CN109401801A - 一种压力波动下天然气水合物合成实验回路系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种压力波动下天然气水合物合成实验回路系统，其包括气相回路、液相回路、反应釜、反应釜制冷机组、数据采集与监测单元及压缩机控制单元；反应釜包括反应釜筒体和活塞；活塞将反应釜筒体分割成上、下反应釜筒体；气相回路连接下部反应釜筒体的反应釜进、出气口；液相回路连接下部反应釜筒体的反应釜进、出液口；反应釜制冷机组连接下部反应釜筒体的反应釜制冷口；数据采集与监测单元包括计算机、压力测量点、温度测量点、单相和多相流体流量计量测量点；实验回路压缩机控制单元包括发电机、曲柄和连杆。本发明能用于研究压力波动下天然气水合物生成热力学、动力学机理及储气密度，为天然气水合物快速合成提供技术支持。
Description
技术领域
本发明涉及主要应用在天然气水合物合成技术领域的实验模拟装置及其工艺设计，具体涉及一种压力波动下天然气水合物合成实验回路系统。
背景技术
目前已发现的天然气水合物有机碳当量约为全球已探明矿物燃料(煤、石油、天然气)的两倍，被认为是21世纪最重要的能源之一。水合物技术在能源气储运(运输成本较液化气输送相比要低18～24％)、混合气分离、温室气体捕获、海水淡化、资源、环保、气候、石油化工、生物制药以及蓄冷等诸多领域有着广泛应用前景，水合物的合成速率受到国内外学者的广泛关注。但在无化学添加剂下其静态合成速率非常缓慢且生成量很低，是影响广泛工业化进程的关键因素。因此，静态条件下水合物合成速率研究意义重大。天然气水合物合成过程是一个复杂的多元、多相传热传质过程，且具有一定的随机性。无化学添加剂下促进其静态合成过程主要为温度波动，针对压力波动对其合成过程影响研究较少。针对上述问题，拟提供一种压力波动下天然气水合物合成实验回路装置，用于研究压力波动下天然气水合物生成热力学、动力学机理及储气密度，为天然气水合物快速合成提供技术支持。
发明内容
针对上述背景技术中的问题，本发明提出了一种压力波动下天然气水合物合成实验回路系统结构设计合理，能有效用于研究压力波动下天然气水合物生成热力学、动力学机理及储气密度，为天然气水合物快速合成提供技术支持。
本发明的技术方案如下：
上述的压力波动下天然气水合物合成实验回路系统，包括气相回路、液相回路、反应釜、反应釜制冷机组、数据采集与监测单元及压缩机控制单元；
所述反应釜包括反应釜筒体和匹配安装于所述反应釜筒体内部的活塞；所述活塞将所述反应釜筒体分割成上部反应釜筒体和下部反应釜筒体；所述下部反应釜筒体的底部设有反应釜进气口和反应釜进液口，所述下部反应釜筒体的下端一侧设有反应釜出液口，所述下部反应釜筒体的上端分别设有反应釜制冷口和反应釜出气口；
所述气相回路匹配连接于所述下部反应釜筒体的反应釜进气口和反应釜出气口；所述液相回路匹配连接于所述下部反应釜筒体的反应釜进液口和反应釜出液口；所述反应釜制冷机组匹配连接于所述下部反应釜筒体的反应釜制冷口；
所述数据采集与监测单元包括计算机及与所述计算机连接的压力测量点、温度测量点、单相和多相流体流量计量测量点；
所述实验回路压缩机控制单元设置于所述反应釜的上部反应釜筒体内，其包括发电机、曲柄和连杆；所述发电机的动力输出端连接所述曲柄并通过所述曲柄匹配连接所述连杆一端，所述连杆另一端匹配连接所述反应釜的活塞；所述发电机通过所述曲柄和连杆带动所述活塞位移，通过改变所述活塞的进给深度来改变所述下部反应釜筒体内的压强。
所述压力波动下天然气水合物合成实验回路系统，其中：所述气相回路包括气瓶、空气压缩机和气体循环增压泵；所述气瓶的瓶口通过管路连接所述空气压缩机的输入端，所述空气压缩机的输出端通过管路连接所述气体循环增压泵的输入端，所述气体循环增压泵的输出端通过管路连接至所述反应釜的反应釜进气口。
所述压力波动下天然气水合物合成实验回路系统，其中：所述气相回路还包括真空泵、压力传感器P-01、压力传感器P-02、压力传感器P-03、压力传感器P-06、压力传感器P-07、截止阀V-01、截止阀V-02、截止阀V-04、截止阀V-05、截止阀V-13、调节阀CV-01～CV-03、温度传感器T-01、温度传感器T-02、温度传感器T-06、气体流量计F-01～F-02、排气阀V-03和排气阀V-10；
所述气瓶的瓶口至所述空气压缩机的输入端之间的管路上依次连接有所述截止阀V-01、调节阀CV-01、压力传感器P-01和温度传感器T-01；
所述气体循环增压泵的输出端至所述反应釜的反应釜进气口之间的管路上依次连接有所述压力传感器P-02、温度传感器T-02、截止阀V-02、调节阀CV-02、气体流量计F-01和截止阀V-13；所述压力传感器P-07连接于所述气瓶的瓶口与所述截止阀V-01之间的管路上；所述排气阀V-10连接于所述气体流量计F-01与所述截止阀V-13之间的管路上；
所述反应釜的反应釜出气口通过管路连接至所述调节阀CV-01与压力传感器P-01之间，所述反应釜3的反应釜出气口至所述调节阀CV-01与压力传感器P-01之间的管路上依次连接有所述气体流量计F-02、排气阀V-03、温度传感器T-06、压力传感器P-06、调节阀CV-03和截止阀V-04；
所述真空泵的输出端通过管路连接至所述截止阀V-02与调节阀CV-02之间，所述真空泵的输出端至所述截止阀V-02与调节阀CV-02之间的管路上依次连接有所述压力传感器P-03和截止阀V-05。
所述压力波动下天然气水合物合成实验回路系统，其中：所述液相回路包括水箱和柱塞泵；所述水箱的出水口通过管路连接所述柱塞泵的输入端，所述柱塞泵的输出端通过管路连接至所述反应釜的反应釜进液口。
所述压力波动下天然气水合物合成实验回路系统，其中：所述液相回路还包括截止阀V-06、截止阀V-11、调节阀CV-04、压力传感器P-08、温度传感器T-08、液体流量计F-03和排水阀V-09；所述水箱的出水口至所述柱塞泵的输入端之间的管路上连接有所述截止阀V-06；所述柱塞泵的输出端至所述反应釜的反应釜进液口b之间的管路上依次连接有所述截止阀V-11、调节阀CV-04、压力传感器P-08、温度传感器T-08和液体流量计F-03；所述排水阀V-09连接于所述反应釜的反应釜出液口的管路上。
所述压力波动下天然气水合物合成实验回路系统，其中：所述上部反应釜筒体一侧连接有压力传感器P-05和温度传感器T-05；所述下部反应釜筒体一侧连接有压力传感器P-04和温度传感器T-04；所述活塞采用活塞环密封。
所述压力波动下天然气水合物合成实验回路系统，其中：所述反应釜制冷机组的下端连接有制冷机组开关阀V-08并通过所述制冷机组开关阀V-08连接于所述下部反应釜筒体下端；所述反应釜制冷机组的上端连接有制冷机组开关阀V-07并通过所述制冷机组开关阀V-07连接于所述下部反应釜筒体上端的反应釜制冷口。
有益效果：
现有的天然气水合物合成实验回路系统可用于天然气水合物的合成、分解，但是只能通过改变气体物质的量来改变天然气水合物实验装置里的压力，这样就不能达到控制单一变量来研究压力变化下对水合物合成的影响；而本发明提供的天然气水合物实验回路系统通过改变反应釜内活塞进给深度，从而实现反应过程中压力变化可控，即不改变气体物质的量只有压力变化，就可更好研究压力波动对水合物影响。
可用于以下研究：
(1)天然气水合物的合成、分解和相平衡相关研究
天然气水合物在高压、低温条件下合成，本发明的实验回路系统的温度和压力可控，满足天然气水合物合成条件，故在反应釜中可研究其合成；天然气水合物升温、降压后会分解，合成水合物后，将回路升温、降压，可研究其分解；测得天然气水合物合成和分解时的压力及温度，即可研究其相平衡特性。
(2)压力随时间波动天然气水合物合成特性研究
通过数据采集与监测控制系统，改变反应釜内活塞进给深度，从而实现反应过程中压力可控；研究在合成过程中受到压力波动的实时影响。
附图说明
图1为本发明压力波动下天然气水合物合成实验回路系统的结构示意图；
图2为本发明压力波动下天然气水合物合成实验回路系统的压缩机控制单元的结构装配示意图。
具体实施方式
如图1、2所示，本发明压力波动下天然气水合物合成实验回路系统，包括气相回路1、液相回路2、反应釜3、反应釜制冷机组4、数据采集与监测单元5及压缩机控制单元6；其中，该反应釜3的设有反应釜进气口a、反应釜进液口b、反应釜出液口c、反应釜制冷口d和反应釜出气口e。
该气相回路1连接于该反应釜3的反应釜进气口a和反应釜出气口e之间，其包括气瓶11、空气压缩机12、气体循环增压泵13、真空泵14、压力传感器P-01、压力传感器P-02、压力传感器P-03、压力传感器P-06、压力传感器P-07、截止阀V-01、截止阀V-02、截止阀V-04、截止阀V-05、截止阀V-13、调节阀CV-01～CV-03、温度传感器T-01、温度传感器T-02、温度传感器T-06、气体流量计F-01～F-02、排气阀V-03和排气阀V-10。该气相回路1用于将气瓶11中的气体输送至反应釜3中，同时还将多余的气体进行循环利用，排出管路中的多余的空气。
该气瓶11的瓶口通过管路连接空气压缩机12的输入端，该空气压缩机12的输出端通过管路连接气体循环增压泵13的输入端，该气体循环增压泵13的输出端通过管路连接至反应釜3的反应釜进气口a；其中，该气瓶11的瓶口至空气压缩机12输入端之间的管路上依次连接有截止阀V-01、调节阀CV-01、压力传感器P-01和温度传感器T-01；该气体循环增压泵13的输出端至反应釜3的反应釜进气口a之间的管路上依次连接有压力传感器P-02、温度传感器T-02、截止阀V-02、调节阀CV-02、气体流量计F-01和截止阀V-13；该压力传感器P-07连接于该气瓶11的瓶口与截止阀V-01之间的管路上；该排气阀V-10连接于该气体流量计F-01与截止阀V-13之间的管路上。该反应釜3的反应釜出气口e通过管路连接至调节阀CV-01与压力传感器P-01之间，该反应釜3的反应釜出气口e至调节阀CV-01与压力传感器P-01之间的管路上依次连接有气体流量计F-02、排气阀V-03、温度传感器T-06、压力传感器P-06、调节阀CV-03和截止阀V-04。该真空泵14的输出端通过管路连接至截止阀V-02与调节阀CV-02之间，该真空泵14的输出端至截止阀V-02与调节阀CV-02之间的管路上依次连接有压力传感器P-03和截止阀V-05。
该液相回路2连接于反应釜进液口b和反应釜出液口c，其包括水箱21、柱塞泵22、截止阀V-06、截止阀V-11、调节阀CV-04、压力传感器P-08、温度传感器T-08、液体流量计F-03和排水阀V-09；该液相回路2用于将水箱21里的液体输送到反应釜3下部参与水合物合成。
该水箱21的出水口通过管路连接柱塞泵22的输入端，该柱塞泵22的输出端通过管路连接至反应釜3下部的反应釜进液口b；其中，该水箱21的出水口至柱塞泵22的输入端之间的管路上连接有截止阀V-06；该柱塞泵22的输出端至反应釜3下部的反应釜进液口b之间的管路上依次连接有截止阀V-11、调节阀CV-04、压力传感器P-08、温度传感器T-08和液体流量计F-03；该排水阀V-09连接于反应釜3的反应釜出液口c的管路上。
该反应釜3包括反应釜筒体31和匹配安装于该反应釜筒体31内部的活塞32；其中，该活塞32采用工业上常用活塞环密封，三层活塞环更好的起到支承和密封的效果；该活塞32将反应釜3分割成上部反应釜筒体和下部反应釜筒体；该反应釜3的反应釜进气口a和反应釜进液口b设在反应釜3的下部反应釜筒体底部，该反应釜3的反应釜出液口c设在反应釜3的下部反应釜筒体下端一侧，该反应釜3的反应釜制冷接口d设在反应釜3的下部反应釜筒体上端一侧，该反应釜3的反应釜出气口e设在反应釜3的下部反应釜筒体上端另一侧。该反应釜筒体31的上部反应釜筒体一侧连接有压力传感器P-05和温度传感器T-05；该反应釜筒体31的下部反应釜筒体一侧连接有压力传感器P-04和温度传感器T-04。
该反应釜制冷机组4连接于反应釜制冷口d，其下端连接有制冷机组输出端开关阀V-08并通过制冷机组开关阀V-08连接于该反应釜3的下部反应釜筒体下端；该反应釜制冷机组4的上端连接有制冷机组输入端开关阀V-07并通过制冷机组开关阀V-07连接于该反应釜3的下部反应釜筒体上端的反应釜制冷口d。
该数据采集与监测单元包括计算机及与计算机连接的压力测量点P、温度测量点T、单相和多相流体流量计量测量点F；该数据采集与监测单元4用于监测实验过程中的压力、温度、活塞进给深度等，在线计量天然气水合物实验过程中流体流量(气体、液体、天然气水合物固体混合物)，模拟天然气水合物合成过程中温度梯度变化和用于控制实验回路压力活塞进给运动，该反应釜3利用反应釜制冷机组4的制冷循环保持实验过程中的实验温度恒定。
该实验回路压缩机控制单元5设置于反应釜3的上部反应釜筒体内，其包括发电机51、曲柄52和连杆53；其中，该发电机51的动力输出端连接曲柄52并通过曲柄51匹配连接连杆53，该连杆53匹配连接该反应釜3的活塞32，该发电机51通过曲柄52和连杆53带动活塞32位移，通过改变活塞32的进给深度来改变反应釜3的下部反应釜筒体内的压强。
本发明压力波动下天然气水合物合成实验回路系统的具体操作方法如下：
(一)水合物合成反应准备
(1)气密性作业：开启截止阀V-01、V-02、V-04、V-13和调节阀CV-01、CV-02；关闭液相回路2所有阀门，关闭截止阀V-05、排气阀V-03和V-10及排水阀V-09；开启气瓶11并通过调节阀CV-01控制低压的天然气充满整个气相回路1检查气密性；
(2)抽真空作业：关闭液相回路2所有阀门，关闭气相回路1的排气阀V-03和V-10以及截止阀V-01，开启气相回路1剩余的其他阀门，开启截止阀V-05，开启真空泵14对气相回路1进行抽真空作业，压力传感器P-03达到设定压力(真空度)后，关闭截止阀V-05，真空泵14完成抽真空作业；
(3)注液作业：液相回路2中关闭截止阀V-09，开启液相回路2中剩余阀门，开启柱塞泵22向反应釜3内注液至液位计所设定值时，关闭液相回路2全部阀门，关闭柱塞泵22，完成注液作业；
(4)注气作业：先关闭气相回路1所有阀门，随后开启截止阀V-01、调节阀CV-01、截止阀V-02和V-13、调节阀CV-02，开启气体循环增压泵13，对反应釜3进行注气作业，当反应釜3内压力达到压力传感器所设定值时，关闭截止阀V-02和气体循环增压泵13，开启截止阀V-04，使气相回路1的高压气体倒流，整个气相回路1中压力传感器示数相等时，关闭气相回路1所有阀门，关闭气瓶11完成注气作业；
(5)制冷作业：启动反应釜制冷机组4进行制冷，设定为恒定的水合物生成实验要求温度。
(二)压力波动下水合物合成实验作业
压力波动下天然气水合物实验回路系统设定一个初始压力，通过实验回路压缩机控制单元5控制使活塞32上下运动，从而快速改变反应釜3内的压力变化，而其温度则来不及发生变化。利用实际气体状态方程，PV＝nZRT公式中的P是初始压强，V是初始时的压力所对应的体积，n为气体摩尔质量，Z为气体的压缩因子，R是气体常数，T是热力学温度。通过上述方程，在热力学温度T、压缩因子Z考虑不变的情况下，已知活塞32上下的移动距离即就是已知体积变化的情况下，就可推算出压强的改变量，从而达到改变活塞32的推动距离就可以控制反应釜3内的压力波动的目的。
在合成反应准备工作后，调节压缩机控制单元6控制，如图2所示，逆时针从f点到g点方向连杆53推动活塞32向左运动，反应釜3的下部反应釜筒体内部压强增大；逆时针从g点到f点方向连杆53推动活塞32向上运动，反应釜3的下部反应釜筒体内部压强减小；顺时针从f点到g点方向连杆53推动活塞32向下运动，反应釜3的下部反应釜筒体内部压强增大；顺时针从g点到f点方向连杆53推动活塞32向上运动，反应釜3的下部反应釜筒体内部压强减小；发电机51控制曲柄52和连杆53的转速和转动方向，从而实现反应过程中压力可控，研究在合成过程中受到压力波动的实时影响。
流量测量作业：气体流量计F-01和F-02分别测量反应釜3的反应釜进气口a和反应釜出气口e气体累计流量，通过累计值计算出反应釜3内气体物质的量，液体流量计F-03测量进入反应釜3的液相流量，计算反应釜3内液相体积，进而计算生成水合物后消耗气体量、液体消耗量及水合物生成量。
温压测量作业：在反应釜3周围设有温度、压力传感器，测量合成过程的温压曲线来分析天然气水合物合成过程的诱导时间及生长速率与压力波动的关系。
结束作业：天然气水合物稳定生成后，关闭截止阀V-01，开启气相回路1剩余阀门，将管路中的气体通过排气阀V-03和V-10排出，液体通过排水阀V-09和V-13排出，实验结束。
本发明结构设计合理，能有效用于研究压力波动下天然气水合物生成热力学、动力学机理及储气密度，为天然气水合物快速合成提供技术支持。
Claims (7)
1.一种压力波动下天然气水合物合成实验回路系统，其特征在于：所述回路系统包括气相回路、液相回路、反应釜、反应釜制冷机组、数据采集与监测单元及压缩机控制单元；
所述反应釜包括反应釜筒体和匹配安装于所述反应釜筒体内部的活塞；所述活塞将所述反应釜筒体分割成上部反应釜筒体和下部反应釜筒体；所述下部反应釜筒体的底部设有反应釜进气口和反应釜进液口，所述下部反应釜筒体的下端一侧设有反应釜出液口，所述下部反应釜筒体的上端分别设有反应釜制冷口和反应釜出气口；
所述气相回路匹配连接于所述下部反应釜筒体的反应釜进气口和反应釜出气口；所述液相回路匹配连接于所述下部反应釜筒体的反应釜进液口和反应釜出液口；所述反应釜制冷机组匹配连接于所述下部反应釜筒体的反应釜制冷口；
所述数据采集与监测单元包括计算机及与所述计算机连接的压力测量点、温度测量点、单相和多相流体流量计量测量点；
所述实验回路压缩机控制单元设置于所述反应釜的上部反应釜筒体内，其包括发电机、曲柄和连杆；所述发电机的动力输出端连接所述曲柄并通过所述曲柄匹配连接所述连杆一端，所述连杆另一端匹配连接所述反应釜的活塞；所述发电机通过所述曲柄和连杆带动所述活塞位移，通过改变所述活塞的进给深度来改变所述下部反应釜筒体内的压强。
2.如权利要求1所述的压力波动下天然气水合物合成实验回路系统，其特征在于：所述气相回路包括气瓶、空气压缩机和气体循环增压泵；所述气瓶的瓶口通过管路连接所述空气压缩机的输入端，所述空气压缩机的输出端通过管路连接所述气体循环增压泵的输入端，所述气体循环增压泵的输出端通过管路连接至所述反应釜的反应釜进气口。
3.如权利要求2所述的压力波动下天然气水合物合成实验回路系统，其特征在于：所述气相回路还包括真空泵、压力传感器P-01、压力传感器P-02、压力传感器P-03、压力传感器P-06、压力传感器P-07、截止阀V-01、截止阀V-02、截止阀V-04、截止阀V-05、截止阀V-13、调节阀CV-01～CV-03、温度传感器T-01、温度传感器T-02、温度传感器T-06、气体流量计F-01～F-02、排气阀V-03和排气阀V-10；
所述气瓶的瓶口至所述空气压缩机的输入端之间的管路上依次连接有所述截止阀V-01、调节阀CV-01、压力传感器P-01和温度传感器T-01；
所述气体循环增压泵的输出端至所述反应釜的反应釜进气口之间的管路上依次连接有所述压力传感器P-02、温度传感器T-02、截止阀V-02、调节阀CV-02、气体流量计F-01和截止阀V-13；所述压力传感器P-07连接于所述气瓶的瓶口与所述截止阀V-01之间的管路上；所述排气阀V-10连接于所述气体流量计F-01与所述截止阀V-13之间的管路上；
所述反应釜的反应釜出气口通过管路连接至所述调节阀CV-01与压力传感器P-01之间，所述反应釜3的反应釜出气口至所述调节阀CV-01与压力传感器P-01之间的管路上依次连接有所述气体流量计F-02、排气阀V-03、温度传感器T-06、压力传感器P-06、调节阀CV-03和截止阀V-04；
所述真空泵的输出端通过管路连接至所述截止阀V-02与调节阀CV-02之间，所述真空泵的输出端至所述截止阀V-02与调节阀CV-02之间的管路上依次连接有所述压力传感器P-03和截止阀V-05。
4.如权利要求1所述的压力波动下天然气水合物合成实验回路系统，其特征在于：所述液相回路包括水箱和柱塞泵；所述水箱的出水口通过管路连接所述柱塞泵的输入端，所述柱塞泵的输出端通过管路连接至所述反应釜的反应釜进液口。
5.如权利要求4所述的压力波动下天然气水合物合成实验回路系统，其特征在于：所述液相回路还包括截止阀V-06、截止阀V-11、调节阀CV-04、压力传感器P-08、温度传感器T-08、液体流量计F-03和排水阀V-09；
所述水箱的出水口至所述柱塞泵的输入端之间的管路上连接有所述截止阀V-06；所述柱塞泵的输出端至所述反应釜的反应釜进液口b之间的管路上依次连接有所述截止阀V-11、调节阀CV-04、压力传感器P-08、温度传感器T-08和液体流量计F-03；所述排水阀V-09连接于所述反应釜的反应釜出液口的管路上。
6.如权利要求1所述的压力波动下天然气水合物合成实验回路系统，其特征在于：所述上部反应釜筒体一侧连接有压力传感器P-05和温度传感器T-05；所述下部反应釜筒体一侧连接有压力传感器P-04和温度传感器T-04；所述活塞采用活塞环密封。
7.如权利要求1所述的压力波动下天然气水合物合成实验回路系统，其特征在于：所述反应釜制冷机组的下端连接有制冷机组开关阀V-08并通过所述制冷机组开关阀V-08连接于所述下部反应釜筒体下端；所述反应釜制冷机组的上端连接有制冷机组开关阀V-07并通过所述制冷机组开关阀V-07连接于所述下部反应釜筒体上端的反应釜制冷口。
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