Summary
Описан способ образования газового гидрата на каплях воды для изучения влияния различных ингибиторов, промоторов и субстратов на морфологию кристаллов гидрата.
Abstract
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.
Introduction
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.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
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.
- Введите полноразмерную модель ячейки давления из программного обеспечения для инженерного проектирования в программное обеспечение для моделирования.
- Назначьте модуль Юнга 400 ГПа и коэффициент Пуассона 0,29 к сапфировой окну.
- Для всех деталей из нержавеющей стали назначьте нержавеющую сталь 316 с модулем Юнга 190 ГПа и коэффициентом Пуассона 0,27.
- 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.
- 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).
- 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).
- Вкрутите четыре резьбы National Pipe Tapered (NPT) в соответствующие порты на напорной ячейке с помощью ленты сантехника.
- Соберите порт освещения, используя чертеж(дополнительный рисунок S1,части C, D и E) и подключите к верхнему левому винту NPT.
- Подключите датчик давления к верхнему порту NPT с помощью фитинга тройника и соединительного разъема.
- Подключите впускной игольчатый клапан в левом боковом винте NPT с помощью соединительной арматуры.
- 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.
- Отполировать поверхность сцены наждачной наждачной(Дополнительный рисунок S1,часть F).
- 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.
- Подогнать акриловый диск к задней стенке нажимной ячейки для усиления отражения света. Подогнать ступень в ячейку давления.
- Установите сапфировое окно.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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).
- 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.
- На ноутбуке установите соответствующее программное обеспечение для управления регистратором данных, камерой и датчиком давления на ячейке давления.
- Установите аквариум рядом с регистратором данных и поместите невыщелачивающую прокладку в нижней части аквариума, чтобы ограничить вибрации в ячейке давления(рисунок 2C).
- 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.
- 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. - 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.
- Проведите пластиковую трубку через изоляцию пенопластовой трубы.
- 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.
- Нанесите подводный герметик вокруг медной катушки / пластиковых труб внутри аквариума. Дайте герметику отверждиться. Оберните герметик клейкой лентой.
- 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.- 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).
- С помощью трубогиба сгибайте трубу на 1/8 дюйма вперед под углом 90°, примерно на 2 дюйма от насоса, чтобы избежать изгиба при соединении.
- С помощью трубогиба согните трубу на 1/8 дюйма вниз под углом 90°, примерно на 2 дюйма от первого изгиба.
- Прикрепите адаптер 1/8" к 1/4" адаптеру к трубе 1/8" с обеих сторон(рисунок 2G).
- 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. - 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). - 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.
- 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.
- Подключите датчик давления на ячейке давления к ноутбуку.
- Установите ячейку давления внутри аквариума, близко к передней части, для более четкого изображения.
- 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. - 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.
- Установите блок источника света рядом с аквариумом и подключите его к разветвелю питания.
- Установите камеру перед аквариумом, объектив которого направлен в сторону сапфирового окна. Подключите камеру к ноутбуку и разветвитель питания.
- 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.
- Откройте программное обеспечение датчика давления на ноутбуке и начните сбор данных с интервалом сканирования 1 с.
- Включите насос давления и контроллер. Нажмите Насос A на контроллер насоса давления, чтобы контролировать давление.
- Если в насосе есть давление, уменьшите давление, нажав Refill на контроллере насоса давления, пока впускной и выпускной клапаны насоса все еще закрыты.
- Открыв оба клапана напорной ячейки, слегка откройте выпускной клапан насоса на ~1/16 дюйма, чтобы медленно освободить оставшееся давление.
- При подключении отсоедините медную трубу 1/4" от впускного клапана на напорном насосе.
- Прикрепите гибкую трубку 1/4" к впускному клапану насоса с помощью набора гаек и наконечников. Поместите конец трубки в галлон воды.
- Закройте выпускной клапан насоса и откройте впускной клапан насоса.
- Нажмите Refill на контроллере насоса давления, чтобы заполнить поршень насоса водой.
- Установите ячейку давления в неглубокий пустой контейнер за пределами аквариума.
- Выдувайте воздух из ячейки давления до тех пор, пока вода не выйдет из верхнего порта и полностью не заполнит ячейку давления.
- Закройте впускной клапан насоса и откройте выпускной клапан насоса.
- Убедитесь, что клапаны на напорной ячейке все еще открыты.
- 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.
- Нажмите клавишу D, чтобы принять доступ к предыдущей странице.
- 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.
- 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.
- 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.
- Давление в ячейке давления.
ПРИМЕЧАНИЕ: Надевайте защитные очки перед надавливанием на напорной ячейки.- 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.
- 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.
- 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. - 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.
- 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.
- Для разгерметизации откройте выпускной клапан насоса и установите давление на 100 кПа. Как только давление стабилизируется, слегка откройте выпускной клапан ячейки давления.
- 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.
- 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.
- Подготовьте оборудование.
- 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.
- Практикуйте технику введения капель.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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).
- Добавьте каплю воды в ячейку давления с помощью вида камеры на ноутбуке.
- 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.
- Запустите новый журнал температуры с интервалом сканирования 1 с.
- 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. - 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.
- Сфокусировать камеру на капле в ячейке давления. Начинайте покадровую съемку каждые ~60 с.
- 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.
- Давление в ячейке давления до нужного давления.
ПРИМЕЧАНИЕ: Надевайте защитные очки перед надавливанием на ячейку.- Включите насос и контроллер. Закройте впускной клапан напорного насоса.
- Откройте выпускной клапан насоса и клапаны напорной ячейки.
ПРИМЕЧАНИЕ: Впускной клапан ячейки давления всегда должен быть открыт. - Подожмите давление насоса, нажав Zero на контроллер насоса давления. Выберите Насос A на контроллере насоса давления, чтобы контролировать давление.
- 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.
- Откройте газовый баллон и установите регулятор газового баллона на 1000 кПа.
- Нажмите «Пополнить» на контроллере насоса давления. Когда насос заполняется и приближается к 1000 кПа, закройте впускной клапан насоса и газовый баллон.
- 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.
- 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.
- Установите максимальное давление на 5 000 кПа:на контроллере насоса давления нажмите Пределы; нажмите 1; перфоратор в 5000; Нажмите клавишу ВВОД.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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. - Подождите ~ 12-24 ч, пока газ пронимет каплю.
- Зародышите гидратную оболочку с помощью сухого льда.
- Переключайте покадровую съемку, чтобы делать снимки каждые 2-5 с.
- 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.
- Наблюдайте за ходом образования гидрата метана с помощью покадровых фотографий в течение ~2-6 ч.
- 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. - 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.
- 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".
- Сохраняйте данные о давлении и температуре в виде .csv файлов.
- 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.
- Откройте файлы .csv температуры и давления.
- 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.
- Сделайте точечный график со временем по оси X и двумя осями Y с температурой и давлением(Дополнительный рисунок S2).
- 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) - 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).
- Обратите внимание на графики, где гидратная оболочка стала видимой, согласно покадровой визуализации.
7. Техническое обслуживание оборудования.
- Перед каждым испытанием заправляйте раствор в резервуаре этанолом, чтобы заменить испарившуюся этанол. Полностью заменяйте раствор в баке ежемесячно.
- Меняйте уплотнительным кольцам и резиновой шайбе каждые 2 месяца регулярного использования.
- Замените портовые соединения, если происходит постоянная утечка, которая не фиксируется затягивания.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
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(рисунок 3А)к непрозрачной гидратной оболочке со слегка дендритной поверхностью(рисунок 3В). Добавление 100 мкг мл-1 типа I АФП изменяло морфологию гидрата, индуцируя ребристые края вдоль капли и выступы из верхней части капли(рисунок 3C,D).
После того, как гидратная оболочка развивалась в течение ~1 ч, клетку разгерметизировали до 2 МПа(Supplemental Video S3). Во время разгерметизации наблюдалось падение температуры от 0,2 °C до 0,5 °C вблизи кривой стабильности P/T13 (рисунок 4)из-за диссоциации экзотермического гидрата. Диссоциация гидратов была подтверждена визуальным расплавлением с помощью покадровой визуализации в начале снижения температуры, отмеченного звездами на рисунке 4. После полной диссоциации гидрата мы репрессурируем клетку для наблюдения за морфологией и температурой плавления с «эффектом памяти»14,явлением, при котором гидрат образуется быстрее после того, как гидрат уже сформировался в системе (Supplemental Video S4). При повторном надавливании гидратная оболочка реформировалась в течение нескольких минут после достижения 5 МПа, и мы наблюдали такое же снижение температуры на кривой стабильности во время диссоциации.
Отрицательные контрольные испытания без капель и с капелькой, не образующие гидратной оболочки(Рисунок 4,Испытания 4 и 5), не показали снижения температуры во время разгерметизации. При разгерметизации ниже 2 МПа мы наблюдали пузырьки газа внутри капли от быстрой дегазации. Поскольку вершина каждого снижения температуры была выше ранее установленной кривой стабильности P/T13 (кривая гидратной стабильности #1 на рисунке 4),кривая регрессии была рассчитана на основе вершины P/T этих испытаний (P [kPa] = EXP(38,98+-8533,8/T [K]), кривая гидратной стабильности No 2 на рисунке 4).
Рисунок 1:Ячейка давления. Сцена, на которой находится капля, и встроенные термопары раскрываются путем удаления сапфирового окна и вышележащих резиновых и стальных шайб. Все детали и соединения маркированы. Верхняя левая вставка:сцена, показанная сверху со встроенными термопарами центральной и боковой ступеней. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 2:Экспериментальная установка гидрата метана. (A) Вытяжной капюшон, в котором расположена экспериментальная установка. (B) Газовый баллон соединен через медную катушку с напорным насосом. На панели(A)выделены(C)собранная ячейка давления,(D)10-галлонный (37,85 л) резервуар без изоляции или раствора,(E)напорный насос и(F, G, H)увеличенные изображения соединений насоса давления. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 3:Оболочки гидрата метана. Репрезентативные изображения капли до(A)и после(B)оболочки гидрата метана, образованной на деионизированной капле воды, и до(C)и после(D)гидратной оболочки, образованной на капле, содержащей 100 мкгмл-1 белка антифриза типа I. Шкала = 5 мм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 4:Диаграмма стабильности давления и температуры. Данные о давлении и температуре во время разгерметизации показаны с помощью кривых стабильности P/T гидрата метана (No 1 из Sloan and Koh 200713 и No 2, рассчитанных на основе взятия кривой регрессии из пиков плавления гидратов из этого исследования). Испытаниями с успешно сформированными гидратными оболочками на каплях воды DI являются испытания 1, 2 и 3. Испытание 4 было отрицательным контролем без капель на сцене. Капля в исследовании 5 была еще одним отрицательным контролем, в котором не образовалась гидратная оболочка. Звезды указывают, когда началось плавление визуальных гидратов во время разгерметизации. Испытание 1 имеет разрешение 30 с (точка данных каждые 30 с); другие судебные процессы имеют разрешение 1 с. Сокращения: T = судебное разбирательство; M.E. = эффект памяти; P/T = давление-температура; DI = деионизированный; res = разрешение. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Дополнительный рисунок S1: Изображения САПР для обработки напорной ячейки. Части A-F напорной ячейки маркируются буквой и размерами. Аббревиатура: CAD = автоматизированное проектирование. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный рисунок S2: Данные о давлении и температуре с течением времени для испытаний 2-4. Испытания 2 и 3 представляли обычные деионизированные капли воды, которые образовывали гидратные оболочки. Испытание 4 было отрицательным контролем, в котором не было капель. Испытания выстраиваются в линию при первой разгерметизации, которая происходит в нулевое время. Небольшое падение температуры происходит в начале разгерметизации из-за смешивания газа с напорным насосом. Большее падение температуры происходит из-за плавления гидрата после первоначального падения давления, как показано в испытаниях 2 и 3. Колебания температуры в конце испытания 4 обусловлены открытием клапана, приводящим к полной разгерметизации, которая также происходит в конце испытаний 2 и 3. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительная таблица S1: Допустимое напряжение (МПа) обработанной ячейки давления. Аббревиатура: FS = коэффициент безопасности. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту таблицу.
Дополнительная таблица S2: Коэффициент безопасности для обработанной ячейки давления. Аббревиатура: FS = коэффициент безопасности. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту таблицу.
Дополнительное видео S1: Штамм. Видео моделирования деформации на обработанной ячейке давления. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить это видео.
Дополнительное видео S2: Стресс. Видео моделирования напряжений на обработанной ячейке давления. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить это видео.
Дополнительное видео S3: Испытание 3 диссоциации гидратной оболочки. Покадровое видео диссоциации гидратной оболочки на скорости 25x. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить это видео.
Дополнительное видео S4: Испытание 3 нуклеации эффекта памяти. Покадровое видео формирования гидратной оболочки эффектом памяти после репрессуризации от 2 МПа до 5 МПа на 10-кратной скорости. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить это видео.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
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 50% раствором этанола, в который помещена напорная ячейка. Напорный насос сжимает газ из цилиндра в ячейку давления. Гидратная оболочка образуется при быстром снижении температуры с добавлением сухого льда в верхнюю часть ячейки давления. Мы смотрим на формирование оболочки в течение 2 ч, в течение которых, по-моему, газ проникает через стохастическое растрескивание гидратной оболочки, а Оствальд созревает в течение более длительного периода. Действительно, это устройство можно было бы использовать для изучения этих явлений.
Критические шаги для этого протокола включают: 1) испытание на герметичности напорной ячейки с водой перед давлением ее газом, 2) практику добавления капли воды на ступень перед установкой сапфирового окна, 3) охлаждение капли, чтобы она была стабильной при ~ 2 °C перед давлением, 4) давление с максимальной скоростью потока 10 мл мин-1-5 МПа с шагом 1 МПа, 5) закрыть выпускной клапан на напорном насосе (к ячейке), чтобы ограничить газообмен с напорным насосом, 6) установить температуру, давление и программное обеспечение для замедления каждые 1 с, 1 с и 5 с (или менее), соответственно, перед добавлением сухого льда, 7) непрерывно прикладывать сухой лед к верхней части ячейки до тех пор, пока в пока в пока не будет наблюдаться гидратная оболочка, 8) дать гидратной оболочке сформироваться не менее 1 ч, 9) разгерметизироваться с той же скоростью, что и герметизация.
Во время разработки метода мы оптимизировали переменные и методы, включая время охлаждения, герметизации, разгерметизации, размер капель и технику введения капель. Существует несколько ограничений при использовании этого метода. Одним из ограничений является разрешение капельного изображения из-за разрешения камеры и материалов между камерой и каплей (резервуар, раствор этанола, толстое сапфировое окно). Кроме того, в то время как другие исследования наблюдают поверхностную каплю на микромасштабе7,9,10,этот метод позволяет проводить только макромасштабные наблюдения. Крепление для линз микроскопа может быть установлено, если есть интерес к микронаблюдениям.
Другим ограничением этого метода является невозможность точного измерения толщины гидратной оболочки. Однако толщину гидрата можно оценить, вычитая площадь поперечного сечения до и после гидратообразования и вычисляя расход газа с использованием изменения температуры во время разгерметизации для определения объема образующегося гидрата. Другим ограничением является то, что эта капля не может быть просмотрена в 3D, потому что есть только одна сторона ячейки давления, содержащая сапфировое окно. Напротив, в других исследованиях использовались клетки, полностью изготовленные из сапфира, для наблюдения за каплей с нескольких углов7. Мы также не устанавливали10-ю ступень контроля температуры или спектроскопические методы; однако они, безусловно, могут быть установлены с помощью этой установки.
С помощью этого метода морфологию, давление и температуру диссоциации, а также изменение температуры во время диссоциации гидратов можно наблюдать с помощью капель, содержащих добавки или субстраты альтернативной стадии. Этот метод относительно дешев, и существует несколько тщательных протоколов для формирования газогидратных оболочек. Поскольку системы высокого давления могут быть опасными, мы включаем советы по безопасности для испытаний на герметичность и герметичность. Кроме того, многие установки не позволяют визуализировать образование газовых гидратов или делают это в гораздо меньшем или гораздо большем масштабе. Лабораторные эксперименты вносят основной вклад в понимание природных газовых гидратов и гидратов природного газа, которые могут вызвать смертельные взрывы газопроводов. Этот метод может быть использован для быстрой оценки влияния добавок на температуру диссоциации и морфологию и способность добавок устранять эффект памяти. Эффективные добавки могут быть использованы в качестве ингибиторов в газопроводах или для изучения биологической активности глубоководных бактериальных белков6,15.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Нет конкурирующих финансовых интересов.
Acknowledgments
Грант NASA Exobiology 80NSSC19K0477 финансировал это исследование. Мы благодарим Уильяма Уэйта и Николаса Эспинозу за ценные обсуждения.
Materials
Name | Company | Catalog Number | Comments |
CAMERA AND LAPTOP | |||
Camera Body | Nikon | D7200 | Name in Protocol: camera |
Camera Control Pro 2 Software | Nikon | Name in Protocol: camera software | |
Laptop | HP Pavilion | hp-pavilion-laptop-14-ce0068st | Needs to be PC with plenty of storage (~ 1 Tb) Name in Protocol: laptop |
Macrophotography Lens | Nikon | AF-S MICRO 105mm f/2.8G IF-ED Lens | Name in Protocol: lens |
CONSUMABLES | |||
Deionized water | Name in Protocol: DI water | ||
Dry Ice | VWR or grocery store | Buy just before nucleation Name in Protocol: dry ice |
|
Ethanol | Name in Protocol: ethanol | ||
Ethylene Glycol | Name in Protocol: ethylene glycol | ||
COOLING SYSTEM | |||
1/2 in. O.D. x 3/8 in. I.D. x 25 ft. Polyethylene Tubing | Everbilt | Model # 301844 | For circulating coolant from chiller to copper coils in aquarium Name in Protocol: 3/8” (inner diameter) plastic tubing |
Circulating chiller | Polyscience | Name in Protocol: chiller | |
Economical Flexible Polyethylene Foam Pipe Insulation | McMaster-Carr | 4530K162 | 3/4" thick wall; 1/2" inner diameter; R Value 3; 6' long Name in Protocol: foam pipe insulation |
Plastic tubing | use any tubing that fits the airline connection in the lab and long enough to travel from the airline connection to the front of the aquarium | ||
DATALOGGER | |||
Armature Multiplexer Module for 34970A/ 34972A, 20-Channel |
Keysight Technologies | 34901A | Name in Protocol: datalogger multichannel |
Benchvue or Benchlink software | Benchvue or Benchlink | Name in Protocol: temperature transducer software | |
Data Acquisition/Switch Unit. GPIB, RS232 | Keysight Technologies | 34970A | Name in Protocol: datalogger |
USB/GPIB interface | Keysight Technologies | 82357B | Name in Protocol: datalogger USB |
datalogger multichannel | |||
Schott Fostec -Llc 20510 Ace Fiber Optic Light Source | Schott Fostec | A20500 | 3115PS-12W-B20 115 V ~AC 50/60Hz 5/4.5 W Name in Protocol: light source unit |
Schott Fostec light source guide - single bundle | Schott Fostec | A08031.40 | Name in Protocol: fiber optic light source cable |
METHANE GAS AND REGULATOR | |||
1/4 OD in. x 20 ft. Copper Soft Refrigeration Coil | Everbilt | Model # D 04020PS | For pressurizing ISCO pressure pump. An additional pack is needed for coolant circulation, as listed below. Name in Protocol: high pressure-rated 1/4” copper pipe |
Methane cylinder regulator | Airgas | Y11N114G350-AG | Name in Protocol: methane cylinder regulator |
Methane gas cylinder | Airgas | ME UHP300 | Name in Protocol: methane gas cylinder |
PRESSURE PUMP | |||
1/4 in. flexible tubing, ~ 3 ft. | Connect to pump inlet for leak test Name in Protocol: 1/4" flexible tubing |
||
260D Syringe Pump W/Controller | Teledyne Instruments Inc. | 67-1240-520 | Name in Protocol: pressure pump |
Controller − Ethernet/USB | Teledyne Instruments Inc. | 62-1240-114 | Purchase if you would like to install Labview onto computer and control pressure pump remotely. We did not do this. |
Smooth-Bore Seamless 316 Stainless Steel Tubing, 1/4" OD, 0.035" Wall Thickness, 1 Foot Long (x5) | McMaster-Carr | 89785K824 | Name in Protocol: 1/4" pipe |
Smooth-Bore Seamless 316 Stainless Steel Tubing, 1/8" OD, 0.02" Wall Thickness, 1 Foot Long (x4) | McMaster-Carr | 89785K811 | Name in Protocol: 1/8" pipe |
Stainless Steel Swagelok Tube Fitting, Reducing Union, 1/4 in. x 1/8 in. Tube OD (x4) | Swagelok | SS-400-6-2 | Name in Protocol: 1/8” to 1/4” adapter |
PRESSURE CELL | |||
316 Stainless Steel Nut and Ferrule Set (1 Nut/1 Front Ferrule/1 Back Ferrule) for 1/4 in. Tube Fitting (20) | Swagelok | SS-400-NFSET | Used for fitting connections where necessary Name in Protocol: ferrule set |
316L Stainless Steel Convoluted (FM) Hose, 1/4 in., 316L Stainless Steel Braid, 1/4 in. Tube Adapters, 60 in. (1.5 m) Length | Swagelok | SS-FM4TA4TA4-60 | Connects pressure pump to pressure cell Name in Protocol: 1/4" braided stainless steel flexible pressure-rated hose |
ABAQUS | ABAQUS FEA | Name in Protocol: simulation software | |
Abrasion-Resistant Cushioning Washer for 7/8" Screw Size, 0.875" ID, 2.25" OD, packs of 10 (x1) | McMaster-Carr | 90131A107 | Name in Protocol: 2.25" rubber washer |
Abrasion-Resistant Sealing Washer, Aramid Fabric/Buna-N Rubber, 3/8" Screw Size, 0.625" OD, packs of 10 (x1) | McMaster-Carr | 93303A105 | Used for illumination port |
Acrylic Sheet | White 2447 / WRT31 Extruded Paper-Masked (Translucent 55% (0.118 x 12 x 12) |
Interstate Plastics | ACRW7EPSH | Machine a circle of acrylic to fit in the inner chamber of the pressure cell to serve as the background for imaging Name in Protocol: acrylic disc |
AutoCAD | AutoCAD | Name in Protocol: engineering design software | |
Conax fitting | Conax Technologies | 311401-011 | TG(PTM2/)-24-A6-T, OPTIONAL 1/4" NPT Name in Protocol: pressure seal connector |
High Accuracy Oil Filled Pressure Transducers/Transmitters for General industrial applications (x2) |
Omega Engineering, Inc. | PX409-3.5KGUSBH | Buy two so there is a backup. Name in Protocol: pressure transducer |
HIGH PRESSURE CHAMBER PARTS | Wither Tool, Die and Manufacturing Company | Machining for pressure cell parts as listed in CAD drawings (Figure S1) Name in Protocol: Part B = stainless steel washer |
|
High-Strength 316 Stainless Steel Socket Head Screw, M5 x 0.80 mm Thread, 14 mm Long (x20) | McMaster-Carr | 90037A119 | Used for illumination port |
High-Strength 316 Stainless Steel Socket Head Screw, M8 x 1.25 mm Thread, 25 mm Long (x20) | McMaster-Carr | 90037A133 | Name in Protocol: M8 stainless steel screws |
Oil-Resistant Hard Buna-N O-Ring, 3/32 Fractional Width, Dash Number 120, packs of 50 (x1) | McMaster-Carr | 5308T178 | Name in Protocol: 1" o-ring |
Oil-Resistant Hard Buna-N O-Ring, 3/32 Fractional Width, Dash Number 128, packs of 50 (x1) | McMaster-Carr | 5308T186 | Name in Protocol: 1.5" o-ring |
Omega Inc. pressure transducer software | Omega Engineering, Inc. | Name in Protocol: pressure transducer software | |
Polycarbonate Disc | McMaster-Carr | 8571K31 | Listed in CAD drawings for illumination port, Fig. S1 Part E |
Sapphire windows (x3) | Guild Optical Associates, Inc. | Optical Grade Sapphire Window, C-Plane Diameter: 1.811” ±.005” Thickness: .590” ±.005” Surface Quality: 60/40 Edges ground and safety chamfered |
Buy three so there are two backups. Name in Protocol: sapphire window |
Solid Thermocouple Wire FEP Insulation and Jacket, Type K, 24 Gauge, 50 ft. Length (x1) | McMaster-Carr | 3870K32 | Name in Protocol: thermocouples |
Stainless Steel Integral Bonnet Needle Valve, 0.37 Cv, 1/4 in. Swagelok Tube Fitting, Regulating Stem (x4) | Swagelok | SS-1RS4 | Two will be used for the pressure pump as well. Name in Protocol: 1/4" needle valves |
Stainless Steel Pipe Fitting, Hex Nipple, 1/4 in. Male NPT (x2) | Swagelok | SS-4-HN | Used for illumination port |
Stainless Steel Swagelok Tube Fitting, Female Branch Tee, 1/4 in. Tube OD x 1/4 in. Tube OD x 1/4 in. Female NPT (x2) | Swagelok | SS-400-3-4TTF | Used with pressure transducer Name in Protocol: branch tee fitting |
Stainless Steel Swagelok Tube Fitting, Male Connector, 1/4 in. Tube OD x 1/4 in. Male NPT (x4) | Swagelok | SS-400-1-4 | Used on top port and side port leading to needle valves Name in Protocol: NPT screws |
Stainless Steel Swagelok Tube Fitting, Port Connector, 1/4 in. Tube OD (x8) | Swagelok | SS-401-PC | Use as tube connections between NTP and valve connections Name in Protocol: port connector fitting |
TANK | |||
1/4 OD in. x 20 ft. Copper Soft Refrigeration Coil | Everbilt | Model # D 04020PS | For circulating coolant Name in Protocol: 1/4" copper pipe |
10 gallon aquarium | Tetra | Name in Protocol: 10 gallon tank | |
2 oz. Waterweld | J-B Weld | Model # 8277 | Name in Protocol: underwater sealant |
3 in. x 25 ft. Foil Backed Fiberglass Pipe Wrap Insulation | Frost King | Model # SP42X/16 | For wrapping around aquarium Name in Protocol: foil-lined fiberglass |
3/8 7/8 in. Stainless Steel Hose Clamp (10 pack) | Everbilt | Model # 670655E | Name in Protocol: worm drive hose clamps |
Styrofoam | Name in Protocol: insulating material | ||
TOOLS | |||
1-1/8 in. Ratcheting Tube Cutter | Husky | Model # 86-036-0111 | |
1/2 in. to 1 in. Pipe Cutter | Apollo | Model # 69PTKC001 | |
Adjustable wrench (x2) | Steel Core | Model # 31899 | Need two wrenches with jaw at least 1" |
Allen wrench set | Home Depot | ||
Duct tape | Name in Protocol: duct tape | ||
Flexible tubing, like an IV line, to fit on the end of grainger probe (canula) | Name in Protocol: IV tube | ||
Grainger 18 gauge probe | Grainger | For inserting droplet Name in Protocol: cannula |
|
High Vacuum Grease | Dow corning | Apply to o-rings before inserting sapphire window Name in Protocol: vacuum grease |
|
Klein Tools Professional 90 Degree 4-in-1 Tube Bender | Klein Tools | Model # 89030 | Name in Protocol: tube bender |
Snoop liquid leak detector | Swagelok | MS-SNOOP-8OZ | To detect leaks when pressurized when methane Name in Protocol: liquid leak detector |
Suction cup | Home Depot | For removing tight fitting sapphire window Name in Protocol: suction cup |
|
Teflon Tape | Name in Protocol: plumber's tape | ||
Temflex 3/4 in. x 60 ft. 1700 Electrical Tape Black | 3M | Model # 1700-1PK-BB40 | Name in Protocol: electrical tape |
References
- 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. Formation of gas hydrates in natural gas transmission lines. Industrial and Engineering Chemistry. 26, 851-855 (1934).
- 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).
- Kelland, M. A. A review of kinetic hydrate inhibitors from an environmental perspective. Energy & Fuels. 32 (12), 12001-12012 (2018).
- Walker, V. K., et al. Antifreeze proteins as gas hydrate inhibitors. Canadian Journal of Chemistry. 93 (8), 839-849 (2015).
- 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).
- 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).
- Chen, X., Espinoza, D. N. Ostwald ripening changes the pore habit and spatial variability of clathrate hydrate. Fuel. 214, 614-622 (2018).
- 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).
- 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).
- 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).
- Sloan, E. D., Koh, C. A. Clathrate Hydrates of Natural Gases. 3rd edn. , CRC Press. (2007).
- Makogon, I. F. Hydrates of natural gas. , PennWell Books. Tulsa, Oklahoma, USA. 125 (1981).
- 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).