CN108318100B - 测量液氮冷冻水合物样品分解释放气体体积的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量液氮冷冻水合物样品分解释放气体体积的系统及方法，至少包括一密封装置，所述密封装置包括用于存放天然气水合物样品的样品舱和用于存放吸收、溶解密封装置内二氧化碳气体的溶液的液体舱，所述样品舱与所述液体舱之间设置有气液通道；所述样品舱还设置有进气通道、排气通道、用于检测样品舱内甲烷含量的甲烷检测仪以及用于检测样品舱内压力和温度的测压装置及测温装置；所述进气通道外接二氧化碳气体。本发明结构简单、操作简便，检测结果稳定可靠。

Description

测量液氮冷冻水合物样品分解释放气体体积的系统及方法

技术领域

本发明涉及一种气体体积测量系统及测量方法，尤其涉及一种对液氮冷冻保存的天然气水合物样品分解释放气体的体积进行测量的测量系统及测量方法。

背景技术

天然气水合物又称“可燃冰”，广泛分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中，天然气与水在高压低温条件下可形成类冰状的结晶物质，因其外观像冰一样而且遇火即可燃烧，所以又被称作“可燃冰”。其资源密度高，全球分布广泛，具有极高的资源价值，因而成为油气工业界长期研究的热点。

随着我国经济实力和科学技术的不断发展，正在大力发展海洋天然气水合物调查。2017年5月，首次中国海域天然气水合物试采成功，2017年11月3日，国务院正式批准将天然气水合物列为新矿种，成为我国第173个矿种。

由于天然气水合物在常温常压下极易分解成水和天然气，所以实验室保存的天然气水合物样品，需要放于液氮中冷冻保存(在常压下，液氮温度为-196℃)。单位质量的天然气水合物样品分解时释放的气体体积，是衡量天然气水合物纯度的重要指标，对于海底资源量的评估具有重要意义。

按照理论计算，1立方米可燃冰可转化为164立方米的天然气和0.8立方米的水。但是由于在液氮中冷冻保存的天然气水合物取出时，会附带一定量的液氮，液氮挥发释放出大量的氮气，这些氮气会混入天然气水合物分解释放的气体中，会导致测量结果出现偏差。

因此，本领域技术人员亟需研究一种可以将液氮中的氮气与天然气水合物分解释放的气体分离，并对天然气水合物分解释放的气体体积进行测量的测量系统。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提出了一种可以对液氮冷冻保存的天然气水合物样品分解释放气体的体积进行测量，且结构简单、操作方便、性能可靠的测量系统。

本发明的另一目的，是提出一种测量液氮冷冻保存的天然气水合物样品分解释放气体的体积的方法。

一种测量液氮冷冻水合物样品分解释放气体体积的系统，至少包括一密封装置，所述密封装置包括用于存放天然气水合物样品的样品舱和用于存放吸收、溶解密封装置内二氧化碳气体的溶液的液体舱，所述样品舱与所述液体舱之间设置有气液通道；所述样品舱还设置有进气通道、排气通道、用于检测样品舱内甲烷含量的甲烷检测仪以及用于检测样品舱内压力和温度的测压装置及测温装置；所述进气通道外接二氧化碳气体。

在一些具体实施方式中，所述用于吸收密封装置内二氧化碳的液体为氢氧化钠溶液。

在一些具体实施方式中，所述氢氧化钠溶液的浓度为40％。

在一些具体实施方式中，所述样品舱顶部设置有密封盖，所述甲烷测量仪、所述测温装置和所述测压装置分别设置于所述密封盖上。

在一些具体实施方式中，所述气液通道内设置有用于控制气液通道打开与关闭的第一阀门。

在一些具体实施方式中，所述进气通道位于所述样品舱的底部，所述进气通道内设置有用于控制所述进气通道的打开与关闭的第二球阀；所述排气通道位于所述密封盖上，所述排气通道内设置有用于控制所述排气通道的打开与关闭的第三球阀。

本发明还提出了一种前述所述测量液氮冷冻水合物样品分解释放气体体积的系统的方法，包括以下步骤：1)将用于存放吸收、溶解密封装置内二氧化碳气体的液体充满液体舱，关闭所述气液通道；2)打开所述密封盖，将天然气水合物样品置于样品舱底部，盖上所述密封盖然后打开所述排气通道，并通过所述进气通道通入二氧化碳气体；3)当甲烷检测仪检测到甲烷气体时，关闭进气通道和出气通道，让样品舱处于封闭状态并打开气液通道，使样品舱和液体舱通过气液通道连接，待密封装置内反应完成后，根据样品舱内的气体的温度和压力计算样品分解所释放的气体在常温常压下的体积。

在一些具体实施方式中，所述用于存放吸收、溶解密封装置内二氧化碳气体的液体为浓度为40％的氢氧化钠。

本发明的有益效果：

本发明的上述结构设计，充分考虑到液氮的挥发温度为-196摄氏度，而常压下水合物分解温度为-45℃的特性，由于两者之间存在巨大的温差，从而可以借助通过进气通道通入的二氧化碳，使得样品带出的液氮挥发产生的氮气与天然气水合物分解释放的气体完全分离，并在完全排出氮气后与液体舱内的氢氧化钠充分反应不残留。此外，通过设置于密封盖的检测装置可以很方便地对样品舱内的气体的温度、压力以及甲烷含量进行准确测量，从而通过相对简单的结构设计，实现了对冷冻水合物样品分解释放气体体积的准确测量。

上述的结构设计，将进气通道设置于样品舱的底部，充分利用了二氧化碳的密度大于氮气的物理特性，可以保证样品舱内的氮气完全排出，保证了测量结果的准确性。

此外，由于装置内设置有密封的气体舱和液体舱，并且在气体舱舱和液体舱之间设置有气液通道，从而可以保证舱内的物质的充分反应，保证了实验结果的可靠性。

本发明的测量方法，由于二氧化碳气体的通入，可以保证液氮中带出的氮气与天然气水合物分解释放的气体完全分离，并在带出氮气后与液体舱内的氢氧化钠溶液充分反应无残留，进一步保证了测量结果的精确性。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1为本发明一实施例的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例公开了一种测量液氮冷冻水合物样品分解释放气体体积的系统，该系统包括一密封装置，该密封装置包括用于存放天然气水合物样品的样品舱1和用于存放吸收密封装置内二氧化碳气体的溶液的液体舱2。

如图1所示，样品舱1与液体舱2之间设置有气液通道4，气液通道4的设置，使得样品舱1与液体舱2之间形成一个通道，在气液通道4处于打开状态时，两者之间的气体和液体可以相互流通，气液通道4内设置有用于控制气液通道4打开与关闭的第一阀门5。本实施例中，第一阀门5优选密封性能较好的球阀。在其他实施例中，也可以根据选用其他类型的阀门。

如图1所示，样品舱1还设置有进气通道6和排气通道7，其中，进气通道6位于样品舱1的底部，进气通道6内设置有用于控制进气通道的打开与关闭的第二球阀61；排气通道7设置于密封盖8上，排气通道7内设置有用于控制排气通道的打开与关闭的第三球阀71。

进气通道6外接二氧化碳气体，液体舱2内存放有用于吸收、溶解密封装置内二氧化碳的氢氧化钠溶液。从进气通道6通入的二氧化碳气体温度相对较高，可以促使样品舱内的天然气水合物样品快速升温，有利于其分解。氢氧化钠溶液的浓度越大，越利于二氧化碳的吸收，但随着氢氧化钠溶液浓度的增加，其对装置的腐蚀也增强，通过大量的不断试验和综合考虑，40％的氢氧化钠溶液为最佳浓度。

上述的结构设计中，将进气通道6设置于样品舱1的底部，充分利用了二氧化碳的密度大于氮气的物理特性，可以保证样品舱内的氮气完全排出，保证了测量结果的准确性。

在其他实施例中，氢氧化钠溶液也可以根据具体的情况选用30％-45％之间的浓度。

如图1所示，样品舱1还设置有用于检测样品舱1内甲烷含量的甲烷检测仪9以及用于检测样品舱内压力和温度的测压装置10、测温装置11。为了便于装置的安装，便于操作，在样品舱1的顶部设置有密封盖8，甲烷测量仪9、测温装置10和测压装置11分别设置于密封盖8上。

本发明的上述结构设计，充分考虑到液氮的挥发温度为-196℃，而常压下水合物分解温度为-45℃的特性，由于两者之间存在巨大的温差，从而可以借助通过进气通道通入的二氧化碳，使得样品带出的液氮挥发产生的氮气与天然气水合物分解释放的气体完全分离，并在完全排出氮气后与液体舱内的氢氧化钠充分反应不残留。此外，通过设置于密封盖的检测装置可以很方便地对样品舱内的气体的温度、压力以及甲烷含量进行准确测量，从而通过相对简单的结构设计，实现了对冷冻水合物样品分解释放气体体积的准确测量。

本发明还公开了一种测量液氮冷冻水合物样品分解释放气体体积的系统的方法，包括以下步骤：

1)在液体舱2内倒入浓度为40％的氢氧化钠溶液，待液体舱2充满后，关闭气液通道4。该步骤中，氢氧化钠溶液的量可以根据需要选择，为了排除液体舱内多余的气体，保证测量结果的准确性，优选将溶液充满液体舱；

2)打开密封盖8，将天然气水合物样品置于样品舱底部3，盖上密封盖8并打开排气通道7，并通过进气通道6通入二氧化碳气体。在此过程中，由于液氮的沸点(-196℃)远远低于常压下天然气水合物分解的温度(-45℃)，且二氧化碳的密度大于氮气的密度，所以样品中附带的液氮先挥发成氮气，然后被从进气通道6往样品舱1内持续通入的二氧化碳气体带出，通过排气通道7排出。当液氮完全挥发，样品舱1内温度会上升；

3)随着样品舱1内温度的继续上升，天然气水合物样品开始分解，并释放甲烷气体。当甲烷检测仪开始检测到样品舱1内气体中甲烷含量剧增时，即可认为天然气水合物样品开始分解。此时，立即关闭进气通道6和排气通道7，让样品舱1处于封闭状态。打开设置于气液通道4的第一阀门5，使样品舱1和液体舱2通过气液通道4连接，由于2液体舱内的40％氢氧化钠溶液对二氧化碳气体具有强烈的吸收作用，所以即可认为1样品舱内的气体全部来自天然气水合物样品分解时释放产生的。待舱内反应完成后根据样品舱内的气体的温度和压力，即可计算计算出样品舱1内从天然气水合物样品中分解的气体在常温常压状态下的体积。

本发明的测量方法，由于二氧化碳气体的通入，可以保证液氮中带出的氮气与天然气水合物分解释放的气体完全分离，并在带出氮气后与液体舱内的氢氧化钠溶液充分反应无残留，进一步保证了测量结果的精确性。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种测量液氮冷冻水合物样品分解释放气体体积的系统，其特征在于，至少包括一密封装置，所述密封装置包括用于存放天然气水合物样品的样品舱和用于存放吸收、溶解密封装置内二氧化碳气体的溶液的液体舱，所述样品舱与所述液体舱之间设置有气液通道；所述样品舱还设置有进气通道、排气通道、用于检测样品舱内甲烷含量的甲烷检测仪以及用于检测样品舱内压力和温度的测压装置及测温装置；所述进气通道外接二氧化碳气体；所述样品舱顶部设置有密封盖，所述甲烷测量仪、所述测温装置和所述测压装置分别设置于所述密封盖上；用于吸收密封装置内二氧化碳的液体为氢氧化钠溶液，所述氢氧化钠溶液的浓度为40％。

2.如权利要求1所述的测量液氮冷冻水合物样品分解释放气体体积的系统，其特征在于，所述气液通道内设置有用于控制气液通道打开与关闭的第一阀门。

3.如权利要求2所述的测量液氮冷冻水合物样品分解释放气体体积的系统，其特征在于，所述进气通道位于所述样品舱的底部，所述进气通道内设置有用于控制所述进气通道的打开与关闭的第二球阀；所述排气通道位于所述密封盖上，所述排气通道内设置有用于控制所述排气通道的打开与关闭的第三球阀。

4.一种利用如权利要求1至3任一所述测量液氮冷冻水合物样品分解释放气体体积的系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将用于存放吸收、溶解密封装置内二氧化碳气体的液体充满液体舱，关闭所述气液通道；2)打开所述密封盖，将天然气水合物样品置于样品舱底部，盖上所述密封盖然后打开所述排气通道，并通过所述进气通道通入二氧化碳气体；3)当甲烷检测仪检测到甲烷气体时，关闭进气通道和出气通道，让样品舱处于封闭状态并打开气液通道，使样品舱和液体舱通过气液通道连接，待密封装置内反应完成后，根据样品舱内的气体的温度和压力计算样品分解所释放的气体在常温常压下的体积。