CN106800925A - 二氧化碳基纳米聚能混相泡沫乳化液及其制备装置和方法 - Google Patents

二氧化碳基纳米聚能混相泡沫乳化液及其制备装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种二氧化碳基纳米聚能混相泡沫乳化液及其制备装置和方法，涉及新动力能源技术。二氧化碳基纳米聚能混相泡沫乳化液其组分按质量比：纳米聚能流体：1；高压二氧化碳：3‑4；所述的纳米聚能流体由纳米镁粒子、纳米铝粒子、纳米过氧化钠粒子等纳米级聚能粒子以及分散剂、表面活性剂、二氧化碳增稠剂按照质量比3：2：1：0.01：0.01：0.05调制而成；所述的高压二氧化碳是液态或超临界态二氧化碳基液。本装置结构简单，生产容易，价格经济；使用的是工业废料，有利于节能减排；利用二氧化碳基纳米聚能混相泡沫的爆燃产生的冲击波和二氧化碳相变膨胀压力，形成动静组合荷载。

Description

二氧化碳基纳米聚能混相泡沫乳化液及其制备装置和方法
技术领域
本发明涉及新动力能源技术，尤其涉及一种二氧化碳基纳米聚能混相泡沫乳化液及其制备装置和方法；混相泡沫乳化液作为源动力基液，可应用于矿山、隧道、地下岩体工程开挖、爆破岩、人工可控震源等领域，作为压裂液或传热媒介也可应用于地层资源开发有关压裂增渗、驱替、高温裂解和传质转热等领域。
背景技术
纳米流体是1995年美国Argonne国家实验室的choi等首次提出的概念，即以一定的方式和比例在液体中添加纳米颗粒，形成均匀、稳定的悬浮液。因纳米流体的优异特性使其在能源、化工和微电子等许多领域具有潜在的应用前景，成为新型材料、传热介质和储能工质等多个领域的研究热点。
水基泡沫液以水作分散介质，气体作分散相，表面活性剂作起泡配成的压裂液。水可用淡水、盐水和稠化水；气可用二氧化碳、氮气和天然气；起泡剂可用烷基磺酸盐、烷基苯磺酸盐、烷基硫酸盐和JP型非离子表面活性剂。泡沫压裂液的特点是低私度（但悬粘能力强）、低摩阻、低滤失量和低含水量，压裂后易于返排，对地层污资少。
发明内容
为解决当前水力压裂液动能不足，而常规炸药高能气体爆破压裂污染环境、危险度高等问题，本发明的目的就在于克服现有技术存在缺点和不足，提供一种二氧化碳基纳米聚能混相泡沫乳化液及其制备装置和方法。
二氧化碳基纳米聚能混相泡沫乳化液在外界点火作用下会产生爆燃，形成高温高压环境，能够应用在矿石、隧道、地下岩体工程爆破和人工可控震源等领域，提供了一种新的动力能源，也可为深部地层压裂、驱替、高温裂解和传热传质工艺提供良好工介。
本发明的目的是这样实现的：
和水基泡沫液不同的是，本发明以二氧化碳为基液，采用先进的纳米科技制备纳米聚能流体，将二氧化碳基液和纳米聚能流体采用静态混合器技术制备分散性能和稳定性良好的二氧化碳基纳米聚能混相泡沫乳化液。制备的二氧化碳基纳米聚能混相泡沫乳化液是一种高能流体，在外界点火等刺激下会产生爆燃，形成高温高压环境，能够应用在矿石、隧道、地下岩体工程爆破、人工可控震源和地层压裂等领域，作为动力能源。
具体地说：
一、二氧化碳基纳米聚能混相泡沫乳化液（简称混相泡沫乳化液）
组分按质量比：
纳米聚能流体：1；
高压二氧化碳：3-4；
注入静态混合器制备而成；
所述的纳米聚能流体由纳米镁粒子、纳米铝粒子、纳米过氧化钠粒子等纳米级聚能粒子以及分散剂、表面活性剂、二氧化碳增稠剂按照质量比3：2：1：0.01：0.01：0.05调制而成；
所述的高压二氧化碳是液态或超临界态二氧化碳基液。
二、混相泡沫乳化液制备装置（简称装置）
本装置包括纳米聚能流体、高压二氧化碳、A增压计量泵、B增压计量泵、第1阀门、第2阀门、第3阀门、活塞、高压二氧化碳存储器、纳米聚能流体存储器、第4阀门、第1电磁阀、第2电磁阀、第3电磁阀、静态混合器、单向阀和高压混相泡沫乳化液存储器；
其位置和连接关系是：
纳米聚能流体、A增压计量泵、第1阀门、第4阀门和纳米聚能流体存储器依次连通；
高压二氧化碳、B增压计量泵、第2阀门、第3阀门和高压二氧化碳存储器依次连通；
在高压二氧化碳存储器内设置有纳米聚能流体存储器，在纳米聚能流体存储器的内部设置有活塞；纳米聚能流体存储器的出口与第2电磁阀连通；在纳米聚能流体存储器的边缘处设置有2个高压二氧化碳存储器的出口，并分别与第1电磁阀和第3电磁阀连通；第1电磁阀、第2电磁阀和第3电磁阀的另一端都与静态混合器通；静态混合器、单向阀和高压混相泡沫乳化液存储器依次连通。
三、混相泡沫乳化液的制备方法（简称方法）
本方法包括下列步骤：
①纳米聚能流体的制备
选取纳米镁粒子、纳米铝粒子、纳米过氧化钠粒子等高能纳米级聚能粒子中的一种或几种装入容器，再按照比例添加分散剂、表面活性剂、二氧化碳增稠剂，经过超声波震荡或机械搅拌形成纳米聚能流体；
②原料装罐
将已制备好的纳米聚能流体和高压二氧化碳分别注入相应的罐体；
③加压注入储存器
将纳米聚能流体和高压二氧化碳经增压计量泵增压分别注入纳米聚能流体存储器和高压二氧化碳存储器；
④原料混合
开启第1、2、3电磁阀使得高压状态的二氧化碳和纳米聚能流体流入静态混合器15，从而产生二氧化碳基纳米聚能混相泡沫乳化液，再经单向阀门16进入聚能混相泡沫乳化液存储器。
本发明具有下列优点和积极效果：
①装置结构简单，生产容易，价格经济；
②使用的是工业废料，例如二氧化碳等原材料，有利于节能减排；
③利用二氧化碳基纳米聚能混相泡沫的爆燃产生的冲击波和二氧化碳相变膨胀压力，形成动静组合荷载。
附图说明：
图1是本制备装置的结构示意图；
图中：
1—纳米聚能流体；
2—高压二氧化碳；
3—A增压计量泵；
4—B增压计量泵；
5—第1阀门；
6—第2阀门；
7—第3阀门；
8—活塞；
9—高压二氧化碳存储器；
10—纳米聚能流体存储器；
11—第4阀门；
12—第1电磁阀；
13—第2电磁阀；
14—第3电磁阀；
15—静态混合器；
16—单向阀；
17—高压混相泡沫乳化液存储器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明：
一、装置
1、总体
本装置包括纳米聚能流体1、高压二氧化碳2、A增压计量泵3、B增压计量泵4、第1阀门5、第2阀门6、第3阀门7、活塞8、高压二氧化碳存储器9、纳米聚能流体存储器10、第4阀门11、第1电磁阀12、第2电磁阀13、第3电磁阀14、静态混合器15、单向阀16和高压混相泡沫乳化液存储器17；
其位置和连接关系是：
纳米聚能流体1、A增压计量泵3、第1阀门5、第4阀门11和纳米聚能流体存储器10依次连通；
高压二氧化碳2、B增压计量泵4、第2阀门6、第3阀门7和高压二氧化碳存储器9依次连通；
在高压二氧化碳存储器9内设置有纳米聚能流体存储器10，在纳米聚能流体存储器10的内部设置有活塞8；纳米聚能流体存储器10的出口与第2电磁阀13连通；在纳米聚能流体存储器10的边缘处设置有2个高压二氧化碳存储器9的出口，并分别与第1电磁阀12和第3电磁阀14连通；第1电磁阀12、第2电磁阀13和第3电磁阀14的另一端都与静态混合器15连通；静态混合器15、单向阀16和高压混相泡沫乳化液存储器17依次连通。
2、功能部件
1）A、B增压计量泵
A、B增压计量泵均是一种常规使用的控制流体流量和流速的设备；
其功能是控制高压二氧化碳或纳米聚能流体的流速。
2）高压二氧化碳存储器9
高压二氧化碳存储器9是不锈钢材质定制的存储容器；
其功能是存储高压二氧化碳（20MPa以上）。
3）纳米聚能流体存储器10
纳米聚能流体存储器10是不锈钢材质定制的存储容器；
其功能是存储纳米聚能流体。
4）第1、2、3电磁阀12、13、14
第1、2、3电磁阀12、13、14均是根据需求和响应时间、流量等定制的电磁阀门；
其功能是通过电信号控制高压二氧化碳或纳米聚能流体的流量及流速。
5）静态混合器15
静态混合器15是一种没有运动部件的高效混合设备，其基本工作机理是利用固定在管内的混合单元体改变流体在管内的流动状态，以达到不同流体之间良好分散和充分混合的目的；
其功能是将高压二氧化碳和纳米聚能流体充分混合，形成混相泡沫乳化液。
6）单向阀16
单向阀是一种常规的不锈钢材质的单向流动控制器件；
其功能是混相泡沫只能单向流动，防治混相泡沫反串。
3、工作原理
本发明的二氧化碳基纳米聚能混相泡沫乳化液由纳米聚能流体1和高压二氧化碳2经过静态混合器15制备而成；并采用电磁阀调节纳米聚能流体1和高压二氧化碳2的流量，从而产生不同级配和功能的二氧化碳基纳米聚能混相泡沫乳化液。
本发明提供了一种高能流体，在外界点火等刺激下会产生爆燃，形成高温高压环境，能够应用在矿石、隧道、地下岩体工程爆破、人工可控震源等领域，提供了一种新的动力能源，也可为深部地层压裂、驱替、高温裂解、传热传质工艺提供良好工介。采用本质安全型设计，具备现场调配现场充注使用的特点，从而保证了存储、运输方便、安全、高效，产品本身绿色环保。

Claims (3)

1.一种二氧化碳基纳米聚能混相泡沫乳化液，其特征在于：
组分按质量比：
纳米聚能流体：1；高压二氧化碳：3-4；
所述的纳米聚能流体由纳米镁粒子、纳米铝粒子、纳米过氧化钠粒子以及分散剂、表面活性剂、二氧化碳增稠剂按照质量比3：2：1：0.01：0.01：0.05调制而成；
所述的高压二氧化碳是液态或超临界态二氧化碳基液。
2.制备权利要求1所述二氧化碳基纳米聚能混相泡沫乳化液的装置，其特征在于：
包括纳米聚能流体（1）、高压二氧化碳（2）、A增压计量泵（3）、B增压计量泵（4）、第1阀门（5）、第2阀门（6）、第3阀门（7）、活塞（8）、高压二氧化碳存储器（9）、纳米聚能流体存储器（10）、第4阀门（11）、第1电磁阀（12）、第2电磁阀（13）、第3电磁阀（14）、静态混合器（15）、单向阀（16）和高压混相泡沫乳化液存储器（17）；
其位置和连接关系是：
纳米聚能流体（1）、A增压计量泵（3）、第1阀门（5）、第4阀门（11）和纳米聚能流体存储器（10）依次连通；
高压二氧化碳（2）、B增压计量泵（4）、第2阀门（6）、第3阀门（7）和高压二氧化碳存储器（9）依次连通；
在高压二氧化碳存储器（9）内设置有纳米聚能流体存储器（10），在纳米聚能流体存储器（10）的内部设置有活塞（8）；纳米聚能流体存储器（10）的出口与第2电磁阀（13）连通；在纳米聚能流体存储器（10）的边缘处设置有2个高压二氧化碳存储器（9）的出口，并分别与第1电磁阀（12）和第3电磁阀（14）连通；第1电磁阀（12）、第2电磁阀（13）和第3电磁阀（14）的另一端都与静态混合器（15）连通；静态混合器（15）、单向阀（16）和高压混相泡沫乳化液存储器（17）依次连通。
3.制备权利要求1、2所述二氧化碳基纳米聚能混相泡沫乳化液的方法，其特征在于：
①纳米聚能流体的制备
选取纳米镁粒子、纳米铝粒子、纳米过氧化钠粒子等高能纳米级聚能粒子中的一种或几种装入容器，再按照比例添加分散剂、表面活性剂、二氧化碳增稠剂，经过超声波震荡或机械搅拌形成纳米聚能流体；
②原料装罐
将已制备好的纳米聚能流体和高压二氧化碳分别注入相应的罐体；
③加压注入储存器
将纳米聚能流体和高压二氧化碳经增压计量泵增压分别注入纳米聚能流体存储器和高压二氧化碳存储器；
④原料混合
开启第1、2、3电磁阀（12、13、14）使得高压状态的二氧化碳和纳米聚能流体流入静态混合器（15），从而产生二氧化碳基纳米聚能混相泡沫乳化液，再经单向阀门（16）进入聚能混相泡沫乳化液存储器（17）。
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