Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Environment
Click here for the English version

Environment

بروتوكول لقياس الخصائص الحرارية من فائق التبريد الاصطناعية الرمال والغاز والمياه، هيدرات الميثان عينة

Published: March 21, 2016 doi: 10.3791/53956
Automatic Translation
1, 1, 2, 3, 1
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

Introduction

هيدرات الغاز هي مركبات البلورية التي تشكل هياكل قفص من جزيئات الماء المستعبدين الهيدروجين التي تحتوي على جزيئات ضيف في قفص 1. كميات كبيرة من هيدرات الميثان (MHS) في مناطق قاع المحيط والأرض دائمة التجمد هي موارد الطاقة مثيرة للاهتمام في المستقبل ولكن قد تؤثر الظروف المناخية العالمية 2.

في مارس 2013، أجرى النفط اليابان والغاز والمعادن المؤسسة الوطنية أول اختبار انتاج النفط في العالم لاستخراج الغاز من الرواسب MH-تحمل الطبيعية في شرق نانكاى منخفض باستخدام "طريقة تخفيض الضغط" 3،4.

يمكن هيدرات الغاز تخزين الغازات مثل غاز الميثان 1، هيدروجين 5، CO 2 1،6، والأوزون 7. وبالتالي، يتم دراسة الميثان والهيدروجين هيدرات للتخزين الطاقة الكامنة وسائل الاعلام وسائل النقل. للحد من انبعاثات غاز CO 2 التي تطلق في الجو، CO 2 sequesوقد تم دراسة tration باستخدام ثاني أكسيد الكربون 2 هيدرات في رواسب أعماق المحيطات 6. يستخدم الأوزون حاليا في تنقية المياه وتعقيم المواد الغذائية. وقد أجريت دراسات لتكنولوجيا الحفاظ الأوزون لأنها كيميائيا غير مستقر 7. تركيز الأوزون في هيدرات هو أعلى من ذلك بكثير في الماء ozonized أو الجليد 7.

لتطوير إنتاج الغاز من الرواسب MH-تحمل الطبيعية والتكنولوجيات القائمة على هيدرات، لا بد من فهم الخصائص الحرارية من هيدرات الغاز. ومع ذلك، فإن بيانات الخصائص الحرارية والدراسات نموذج من الرواسب الحاملة للهيدرات الغاز شحيحة 8.

"طريقة تخفيض الضغط" يمكن أن تستخدم لفصل MH في الفضاء المسام الرواسب من خلال خفض ضغط المسام دون استقرار هيدرات. في هذه العملية، تغيير مكونات الفضاء الرواسب المسام من المياه ومن MH على المياه، MH، والغاز. قياس الخصائص الحرارية "من الشرط الأخير هو صعب لأن حرارة انصهار MH قد تؤثر على القياسات. لحل هذه المشكلة، موراؤكا آخرون بعمل قياس الخواص الحرارية "في الظروف فائق التبريد خلال تشكيل MH 9.

مع هذا البروتوكول الفيديو، ونحن شرح طريقة قياس فائق التبريد الاصطناعية عينة الرمال والغاز والمياه-MH.

ويبين الشكل (1) والإعداد التجريبية لقياس الخصائص الحرارية للغاز الميثان الاصطناعي الهيدرات تحمل الرواسب. الإعداد هو نفسه كما هو مبين في اشارة 9. ويتألف النظام أساسا سفينة ذات الضغط العالي والضغط والتحكم في درجة الحرارة، والخصائص الحرارية لنظام القياس. وتتكون السفينة الضغط العالي من الفولاذ المقاوم للصدأ أسطواني بقطر داخلي من 140 ملم وارتفاعها 140 ملم. حجم الداخلية مع حجم القتلى إزالتها هو 2110 سم 3، والحد من ضغوطها هو 15 ميجا باسكال. وtransie مصدر الطائرة الإقليم الشمالي يستخدم (TPS) تقنية لقياس الخواص الحرارية 10. وضعت تسعة تحقيقات TPS مع نصف قطر الفردية من 2.001 ملم داخل السفينة. يظهر تخطيط وتسعة تحقيقات 9 في الشكل 2 في إشارة 9. وترتبط تحقيقات TPS إلى محلل الخواص الحرارية 'مع كابل وتحول يدويا أثناء التجربة. وترد تفاصيل استشعار TPS، اتصال الرسم التخطيطي، والإعداد في السفينة في أرقام S1، 2، و 3 من المعلومات الداعمة في اشارة 9.

الشكل 1
الشكل 1: الإعداد التجريبية لقياس الخصائص الحرارية للالاصطناعي الرواسب هيدرات الميثان الحاملة يتم تعديل هذا الرقم من الإشارة 9.3956fig1large.jpg "الهدف =" _ فارغة "> الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

تم استخدام أسلوب TPS لقياس الخصائص الحرارية من كل عينة. ووصف مبادئ الأسلوب في اشارة 10. في هذه الطريقة، وارتفاع درجة الحرارة تعتمد على الوقت، ΔT افي، هو

المعادلة 1

أين

المعادلة 2

في المعادلة 1، W 0 هو انتاج الطاقة من أجهزة الاستشعار، ص هي دائرة نصف قطرها من التحقيق الاستشعار، λ هو التوصيل الحراري للعينة، α هو انتشار حراري، و t هو الزمن من بداية امدادات الطاقة لجنة التحقيق الاستشعار. D (τ) هو الوقت أبعاد وظيفة تعتمد. τ (αt / ص) 1/2. في المعادلة 2، م هو عدد حلقات متحدة المركز لجنة التحقيق TPS وأنا 0 هي وظيفة بسل المعدلة. يتم تحديد الموصلية الحرارية، وانتشار حراري، والحرارة النوعية للعينة في وقت واحد عن طريق تحليل انعكاس تطبيقها على ارتفاع درجة الحرارة كما يتم توفير القدرة على التحقيق الاستشعار.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

ملاحظة: يرجى الرجوع إلى جميع بيانات سلامة المواد ذات الصلة، وتستخدم هذه الدراسة ارتفاع ضغط قابلة للاشتعال غاز الميثان وكبيرة سفينة الضغط العالي. ارتداء خوذة، ونظارات السلامة، وأحذية السلامة. إذا توقف نظام التحكم في درجة الحرارة، والضغط داخل وعاء يزيد مع MH التفكك. لمنع وقوع الحوادث، ينصح باستخدام نظام صمام الأمان بقوة للافراج تلقائيا غاز الميثان في الغلاف الجوي. النظام صمام أمان يمكن أن تعمل من دون مصدر الطاقة الكهربائية.

1. إعداد عينات الغاز الرمال المياه الميثان 9

  1. وضع وعاء الضغط العالي على طاولة تهتز.
  2. صب 1.5 لتر من الماء النقي في زجاجة المياه و 4،000 غرام رمل السيليكا في زجاجة الرمل. بدقة تزن الجماهير من الرمل والماء في زجاجات الرمل والماء، على التوالي.
  3. صب 1 لتر من الماء النقي في وعاء الضغط العالي مع حجم الداخلي من 2110 سم 3 من زجاجة المياهحتى الماء يملأ نصف وعاء الداخلية.
  4. بدوره على طاولة تهتز ليهتز السفينة بأكملها. تعيين معدل الاهتزاز وإمدادات الطاقة إلى 50 هرتز و 220 W، على التوالي. تطبيق الاهتزاز حتى الانتهاء من الخطوة 1.5. إزالة الهواء المتبقي في خط هجرة وفلتر معدني متكلس في الجزء السفلي من السفينة التي تهتز السفينة.
  5. صب 3300 ز رمل السيليكا من زجاجة الرمل في الوعاء بمعدل ثابت من حوالي 1 غرام ثانية -1 باستخدام القمع الذي عقد بالقرب من سطح الماء بينما صدي السفينة بأكملها لضمان التعبئة موحدة.
  6. وقف الاهتزاز عندما يصل الماء إلى حافة السفينة.
  7. وضع خاتم وجدار مؤقت على حافة السفينة لمنع المياه من إراقة.
  8. يهتز السفينة مرة أخرى في 50 هرتز و 220 W.
  9. عندما يصل الرمال حافة السفينة (الارتفاع 140 ملم)، وإيقاف الاهتزاز.
  10. إزالة جدار مؤقت والمياه المسام الزائد باستخدام الخط هجرة ه. صب الزائدة في مياه المسام في زجاجة المياه.
  11. حزمة الرمال تهتز السفينة مرة أو مرتين في 50 هرتز و 300 W ل1 ثانية، وإضافة المزيد من الرمال إذا لزم الأمر.
  12. الموازنة بين الجماهير من الرمل والماء في زجاجات الرمل والماء. حساب الرمل والماء الجماهير في السفينة من الخلافات الجماعية في زجاجات الرمل والماء. في هذه التجربة، كانت الجماهير من الرمل والماء في وعاء 3385 ز و823.6 غرام على التوالي. يرمز كتلة من الماء في وعاء كما ث المجموع.
  13. تغطية وعاء الضغط العالي مع غطاء الفولاذ المقاوم للصدأ وتشديد المسامير من أزواج المعاكس قطريا في التسلسل.
  14. يحرك السفينة الضغط العالي من الجدول تهتز إلى طاولة مخصصة للتجربة.
  15. تغطية وعاء الضغط العالي مع عازل للحرارة للتحكم في درجة الحرارة.
  16. توصيل أنابيب الضغط العالي وتبريد خطوط تدفق المياه إلى وعاء الضغط العالي. فتح صمامات الإدخال والإخراج الغاز خطوط الأنابيب. تهوية 10 لتر غاز الميثان بمعدل 800 مل دقيقة -1 حتى لا تصريف المياه الزائدة في فخ تحت الضغط الجوي. يتم منع تصريف الرمال مرشح المعدنية الملبدة ثابتة على الجزء السفلي من السفينة. يبقى الماء المتبقي على سطح الرمال لأن رمل السيليكا ماء يمتص جزيئات الماء.
  17. تزن كتلة الماء في فخ، فخ ث، لتحديد حجم الغاز في السفينة. تحديد كتلة من المياه المتبقية، قرار ث، في وعاء باستخدام المعادلة ث الدقة = ث مجموعه - ث الفخ. في هذه الحالة، كانت الدقة ث وفخ ث 360.6 ز و463.0 غرام على التوالي.
  18. تحديد المسامية عينة باستخدام الصيغة Ѱ = 1 - خلية V الرمال / V، حيث V الرمل هو حجم رانه الرمال التي تحددها نسبة كتلة الرمل لكثافة الرمال (أي ρ ق = 2630 كيلو متر -3)، وخلية V هو حجم الداخلي للسفينة. كان Ѱ المسامية من العينة 0.39.
  19. إغلاق صمام خط الغاز الناتج. حقن غاز الميثان لزيادة الضغط المسام من غاز الميثان في السفينة إلى ما يقرب من 12.1 ميغاباسكال في درجة حرارة الغرفة (أي 31.6 درجة مئوية).
  20. إغلاق صمام خط الغاز الإدخال.
  21. بدء تسجيل الضغط ودرجة الحرارة في السفينة خلال التجربة باستخدام مسجل بيانات. الفاصل الزمني أخذ العينات البيانات 5 ثانية. الوقت الإجمالي التجريبية ما يقرب من 3000 دقيقة.

2. MH تحضير وقياس الخواص الحرارية "من عينة فائق التبريد 9

  1. تشغيل المبرد لتبريد سفينة من درجة حرارة الغرفة إلى 2.0 درجة مئوية خلال تعميم المبرد. السماح للتعميم المبرد من طن تبريدس الجزء السفلي من السفينة، ومن هناك إلى غطاء السفينة، وأخيرا العودة إلى المبرد. وكان معدل التغير في درجة الحرارة في السفينة حوالي 0.001 درجة مئوية ثانية -1.
  2. تعيين المعلمات قياس باستخدام برنامج محلل TPS. تعيين نوع جهاز استشعار لاستشعار تصميم # 7577. تعيين انتاج الطاقة W 0-30 ميغاواط والوقت القياس إلى 5 ثانية. لاحظ أن المعلمات المناسبة يجب أن تتغير إذا كان نوع استشعار أو شروط عينة تتغير. تعيين المعلمات إلى زيادة درجة الحرارة من 1 درجة مئوية إلى 1.5 درجة مئوية.
  3. حساب درجة من البرودة الفائقة، ΔT سوب، مع المعادلة التالية:
    ΔT سوب = T مكافئ (P) - T. (3)
    تي مكافئ (P) هي درجة الحرارة توازن MH بوصفها وظيفة من الضغط P. يتم احتساب تي مكافئ (P) باستخدام برنامج CSMGem 1.0؛ P و T هي الضغط ودرجة الحرارة في السفينة تقاس باستخدام الضغط ودرجة الحرارة أجهزة القياس، على التوالي.
  4. في وقت واحد قياس الموصلية الحرارية، وانتشار حراري، والحرارة النوعية الحجمية باستخدام محلل TPS بعد ΔT سوب أكبر من 2 درجة مئوية.
  5. التبديل التحقيق TPS متصلا محلل الخصائص الحرارية بعد كل قياس. تبديل الكابلات بين تحقيقات TPS ومحلل يدويا أثناء التجربة 9. ويظهر الرسم البياني اتصال في الشكل S2 في اشارة 9. تسلسل التبديل لكل جهاز استشعار هو لا. 6 → 2 → 7 → 5 → 1 → 9 → 4 → 3 → 8 → 6 .... ويستند التسلسل على المسافة بين أجهزة الاستشعار، والذي من المقرر قدر الإمكان لمنع الحرارة المتبقية من التأثير على القياسات. جمع البيانات كل 3-5 دقائق.
  6. تكرار القياسات حتى & #916، تي سوب تصل إلى 2 درجة مئوية مرة أخرى. في هذه التجربة، Δ T سوب يزيد في البداية مع مرور الوقت. بعد أن يصل ΔT سوب القيمة القصوى، ΔT سوب يتناقص تدريجيا إلى 0 درجة مئوية بسبب الضغط يتناقص مع تشكيل MH. معرفة ما اذا كان ΔT سوب أكبر من 2 درجة مئوية قبل القياسات TPS باستخدام المعادلة 3.
  7. تأكد من أن الملف الشخصى درجة حرارة لا يتأثر MH ذوبان. إذا يذوب MH خلال القياسات، فإن درجة حرارة لا تزيد بسبب ذوبان MH هو رد فعل ماص للحرارة. تحقق من الشخصية درجة الحرارة خلال القياسات، ويتم مناقشتها في قسم النتائج.
  8. لتحليل الخصائص الحرارية "لكافة البيانات الشخصية درجة الحرارة باستخدام تقنية نظام الأفضليات التجارية.

3. حساب للتغيير التشبع من عينة 9،11

ملاحظة:يتم احتساب درجة التشبع لMH، والمياه، والغاز في العينة كدالة في الزمن t باستخدام معادلة الحالة للغاز. ووصف تفاصيل الحساب والمعادلات المستخدمة سابقا 11.

  1. حساب الغاز V حجم غاز الميثان، تي في الوقت t
    المعادلة 4
    حيث س هو حجم الأولي من الغاز في وعاء، والخامس MH، تي - 1 هو حجم MH في الوقت t - 1، وR VHW هي نسبة حجم المياه وMH.
    المعادلة 5
    في المعادلة 5، n هو عدد ترطيب MH (~ 6)، ρ MH وρ المياه تتوافق مع كثافة MH والمياه، على التوالي، وث MH والمياه ث دلالة على الكتلة الجزيئية من MH والمياه، صespectively.
  2. حساب ر كمية ΔM (مول) من MH تشكلت من تي - 1 لر
    المعادلة 6
    حيث R هو ثابت الغاز، ف هو الضغط من غاز الميثان، وZ ر (T الغاز، ر، ف الغاز، ر) هو معامل ضغط من غاز الميثان في الوقت t. نحن 9 و ساكاموتو وآخرون. 11 قد استخدمت المعادلة بنديكت السادس عشر-ويب روبين (BWR)، بصيغتها المعدلة من قبل لي وكيسلر، لحساب Z ر 12 و 13. لهذا الحساب، والصيغ (3-7،1) - تستخدم (3-7،4) من BWR المعادلة 13 والثوابت لي-كيسلر في الجداول 3-7 المرجعية 13.
  3. حساب تغيير حجم Δ V MH، تي - 1 لر
    المعادلة 7
    حيث P الصورة هو الضغط إشارة من 101325 بنسلفانيا، T الصورة هي درجة الحرارة المرجعية من 273.15 K، Z الصورة هو معامل ضغط على ف ق ر ق (Z ق ~ 1)، والخامس CH4 هي نسبة حجم غاز الميثان في وحدة حجم من MH [م 3 م -3]. استخدام قيمة V CH4 من 165.99 [م 3 م -3].
  4. حساب حجم V MH، طن من MH في الوقت t
    المعادلة 8
  5. حساب حجم المياه المياه V، تي في وعاء الضغط في الوقت t
    المعادلة 9 حيث الماء الخامس، 1 هو حجم الأولي من الماء.
  6. تكرار العمليات الحسابية باستخدام المعادلات. 4-9 في الوقت t = 2، 3، ... لتحديد التغير في تشبع الماء والميثان، وMH 11. الشرط الأولي لر = 1، أي الغاز الخامس، 1 = س. تؤخذ P و T في وقت ر من سجلات البيانات 9. وتظهر نتائج العملية الحسابية في القسم التالي.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

ويبين الشكل 2A الملف الشخصى درجة الحرارة التي لا يتأثر MH ذوبان. ΔT ج هو التغير في درجة الحرارة نظرا لقياس الثوابت الحرارية. الشكل 2B يظهر الملف الشخصى درجة الحرارة التي يتأثر MH ذوبان. لا يمكن تحليل الشخصية في الشكل 2B من خلال معادلات 1 و 2 ليتم الحصول على هذه المعادلات بافتراض الظروف عينة مستقرة.

ويبين الشكل 3A الضغط، ودرجة الحرارة، ودرجة البرودة الفائقة في السفينة بوصفها وظيفة من الزمن. nucleates MH بعد النظام قد وصل الضغط والتوازن في درجة الحرارة. يتم وضع علامة على تشكيل MH عن تغيير جذري ضغط في الوقت t = 170 دقيقة. وتشير الأسهم برأسين أن درجة البرودة الفائقة أكبر من 2 درجة مئوية. تم قياس الثوابت الحرارية ضمن هذا النطاق. t. يوصف حساب التشبع في القسم 3. يتم تعريف التشبع كما S ط، ر = V ط، ر / (V الخلية - الرمال V)، حيث كنت يدل على حسن، المياه، ومكونات غاز الميثان في الوقت t. في ر = 170 دقيقة، بدأ MH لتشكيل وزيادة S MH بشكل كبير. بين 170 و 2500 دقيقة، وزيادة S MH 0-،32، في حين انخفض S المياه والغاز S 0،43-0،18 و0،56-0،50، على التوالي. بعد 2500 دقيقة، وكانت MH، والمياه، وتشبع الغاز ثابتة تقريبا.

ويبين الشكل 4 مثالا للقياسات الحرارية الثوابت ". وكانت الظروف التجريبية ر = 825 دقيقة، ف= 7.1 ميجا باسكال، T = 2.4 درجة مئوية، S ح = 0.16، S ز = 0.53، وS ث = 0.31. ويوضح الشكل 4A الملف الشخصى درجة الحرارة. برامج التحليل TPS يسجل 200 نقاط البيانات على فترات متساوية في الوقت المناسب خلال فترة زمنية محددة سلفا. وبالتالي، يتم تحديد البيانات لتحليلها من نقاط البيانات 200. الأسهم برأسين للدلالة على مجموعة البيانات المستخدمة في التحليل. ويتراوح زمن التحليلات 1 و 2 0-5 ثانية و0،65-4،88 ثانية، على التوالي. تحليلات 1 و 2 هي أمثلة على نطاقات غير لائقة ومناسبة، على التوالي. أرقام 4B و تم الحصول عليها 4C باستخدام تقنية TPS في كل مجموعة والتحليل. ويبين الشكل 4B التغير في درجة الحرارة ΔT افي (τ) ودال (τ) مع ΔT افي (τ ) = ΔT ج (ر). العلاقة بين ΔT افي (&# 964؛) ودال (τ) تختلف تبعا لتحليل مجموعة ويبين الشكل 4C درجة الحرارة T د مقابل الجذر التربيعي من الزمن t. الانحراف للبيانات درجة الحرارة من نوبة الخطي التي حصل عليها تحليل انعكاس TPS هو T د. انحراف تحليل 1 في بداية قياسات كبيرة نوعا ما، كما هو مبين في الشكل 4C، مما يوحي بأن الطبقة العازلة من أجهزة الاستشعار التحقيق TPS تؤثر على القياسات.

يسرد الجدول 1 الثوابت الحرارية في كل نطاق التحليل على النحو المذكور أعلاه. ويعرف العدد الإجمالي إلى نسبة الزمنية المميزة من إجمالي وقت التحليل (لر = 4/2 ثانية، الوقت الإجمالي هو 4 ثانية) مقسوما τ وقت مميزة. ويلاحظ أن مجموع نسبة إلى وقت مميزة يجب أن يكون أقل من 1 عند استخدام هذه التقنية TPS. يوصف هذا في إشارة تي د.

تجنب التحقيق الاستشعار التي تؤثر على القياسات، ويجب عدم استخدام البيانات في بداية كل قياس. تم تصغير يعني انحراف T د، كما هو مبين في الشكل 4C، عن طريق ضبط النطاق الزمني التحليل. يتم ضبط مجموعه إلى نسبة الزمنية المميزة للوحدة عن طريق ضبط النطاق الزمني التحليل. وبالتالي، اعتمدنا قيم الثوابت الحرارية من تحليل 2 لا 1.

وتظهر التوصيل الحراري، الحرارة النوعية، وانتشار حراري بوصفها وظيفة من الوقت في أرقام 5A، ب، ج، على التوالي. وأخيرا، ونحن تلخيص نتائج رخصائص hermal والتشبع هيدرات. وترد تفاصيل بشأن النتائج في ثانية. 4 من refference 9.

الشكل 2
الشكل 2: لمحات درجة الحرارة بوصفها وظيفة من الزمن (أ) لا تتأثر MH ذوبان (شروط والبرودة الفائقة) و (ب) تتأثر MH ذوبان الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

لاحظ أن كلا ملامح درجة الحرارة هي من التجارب الأولية. لقياس الوقت أطول من ذلك في التجربة من أجل توضيح تأثير حرارة انصهار. في التجارب الأولية، كانت المرة قياس ر 40 ثانية وW انتاج الطاقة 0 و20 ميغاواط (أ) و 50 ميغاواط (ب).

<الطبقة ص = "jove_content" FO: المحافظة على together.within الصفحات = "1"> الشكل (3)
الشكل (3): (أ) الضغط، ودرجة الحرارة، ودرجة البرودة الفائقة في السفينة بوصفها وظيفة من الزمن. وتشير الأسهم برأسين أن درجة فائقة التبريد أكبر من 2 درجة مئوية. تم قياس الثوابت الحرارية ضمن هذا النطاق. (ب) يتم عرض MH، والمياه، والميثان تشبع الغاز من العينة بوصفها وظيفة من الزمن (نقلا عن المرجع 9). الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (4)
الشكل 4: تحليل مثال على القياسات الحرارية الثوابت "(أ) بيان درجة الحرارة باستخدام.TPS طريقة القياس. ويتراوح زمن التحليلات 1 و 2 0-5 ثانية و0،65-4،88 ثانية، على التوالي. (ب) العلاقة بين التغير في درجة الحرارة ΔT افي (τ) ودال (τ) مع ΔT افي (τ) = ΔT ج (ر). (ج) درجة الحرارة T د مقابل الوقت الجذر التربيعي ر. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 5
الشكل (5): (أ) الموصلية الحرارية λ بوصفها وظيفة من الزمن، (ب) محددة ρC الحرارة ص بوصفها وظيفة من الزمن، و (ج) α انتشارية الحرارية بوصفها وظيفة من الزمن.تم تحويل النتائج إلى الخواص الحرارية بوصفها وظيفة من MH التشبع. وأفادت نتائج تحويلها والمناقشة ذات الصلة في المرجع. وتبين 9. البيانات تداخل داخل ر مجموعة = 210-980 دقيقة. من أجل الوضوح، تمثل البيانات المرسومة متوسط ​​ثلاثة قياسات من نفس استشعار ضمن هذا النطاق. تم تعديل هذه الأرقام من المرجع 9. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

مجموعة التحليل، ق λ، W م - 1 K - 1 ρC ص، MJ م - 3 K - 1 α، مم 2 ثانية - 1 مجموعه إلى الفصلع. مرة يعني ديف.، ° C
تحليل 1 0،00-5،00 2.12 0.938 2.26 2.11 0.01018
تحليل 2 0،65-4،88 2.31 2.11 1.10 1.00 0.00061

الجدول 1: الثوابت الحرارية لكل مجموعة تحليل تحليلات 1 و 2 هي أمثلة على نطاقات غير لائقة ومناسبة، على التوالي.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

وقدرت تأثير الحرارة تشكيل MH على القياس. وقدرت الحرارة تشكيل MH من المنتجات من معدل تغيير S ح كما هو مبين في الشكل 3B والمحتوى الحراري من تشكيل H = 52.9 كج مول -1 لMH 14. ونتيجة لذلك، كان الحد الأقصى للتغير في درجة الحرارة 0.00081 درجة مئوية ثانية -1. وكان هذا أقل بكثير من ارتفاع درجة الحرارة ΔT ج من أجهزة الاستشعار TPS بين 1 درجة مئوية و 1.5 درجة مئوية خلال فترة زمنية من 5 ثوانى. موصوفة تقدير مفصل والمناقشة في ثانية. 4 مرجعية 9.

وفيما يلي الخطوات بروتوكول حرجة. الخطوة الأولى هي الحفاظ على الظروف عينة البرودة الفائقة. الخطوة الثانية هي أداء القياسات الحرارية الثوابت "عن طريق الحفاظ على ارتفاع درجة الحرارة ΔT ج من أجهزة الاستشعار TPS تحت درجة سوب البرودة الفائقة ΔT.

للتأكد من أن قياس لا تتأثر الانجراف درجة الحرارة، ويجب أن تؤكد ما يلي. أولا، تأكد من أن التغير في درجة الحرارة بالجملة هو أقل بكثير من ارتفاع درجة الحرارة ΔT ج من أجهزة الاستشعار TPS. ثانيا، تأكد من أن التغير في درجة الحرارة بسبب الحرارة تشكيل MH هو أقل بكثير من ارتفاع درجة الحرارة ΔT ج من أجهزة الاستشعار TPS.

إذا يذوب عينة، والموصلية الحرارية والحرارة النوعية تختلف إلى ما لا نهاية بواسطة تقنية TPS. في مثل هذه الحالات، تغيير انتاج الطاقة من أجهزة الاستشعار أو نقصان في قياس الوقت.

ويمكن تطبيق هذا الأسلوب القياس إلى الخواص الحرارية للنظام الغاز الغاز هيدرات المياه الضيف، الذي يحتوي على الهيدروجين، CO 2، وهيدرات الأوزون، وذلك لأن انخفاض معدل تشكيل مميزة من هيدرات الغاز ليست فريدة من نوعها لMH. والنقطة الأساسية في هذا الأسلوب هو الفأر منخفضة(ه) من المرحلة الانتقالية من المواد المستهدفة. وبالتالي، يمكن تطبيق هذه الطريقة مع غيرها من المواد بمعدل المرحلة الانتقالية منخفضة. ويمكن أيضا أن تطبق هذه الطريقة قياس لرباعي هيدرو الفوران (THF) هيدرات شكلت من تركيز منخفض حل THF وبروميد الأمونيوم رباعي بوتيل (TBAB) هيدرات إذا كان معدل تشكيل هذه هيدرات بطيء بشكل كاف في ظل ظروف التبريد الفائقة. والشرط الوحيد هنا هو التأكد من أن التغير في درجة الحرارة بسبب حرارة تشكيل هيدرات هو أقل بكثير من الارتفاع في درجات الحرارة أجهزة الاستشعار، على النحو المذكور أعلاه. من ناحية أخرى، لا يمكن تطبيق هذه التقنية لمياه الجليد ومتكافئة THF حل هيدرات المرحلة الانتقالية لأن معدل الانتقال في هذه الأنظمة هو سريع جدا والحرارة تشكيل يؤثر بشكل كبير على القياسات.

وايت وآخرون. 15 قياس التوصيل الحراري للعينات التي تضم الرمال، غاز الميثان، وMH. كومار وآخرون.16 قياس انتشار حراري باستخدام عينات مع نفس المكونات. شكلوا MH مباشرة في المسام الرمال باستخدام جليد الماء في ضغط الجو غاز الميثان. تم تحويل كل من جليد الماء إلى MH. وبالتالي، فإنها قياس التوصيل الحراري للعينة حتى توقف تشكيل MH تماما. هذا الأسلوب له ميزة أن قياسات الخواص الحرارية لا تتأثر تشكيل أو التفكك الحراري للMH وأن تكوين عينة ثابت. ومع ذلك، وهذه الطريقة لا يمكن أن تعطي الخصائص الحرارية للعينات التي تضم الرمال والماء والميثان وMH. قياس هوانغ وفان التوصيل الحراري من الهيدرات تحمل الرمال العينة 17. شكلوا MH في المسام الرمال باستخدام محلول كبريتات الصوديوم دوديسيل (SDS)، مما سهل تشكيل MH. وأشاروا إلى أن الغاز والمياه وربما بقي في مسام الرمال والغاز بشكل كبير في القياسات. ومع ذلك، فإنها لم تبلغ عن تكوين واتإيه والغاز. لدينا بروتوكول القياس في الاستفادة من منح العلاقة بين الخصائص الحرارية (الموصلية الحرارية، وانتشار حراري، والحرارة النوعية الحجمية) وتكوين الرواسب MH-تحمل تضم الرمال والماء والميثان وMH.

لتطوير تكنولوجيات الانتاج الشامل من هيدرات الغاز، يلزم الثوابت الحرارية من تشكيل هيدرات، وطريقة القياس المقترحة يفعل ذلك بالضبط.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

وأيد هذه الدراسة ماليا من قبل اتحاد البحوث MH21 للموارد هيدرات الميثان في اليابان والبرنامج الوطني لهيدرات الميثان استغلال من قبل وزارة الاقتصاد والتجارة والصناعة. فإن الكتاب أود أن أشكر T. ميكاوا وS. انتقل على المساعدة التي قدموها مع التجارب.

الأرقام طبع بإذن من (موراؤكا، M.، Susuki، N.، ياماغوتشي، H.، تسوجي، T.، ياماموتو، Y.، وقود الطاقة، 29 (3)، 2015، 1345-1351، 2015، دوى: 10.1021 / ef502350n). حقوق التأليف والنشر (2015) جمعية الكيميائية الأميركية.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
TPS thermal probe, Hot disk sensor Hot Disk AB Co., Sweden #7577 Kapton sensor type, sensor radius 2.001 mm
Hot disk thermal properties analyzer Hot Disk AB Co., Sweden TPS 2500 
Toyoura standard silica sand Toyoura Keiseki Kogyo Co., Ltd., Japan N/A
Methane gas, 99.9999% Tokyo Gas Chemicals Co., Ltd., Japan N/A Grade 6 N, Volume 47 L, Charging pressure 14.7 MPa
Water Purification System, Elix Advantage 3 Merck Millipore., U.S. N/A 5 MΩ cm (at 25 °C) resistivity
Vibrating table, Vivratory packer Sinfonia Technology Co. Ltd., Japan VGP-60
Chiller, Thermostatic Bath Circulator  THOMAS KAGAKU Co., Ltd., Japan TRL-40SP
Coorant, Aurora brine Tokyo Fine Chemical Co.,Ltd., Japan N/A ethylene glycol 71 wt%
Temparature gage Nitto Kouatsu., Japan N/A Pt 100, sheath-type platinum resistance temperature detector
Pressure gage Kyowa Electronic Instruments., Japan PG-200 KU
Data logger KEYENCE., Japan NR-500
Mass flow controller OVAL Co., Japan F-221S-A-11-11A Maximum flow 2,000 N ml⁠/⁠M, maximum design pressure 19.6 MPa

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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

Tags

العلوم البيئية، العدد 109، الكيمياء، هيدرات الميثان، التوصيل الحراري، انتشار حراري، حرارة محددة والغاز الهيدرات تحمل الرواسب، عابرة تقنية مصدر الطائرة، والبرودة الفائقة
بروتوكول لقياس الخصائص الحرارية من فائق التبريد الاصطناعية الرمال والغاز والمياه، هيدرات الميثان عينة
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Muraoka, M., Susuki, N., Yamaguchi,… More

Muraoka, M., Susuki, N., Yamaguchi, H., Tsuji, T., Yamamoto, Y. Protocol for Measuring the Thermal Properties of a Supercooled Synthetic Sand-water-gas-methane Hydrate Sample. J. Vis. Exp. (109), e53956, doi:10.3791/53956 (2016).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter