Protocol voor het meten van de thermische eigenschappen van een onderkoelde synthetische zand-water-gas-methaanhydraat Sample

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

Gashydraten zijn kristallijne verbindingen die kooi structuren van waterstof gebonden watermoleculen die gast moleculen in de kooi 1 omvatten. Grote hoeveelheden methaan hydraten (MHS) in de oceaanbodem en de permafrost regio's zijn interessant toekomstige energiebronnen, maar kan invloed hebben op de wereldwijde klimatologische omstandigheden 2.

In maart 2013, de Japan Oil, Gas, en Metals National Corporation uitgevoerd 's werelds eerste offshore productie test om gas te winnen uit natuurlijke MH-dragende sedimenten in de oostelijke Nankai Trog met behulp van de "vermindering van de druk methode" 3,4.

Gashydraten kunnen gassen zoals methaan 1, 5 waterstof, CO 2 1,6 en 7 ozon slaan. Vandaar dat methaan en waterstof hydraten bestudeerd als potentiële opslag van energie en transport media. Om de CO 2 -uitstoot in de atmosfeer, CO 2 sequesving met behulp van CO 2 hydraten in de diepe oceaan sedimenten zijn bestudeerd 6. Ozon wordt momenteel gebruikt in waterzuivering en voedsel sterilisatie. Studies van ozon conserveringstechnologie zijn uitgevoerd omdat het chemisch instabiel 7. De ozonconcentratie in hydraten veel hoger dan in ozonwater of ijs 7.

Om de gasproductie uit natuurlijke MH-dragende sedimenten en hydrateren gebaseerde technologieën te ontwikkelen, is het noodzakelijk om de thermische eigenschappen van gashydraten begrijpen. Echter, de thermische eigenschappen van gegevens en modelstudies van gas hydrateren dragende sedimenten zijn schaars 8.

De "drukverlaging methode" kan worden gebruikt om MH dissociëren in het sediment poriënruimte door verlaging van de poriedruk onder het hydraat stabiliteit. Hierbij het sediment poriënruimte componenten veranderen van water en van MH water, MH en gas. meting van de thermische eigenschappen 'van de laatste voorwaarde is moeilijk omdat de smeltwarmte van MH de metingen beïnvloeden. Om dit probleem op te lossen, Muraoka et al. Uitgevoerde meting van de thermische eigenschappen bij onderkoelde omstandigheden tijdens de vorming van MH 9.

Met deze video protocol, leggen we de meetmethode van onderkoelde synthetische zand-water-gas-MH monster.

Figuur 1 toont de experimentele opzet voor het meten van de thermische eigenschappen van de kunstmatige methaan hydraat dragende sediment. De opstelling is dezelfde als in referentie 9. Het systeem omvat in hoofdzaak een hogedrukvat, druk en temperatuur, en thermische eigenschappen van het meetsysteem. Het hogedrukvat is opgebouwd uit cilindrische roestvrij staal met een inwendige diameter van 140 mm en een hoogte van 140 mm; zijn innerlijke volume met het dode volume verwijderd is 2.110 cm 3, en de limiet druk is 15 MPa. de Transie nt vlak bron (TPS) techniek gebruikt om de thermische eigenschappen 10 te meten. Negen TPS sondes met individuele radii van 2.001 mm worden in het vat geplaatst. De indeling van de negen probes 9 is getoond in figuur 2 in referentie 9. De TPS probes zijn verbonden met de thermische eigenschappen 'analyzer met een kabel en handmatig geschakeld van de proef. De data van het TPS sensor aansluitschema, en ingesteld in het vat worden in figuren S1, 2 en 3 van de ondersteunende informatie in referentie 9.

Figuur 1
Figuur 1:. De experimentele opstelling voor het meten van de thermische eigenschappen van de kunstmatige methaan hydraat dragende sediment De figuur is gemodificeerd uit referentie 9.3956fig1large.jpg "target =" _ blank "> Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

De TPS methode werd gebruikt om de thermische eigenschappen van elk monster gemeten. De principes methode beschreven in referentie 10. In deze werkwijze wordt de tijdsafhankelijke temperatuurstijging, AT ave, is

vergelijking 1

waar

vergelijking 2

In Vergelijking 1, W 0 is het uitgangsvermogen van de sensor, r de straal van de sensor probe, λ de thermische geleidbaarheid van het monster, α is de thermische diffusie, en t is de tijd vanaf het begin van de voeding de sensor probe. D (τ) is een dimensieloze tijd afhankelijke functie. τ (αt / r) 1/2. In Vergelijking 2 is m het aantal concentrische ringen van het TPS en probe I 0 is een gemodificeerde Bessel-functie. De thermische geleidbaarheid, thermische diffusie en soortelijke warmte van het monster gelijktijdig bepaald door inversie analyse toegepast op de temperatuurstijging als stroom wordt toegevoerd aan de sensor probe.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Let op: Raadpleeg alle relevante veiligheidsinformatiebladen als deze studie maakt gebruik van hoge-druk brandbaar methaangas en een grote high-drukvat. Draag een helm, veiligheidsbril en veiligheidsschoenen. Als de temperatuur regelsysteem gestopt, de druk in het vat toe met MH dissociatie. Om ongelukken te voorkomen, wordt het gebruik van een veiligheidsklep systeem sterk aanbevolen om het methaangas automatisch vrij te geven aan de atmosfeer. De veiligheidsklep systeem kan werken zonder elektrische voeding.

1. Voorbereiding van het zand-water-methaangas Samples 9

  1. Plaats het hogedrukvat op de triltafel.
  2. Giet 1,5 liter zuiver water in een fles water en 4.000 g kwartszand in een zand fles. Weeg nauwkeurig de massa van zand en water in de flessen zand en water respectievelijk.
  3. Pour 1 L zuiver water in het hoge-drukvat met een inwendig volume van 2110 cm3 van een waterflestotdat het water vult de helft van de binnenbak.
  4. Schakel de triltafel het gehele vat trillen. Stel de trillingen koers en de stroomvoorziening tot 50 Hz en 220 W, respectievelijk. Breng de trillingen tot de voltooiing van stap 1,5. Verwijder de achtergebleven lucht in de afvoerleiding en gesinterd metaal filter op de bodem van het vat door trillen het vaartuig.
  5. Pour 3300 g kwartszand zand uit een fles in het vat met een constante snelheid van ongeveer 1 g sec-1 met een trechter gehouden nabij het ​​wateroppervlak terwijl het gehele vaartuig getrild uniforme verpakking garanderen.
  6. Stopt de trilling wanneer het water de rand van het vat bereikt.
  7. Plaats een ring als een tijdelijke wand aan de rand van het vat te voorkomen dat water morsen.
  8. Trillen het schip weer bij 50 Hz en 220 W.
  9. Wanneer het zand aan de rand van het vat (hoogte 140 mm) bereikt, schakelt de trilling.
  10. Verwijder de tijdelijke wand en overtollige porie water met behulp van the afvoerleiding. Giet het overtollige porie water terug in de fles water.
  11. Verpak het zand door het trillen van het schip een of twee keer bij 50 Hz en 300 W voor 1 sec en voeg meer zand indien nodig.
  12. Weeg de massa van zand en water in de flessen zand en water. Bereken de massa zand en water in het vat uit de massa verschillen in flessen zand en water. In dit experiment werd de massa van zand en water in het vat was 3385 g en 823,6 g, respectievelijk. De watermassa in het vat wordt aangeduid als totaal gewicht.
  13. Bedek de hoge-drukvat met een roestvrij stalen deksel en draai de bouten van diagonaal tegenover paren in de juiste volgorde.
  14. Beweeg het hogedrukvat van de triltafel de tabel die voor het experiment.
  15. Bedek het hogedrukvat de warmte-isolator voor het regelen van de temperatuur.
  16. Sluit de hogedrukleidingen en koelwater stroombanen het hogedrukvat. Open de kleppen van de input en output gasleidingen. Ventileer 10 liter methaan met een snelheid van 800 ml min -1 tot er geen overtollig water lozen in de val onder atmosferische druk. De zandafvoer wordt door een op de bodem van het vat bevestigd gesinterde metalen filter. De resterende water blijft op het zand oppervlak, omdat de hydrofiele silica zand absorbeert de watermoleculen.
  17. Weeg de watermassa in de val, w trap, om het gasvolume in het vat bepaalt. Bepaal de massa van het restwater, w res, in het schip met behulp van de vergelijking w res = w totaal - w val. In dit geval, w en w res trap was 360,6 g en 463,0 g, respectievelijk.
  18. Bepaal het monster porositeit met de formule Ѱ = 1 - V zand / V cel, waarbij V het volume zand tHij zand bepaald door de verhouding van zand massa zand dichtheid (dwz ρ s = 2630 kg m -3) en V cel het inwendige volume van het vat. De porositeit Ѱ van het monster was 0,39.
  19. Sluit de klep van de uitgaande gasleiding. Injecteer methaan de poriedruk van methaan in het vat te verhogen tot ongeveer 12,1 MPa bij kamertemperatuur (dat wil zeggen 31,6 ° C).
  20. Sluit het ventiel van de input gasleiding.
  21. Registreren van de druk en temperatuur in het vat tijdens het experiment met de datalogger. De data sampling interval is 5 sec. De totale experimentele is ongeveer 3.000 min.

2. MH Synthese en Meting van de onderkoelde Sample 9 thermische eigenschappen '

  1. Schakel de koeler voor het koelen van het vat van kamertemperatuur tot 2,0 ° C door circulatie van de koelvloeistof. Laat de koelvloeistof circuleren van de koelmachine to de bodem van het vat, van daar naar het deksel van het vat, en uiteindelijk terug naar de koeler. De temperatuur verandering tarief in het vat bedroeg ongeveer 0.001 ° C sec -1.
  2. Stel de meting parameters met de TPS analyzer software. Stel de sensor type sensor ontwerp # 7577. Stel het uitgangsvermogen W 0-30 mW en de meettijd 5 sec. Merk op dat de juiste parameters moeten worden gewijzigd als het type sensor of sample voorwaarden te wijzigen. Stel de parameters om de temperatuur van 1 ° C te verhogen tot 1,5 ° C.
  3. Bereken de mate van onderkoeling, AT sup, met de volgende vergelijking:
    AT sup = T eq (P) - T. (3)
    T eq (P) is de evenwichtstemperatuur van MH als functie van de druk P. T eq (P) wordt berekend met behulp van de software CSMGem 1.0, P en T zijn de druk en temperatuur in het vat gemeten met druk- en temperatuurmeters, respectievelijk.
  4. Gelijktijdig de thermische geleidbaarheid, thermische diffusie en volumetrische soortelijke warmte met de TPS analysator na sup AT groter is dan 2 ° C.
  5. Schakel de TPS sensor verbonden met de thermische eigenschappen analysator na elke meting. Schakel de kabels tussen de TPS sondes en de analysator handmatig tijdens het experiment 9. De verbinding is afgebeeld in figuur S2 referentie 9. De schakelvolgorde voor elke sensor niet. 6 → 2 → 7 → 5 → 1 → 9 → 4 → 3 → 8 → 6 .... De sequentie is gebaseerd op de afstand tussen de sensoren, die voor zover mogelijk is ingesteld om te voorkomen dat de restwarmte beïnvloedt de metingen. Verzamel data elke 3-5 min.
  6. Herhaal de meting totdat & #916; T sup bereikt 2 ° C weer. In dit experiment Δ T sup aanvankelijk toe met de tijd. Na AT sup de maximale waarde bereikt, AT sup geleidelijk verlaagd tot 0 ° C omdat de druk daalt onder vorming van MH. Controleer of sup AT groter is dan 2 ° C voor de TPS metingen met formule 3.
  7. Zorg ervoor dat de temperatuur profiel niet wordt beïnvloed door MH smelten. Als MH smelt tijdens de metingen, zal de temperatuur stijgen door smelten van MH is een endotherme reactie. Controleer het temperatuurprofiel tijdens de metingen wordt besproken in de sectie resultaten.
  8. Voer de analyse van de thermische eigenschappen 'voor alle temperatuur profiel gegevens met behulp van het TPS-techniek.

3. Berekening van de Verzadiging Verandering van de Sample 9,11

Notitie:De verzadigingsgraad van MH, water en gas in het monster als een functie van de tijd t wordt berekend met de toestandsvergelijking van het gas. De berekening details en vergelijkingen gebruikt worden eerder beschreven 11.

  1. Bereken het methaangas volume V gas, t op tijdstip t
    vergelijking 4
    waarbij Q het oorspronkelijke volume van gas in het vat V MH, t - 1 is het volume MH op tijdstip t - 1 en R VHW is de volumeverhouding van water en MH.
    vergelijking 5
    In Vergelijking 5, n is het aantal hydratatie MH (~ 6), MH ρ en ρ water overeenkomen met de dichtheid van MH en water, respectievelijk, en w en w MH water geven de molecuulmassa van MH en water, respectively.
  2. Bereken de hoeveelheid ΔM t (mol) MH gevormd uit t - 1 tot t
    vergelijking 6
    waarbij R de gasconstante is, P de druk van het methaangas en Z t (T gas, t, P gas, t) de comprimeercoëfficiënt methaan op tijdstip t. We 9 en Sakamoto et al. 11 hebben de Benedict-Webb-Rubin (BWR) vergelijking gebruikt, zoals gewijzigd door Lee en Kesler, voor de berekening van Z t 12, 13. Voor deze berekening, de formules (3-7,1) - worden (3-7,4) van de BWR vergelijking 13 en de Lee-Kesler constanten gebruikt in de tabellen 3-7 van referentie 13.
  3. Bereken het volume verandering Δ V MH, t - 1 tot t
    vergelijking 7
    waarbij Ps is de referentiedruk van 101.325 Pa, Ts is de referentietemperatuur van 273,15 K, Z en is de compressie coëfficiënt op Ps en Ts (Z s ~ 1) en V CH4 is de verhouding van het methaan gasvolume in de eenheidsvolume MH [Nm 3 m -3]. Gebruik een V CH4 waarde van 165,99 [Nm 3 m -3].
  4. Bereken het volume V MH, MH ton op tijdstip t
    vergelijking 8
  5. Bereken het watervolume V water, t in het drukvat op tijdstip t
    vergelijking 9 waarbij V water, 1 is het oorspronkelijke volume van water.
  6. Herhaal de berekeningen met vergelijkingen. 4-9 op tijdstip t = 2, 3, ... om de verandering in de verzadigde water, methaan en MH 11 bepalen. De eerste voorwaarde is t = 1, dat wil zeggen, V gas, 1 = Q. P en T op tijdstip t worden uit de datalogs 9. De berekeningsresultaten worden weergegeven in de volgende paragraaf.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figuur 2a toont het temperatuurprofiel dat niet wordt beïnvloed door MH smelten. C AT de temperatuurverandering door meting thermische constanten. Figuur 2b toont het temperatuurprofiel dat wordt beïnvloed door MH smelten. Het profiel in figuur 2b niet onderzocht worden door middel van vergelijkingen 1 en 2 omdat deze vergelijkingen worden verkregen door uitgaande van stabiele monstercondities.

Figuur 3a toont de druk, temperatuur en mate van onderkoeling in het vat als functie van de tijd. MH nucleates nadat het systeem druk en temperatuur evenwicht heeft bereikt. De vorming van MH wordt gekenmerkt door een drastische drukverandering op tijdstip t = 170 min. De tweekoppige pijlen laten zien dat de mate van onderkoeling is groter dan 2 ° C. De thermische constanten werden gemeten binnen dit bereik. t. De berekening van de verzadiging is beschreven in hoofdstuk 3. De verzadiging wordt gedefinieerd als S i, t = V i, t / (V cell - V zand), waarbij i staat voor de MH, water en methaangas componenten op het tijdstip t. Op t = 170 min, MH begon te vormen en S MH aanzienlijk toegenomen. Tussen 170 en 2500 min, S MH steeg 0-0,32, terwijl S water en S gas daalde 0,43-0,18 en 0,56-0,50 respectievelijk. Na 2500 min, de MH, water, gas en verzadiging waren bijna constant.

Figuur 4 toont een voorbeeld van metingen van de thermische constanten. De experimentele omstandigheden waren t = 825 min, P= 7,1 MPa, T = 2,4 ° C, S = 0,16 h, S g = 0,53 en S w = 0,31. Figuur 4a toont het temperatuurprofiel. De TPS analyse software registreert 200 data punten op gelijke afstand in de tijd gedurende een vooraf bepaalde tijdsinterval; aldus worden de gegevens geselecteerd voor analyse van 200 gegevenspunten. De tweekoppige pijlen duiden de gegevens bereik gebruikt in de analyse. Het varieert analyses 1 en 2 zijn 0-5 sec sec en 0,65-4,88 respectievelijk. Analyses 1 en 2 zijn voorbeelden van ongepaste en aangepast scala resp. Figuren 4b en 4c werden verkregen met de TPS techniek elke analyse bereik. Figuur 4b toont de temperatuurverandering AT ave (τ) en D (τ) met AT ave ) = AT c (t). De relatie tussen AT ave (&# 964,.) En D (τ) afhankelijk van de analyse range Figuur 4c toont de temperatuur Td versus de vierkantswortel van de tijd t. De afwijking van de temperatuurgegevens van de lineaire fit verkregen met de TPS inversie analyse Td. De afwijking van de analyse 1 aan het begin van de meting vrij groot is, zoals getoond in figuur 4c, hetgeen suggereert dat de isolerende laag van de TPS sensor probe invloed op de metingen.

Tabel 1 geeft de thermische constanten elke analyse die zoals hierboven vermeld. De totale karakteristieke tijd coëfficiënt wordt gedefinieerd door de totale analysetijd (bij t = 2-4 sec, de totale tijd 4 sec) gedeeld door karakteristieke tijd τ. Merk op dat de totale karakteristieke-verhouding minder dan 1 moet zijn bij gebruik van de TPS techniek. Dit wordt beschreven in referentie Td.

De sonde die de metingen voorkomen, data aan het begin van elke meting niet te gebruiken. De gemiddelde afwijking van Td wordt geminimaliseerd, zoals weergegeven in figuur 4c, door het aanpassen van de analyse periode. De totale tijd karakteristieke verhouding wordt ingesteld eenheid door instelling van de analysetijd bereik. Vandaar dat we nam de thermische constanten waarden uit de analyse 2 niet 1.

Thermische geleidbaarheid, soortelijke warmte en thermische diffusie weergegeven als functie van de tijd in de figuren 5a, b en c, respectievelijk. Tot slot vatten we de resultaten voor de tHermal eigenschappen en hydrateren verzadiging. Details betreffende de resultaten zijn in Sec. 4 van refference 9.

figuur 2
Figuur 2:. Temperatuurprofielen als functie van de tijd (a) niet beïnvloed door MH smelten (onderkoeling omstandigheden) en (b) getroffen door MH smelten Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Merk op dat beide temperatuurprofielen zijn uit de voorafgaande experimenten. De meettijd langer is dan die in het experiment om het effect van de smeltwarmte verduidelijken. In voorlopige experimenten, de meettijd t is 40 sec en het uitgangsvermogen W 0 was 20 mW (a) en 50 mW (b).

<p class = "jove_content" fo: keep-together.within-page = "1"> figuur 3
Figuur 3: (a) de druk, temperatuur en mate van onderkoeling in het vat als functie van de tijd. De tweepuntige pijlen aangeven dat de mate van super koeling groter dan 2 ° C. De thermische constanten werden gemeten binnen dit bereik. (B) Het MH, water en methaangas verzadiging van het monster worden getoond als functie van de tijd (herdrukt uit referentie 9). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 4
Figuur 4: Analyse voorbeeld van metingen thermische constanten (a) Temperatuurprofiel met de.TPS meetmethode. Het varieert analyses 1 en 2 zijn 0-5 sec sec en 0,65-4,88 respectievelijk. (B) verband tussen de temperatuurverandering AT ave (τ) en D (τ) met AT ave (τ) = AT c (t). (C) de temperatuur T d versus de vierkantswortel tijd t. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 5
Figuur 5: (a) Thermische geleidbaarheid λ als functie van de tijd, (b) specifieke warmte ρC p als functie van de tijd, en (c) thermische diffusie α als functie van de tijd.De resultaten werden omgezet in thermische eigenschappen als functie van MH verzadiging. De geconverteerde resultaten en relevante discussie worden gerapporteerd in Ref. 9. De gegevens tonen een overlap in het bereik t = 210-980 min. Voor de duidelijkheid, de geplotte gegevens stellen het gemiddelde van drie metingen van dezelfde sensor binnen dit bereik. Deze cijfers zijn gewijzigd ten opzichte van referentie-9. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Analyse range, s λ, W m - 1 K - 1 ρC p, MJ m - 3 K - 1 α, mm 2 sec - 1 Total to Char. Tijd Betekenen Dev., ° C
analyse 1 0,00-5,00 2.12 0,938 2.26 2.11 0,01018
analyse 2 0,65-4,88 2.31 2.11 1.10 1.00 0.00061

Tabel 1:. Thermische constanten elke bepaling bereik Analyse 1 en 2 zijn voorbeelden van ongepaste en passende reeksen respectievelijk.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Het effect van de vorming van warmte MH door meting geschat. De vorming van warmte MH werd geschat uit produkten van veranderingssnelheid van S h zoals getoond in figuur 3b en de enthalpie van de vorming H = 52,9 kJ mol -1 voor 14 MH. Bijgevolg is de maximale temperatuursverandering was 0,00081 ° C sec -1. Dit is veel lager dan de temperatuurstijging AT c van de TPS sensor tussen 1 ° C en 1,5 ° C gedurende het tijdsinterval van 5 sec. Gedetailleerde raming en discussie zijn beschreven in Sec. 4 referentie 9.

De volgende zijn de kritische protocol stappen. De eerste stap is het handhaven van het monster onderkoeling omstandigheden. Tweede stap voert metingen thermische constanten "door de temperatuur verhoging AT c van de TPS sensor onder de mate van onderkoeling AT sup.

Opdat de meting niet wordt beïnvloed door de temperatuur drift, moet het volgende worden bevestigd. Eerst of de bulk temperatuurverandering veel lager dan de temperatuurstijging AT c van de TPS sensor. Ten tweede, dat de temperatuur veranderen als gevolg van de vorming van warmte MH is veel lager dan de temperatuurstijging AT c van de TPS sensor.

Indien een monster smelt, zal de thermische geleidbaarheid en soortelijke warmte divergeren tot oneindig door TPS techniek. In dat geval verandert het uitgangsvermogen van de sensor en de meettijd te verminderen.

Deze meetmethode kan worden toegepast op de thermische eigenschappen van het gas- hydraat-water-gast gas, dat waterstof, CO 2 en ozon hydraten bevat, omdat de karakteristieke lage vormingssnelheid van gashydraat is niet uniek voor MH. Het belangrijkste punt in deze methode is de lage rate faseovergang van het doelmateriaal. Derhalve kan deze werkwijze worden toegepast op andere materialen met een lage fase-overgang rate. Deze meetmethode kan ook worden toegepast op tetrahydrofuran (THF) hydraat gevormd uit lage concentratie THF-oplossing en tetra- butylammoniumbromide (TBAB) hydraat als de vormingssnelheid van deze hydraten voldoende langzaam onder super koelomstandigheden. De enige vereiste is ervoor te zorgen dat de temperatuurverandering als gevolg van de warmte van de vorming van hydraat is veel lager dan de temperatuurstijging van de sensor, zoals hierboven vermeld. Anderzijds kan deze techniek niet worden toegepast op het waterijs en stoichiometrische THF oplossing-hydraat faseovergang omdat de overgangssnelheid in deze systemen zeer snel en de vorming warmte wezenlijk beïnvloedt de metingen.

Waite et al. 15 meten de thermische geleidbaarheid van de monsters die zand, methaangas en MH. Kumar et al.16 gemeten de thermische diffusie met behulp van samples met dezelfde componenten. Zij vormden MH direct in het zand poriën door het gebruik van waterijs in een onder druk methaangas sfeer. Al het waterijs werd in MH. Aldus gemeten zij de thermische geleidbaarheid van het monster tot de vorming MH volledig gestopt. Deze werkwijze heeft het voordeel dat de metingen van de thermische eigenschappen niet worden beïnvloed door de vorming of dissociatie hitte van MH en het vloeistofmonster constant. Echter, deze werkwijze de thermische eigenschappen van de monsters die zand, water, methaan en MH geven. Huang en Fan gemeten de thermische geleidbaarheid van een hydraat-dragende zand sample 17. Zij vormden MH in het zand poriën behulp natriumdodecylsulfaat (SDS) oplossing, die de vorming MH vergemakkelijkt. Zij merkten op dat gas en water waarschijnlijk bleef in het zand poriën en het gas significant beïnvloed de metingen. Echter, hebben ze niet de samenstelling van wat te meldenER en gas. Onze meetprotocol heeft het voordeel dat de verhouding tussen de thermische eigenschappen (thermische geleidbaarheid, thermische diffusie en volumetrische soortelijke warmte) en samenstelling van de MH-dragende sediment bevattende zand, water, methaan en MH.

Om massaproductie technologieën van gashydraten te ontwikkelen, zijn de thermische constanten van de formatie hydrateren nodig is, en de voorgestelde meetmethode doet precies dat.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

Dit onderzoek werd financieel ondersteund door de MH21 Research Consortium for methaanhydraat Resources in Japan en de Nationale methaanhydraat Uitbuiting programma door het ministerie van Economie, Handel en Industrie. De auteurs willen graag T. Maekawa en S. Goto bedanken voor hun hulp bij de experimenten.

Overgenomen figuren met toestemming van (Muraoka, M., Susuki, N., Yamaguchi, H., Tsuji, T., Yamamoto, Y., Energy Fuels, 29 (3), 2015, 1345-1351, 2015, DOI.: 10,1021 / ef502350n). Copyright (2015) American Chemical Society.

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