para formar conchas de hidrato de metano em gotículas de água sessile com segurança e compartilhar este método para máquina e montar uma célula de pressão avaliada em 10 MPa de pressão de trabalho, bem como os sistemas de pressurização e resfriamento. A célula de pressão é equipada com um estágio para a gotícula contendo termopares incorporados, uma janela de safira para visualizar a gotícula e um transdutor de pressão fixado no topo da célula. O sistema de resfriamento inclui etileno glicol refri.......
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Divulgações
Não há interesses financeiros concorrentes.
Agradecimentos
A nasa Exobiology Grant 80NSSC19K0477 financiou esta pesquisa. Agradecemos a William Waite e Nicolas Espinoza por discussões valiosas.
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Materiais
| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| CAMERA E LAPTOP | |||
| Camera Body | Nikon | D7200 | Nome no Protocolo: Camera |
| Camera Control Pro 2 Software | Nikon | Nome no Protocolo: software da câmera | |
| Laptop HP | Pavilion | hp-pavilion-laptop-14-ce0068st | Precisa ser PC com bastante espaço de armazenamento (~ 1 Tb) Nome no Protocolo: laptop |
| Lente de macrofotografia | Nikon | AF-S MICRO 105mm f/2.8G IF-ED Nome da lente | no protocolo: lente |
| CONSUMÍVEIS | |||
| Água | Nome no protocolo: água DI | ||
| Gelo seco | VWR ou mercearia | Compre pouco antes da nucleação Nome no protocolo: gelo seco | |
| Etanol | Nome no Protocolo: etanol | ||
| Etilenoglicol | Nome no Protocolo: etilenoglicol | ||
| SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO | |||
| 1/2 pol. O.D. x 3/8 pol. I.D. x 25 pés. Tubulação de Polietileno | Everbilt | Modelo # 301844 | Para circulação de refrigerante do resfriador para bobinas de cobre no aquário Nome no Protocolo: 3/8" (diâmetro interno) tubulação plástica |
| Chiller circulante | Polyscience | Nome no protocolo: chiller | |
| Isolamento de tubo de espuma de polietileno flexível econômico | McMaster-Carr | 4530K162 | parede de 3/4" de espessura; 1/2" de diâmetro interno; R Valor 3; 6' long Nome no protocolo: isolamento de tubo |
| de espuma Tubo de | use qualquer tubo que se encaixe na conexão da linha aérea no laboratório e longo o suficiente para viajar da conexão da linha aérea para a frente do aquário | ||
| DATALOGGERMódulo Multiplexador | |||
| Armadura para 34970A/ 34972A, 20 canais | Keysight Technologies | 34901A | Nome no protocolo: registrador de dados multicanal |
| Benchvue ou software Benchlink | Benchvue ou Benchlink | Nome no protocolo: software transdutor de temperatura | |
| Unidade de aquisição/comutação de dados. GPIB, RS232 | Keysight Technologies | 34970A | Nome no protocolo: datalogger |
| Interface USB/GPIB | Keysight Technologies | 82357B | Nome no protocolo: datalogger Registrador de |
| dados USB multicanal | |||
| Schott Fostec -Llc 20510 Ace Fonte de luz de fibra óptica | Schott Fostec | A20500 | 3115PS-12W-B20 115 V ~AC 50/60Hz 5/4.5 W Nome no protocolo: fonte de luz unidade |
| Guia de fonte de luz Schott Fostec - pacote único | Schott Fostec | A08031.40 | Nome no Protocolo: cabo de fonte de luz de fibra óptica |
| GÁS METANO E REGULADOR | |||
| 1/4 OD in. x 20 ft. Bobina de Refrigeração Macia de Cobre | Everbilt | Modelo # D 04020PS | Para pressurizar a bomba de pressão ISCO. Um pacote adicional é necessário para a circulação do líquido de arrefecimento, conforme listado abaixo. Nome no protocolo: alta pressão nominal 1/4" tubo de cobre |
| Regulador de cilindro de metano | Airgas | Y11N114G350-AG | Nome no Protocolo: regulador de cilindro de metano |
| Cilindro de gás metano | Airgas | ME UHP300 | Nome no Protocolo: cilindro de gás metano |
| BOMBA DE PRESSÃO | |||
| 1/4 pol. tubo flexível, ~ 3 pés. | Conecte à entrada da bomba para teste de vazamento Nome no Protocolo: Tubulação flexível de 1/4" | ||
| Bomba de Seringa 260D com Controlador | Teledyne Instruments Inc. | 67-1240-520 | Nome no Protocolo: Controlador da bomba de pressão |
| − Ethernet/USB | Teledyne Instruments Inc. | 62-1240-114 | Compre se quiser instalar o Labview no computador e controlar a bomba de pressão remotamente. Nós não fizemos isso. |
| Tubulação de aço inoxidável 316 sem costura de furo liso, 1/4" OD, espessura de parede de 0,035", 1 pé de comprimento (x5) | McMaster-Carr | 89785K824 | Nome no protocolo: tubo de 1/4" |
| Tubulação de aço inoxidável 316 sem costura de furo liso, 1/8" OD, espessura de parede de 0,02", 1 pé de comprimento (x4) | McMaster-Carr | 89785K811 | Nome no protocolo: tubo |
| de 1/8"Conexão de Tubo Swagelok de Aço Inoxidável, União Redutora, 1/4 pol. x 1/8 pol. Tubo OD (x4) | Swagelok | SS-400-6-2 | Nome no Protocolo: adaptador de 1/8" a 1/4< |
| strong>PRESSURE CELL | |||
| 316 Conjunto de Porca e Virola de Aço Inoxidável (1 Porca/1 Virola Dianteira/1 Virola Traseira) para 1/4 pol. Encaixe de Tubo (20) | Swagelok | SS-400-NFSET | Usado para conexões de encaixe quando necessário Nome no Protocolo: conjunto de ponteiras |
| Mangueira Enrolada (FM) de Aço Inoxidável 316L, 1/4 pol., Trança de Aço Inoxidável 316L, 1/4 pol. Adaptadores de Tubo, 60 pol. (1,5 m) Comprimento | Swagelok | SS-FM4TA4TA4-60 | Conecta a bomba de pressão à célula de pressão Nome no Protocolo: Mangueira flexível de aço inoxidável trançado de 1/4" com classificação de pressão |
| ABAQUS | ABAQUS FEA | Nome no Protocolo: software de simulação | |
| Arruela de Amortecimento Resistente à Abrasão para Tamanho do Parafuso de 7/8", 0.875" ID, 2.25" OD, pacotes de 10 (x1) | McMaster-Carr | 90131A107 | Nome no Protocolo: Arruela de borracha de 2,25" |
| Arruela de Vedação Resistente à Abrasão, Tecido Aramida/Borracha Buna-N, Tamanho do Parafuso de 3/8", 0,625" OD, pacotes de 10 (x1) | McMaster-Carr | 93303A105 | Usado para porta de iluminação |
| Folha de Acrílico | Branco 2447 / WRT31 Extrudado Mascarado por Papel (Translúcido 55% (0,118 x 12 x 12) | Plásticos Interestaduais | ACRW7EPSH | Usinar um círculo de acrílico para caber na câmara interna da célula de pressão para servir como pano de fundo para a geração de imagens Nome no Protocolo: disco acrílico |
| AutoCAD | AutoCAD Nome no Protocolo: software de projeto de engenharia | ||
| Conax fitting | Conax Technologies | 311401-011 | TG(PTM2/)-24-A6-T, OPCIONAL 1/4" NPT Nome no Protocolo: conector de vedação de pressão |
| Transdutores/Transmissores de Pressão Preenchidos com Óleo de Alta Precisão para Aplicações Industriais Gerais (x2) | Omega Engineering, Inc. | PX409-3.5KGUSBH | Compre dois para que haja um backup. Nome no Protocolo: transdutor de pressão |
| CÂMARA DE ALTA PRESSÃO PEÇAS | Wither Tool, Die and Manufacturing Company | Usinagem para peças de células de pressão conforme listado nos desenhos CAD (Figura S1) Nome no Protocolo: Parte B = arruela de aço inoxidável | |
| Parafuso de cabeça cilíndrica de aço inoxidável 316 de alta resistência, rosca M5 x 0,80 mm, 14 mm de comprimento (x20) | McMaster-Carr | 90037A119 | Usado para porta de iluminação |
| Parafuso de cabeça cilíndrica de aço inoxidável 316 de alta resistência, M8 x 1,25 mm de rosca, 25 mm de comprimento (x20) | McMaster-Carr | 90037A133 | Nome no protocolo: Parafusos de aço inoxidável M8 |
| O-Ring Buna-N duro resistente a óleo, largura fracionária de 3/32, número do traço 120, pacotes de 50 (x1) | McMaster-Carr | 5308T178 | Nome no protocolo: O-ring O-Ring |
| duro resistente a óleo Buna-N O-Ring, largura fracionária de 3/32, número do traço 128, pacotes de 50 (x1) | McMaster-Carr | 5308T186 | Nome no protocolo: 1,5 "o-ring |
| Omega Inc. software do transdutor de pressão | Omega Engineering, Inc. | Nome no protocolo: software do transdutor de pressão | |
| Disco de policarbonato | McMaster-Carr | 8571K31 | Listado nos desenhos CAD para porta de iluminação, Fig. S1 Parte E |
| Janelas de safira (x3) | Guild Optical Associates, Inc. | Janela de safira de grau óptico, plano C Diâmetro: 1.811" ±. 005" Espessura: .590" ±. 005" Qualidade da superfície: 60/40 Bordas retificadas e chanfradas de segurança | Compre três para que haja dois backups. Nome no Protocolo: janela de safira |
| Fio de termopar sólido Isolamento e revestimento FEP, Tipo K, calibre 24, 50 pés Comprimento (x1) | McMaster-Carr | 3870K32 | Nome no protocolo: termopares |
| Válvula de agulha de castelo integral de aço inoxidável, 0,37 Cv, 1/4 pol. Conexão de Tubo Swagelok, Haste Reguladora (x4) | Swagelok | SS-1RS4 | Dois serão usados para a bomba de pressão também. Nome no Protocolo: Válvulas de agulha de 1/4" |
| Encaixe de Tubo de Aço Inoxidável, Bico Hexagonal, 1/4 pol. NPT Macho (x2) | Swagelok | SS-4-HN | Usado para porta de iluminação |
| Conexão de Tubo Swagelok de Aço Inoxidável, Tee de Ramo Feminino, 1/4 pol. Tubo OD x 1/4 pol. Tubo OD x 1/4 pol. NPT Feminino (x2) | Swagelok | SS-400-3-4TTF | Usado com transdutor de pressão Nome no Protocolo: encaixe em T de ramificação Encaixe |
| Tubo Swagelok de Aço Inoxidável, Conector Macho, 1/4 pol. Tubo OD x 1/4 pol. NPT Macho (x4) | Swagelok | SS-400-1-4 | Usado na porta superior e na porta lateral que leva às válvulas de agulha Nome no Protocolo: Parafusos NPT |
| Conexão de Tubo Swagelok de Aço Inoxidável, Conector de Porta, 1/4 pol. Tubo OD (x8) | Swagelok | SS-401-PC | Use como conexões de tubo entre conexões NTP e válvulas Nome no Protocolo: conector de porta |
| encaixeTANK | |||
| 1/4 OD in. x 20 ft. Bobina de Refrigeração Macia de Cobre | Everbilt | Modelo # D 04020PS | Para circulação de refrigerante Nome no Protocolo: Tubo de cobre de 1/4" |
| Aquário de 10 galões | Tetra | Nome no Protocolo: Tanque de 10 galões | |
| 2 oz. Waterweld | J-B Weld | Modelo # 8277 | Nome no Protocolo: selante subaquático |
| 3 in. x 25 ft. Isolamento de Tubo de Fibra de Vidro com Revestimento Foil | King | Modelo # SP42X/16 | Para envolver em torno de aquário Nome no Protocolo: fibra de vidro revestida com folha |
| 3/8 7/8 in. Braçadeira de Mangueira de Aço Inoxidável (pacote com 10) | Everbilt | Modelo # 670655E | Nome no Protocolo: braçadeiras de mangueira de acionamento por verme |
| Isopor | Nome no Protocolo: material isolante | ||
| FERRAMENTAS | |||
| 1-1/8 pol. Cortador de Tubo de Catraca | Husky | Modelo # 86-036-0111 | |
| 1/2 pol. a 1 pol. Cortador de Tubos | Apollo | Modelo # 69PTKC001 | |
| Chave ajustável (x2) | Modelo de núcleo de aço | # 31899 | Precisa de duas chaves com mandíbula de pelo menos 1 " |
| Conjunto de chaves Allen | Depot | ||
| Fita | Nome no Protocolo: fita adesiva | ||
| Tubo flexível, como uma linha IV, para caber na extremidade da sonda grainger (cânula) | Nome no Protocolo: IV tubo | ||
| Grainger Sonda de calibre 18 | Grainger | Para inserir gotículas Nome no Protocolo: cânula | |
| Graxa de Alto Vácuo | Dow corning | Aplique aos anéis de vedação antes de inserir a janela de safira Nome no Protocolo: graxa a vácuo | |
| Klein Tools Professional 90 Graus 4-em-1 Dobrador de Tubos | Klein Tools | Modelo # 89030 | Nome no Protocolo: dobrador de tubos |
| Líquido Snoop detector de vazamento | Swagelok | MS-SNOOP-8OZ | Para detectar vazamentos quando pressurizado quando metano Nome no Protocolo: detector de vazamento de líquido |
| Ventosa | Home Depot | Para remover janela de safira de encaixe apertado Nome no Protocolo: ventosa | |
| Fita | Nome no Protocolo: fita de encanador | ||
| Fita Isolante Temflex 3/4 pol. x 60 pés. 1700 Preto | 3M | Modelo # 1700-1PK-BB40 | Nome no protocolo: fita isolante |
Referências
- Bohrmann, G., Torres, M. E. Gas hydrates in marine sediments. Marine Geochemistry. Schulz, H. D., Zabel, M. , Springer. Heidelberg, Germany. 481-512 (2006).
- Ruppel, C. D., Kessler, J. D. The interaction of climate change and methane hydrates. Reviews of Geophysics. 55 (1), 126-168 (2017).
- Hammerschmidt, E. G.
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Reimpressões e permissões
