Методическая статья

Кристаллизация гидрата метана на каплях воды

2.3K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/62686

⸱

26 мая 2021 г.

 ,  ,  ,  , 
1Earth and Atmospheric Sciences, Georgia Institute of Technology, 2Civil and Environmental Engineering, Georgia Institute of Technology

В этой статье

Краткое содержание

Описан способ образования газового гидрата на каплях воды для изучения влияния различных ингибиторов, промоторов и субстратов на морфологию кристаллов гидрата.

Аннотация

В данной работе описан способ образования оболочек гидрата метана на каплях воды. Кроме того, он предоставляет чертежи для ячейки давления, рассчитанной на рабочее давление 10 МПа, содержащую ступень для сидячих капель, сапфировое окно для визуализации и преобразователи температуры и давления. Напорный насос, подключенный к метановой газовой баллоне, используется для создания давления в ячейке до 5 МПа. Система охлаждения представляет собой резервуар объемом 10 галлонов (37,85 л), содержащий 50% раствор этанола, охлаждаемый с помощью этиленгликоля через медные катушки. Эта установка позволяет наблюдать за изменением температуры, связанным с образованием и диссоциацией гидратов во время охлаждения и разгерметизации, соответственно, а также визуализировать и фотографировать морфологические изменения капли. При этом методе наблюдалось быстрое гидратное образование оболочки при ~-6 °C до -9 °C. Во время разгерметизации наблюдалось падение температуры от 0,2 °C до 0,5 °C на кривой стабильности давления/температуры (P/T) из-за диссоциации экзотермических гидратов, подтвержденное визуальным наблюдением за плавлением в начале перепада температур. «Эффект памяти» наблюдался после репрессуризации до 5 МПа с 2 МПа. Эта экспериментальная конструкция позволяет контролировать давление, температуру и морфологию капли с течением времени, что делает его подходящим методом для тестирования различных добавок и субстратов на гидратную морфологию.

Введение

Газовые гидраты представляют собой клетки водородно-связанных молекул воды, которые захватывают молекулы гостевого газа посредством взаимодействий Ван-дер-Ваальса. Гидраты метана образуются в условиях высокого давления и низкой температуры, которые встречаются в природе в подповерхностных отложениях вдоль континентальных окраин, под арктической вечной мерзлотой и на других планетарных телах Солнечной системы1. Газовые гидраты хранят несколько тысяч гигатонн углерода, что имеет важное значение для климата и энергетики2. Газовые гидраты также могут быть опасными в газовой промышленности, потому что в газопроводах возникают благоприятные условия для гидратов, которые могут засорять трубы, что приводит к смертельным взрывам и разливам нефти3.

Из-за сложности изучения газовых гидратов in situчасто используются лабораторные эксперименты для характеристики гидратных свойств и влияния ингибиторов и субстратов4. Эти лабораторные эксперименты проводятся путем выращивания гидрата газа при повышенном давлении в клетках различных форм и размеров. Усилия по предотвращению образования газовых гидратов в газопроводах привели к открытию нескольких химических и биологических ингибиторов газогидрата, включая белки антифриза (AFP), поверхностно-активные вещества, аминокислоты и поливинилпирролидон (PVP)5,6. Чтобы определить влияние этих соединений на свойства гидрата газа, в этих экспериментах использовались различные конструкции сосудов, включая автоклавы, кристаллизаторы, перемешиваемые реакторы и качающиеся ячейки, которые поддерживают объемы от 0,2 до 10кубических сантиметров4.

Метод сессильной капли, используемый здесь и в предыдущих исследованиях7,8,9,10,11,12, включает образование газогидратной пленки на сессильной капле воды внутри ячейки давления. Эти сосуды изготовлены из нержавеющей стали и сапфира для размещения давления до 10-20 МПа. Ячейка соединена с метановым газовым баллоном. В двух из этих исследований использовался капельный метод для тестирования АФП в качестве ингибиторов газогидрата по сравнению с коммерческими кинетическими ингибиторами гидрата (KHI), такими как PVP7,11. Bruusgard et al.7 сосредоточились на морфологическом влиянии ингибиторов и обнаружили, что капли, содержащие AFP типа I, имеют более гладкую, стекловидную поверхность, чем дендритная поверхность капель без ингибиторов при высоких движущих силах.

Udegbunam et al.11 использовали метод, разработанный для оценки KHIs в предыдущем исследовании10,который позволяет анализировать морфологию / механизмы роста, равновесную температуру / давление гидрат-жидкость-пар и кинетику в функции температуры. Jung et al. изучали замену CH4-CO2 путем затопления клетки CO2 после формирования гидратной оболочкиCH4 8. Chen et al. наблюдали созревание Оствальда по мере того, как гидратная оболочка образует9. Espinoza et al. изучали гидратные оболочкиCO2 на различных минеральных субстратах12. Капельный метод является относительно простым и дешевым методом определения морфологического действия различных соединений и субстратов на газовые гидраты и требует небольшого количества добавок из-за небольшого объема. В данной работе описан способ формирования таких гидратных оболочек на капле воды с использованием ячейки из нержавеющей стали с сапфировым окном для визуализации, рассчитанной на рабочее давление до 10 МПа.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

1. Проектирование, проверка и механическая машина напорной ячейки.

  1. Спроектируйте клетку, чтобы обеспечить прямую визуализацию образования гидрата из капли воды. Убедитесь, что ячейка имеет основную камеру с просвечим сапфировым окном и четырьмя портами для ввода жидкости / газа, выхода, света и проводов(рисунок 1). Создание окончательного проекта в программном обеспечении инженерного проектирования(Дополнительный рисунок S1).
  2. Чтобы проверить, что ячейка давления безопасна при рабочем высоком давлении, проведите анализ конечных элементов с использованием программного обеспечения для моделирования.
    1. Введите полноразмерную модель ячейки давления из программного обеспечения для инженерного проектирования в программное обеспечение для моделирования.
    2. Назначьте модуль Юнга 400 ГПа и коэффициент Пуассона 0,29 к сапфировой окну.
    3. Для всех деталей из нержавеющей стали назначьте нержавеющую сталь 316 с модулем Юнга 190 ГПа и коэффициентом Пуассона 0,27.
    4. Пошагово применяйте давление воздуха от 0 до 1, 2, 3, 4 5, 6, 7, 8, 9 и 10 МПа на внутреннюю часть ячейки(Дополнительное видео S1 и Дополнительное видео S2). Рассматривайте каждый шаг загрузки как статическую задачу, игнорируя зависящие от времени термины в управляющих уравнениях и рассматривая только упругую деформацию во время надавливания.
    5. Используйте решатель прямых линейных уравнений в программном обеспечении для моделирования для расчета распределения напряжений и деформации ячейки при различных условиях давления(Дополнительная таблица S1 и Дополнительная таблица S2).
  3. После того, как конструкция ячейки давления будет проверена на безопасность, обработать все детали на основе программного обеспечения для инженерного проектирования.

2. Соберите ячейку давления(рисунок 1).

  1. Вкрутите четыре резьбы National Pipe Tapered (NPT) в соответствующие порты на напорной ячейке с помощью ленты сантехника.
  2. Соберите порт освещения, используя чертеж(дополнительный рисунок S1,части C, D и E) и подключите к верхнему левому винту NPT.
  3. Подключите датчик давления к верхнему порту NPT с помощью фитинга тройника и соединительного разъема.
  4. Подключите впускной игольчатый клапан в левом боковом винте NPT с помощью соединительной арматуры.
  5. Установите разъем уплотнения давления в правый боковой порт напорной ячейки. Вставьте три провода термопары типа K через разъем уплотнения давления с 3-дюймовым провисание внутри ячейки и 3-дюймовым провисателем снаружи ячейки.
  6. Отполировать поверхность сцены наждачной наждачной(Дополнительный рисунок S1,часть F).
  7. Вставьте термопары в соответствующие отверстия в сцене так, чтобы наконечники были вровень с верхней частью сцены. Используйте небольшую каплю клея в каждом отверстии, чтобы закрепить термопары на месте и дать им высохнуть.
  8. Подогнать акриловый диск к задней стенке нажимной ячейки для усиления отражения света. Подогнать ступень в ячейку давления.
  9. Установите сапфировое окно.
    1. Нанесите вакуумную смазку на два статических уплотнительных кольца (одно 1" и одно 1-1/5"). Вставить уплотнительными кольцами в пазы вокруг оконного отверстия на нажимной ячейке.
    2. Вставьте сапфировое окно. Накройте сапфировое окно резиновой шайбой 2-1/4" и винтом на шайбе из нержавеющей стали(Дополнительный рисунок S1,часть B) с помощью восьми винтов из нержавеющей стали M8(Рисунок 2C).

3. Соберите оборудование в большой вытяжной капот(рисунок 2).

ПРИМЕЧАНИЕ: Поскольку метан является легковоспламеняющимся газом под давлением, держите все связанные с метаном трубки и сосуды подальше от тепла, искр, открытого пламени и горячих поверхностей. Установите все оборудование в хорошо проветриваемом помещении (например, вытяжной вытяжке). Надевайте защитные очки и лабораторное покрытие перед работой с газом метаном.

  1. Осторожно поднимите напорный насос в вытяжной капот, достаточно большой, чтобы все оборудование можно было вместить(рисунок 2А). Поместите контроллер насоса поверх основания насоса. Подключите контроллер насоса к насосу и подключите его к разветвителю питания.
  2. Запустите медную трубу высокого давления 1/4" от регулятора на баллоне с метановым газом до вытяжного капота рядом с входом насоса давления(рисунок 2A,B).
  3. Поместите регистратор данных рядом с насосом давления и установите ноутбук на регистратор данных(рисунок 2A). Подключите оба разъема к разветвительу питания. Подключите регистратор данных к ноутбуку через USB-накопитель данных.
  4. На ноутбуке установите соответствующее программное обеспечение для управления регистратором данных, камерой и датчиком давления на ячейке давления.
  5. Установите аквариум рядом с регистратором данных и поместите невыщелачивающую прокладку в нижней части аквариума, чтобы ограничить вибрации в ячейке давления(рисунок 2C).
  6. Используя новую медную трубу 1/4 дюйма, дважды обмяните медную трубу в овал, чтобы поместиться в аквариуме, оставив место для ячейки давления, чтобы сидеть внутри(рисунок 2D). Убедитесь, что катушка не блокирует сапфировое окно в ячейке давления. Поднимите ячейку давления в аквариуме, чтобы увидеть сапфировое окно.
  7. Поместите циркуляционый чиллер на пол возле вытяжного шкафа(рисунок 2А). Наполните чиллер 50/50 в/в этиленгликоля/воды.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Поскольку этиленгликоль опасен, используйте соответствующую защитную одежду, включая перчатки, лабораторное пальто и очки при заливке.
  8. Вырежьте две длины пластиковой трубки 3/8" (внутренний диаметр), чтобы соединить входное и выходное отверстие чиллера с концами медной трубы в аквариуме. Убедитесь, что перед резкими изоляция пенопластовых труб будет достаточно слабиной.
  9. Проведите пластиковую трубку через изоляцию пенопластовой трубы.
  10. Подключите изолированную пластиковую трубку от входного и выходного отверстий на циркулирурующую чиллер к концам медной катушки внутри аквариума. Закрепите уплотнения, обернув ленту сантехника вокруг металлических деталей и затянув соединения с помощью зажимов шлангов червячного привода. Включите чиллер и настройте его на циркуляцию на высокой скорости. Убедитесь, что нет утечек.
  11. Нанесите подводный герметик вокруг медной катушки / пластиковых труб внутри аквариума. Дайте герметику отверждиться. Оберните герметик клейкой лентой.
  12. Установка напорных насосных трубок(рисунок 2E).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Всегда затягивайте соединения вручную перед использованием инструментов и никогда не отсоеживайте соединения NPT с помощью ленты сантехника, потому что они не будут хорошо запечатываться.
    1. Установите трубу из нержавеющей стали 1/8" по обе стороны от напорного насоса с помощью фитингов компании, которые поставлялась с насосом, используя ленту сантехника(рисунок 2F).
    2. С помощью трубогиба сгибайте трубу на 1/8 дюйма вперед под углом 90°, примерно на 2 дюйма от насоса, чтобы избежать изгиба при соединении.
    3. С помощью трубогиба согните трубу на 1/8 дюйма вниз под углом 90°, примерно на 2 дюйма от первого изгиба.
    4. Прикрепите адаптер 1/8" к 1/4" адаптеру к трубе 1/8" с обеих сторон(рисунок 2G).
    5. Прикрепите 1/4" трубу к переходному фитингу с обеих сторон.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Чтобы прикрепить клапан к боковой части насоса, обрежьте трубку 1/4" таким образом, чтобы прикрепленный клапан расположился рядом с двумя отверстиями для винтов.
    6. Установите игольчатые клапаны 1/4"(рисунок 2H). При прикреплении клапанов к напорному насосу машина со стальной или пластиковой пластиной с двумя отверстиями 1/16" для винтов и одним отверстием 1/2" для крепления между соединениями игольчатого клапана. Вставьте пластину между соединениями клапанов и прикрутите пластину к боковой части насоса.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Убедитесь, что стрелки на игольчатых клапанах указывают от высокого давления (внутри напорного насоса) к низкому давлению (снаружи насоса давления).
    7. Подключите один конец 1/4-дюймового плетеного шланга из нержавеющей стали с номинальным давлением к выпускному клапану на напорном насосе, а другой конец к боковому клапану ячейки давления.
    8. Подключите термопары от ячейки давления к каналам регистратора данных с помощью многоканального регистратора данных. Подключите дополнительный провод термопары для измерения температуры раствора резервуара и поместите другой конец в резервуар.
    9. Подключите датчик давления на ячейке давления к ноутбуку.
    10. Установите ячейку давления внутри аквариума, близко к передней части, для более четкого изображения.
  13. Чтобы изолировать аквариум, оберните внешнюю часть аквариума стекловолокном с фольгой, с отверстием / щелью для камеры, чтобы увидеть сапфировое окно ячейки давления. Накройте верхнюю часть аквариума изоляционным материалом, чтобы предотвратить испарение во время экспериментов.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Избегайте плотного уплотнения верхней части аквариума, чтобы избежать накопления тепла от источника света.
  14. Чтобы предотвратить конденсацию влажного воздуха на передней части аквариума, запустите пластиковые трубки от ближайшего воздушного клапана к передней части аквариума, куда будет направлена камера, чтобы трубка не была видна на фотографиях.
  15. Установите блок источника света рядом с аквариумом и подключите его к разветвелю питания.
  16. Установите камеру перед аквариумом, объектив которого направлен в сторону сапфирового окна. Подключите камеру к ноутбуку и разветвитель питания.
  17. Поднимите всю электронику с поверхности капота, чтобы предотвратить потенциальную утечку. Дважды проверьте, что питание распределяется по мощности розеток.

4. Протечка -испытание напорной ячейки с водой.

ПРИМЕЧАНИЕ: Для обеспечения надлежащей герметизации всех соединений проверьте на герметичность напорной ячейки с водой в любое время, когда ячейка была вновь собрана, особенно после отсоединения винтов ДНЯО. Это не обязательно после снятия сапфирового окна или верхнего клапана. Вода безопаснее под давлением, чем газ.

  1. Откройте программное обеспечение датчика давления на ноутбуке и начните сбор данных с интервалом сканирования 1 с.
  2. Включите насос давления и контроллер. Нажмите Насос A на контроллер насоса давления, чтобы контролировать давление.
  3. Если в насосе есть давление, уменьшите давление, нажав Refill на контроллере насоса давления, пока впускной и выпускной клапаны насоса все еще закрыты.
  4. Открыв оба клапана напорной ячейки, слегка откройте выпускной клапан насоса на ~1/16 дюйма, чтобы медленно освободить оставшееся давление.
  5. При подключении отсоедините медную трубу 1/4" от впускного клапана на напорном насосе.
  6. Прикрепите гибкую трубку 1/4" к впускному клапану насоса с помощью набора гаек и наконечников. Поместите конец трубки в галлон воды.
  7. Закройте выпускной клапан насоса и откройте впускной клапан насоса.
  8. Нажмите Refill на контроллере насоса давления, чтобы заполнить поршень насоса водой.
  9. Установите ячейку давления в неглубокий пустой контейнер за пределами аквариума.
  10. Выдувайте воздух из ячейки давления до тех пор, пока вода не выйдет из верхнего порта и полностью не заполнит ячейку давления.
    1. Закройте впускной клапан насоса и откройте выпускной клапан насоса.
    2. Убедитесь, что клапаны на напорной ячейке все еще открыты.
    3. Установите максимальный (максимальный) расход на 100 мл/мин: на регуляторе напорного насоса нажмите Пределы; нажмите 3 для максимального расхода; нажмите 1, чтобы установить максимальный расход; перфоратор в 100; Нажмите клавишу ВВОД.
    4. Нажмите клавишу D, чтобы принять доступ к предыдущей странице.
    5. Установите постоянный расход на 100 мл/мин: на контроллере напорного насоса нажмите Const Flow; нажмите A для получения расхода; перфоратор в 100; Нажмите клавишу ВВОД. Нажмите кнопку Выполнить.
    6. Если вода не выходит или если объем в поршне недостаточный, снова заправляйте поршень, закрыв выпускной клапан насоса, открыв впускной клапан насоса с трубкой в воде и нажимая «Пополнить». Затем продувку воздуха, закрыв впускной клапан насоса, открыв выходной клапан насоса, установив скорость потока на 100и нажав Run.
    7. Как только вода выйдет из верхнего порта напорной ячейки, проверьте наличие утечек и затяните любые протекающие соединения. Нажмите кнопку Стоп. Закройте выпускной (верхний) клапан ячейки давления.
  11. Давление в ячейке давления.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Надевайте защитные очки перед надавливанием на напорной ячейки.
    1. Установите максимальный предел расхода на 10 мл/мин для предотвращения быстрого наддувочного давления в ячейке: на контроллере насоса давления нажмите Пределы; нажмите 3 для максимального расхода; нажмите 1, чтобы установить максимальный расход; перфоратор в 10; Нажмите клавишу ВВОД.
    2. Давление в ячейке до 100 кПа: на контроллере напорного насоса нажмите Const Press; нажмите клавишу A; перфоратор в 100; Нажмите клавишу ВВОД. Нажмите кнопку Выполнить.
    3. Проверьте наличие утечек. Если есть утечка, нажмите Stop на контроллере насоса, затяните протекающие компоненты, нажмите Runи повторяйте до тех пор, пока не покинется утечки при 100 кПа. Убедитесь в отсутствии утечек, закрыв выпускной клапан насоса и контролируя давление в ячейке давления в программном обеспечении датчика давления.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Если давление постоянно снижается и не является нормальным колебанием из-за изменения комнатной температуры, происходит утечка.
    4. Увеличивайте давление с шагом 50 кПа со 100 кПа до 500 кПа, затем с шагом 100 кПа с 500 кПа до 1000 кПа и, наконец, с шагом ~1000 кПа с 1000 кПа до ~1000 кПа. Для этого измените настройку Const Press, как и раньше. Между настройками давления закройте выпускной клапан насоса и контролируйте давление в ячейке, как и раньше, чтобы убедиться, что давление постоянное. Если давление падает, тщательно затяните протекающие компоненты.
  12. Достигнув 10 000 кПа, закройте выпускной клапан насоса и посмотрите, насколько хорошо ячейка давления удерживает давление в соответствии с датчиком давления. Поскольку постоянное падение давления указывает на утечку, затягивайте соединения при более низком давлении, ~1000 кПа.
  13. Для разгерметизации откройте выпускной клапан насоса и установите давление на 100 кПа. Как только давление стабилизируется, слегка откройте выпускной клапан ячейки давления.
  14. Чтобы удалить воду из напорного насоса, закройте впускной клапан насоса, измените настройки максимального расхода и const Flow на 100 мл/мини нажмите кнопку Run до тех пор, пока насос не опустеет.
  15. Отсоедините гибкую трубку 1/4" от входного входа насоса. Отсоедините плетеный шланг из нержавеющей стали от напорной ячейки. Откройте оба клапана и слейте воду. Снимите сапфировое окно, чтобы ячейка полностью высохла.

5. На поверхности капель образуется оболочка гидрата метана.

  1. Подготовьте оборудование.
    1. Подключите регулятор метанового цилиндра к насосу с помощью медной трубы 1/4 дюйма с помощью нового набора гаек и наконечников. Убедитесь, что газовый баллон закрыт.
    2. Практикуйте технику введения капель.
      1. Приклейте гибкий наконечник, такой как трубка IV, разрезанный под углом к концу канюли, чтобы помочь направить каплю к сапфировой окну. Прикрепите шприц объемом 1 мл к канюле и втяните нужный объем деионизированной воды (~50-300 мкл). Без прикрепленного игольчатого клапана или сапфирового окна вставьте конец канюли в верхний порт и потренируйтесь выталкивать каплю на центральную сцену. После отработки введения капель удалите каплю и высушите стадию.
        ПРИМЕЧАНИЕ: В этом протоколе в шприц брали 250 мкл деионизированной воды.
    3. Прикрепите сапфировое окно и шайбы с помощью винтов M8. Подключите плетеный шланг из нержавеющей стали от напорного насоса к напорной ячейке и дважды проверьте, что все соединения от газового баллона к напорной ячейке гермеи. Откройте впускной клапан напорной ячейки (боковой клапан) и установите ячейку давления в аквариуме. Вставьте оптоволоконный кабель источника света в порт освещения напорной ячейки.
    4. Добавьте 50/50 этанола/воды (v/v) в аквариум до тех пор, пока он не выровняется с верхней частью напорной ячейки, чуть ниже соединения источника света. Убедитесь, что поток вытяжки включен. Когда уровень раствора упадет до будущих испытаний в последующие недели, добавьте больше этанола. Заменяйте раствор ежемесячно.
    5. Установите чиллер на температуру, которая достигнет от ~0 °C до 3 °C внутри ячейки (~-4 °C) и начните циркулировать через катушки. Включите воздушный поток к передней части аквариума, чтобы предотвратить конденсацию на поверхности аквариума.
    6. Запустите журнал температуры в программном обеспечении регистратора данных. Установите интервал сканирования равным 30 с. Подождите, пока температура внутри ячейки давления не стабилизируется при 2 °C (~6-24 ч).
  2. Добавьте каплю воды в ячейку давления с помощью вида камеры на ноутбуке.
    1. Включите источник света до ~80%. Откройте программное обеспечение камеры. В режиме реального времени сфокусировать объектив камеры на внутренней камере ячейки. Отрегулируйте источник света для получения наилучшего изображения.
    2. Запустите новый журнал температуры с интервалом сканирования 1 с.
    3. Если он прикреплен, отсоедините выпускной игольчатый клапан в верхнем порту напорной ячейки. Прикрепите шприц объемом 1 мл к канюле и втяните нужный объем деионизированной воды (~50-300 мкл).
      ПРИМЕЧАНИЕ: В этом протоколе в шприц втягивалось 250 мкл деионизированной воды.
    4. Вставьте канюлю через верхний порт, пока наконечник не будет виден в программном обеспечении камеры в режиме Live View. Выталкиваем каплю жидкости из шприца над центральной термопарой. Повторно подключите игольчатый клапан.
  3. Сфокусировать камеру на капле в ячейке давления. Начинайте покадровую съемку каждые ~60 с.
  4. Откройте программное обеспечение датчика давления на ноутбуке и начните сбор данных на графике и в журнале данных с интервалом сканирования 1 с (таким же, как интервал сканирования температуры). Подождите, пока температура капель не стабилизируется в диапазоне 0-3 °C.
  5. Давление в ячейке давления до нужного давления.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Надевайте защитные очки перед надавливанием на ячейку.
    1. Включите насос и контроллер. Закройте впускной клапан напорного насоса.
    2. Откройте выпускной клапан насоса и клапаны напорной ячейки.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Впускной клапан ячейки давления всегда должен быть открыт.
    3. Подожмите давление насоса, нажав Zero на контроллер насоса давления. Выберите Насос A на контроллере насоса давления, чтобы контролировать давление.
    4. Убедитесь, что напорный насос пуст, если в насосе присутствовала другая жидкость, кроме газа метана. Для этого задав значение максимального расхода и const Flow на 100 мл/мин и нажав кнопку Run. Оставьте его работающим до тех пор, пока насос не опустеет. Закройте выпускной клапан насоса и откройте впускной клапан насоса.
    5. Откройте газовый баллон и установите регулятор газового баллона на 1000 кПа.
    6. Нажмите «Пополнить» на контроллере насоса давления. Когда насос заполняется и приближается к 1000 кПа, закройте впускной клапан насоса и газовый баллон.
    7. Слегка приоткрытый (~1/16" оборот) выпускной клапан насоса к ячейке. Контролируйте давление в ячейке давления в программном обеспечении датчика давления, так как давление может снизиться из-за относительно более низкой температуры в ячейке давления.
    8. Установите максимальный расход на 10 мл/мин:на контроллере насоса давления нажмите Пределы; нажмите 3 для максимального расхода; нажмите 1, чтобы установить максимальный расход; перфоратор в 10; Нажмите клавишу ВВОД.
    9. Установите максимальное давление на 5 000 кПа:на контроллере насоса давления нажмите Пределы; нажмите 1; перфоратор в 5000; Нажмите клавишу ВВОД.
    10. Установите постоянное давление на 1 000 кПа:на контроллере насоса давления нажмите Const Press; нажмите клавишу A; перфоратор в 1000; Нажмите клавишу ВВОД. Нажмите кнопку Выполнить.
    11. Когда будет достигнуто 1 000 кПа, нажмите «Стоп» на контроллере насоса и закройте выпускной клапан насоса. Контролируйте давление в ячейке давления, чтобы убедиться в отсутствии утечек. Если давление падает, используйте течеискатель жидкости, чтобы найти утечку в соединениях и тщательно затянуть протекающие компоненты.
    12. Если ячейка стабильна, откройте выходное отверстие насоса и установите Const Press на 2 000 кПа. Нажмите Стоп и монитор. Если он стабилен при 2 000 кПа, установите const Press значение 3 000 кПа. Нажмите Стоп и монитор. Если он стабилен на уровне 3 000 кПа, установите значение Const Press на 4 000 кПа. Нажмите Стоп и монитор. Если он стабилен на уровне 4 000 кПа, установите const Press значение 5 000 кПа. Нажмите Стоп и монитор.
    13. Если давление стабильное, закройте выходное отверстие насоса.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Если объем насоса иссяк, закройте выходное отверстие насоса и слегка приоткройте вход насоса. Медленно откройте газовый баллон и установите газовый регулятор на 1000 кПа. Нажмите «Пополнить» на контроллере насоса. Когда насос будет заправлен, закройте газовый баллон и впускное отверстие насоса. Давление в насосе соответствует давлению в ячейке давления.
    14. Подождите ~ 12-24 ч, пока газ пронимет каплю.
  6. Зародышите гидратную оболочку с помощью сухого льда.
    1. Переключайте покадровую съемку, чтобы делать снимки каждые 2-5 с.
    2. Добавьте сухой лед в верхнюю часть клетки, пока гидратная оболочка не будет видна в замедленной съемке. Если сухой лед скользит, прикрепите ленту вокруг верхней части ячейки.
  7. Наблюдайте за ходом образования гидрата метана с помощью покадровых фотографий в течение ~2-6 ч.
  8. Разгерметизируйте ячейку до 2000 кПа, открыв выходное отверстие насоса и установив Const Press на 2000 кПа. Обратите внимание, когда происходит плавление.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Пузырьки в капле может произойти из-за выхода растворенного газа.
  9. Через ~ 30 мин репрессуйте ячейку давления до 5000 кПа, чтобы наблюдать эффект памяти. Обратите внимание, когда гидратная оболочка начинает реформироваться. Дайте оболочке сформироваться в течение ~30 мин до 2 ч.
  10. Разгерметизируйте ячейку, открыв выходное отверстие насоса и установив Const Press на 0 кПа. Если в ячейке давления есть остаточное давление, слегка откройте верхний клапан ячейки давления на ~1/16".
  11. Сохраняйте данные о давлении и температуре в виде .csv файлов.
  12. Удалите каплю, удалив верхний клапан ячейки давления, как и раньше, и извлеките каплю с помощью шприца / канюли / внутривенной трубки. Если есть опасения по поводу загрязнения между испытаниями, снимите сапфировое окно и продезинфицируйте сцену и замените вакуумную смазку. Используйте присосу, чтобы удалить сапфировое окно, как только ячейка давления нагреется до комнатной температуры.

6. Проанализируйте данные.

  1. Откройте файлы .csv температуры и давления.
  2. Создать новую электронную таблицу. Скопируйте столбцы времени и давления из .csv давления, а также время и температуру из файла температуры .csv в новую электронную таблицу.
  3. Сделайте точечный график со временем по оси X и двумя осями Y с температурой и давлением(Дополнительный рисунок S2).
  4. Сделайте еще две колонки для кривой устойчивости гидрата. В первой колонке введите температуры от 273,15 К до ~279,15 К с интервалом 0,1 К. Во втором столбце рассчитайте давление, используя формулу (1) из Sloan & Koh13.
    P [кПа] = exp(a+b/T [K]), где a = 38,98 и b = -8533,80 (1)
  5. Сделайте диаграмму рассеяния границы устойчивости гидрата с температурой (K) по оси x и давлением (kPa) по оси Y. Добавить второй ряд на точечном графике с экспериментальной температурой и давлением на осях x и y соответственно(рисунок 4).
  6. Обратите внимание на графики, где гидратная оболочка стала видимой, согласно покадровой визуализации.

7. Техническое обслуживание оборудования.

  1. Перед каждым испытанием заправляйте раствор в резервуаре этанолом, чтобы заменить испарившуюся этанол. Полностью заменяйте раствор в баке ежемесячно.
  2. Меняйте уплотнительным кольцам и резиновой шайбе каждые 2 месяца регулярного использования.
  3. Замените портовые соединения, если происходит постоянная утечка, которая не фиксируется затягивания.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

С помощью этого метода оболочка газогидрата на капле может контролироваться визуально через сапфировое окно ячейки давления и с помощью датчиков температуры и давления. Для нуклеации гидратной оболочки после давления до 5 МПа сухой лед может быть добавлен в верхнюю часть ячейки давления, чтобы вызвать тепловой удар, чтобы вызвать быструю кристаллизацию гидрата. Существует явная морфологическая разница при образовании гидратной оболочки сухим льдом. Капля воды переходила от гладкой, отражающей поверхности

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Мы разработали метод безопасного формирования оболочек гидрата метана на каплях воды и совместно использовать этот метод для машины и сборки ячейки давления, рассчитанной на рабочее давление 10 МПа, а также для систем герметизации и охлаждения. Напорная ячейка оснащена ступенью для капли, содержащей встроенные термопары, сапфировым окном для визуализации капли и датчиком давления, закрепленным в верхней части ячейки. Система охлаждения включает охлажденный этиленгликоль, циркулирующий через медные катушки в резервуаре с ...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Нет конкурирующих финансовых интересов.

Благодарности

Грант NASA Exobiology 80NSSC19K0477 финансировал это исследование. Мы благодарим Уильяма Уэйта и Николаса Эспинозу за ценные обсуждения.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
CAMERA И LAPTOP
Camera BodyNikonD7200Название в протоколе: camera
Control Pro 2 SoftwareНазвание в протоколе: программное обеспечение камеры
Laptop HP Pavilionhp-pavilion-laptop-14-ce0068stДолжен быть ПК с большим объемом памяти (~ 1 Tb)
Имя в протоколе: ноутбук
Объектив для макросъемкиNikonAF-S MICRO 105mm f/2.8G IF-ED Названиеобъектива в протоколе: lens
CONSUMABLES
Deionized waterНазвание в протоколе: DI water
Dry IceVWR или в продуктовом магазинеКупить непосредственно перед зарождением
Название в протоколе: сухой лед
ЭтанолНазвание в протоколе: этанол
ЭтиленгликольНазвание в протоколе: этиленгликоль
COOLING SYSTEM
1/2 in. O.D. x 3/8 in. I.D. x 25 ft. Полиэтиленовая трубкаEverbiltModel # 301844Для циркуляции охлаждающей жидкости из чиллера в медные змеевики в аквариуме
Название в протоколе: 3/8" (внутренний диаметр) пластиковая трубка
Циркуляционный чиллерPolyscienceНаименование в протоколе: чиллер
Экономичный гибкий пенополиэтилен Изоляция трубMcMaster-Carr4530K162толщина стенки 3/4 дюйма; внутренний диаметр 1/2 дюйма; Значение R 3; 6' длинный<бр/> Наименование в протоколе: изоляция труб из пенопласта
Используйтелюбую трубку, которая подходит к воздушному соединению в лаборатории и достаточно длинная, чтобы пройти от авиационного соединения до передней части
аквариумаDATALOGGER
Модуль мультиплексора якоря для 34970A/
34972A, 20-канальный		Keysight Technologies34901AИмя в протоколе: регистратор данных многоканальный
Benchvue или программное обеспечение BenchlinkBenchvue или BenchlinkИмя в протоколе: программное обеспечение преобразователя
температуры Data Acquisition/Switch Unit. GPIB, RS232Keysight Technologies34970AНазвание в протоколе: регистратор данных
Интерфейс USB/GPIB KeysightTechnologies82357BНазвание в протоколе: регистратор данных USB
регистратор данных многоканальный
Schott Fostec -Llc 20510 Ace Волоконно-оптический источник светаSchott FostecA205003115PS-12W-B20 115 В ~AC 50/60 Гц 5/4,5 Вт<бр/> Название в протоколе: источник света блок
Schott Fostec Источник света направляющая - одиночный пучокSchott FostecA08031.40Наименование в протоколе: оптоволоконный кабель источника света
МЕТАН ГАЗ И РЕГУЛЯТОР
1/4 OD in. x 20 футов. Медный мягкий холодильный змеевикEverbiltМодель # D 04020PSДля нагнетания давления нагнетательным насосом ISCO. Для циркуляции охлаждающей жидкости необходим дополнительный пакет, как указано ниже.
Название в протоколе: высокое давление 1/4" медная труба
Регулятор баллона с метаномAirgasY11N114G350-AGНазвание в протоколе: регулятор баллона с метаном
Баллон с метаномAirgasME UHP300Название в протоколе: баллон с метаном
PRESSURE НАСОС
1/4 in.  гибкая трубка, ~ 3 фута.Подключитесь к входному отверстию насоса для испытания на герметичность
Название в протоколе: 1/4"  гибкий трубчатый
насос 260D Шприцевой насос с контроллеромTeledyne Instruments Inc.67-1240-520Наименование в протоколе: контроллер нагнетательного насоса
& минус; Ethernet/USBTeledyne Instruments Inc.62-1240-114Приобретите, если вы хотите установить Labview на компьютер и управлять насосом давления удаленно. Мы этого не делали.
Гладкоствольная бесшовная трубка из нержавеющей стали 316, внешний диаметр 1/4 дюйма, толщина стенки 0,035 дюйма, длина 1 фут (x5)McMaster-Carr89785K824Название в протоколе: труба 1/4 дюйма
Гладкоствольная бесшовная трубка из нержавеющей стали 316, внешний диаметр 1/8 дюйма, толщина стенки 0,02 дюйма, длина 1 фут (x4)McMaster-Carr89785K811Имя в протоколе: труба
1/8 дюймаТрубный обжимной фитинг Swagelok из нержавеющей стали, переходное соединение, 1/4 дюйма x 1/8 дюйма Наружный диаметр трубы (x4)Swagelok  SS-400-6-2Наименование в протоколе: адаптер от 1/8 дюйма до 1/4 дюйма
PRESSURE CELL
316 Набор гаек и наконечников из нержавеющей стали (1 гайка/1 передний наконечник/1 задний наконечник) для 1/4 дюйма. Трубные обжимные фитинги (20)Swagelok  SS-400-NFSETИспользуется для фитинговых соединений там, где это необходимо
Наименование в протоколе: набор наконечников
316L Гофрированный шланг из нержавеющей стали (FM), 1/4 дюйма, 316L Оплетка из нержавеющей стали, 1/4 дюйма. Трубчатые адаптеры, 60 дюймов (1,5 м) ДлинаSwagelokSS-FM4TA4TA4-60Подключение нагнетательного насоса к напорной ячейке
Название в протоколе: 1/4" плетеный шланг из нержавеющей стали с гибким номинальным давлением
ABAQUSABAQUS FEAНазвание в протоколе: программное обеспечение для моделирования
Износостойкая амортизирующая шайба для размера винта 7/8", внутренний диаметр 0,875 дюйма, внешний диаметр 2,25 дюйма, упаковка по 10 штук (x1)McMaster-Carr90131A107Имя в протоколе: 2,25-дюймовая резиновая шайба
износостойкой уплотнительной шайбой, арамидная ткань / резина Buna-N, размер винта 3/8 дюйма, внешний диаметр 0,625 дюйма, упаковки по 10 (x1)McMaster-Carr93303A105Используется для подсветки порта
Акриловый лист | Белый 2447 / WRT31
Экструдированная бумага-маска (Полупрозрачный 55% (0,118 x 12 x 12)		Interstate PlasticsACRW7EPSHМашинный круг из акрила для установки во внутреннюю камеру ячейки давления в качестве фона для визуализации
Имя в протоколе: акриловый диск
AutoCADAutoCADНазвание в протоколе: программное обеспечение для инженерного проектирования
Conax fittingConax Technologies311401-011TG(PTM2/)-24-A6-T, ОПЦИОНАЛЬНО 1/4" NPT
Наименование в протоколе: разъем уплотнения высокого
давления Высокая точность маслонаполненного давления
Преобразователи/Преобразователи для общего
промышленного применения (x2)		Omega Engineering, Inc.PX409-3.5KGUSBHКупите два, чтобы был резервный.
Название в протоколе: преобразователь давления
КАМЕРА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ  ДЕТАЛИИнструмент для сушки, штамп и производственная компанияОбработка деталей ячеек давления, как указано в чертежах CAD (Рисунок S1)
Название в протоколе: Часть B = шайба из нержавеющей стали
Высокопрочный винт с торцевой головкой из нержавеющей стали 316, резьба M5 x 0,80 мм, длина 14 мм (x20)McMaster-Carr90037A119Используется для порта подсветки
Высокопрочный винт с торцевой головкой из нержавеющей стали 316, Резьба M8 x 1,25 мм, длина 25 мм (x20)McMaster-Carr90037A133Название в протоколе: винты M8 из нержавеющей стали
Маслостойкое уплотнительное кольцо Hard Buna-N, ширина дробного 3/32, тире No 120, упаковки по 50 штук (x1)McMaster-Carr5308T178Название в протоколе: 1-дюймовое уплотнительное кольцо
маслостойкое твердое уплотнительное кольцо Buna-N, ширина 3/32, тире No 128, упаковки по 50 штук (x1)McMaster-Carr5308T186Имя в протоколе: 1,5-дюймовое уплотнительное кольцо
Omega Inc. программное обеспечение для датчика давленияOmega Engineering, Inc.Наименование в протоколе: программное обеспечение преобразователя
давления Диск из поликарбонатаMcMaster-Carr8571K31Указан в чертежах САПР для порта подсветки, Рис. S1 Часть E
Сапфировые окна (x3)Guild Optical Associates, Inc.Оптическое сапфировое окно, C-образная плоскость
Диаметр: 1,811 дюйма ±. 005"
Толщина: .590" &плюсмн;. 005"
Качество поверхности: 60/40
Кромки отшлифованы и безопасные фаски		Купите три, чтобы было два резервных.
Название в протоколе: сапфировое окно
Сплошная термопара Проволока FEP Изоляция и оболочка, тип K, 24 калибра, 50 футов. Длина (x1)McMaster-Carr3870K32Название в протоколе: термопары
Нержавеющая сталь Встроенный колпак Игольчатый клапан, 0,37 Cv, 1/4 дюйма Трубный обжимной фитинг Swagelok, регулирующий шток (x4)Swagelok  SS-1RS4Two также будет использоваться для нагнетательного насоса.
Название в протоколе: игольчатые клапаны 1/4 дюйма
Фитинг для труб из нержавеющей стали, шестигранный нипель, 1/4 дюйма. Наружная резьба NPT (x2)Swagelok  SS-4-HNИспользуется для отверстия подсветки
Трубный фитинг Swagelok из нержавеющей стали, тройник с внутренней резьбой, 1/4 дюйма. Наружный диаметр трубы x 1/4 дюйма Наружный диаметр трубы x 1/4 дюйма Внутренняя резьба NPT (x2)Swagelok  SS-400-3-4TTFИспользуется с преобразователем давления
Наименование в протоколе: тройник ответвления Трубный
фитинг Swagelok из нержавеющей стали, наружный соединитель, 1/4 дюйма. Наружный диаметр трубы x 1/4 дюйма Наружная резьба NPT (x4)Swagelok  SS-400-1-4Используется на верхнем порту и боковом порту, ведущем к игольчатым клапанам
Название в протоколе: винты NPT
Трубный фитинг Swagelok из нержавеющей стали, соединитель порта, 1/4 дюйма. Наружный диаметр трубы (x8)Swagelok  SS-401-PCИспользование в качестве трубчатых соединений между NTP и соединениями клапанов
Название в протоколе: соединитель порта
TANK
1/4 OD in. x 20 футов. Медный мягкий холодильный змеевикEverbiltModel # D 04020PSДля циркуляции охлаждающей жидкости
Название в протоколе: 1/4" медная труба
10 галлонов аквариумTetraНазвание в протоколе: Бак на 10
галлонов 2 унции WaterweldJ-B WeldМодель # 8277Название в протоколе: подводный герметик
3 дюйма x 25 футов Изоляция стеклопластиковой трубы на основе фольгиFrost KingМодель # SP42X/16Для обертывания вокруг аквариума
Название в протоколе: стекловолокно с фольгированной облицовкой
3/8 7/8 дюйма. Хомут для шланга из нержавеющей стали (10 шт.)EverbiltМодель # 670655EНазвание в протоколе: хомуты для шланга с червячным приводом
ПенополистиролНазвание в протоколе: изоляционный материал
TOOLS
1-1/8 in. Труборез с трещоткойHuskyМодель # 86-036-0111
от 1/2 дюйма до 1 дюйма. ТруборезApolloМодель # 69PTKC001
Разводной ключ (x2)Стальной сердечникМодель # 31899Нужны два гаечных ключа с губками не менее 1 "
Набор шестигранных ключейHome Depot
Клейкая лентаНазвание в протоколе: клейкая лента
Гибкая трубка, как капельница внутривенного введения, для установки на конце зонда грейнджера (канюли)Имя в протоколе: IV
трубка Грейнджер Щуп 18 калибраГрейнджерДля вставки капель<бр/> Название в протоколе: канюля
Высоковакуумная смазкаDow corningНанесите на уплотнительные кольца перед вставлением сапфирового окна<бр/> Название в протоколе: вакуумная смазка
Klein Tools Professional 90 градусов 4-в-1 Трубка БендерKlein ToolsМодель # 89030Название в протоколе: трубогиб
Snoop жидкость течеискательSwagelokMS-SNOOP-8OZДля обнаружения утечек под давлением при попадании метана
Название в протоколе: течеискатель жидкости
ПрисоскаHome DepotДля снятия плотно прилегающего сапфирового окна
Название в протоколе: присоска
Тефлоновая лентаНазвание в протоколе: сантехническая лента
Temflex 3/4 дюйма x 60 футов 1700 Изолента черная3MНаименование модели #1700-1PK-BB40в протоколе: изолента
Nikon с

Ссылки

  1. Bohrmann, G., Torres, M. E. Gas hydrates in marine sediments. Marine Geochemistry. Schulz, H. D., Zabel, M. , Springer. Heidelberg, Germany. 481-512 (2006).
  2. Ruppel, C. D., Kessler, J. D. The interaction of climate change and methane hydrates. Reviews of Geophysics. 55 (1), 126-168 (2017).
  3. Hammerschmidt, E. G. Formation of gas hydrates in natural gas transmission lines. Industrial and Engineering Chemistry. 26, 851-855 (1934).
  4. Ke, W., Kelland, M. A. Kinetic hydrate inhibitor studies for gas hydrate systems: a review of experimental equipment and test methods. Energy & Fuels. 30 (12), 10015-10028 (2016).
  5. Kelland, M. A. A review of kinetic hydrate inhibitors from an environmental perspective. Energy & Fuels. 32 (12), 12001-12012 (2018).
  6. Walker, V. K., et al. Antifreeze proteins as gas hydrate inhibitors. Canadian Journal of Chemistry. 93 (8), 839-849 (2015).
  7. Bruusgaard, H., Lessard, L. D., Servio, P. Morphology study of structure I methane hydrate formation and decomposition of water droplets in the presence of biological and polymeric kinetic inhibitors. Crystal Growth & Design. 9 (7), 3014-3023 (2009).
  8. Jung, J. W., Espinoza, D. N., Santamarina, J. C. Properties and phenomena relevant to CH4-CO2 replacement in hydrate-bearing sediments. Journal of Geophysical Research. 115 (10102), 1-16 (2010).
  9. Chen, X., Espinoza, D. N. Ostwald ripening changes the pore habit and spatial variability of clathrate hydrate. Fuel. 214, 614-622 (2018).
  10. DuQuesnay, J. R., Diaz Posada, M. C., Beltran, J. G. Novel gas hydrate reactor design: 3-in-1 assessment of phase equilibria, morphology and kinetics. Fluid Phase Equilibria. 413, 148-157 (2016).
  11. Udegbunam, L. U., DuQuesnay, J. R., Osorio, L., Walker, V. K., Beltran, J. G. Phase equilibria, kinetics and morphology of methane hydrate inhibited by antifreeze proteins: application of a novel 3-in-1 method. The Journal of Chemical Thermodynamics. 117, 155-163 (2018).
  12. Espinoza, D. N., Santamarina, J. C. Water-CO2-mineral systems: Interfacial tension, contact angle, and diffusion - Implications to CO2 geological storage. Water Resources Research. 46 (7537), 1-10 (2010).
  13. Sloan, E. D., Koh, C. A. Clathrate Hydrates of Natural Gases. 3rd edn. , CRC Press. (2007).
  14. Makogon, I. F. Hydrates of natural gas. , PennWell Books. Tulsa, Oklahoma, USA. 125(1981).
  15. Johnson, A. M., et al. Mainly on the plane: deep subsurface bacterial proteins bind and alter clathrate structure. Crystal Growth & Design. 20 (10), 6290-6295 (2020).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Похожие статьи