CN109513414A - 一种用于天然气水合物模拟开采的多功能绝热反应釜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于天然气水合物模拟开采的多功能绝热反应釜。该反应釜主要由釜体、釜盖、温度传感器、压力传感器、电阻丝加热棒、搅拌以及釜体外的两层夹套组成。其中釜盖上开有气体出入口、温度传感器、压力传感器；釜的底部开有液体放料口；釜内安装有搅拌棒及电阻丝加热棒，釜顶内部有可拆卸保温材料；釜体外有内外两层相互独立的夹套，两层夹套均开有循环液进出口。本装置通过减弱釜内外的热辐射和热传导，为反应釜内营造一个绝热环境，配备的电加热棒可以直接对釜内进行注热，该多功能绝热釜可用于实验室内的天然气水合物的降压、注热、置换等开采实验。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于天然气水合物模拟开采的多功能绝热反应釜，属于新能源开采领域。
背景技术
天然气水合物是甲烷气与水在低温、高压条件下生成的一种非化学计量的笼形固态化合物，其普遍存在于深海地层和永久冻土层中。除了分布广泛，可燃冰的资源储量也十分巨大，根据现有数据的预估可燃冰资源量相当于全球已探明传统化石燃料碳总量的两倍，为了满足不断增长的能源需求，人们不约而同地把目光投向海洋可燃冰开采和深层钻井开采等领域。但是如何经济高效、安全地将天然气从水合物中开采出来是决定该能源大规模利用的前提条件，因此现阶段对天然气水合物开采的研究方兴未艾。
常见的开采天然气水合物的方法有热激法、降压法、注抑制剂法和置换法等，热激法和降压法分别通过提高温度和降低压力使得天然气水合物分解；抑制剂是向天然气水合物层中注入某些化学试剂,如盐水、甲醇、乙二醇、丙三醇等,从而破坏天然气水合物藏的相平衡条件,促使天然气水合物分解；CO2置换开采法主要是将CO2注入到天然气水合物储藏置换开采出天然气，同时将CO2气体以水合物的形式埋存于海底。这样既可以开采甲烷同时封存并减少CO2。无论是直接注热还是降压、置换以上各种天然气水合物开采方法均涉及能量变化过程，能量效率也成为了衡量天然气水合物开采方法经济性的一个重要指标。
获得天然气水合物开采过程中注热量与产热量的定量关系，对于指导水合物开采过程，提高开采的效率及经济性极具价值。目前利用注热等方法开采天然气水合物的实验室研究往往也都需要进行热量衡算。然而目前实验用的反应釜内部都与外界环境都存在着热交换，因此实验注入的热量并未完全被吸收利用，会有一部分热量散失到环境中，并且随着外界环境的变化，反应釜内部与环境的传热速率也发生改变，散失的热量也会发生改变，这对于实验的重复性及准确性都是不利的，因此在现有的实验条件下很难准确获得天然气水合物的吸热量与产热量的定量关系。为了避免不必要的能量损失、探究注热量与水合物产热量的定量关系以及研究绝热环境中天然气水合物置换开采过程，减弱反应釜内外的热交换、提高反应釜的绝热性尤其重要。
为了解决天然气水合物开采过程中的热交换问题，本发明提出在反应釜外增设真空层及吸热层的方法，该方法可最大限度地为反应釜内营造一个绝热环境。
发明内容
本发明的目的在于提供种用于天然气水合物模拟开采的多功能绝热反应釜，能够为实验室的天然气水合物开采提供一个绝热环境，克服水合物开采过程中与外界环境的能量交换，便于进一步研究天然气水合物开采过程中的能量变化。该绝热反应釜原理可靠、操作简便。
本发明通过以下技术方案来实现。
一种用于天然气水合物模拟开采的多功能绝热反应釜，主要由釜体、釜盖、温度传感器、压力传感器、电阻丝加热棒、搅拌棒以及釜体外的两层夹套组成。釜体和釜盖均由不锈钢316制成，两者通过法兰连接，釜体与法兰采用螺纹联接而成，法兰上有周向均匀分布的螺栓，通过拧紧螺母达到密封，密封可靠无泄漏，釜盖为整体平盖，釜体和釜盖采用金属垫片密封，设计压力为20MPa。
釜盖上开有气体出入口、温度传感器、压力传感器；气体出入口开着釜的顶部，用于进气及排气，温度传感器和压力传感器用于实时监控反应釜内的温度、压力，以上传感器数据通过数据采集仪连接至电脑计算机，电脑上实时记录显示温度、压力数据，进而获取水合物合成及开采的具体情况，压力传感器后安装一个安全爆破阀，其是由爆破片、压环装配组成的压力泄放安全装置，当爆破片内侧压力差达到预定的温度下的预定压力值时，爆破片即可爆破泄放出压力介质。釜的底部开有液体放料口，用于釜内液体物料的排放。
釜内安装有搅拌棒及电阻丝加热棒，搅拌方式为：伺服电机驱动外磁钢体转动，外磁钢体通过磁力线带动内磁钢体、搅拌轴及搅拌桨叶转动，从而达到搅拌的目的，且搅拌转速可根据需求进行调控，搅拌器与电机传动间采用磁力搅拌器联接，由于其无接触的传递力矩，以静密封取代动密封，能彻底解决搅拌存在的泄漏问题；釜内还安装有注热功率0-500W的加热棒，可根据实验需求选择不同功率对反应釜内进行注热，和外循环及注热溶液等方式相比，电注热的方式能定量即时地向釜内注入所需热量。
釜体外有内外两层相互独立的夹套，两层夹套均开有循环液进出口。
在天然气水合物合成等需要对反应釜内温度进行控制的实验阶段，内层夹套作为控温层使用，将其下端开口与水浴循环设备的供液口连接，上端开口则与水浴循环设备的回液口连接。通过控制水浴设备的设定温度来实现对反应釜内温度的控制。
绝热操作时，将内层夹套的导热介质排空后内层夹套充当绝热层使用。
反应釜内部与外界环境进行热交换主要有热传导和热辐射两种方式。为了减弱釜内与外界环境的热辐射，在内层夹套的外壁均匀涂覆隔热保温防辐射涂料。
为了在绝热实验过程中降低热传导效率，在内层夹套的上部开口外接阀门，并且与真空泵连接，将内层夹套的导热介质排空后可以便捷地用真空泵将其抽成真空，加强绝热效果。
内层夹套在真空泵抽真空后往往还存在10-20 Pa的残余压力，当反应釜内外温差较大时反应釜内部和外界环境仍然存在较为明显的热传导，因此在内层夹套外再增添一层夹套。夹套内通过温控设备进行导热油的循环，下进上出。油浴温度由反应釜内温度反馈给温度控制系统进行控制。当反应釜内温度发生变化时，外层夹套内的油浴温度也会跟随其发生变化，从而使得反应釜内温度和外层夹套循环温度始终处于一个很接近的范围内，最大程度减少传热温差，外界环境的热量会传导给反应釜外层夹套内的介质而被带走，不会和反应釜内部直接发生热交换。
为了进一步加强绝热效果，减弱反应釜顶部的热传导，在反应釜顶部用保温棉等隔热材料填充严实，且保温棉预留搅拌轴及加热棒等组件的通道。
反应釜外的真空层、隔热保温防辐射涂层以及真空层外的夹套共同为反应釜内创造了一个相对绝热的环境，极大限度的降低釜内和外界环境的热交换，在实验过程中可以近视地将反应釜视为一个绝热容器。
与现有装置相比，本发明具有如下有益效果：
实现反应釜内搅拌及电注热的前提下，在常规的天然气水合物实验用反应釜外部包裹一层真空夹套，该措施可以较大限度的减弱釜内和外界环境的热传导；为了减弱釜内外的辐射传热，在真空夹套的外壁上均匀涂覆粘接牢固的隔热保温防辐射涂料。在现有技术条件下，真空层往往存在10-20Pa的残余压力，为了进一步减弱釜内外的热传导，在真空层外增添一层控温层，其温度和反应釜内温度保持一致，通过降低传热温差进一步起到减弱热传导的作用，此外，为了减弱釜顶的散热，在釜顶也填充有保温绝热材料。以上各种措施共同为反应釜营造了一个绝热环境，满足绝热反应的操作要求，可用于天然气水合物的注热、降压、置换等各种实验研究。
附图说明
图1是本发明一种天然气水合物模拟开采绝热反应釜的结构示意图。
图中各个部件如下：电机外磁钢体1、温度传感器2、压力传感器3、螺母及法兰4、釜盖5、外层夹套出液口6、釜体7、外层夹套8、隔热保温防辐射涂层9、内层夹套10、内层夹套进液口11、下放料口12、外层夹套进液口13、搅拌14、电阻丝加热棒15、内层夹套出液口16、釜顶保温材料17、釜顶气体进出口18、加热棒接口19。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，一种用于天然气水合物模拟开采的多功能绝热反应釜，包括釜体7、釜盖5、温度传感器2、压力传感器3、电阻丝加热棒15、搅拌14以及釜体外的两层夹套；所述釜体7和釜盖5均由不锈钢316制成，两者通过法兰4连接，釜体7和釜盖5采用金属垫片密封；釜盖5上开有气体出入口18、温度传感器2、压力传感器3；釜的底部开有液体放料口12；釜内安装有搅拌棒14及电阻丝加热棒15；釜体外设置有内外两层相互独立的两层夹套。所述釜体外的两层夹套为外层夹套8和内层夹套10，所述内层夹套10与外层夹套8均为中空结构。两层夹套的底部及上端均开有进出口通道。所述进出口通道包括外层夹套出液口6、内层夹套进液口11、外层夹套进液口13和内层夹套出液口16；所述外层夹套出液口6和内层夹套出液口16分别设置于反应釜的侧壁面上，所述内层夹套进液口11和外层夹套进液口13设置于反应釜的底面，两层夹套相互独立，互不连通；所述外层夹套出液口6与外层夹套8的中空结构连通；所述内层夹套出液口16与内层夹套10的中空结构连通；所述内层夹套进液口11与内层夹套10的中空结构连通；所述外层夹套进液口13与与外层夹套8的中空结构连通。所述内层夹套10与真空泵连接，利用真空泵使内层夹套残余压力低于10Pa。所述内层夹套10的外壁均匀涂覆有隔热保温防辐射涂层9，所述保温防辐射涂层9为银涂层。所述温度传感器2作为控制温度实时反馈给温度控制系统，从而控制外层夹套循环液温度，温度的控制范围从-10℃—120℃，运行稳定后釜内和外层夹套的温度差不超过0.5℃。所述搅拌外磁钢体1通过磁力线带动内磁钢体、搅拌轴及搅拌桨叶转动，从而达到搅拌的目的，搅拌转数为0—1000r/min。釜体内安装注热功率0-500W的电加热棒15。本发明还包括釜顶保温材料17，所述釜顶保温材料17固定于反应釜内部顶端；所述釜顶保温材料17的化学成分为聚氨酯。本发明还包括加热棒接口19，所述加热棒接口19位于釜顶，通过螺母与釜内连接密封；所述加热棒接口19与电加热棒15连接，所述电加热棒15通过加热棒接口19与外部电源连接。
实施例1
本实施例提供一种使用该多功能绝热釜进行天然气水合物合成及验证该反应釜绝热性能的方法。
利用该天然气水合物模拟开采绝热反应釜及配套的管线、气瓶、温度控制设备和数据采集系统等便可以进行天然气水合物的合成及后续绝热开采实验。实验操作及过程如下：
打开反应釜的釜盖，向釜内加入蒸馏水后拧紧螺母，密封反应釜。 再通过反应釜上端的进气口输入甲烷气至10MPa，将搅拌桨开启，转速设定为300r/min，再打开水浴循环设备，（无锡冠亚高低温恒温水浴SUNDI320）进行温度控制，水浴设备的供液口和内层夹套进液口连接，回液口与内层夹套出液口连接，通过在内层夹套内进行导热介质的循环来控制反应釜内温度，控制温度设定为2℃。以上操作完成后，实时监控记录反应釜内的温度压力数据，获得水合物生成进度。待反应釜内压力稳定在4MPa后，视为水合物生成完成，之后解除内层夹套与水浴循环设备的连接，并将内层夹套中的导热介质排空，密封内层夹套的下部开口，利用真空泵通过内层夹套的上部开口对夹套进行抽真空操作，待内层夹套内压力低于10pa后将内层夹套的上部开口密封，这样便形成了一个真空体系。之后将外层夹套的进液口、出液口分别和水浴设备的供液口和回液口连接，在外层夹套内进行导热介质的循环，且水浴设备的控制温度由反应釜内的温度传感器提供反馈，与反应釜内实时温度保持一致，最大限度的减少反应釜内外温差，实现反应釜内的绝热。在釜内水合物温度为2℃，外界环境温度30℃且不进行其他操作的情况下，该绝热反应釜可使釜内的水合物日分解量低于5%，釜内的水合物生成量及分解量可利用所获得的温度压力数据通过PR方程计算得出，并且在釜内温度2℃，环境温度30℃的条件下，该反应釜能使得反应釜内温度自然上升速率低于1℃/天，满足水合物绝热实验需求。
实施例2
本实施例提供一种利用该绝热反应釜进行水合物降压开采的方法。
如实施例1所述，在反应釜内水合物生成结束之后进行一系列的绝热操作后进行降压测试。打开反应釜顶端的气体出口，将反应釜内压力释放至实验所需的目标压力，随后关闭气体出口阀门进行水合物的减压分解实验。由于水合物的分解是一个吸热过程，因此绝热反应釜内的压力会随着水合物的分解逐渐增加，而温度则会降低。利用温度、压力传感器获得实时温度、压力数据，通过分析我们可以得到在绝热环境中水合物分解规律。此外，若在气体出口连接背压阀和气体流量计，可进一步研究绝热环境中水合物的恒压分解过程。
实施例3
本实施例提供一种利用该绝热反应釜进行水合物注热开采的方法。
如实施例1所述，在反应釜内水合物生成结束之后进行一系列的绝热操作进行注热实验研究。具体操作为：打开釜内电加热棒，选择需要的功率对反应釜内的物料进行注热，利用温度压力传感器实时监控釜内温度压力数据，直到压力趋于稳定，水合物完全分解。随后利用已知的注热功率和注热时间可以得到总的注热量。该绝热反应釜可以使得所注热量最大限度的在反应釜内被利用，减少能量损耗，为水合物注热分解实验的理论研究和有关能量的定量计算提供便利。
实施例4
本实施例提供一种利用该绝热反应釜进行水合物置换开采的方法。
如实施例1所述，在反应釜内水合物生成结束之后进行一系列的绝热操作进行置换实验研究。具体操作为：迅速排空釜内剩余的甲烷气体，之后通入置换气（如：二氧化碳）至指定压力，然后再釜内进行天然气水合物的绝热置换开采实验研究。由于甲烷水合物的置换过程是一个放热过程，因此随着置换反应的进行反应釜内理论上回有一定的热量积累，由该热量导致的温度变化可以通过温度传感器反映记录，置换开采效果可通过取适量釜内气体进行气相色谱分析获得。此外，还可利用加热棒在置换过程中注入适当热量以提高置换效率。利用该反应釜可以研究绝热环境中甲烷水合物的置换规律，能对天然气水合物的实际开采提供理论指导。
Claims (10)
1.一种用于天然气水合物模拟开采的多功能绝热反应釜，其特征在于：包括温度传感器（2）、压力传感器（3）、釜盖（5）、釜体（7）、电阻丝加热棒（15）、搅拌（14）以及釜体外的两层夹套；所述釜体（7）和釜盖（5）均由不锈钢316制成，两者通过法兰（4）连接，釜体（7）和釜盖（5）采用金属垫片密封；釜盖（5）上设置有有气体出入口（18）、温度传感器（2）和压力传感器（3）；所述釜体（7）的底部开有液体放料口（12）；釜内安装有搅拌棒（14）及电阻丝加热棒（15）；釜体外设置有内外两层相互独立的两层夹套。
2.如权利要求1所述用于天然气水合物模拟开采的多功能绝热反应釜，其特征在于，所述釜体外的两层夹套为外层夹套（8）和内层夹套（10），所述内层夹套（10）与外层夹套（8）均为中空结构。
3.如权利要求2所述用于天然气水合物模拟开采的多功能绝热反应釜，其特征在于，两层夹套的底部及侧面均开有进出口通道。
4.如权利要求3所述用于天然气水合物模拟开采的多功能绝热反应釜，其特征在于，所述进出口通道包括外层夹套出液口（6）、内层夹套进液口（11）、外层夹套进液口（13）和内层夹套出液口（16）；所述外层夹套出液口（6）和内层夹套出液口（16）分别设置于反应釜的侧壁面上，所述内层夹套进液口（11）和外层夹套进液口（13）设置于反应釜的底面，两层夹套相互独立，互不连通；所述外层夹套出液口（6）与外层夹套（8）的中空结构连通；所述内层夹套出液口（16）与内层夹套（10）的中空结构连通；所述内层夹套进液口（11）与内层夹套（10）的中空结构连通；所述外层夹套进液口（13）与与外层夹套（8）的中空结构连通。
5.如权利要求1所述的一种用于天然气水合物模拟开采的多功能绝热反应釜，其特征在于，所述内层夹套（10）与真空泵连接，利用真空泵使内层夹套残余压力低于10Pa。
6.如权利要求1所述的一种用于天然气水合物模拟开采的多功能绝热反应釜，其特征在于，所述内层夹套（10）的外壁均匀涂覆有隔热保温防辐射涂层（9），所述保温防辐射涂层（9）为银涂层。
7.如权利要求1所述的一种用于天然气水合物模拟开采的多功能绝热反应釜，其特征在于，所述温度传感器（2）作为控制温度实时反馈给温度控制系统，从而控制外层夹套循环液温度，温度的控制范围从-10℃—120℃，运行稳定后釜内和外层夹套的温度差不超过0.5℃。
8.如权利要求1所述的一种用于天然气水合物模拟开采的多功能绝热反应釜，其特征在于，所述搅拌外磁钢体（1）通过磁力线带动内磁钢体、搅拌轴及搅拌桨叶转动，从而达到搅拌的目的，搅拌转数为0—1000r/min。
9.如权利要求1所述用于天然气水合物模拟开采的多功能绝热反应釜，其特征在于，还包括釜顶保温材料（17），所述釜顶保温材料（17）固定于反应釜内部顶端；所述釜顶保温材料（17）的化学成分为聚氨酯。
10.如权利要求1所述用于天然气水合物模拟开采的多功能绝热反应釜，其特征在于，还包括加热棒接口（19），所述加热棒接口（19）位于釜顶，通过螺母与釜内连接密封；所述加热棒接口（19）与电加热棒（15）连接，所述电加热棒（15）通过加热棒接口（19）与外部电源连接；所述电加热棒（15）的注热功率为0-500W。
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