CN109810726A - 一种高温高压含水混合工质发生装置和工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温高压含水混合工质的发生装置和工艺，将常温常压的水与常温下的气体分别充入由阀门隔开的两个样品容器，使用压力计测量气体的压力，之后打开两样品容器之间的阀门，使用电加热器对两样品容器、容器间的连接管路、阀门加热，得到所需温度压力与组分的含水混合工质。本发明具有混合工质组分可控、操作简单等优点，为高温高压含水混合工质的发生提供了可行方案。

Description

一种高温高压含水混合工质发生装置和工艺

技术领域

本发明属于高温气体工质物理性质测量技术领域，特别涉及一种高温高压含水混合工质发生装置和工艺。

背景技术

在高温高压下进行的煤气化、油气化反应产物为含有有机物、水等的超临界混合物。研究混合物的密度、粘度等物理性质有利于高温高压反应器的结构设计与参数优化。发生温度压力可控的、成分稳定的含水混合工质，对系统研究气化反应生成的混合工质物理性质具有重要意义。

针对高温高压含水混合工质的发生，目前主要的方法为连续式流化床方法。其原理为采用超临界流化床反应器，采用两路加料器分别向反应器中加入超纯水和有机物物料，通过调节反应器温度压力与两路加料器的流量使物料和水处在稳定流化状态，并在超临界状态下发生反应，发生得到含有多种组分的含水混合工质。

连续式流化床方法发生高温高压含水混合工质，生产效率高，产量大，适合于工业化生产；但是需要保持两路加料器中的水与有机物料的连续稳定流动，以保证反应器中的压力稳定。因此，连续式流化床方法中的加料器结构较为复杂，需要较多的零部件。

发生较少体积的高温高压含水混合工质，除连续流化床方法外，还有间歇式反应方法，如釜式反应法、石英管反应法等。间歇式反应装置发生高温高压含水混合工质温度压力稳定，但加料时水和有机物料为直接投入，温度压力体积测定不够精确。

综上所述，已有的连续流化床方法发生高温高压含水混合工质所需装置较为复杂，需要较多机械结构；间歇式反应装置原料温度压力体积测定不够精确，无法充分满足精确测定高温高压含水混合工质物理性质的温度压力需求。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，弥补高温高压含水混合工质发生领域的空白，本发明的目的在于提供一种高温高压含水混合工质发生装置和工艺，可发生温度高至1000℃、压力高至200MPa的含水混合工质，该装置通过两个容器分别精确盛装一定质量的水和标准气体，混合后升温保温发生高温高压含水混合工质，可精确控制高温高压含水混合工质的温度压力与组分。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种高温高压含水混合工质发生装置，包括用于盛放气体的样品容器一1和盛放水的样品容器二2，所述样品容器一1配置有用于为其加热的电加热器一3、用于测量其内部压力的压力计一7以及用于测量其内部温度的温度计一11，所述样品容器二2配置有用于为其加热的电加热器二4、用于测量其内部压力的压力计二8以及用于测量其内部温度的温度计二12，所述样品容器一1和样品容器二2之间以带有控制阀三16和控制阀五18的管路13连接，所述管路13配置有用于为其加热的电加热器三15和用于测量其温度的温度计三14，其特征在于，所述管路13上位于控制阀三16和控制阀五18之间连接带有控制阀四17的进气/进水管路，控制阀七20保护进气/进水管路；所述进气/进水管路在控制阀四17前端连接带有控制阀七20的排气/排水管路，所述样品容器二2通过抽气管路连接真空泵且在抽气管路上设置有控制阀六19，通过真空泵和控制阀六19对所述样品容器二2或者所述样品容器二2和样品容器一1抽真空。

所述控制阀二10出口端设置温度计四21，测量样品容器二2低温区温度。

所述管路13连接于样品容器一1的底部和样品容器二2的底部之间。

本发明还提供了基于所述高温高压含水混合工质发生装置的发生工艺，包括如下步骤：

步骤一：将标准气瓶用连接管连接到控制阀四17下端的接头上，打开控制阀三16、控制阀四17、控制阀五18和控制阀六19，关闭控制阀七20，使用真空泵将样品容器一1、样品容器二2和管路13抽真空；

步骤二：关闭控制阀六19，打开标准气瓶，向样品容器一1和样品容器二2中充入高压标准气，随后关紧标准气瓶，关闭控制阀三16，打开电加热器一3，使样品容器一1中的标准气体与样品容器一1达到热平衡，使用压力计一7监测充入的标准气压力并记录，使用温度计一11监测充入的标准气温度并记录，使用电加热器一3加热管路13，使用温度计三14测量，使管路保持在与标准气同样的温度。打开控制阀七20，将样品容器二2中的高压标准气排出，从控制阀四17下端接头处取下标准气瓶及连接管；

步骤三：将进水管路连接到控制阀四17下端的接头上，打开控制阀七20，向管路13中注入超纯水，充满控制阀四17和控制阀七20之间的空间，关闭控制阀七20，再注入超纯水，充满控制阀四17内部下段的空间，关闭控制阀四17；

步骤四：打开真空泵，打开控制阀六19，将样品容器二2及管路13抽真空；

步骤五：关闭控制阀六19，关闭真空泵，打开控制阀四17，向样品容器二2中充灌一定质量的水，使用压力计二8监测并记录样品容器二2内水的压力，使用温度计二12记录样品容器二2内的温度，使用温度计四21记录样品容器二2低温区内的温度，关闭控制阀四17，打开控制阀三16，使样品容器一1中的气体进入样品容器二2中与水混合，使用压力计二8再次记录样品容器二2内混合物的压力，对各接头检漏，从控制阀四17下端接头处取下进水管路；

步骤六：确认无漏后，关闭控制阀五18，设定加热器二4功率按一定间隔逐级上升，加热器三15功率按一定间隔逐级上升；

步骤七：加热到目标温度后减小加热器二4和加热器三15的功率，样品容器二2内即得到所需的给定温度压力的含水混合工质。

所述压力计一7配置有用于对其进行保护的控制阀一9，所述压力计二8配置有用于对其进行保护的控制阀二10，所述样品容器一1位于用于对其进行保温的恒温腔一5中，样品容器二2位于用于对其进行保温的恒温腔二6中，在步骤一中，关闭控制阀一9和控制阀二10，在步骤二中，使用压力计一7监测标准气压力前，打开控制阀一9，打开电加热器一3后，使用恒温腔一5对样品容器一1保温，在步骤四中，打开真空泵之前，关闭控制阀一9，保护压力计一7，在步骤五中，使用压力计二8监测水的压力前，打开控制阀二10，在步骤五和步骤七中，使用恒温腔二6对样品容器二2保温。

所述高温的上限为1000℃，高压的上限为200MPa。

所述样品容器一1与充灌的标准气体达到热平衡时的温度为T₁₀，由电加热器一3加热，温度计一11检测和控制，样品容器二2与充灌的超纯水达到热平衡时的温度为T₂₀，与高温高压含水混合工质达到热平衡时共同的温度为T，由电加热器二4加热，温度计二12检测和控制。

与现有技术相比，本发明通过精确控制两样品容器中水和标准气的温度压力，发生给定温度压力与组分的含水混合工质，填补了高温高压含水混合工质发生领域的空白。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

本发明为一种高温高压含水混合工质的发生装置，高温高压含水混合工质温度范围在150℃～1000℃，压力范围在0～200MPa。如图1所示，本发明装置包括用于盛放混合工质的样品容器一1和样品容器二2，样品容器一1和样品容器二2通过管路13相连，利用电加热器一3为样品容器一1加热，电加热器二4为样品容器二2加热，恒温腔一5为样品容器一1保温，恒温腔二6为样品容器二2保温，利用带有控制阀一9的压力计一7测量样品容器一1内部压力，带有控制阀二10的压力计二8测量样品容器二2内部压力，利用温度计一11测量样品容器一1内部温度，温度计二12测量样品容器二2内部温度。

其中，利用温度计三14测量管路13的温度，并利用电加热器三15为管路13加热。在管路13上依次设置控制阀三16、控制阀五18，在管路13上位于控制阀三16和控制阀五18之间连接带控制阀四17的待测气体进气/进水管路，通过控制阀四17和控制阀三16向样品容器一1中充入标准气体与超纯水；在控制阀四17出口端设置有控制阀七20，保护进气/进水管路。样品容器二2通过抽气管路连接真空泵且在抽气管路上设置有控制阀六19，通过真空泵和控制阀六19对样品容器二2或样品容器二2和样品容器一1抽真空，真空泵为机械泵，抽真空后真空度在5×10^-1Pa以下，以防止容器中残留气体对混合工质发生的影响。控制阀二10出口端设置温度计四21，测量样品容器二2低温区温度。

在样品容器二2的连接管等位置存在低温区，因此混合工质发生之前需要先对样品容器二2的体积进行标定。打开控制阀三16、控制阀四17、控制阀五18、控制阀六19，关闭控制阀一9、控制阀二10、控制阀七20，使用真空泵将样品容器一1、样品容器二2、管路13抽真空。将进水管路连接在控制阀四17下端将一定质量的标准工质(如超纯水)充入容器，之后关闭控制阀五18。使用温度计一11测量样品容器内标准工质的温度T₀，使用压力计一7测量样品容器内标准工质的压力p₀，使用温度计四21测量样品容器二2低温区的温度T_D,0。打开样品容器二2上的电加热器二4，改变恒温腔6的温度设定点6～8次，每次使用压力计二8测量样品容器二2内部标准工质的压力p_i(i＝1,2,3,…,N,N＝6～8)，使用温度计二12测量样品容器二2内部标准工质的温度T_i(i＝1,2,3,…,N,N＝6～8)，在样品容器二2内部压力温度稳定时，记录样品容器二2内部的温度与压力数据。在上述过程中，样品容器二2内部恒温区与低温区满足如下关系

其中为样品容器二2恒温区内标准工质在充灌时处于温度T₀和压力p₀下的密度，由标准工质的状态方程算得，为样品容器二2低温区内标准工质在充灌时处于温度T_D,0和压力p₀下的密度，由标准工质的状态方程算得，为样品容器二2恒温区在充灌标准工质时处于温度T₀和压力p₀下的体积，为样品容器二2低温区在充灌标准工质时处于温度T_D,0和压力p₀下的体积，为样品容器二2恒温区内标准工质在达到一个稳定温度T_i和稳定压力p_i时的密度，由标准工质的状态方程算得，为样品容器二2低温区内标准工质在与恒温区同时达到一个稳定温度T_D,i和稳定压力p_i时的密度，由标准工质的状态方程算得，为样品容器二2恒温区在达到稳定温度T_i和稳定压力p_i时的体积，为样品容器二2低温区在达到稳定温度T_D,i和稳定压力p_i时的体积。

整理有

使用6～8组标准工质的温度压力数据计算的值，取使得和使用弹性力学理论计算得到的标准值最接近的和的值为样品容器二2低温区的标准值。

在具体发生过程中，操作步骤如下：

步骤一：将标准气瓶用连接管连接到控制阀四17下端的接头上，打开控制阀三16、控制阀四17、控制阀五18、控制阀六19，关闭控制阀一9、控制阀二10、控制阀七20，使用真空泵将样品容器一1、样品容器二2、管路13抽真空。

步骤二：关闭控制阀六19，打开标准气瓶，向样品容器一1、样品容器二2中充入高压标准气，随后关紧标准气瓶。关闭控制阀三16，打开电加热器一3，使用恒温腔一5保温，使样品容器一1中的标准气体与样品容器一1达到热平衡。打开控制阀一9，使用压力计一7监测充入的标准气压力p₁₀并记录，使用温度计一11监测充入的标准气温度T₁并记录。使用电加热器一3加热管路13，使用温度计三14测量，使管路保持在温度T₁。打开控制阀七20，将样品容器二2中的高压标准气排出。从控制阀四17下端接头处取下标准气瓶及连接管。

步骤三：将进水管路连接到控制阀四17下端的接头上。打开控制阀七20，向管路13中注入超纯水，充满控制阀四17、控制阀七20之间的空间，关闭控制阀七20，再注入超纯水，充满控制阀四17内部下段的空间，关闭控制阀四17。

步骤四：关闭控制阀一9，保护压力计一7，打开真空泵，打开控制阀六19，将样品容器二2及管路13抽真空。本发明先将样品容器二2抽真空充气，再排出抽真空，一方面是使得样品容器二2形成给定的气氛，保证安全，第二方面是真空泵振动较大，在一个精密系统中最好只有一组真空泵组。

步骤五：关闭控制阀六19，关闭真空泵，打开控制阀四17，向样品容器二2中充灌一定质量的水。使用样品容器二2的恒温腔二6对样品容器二保温，打开控制阀二10，使用压力计二8监测并记录样品容器二2内水的压力p₂₀。使用温度计二12记录样品容器二2的恒温腔二6控制的样品容器二2内的温度T₂₀，使用温度计四21记录样品容器二2低温区内的温度T_D,20。关闭控制阀四17，打开控制阀三16，使样品容器一1中的气体进入样品容器二2中与水混合，使用压力计二8再次记录样品容器二2内混合物的压力p₁₂。对各接头检漏。从控制阀四17下端接头处取下进水管路。

步骤六：确认无漏后，关闭控制阀五18，设定样品容器二2的加热器二4功率按一定间隔逐级上升，管路13的加热器三15功率按一定间隔逐级上升。

步骤七：加热到目标温度T后减小加热器二4、加热器三15功率，使用恒温腔二6对样品容器二2进行保温。使用温度计4测量样品容器二2低温区的温度T_D,2，使用压力计二8测量样品容器二2内的压力p。样品容器二2内即得到所需的给定温度压力的含水混合工质。

上述的发生过程中，样品容器二2的温度从标准气体与水混合后加热前达到热平衡的温度T₀逐渐升高至目标温度值T，而样品容器二2低温区的温度从标准气体与水混合后在加热前达到热平衡的温度T_D,20逐渐升高到T_D,2。

样品容器一1中的气体和样品容器二2中的水混合过程中，混合后的工质质量m₀可由公式(3)计算：

其中为样品容器一1中的标准气体在温度T₁，压力p₁₀下的密度，由标准气体的状态方程计算，为样品容器一1中的标准气体在温度T₁，压力p₁₂下的密度，由标准气体的状态方程计算，为样品容器一1在温度T₁，压力p₁₀下的体积，由弹性力学计算，为样品容器一1在温度T₁，压力p₁₂下的体积，由弹性力学计算，为样品容器二2中的水在温度T₂₀，压力p₂₀下的密度，由水的状态方程计算，为样品容器二2中的水在温度T_D,20，压力p₂₀下的密度，由水的状态方程计算，为样品容器二2中的恒温区在温度T₂₀，压力p₂₀下的体积，由弹性力学计算得到，为样品容器二2中的低温区在温度T_D,20，压力p₂₀下的体积,由对样品容器二2低温区标定的结果插值得到。

在发生高温高压含水混合工质过程中，使用公式(4)计算得到最终发生的高温高压含水混合工质处在给定温度T和压力p的密度：

其中ρ_S2,T,p为样品容器二(2)恒温区内含水混合工质在达到稳定温度T和稳定压力p时的密度，为样品容器二(2)低温区内含水混合工质在与恒温区同时达到一个稳定温度T_D和稳定压力p时的密度(可由该温度下的标准方程以及混合过程确定的组分算得),V_2,T,p为样品容器二2中的恒温区在温度T，压力p下的体积，由弹性力学计算得到，为样品容器二2中的低温区在温度T_D,2，压力p下的体积,由对样品容器二2低温区标定的结果插值得到。

综上，本发明将超纯水和标准气体后充入两个样品容器，保证两个容器内温度稳定于给定值，使用压力计测量两个样品容器中超纯水和标准气体的压力，使用温度计测量超纯水和标准气体的温度，之后打开容器之间的控制阀门，使超纯水和标准气体混合，之后关闭控制阀门，对容器加热，温度压力稳定后发生出给定温度压力及组分的高温高压含水混合工质。本发明具有精度高、操作简单等优点，为高温高压含水混合工质的发生提供了可行方案。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本发明中的测试原理可广泛应用于本领域及与之相关的其他领域，可以采用其他多种具体实施方式实施本发明。因此，凡是采用本发明的设计思想，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种高温高压含水混合工质发生装置，包括用于盛放气体的样品容器一(1)和盛放水的样品容器二(2)，所述样品容器一(1)配置有用于为其加热的电加热器一(3)、用于测量其内部压力的压力计一(7)以及用于测量其内部温度的温度计一(11)，所述样品容器二(2)配置有用于为其加热的电加热器二(4)、用于测量其内部压力的压力计二(8)以及用于测量其内部温度的温度计二(12)，所述样品容器一(1)和样品容器二(2)之间以带有控制阀三(16)和控制阀五(18)的管路(13)连接，所述管路(13)配置有用于为其加热的电加热器三(15)和用于测量其温度的温度计三(14)，其特征在于，所述管路(13)上位于控制阀三(16)和控制阀五(18)之间连接带有控制阀四(17)的进气/进水管路，所述进气/进水管路在控制阀四(17)前端连接带有控制阀七(20)的排气/排水管路，所述样品容器二(2)通过抽气管路连接真空泵且在抽气管路上设置有控制阀六(19)，通过真空泵和控制阀六(19)对所述样品容器二(2)或者所述样品容器二(2)和样品容器一(1)抽真空。

2.根据权利要求1所述高温高压含水混合工质发生装置，其特征在于，所述样品容器一(1)位于用于对其进行保温的恒温腔一(5)中，样品容器二(2)位于用于对其进行保温的恒温腔二(6)中。

3.根据权利要求1所述高温高压含水混合工质发生装置，其特征在于，所述压力计一(7)配置有用于对其进行保护的控制阀一(9)，所述压力计二(8)配置有用于对其进行保护的控制阀二(10)。

4.根据权利要求3所述高温高压含水混合工质发生装置，其特征在于，所述控制阀二(10)出口端设置温度计四(21)，测量样品容器二(2)低温区温度。

5.根据权利要求1所述高温高压含水混合工质发生装置，其特征在于，所述管路(13)连接于样品容器一(1)的底部和样品容器二(2)的底部之间。

6.基于权利要求1所述高温高压含水混合工质发生装置的发生工艺，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：将标准气瓶用连接管连接到控制阀四(17)下端的接头上，打开控制阀三(16)、控制阀四(17)、控制阀五(18)和控制阀六(19)，关闭控制阀七(20)，使用真空泵将样品容器一(1)、样品容器二(2)和管路(13)抽真空；

步骤二：关闭控制阀六(19)，打开标准气瓶，向样品容器一(1)和样品容器二(2)中充入高压标准气，随后关紧标准气瓶，关闭控制阀三(16)，打开电加热器一(3)，使样品容器一(1)中的标准气体与样品容器一(1)达到热平衡，使用压力计一(7)监测充入的标准气压力并记录，使用温度计一(11)监测充入的标准气温度并记录，打开控制阀七(20)，将样品容器二(2)中的高压标准气排出，从控制阀四(17)下端接头处取下标准气瓶及连接管；

步骤三：将进水管路连接到控制阀四(17)下端的接头上，打开控制阀七(20)，向管路(13)中注入超纯水，充满控制阀四(17)和控制阀七(20)之间的空间，关闭控制阀七(20)，再注入超纯水，充满控制阀四(17)内部下段的空间，关闭控制阀四(17)；

步骤四：打开真空泵，打开控制阀六(19)，将样品容器二(2)及管路(13)抽真空；

步骤五：关闭控制阀六(19)，关闭真空泵，打开控制阀四(17)，向样品容器二(2)中充灌一定质量的水，使用压力计二(8)监测并记录样品容器二(2)内水的压力，使用温度计二(12)记录样品容器二(2)内的温度，使用温度计四(21)记录样品容器二(2)低温区内的温度，关闭控制阀四(17)，打开控制阀三(16)，使样品容器一(1)中的气体进入样品容器二(2)中与水混合，使用压力计二(8)再次记录样品容器二(2)内混合物的压力，对各接头检漏，从控制阀四(17)下端接头处取下进水管路；

步骤六：确认无漏后，关闭控制阀五(18)，设定加热器二(4)功率按一定间隔逐级上升，加热器三(15)功率按一定间隔逐级上升；

步骤七：加热到目标温度后减小加热器二(4)和加热器三(15)的功率，样品容器二(2)内即得到所需的给定温度压力的含水混合工质。

7.根据权利要求6所述发生工艺，其特征在于，所述压力计一(7)配置有用于对其进行保护的控制阀一(9)，所述压力计二(8)配置有用于对其进行保护的控制阀二(10)，所述样品容器一(1)位于用于对其进行保温的恒温腔一(5)中，样品容器二(2)位于用于对其进行保温的恒温腔二(6)中，在步骤一中，关闭控制阀一(9)和控制阀二(10)，在步骤二中，使用压力计一(7)监测标准气压力前，打开控制阀一(9)，打开电加热器一(3)后，使用恒温腔一(5)对样品容器一(1)保温，在步骤四中，打开真空泵之前，关闭控制阀一(9)，保护压力计一(7)，在步骤五中，使用压力计二(8)监测水的压力前，打开控制阀二(10)，在步骤五和步骤七中，使用恒温腔二(6)对样品容器二(2)保温。

8.根据权利要求6所述发生工艺，其特征在于，所述高温的上限为1000℃，高压的上限为200MPa。

9.根据权利要求6所述发生工艺，其特征在于，所述样品容器一(1)与充灌的标准气体达到热平衡时的温度为T₁₀，由电加热器一(3)加热，温度计一(11)检测和控制，样品容器二(2)与充灌的超纯水达到热平衡时的温度为T₂₀，与高温高压含水混合工质达到热平衡时共同的温度为T，由电加热器二(4)加热，温度计二(12)检测和控制。

10.根据权利要求6所述发生工艺，其特征在于，所述样品容器二(2)的存在低温区，在样品容器一(1)中的气体进入样品容器二(2)中与水混合之前，样品容器二(2)内部恒温区与低温区满足如下关系

其中为样品容器二(2)恒温区内标准工质在充灌时处于温度T₀和压力p₀下的密度，由标准工质的状态方程算得，为样品容器二(2)低温区内标准工质在充灌时处于温度T_D,0和压力p₀下的密度，由标准工质的状态方程算得，为样品容器二(2)恒温区在充灌标准工质时处于温度T₀和压力p₀下的体积，为样品容器二(2)低温区在充灌标准工质时处于温度T_D,0和压力p₀下的体积，为样品容器二(2)恒温区内标准工质在达到一个稳定温度T_i和稳定压力p_i时的密度，由标准工质的状态方程算得，为样品容器二(2)低温区内标准工质在与恒温区同时达到一个稳定温度T_D,i和稳定压力p_i时的密度，由标准工质的状态方程算得，为样品容器二(2)恒温区在达到稳定温度T_i和稳定压力p_i时的体积，为样品容器二(2)低温区在达到稳定温度T_D,i和稳定压力p_i时的体积；

整理有

使用6～8组标准工质的温度压力数据计算的值，取使得和使用弹性力学理论计算得到的标准值最接近的和的值为样品容器二(2)低温区的标准值。