Method Article
We present a protocol for measuring the thermal properties of synthetic hydrate-bearing sediment samples comprising sand, water, methane, and methane hydrate.
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.
Los hidratos de gas son compuestos cristalinos que comprenden estructuras de jaula de moléculas de agua con enlaces de hidrógeno que contienen moléculas huésped en la jaula 1. Grandes cantidades de hidratos de metano (MHS) en las regiones de permafrost y suelo marino son los recursos energéticos futuros interesantes, pero pueden afectar a las condiciones del clima mundial 2.
En marzo de 2013, el Japan Oil, Gas y Metales de la Corporación Nacional llevaron a cabo la primera prueba de producción en alta mar del mundo para extraer gas de los sedimentos naturales que devengan MH en el este de Nankai Trough utilizando el "método de despresurización" 3,4.
Los hidratos de gas pueden almacenar gases como el metano 1, hidrógeno 5, CO 2 1,6, y el ozono 7. Por lo tanto, los hidratos de metano e hidrógeno se estudian como potencial de almacenamiento de energía y medios de transporte. Para reducir las emisiones de CO2 a la atmósfera, CO 2 sequestración utilizando CO 2 hidratos en los sedimentos de las profundidades oceánicas se han estudiado 6. El ozono se utiliza actualmente en la purificación del agua y la esterilización de los alimentos. Estudios de la tecnología de preservación de ozono han llevado a cabo, ya que es químicamente inestable 7. La concentración de ozono en hidratos es mucho mayor que en agua ozonizada o hielo 7.
Para desarrollar la producción de gas a partir de sedimentos que devengan MH naturales y las tecnologías basadas en hidratos, es imprescindible para entender las propiedades térmicas de los hidratos de gas. Sin embargo, los datos de propiedades térmicas y estudios de modelos de sedimentos de hidratos de gas que soportan son escasos 8.
El "método de despresurización" se puede utilizar para disociar MH en el espacio de los poros de sedimentos por la disminución de la presión de poro por debajo de la estabilidad de los hidratos. En este proceso, los componentes espaciales de sedimentos de poro cambian de agua y de MH a agua, MH, y el gas. medición de las propiedades térmicas 'de esta última condición es difícil ya que el calor de fusión de MH puede afectar a las mediciones. Para resolver este problema, Muraoka et al. Cabo la medición de las propiedades térmicas 'en condiciones super-enfriadas durante la formación MH 9.
Con este protocolo de vídeo, se explica el método de medición de la muestra de arena-agua-gas-MH-enfriada sintética.
La Figura 1 muestra la configuración experimental para medir las propiedades térmicas del metano artificial sedimento hidrato-cojinete. La configuración es la misma que se muestra en la referencia 9. El sistema comprende principalmente un recipiente de alta presión, presión y control de la temperatura, y las propiedades térmicas del sistema de medición. El recipiente de alta presión se compone de acero inoxidable cilíndrico con un diámetro interno de 140 mm y una altura de 140 mm; su volumen interior con el volumen muerto es eliminado 2.110 cm3, y su límite de presión es de 15 MPa. el transie fuente plana nt técnica (TPS) se utiliza para medir las propiedades térmicas 10. Nueve sondas de TPS con radios individual de 2.001 mm se colocan dentro del recipiente. La disposición de los nueve sondas 9 se muestra en la figura 2 en la referencia 9. Las sondas están conectadas a TPS analizador de las propiedades térmicas 'con un cable y conmutar manualmente durante el experimento. Los detalles del sensor de TPS, diagrama de conexión y configuración de la embarcación se muestran en las figuras S1, 2, y 3 de la información de apoyo en referencia 9.
Figura 1:. La configuración experimental para la medición de las propiedades térmicas de los sedimentos de hidrato de metano-cojinete artificial La figura se modificó a partir de la referencia 9.3956fig1large.jpg "target =" _ blank "> Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
El método TPS se utilizó para medir las propiedades térmicas de cada muestra. Los principios del método se describen en la referencia 10. En este método, el aumento de la temperatura en función del tiempo,? T ave, es
dónde
En la Ecuación 1, W 0 es la potencia de salida del sensor, r es el radio de la sonda de sensor, λ es la conductividad térmica de la muestra, α es la difusividad térmica, y t es el tiempo desde el inicio de la fuente de alimentación a la sonda de sensor. D (τ) es un tiempo adimensional función dependiente. τ está dada por (αt / r) 1/2. En la Ecuación 2, m es el número de anillos concéntricos de la sonda TPS y 0 es una función de Bessel modificada. La conductividad térmica, difusividad térmica y calor específico de la muestra se determinan simultáneamente por análisis de inversión aplicado al aumento de la temperatura como se suministra energía a la sonda de sensor.
Nota: Por favor, consulte a todas las hojas de datos de seguridad de materiales relevantes ya que este estudio utiliza gas metano inflamable de alta presión y un recipiente de alta presión grande. Use un casco, gafas de seguridad y botas de seguridad. Si el sistema de control de la temperatura se detiene, la presión en el recipiente aumenta con MH disociación. Para evitar accidentes, el uso de un sistema de válvula de seguridad se recomienda para liberar automáticamente el gas metano a la atmósfera. El sistema de válvula de seguridad puede funcionar sin fuente de alimentación eléctrica.
1. Preparación de las muestras de gases de arena-agua-metano 9
2. Síntesis MH y medición de la muestra a sobrefusión 9 Propiedades Térmicas '
3. Cálculo del cambio de saturación de la muestra 9,11
Nota:El grado de saturación para MH, agua, y gas en la muestra como una función del tiempo t se calcula utilizando la ecuación de estado del gas. Los detalles de cálculo y ecuaciones utilizadas se describen previamente 11.
La figura 2a muestra el perfil de temperatura que no está afectada por MH fusión.? T c es el cambio de temperatura debido a la medida constantes térmicas. La Figura 2B muestra el perfil de temperatura que está afectada por MH fusión. El perfil en la Figura 2b no se puede analizar a través de las ecuaciones 1 y 2 debido a que estas ecuaciones se derivan asumiendo condiciones de la muestra estables.
La figura 3a muestra la presión, la temperatura, y el grado de sobreenfriamiento en el recipiente como una función del tiempo. nuclea MH Cuando el sistema ha alcanzado el equilibrio de presión y temperatura. La formación de MH está marcado por un cambio de presión drástica en el tiempo t = 170 min. Las flechas de doble cabeza muestran que el grado de sobreenfriamiento es mayor que 2 ° C. Las constantes térmicas se midieron dentro de este rango. Figura 3b muestra la saturación de los sedimentos con MH, agua, y gas metano como una función del tiempo t. El cálculo de la saturación se describe en la sección 3. La saturación se define como S i, t = V i, t / (V celular - arena V), donde i denota la MH, el agua y los componentes del gas metano en el tiempo t. En t = 170 min, la MH comenzó a formarse y S MH aumentó significativamente. Entre 170 y 2.500 min, MH S pasaron de 0 a 0,32, mientras que S agua y gas disminuyeron S 0,43-0,18 y 0,56 a la 0,50, respectivamente. Después de 2500 min, la MH, agua, y la saturación de gas eran casi constante.
La Figura 4 muestra un ejemplo de las mediciones de las constantes térmicas. Las condiciones experimentales fueron t = 825 min, P= 7,1 MPa, T = 2,4 ° C, S h = 0,16, S = 0,53 g, y S w = 0,31. La figura 4a muestra el perfil de temperatura. El software de análisis de TPS registra 200 puntos de datos igualmente espaciados en el tiempo durante un intervalo de tiempo predefinido; Así, los datos se seleccionan para el análisis de los puntos de datos 200. Las flechas de doble punta indican el rango de datos utilizado en el análisis. El tiempo varía de análisis 1 y 2 son de 0-5 seg y 0,65 a 4,88 seg, respectivamente. Los análisis 1 y 2 son ejemplos de rangos inapropiadas y apropiados, respectivamente. Las figuras 4b y 4c se obtuvieron utilizando la técnica de TPS en cada rango de análisis. La figura 4B muestra el ave cambio de temperatura? T (τ) y D (τ) con Delta T ave (τ ) =? T c (t). La relación entre el DT ave (y# 964;.) Y D (τ) varía en función del análisis de rango Figura 4c muestra la temperatura T d vs la raíz cuadrada del tiempo t. La desviación de los datos de temperatura a partir del ajuste lineal obtenido por el análisis de inversión de TPS es T d. La desviación de análisis 1 en el comienzo de las mediciones es bastante grande, como se muestra en la figura 4c, lo que sugiere que la capa aislante de la sonda de sensor TPS afecta a las mediciones.
La Tabla 1 enumera las constantes térmicas en cada rango de análisis como se ha mencionado anteriormente. El total para la proporción de tiempo característica se define por el tiempo de análisis total (para t = 2-4 sec, el tiempo total es de 4 seg) dividido por característica τ tiempo. Tenga en cuenta que el total a relación de tiempo característico debe ser menor que 1 cuando se utiliza la técnica de TPS. Esto se describe en referencia 10. Por otra parte, si esta relación es demasiado pequeño, las constantes térmicas obtenidas son menos fiables porque los datos analizados es proporcional a la total para la proporción tiempo característico. La media de Dev. es la desviación media de T d.
Para evitar la sonda del sensor afecta a las mediciones, no se van a utilizar los datos al comienzo de cada medición. La desviación media de T d se reduce al mínimo, como se muestra en la figura 4c, mediante el ajuste de la gama de tiempo de análisis. El total para la proporción de tiempo característica se ajusta a la unidad mediante el ajuste del intervalo de tiempo de análisis. Por lo tanto, hemos adoptado los valores de las constantes térmicas de análisis 2 no 1.
La conductividad térmica, calor específico, y difusividad térmica se muestran como una función del tiempo en las figuras 5a, b, y c, respectivamente. Por último, se resumen los resultados de la tpropiedades de Hermal y la saturación de hidratos. El detalle de los resultados se dan en la Sec. 4 de 9 refference.
Figura 2:. Los perfiles de temperatura como una función del tiempo (a) no se ve afectado por MH fusión (condiciones de sobreenfriamiento) y (b) afectadas por MH de fusión Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Tenga en cuenta que ambos perfiles de temperatura son a partir de los experimentos preliminares. El tiempo de medición es más larga que en el experimento con el fin de aclarar el efecto del calor de fusión. En los experimentos preliminares, el tiempo de medición t fue de 40 seg y la potencia de salida W 0 fue 20 mW (a) y 50 mW (b).
Figura 3: (a) la presión, la temperatura, y el grado de sobreenfriamiento en el recipiente como una función del tiempo. Las flechas de doble cabeza muestran que el grado de enfriamiento súper es mayor que 2 ° C. Las constantes térmicas se midieron dentro de este rango. (B) El MH, la saturación de gas de agua, y el metano de la muestra se muestran como una función del tiempo (reproducido de la referencia 9). Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4: Ejemplo de Análisis de las mediciones de las constantes térmicas '(a) Perfil de temperatura usando el.método de medición TPS. El tiempo varía de análisis 1 y 2 son de 0-5 seg y 0,65 a 4,88 seg, respectivamente. (B) Relación entre el ave cambio de temperatura? T (τ) y D (τ) con Delta T ave (τ) =? T c (t). (C) la temperatura T d vs el momento raíz cuadrada t. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5: (a) λ conductividad térmica como una función del tiempo, (b) ρC calor específico p como una función del tiempo, y (c) térmicos α difusividad como una función del tiempo.Los resultados se convirtieron a propiedades térmicas como una función de la saturación de MH. Los resultados convertidos y discusión relevantes se recogen en la Ref. 9. Los datos muestran una superposición dentro del rango de 210 a 980 t = min. Para mayor claridad, los datos representados representan la media de tres mediciones de los mismos sensores dentro de este rango. Estas cifras se han modificado a partir de la referencia 9. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Análisis gama, s | λ, W m - 1 K - 1 | ρC p, MJ m - 3 K - 1 | α, mm 2 s - 1 | Total de ChArkansas. Hora | La media de Dev., ° C | |
análisis 1 | 0,00-5,00 | 2.12 | 0,938 | 2.26 | 2.11 | 0.01018 |
Análisis 2 | 0,65-4,88 | 2.31 | 2.11 | 1.10 | 1.00 | 0.00061 |
Tabla 1:. Constantes térmicas para cada rango de análisis de análisis 1 y 2 son ejemplos de rangos inapropiadas y apropiados, respectivamente.
Se estimó el efecto del calor formación de MH en la medición. El calor de formación MH se estimó a partir de productos de la tasa de cambio de S h como se muestra en la Figura 3b y la entalpía de formación de H = 52,9 kJ mol -1 para MH 14. En consecuencia, el cambio de temperatura máxima era de 0,00081 ° C sec -1. Esto fue mucho menor que el aumento de temperatura? T c del sensor TPS entre 1 ° C y 1,5 ° C durante el intervalo de tiempo de 5 seg. estimación detallada y la discusión se describen en la Sec. 4 de referencia 9.
Los siguientes son los pasos del protocolo críticos. El primer paso es el mantenimiento de las condiciones de la muestra de sobreenfriamiento. El segundo paso es la realización de mediciones constantes térmicas 'al mantener el aumento de la temperatura? T c del sensor TPS por debajo del grado de sobreenfriamiento sup DT.
Para asegurar que la medición no se ve influenciada por la variación de temperatura, la siguiente debe ser confirmado. En primer lugar, asegúrese de que el cambio de temperatura mayor es mucho menor que el aumento de la temperatura? T c del sensor TPS. En segundo lugar, asegurarse de que el cambio de temperatura debido al calor de formación MH es mucho menor que el aumento de temperatura? T c del sensor TPS.
Si una muestra se funde, la conductividad térmica y el calor específico divergirán a infinito por la técnica de TPS. En tales casos, cambiar la potencia de salida del sensor o disminuir el tiempo de medición.
Este método de medición se puede aplicar a las propiedades térmicas del sistema de gas de gas hidrato-agua-huésped, que contiene hidrógeno, CO 2, y los hidratos de ozono, debido a que la tasa de formación de una característica de baja de hidrato de gas no es única para MH. El punto clave de este método es la baja ratae de transición de fase del material objetivo. Por lo tanto, este método puede ser aplicado a otros materiales con una tasa de transición de fase de baja. Este método de medición también se puede aplicar a tetrahidrofurano hidrato (THF) formado a partir de solución en THF de baja concentración y bromuro de tetrabutilamonio (TBAB) hidrato de si la tasa de formación de estos hidratos es suficientemente lento en condiciones súper enfriamiento. El único requisito es asegurar que el cambio de temperatura debido al calor de formación del hidrato es mucho menor que el aumento de temperatura en el sensor, como se mencionó anteriormente. Por otro lado, esta técnica no se puede aplicar a la agua-hielo y transición de fase solución de hidrato de THF estequiométrica debido a que la tasa de transición en estos sistemas es muy rápido y el calor de formación afecta de manera significativa las medidas.
Waite et al. 15 mide la conductividad térmica de las muestras que comprenden arena, gas metano, y MH. Kumar et al.16 midió la difusividad térmica utilizando muestras con los mismos componentes. Se formaron MH directamente en los poros de arena mediante el uso de hielo de agua en una atmósfera de gas metano a presión. Todo el hielo de agua se convirtió en MH. Por lo tanto, midieron la conductividad térmica de la muestra hasta la formación MH detenido completamente. Este método tiene la ventaja de que las medidas de las propiedades térmicas no se ven afectados por la formación o disociación de calor de MH y que la composición de la muestra es constante. Sin embargo, este método no puede dar las propiedades térmicas de muestras que comprenden arena, agua, metano y MH. Huang y Fan midieron la conductividad térmica de una muestra de arena hidrato de soporte 17. Se formaron MH en los poros de arena utilizando solución de dodecilsulfato de sodio (SDS), lo que facilitó la formación MH. Observaron que el gas y el agua, probablemente permanecieron en los poros de arena y el gas afectaron significativamente las mediciones. Sin embargo, no informaron de la composición del water y gas. Nuestro protocolo de medición tiene la ventaja de dar a la relación entre las propiedades térmicas (conductividad térmica, difusividad térmica, y el calor específico volumétrico) y la composición del sedimento MH-cojinete que comprende arena, agua, metano y MH.
Para desarrollar tecnologías de producción en masa de los hidratos de gas, se necesitan las constantes térmicas de la formación de hidratos, y el método de medición propuesto hace exactamente eso.
The authors have nothing to disclose.
Este estudio fue apoyado financieramente por el Consorcio de Investigación de Recursos MH21 hidrato de metano en Japón y el Programa Nacional de hidratos de metano por el Ministerio de Economía, Comercio e Industria. Los autores desean agradecer a T. Maekawa y S. Goto por su ayuda con los experimentos.
cifras Reproducido con permiso del (Muraoka, M., Susuki, N., Yamaguchi, H., Tsuji, T., Yamamoto, Y., Energy Fuels, 29 (3), 2015, 1345-1351, 2015, DOI.: 10.1021 / ef502350n). Derechos de autor (2015) American Chemical Society.
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 |
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