Описан способ образования газового гидрата на каплях воды для изучения влияния различных ингибиторов, промоторов и субстратов на морфологию кристаллов гидрата.
Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.
Методическая статья
Кристаллизация гидрата метана на каплях воды
В этой статье
Краткое содержание
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 ....
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Протокол
1. Проектирование, проверка и механическая машина напорной ячейки.
- 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).
- Чтобы проверить, что ячейка давления безопасна при рабочем высоком давлении, проведите анализ конечных элементов с использованием программного обеспечения для моделирования.
-
<....
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
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| CAMERA И LAPTOP | |||
| Camera Body | Nikon | D7200 | Название в протоколе: camera |
| Control Pro 2 Software | Название в протоколе: программное обеспечение камеры | ||
| Laptop HP Pavilion | hp-pavilion-laptop-14-ce0068st | Должен быть ПК с большим объемом памяти (~ 1 Tb) Имя в протоколе: ноутбук | |
| Объектив для макросъемки | Nikon | AF-S MICRO 105mm f/2.8G IF-ED Название | объектива в протоколе: lens |
| CONSUMABLES | |||
| Deionized water | Название в протоколе: DI water | ||
| Dry Ice | VWR или в продуктовом магазине | Купить непосредственно перед зарождением Название в протоколе: сухой лед | |
| Этанол | Название в протоколе: этанол | ||
| Этиленгликоль | Название в протоколе: этиленгликоль | ||
| COOLING SYSTEM | |||
| 1/2 in. O.D. x 3/8 in. I.D. x 25 ft. Полиэтиленовая трубка | Everbilt | Model # 301844 | Для циркуляции охлаждающей жидкости из чиллера в медные змеевики в аквариуме Название в протоколе: 3/8" (внутренний диаметр) пластиковая трубка |
| Циркуляционный чиллер | Polyscience | Наименование в протоколе: чиллер | |
| Экономичный гибкий пенополиэтилен Изоляция труб | McMaster-Carr | 4530K162 | толщина стенки 3/4 дюйма; внутренний диаметр 1/2 дюйма; Значение R 3; 6' длинный<бр/> Наименование в протоколе: изоляция труб из пенопласта |
| Используйте | любую 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 Technologies | 34901A | Имя в протоколе: регистратор данных многоканальный |
| Benchvue или программное обеспечение Benchlink | Benchvue или Benchlink | Имя в протоколе: программное обеспечение преобразователя | |
| температуры Data Acquisition/Switch Unit. GPIB, RS232 | Keysight Technologies | 34970A | Название в протоколе: регистратор данных |
| Интерфейс USB/GPIB Keysight | Technologies | 82357B | Название в протоколе: регистратор данных USB |
| регистратор данных многоканальный | |||
| Schott Fostec -Llc 20510 Ace Волоконно-оптический источник света | Schott Fostec | A20500 | 3115PS-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 пучок | Schott Fostec | A08031.40 | Наименование в протоколе: оптоволоконный кабель источника света |
| МЕТАН ГАЗ И РЕГУЛЯТОР | |||
| 1/4 OD in. x 20 футов. Медный мягкий холодильный змеевик | Everbilt | Модель # D 04020PS | Для 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 метаном | Airgas | Y11N114G350-AG | Название в протоколе: регулятор баллона с метаном |
| Баллон с метаном | Airgas | ME UHP300 | Название 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 контроллером | Teledyne Instruments Inc. | 67-1240-520 | Наименование в протоколе: контроллер нагнетательного насоса |
| & минус; Ethernet/USB | Teledyne Instruments Inc. | 62-1240-114 | Приобретите, 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-Carr | 89785K824 | Название 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-Carr | 89785K811 | Имя 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-400-6-2 | Наименование 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-NFSET | Используется 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) Длина | Swagelok | SS-FM4TA4TA4-60 | Подключение нагнетательного насоса к напорной ячейке Название в протоколе: 1/4" плетеный шланг из нержавеющей стали с гибким номинальным давлением |
| ABAQUS | ABAQUS FEA | Название 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-Carr | 90131A107 | Имя 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-Carr | 93303A105 | Используется для подсветки порта |
| Акриловый лист | Белый 2447 / WRT31 Экструдированная бумага-маска (Полупрозрачный 55% (0,118 x 12 x 12) | Interstate Plastics | ACRW7EPSH | Машинный круг из акрила для установки во внутреннюю камеру ячейки давления в качестве фона для визуализации Имя в протоколе: акриловый диск |
| AutoCAD | AutoCAD | Название в протоколе: программное обеспечение для инженерного проектирования | |
| Conax fitting | Conax Technologies | 311401-011 | TG(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. | PX409-3.5KGUSBH | Купите два, чтобы был резервный. Название в протоколе: преобразователь давления |
| КАМЕРА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ДЕТАЛИ | Инструмент для сушки, штамп и производственная компания | Обработка 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-Carr | 90037A119 | Используется для порта подсветки |
| Высокопрочный винт с торцевой головкой из нержавеющей стали 316, Резьба M8 x 1,25 мм, длина 25 мм (x20) | McMaster-Carr | 90037A133 | Название 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-Carr | 5308T178 | Название в протоколе: 1-дюймовое уплотнительное кольцо |
| маслостойкое твердое уплотнительное кольцо Buna-N, ширина 3/32, тире No 128, упаковки по 50 штук (x1) | McMaster-Carr | 5308T186 | Имя в протоколе: 1,5-дюймовое уплотнительное кольцо |
| Omega Inc. программное обеспечение для датчика давления | Omega Engineering, Inc. | Наименование в протоколе: программное обеспечение преобразователя | |
| давления Диск из поликарбоната | McMaster-Carr | 8571K31 | Указан 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-Carr | 3870K32 | Название в протоколе: термопары |
| Нержавеющая сталь Встроенный колпак Игольчатый клапан, 0,37 Cv, 1/4 дюйма Трубный обжимной фитинг Swagelok, регулирующий шток (x4) | Swagelok | SS-1RS4 | Two 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-HN | Используется 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-400-3-4TTF | Используется 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-400-1-4 | Используется 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-PC | Использование 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 змеевик | Everbilt | Model # D 04020PS | Для циркуляции охлаждающей жидкости Название в протоколе: 1/4" медная труба |
| 10 галлонов аквариум | Tetra | Название в протоколе: Бак на 10 | |
| галлонов 2 унции Waterweld | J-B Weld | Модель # 8277 | Название в протоколе: подводный герметик |
| 3 дюйма x 25 футов Изоляция стеклопластиковой трубы на основе фольги | Frost King | Модель # SP42X/16 | Для обертывания вокруг аквариума Название в протоколе: стекловолокно с фольгированной облицовкой |
| 3/8 7/8 дюйма. Хомут для шланга из нержавеющей стали (10 шт.) | Everbilt | Модель # 670655E | Название в протоколе: хомуты для шланга с червячным приводом |
| Пенополистирол | Название в протоколе: изоляционный материал | ||
| TOOLS | |||
| 1-1/8 in. Труборез с трещоткой | Husky | Модель # 86-036-0111 | |
| от 1/2 дюйма до 1 дюйма. Труборез | Apollo | Модель # 69PTKC001 | |
| Разводной ключ (x2) | Стальной сердечник | Модель # 31899 | Нужны два гаечных ключа с губками не менее 1 " |
| Набор шестигранных ключей | Home Depot | ||
| Клейкая лента | Название 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 калибра | Грейнджер | Для вставки капель<бр/> Название в протоколе: канюля | |
| Высоковакуумная смазка | Dow corning | Нанесите на уплотнительные кольца перед вставлением сапфирового окна<бр/> Название в протоколе: вакуумная смазка | |
| Klein Tools Professional 90 градусов 4-в-1 Трубка Бендер | Klein Tools | Модель # 89030 | Название в протоколе: трубогиб |
| Snoop жидкость течеискатель | Swagelok | MS-SNOOP-8OZ | Для обнаружения утечек под давлением при попадании метана Название в протоколе: течеискатель жидкости |
| Присоска | Home Depot | Для снятия плотно прилегающего сапфирового окна Название в протоколе: присоска | |
| Тефлоновая лента | Название в протоколе: сантехническая лента | ||
| Temflex 3/4 дюйма x 60 футов 1700 Изолента черная | 3M | Наименование модели #1700-1PK-BB40 | в протоколе: изолента |
Ссылки
- 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.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Перепечатки и разрешения
