Protocollo per la misurazione delle proprietà termiche di un super-raffreddato sintetica Sand-acqua-gas-idrato di metano Campione
Summary
We present a protocol for measuring the thermal properties of synthetic hydrate-bearing sediment samples comprising sand, water, methane, and methane hydrate.
Abstract
Methane hydrates (MHs) are present in large amounts in the ocean floor and permafrost regions. Methane and hydrogen hydrates are being studied as future energy resources and energy storage media. To develop a method for gas production from natural MH-bearing sediments and hydrate-based technologies, it is imperative to understand the thermal properties of gas hydrates.
The thermal properties’ measurements of samples comprising sand, water, methane, and MH are difficult because the melting heat of MH may affect the measurements. To solve this problem, we performed thermal properties’ measurements at supercooled conditions during MH formation. The measurement protocol, calculation method of the saturation change, and tips for thermal constants’ analysis of the sample using transient plane source techniques are described here.
The effect of the formation heat of MH on measurement is very small because the gas hydrate formation rate is very slow. This measurement method can be applied to the thermal properties of the gas hydrate-water-guest gas system, which contains hydrogen, CO2, and ozone hydrates, because the characteristic low formation rate of gas hydrate is not unique to MH. The key point of this method is the low rate of phase transition of the target material. Hence, this method may be applied to other materials having low phase-transition rates.
Introduction
Gli idrati di gas sono composti cristallini che compongono le strutture a gabbia di molecole d'acqua con legante idrogeno contenenti molecole ospiti nella gabbia 1. Grandi quantità di idrati di metano (MHS) nelle regioni del pavimento dell'oceano e permafrost sono interessanti risorse energetiche future, ma possono influenzare le condizioni climatiche globali 2.
Nel marzo 2013, il petrolio del Giappone, gas e metalli National Corporation condotto primo test di produzione offshore al mondo per estrarre il gas dal naturali sedimenti MH-cuscinetto nella parte orientale fossa di Nankai utilizzando il "metodo di depressurizzazione" 3,4.
Gli idrati di gas possono memorizzare gas quali metano 1, idrogeno 5, CO 2 1,6, e ozono 7. Quindi, metano e idrogeno idrati sono studiati come potenziali di accumulo di energia e mezzi di trasporto. Per ridurre le emissioni di CO 2 rilasciate in atmosfera, di CO 2 sequesstrazione utilizzando CO 2 idrati nei sedimenti oceanici profondi sono stati studiati 6. L'ozono è attualmente utilizzato nella purificazione dell'acqua e sterilizzazione alimentare. Studi di tecnologia di conservazione dell'ozono sono stati condotti perché è chimicamente instabile 7. La concentrazione di ozono in idrati è molto superiore a quello in acqua ozonizzata o ghiaccio 7.
Per sviluppare la produzione di gas da sedimenti MH-cuscinetto naturali e tecnologie idrato-based, è indispensabile per comprendere le proprietà termiche di idrati di gas. Tuttavia, i dati proprietà termiche e studi su modelli di gas idrati nei sedimenti fruttiferi sono scarse 8.
Il "metodo depressurizzazione" può essere utilizzato per dissociare MH nello spazio poroso sedimenti diminuendo la pressione dei pori inferiore alla stabilità idrati. In questo processo, i componenti spaziali poro sedimenti cambiano da acqua e da MH all'acqua, MH, e gas. misura le proprietà termiche 'di quest'ultima condizione è difficile perché il calore di fusione di MH possono influenzare le misurazioni. Per risolvere questo problema, Muraoka et al. Eseguita la misurazione delle proprietà termiche 'in condizioni molto fredde durante la formazione MH 9.
Con questo protocollo video, spieghiamo il metodo di misurazione di campione di sabbia-acqua-gas-MH sintetico super-raffreddato.
La Figura 1 mostra la configurazione sperimentale per misurare le proprietà termiche del metano artificiale sedimenti idrati-cuscinetto. La configurazione è la stessa, come mostrato in riferimento 9. Il sistema comprende principalmente una proprietà termiche del sistema di misurazione recipiente ad alta pressione, pressione e controllo della temperatura, e. Il recipiente ad alta pressione è composto di acciaio inossidabile cilindrico con un diametro interno di 140 mm e un'altezza di 140 mm; il suo volume interno con il volume morto rimosso è 2110 centimetri 3, e il suo limite di pressione è 15 MPa. il transie fonte plane nt (TPS) tecnica è usata per misurare le proprietà termiche 10. Nove sonde TPS con raggi individuale di 2.001 mm sono poste all'interno della nave. La disposizione dei nove sonde 9 è mostrato in figura 2 con riferimento 9. Le sonde TPS sono collegati all'analizzatore proprietà termiche 'con un cavo e commutato manualmente durante l'esperimento. I dettagli del sensore TPS, schema di collegamento, e la configurazione nel recipiente sono mostrate nelle Figure S1, 2, e 3 delle informazioni di supporto in riferimento 9.
Figura 1:. L'apparato sperimentale per misurare le proprietà termiche del sedimento idrato di metano-cuscinetto artificiale La figura è modificato dal riferimento 9.3956fig1large.jpg "target =" _ blank "> Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Il metodo TPS è stato utilizzato per misurare le proprietà termiche di ogni campione. I principi del metodo sono descritti in riferimento 10. In questo metodo, l'aumento della temperatura in funzione del tempo, DT ave, è
dove
In Equazione 1, W 0 è la potenza in uscita dal sensore, r è il raggio della sonda, λ è la conducibilità termica del campione, α è la diffusività termica, e t è il tempo dall'inizio dell'alimentazione alla sonda. D (τ) è un tempo adimensionale funzione di dipendente. τ </em> è dato da (le vostre rilassanti / r) 1/2. In Equazione 2, m è il numero di anelli concentrici della sonda TPS e 0 è una funzione di Bessel modificata. La conducibilità termica, diffusività termica e calore specifico del campione sono determinati simultaneamente mediante analisi inversione applicata all'aumento temperatura è alimentata alla sonda sensore.
Protocol
Representative Results
Discussion
L'effetto del calore formazione di MH sulla misurazione è stato stimato. Il calore formazione di MH è stato stimato da prodotti di velocità di variazione di S h come mostrato in Figura 3b e l'entalpia di formazione H = 52,9 kJ mol -1 per MH 14. Di conseguenza, la variazione massima temperatura era 0,00,081 mila ° C sec -1. Questo era molto inferiore l'aumento di temperatura DT c del sensore TPS tra 1 ° C e…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo studio è stato sostenuto finanziariamente dal Consorzio di Ricerca MH21 per idrato di metano risorse in Giappone e il Programma Nazionale idrato di metano sfruttamento da parte del Ministero dell'Economia, del Commercio e dell'Industria. Gli autori desiderano ringraziare T. Maekawa e S. Goto per la loro assistenza con gli esperimenti.
figure riprodotte con l'autorizzazione da (Muraoka, M., Susuki, N., Yamaguchi, H., Tsuji, T., Yamamoto, Y., combustibili energetici, 29 (3), 2015, 1345-1351, 2015, DOI.: 10.1021 / ef502350n). Copyright (2015) American Chemical Society.
Materials
| 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 6N, Volume 47L, Charging pressure 14.7MPa |
| 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 71wt% |
| 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 2000 Nml/M, maximum design pressure 19.6 MPa |
References
- Sloan, E. D., Koh, C. A. . Clathrate Hydrates of Natural Gases, 3rd ed. , (2007).
- 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).
- 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).
- 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).
- Mao, W. L., et al. Hydrogen clusters in clathrate hydrate. Science. 297 (5590), 2247-2249 (2002).
- 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).
- Muromachi, S., Ohmura, R., Takeya, S., Mori, H. Y. Clathrate Hydrates for Ozone Preservation. J. Phys. Chem. B. 114, 11430-11435 (2010).
- Waite, W. F., et al. Physical properties of hydrate-bearing sediments. Rev. Geophys. 47 (4), (2009).
- 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).
- 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).
- 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).
- Lee, B. I., Kesler, M. G. A generalized thermodynamic correlation based on three-parameter corresponding states. AIChE J. 21 (3), 510-527 (1975).
- Reid, R. C., Prausnitz, J. M., Poling, B. E. Chapter 3, Unit 3, 7. The properties of gases and liquids. , 47-49 (1987).
- Anderson, G. K. Enthalpy of dissociation and hydration number of methane hydrate from the Clapeyron equation. J. Chem. Thermodyn. 36 (12), 1119-1127 (2004).
- 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).
- Kumar, P., Turner, D., Sloan, E. D. Thermal diffusivity measurements of porous methane hydrate and hydrate-sediment mixtures. J. Geophys. Res. 109 (B1), (2004).
- Huang, D., Fan, S. Measuring and modeling thermal conductivity of gas hydrate-bearing sand. J. Geophys. Res. 110 (B1), (2005).
