פרוטוקול למדידת התכונות התרמיות של מדגם סודה בקירור סינתטי חול-מים-גז מתאן

Environment

Your institution must subscribe to JoVE's Environment section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Introduction

הידרט גז הם תרכובות גבישי המרכיבות מבנים כלוב של מולקולות מים מלוכדות מימן המכיל מולקולות אורח בכלוב 1. כמויות גדולות של נוזלים מתאן (MHS) באזורי הרצפה קפוא אוקיינוס ​​הן מקורות אנרגיה בעתיד מעניינים אך הוא עשוי לפגוע בתנאי האקלים הגלובלי 2.

בחודש מרץ 2013, יפן הנפט, הגז, והמתכות הלאומיות Corporation שנערכו במבחן הפקת הנפט הראשון בעולם כדי לחלץ גז טבעי ממשקעים MH נושא בשוקת Nankai המזרחית באמצעות "שיטת ירידת לחץ" 3,4.

הידרט גז יכול לאחסן גזים כגון מתאן 1, מימן 5, CO 2 1,6, ו אוזון 7. לפיכך, הידרט המתאן ומימן נלמדים כאחסון אנרגיה פוטנציאלית ומדיה תחבורה. כדי להפחית את פליטת ה- CO 2 משתחררים לאטמוספירה, CO 2 sequestration באמצעות CO 2 הידרט במשקעים למעמקי האוקיינוס ​​נחקרו 6. האוזון משמש כיום לטיהור מים ועיקור מזון. מחקרים של טכנולוגיית שימור האוזון נערכו כי זה 7 כימיה יציבה. ריכוז האוזון הידרט הוא גבוה הרבה יותר מזה במים ozonized או קרח 7.

כדי לפתח ייצור גז טבעי ממשקעים MH נושאות וטכנולוגיות מבוססי מימה, זה הכרחי כדי להבין את תכונות תרמיות של נוזלים וגז. עם זאת, נתוני תכונות תרמיות ומחקרי מודל של משקעים מימה נושאות גז נדירים 8.

"שיטת ירידת הלחץ" שניתן להשתמש בם כדי לנתק MH במרחב הנקבובי משקע ידי הפחתת הלחץ הנקבובי מתחת יציבות מימה. בתהליך זה, את הרכיבים הנקבוביות משקעים לשנות ממים ומן MH למים, MH, וגז. המדידה 'התכונות התרמיותהתנאי האחרון הוא קשה בגלל חום ההיתוך של MH עשוי להשפיע על המדידות. כדי לפתור בעיה זו, Muraoka et al. בצע את המדידה 'תכונות תרמיות בתנאים בקירור במהלך MH היווצרות 9.

עם פרוטוקול בסרטון הזה, נסביר את שיטת המדידה של מדגם סינתטי בקירור חול-מים-גז-MH.

איור 1 מציג את הגדרת הניסוי למדידת התכונות התרמיות של משקעים מימה נושאות מתאן מלאכותית. ההתקנה היא זהה המוצג התייחסות 9. המערכת כוללת בעיקר כלי בלחץ גבוה, לחץ ובקרת טמפרטורה, ואת תכונות תרמיות של מערכת המדידה. הספינה בלחץ גבוה מורכבת נירוסטה גלילית עם קוטר פנימי של 140 מ"מ וגובה של 140 מ"מ; הנפח הפנימי שלה עם הנפח המת סיר הוא 2,110 סנטימטר 3, ולהגביל הלחץ שלה הוא 15 מגפ"ס. transie טכניקת NT מקור מטוס (תב"ע) משמשת כדי למדוד את תכונות תרמיות 10. תשע בדיקות TPS עם רדיוס פרט של 2.001 מ"מימ ממוקמות בתוך הכלי. הפריסה של תשע הבדיקות 9 מוצגת באיור 2 בהתייחס 9. בדיקות TPS מחובר המנתח 'תכונות תרמיות באמצעות כבל ועברה ידני במהלך הניסוי. הפרטים של חיישן TPS, דיאגרמת חיבור ולאחר ההתקנה בתוך כלי מוצגי S1 הדמויים, 2, ו -3 של מידע התומך התייחסות 9.

איור 1
איור 1:. הגדרת הניסוי למדידת תכונות התרמיות של המשקעים מימה נושאות מתאן המלאכותיים הדמות שונה מהתייחסות 9.3956fig1large.jpg "target =" _ blank "> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

השיטה TPS שימש למדידת התכונות התרמיות של כל דגימה. עקרונות השיטה מתוארים ביחס 10. בשיטה זו, הגידול הטמפרטורה תלוי זמן, ave ΔT, הוא

משוואה 1

אֵיפֹה

משוואה 2

במשוואה 1, W 0 הוא הספק המוצא מהחיישן, r הוא רדיוס של החללית חיישן, λ הוא מוליכות תרמית של המדגם, α הוא diffusivity תרמית, ו t הוא הזמן מתחילת אספקת החשמל אל בדיקת החיישן. D (τ) הוא פונקציה תלויה ממדי זמן. τ (αt / r) 1/2. במשוואה 2, m הוא מספר טבעות קונצנטריות של החללית TPS ואני 0 היא פונקציה Bessel שונה. מוליכות התרמית, diffusivity תרמית, והחום סגולי של המדגם נקבעים בו זמנית על ידי ניתוח היפוך להחיל את העלאת הטמפרטורה ככח מסופק חללית החיישן.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

הערה: אנא להתייעץ כל גיליונות נתוני בטיחות חומרים רלוונטיים כמו מחקר זה הינו באמצעות גז מתאן דליק בלחץ גבוה וכלי בלחץ גבוה גדול. לחבוש קסדה, משקפי מגן, ומגפי בטיחות. אם מערכת בקרת הטמפרטורה מפסיקה, הלחץ בתוך כלי מגדילה עם דיסוציאציה MH. כדי למנוע תאונות, השימוש במערכת שסתום בטיחות מומלץ מאוד כדי לשחרר את הגז מתאן אוטומטי לאווירה. מערכת שסתום הביטחון יכולה לעבוד ללא אספקת חשמל.

1. הכנת דגימות גז חול-מים-מתאן 9

  1. מניח את הכלי בלחץ גבוה על השולחן הרוטט.
  2. יוצקים 1.5 L של מים טהורים בבקבוק מים ו -4,000 גרם חול סיליקה בבקבוק חול. במדויק לשקול את המוני חול ומים בבקבוקים חול ומים, בהתאמה.
  3. יוצקים 1 ליטר של מים טהורים בתוך כלי בלחץ גבוה עם נפח פנימי של 2,110 ס"מ 3 מבקבוק מיםעד שהמים וממלאים מחצית הספינה הפנימית.
  4. הפעל השולחן רוטט לרטוט הספינה כולה. הגדר את קצב הרטט ואת אספקת החשמל ל -50 הרץ ו -220 W, בהתאמה. החל את הרטט עד להשלמת שלב 1.5. סר באוויר שייר קו הניקוז ולסנן מתכתי sintered בתחתית הספינה על ידי רוטט כלי השיט.
  5. יוצקי 3,300 גרם חול סיליקה מבקבוק חול לתוך הכלי בקצב קבוע של כ -1 גרם שניות -1 באמצעות משפך החזיק קרוב לפני המים בעוד הספינה כולה רטטה על מנת להבטיח אריזה אחידה.
  6. עצור את הרטט כאשר המים מגיעים לשפת הכלי.
  7. מניח טבעת כחומת זמנית על שפת הספינה כדי למנוע מים מלזרום.
  8. רטט הספינה שוב בתדר 50 הרץ ו 220 W.
  9. כאשר החול מגיע לשפת הכלי (גובה 140 מ"מ), לכבות את הרטט.
  10. סר הקיר הזמני ומים נקבוביים עודפים באמצעות הקו ניקוז דואר. יוצק את המים נקבוביים העודפות לבקבוק המים.
  11. ארוז את החול ידי רוטט כלי פעם או פעמיים בתדר 50 הרץ ו 300 W עבור 1 sec ולהוסיף חול יותר במידת הצורך.
  12. לשקול את המוני חול ומים בבקבוקים חול ומים. חשב את ההמונים חול ומים בתוך כלי מן ההבדלים המונים בקבוקי חול ומים. בניסוי זה, המוני חול ומים בתוך הכלים היו 3385 גרמו ו 823.6 גרם, בהתאמה. המסה של מים בתוך כלי מצוין כמו W הכולל.
  13. מכסה את הכלי בלחץ גבוה עם מכסה נירוסטה להדק את הברגים של זוגות מול באלכסון ברצף.
  14. הזז את הכלי בלחץ גבוה מהשולחן רוטט לשולחן מיועד הניסוי.
  15. מכסים את כלי בלחץ גבוה עם מבודד חום עבור שליטה על הטמפרטורה.
  16. חבר את צינורות בלחץ גבוה ואת קווי זרימה מקורר לכלי השיט בלחץ גבוה. פתח את השסתומים של צינורות גז קלט ופלט. לאוורר 10 L מתאן בשיעור של 800 מ"ל דקות -1 עד אין טיפול במי עודף למלכודת בלחץ אטמוספרי. פריקת חול נמנע בשל מסנן מתכתי sintered קבוע בחלק התחתון של הספינה. המים שיורית נשאר על פני השטח בחול כי בחול סיליקה הידרופילי adsorbs מולקולות המים.
  17. לשקול את המסה של מים בתוך המלכודת, w מלכודת, כדי לקבוע את כמויות הגז בתוך הכלי. מהי מסת המים שיורית, מיל w, בתוך כלי שיט באמצעות המשוואה w מיל = w הכולל - w מלכודת. במקרה זה, מיל w וללכוד w היה 360.6 גרם ו 463.0 גרם, בהתאמה.
  18. קבע את נקבוביות מדגם באמצעות Ѱ הנוסחה = 1 - V תא חול / V, שם החול V הוא נפח של tהוא החול נקבע על ידי היחס בין מסת חול צפיפות חול (כלומר, ρ s = 2,630 קילו מ -3), ותא V הוא הנפח הפנימי של כלי השיט. הנקבובי Ѱ של המדגם היה 0.39.
  19. סגור את השסתום של קו גז פלט. להזריק מתאן כדי להגביר את הלחץ הנקבובי המתאן הכלי לכ 12.1 מגפ"ס בטמפרטורת חדר (כלומר, 31.6 מעלות צלזיוס).
  20. סגור את השסתום של קו גז קלט.
  21. להתחיל להקליט את הלחץ והטמפרטורה בתוך כלי במהלך הניסוי באמצעות לוגר נתונים. מרווח דגימת נתונים הוא 5 שניות. שעת הניסיון הכולל היא כ -3,000 דקות.

סינתזת MH 2. ומדידה "תכונות תרמיות של המדגם בקירור 9

  1. הפעל ילר לקירור הספינה מ בטמפרטורת החדר עד 2.0 מעלות צלזיוס על ידי מחזורי הקירור. תנו לזרום קירור מן ילר to בתחתית הספינה, ומשם את המכסה של כלי השיט, ולבסוף חזרה ילר. שיעור שינוי הטמפרטורה בתוך הכלי היה כ 0.001 מעלות צלזיוס שניות -1.
  2. הגדר את פרמטרי מידות באמצעות תוכנת מנתח TPS. הגדרת סוג חיישן חיישן עיצוב # 7577. הגדר את כוח פלט W 0 ל -30 mW והזמן מדידה עד 5 שניות. ראוי לציין, כי הפרמטרים המתאימים צריכים להיות שונים אם סוג החיישן או תנאים מדגמים להשתנות. הגדר את הפרמטרים כדי להעלות את הטמפרטורה של 1 ° C עד 1.5 מעלות צלזיוס.
  3. חשב את מידת קירור-יתר, sup ΔT, עם המשוואה הבאה:
    ΔT sup = T EQ (P) - T. (3)
    EQ T (P) הוא טמפרטורת שיווי המשקל של MH כפונקציה של לחץ P. EQ T (P) מחושב לפי CSMGem תוכנה 1.0; P ו- T הוא הלחץ והטמפרטורה בתוך הכלי נמדד באמצעות מד לחץ וטמפרטורה, בהתאמה.
  4. במקביל למדידת מוליכות תרמית, diffusivity תרמית, וחום נפח ספציפי באמצעות מנתח TPS לאחר sup ΔT יעלה על 2 מעלות צלזיוס.
  5. Switch חללית TPS המחוברת מנתח תכונות תרמיות לאחר כל מדידה. החלף את הכבלים בין חלליות TPS ואת המנתח באופן ידני במהלך הניסוי 9. תרשים החיבור מוצג באיור S2 התייחסות 9. רצף המיתוג עבור כל חיישן הוא לא. 6 → 2 → 7 → 5 → 1 → 9 → 4 → 3 → 8 → 6 .... הרצף מבוסס על המרחק בין החיישנים, אשר מוגדר ככל האפשר כדי למנוע את החום השיורי מאת משפיע על המדידות. איסוף נתונים בכל דקות 3-5.
  6. חזור על המדידות עד & #916; T sup מגיע 2 מעלות צלזיוס שוב. בניסוי זה, Δ T sup בתחילה עולה עם הזמן. לאחר sup ΔT מגיע לערך המרבי, sup ΔT פוחתת בהדרגה C 0 ° בגלל הלחץ פוחתת עם הקמתה של MH. בדקו אם ΔT sup גדול מ -2 ° C לפני מדידות TPS באמצעות משוואה 3.
  7. ודא כי פרופיל הטמפרטורה אינה מושפעת ההיתוך MH. אם MH נמס במהלך המדידות, הטמפרטורה לא תגדל בגלל המסת MH היא תגובה אנדותרמית. בדוק את פרופיל הטמפרטורה במהלך המדידות, והוא נדון בפרק התוצאות.
  8. לבצע את הניתוח "תכונות תרמיות של כל נתוני טמפרטורת הפרופיל בטכניקת TPS.

חישוב 3. השינוי הרווי המדגם 9,11

הערה:מידת הרוויה עבור MH, מים, וגז במדגם כפונקציה של t זמן מחושב באמצעות המשוואה של המדינה מהגז. פרטי חישוב המשוואות השתמשו מתוארים בעבר 11.

  1. חשב את הגז V נפח הגז מתאן, t בזמן t
    משוואה 4
    איפה Q הוא הנפח הראשוני של גז בתוך הכלי, V MH, t - 1 הוא הנפח של MH בזמן t - 1, ו- R Vhw הוא יחס הנפח של מי MH.
    משוואה 5
    במשוואה 5, n הוא מספר הידרציה של MH (~ 6), ρ MH ו ρ מים מתאים צפיפות MH ומים, בהתאמה, ו w MH ומי w לציין את המסה המולקולרית של MH ומים, respectively.
  2. חשב את t סכום ΔM (mol) של MH נוצר t - 1 עד t
    משוואה 6
    כאשר R הוא קבוע הגזים, P הוא הלחץ של גז מתאן, ו- Z t (גז T, T, גז P, T) הוא מקדם דחיסה של מתאן בזמן t. אנחנו 9 ו Sakamoto et al. 11 השתמשו המשוואה בנדיקטוס-ווב-רובין (BWR), כפי שתואם Lee ו קסלר, לחישוב Z t 12, 13. בחישוב זה, הנוסחאות (3-7.1) - (3-7.4) של המשוואה BWR 13 ואת קבועי Lee-קסלר משמשים בלוחות 3 - 7 ההפניה 13.
  3. חשב את השינוי הכמותי Δ V MH, t - 1 עד t
    משוואה 7
    כאשר P s הוא לחץ ההתייחסות של 101,325 Pa, T s היא טמפרטורת הייחוס של 273.15 K, Z הים הוא מקדם הדחיסה ב- P s ו- T ים (Z ים ~ 1), ו- V CH4 הוא היחס בין נפח הגז מתאן יחידת נפח של MH [Nm 3 מ -3]. השתמש בערך V CH4 של 165.99 [Nm 3 מ -3].
  4. חשב את נפח V MH, t של MH בזמן t
    משוואה 8
  5. חשב את נפח המים מים V, t ב כלי הלחץ בזמן t
    משוואה 9 מים כאשר V, 1 הוא הנפח הראשוני של מים.
  6. חזור על החישובים באמצעות משוואות. 4-9 בזמן t = 2, 3, ... כדי לקבוע את השינוי הרוויה של מים, מתאן, ו MH 11. התנאי הראשוני הוא t = 1, כלומר, גז V, 1 = Q. ה- P ו- T בזמן t לקוחי יומני הנתונים 9. לפי תוצאות החישובים מוצגות בסעיף הבא.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

איור 2 א מראה את פרופיל הטמפרטורה כי אינו מושפע MH היתוך. ג ΔT הוא השינוי בטמפרטורה בשל המדידה 'קבועי תרמית. איור 2b מציג את פרופיל הטמפרטורה כי מושפע היתוך MH. בפרופיל האיור 2b לא ניתן לנתח באמצעות משוואות 1 ו -2 כי משוואות אלה שהפיקו בהנחת תנאים מדגמים יציבים.

איור 3 א מציג את הלחץ, הטמפרטורה, ומידת קירור-יתר בתוך כלי כפונקציה של זמן. MH nucleates לאחר שהמערכת הגיעה הלחץ ושיווי משקל הטמפרטורה. ההיווצרות של MH מסומנת על ידי שינוי לחץ דרסטי בזמן t = 170 דקות. החיצים בעל שני ראשים להראות כי מידת קירור-יתר תעלה על 2 מעלות צלזיוס. קבועי התרמית נמדדו בטווח זה. t. החישוב של הרוויה מתואר בסעיף 3. הרוויה מוגדרת i S, T = i V, t / (התא V - V חול), איפה אני מציין את MH, המים, ורכיבי גז מתאן בזמן t. בזמן t = 170 דקות, MH החלה להיווצר ו- S MH גדל באופן משמעותי. בין 170 ו -2,500 דקות, S MH עלה מ 0 כדי 0.32, ואילו מי S וגז S ירד מ 0.43 כדי 0.18 ו 0.56 כדי 0.50, בהתאמה. אחרי 2,500 דקות, MH, המים, ורווית הגז היו כמעט קבועה.

איור 4 מראה דוגמא של "מדידות קבועות התרמית. תנאי הניסוי היו t = 825 דקות, P= 7.1 מגפ"ס, T = 2.4 מעלות צלזיוס, h S = 0.16, g S = 0.53, ו- S w = 0.31. איור 4 א מציג את פרופיל הטמפרטורה. התוכנה ניתוח TPS רושמת 200 נקודות נתונים ברווחים שווים בזמן מעל פרק זמן מוגדר מראש; וכך, נתונים נבחרים לניתוח מ 200 נקודות הנתונים. החיצים בעל שני ראשים לציין את טווח הנתונים נעשה שימוש בניתוח. מדובר על טווח של ניתוחים 1 ו -2 הם 0-5 שניות 0.65-4.88 שניות, בהתאמה. ניתוח 1 ו -2 הם דוגמאות טווחים הולמים וראויים, בהתאמה. 4 ב איורי 4c התקבל באמצעות טכניקת TPS בכל אחד מתחומי ניתוח. איור 4B מראה את ave ΔT שינוי הטמפרטורה (τ) ו- D (τ) עם ΔT ave ) = ΔT ג (t). היחס בין ΔT ave (&# 964;.) ו- D (τ) משתנה בהתאם לניתוח מגוון איור 4C מראה את ד הטמפרטורה T vs השורש הריבועי של הזמן t. הסטייה של נתוני טמפרטורת ההתאמה ליניארית שהשיגה ניתוח היפוך TPS היא ד T. חריגת הניתוח 1 בתחילת המדידות היא גדולה למדי, כפי שמוצגת איור 4C, אשר טוען כי שכבת הבידוד של חללית חיישן TPS משפיעה על המדידות.

טבלה 1 מפרטת את קבועי תרמית בכל אחד מתחומי ניתוח כאמור לעיל. סך יחס זמן מאפיין מוגדר על ידי זמן הניתוח כולל (t = 2-4 שניות, הזמן הכולל הוא 4 שניות) מחולק τ זמן אופייני. ראוי לציין, כי בסך הכל יחס זמן מאפיין צריך להיות פחות מ 1 בעת שימוש בטכניקה TPS. זו מתוארת התייחסות T ד מתכוון.

כדי למנוע את חללית החיישן המשפיעה על המדידות, נתונים בתחילת כל מדידה אינם לשמש. הסטייה הממוצעת של ד T ממוזער, כפי שמוצגת איור 4C, על ידי הגדרת טווח זמן ניתוח. סך יחס זמן מאפיין מותאם האחדות על ידי הגדרת טווח זמן הניתוח. לפיכך, אימצנו את הערכים קבועים תרמית מניתוח 2 לא 1.

מוליכות חום, חום סגולי, ו diffusivity תרמית מוצגים כפונקציה של זמן איורים 5 א, b, ו- c בהתאמה. לבסוף נסכם את התוצאות עבור יישומים טמאפייני מימה רוויה hermal. פרטים בדבר התוצאות ניתנים Sec. 4 של refference 9.

איור 2
איור 2:. פרופילי טמפרטורה כפונקציה של זמן (א) אינו מושפע MH נמס (תנאי קירור-יתר) ו- (ב) מושפע היתוך MH אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

שים לב ששני פרופילי הטמפרטורה הם מן הניסויים הראשוניים. השעה המדידה ארוכה יותר מזו בניסוי כדי להבהיר את השפעת החום של התכה. בניסויים הראשוניים, t מדידת הזמן הייתה 40 שניות ואת כוח הפלט W 0 הייתה 20 mW (א) ו -50 mW (ב).

<p class = "jove_content" FO: keep-together.within-page = "1"> איור 3
איור 3: (א) לחץ, טמפרטורה, ומידת קירור-יתר בתוך כלי כפונקציה של זמן. החיצים בעל שני ראשים להראות כי מידת קירור סופר גדול מ -2 מעלות צלזיוס. קבועי התרמית נמדדו בטווח זה. (ב) MH, מים, ומתאן רווית הגז של המדגם מוצגת כפונקציה של זמן (נדפס מהתייחסות 9). נא ללחוץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 4
איור 4: ניתוח לדוגמא של 'מדידות קבועות התרמית (א) פרופיל טמפרטורה באמצעות.שיטת המדידה TPS. מדובר על טווח של ניתוחים 1 ו -2 הם 0-5 שניות 0.65-4.88 שניות, בהתאמה. (ב) היחס בין השינוי בטמפרטורה ΔT ave (τ) ו- D (τ) עם ΔT ave (τ) = ΔT ג (t). (ג) טמפרטורת T ד vs ט הזמן השורש הריבועי. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 5
איור 5: (א) λ מוליכות תרמית כפונקציה של זמן, (ב) p ρC חום סגולי כפונקציה של זמן, ו- (ג) α diffusivity תרמית כפונקציה של זמן.התוצאות הוסבו תכונות תרמיות כפונקציה של רווית MH. תוצאות המרה והדיון רלוונטי מדווחים Ref. 9. הנתונים מראים חפיפה בתוך לא בטווח = 210-980 דקות. למען הסר ספק, הנתונים זממו מייצגים את הממוצע של שלוש מדידות מאותו חיישן בטווח זה. נתונים אלה שונו מהתייחסות 9. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

מגוון ניתוח, s λ, W מ - 1 K - 1 ρC p, מ MJ - 3 K - 1 α, מ"מ 2 שניות - 1 סך Char. זְמַן Mean Dev., מעלות צלזיוס
ניתוח 1 0.00 - 5.00 2.12 .938 2.26 2.11 .01018
ניתוח 2 0.65 - 4.88 2.31 2.11 1.10 1.00 .00061

טבלת 1:. קבוע תרמי עבור כל טווח ניתוח ניתוח 1 ו -2 הם דוגמאות טווחים הולמים וראויים, בהתאמה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

שפעת חום ההיווצרות של MH על מדידה נאמדה. חום ההיווצרות של MH נאמד ממוצרים של שינוי בשער של h S כפי שמוצג איור 3B ו אנתלפיה של היווצרות H = 52.9 kJ mol -1 עבור MH 14. כתוצאה מכך, שינוי הטמפרטורה המקסימלית היו 0.00081 ° C שניות -1. זה היה הרבה יותר נמוך מאשר ג ΔT העלאת הטמפרטורה של החיישן TPS בין 1 ° C ו -1.5 מעלות צלזיוס במהלך מרווח הזמן של 5 שניות. להערכת ודיון מפורט מתוארים Sec. 4 התייחסות 9.

להלן צעדי הפרוטוקול הקריטיים. הצעד הראשון הוא שמירה על התנאים קירור-יתר המדגם. הצעד השני הוא ביצוע מדידות 'קבועים תרמית על ידי שמירה על ג ΔT העלאת הטמפרטורה של החיישן TPS מתחת מידת sup קירור-יתר ΔT.

כדי להבטיח כי המדידה אינה מושפעת להיסחף הטמפרטורה, הבא חייבים להיות מאושר. ראשית, להבטיח כי שינוי הטמפרטורה בתפזורת הוא הרבה יותר נמוך מאשר ג ΔT העלאת הטמפרטורה של החיישן TPS. שנית, להבטיח כי שינוי הטמפרטורה עקב חום ההיווצרות של MH הוא הרבה יותר נמוך מאשר ג ΔT העלאת הטמפרטורה של חיישן TPS.

אם מדגם נמס, מוליכות תרמית וחום סגולי יהיה לסטות עד אינסוף על ידי טכניקת TPS. במקרים כאלה, לשנות את הספק המוצא מהחיישן או להקטין את זמן המדידה.

שיטת מדידה זו ניתן להחיל את תכונות תרמיות של מערכת גז מימה-מים-אורח גז, המכילה מימן, 2 CO, מלחלח אוזון, כי קצב ההיווצרות הנמוך האופייני מימה גז אינו ייחודי MH. נקודת המפתח בשיטה זו היא העכברוש הנמוךדואר של מעבר לשלב של חומר היעד. לפיכך, שיטה זו עשויה להיות מיושמת על חומרים אחרים עם שיעור שלב מעבר נמוך. שיטת מדידה זו יכולה לחול גם על tetrahydrofuran (THF) מימה נוצרה פתרון THF ריכוז נמוך ברומיד אמוניום טטרה בוטיל (TBAB) מימה אם קצב ההיווצרות של נוזלים אלה הוא איטי מספיק בתנאי קירור-על. הדרישה היחידה כאן היא להבטיח כי השינוי בטמפרטורה בשל החום של היווצרות של מימה הוא נמוך בהרבה מגידול טמפרטורת החיישן, כאמור לעיל. מצד השני, טכניקה זו לא יכולה להיות מיושמת על מי קרח המעבר לשלב פתרון מימה THF stoichiometric כי שיעור המעבר במערכות אלה הוא מהיר מאוד וחום ההיווצרות משפיע באופן משמעותי על המדידות.

Waite et al. 15 מדדו את מוליכות תרמית של דגימות הכוללות חול, גז מתאן, ו MH. קומאר ואח.16 מדדו את diffusivity התרמית באמצעות דגימות עם אותם המרכיבים. הם יצרו MH ישירות נקבוביים חול באמצעות קרח מים באווירת גז מתאן בלחץ. כל קרח מים הוסב MH. לפיכך, הם מדדו את מוליכות תרמית של המדגם עד להיווצרות MH הפסיקה לחלוטין. שיטה זו יש את היתרון כי המדידות של תכונות תרמיות אינן מושפעות חום ההיווצרות או ניתוק של MH וכי רכב המדגם קבוע. עם זאת, שיטה זו אינה יכולה לתת תכונות תרמיות של דגימות הכוללות חול, מים, מתאן, ו MH. הואנג מאוורר מדדו את מוליכות תרמית של מדגם חול מימה נושאות 17. הם יצרו MH בנקבוביות חול באמצעות סולפט dodecyl נתרן פתרון (SDS), שאיפשר את היווצרות MH. הם ציינו כי גז ומים כנראה נשארו בתוך הנקבוביות חול ואת הדלק משפיע על המדידות משמעותיות. עם זאת, הם לא דיווחו על רכב הוואטאה וגז. יש פרוטוקול המדידה שלנו יש את היתרון של מתן היחס בין תכונות תרמיות (מוליכות תרמית, diffusivity תרמית, וחום סגולי נפח) והרכב של משקעי MH נושאות הכוללים חול, מים, מתאן, ו MH.

כדי לפתח טכנולוגיות ייצור ההמוני של מימה גז, קבוע התרמית של ההתהוות יש צורך, ואת שיטת המדידה המוצעת עושה בדיוק את זה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

מחקר זה נתמך כלכלית על ידי קונסורציום מחקר MH21 משאבי גז הידרט ביפן והתכנית ניצול סודה הלאומי מתאן על ידי משרד הכלכלה, המסחר והתעשייה. המחברים מבקשים להודות ט Maekawa וס גוטו על עזרתם עם הניסויים.

דמויות הודפס מחדש באישור (Muraoka, מ ', Susuki, נ, ימגוצ'י, ח', צוג'י, ט, ימאמוטו, י ', דלק אנרגיה, 29 (3), 2015, 1345-1351, 2015, DOI.: 10.1021 / ef502350n). כל הזכויות שמורות (2015) האגודה האמריקנית לכימיה.

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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics