Microsoft PowerPoint - 混相流学会2011_髙木.ppt

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やすもりだいほうじ
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1 液体 CO の充填層内流動挙動に及ぼすハイドレート生成の影響高木雄司

2 研究背景温暖化対策 CO の発生抑制 ( 省エネルギー, 高効率化 etc.) 発生した CO の隔離 ( 地中隔離, 海洋隔離 etc.) -CO の海洋海洋隔離隔離までの流れ - CO 排出源液化回収隔離 CO ハイドレート生成条件温度 :1 以下圧力 :4.5 Ma 以上 Hyrate cluster H O Molecule CO Molecule 5m~ 1~m 日本周辺海域はハイドレート生成領域 5m~ 海底下貯留法溶解法深海貯留法ハイドレートが海底下貯留に及ぼす影響を明らかにすることが重要

海底下貯留に関する研究 Q. Li et al. (9) 従来の研究 CO injection ハイドレート天盤シール層の形成圧入後,CO が海底表面に到達するまでの時間を解析的に算出ハイドレート生成に関する研究 X. Li et al. (4), Inui et al. (4) D. Katsuki et al. (6) M.

3 海底下貯留に関する研究 Q. Li et al. (9) 従来の研究 CO injection ハイドレート天盤シール層の形成圧入後,CO が海底表面に到達するまでの時間を解析的に算出ハイドレート生成に関する研究 X. Li et al. (4), Inui et al. (4) D. Katsuki et al. (6) M. Yang et al. (1) 問題点 Hyrate generation strata CO Hyrate.) Energy Conversion an Management 5 (9) pp.5-59 CO を海底下地層中に圧入する際に, 配管内などでハイドレートが生成することにより目詰まりが生じ,CO の注入が阻害される可能性 Sel seale cap

4 研究目的研究目的液体 CO を海底下地層中に圧入する際に, ハイドレートの生成が液体 CO の流動挙動に及ぼす影響を明らかにする. 海底下地層を模擬した実験装置を用いて, 液体 CO の圧入実験ハイドレート生成条件下, 非生成条件下において差圧温度計測ハイドレート生成量の算出充填層内の圧力損失に関して, 実験結果と理論との比較

5 実験装置 CO Buer Cyliner Liqui CO Bomb Test Section Silicon Heater Liqui CO Bomb z ressure Gauge.6m.6m.6m z Drain m 1m φ 97.1 mm Thermocouples ump Compressor Water Tank

-.18.4-..4-.46 V r : 全体積 [m ] m p : 粒子全質量 [kg] ρ p : 粒子密度 [kg/m ] 実験条件.1.7 1.

6 ホスト水 : イオン交換水系統圧力 : 6 Ma ( 解離温度 : 約 1. ) ハイドレート生成条件下初期温度 T ini : 5. 非生成条件下初期温度 T ini : 14 粒径 p [mm] 空隙率 1 m p p ρ V r 空隙率 [-] 流量 [kg/s] V r : 全体積 [m ] m p : 粒子全質量 [kg] ρ p : 粒子密度 [kg/m ] 実験条件 z [m] Hyrate (T ini 5. ) Liqui CO Water 5 mm No hyrate (T ini 14.4 ) Liqui CO Water 5 mm Hyrate

7 水と液体 CO の界面挙動.1 撮影速度 : 1 ps 再生速度 : 6 ps Hyrate (T ini 5. ) 粒径 : mm 流量 :.6 kg/s No hyrate (T ini 14.4 ).7 1. z [m] 5 mm 5 mm 圧入開始と共にハイドレート膜が破れ, 破片が流下している

8 非生成条件下における差圧温度計測温度 : 14.4 流量 :. kg/s 粒径 : mm.1.7,t,t Dierantial pressure [Ma] z.1-.7 m z.7-1. m z 1.- m 6 Time [s] ,T,T Temperature [ ] z.1 m z.7 m z1. m z m z [m] Time [s] 8 1

9 ハイドレート生成条件下における差圧温度計測温度 : 5. 流量 :. kg/s 粒径 : mm z [m],t,t,t,t Dierantial pressure [Ma] Temperature [ ] z.1 m z.7 m z 1. m z m 4 4 z.1-.7 m z.7-1. m z 1.- m 6 Time [s] 6 Time [s]

10 z [m] siual water saturation S w [-] 飽和度 V S w V m V w w p V p V 水の飽和度と流量の関係 w, set ρ article iameter mm mm mm.1 w m w, out.. Flow rate [kg/s] V w : 液体 CO の前面がテスト部下部に到達した際にテスト部内に存在している水の体積 V p : テスト部内の空隙部の体積 m w,set : CO 圧入前にテスト部に存在している水の質量 m w,out : テスト部から流出した水の質量 ρ w : 水の密度, : 空隙率, V : テスト部の全体積 5. (Hyrate) 14 (No hyrate).4.5 飽和度 : S w.~.4 テスト部内の体積水 : V S w CO : V (1- S w ) ガラスビーズ : V (1-)

11 水 Q ( mwcw + mco cco ΔT T e T ini ハイドレート生成量の見積もり飽和度がテスト部の高さ位置によって大きく変化しないと仮定する体積 Vの空間における各質量 : m w V S w ρ w CO : m CO V (1- S w ) ρ CO ガラスビーズ : m g V (1-) ρ g ΔT の温度上昇に必要な熱量 Q + m g c g ) ΔT ハイドレート生成反応式 CO +nh O CO nh O +Δh+ action heat Δh Δh75.8 kj/kg [Bozzo et al. (1975)] Δh.8 kj/kg [Aya et al. (1997)] テスト部の全体積 V Water + l- CO + ガラスビーズ m : 質量, V : 体積, S w : 水の飽和度 : 空隙率, ρ : 密度, c : 比熱 n : 水和数 (7.), T ini : 初期温度, T e : CO の前面がテスト部下端に到達した際の温度ハイドレートの体積 V Hyrate Q Δh 1 ρ Hyrate

12 V Q ΔT テスト部全体積に対するハイドレートの体積割合 Hyrate ハイドレートの体積 Q 1 Δh ρ Hyrate ( mwcw + mco cco T e T ini + m g c g ) ΔT 生成したハイドレートの温度上昇に必要な熱量はハイドレート化する水 CO の熱量に含むことで考慮するテスト部の全体積 V Water + l- CO + ガラスビーズ ρ : 密度, m : 質量 c : 比熱, T ini : 初期温度 T e : CO 前面がテスト部下端に到達した際の z.7m の温度 Volume ratio o hyrate V Hyrate /V [-] action heat Δh Δh75.8 kj/kg [Bozzo et al. (1975)] Δh.8 kj/kg [Aya et al. (1997)] 流量の増加に伴い, ハイドレート生成量が減少する z.7 m T ini 5..1 article iameter mm mm mm.. Flow rate [kg/s].4.5

13 L 15 (1 ) 層流項充填層内の圧力損失単相流 Ergun s equation μ u 1 ρ u p p 乱流項.) S. Ergun, Chemical Engineering rogress 48 pp (195) 二相流 lative permeability moel L 1 A' + B' ρ g k Ga Ga ρ u p ρ μ ( 1 ) 1 p Ga g μ lative ermeability 4.8 k S.) A. E. Saez, AIChE Journal, Vol. 48, No. 1, pp (1985) : 差圧, L : 管路長 p : 粒径, : 空隙率 ρ : 密度 μ : 粘性係数, u : 見かけ流速 Q w : 質量流量, A : 管断面積 A : Blake-Kozeny Carman 定数 B : Burke-rimmer 定数 * : 修正レイノルズ数 Ga * : 修正ガリレオ数 g : 重力加速度 S : 相の飽和度 k : lative permeability 修正レイノルズ数 u p ρ u μ (1 ), 摩擦係数 p L ρ u Qw ρ A 1

14 水単相条件における摩擦係数の比較計測区間 :z.7-1. m CO ront:z.7 m Ergun s s equation (195) L p ρ u 1 p ρ u μ (1 ), u Q w ρa Friction actor [-] 1 1 article iameter mm mm.85-1.mm Ergun's equation : 差圧 [a] L : 管路長 [m] p : 粒径 [m] : 空隙率 [-] ρ : 密度 [kg/m ] μ : 粘性係数 [a s] u : 見かけ流速 [m/s] Q w : 質量流量 [kg/s] A : 管断面積 [m ] [-] 水単相条件では Ergun の式と良い一致を示している

15 ハイドレート生成条件と非生成条件の比較 ( 中流部 ) 計測区間 :z.7-1. m CO ront:z1. m Ergun s s equation (195) L p ρ u 1 p u ρ μ (1 ), u Q w ρa Friction actor [-] 1 1 article iameter mm mm mm 5. (Hyrate) 14 (No hyrate) Ergun's equation : 差圧 [a] L : 管路長 [m] p : 粒径 [m] : 空隙率 [-] ρ : 密度 [kg/m ] μ : 粘性係数 [a s] u : 見かけ流速 [m/s] Q w : 質量流量 [kg/s] A : 管断面積 [m ] [-] Hyrate と No hyrate の摩擦係数に差が無い

16 ハイドレート生成条件と非生成条件の比較 ( 上流部 ) 計測区間 :z.1-.7 m CO ront:z.7 m Ergun s s equation (195) L p ρ u 1 p u ρ μ (1 ), u Q w ρa Friction actor [-] article iameter mm mm mm 5. (Hyrate) 14 (No Hyrate) Ergun's equation [-] : 差圧 [a] L : 管路長 [m] p : 粒径 [m] : 空隙率 [-] ρ : 密度 [kg/m ] μ : 粘性係数 [a s] u : 見かけ流速 [m/s] Q w : 質量流量 [kg/s] A : 管断面積 [m ] の増加に伴い,Hyrate と No hyrate の差が小さくなる

17 lative permeability moel と摩擦係数の比較 ( 上流部 ) 計測区間 :z.1-.7 m CO ront:z.7 m z [m] 計測値 S w.-.4 Friction actor [-] lative permeability moel (1985) L ρu p 1 p 4. 8 A' + B' g 1 k S k Ga Ga u 1 計測値 S w.-.5 article iameter mm mm mm 5. (Hyrate) 14 (No hyrate) CO [-] 計測値 S w.5-.4 S w.55 S w.5 S w.45 S w.4 S w.5 S w. S w.5 S w. S w.1 Ergun s equation

18 lative permeability moel と摩擦係数の比較 ( 上流部 ) 計測区間 :z.1-.7 m CO ront:z.7 m lative permeability moel (1985) L ρu p 1 p 4. 8 A' + B' g 1 k S k Ga Ga u z [m] Friction actor [-] (Hyrate) 14 (No hyrate) S w.55 S w.5 S w.45 計測値 S w.4 S w.-.4 S w.5 S w. S w.5 S article iameter w mm S w.1 Ergun s equation CO [-]

19 lative permeability moel と摩擦係数の比較 ( 上流部 ) 計測区間 :z.1-.7 m CO ront:z.7 m lative permeability moel (1985) L ρu p 1 p 4. 8 A' + B' g 1 k S k Ga Ga u z [m] Friction actor [-] 計測値 S w.-.5 article iameter mm 5. (Hyrate) 14 (No hyrate) CO [-] S w.55 S w.5 S w.45 S w.4 S w.5 S w. S w.5 S w. S w.1 Ergun s equation

20 lative permeability moel と摩擦係数の比較 ( 上流部 ) 計測区間 :z.1-.7 m CO ront:z.7 m lative permeability moel (1985) L ρu p 1 p 4. 8 A' + B' g 1 k S k Ga Ga u z [m] Friction actor [-] article iameter mm 5. (Hyrate) 14 (No hyrate) 計測値 S w CO [-] S w.55 S w.5 S w.45 S w.4 S w.5 S w. S w.5 S w. S w.1 Ergun s equation

21 lative permeability moel と摩擦係数の比較 ( 上流部 ) 計測区間 :z.1-.7 m CO ront:z.7 m z [m] 計測値 S w.-.4 Friction actor [-] lative permeability moel (1985) L ρu p 1 p 4. 8 A' + B' g 1 k S k Ga Ga u 1 計測値 S w.-.5 article iameter mm mm mm 5. (Hyrate) 14 (No hyrate) CO [-] 計測値 S w.5-.4 S w.55 S w.5 S w.45 S w.4 S w.5 S w. S w.5 S w. S w.1 Ergun s equation

22 V S w V V w 飽和度 m w p w, set V p V S w (lative permeability moel) [-] ρ w m w, out 飽和度の比較 ( 上流部 ) V w : 液体 CO の前面がテスト部下部に到達した際にテスト部内に存在している水の体積 V p : テスト部内の空隙部の体積 m w,set : CO 圧入前にテスト部に存在している水の質量 m w,out : テスト部から流出した水の質量 ρ w : 水の密度, : 空隙率 V : テスト部の全体積 5. (Hyrate) 14 (No hyrate) +% -% article iameter.5-.71mm S w (Experiment) [-] 1. S w (lative permeability moel) [-] S w (lative permeability moel) [-] (Hyrate) 14 (No hyrate) +% article iameter mm S w (Experiment) [-] 5. (Hyrate) 14 (No hyrate) +% -% -% article iameter.85-1.mm S w (Experiment) [-] 1. 1.

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問題を解こう. 熱力学の基礎問題. 容積 [m ] の密閉容器内に温度 0[ ] 質量 0[kg] の酸素が含まれているこの容器内の圧力を求めよただし酸素の気体定数を R= 59.8[J/kg K] とする解答酸素の体積 V=m 質量 m=0kg なので酸素の比容積 v=/0 m /kg である式 (.) においてガス定数 R=59.8 温度 T=(0+7)K であるので圧力