CN101718710A - 用于氢气水合物特性研究的可视化实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的用于氢气水合物特性研究的可视化实验装置，包括：储存有氢气且具有抽真空设备的供气系统；储存有水源且能计量水量的供水系统；分别通过管道与供气系统和供水系统相连接且具有腔体的高压可视化反应釜；具有电机和设在腔体内的搅拌叶片的搅拌设备；具有夹套的温度控制系统；装设在供气系统与高压可视化反应釜相连接的管道上且用于调节氢气压力的压力控制系统；以及包括电子内窥镜、温度传感器、压力传感器、气体流量计、数据采集仪和计算机的数据采集系统，此装置结构简单、成本低，而且，采用本发明的装置可进行氢气水合物的相平衡特性研究，以及氢气水合物生成、分解过程的动力学特性研究。
Description
技术领域
本发明涉及一种可视化实验装置，尤其涉及一种用于氢气水合物特性研究的可视化实验装置。
背景技术
能源是人类社会存在的基石。随着社会发展、人口增长，人类对能源的需求将越来越大。以煤、石油、天然气等为代表的化石能源是当前的主要能源。但化石能源属不可再生资源，在地球上的储量是有限的，而且化石能源的大量使用，造成了越来越严重的环境污染问题。因此，可持续发展的压力迫使人类去寻找更为清洁的新型能源，比如氢能。氢能具有诸多优点，如：氢燃烧释能后的产物是水，没有任何污染，是清洁能源；氢的来源广泛，既可以由化石燃料转换而来，也可以由太阳能、风能分解水而来，是可再生能源，取之不尽，用之不竭；氢具有很高的燃烧热值，燃烧1kg氢气可产生1.25×106Kj的热量，相当于3kg汽油或4.5kg焦炭完全燃烧所放出的热量。由此可以预见，未来社会将从以碳为基础的化石能源经济形态转变成以氢为基础的清洁能源经济形态，人类最终将进入“氢能”时代。
目前来看，氢能的储存是氢经济发展的主要瓶颈。氢能工业对储氢的要求是储氢系统要安全、容量大、成本低、使用方便。美国能源部将储氢系统的目标定为：质量密度为6.5％，体积密度为62kg H2/m3。目前采用或正在研究的主要储氢材料与技术，包括高压气态储氢、低温液态储氢、金属氢化物储氢、碳基材料储氢、有机液体氢化物储氢等。与以上材料、技术相比，采用水合物的方式储存氢能具有很多的优点：首先，储氢和放氢过程完全互逆，储氢材料为水，放氢后的剩余产物也只有水，对环境没有污染，而且水在自然界中大量存在且价格低廉；其次，形成和分解的温度压力条件相对较低、速度快、能耗少。从粉末冰形成氢水合物只需要几分钟，从块状冰形成氢水合物只需要几小时。因为氢气以分子的形态包含在水分子中，释放氢也比较容易，不会发生化学反应，只需要常温常压就行了。因此，研究采用水合物的方式来储存氢气是很有意义的，美国、欧洲、日本、加拿大和韩国等已经开始了初步的实验研究和理论分析工作。
水合物储氢技术能否得到实际应用的关键是氢气水合物在较低压力、较高温度的条件下能否快速密实生成。目前制备气体水合物主要有三种不同的反应器：搅拌式反应器、鼓泡式反应器和喷雾式反应器。这三种反应器均是采用扰动的方式来增加气-水接触面积，降低气体水合物生成的驱动力(如降低压力、升高温度)，加快成核以减少诱导时间。
由于水合物储氢技术的研究还处于初级阶段，所以水合物快速密实生成的工艺技术以及相应的理论基础还不成熟，有必要搭建相应的实验研究装置，进一步开展不同扰动方式、不同温度、不同压力下的氢气水合物的相平衡特性、动力学特性研究。
在已有技术中，关于储氢用高压可视化水合物的实验研究装置不多。在《一种喷射制备气体水合物的可视化装置》(申请号为200910038985.6)的中国专利申请中，公开了一种采用喷射器来增加气-水接触面积的技术，虽然可以大大提高水合物的生成速率，但系统复杂、成本高、能耗大。此外，该可视化装置采用椭圆形玻璃视窗来观测实验现象，观测效果不佳，且难以记录实验过程中的图像和视频。
因此，迫切需要研发一种监控便利且成本低廉的可视化装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、操作方便、使用安全、监控便利、且造价低的用于氢气水合物特性研究的可视化实验装置。
为了达到上述目的及其他目的，本发明提供的用于氢气水合物特性研究的可视化实验装置，包括：储存有氢气且具有抽真空设备的供气系统；储存有水源且能计量水量的供水系统；分别通过管道与所述供气系统和所述供水系统相连接且具有腔体的高压可视化反应釜，用于将所述供气系统送入所述腔体内的氢气和供水系统送入所述腔体内的水进行反应生成氢气水合物、以及用于将生成的氢气水合物予以分解，其中，各管道上分别设有控制阀，所述抽真空设备用于抽取所述腔体内的空气；具有电机和搅拌叶片的搅拌设备，其中，所述搅拌叶片设在所述腔体内；具有夹套的温度控制系统，用于调节所述高压可视化反应釜的温度，所述夹套裹附所述腔体，且其内装有冷媒；装设在所述供气系统与所述高压可视化反应釜相连接的管道上且用于调节输往所述高压可视化反应釜的氢气的压力的压力控制系统；以及数据采集系统，其包括设在所述腔体内且用于采集氢气水合物生成及分解过程图像的电子内窥镜、设在所述腔体内且用于感测温度的温度传感器、设在所述腔体内且用于感测压力的压力传感器、装设在所述供气系统与所述高压可视化反应釜相连接的管道上且用于计量输往所述高压可视化反应釜的氢气流量的气体流量计、与所述温度传感、压力传感器、及气体流量计相连接且用于采集氢气流量、所述腔体内的温度和压力数据的数据采集仪、与所述数据采集仪和电子内窥镜相连接且用于处理所采集的温度、压力、氢气的流量及图像数据，以便观测氢气水合物生成及分解的实验过程的计算机。
较佳的，所述供气系统可包括：储存氢气的钢瓶、通过第一管道与所述钢瓶相连接的缓冲罐、设在所述第一管道上的减压阀和截止阀、装在所述缓冲罐上的压力表和安全阀；所述抽真空设备通过第二管道与所述缓冲罐相连接，所述缓冲罐通过第三管道与所述高压可视化反应釜连接，其中，所述第二管道上设有截止阀，所述第三管道上设有旁通阀；所述抽真空设备可为真空泵。
较佳的，所述压力控制系统可包括：作为动力源的空压机、被所述空压机驱动的气体增压泵、连接所述气体增压泵和所述第一管道的第四管道、设在所述第四管道上的截止阀。
较佳的，所述供水系统可包括：储液杯、以及通过管道与所述储液杯相连接且用于计量水量的手动计量泵，其中，所述出水口设在所述手动计量泵上。
较佳的，所述腔体底部可设排水通道，在所述排水通道上可设排水阀；所述高压可视化反应釜可设排氢气通道，在所述排氢气通道上可设排气阀。
较佳的，所述温度控制系统可包括：用于制取一定温度冷媒的恒温水浴、连接所述恒温水浴和夹套的管道、及设在所述恒温水浴和夹套相连的管道上的截止阀。
较佳的，所述夹套裹附所述腔体的侧面。
综上所述，本发明的用于氢气水合物特性研究的可视化实验装置可以非常方便地研究氢气水合物在不同的温度、压力条件下，以及采用静态法或是磁力搅拌法等不同扰动方法情况下的相平衡特性和动力学特性。实验过程中，进气、进水非常方便，可以自由调节温度、压力，采集实验数据(气体流量、温度、压力、图像、视频)也很便捷精确。
附图说明
图1为本发明的用于氢气水合物特性研究的可视化实验装置的结构示意图。
具体实施方式
请参阅图1，本发明的用于氢气水合物特性研究的可视化实验装置至少包括：供气系统、供水系统、高压可视化反应釜、搅拌设备、温度控制系统、压力控制系统、及数据采集系统。
所述供气系统用于提供氢气，其包括：储存氢气的钢瓶1、通过第一管道与所述钢瓶1相连接的缓冲罐7、设在所述第一管道上的减压阀2和截止阀30、装在所述缓冲罐7上的压力表5和安全阀6、通过第二管道与所述缓冲罐7相连接的抽真空设备10、以及设在所述第二管道上的截止阀8，所述缓冲罐7通过第三管道与所述高压可视化反应釜连接，且在所述第三管道上设有旁通阀12。在本实施例中，所述抽真空设备为真空泵。
所述供水系统储存有水源且能计量水量，其包括：储液杯24、以及通过管道与所述储液杯24相连接且用于计量水量的手动计量泵25。所述储液杯24中的水流入所述手动计量泵25的腔体内，然后被所述手动计量泵25压入所述高压可视化反应釜。
所述高压可视化反应釜分别通过管道与所述供气系统和所述供水系统相连接，其具有腔体28，用于将所述供气系统送入所述腔体28内的氢气和供水系统送入所述腔体28内的水进行反应生成氢气水合物、以及用于将生成的氢气水合物予以分解。所述腔体28具有外螺纹，与端盖17相连，所述端盖17上安装有和供气系统相连的进气口18，用于进气；所述端盖17上安装有与供水系统相连的进水口19，用于进水。所述腔体28底部设有排水通道，在所述排水通道上设有排水口31和排水阀32，所述高压可视化反应釜的端盖17上设有排氢气通道，在所述排氢气通道上设有排气阀14。所述腔体28选用不锈钢材料，其最高耐压可达60MPa。在所述进气口18与所述缓冲罐7相连的管道上设有控制阀，即截止阀9和13，在所述进水口19和所述手动计量泵25相连的管道上设有控制阀，即截止阀34。
所述搅拌设备可为永磁体搅拌机，其具有电机23和搅拌叶片33，所述电机23安装在所述端盖17上，所述搅拌叶片插入所述腔体28内，所述电机23通过磁感应驱动所述搅拌叶片33，用于搅拌所述高压可视化反应釜内的氢气和水。
所述温度控制系统具有夹套16，用于调节所述高压可视化反应釜的温度，所述夹套16裹附所述腔体28，其内装有冷媒。所述温度控制系统还包括：用于制取一定温度冷媒的恒温水浴15、连接所述恒温水浴15和夹套16的管道、及设在所述恒温水浴和夹套相连的管道上的截止阀35和36。在本实施例中，所述夹套仅裹附所述腔体28的侧面。
所述压力控制系统装设在所述供气系统与所述高压可视化反应釜相连接的管道上，用于调节输往所述高压可视化反应釜的氢气的压力，其包括：作为动力源的空压机4、被所述空压机4驱动的气体增压泵3、连接所述气体增压泵3和所述第一管道的第四管道、设在所述第四管道上的截止阀29。
所述数据采集系统包括：设在所述腔体28内且用于采集氢气水合物生成及分解过程图像的电子内窥镜20、设在所述腔体28内且用于感测温度的温度传感器22、设在所述腔体28内且用于感测压力的压力传感器21、装设在所述供气系统与所述高压可视化反应釜相连接的管道上且用于计量输往所述高压可视化反应釜的氢气流量的气体流量计11、与所述温度传感22、压力传感器21、及气体流量计11相连接且用于采集氢气流量、所述腔体内的温度和压力数据的数据采集仪26、与所述数据采集仪26和电子内窥镜20相连接且用于处理所采集的温度、压力、氢气的流量、及图像数据，以便观测氢气水合物生成及分解的实验过程的计算机27。
生成水合物的过程如下：
(一)进水：储存于储液杯24中的水在手动计量泵25的推动下经过进水口19进入所述腔体28；
(二)抽真空：启动真空泵10，对腔体28、缓冲罐7、各种连接管道进行抽真空，排除其中的空气；
(三)进气：开启氢气钢瓶1，使氢气经过缓冲罐7、气体流量计11、进气口18进入腔体28；
(四)设定压力和温度：开启空压机4和气体增压泵3，对缓冲罐7和腔体28中的氢气进行加压，同时开启恒温水浴15，对腔体28内的反应物进行降温，使腔体28内的压力和温度达到可以生成氢气水合物的条件；
(五)开启搅拌设备：开启搅拌电机23，设定到一定的转数，使腔体28内的氢气和水混合；
(六)采集实验数据：开启电子内窥镜20、数据采集仪26、计算机27，对氢气水合物的生成过程中的温度、压力、图像、视频进行采集和存储，一直采集到氢气水合物的生成过程完成为止，整个生成过程中的温度、压力、图像、视频数据即可反映出该生成过程的动力学特性。
所述用于氢气水合物特性研究的可视化实验装置还可用于测定氢气水合物的相平衡特性，测定时采用观察法，即在氢气水合物生成过程完成的基础上，调高恒温水浴15的冷媒温度使其高于氢气水合物的分解温度，从而使氢气水合物分解，当仅有极少量的氢气水合物晶体存在时，保持温度不变，使腔体28中的氢气水合物能存在3小时，如果温度稍微浮动上升0.1℃左右，腔体28中的氢气水合物完全分解，则腔体28中压力、温度可以看作是该氢气水合物体系的相平衡数据，整个分解过程中的压力、温度、图像、视频数据即可以反映出该分解过程的动力学特性。
由上可见，本发明的用于氢气水合物特性研究的可视化实验装置的高压可视化反应釜采用不锈钢作为加工材料，采用螺纹方式连接端盖与腔体，价格便宜，密封性能好，耐压最高可达60MPa；此外，还采用永磁体搅拌器，其密封性能好，转数调节方便；还采用电子内窥镜观测实验过程，并且可以将实验过程以图像、视频的方式记录下来，密封性能好，观测效果好，图像、视频便于存储、分析；还采用冷却夹套调节腔体内的温度，不需要冷却水槽，可以简化装置，降低成本，高压可视化反应釜的放置也比较灵活；还采用气体增压泵调节高压可视化反应釜内的压力，调节效果好；还采用手动计量泵向高压可视化反应釜注入反应水或溶液，操作方便，注入量可以精确计量；本发明的装置既可以用于研究氢气水合物的相平衡特性，又可以研究氢气水合物的动力学特性。
上述实施例仅列示性说明本发明的原理及功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此项技术的人员均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施例进行修改。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。
Claims (9)
1.一种用于氢气水合物特性研究的可视化实验装置，其特征在于包括：
储存有氢气的供气系统，用于提供氢气，其具有抽真空设备；
储存有水源且能计量水量的供水系统；
分别通过管道与所述供气系统和所述供水系统相连接且具有腔体的高压可视化反应釜，用于将所述供气系统送入所述腔体内的氢气和供水系统送入所述腔体内的水进行反应生成氢气水合物、以及用于将生成的氢气水合物予以分解，其中，各管道上分别设有控制阀，所述抽真空设备用于抽取所述腔体内的空气；
具有电机和搅拌叶片的搅拌设备，其中，所述搅拌叶片设在所述腔体内；具有夹套的温度控制系统，用于调节所述高压可视化反应釜的温度，所述夹套裹附所述腔体，且其内装有冷媒；
在所述供气系统与所述高压可视化反应釜相连接的管道上装设的压力控制系统，用于调节输往所述高压可视化反应釜的氢气的压力；
数据采集系统，其包括设在所述腔体内且用于采集氢气水合物生成及分解过程图像的电子内窥镜、设在所述腔体内且用于感测温度的温度传感器、设在所述腔体内且用于感测压力的压力传感器、装设在所述供气系统与所述高压可视化反应釜相连接的管道上且用于计量输往所述高压可视化反应釜的氢气流量的气体流量计、与所述温度传感、压力传感器及气体流量计相连接且用于采集氢气流量、所述腔体内的温度和压力数据的数据采集仪、与所述数据采集仪和电子内窥镜相连接且用于处理所采集的温度、压力、氢气的流量及图像数据，以便观测氢气水合物生成及分解的实验过程的计算机。
2.如权利要求1所述的用于氢气水合物特性研究的可视化实验装置，其特征在于：所述供气系统包括：储存氢气的钢瓶、通过第一管道与所述钢瓶相连接的缓冲罐、设在所述第一管道上的减压阀和截止阀、装在所述缓冲罐上的压力表和安全阀。
3.如权利要求2所述的用于氢气水合物特性研究的可视化实验装置，其特征在于：所述抽真空设备通过第二管道与所述缓冲罐相连接，所述缓冲罐通过第三管道与所述高压可视化反应釜连接，其中，所述第二管道上设有截止阀，所述第三管道上设有旁通阀。
4.如权利要求2所述的用于氢气水合物特性研究的可视化实验装置，其特征在于：所述压力控制系统包括：作为动力源的空压机、被所述空压机驱动的气体增压泵、连接所述气体增压泵和所述第一管道的第四管道、设在所述第四管道上的截止阀。
5.如权利要求1所述的用于氢气水合物特性研究的可视化实验装置，其特征在于：所述抽真空设备为真空泵。
6.如权利要求1所述的用于氢气水合物特性研究的可视化实验装置，其特征在于：所述供水系统包括：储液杯、以及通过管道与所述储液杯相连接且用于计量水量的手动计量泵，其中，所述出水口设在所述手动计量泵上。
7.如权利要求1所述的用于氢气水合物特性研究的可视化实验装置，其特征在于：所述腔体底部设有排水通道，在所述排水通道上设有排水阀；所述高压可视化反应釜设有排氢气通道，在所述排氢气通道上设有排气阀。
8.如权利要求1所述的用于氢气水合物特性研究的可视化实验装置，其特征在于：所述温度控制系统包括：用于制取一定温度冷媒的恒温水浴、连接所述恒温水浴和夹套的管道、及设在所述恒温水浴和夹套相连的管道上的截止阀。
9.如权利要求1所述的用于氢气水合物特性研究的可视化实验装置，其特征在于：所述夹套裹附所述腔体的侧面。
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