JoVE Logo

Oturum Aç

Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliği gereklidir. Oturum açın veya ücretsiz deneme sürümünü başlatın.

Bu Makalede

  • Özet
  • Özet
  • Giriş
  • Protokol
  • Sonuçlar
  • Tartışmalar
  • Açıklamalar
  • Teşekkürler
  • Malzemeler
  • Referanslar
  • Yeniden Basımlar ve İzinler

Özet

We present a protocol for measuring the thermal properties of synthetic hydrate-bearing sediment samples comprising sand, water, methane, and methane hydrate.

Özet

Methane hydrates (MHs) are present in large amounts in the ocean floor and permafrost regions. Methane and hydrogen hydrates are being studied as future energy resources and energy storage media. To develop a method for gas production from natural MH-bearing sediments and hydrate-based technologies, it is imperative to understand the thermal properties of gas hydrates.

The thermal properties' measurements of samples comprising sand, water, methane, and MH are difficult because the melting heat of MH may affect the measurements. To solve this problem, we performed thermal properties' measurements at supercooled conditions during MH formation. The measurement protocol, calculation method of the saturation change, and tips for thermal constants' analysis of the sample using transient plane source techniques are described here.

The effect of the formation heat of MH on measurement is very small because the gas hydrate formation rate is very slow. This measurement method can be applied to the thermal properties of the gas hydrate-water-guest gas system, which contains hydrogen, CO2, and ozone hydrates, because the characteristic low formation rate of gas hydrate is not unique to MH. The key point of this method is the low rate of phase transition of the target material. Hence, this method may be applied to other materials having low phase-transition rates.

Giriş

Gaz hidratları kafes 1 konuk moleküllerin içeren hidrojen-bağlı su moleküllerinin kafes yapılarını ihtiva kristalin bileşiklerdir. Okyanus tabanı ve sürekli donmuş bölgelerindeki metan hidrat (MD'nin) büyük miktarda ilginç gelecekteki enerji kaynaklarıdır ancak küresel iklim koşulları 2 etkileyebilir.

Mart 2013'te, Japonya Petrol, Gaz ve Metal Ulusal Şirketi "basınç düşürme yöntemi" 3,4 ile Doğu Nankai çukur içinde doğal MH taşıyan çökelleri gaz çıkarmak için dünyanın ilk denizaşırı üretim testi yapılmıştır.

Gaz hidratlar, metan 1, hidrojen 5 CO 2 1,6 ve ozon 7 gibi gazları saklayabilirsiniz. Dolayısıyla, metan ve hidrojen nemlendirir potansiyel enerji depolama ve ulaştırma medya olarak incelenmiştir. CO, CO2 seques atmosfere salınan 2 emisyonlarını azaltmak içinCO derin okyanus çökelleri 2 hidratlar kullanılarak trasyon 6 çalışılmıştır. Ozon halen su arıtma ve gıda sterilizasyon kullanılır. , Kimyasal 7 kararsız olduğu için ozon koruma teknolojisinin çalışmalar yapılmıştır. Hidratlar ozon konsantrasyonu ozonlu su veya buz 7 çok daha yüksektir.

Doğal MH taşıyan sedimanlar ve hidrat tabanlı teknolojiler gaz üretimini geliştirmek için, gaz hidratların termal özelliklerini anlamak için şarttır. Ancak, gaz hidrat taşıyan çökellerin termal özellikleri veriler ve model çalışmaları 8 azdır.

"Basınç düşürme yöntemi" hidrat istikrar altında gözenek basıncı azaltarak sediment gözenek uzayda MH ayırmak için kullanılabilir. Bu süreçte, sediment gözenek alanı bileşenleri su ve MH su, MH, ve gaz değiştirin. Termal gayrimenkullerin ölçümMH erime ısı ölçümlerini etkileyebilir, çünkü ikinci durumun zordur. Bu sorunu çözmek için, Muraoka ve ark., MH formasyonu 9'da aşırı soğutulmuş koşullar altında Isıl Özellikleri "ölçüm yapıldı.

Bu video protokolü ile, aşırı soğutulmuş sentetik kum-su-gaz-MH numunenin ölçüm yöntemi açıklamak.

Şekil 1 yapay metan hidrat taşıyan sediment termal özelliklerini ölçmek için deney düzeneği gösterir. Referans 9'da gösterildiği gibi ayar aynıdır. Sistem temel olarak bir yüksek basınç kabı, basınç ve sıcaklık kontrolü ve ölçüm sisteminin termal özelliklerini içermektedir. Yüksek basınçlı kap 140 mm bir iç çapa ve 140 mm yüksekliğe sahip silindirik paslanmaz çelikten oluşmaktadır; çıkarıldı ölü hacim ile iç hacim 2.110 cm3, ve basınç sınırı 15 MPa'dır. transie nt düzlemi kaynağı (TPS) tekniği termal özellikleri 10 ölçmek için kullanılır. 2.001 mm bireysel yarıçapı ile Dokuz TPS probları kabın içine yerleştirilir. Dokuz prob 9 düzeni referans 9, Şekil 2'de gösterilmiştir. TPS sondalar bir kablo ile termal gayrimenkullerin 'analizöre bağlı ve deney sırasında elle değiştirilir. Kap içinde TPS sensörü, bağlantı şemasına ve kurulum detayları referans 9 Şekil S1, 2 ve destekleyici bilgiler 3'te gösterilmiştir.

figure-introduction-3396
Şekil 1:. Yapay metan hidrat taşıyan sediment termal özelliklerini ölçmek için deney düzeneği Şekil referansı 9 modifiye edilir.3956fig1large.jpg "target =" _ blank "> bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.

TPS yöntemi, her numunenin termal özelliklerini ölçmek için kullanıldı. Yöntem, ilkeleri referans 10 de tarif edilmiştir. Bu yöntemde, zaman-bağımlı sıcaklık artışı, DT Ave, olduğu

figure-introduction-4009

nerede

figure-introduction-4139

0 sensör çıkış gücü B Denklem 1 'de, R sensoru probunun yarıçapı, λ numunesinin termal iletkenlik, α termik yayıcılığıdır olduğu ve t güç kaynağı başlangıcından zamanı sensör probu. D (τ) boyutsuz bir zamana bağlı fonksiyonu. τ ise (spa'sında / r) 1/2 ile verilir. Denklem 2'de, m TPS probunun konsantrik halkalar sayısıdır ve 0 değiştirilmiş Bessel fonksiyonudur. Numunenin termal iletkenlik, ısıl yayılım ve özgül ısı, aynı anda enerji sensoru probunun tedarik edilir, sıcaklık artışı uygulanan ters analizi ile tespit edilmiştir.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protokol

Not: Bu çalışma, yüksek basınçlı yanıcı metan gazı ve büyük bir yüksek basınçlı kap kullanır gibi ilgili tüm malzeme güvenlik bilgi formlarını danışın. Bir kask, koruyucu gözlük ve emniyet çizme giymek. Sıcaklık kontrol sistemi durursa, kap içinde basınç MH ayrışma ile artar. Kazaları önlemek için, bir güvenlik vanası sisteminin kullanılması şiddetle otomatik olarak atmosfere metan gazı serbest bırakmak için tavsiye edilir. Emniyet valf sistemi, elektrik güç kaynağı olmadan çalışabilir.

Kum-su-metan gaz Örnekleri 9 1. Hazırlık

  1. Titreşimli masada yüksek basınçlı kap yerleştirin.
  2. Kum şişe bir su şişesi ve 4.000 g silis kumu saf 1.5 L su doldurun. Doğru sırasıyla, kum ve su şişeleri kum ve su kitleleri tartın.
  3. Bir su şişesinin 2,110 cm3 bir iç hacme sahip, yüksek basınçlı bir kap içinde, saf suyun 1 L dökünsu yarım iç gemi doldurana kadar.
  4. Tüm gemiyi titremesini titreşimli masanın açın. titreşim hızı ve sırasıyla 50 Hz ve 220 W, güç kaynağını ayarlayın. Adım 1.5 tamamlanmasına kadar titretmeyin. damar titreşimli kabın alt boşaltma hattı ve sinterlenmiş metalik filtre artık havanın çıkarın.
  5. Yaklaşık olarak 1 g san sabit bir oranda -1 tüm damar düzgün ambalaj sağlamak için, titreşim yaparken, su yüzeyine yakın tutulan bir huni kullanılarak en damar içine kum şişe 3.300 g silis kumu dökün.
  6. Su kabının jant ulaştığında titreşim durdurun.
  7. su dökülmesini önlemek için geminin kenarında geçici duvar gibi bir halka yerleştirin.
  8. 50 Hz ve 220 W tekrar gemiyi titreşimle
  9. kum kabına (yükseklik 140 mm) jant ulaştığında, titreşim kapatın.
  10. th kullanarak geçici duvar ve aşırı boşluk suyu çıkarıne drenaj hattı. su şişesinin içine aşırı boşluk suyu geri dökün.
  11. 50 Hz ve 1 saniye 300 W bir veya iki kez gemi titreşimli kum paketi ve gerekirse daha fazla kum ekleyin.
  12. Kum ve su şişeleri kum ve su kitleleri tartılır. Kum ve su şişeleri kitle farklarından geminin kum ve su kitleleri hesaplayın. Bu deneyde, bir kap içinde kum ve su kütleleri sırasıyla 3.385 g 823,6 gram idi. Bir kap içinde su kütlesi, toplam ağırlık olarak ifade edilir.
  13. paslanmaz çelik kapaklı yüksek basınçlı kap Kapak ve sırayla çapraz karşısında çiftlerin sıkın.
  14. deney amaçlı tabloya titreşimli tablodan yüksek basınçlı kap taşıyın.
  15. sıcaklığını kontrol etmek için, ısı yalıtkan, yüksek basınçlı bir kap kapağı.
  16. yüksek basınçlı, yüksek basınçlı boru hattı ve soğutma suyu akış hatları bağlayın.
  17. giriş ve çıkış gaz boru hattı vanalarını açın. Atmosfer basıncı altında tuzağına çok su deşarj kadar dk -1 800 ml 'lik bir oranda 10 L metan havalandırın. Kum boşaltma kabın altındaki sabit bir sinterlenmiş metalik filtre ile önlenir. hidrofil silis kumu su moleküllerini adsorbe çünkü artık su kum yüzeyinde kalır.
  18. Bir kap içinde gaz miktarını belirlemek için, tuzak W, tuzak su kütlesinin tartılır. Toplam ağırlık res w = denklem kullanılarak kabında kalan su, w res kütlesini belirlemek - tuzak w. Bu durumda, W Res ve W tutucu, sırasıyla 360,6 g 463,0 g idi.
  19. V kum t hacmi V kum / V hücre, - formül Ѱ = 1 kullanılarak örnek gözeneklilik belirlemeKum yoğunluğu (yani, ρ s 2.630 kg m 3 =), ve V, hücre kum kütle oranı ile belirlenir O kum kabının iç hacmi. numunenin gözenekliliği Ѱ 0.39 idi.
  20. çıkış gaz hattının vanasını kapatın. Oda sıcaklığında (yani, 31.6 ° C), yaklaşık 12.1 MPa kabı içinde metan gözenek basıncı artırmak için metan enjekte edilir.
  21. Giriş gaz hattının vanasını kapatın.
  22. Logger'i kullanarak deney sırasında geminin basınç ve sıcaklık kaydetmeye başlayın. Veri örnekleme aralığı 5 saniyedir. toplam deneysel süresi yaklaşık 3.000 dk.

2. MH Sentezi ve süpersoğutmalı Numune 9 Isıl Özellikleri 'Ölçüm

  1. Soğutma sıvısı sirküle edilerek 2.0 ° C oda sıcaklığı ile kabın soğutma soğutucu açın. chiller t soğutucu sirkülasyonunu sağlayınızoradan nihayet geri soğutucu geminin kapağına, ve kabın dibine, o. Kap içinde sıcaklık değişimi oranı yaklaşık 0.001 ° C sn -1.
  2. TPS analizör yazılımı kullanılarak ölçüm parametrelerini ayarlayın. Tasarım # 7577 sensör sensör türünü ayarlayın. Çıkış gücü W 0 sn ila 5 mW ve ölçüm süresi 30 olarak ayarlayın. sensör tipi veya numune koşulları değişirse uygun parametreler değiştirilmesi gerektiğini unutmayın. 1.5 ° C 1 ° C den sıcaklığını artırmak için parametreleri ayarlayın.
  3. Aşağıdaki denklem ile süper-, DT sup, derecesini hesaplama:
    DT sup = T eq (P) - T. (3)
    T eşdeğer (P) basıncı P bir fonksiyonu olarak MH denge sıcaklığı T eşdeğer (P) CSMGem yazılımı 1 kullanılarak hesaplanır.0 P ve T, sırasıyla basınç ve sıcaklık ayarları kullanılarak ölçülmüştür kap içindeki basınç ve sıcaklık vardır.
  4. Eşzamanlı olarak DT sup fazla 2 ° C sonra TPS analizörü kullanılarak ısıl iletkenlik, ısıl yayılım ve hacimsel özgül ısı ölçer.
  5. Her ölçümden sonra termal özellikleri analizörü bağlı TPS probu geçin. Deney 9 sırasında TPS prob ve elle analizörü arasındaki kabloları geçiş. Bağlantı şeması referans 9 Şekil S2 gösterilmiştir. Her bir sensör için anahtarlama sırası hayır. 6 → 2 → 7 → 5 → 1 → 9 → 4 → 3 → 8 → 6 .... dizisi ölçümleri etki kalan ısı önlemek için mümkün olduğu kadar ayarlanır sensörler arasındaki mesafe, temel alır. verileri her 3-5 dakikada toplayın.
  6. # & Kadar ölçümler tekrarlayın916 T destek 2 ° yine C'yi ulaşır. Bu deneyde, Δ T destek ilk zaman ile artmaktadır. DT destek en yüksek değerine ulaşır sonra basınç MH oluşumu azalır, çünkü DT destek yavaş yavaş 0 ° C'ye düşer. DT sup denklemi 3 ile TPS ölçümlerine önce daha büyük 2 ° C olup olmadığını kontrol edin.
  7. sıcaklık profili MH erime etkilenmez emin olun. MH ölçümleri sırasında erirse MH erime endotermik reaksiyon olduğu için, sıcaklık artış olmayacak. ölçümler esnasında sıcaklık profilini kontrol edin ve sonuçları bölümde ele alınmıştır.
  8. TPS tekniği kullanılarak tüm sıcaklık profili verileri için termal gayrimenkullerin 'analiz gerçekleştirin.

Numune 9,11 Doygunluk Değişim 3. Hesaplama

Not:Zaman t bir fonksiyonu olarak örnek MH, su için doyma, gaz derecesi gazın durum denklemi kullanılarak hesaplanır. Kullanılan hesaplama ayrıntıları ve denklemler daha önce 11 tarif edilmiştir.

  1. T zamanında metan gazı hacmi V gazı, t hesaplamak
    figure-protocol-7358
    Q, bir kap içinde gazın başlangıçtaki hacminin, V MH t - 1 zamanı t MH hacmi - 1, ve R VHW su ve MH hacim oranıdır.
    figure-protocol-7611
    Denklem 5, n, MH hidrasyon sayısına (~ 6), ρ MH ve ρ, su, sırasıyla MH ve su yoğunluğuna karşılık gelir ve w MH w su MH su, r moleküler kütlesi ifadeespectively.
  2. T oluşan miktar ΔM t (mol) MH hesaplayın - 1 t
    figure-protocol-8036
    R, gaz sabitidir, P, metan gazının basıncı olduğu ve Z'nin t (t, gaz, T, P, gaz, t) t anında metan kompresyon katsayısıdır. Z t 12, 13 hesaplamak için, Lee ve Kesler tarafından modifiye Biz 9 ve Sakamoto ve diğ. 11, Benedict-Webb-Rubin (BWR) denklemi kullanılmıştır. Bu hesaplama için, formül (3-7,1) - referans 13 7 - (3-7,4) BWR denklem 13 ve Lee-Kesler sabitleri Tablo 3 kullanılır.
  3. Hacim değişikliği Δ V MH hesaplamak t MH b> t - 1 t
    figure-protocol-8864
    burada pS 101.325 Pa referans basınç, T s 273,15 K, referans sıcaklığı, Z, S pS sıkıştırma katsayısı ve T nin (Z, S ~ 1), ve V, CH4 metan gazı hacminin oranının MH birim hacim [Nm 3 m -3]. 165.99 Bir V CH4 değeri [Nm 3 m -3] kullanın.
  4. T zamanında MH t, hacim V MH hesaplayın
    figure-protocol-9485
  5. T anındaki basınç kabında su V su hacmini, t hesaplayın
    figure-protocol-9663
    burada V su, 1 suyun başlangıçtaki hacmidir.
  6. Yöntemler kullanılarak hesaplamalar tekrarlayın. T zamanında 4-9 = 2, 3, ..., su, metan ve MH 11 doyma değişimini saptamak için. Başlangıç ​​koşulu t = 1, yani V gazı, 1 = Q. T zamanında P ve T veri günlükleri 9 alınır. Hesaplama sonuçları aşağıdaki bölümde gösterilmiştir.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Sonuçlar

Şekil 2a nedeniyle termal Sabitler 'ölçümü MH erime. DT c sıcaklık değişimini olduğu etkilenmez sıcaklık profilini gösterir. 2b MH eritme etkilenen sıcaklık profili göstermektedir. Bu denklemler istikrarlı örnek koşullarını varsayılarak elde edilir çünkü Şekil 2b profil Denklem 1 ve 2 ile analiz edilemez.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Tartışmalar

ölçümü MH oluşumu ısı etkisi tahmin edildi. Şekil 3b ve oluşum H = 52.9 kJ mol -1 MH 14 için entalpisi gösterildiği gibi MH oluşumu ısı S h değişim oranı ürünlerinden tahmin edilmiştir. Sonuç olarak, maksimum sıcaklık değişimi 0,00081 ° C sn -1. Bu 5 saniyelik bir zaman aralığı boyunca 1 ° C ile 1.5 ° C arası TPS sensörünün sıcaklık artışı DT C'den daha düşük olmuştur. Ayrı...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Açıklamalar

The authors have nothing to disclose.

Teşekkürler

Bu çalışma mali Japonya'da Metan hidrat Kaynakları MH21 Araştırma Konsorsiyumu ve Ekonomi, Ticaret ve Sanayi Bakanlığı tarafından Milli Metan hidrat Sömürü Programı tarafından desteklenmiştir. Yazarlar deneyler ile yardım için T. Maekawa ve S. Goto teşekkür etmek istiyorum.

. (Muraoka, M., Susuki, N., Yamaguchi, H., Tsuji, T., Yamamoto, Y., Enerji yakıtlar, 29 (3), 2015, 1345-1351, 2015, DOI izni ile yayımlanmaktadır rakamlar: 10,1021 / ef502350n). Telif Hakkı (2015) American Chemical Society.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Malzemeler

NameCompanyCatalog NumberComments
TPS thermal probe, Hot disk sensorHot Disk AB Co., Sweden#7577Kapton sensor type, sensor radius 2.001 mm
Hot disk thermal properties analyzerHot Disk AB Co., SwedenTPS 2500 
Toyoura standard silica sandToyoura Keiseki Kogyo Co., Ltd., JapanN/A
Methane gas, 99.9999%Tokyo Gas Chemicals Co., Ltd., JapanN/AGrade 6 N, Volume 47 L, Charging pressure 14.7 MPa
Water Purification System, Elix Advantage 3Merck Millipore., U.S.N/A5 MΩ cm (at 25 °C) resistivity
Vibrating table, Vivratory packerSinfonia Technology Co. Ltd., JapanVGP-60
Chiller, Thermostatic Bath Circulator THOMAS KAGAKU Co., Ltd., JapanTRL-40SP
Coorant, Aurora brineTokyo Fine Chemical Co.,Ltd., JapanN/Aethylene glycol 71 wt%
Temparature gageNitto Kouatsu., JapanN/APt 100, sheath-type platinum resistance temperature detector
Pressure gageKyowa Electronic Instruments., JapanPG-200 KU
Data loggerKEYENCE., JapanNR-500
Mass flow controllerOVAL Co., JapanF-221S-A-11-11AMaximum flow 2,000 N ml⁠/⁠M, maximum design pressure 19.6 MPa

Referanslar

  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).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Yeniden Basımlar ve İzinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya resimlerini yeniden kullanma izni talebi

Izin talebi

Daha Fazla Makale Keşfet

evre BilimleriSay 109Kimyametan hidrats l iletkenliks l yay n mzg l sgaz hidrat ta yan tortuge ici d zlem kaynak tekni ia r so uma

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Gizlilik

Kullanım Şartları

İlkeler

Araştırma

Eğitim

JoVE Hakkında

Telif Hakkı © 2020 MyJove Corporation. Tüm hakları saklıdır