CN107807140B - 一种基于高压节流控温技术的水合物相变过程可视化ct装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于高压节流控温技术的水合物相变过程可视化CT装置，属于水合物基础研究技术领域。高压气体通过气泵与低温探针进入控温池内，高压气体通过低温探针节流膨胀吸热进行温度控制，控温池与反应池通过自力式压力调节阀连接，自力式压力调节阀控制反应池内的压力，进而控制甲烷水合物生成与分解。出口气泵与控温池相连控制控温池内的压力。X射线CT实时扫描甲烷水合物生成分解过程。将高压气体节流低温装置与X射线CT结合，能够通过高压甲烷节流膨胀控制温度，解决了X射线CT扫描过程中反应釜旋转控温较难的问题。结合X射线CT扫描可视化观察在多孔介质表面甲烷水合物生成分解过程的三维结构，为水合物生成分解数值模拟研究提供基础数据。
Description
技术领域
本发明属于水合物基础研究技术领域，涉及到一种基于高压节流控温技术的水合物相变过程可视化CT装置。
背景技术
资源危机是当今世界面临三大难题之一，天然气水合物因其相对比较清洁，能源密度高，储量大而开始备受关注。一立方米的天然气水合物可以释放164立方米的天然气。美国地质调查局报告中指出天然气水合物潜在含碳量约为全球可用常规化石能源的两倍。因此，如何高效开采天然气水合物藏已被多个国家研究。
目前天然气水合物分解动力学的研究已有很大突破，分解动力学模型被广泛研究。其中Kim-Bishnoi模型是比较经典的分解动力学模型，
其中，
为水合物分解的摩尔速率，kd为反应动力学常数，fe为气、水、水合物三相平衡的逸度，fg为当地逸度，As为水合物分解表面积，因为孔隙内微观可视化难以实现，在多孔介质内的水合物分解表面积很难测量，目前还没有合适的分解表面积的模型，本发明专利应用X射线CT进行可视化研究多孔介质内天然气水合物生成分解过程，以得到水合物分解表面积计算公式。因X射线CT扫描过程中，如何控制低温高压为水合物生成提供条件是目前应用X射线CT研究天然气水合物的难点，本专利应用医学中高压气节流低温治疗的方案，将节流降温装置安装可视区上方进行降温。
发明内容
本发明提供了一种基于高压节流控温技术的水合物相变过程可视化CT装置，实现精确控制温度，可视化研究天然气水合物生成分解过程，得到三维结构，为后续理论研究提供数据基础。
本发明的技术方案：
一种基于高压节流控温技术的水合物相变过程可视化CT装置，包括反应池16、温度控制系统、压力控制系统和数据采集系统；
所述的反应池16外部材料为耐高压PVC聚合材料，反应池16内部有蚀刻通道，通道内为不同形状的多孔介质，且蚀刻的通道不在同一平面内，以便于CT扫描三维成像；
所述的温度控制系统包括预冷换热器4和控温池15，预冷换热器4对注入反应池16内的气体进行初步降温，控制初始进气温度；控温池15内设有低温探针14，低温探针14为耐高压不锈钢具有夹层结构的毛细管，其顶端为封闭端，高压气体经过毛细管，遇到封闭端后进入夹层；控温池15为设置在反应池16内的嵌套管，控温池15可取出；
所述的压力控制系统包括第一气泵3、第二气泵9以及自力式压力调节阀13，所述的第一气泵3初始进行恒压注入，再改为恒流注入；第一气泵3设置在预冷换热器4端，第一气泵3内的气体通过预冷换热器4预热后，进入反应池16内；在第一气泵3与反应池16的管路上，设有温度传感器、压力表和温度反馈装置12，当控温池15内的温度高于或低于设定温度时，温度反馈装置直接反馈到第一气泵3，通过调节第一气泵3注入气体的流速来实现精确地控制温度；第二气泵9为恒压模式，通过第二气泵9控制控温池15内的压力，促使入口高流速气体通过低温探针14进入低压系统，使气体节流膨胀吸热；在第二气泵9与反应池16的管路上，设有温度传感器和压力表；
控温池15与反应池16间通过自力式压力调节阀13控制连接，当压力高于设定值时关闭，当压力低于设定值时打开；自力式压力调节阀13控制向反应池16内注入加压气体，营造高压低温的环境，进而控制反应池16内甲烷水合物高压生成和低压分解条件；
所述的数据采集系统包括两个温度传感器、两个压力表和计算机，温度值和压力值被计算机18实时记录数据；X射线CT扫描装置17对反应池16内的反应进行实时拍摄成像，传输到计算机18；
甲烷气源1与第一气泵3通过压力调节阀2相连，第二气泵9与储气罐10相连，用于收集低温膨胀后的气体，储气罐10与第一气泵3通过止回阀11相连接，储气罐10内的气体重新作为气源，重复利用。
所述的毛细管内层外壁面为翅片型，用于节流。
所述的夹层外壁面均匀开有气体流出的小孔，同时用于维持低压，使气体节流膨胀降温。
本发明的效果与益处是将高压气体节流低温装置与X射线CT结合，能够通过高压甲烷节流膨胀精确控制温度，解决了X射线CT扫描过程中反应釜旋转控温较难的问题。结合X射线CT扫描可视化观察在多孔介质表面甲烷水合物生成分解过程的三维结构，可应用分形理论进行分析。
附图说明
图1是一种基于高压节流控温技术的水合物相变过程可视化CT装置结构示意图。
图中：1甲烷气源；2压力调节阀；3第一气泵；4预冷换热器；5第一温度传感器；6第一压力表；7第二温度传感器；8第二压力表；9第二气泵；10储气罐；11止回阀；12温度反馈装置；13自力式压力调节阀；14低温探针；15控温池16反应池；17X射线CT扫描装置；18计算机。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
图1所示为研究天然气水合物生成分解过程分形理论的X射线CT装置结构示意图。
(1)准备过程为：取出控温池15，自力式压力调节阀13打开，向反应池16内注入一定量的水，然后将控温池15放入到反应池16中，连接好实验装置。打开X射线CT扫描装置进行扫描。
(2)注气过程为：打开压力调节阀2，打开第一气泵3，使第一气泵3恒压(高压)注气，初始注气过程，第一温度传感器5、第二温度传感器7、第一压力表6、第二压力表8实时记录数据，并传输给计算机18。注气过程中，因为初始压力小于自力式压力调节阀13高压设定值，因此自力式压力调节阀13会自动打开，当压力高于某一设定值时，自力式压力调节阀13会自动关闭。注气过程结束。
(3)生成过程为：待第二压力表8的示数高于某一设定值时，打开预冷换热器4，将第一气泵3设置为恒流注入，打开第二气泵9，将第二气泵9设置为一个较低的压力值，进行恒压控制。此时，控温池15内低温探针14将起到节流膨胀降温作用。甲烷和水在低温高压环境下，一段时间后，会在反应池16内生成甲烷水合物。且控温池15内有温度反馈装置12，当温度低于或者高于设定温度时，自动调节第一气泵3的注气流速。
(4)分解过程为：待反应池16内甲烷水合物生成结束后，反应池16内压力将会下降到一定值，该值会低于自力式压力调节阀13开启的最低设定值，所以待水合物反应生成结束后，自力式压力调节阀13开启，可以调节第二气泵9控制背压，实现甲烷水合物降压分解。
(5)甲烷气体回收过程为：第二气泵9中的气体进入储气罐10中，然后打开止回阀11，储气罐10内的气体重新进入第一气泵3。
(6)数据处理过程为：将X射线CT扫描装置17扫描出的结果进行三维建模，可以应用分形理论进行分析。
Claims (3)
1.一种基于高压节流控温技术的水合物相变过程可视化CT装置，其特征在于，所述的基于高压节流控温技术的水合物相变过程可视化CT装置包括反应池(16)、温度控制系统、压力控制系统和数据采集系统；
所述的反应池(16)外部材料为耐高压PVC聚合材料，反应池(16)内部有蚀刻通道，通道内为不同形状的多孔介质，且蚀刻的通道不在同一平面内，以便于CT扫描三维成像；
所述的温度控制系统包括预冷换热器(4)和控温池(15)，预冷换热器(4)对注入反应池(16)内的气体进行初步降温，控制初始进气温度；控温池(15)内设有低温探针(14)，低温探针(14)为耐高压不锈钢具有夹层结构的毛细管，其顶端为封闭端，高压气体经过毛细管，遇到封闭端后进入夹层；控温池(15)为设置在反应池(16)内的嵌套管，控温池(15)可取出；
所述的压力控制系统包括第一气泵(3)、第二气泵(9)以及自力式压力调节阀(13)，所述的第一气泵(3)初始进行恒压注入，再改为恒流注入；第一气泵(3)设置在预冷换热器(4)端，第一气泵(3)内的气体通过预冷换热器(4)预热后，进入反应池(16)内；在第一气泵(3)与反应池(16)的管路上，设有温度传感器、压力表和温度反馈装置(12)，当控温池(15)内的温度高于或低于设定温度时，温度反馈装置直接反馈到第一气泵(3)，通过调节第一气泵(3)注入气体的流速来实现精确地控制温度；第二气泵(9)为恒压模式，通过第二气泵(9)控制控温池(15)内的压力，促使入口高流速气体通过低温探针(14)进入低压系统，使气体节流膨胀吸热；在第二气泵(9)与反应池(16)的管路上，设有温度传感器和压力表；
控温池(15)与反应池(16)间通过自力式压力调节阀(13)控制连接，当压力高于设定值时关闭，当压力低于设定值时打开；自力式压力调节阀(13)控制向反应池(16)内注入加压气体，营造高压低温的环境，进而控制反应池(16)内甲烷水合物高压生成和低压分解条件；
所述的数据采集系统包括两个温度传感器、两个压力表和计算机，温度值和压力值被计算机(18)实时记录数据；X射线CT扫描装置(17)对反应池(16)内的反应进行实时拍摄成像，传输到计算机(18)；
甲烷气源(1)与第一气泵(3)通过压力调节阀(2)相连，第二气泵(9)与储气罐(10)相连，用于收集低温膨胀后的气体，储气罐(10)与第一气泵(3)通过止回阀(11)相连接，储气罐(10)内的气体重新作为气源，重复利用。
2.根据权利要求1所述的基于高压节流控温技术的水合物相变过程可视化CT装置，其特征在于，所述的毛细管内层外壁面为翅片型，用于节流。
3.根据权利要求1或2所述的基于高压节流控温技术的水合物相变过程可视化CT装置，其特征在于，所述的夹层外壁面均匀开有气体流出的小孔，同时用于维持低压，使气体节流膨胀降温。
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