Protocol voor het meten van de thermische eigenschappen van een onderkoelde synthetische zand-water-gas-methaanhydraat Sample
Summary
We present a protocol for measuring the thermal properties of synthetic hydrate-bearing sediment samples comprising sand, water, methane, and methane hydrate.
Abstract
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.
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:. 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
waar
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 </em> wordt gegeven door (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.
Protocol
Representative Results
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 tijdsinte…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| 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 6N, Volume 47L, Charging pressure 14.7MPa |
| 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 71wt% |
| 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 2000 Nml/M, maximum design pressure 19.6 MPa |
References
- Sloan, E. D., Koh, C. A. . Clathrate Hydrates of Natural Gases, 3rd ed. , (2007).
- 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).
- 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).
- 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).
- Mao, W. L., et al. Hydrogen clusters in clathrate hydrate. Science. 297 (5590), 2247-2249 (2002).
- 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).
- Muromachi, S., Ohmura, R., Takeya, S., Mori, H. Y. Clathrate Hydrates for Ozone Preservation. J. Phys. Chem. B. 114, 11430-11435 (2010).
- Waite, W. F., et al. Physical properties of hydrate-bearing sediments. Rev. Geophys. 47 (4), (2009).
- 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).
- 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).
- 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).
- Lee, B. I., Kesler, M. G. A generalized thermodynamic correlation based on three-parameter corresponding states. AIChE J. 21 (3), 510-527 (1975).
- Reid, R. C., Prausnitz, J. M., Poling, B. E. Chapter 3, Unit 3, 7. The properties of gases and liquids. , 47-49 (1987).
- Anderson, G. K. Enthalpy of dissociation and hydration number of methane hydrate from the Clapeyron equation. J. Chem. Thermodyn. 36 (12), 1119-1127 (2004).
- 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).
- Kumar, P., Turner, D., Sloan, E. D. Thermal diffusivity measurements of porous methane hydrate and hydrate-sediment mixtures. J. Geophys. Res. 109 (B1), (2004).
- Huang, D., Fan, S. Measuring and modeling thermal conductivity of gas hydrate-bearing sand. J. Geophys. Res. 110 (B1), (2005).
