本發(fā)明涉及水合物實驗領(lǐng)域，具體涉及到一種可用于氣體水合物生成/分解/分離/置換的實驗測試系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

氣體水合物是由水和小分子氣體在高壓低溫環(huán)境下生成的非化學(xué)計量籠形晶體物質(zhì)，主體分子通過氫鍵相連形成一些多面體的籠孔，從而尺寸合適的客體分子可填充在這些籠孔中，使其具有較好的熱力學(xué)穩(wěn)定性。其中，天然氣水合物是指由水分子和碳氫氣體分子組成的結(jié)晶化合物，由于在資源環(huán)境中的重要意義而引起世界上許多國家和研究機構(gòu)的高度重視，已成為當代地球科學(xué)和能源領(lǐng)域的熱點，其研究主要涉及能源開采、油氣管道安全、海底地質(zhì)災(zāi)害等方面。此外，氣體水合物技術(shù)應(yīng)用前景廣闊，可用于混合氣體分離(如co2捕集)、天然氣儲運、海水淡化、蓄冷等領(lǐng)域，因此水合物技術(shù)的研究受到越來越多的關(guān)注。對氣體水合物的研究離不開實驗研究，而合理有效的實驗系統(tǒng)是水合物實驗研究的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。

現(xiàn)有關(guān)于水合物實驗系統(tǒng)的專利：公開號為cn101458245a的中國專利提出了一種便攜式高壓及氣水合物實驗裝置，能夠精確測量溫度和壓力并方便攜帶。授權(quán)公告號為cn201322747y的中國專利提出了一種天然氣水合物模擬實驗用高壓控制裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、防爆、輸出壓力可調(diào)、升壓速度可控、操作方便、性能可靠等特點，能實現(xiàn)天然氣稅額毫無模擬實驗的快速進行。授權(quán)公告號為cn201603545u的中國專利提出了一種水合物實驗裝置，便于研究水合物相平衡及形成、分解動力學(xué)，具有壓力高，控壓精度高的特點，可進行恒壓、恒容實驗，讀取、采集并保存溫度、壓力、電阻等實驗數(shù)據(jù)，可直接觀察反應(yīng)狀態(tài)。申請公布號為cn102141560a的中國專利提出了一種可視化氣體水合物實驗裝置，不僅可以實現(xiàn)氣體水合物快速高效生成，還能實現(xiàn)在線實時觀測形成/分解過程中水合物的晶體結(jié)構(gòu)。為天然氣水合物的開采提供指導(dǎo)。申請公布號為cn105136626a的中國專利提出一種天然氣水合物分解螺旋測試裝置，可以全面模擬天然氣水合物顆粒在不同流速、溫度、壓力、粒徑條件下的分解情況。申請公布號為cn106442930a的中國專利提出了一種精確觀測氣體水合物誘導(dǎo)時間的裝置和方法，可以克服通過溫度壓力變化得到誘導(dǎo)時間之后的不足，裝置簡單，便于操作，直觀準確。

以上關(guān)于氣體水合物實驗系統(tǒng)的專利大多是針對某一具體問題進行改進，取得了一定的突破，如便于攜帶、便于觀察和精確測量等，但是隨著水合物實驗研究的發(fā)展，為了更好地滿足研究要求，水合物實驗系統(tǒng)需要具有更強的綜合性和一定的靈活性，并實現(xiàn)實驗研究的微觀化和可視化，故現(xiàn)有實驗系統(tǒng)有待發(fā)展與完善，亟需開發(fā)一種多功能氣體水合物實驗系統(tǒng)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是適應(yīng)水合物實驗研究的發(fā)展趨勢，提供一種多功能氣體水合物實驗系統(tǒng)。可實現(xiàn)氣體水合物的快速、高效生成，并在線實時檢測；可完成多種不同類型的實驗(如：合成/分解/分離/置換)，具有較好的綜合性和靈活性；可實現(xiàn)氣體水合物研究的可視化和微觀化，便于對氣體水合物的相關(guān)機理進行研究。

本發(fā)明提出的一種多功能氣體水合物實驗系統(tǒng)，包括由連接管路相連的反應(yīng)釜單元、溫度控制單元、壓力控制單元、數(shù)據(jù)采集單元和監(jiān)測單元，所述連接管路上設(shè)有閥門；所述反應(yīng)釜單元包括反應(yīng)釜和磁力攪拌器；所述溫度控制單元包括與反應(yīng)釜相連的恒溫水浴，該單元控制反應(yīng)釜內(nèi)的溫度；所述壓力控制單元包括氣體增壓裝置、液體增壓裝置、抽真空裝置和排放裝置，通過所述壓力控制單元向反應(yīng)釜內(nèi)通入或排出氣體或溶液，并控制反應(yīng)釜內(nèi)的壓力；所述氣體增壓裝置包括柱塞泵，所述柱塞泵的進口端通過管路依次連接有過濾器和第一水槽，所述柱塞泵的出口端通過一個三通與兩條并聯(lián)的管路相連，每條并聯(lián)的管路上均依次連接第一活塞罐和第一緩沖罐，兩個第一活塞罐還分別連接有一個氣瓶，兩個第一緩沖罐連接至一減壓閥，所述減壓閥通過第一流量傳感器連接至所述反應(yīng)釜；所述液體增壓裝置包括手動活塞泵，所述手動活塞泵連接有第二水槽，所述手動活塞泵還連接有第二活塞罐，所述第二活塞罐與所述反應(yīng)釜相連；所述抽真空裝置包括真空泵，所述真空泵連接有第二緩沖罐，所述第二緩沖罐連接至所述反應(yīng)釜；所述排放裝置包括設(shè)置在所述反應(yīng)釜排出管路上的閥門；上述每個活塞罐、每個緩沖罐均設(shè)有壓力表；所述數(shù)據(jù)采集單元包括數(shù)據(jù)采集儀、設(shè)置在所述反應(yīng)釜上的溫度傳感器和壓力傳感器，與所述排放裝置相連的第二流量傳感器；所述溫度傳感器、壓力傳感器、第一流量傳感器和第二流量傳感器均連接至所述數(shù)據(jù)采集儀；所述數(shù)據(jù)采集單元采集所述溫度控制單元和所述壓力控制單元中的溫度、壓力和流量數(shù)據(jù)；所述監(jiān)測單元包括與反應(yīng)釜相連的氣相色譜儀和拉曼光譜儀，所述監(jiān)測單元用于監(jiān)測反應(yīng)釜內(nèi)物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)或者動態(tài)的形態(tài)變化。

與現(xiàn)有實驗系統(tǒng)相比，本發(fā)明的有益效果是：

(1)本發(fā)明實驗系統(tǒng)可實現(xiàn)氣體水合物的快速、高效生成，并在線實時監(jiān)測；

(2)本發(fā)明實驗裝置可完成多種不同類型的實驗，如氣體水合物合成/分解/分離/置換/實驗等，具有較好的綜合性和靈活性；

(3)本發(fā)明實驗系統(tǒng)可實現(xiàn)氣體水合物研究的可視化和微觀化，可直接觀察氣體水合物生長形貌的動態(tài)變化和晶體結(jié)構(gòu)的變化等，便于對氣體水合物機理進行研究。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種多功能氣體水合物實驗系統(tǒng)示意圖。

圖中：

1-反應(yīng)釜2-磁力攪拌器3-恒溫水浴

4、5-氣瓶6-柱塞泵7-過濾器

8-第一水槽9-壓力表10-安全閥

11、12-第一活塞罐13、14-第一緩沖罐19-減壓閥

20-手動活塞泵21-第二水槽22-第二活塞罐

24-真空泵25-第二緩沖罐54-數(shù)據(jù)采集儀

55-溫度傳感器56-壓力傳感器57-第一流量傳感器

58-第二流量傳感器59-氣相色譜儀61-拉曼光譜儀

具體實施方式

下面結(jié)合附圖1和具體實施例對本專利技術(shù)方案作進一步詳細描述，所描述的具體實施例僅對本發(fā)明進行解釋說明，并不用以限制本發(fā)明。

如圖1所示，本發(fā)明提出的一種多功能氣體水合物實驗系統(tǒng)，包括由連接管路相連的反應(yīng)釜單元、溫度控制單元、壓力控制單元、數(shù)據(jù)采集單元和監(jiān)測單元，所述連接管路上設(shè)有閥門。

所述反應(yīng)釜單元包括反應(yīng)釜1和磁力攪拌器2。

所述溫度控制單元包括與反應(yīng)釜1相連的恒溫水浴3，該單元控制反應(yīng)釜內(nèi)的溫度；

所述壓力控制單元包括氣體增壓裝置、液體增壓裝置、抽真空裝置和排放裝置，通過所述壓力控制單元向反應(yīng)釜1內(nèi)通入或排出氣體或溶液，并控制反應(yīng)釜1內(nèi)的壓力。

所述氣體增壓裝置包括柱塞泵6，所述柱塞泵6的進口端通過管路依次連接有過濾器7和第一水槽8，所述柱塞泵6的出口端通過一個三通與兩條并聯(lián)的管路相連，每條并聯(lián)的管路上均依次連接第一活塞罐和第一緩沖罐，兩個第一活塞罐還分別連接有一個氣瓶，兩個第一緩沖罐連接至一減壓閥19，所述減壓閥19通過第一流量傳感器57連接至所述反應(yīng)釜1，所述氣體增壓裝置中設(shè)有多個控制閥門，如圖1中附圖標記27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42所示。

所述液體增壓裝置包括手動活塞泵20，所述手動活塞泵20連接有第二水槽21，所述手動活塞泵20還連接有第二活塞罐22，所述第二活塞罐22與所述反應(yīng)釜1相連。

所述抽真空裝置包括真空泵24，所述真空泵24連接有第二緩沖罐25，所述第二緩沖罐25連接至所述反應(yīng)釜1。

所述排放裝置包括設(shè)置在所述反應(yīng)釜1排出管路上的多個閥門，如圖1中附圖標記49、50、51、52、53和60所示。

上述每個活塞罐、每個緩沖罐均設(shè)有壓力表，如圖1中附圖標記15、16、17、18、23和26所示。

所述數(shù)據(jù)采集單元包括數(shù)據(jù)采集儀54、設(shè)置在所述反應(yīng)釜1上的溫度傳感器55和壓力傳感器56，與所述排放裝置相連的第二流量傳感器58；所述溫度傳感器55、壓力傳感器56、第一流量傳感器57和第二流量傳感器58均連接至所述數(shù)據(jù)采集儀54；所述數(shù)據(jù)采集單元采集所述溫度控制單元和所述壓力控制單元中的溫度、壓力和流量數(shù)據(jù)。

所述監(jiān)測單元包括與反應(yīng)釜1相連的氣相色譜儀59和拉曼光譜儀61，所述監(jiān)測單元用于監(jiān)測反應(yīng)釜內(nèi)物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)或者動態(tài)的形態(tài)變化。

實施例1：

將本發(fā)明多功能水合物實驗系統(tǒng)用于進行氣體水合物分離實驗，以co2捕集過程為例，結(jié)合圖1，實驗過程如下：氣瓶5內(nèi)充有co2/n2混合氣。

步驟1：開啟真空泵24與閥門41和48，對反應(yīng)釜1進行抽真空；

步驟2：步驟1完成后，開啟閥門43、44和46，旋轉(zhuǎn)手動活塞泵20將第二水槽21中的水注入第二活塞罐22的下部，使第二活塞罐22上部的蒸餾水注入反應(yīng)釜1；

步驟3：步驟2完成后，開啟恒溫水浴3設(shè)定所需溫度，流經(jīng)反應(yīng)釜1的壁面夾套完成加熱/冷卻流體的循環(huán)；

步驟4：步驟3完成后，開啟閥門30和34，使氣瓶5中的co2/n2混合氣通入與該氣瓶串聯(lián)的第一活塞罐12和第一緩沖罐14，隨后關(guān)閉閥門30，并開啟柱塞泵6和閥門28，水經(jīng)柱塞泵6注入第一活塞罐12下部，活塞上移，使第一活塞罐12和第一緩沖罐14內(nèi)的氣體壓力升高；

步驟5：步驟4完成后，開啟閥門36、39、40和41，調(diào)節(jié)減壓閥19，使高壓氣體快速注入反應(yīng)釜1，達到所需壓力，并打開磁力攪拌器2，該設(shè)定溫度和壓力可使co2水合物生成，n2水合物不能生成，實現(xiàn)co2和n2的分離。

步驟6：步驟5完成后，開啟閥門49、50和51，將n2排放出反應(yīng)釜1；

步驟7：以上過程中，分別有溫度傳感器55、壓力傳感器56采集反應(yīng)釜1內(nèi)的溫度和壓力參數(shù)，由第一流量傳感器57、第二流量傳感器58采集通入和排出的氣體量，此外，氣相色譜儀59在線實時監(jiān)測反應(yīng)釜1內(nèi)混合氣體的組成和濃度，拉曼光譜儀61在線實時監(jiān)測反應(yīng)釜1內(nèi)混合氣分離過程中氣體水合物的動態(tài)結(jié)構(gòu)和形貌變化。

實施例2：

將本發(fā)明多功能水合物實驗系統(tǒng)用于進行氣體水合物置換實驗，以co2置換開采天然氣水合物為例，結(jié)合圖1，實驗過程如下：氣瓶5內(nèi)充有ch4，氣瓶4內(nèi)充有co2；

步驟1至3與實施例1相同：

步驟4：步驟3完成后，開啟閥門30和34，使氣瓶5中的ch4通入與該氣瓶串聯(lián)的第一活塞罐12和第一緩沖罐14，隨后關(guān)閉閥門30，并開啟柱塞泵6和閥門28，水經(jīng)柱塞泵6注入第一活塞罐12下部，活塞上移，使第一活塞罐12和第一緩沖罐14內(nèi)的氣體壓力升高；

步驟5：步驟4完成后，開啟閥門36、39、40和41，調(diào)節(jié)減壓閥19，使ch4氣體快速注入反應(yīng)釜，達到所需壓力，并打開磁力攪拌器2，該設(shè)定溫度和壓力可使ch4水合物生成。

步驟6：步驟5完成后，開啟閥門29和33，使氣瓶4中的co2通入與該氣瓶串聯(lián)的第一活塞罐11和第一緩沖罐13，隨后關(guān)閉閥門29，并開啟柱塞泵6和閥門27，水經(jīng)柱塞泵6注入該第一活塞罐11下部，活塞上移，使該第一活塞罐11和第二緩沖罐13內(nèi)的氣體壓力升高；

步驟7：步驟6完成后，開啟閥門36、39、40和41，調(diào)節(jié)減壓閥19，使co2氣體快速注入反應(yīng)釜1，同時，調(diào)整水浴設(shè)定溫度，使達到co2水合物可形成而ch4水合物不可形成的溫度和壓力區(qū)域，進行置換反應(yīng)；

步驟8：步驟7完成后，開啟閥門49、50和51，將置換出來的ch4排放出反應(yīng)釜1；

步驟9：以上過程中，分別有溫度傳感器55、壓力傳感器56采集反應(yīng)釜1內(nèi)的溫度和壓力參數(shù)，由第一流量傳感器57和第二流量傳感器58采集通入和排出的氣體量，此外，氣相色譜儀59在線實時監(jiān)測反應(yīng)釜1內(nèi)混合氣體的組成和濃度，拉曼光譜儀61在線實時監(jiān)測反應(yīng)釜1內(nèi)混合氣分離過程中氣體水合物的動態(tài)結(jié)構(gòu)和形貌變化。

盡管上面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨的情況做出的變形，均屬于本發(fā)明的保護之內(nèi)。