CN109859578B - 一种演示气体水合物形成与分解过程的教学装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种演示气体水合物形成与分解过程的教学装置，所述装置包括具有透明视窗的高压反应釜、压力调节组件、温度调节组件、计算机控制组件和投影组件；所述压力调节组件包括变体积气缸和伺服电机；所述变体积气缸用以将气体压入或抽离高压反应釜；所述伺服电机用以控制变体积气缸的运动；所述温度调节组件用于调节高压反应釜和变体积气缸的温度；所述计算机控制组件用以接收变体积气缸的温度和压力信号，并控制伺服电机的开启或关闭；所述投影组件用以显示相变平衡曲线及高压反应釜的温度和压力。该装置安全系数高、直观展示性强，能够清楚地展示气体水合物的生成与分解的温度和压力条件和宏观形态的教学装置。

Description

一种演示气体水合物形成与分解过程的教学装置

技术领域

本发明涉及气体水合物技术领域，尤其涉及一种演示气体水合物形成与分解过程的教学装置。

背景技术

气体水合物是由天然气和水在高压低温的条件下生成的一种晶体物质，主要分布在海底沉积物和一些陆地永久冻土带。气体水合物分布广、能量密度高，其有机碳含量是煤、石油、天然气三种燃料总碳量的2倍，被公认为最有前途的新型高效清洁能源之一，具有巨大的开采潜力。随着气体水合物技术在天然气的勘探与开发、油气管线运输、以及生物工程和环境保护等方面的应用，对气体水合物的研究日益受到关注。

目前，在涉及气体储运与利用相关专业的教学中，教学内容主要涉及到管道运输与高压液化运输，对于气体固化以水合物形态储运的方式尚未有教学演示装置。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种安全系数高、直观展示性强，能够清楚地展示气体水合物的生成与分解的温度和压力条件和宏观形态的教学装置。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

一种演示气体水合物形成与分解过程的教学装置，所述装置包括具有透明视窗的高压反应釜、压力调节组件、温度调节组件、计算机控制组件和投影组件；

所述压力调节组件包括变体积气缸和伺服电机；所述变体积气缸用以将气体压入或抽离高压反应釜；所述伺服电机用以控制变体积气缸的运动；

所述温度调节组件用于调节高压反应釜和变体积气缸的温度；

所述计算机控制组件用以接收变体积气缸的温度和压力信号，并控制伺服电机的开启或关闭；

所述投影组件用以显示相变平衡曲线及高压反应釜的温度和压力。

优选地，所述变体积气缸上设置有温度传感器和压力传感器，用于检测气缸内的温度和压力并将检测信号传输给计算机控制组件。

优选地，所述计算机控制组件包括数据采集器和工控机；

所述数据采集器用以采集变体积气缸上的温度传感器和压力传感器的检测信号，并将检测信号输送给工控机；

所述工控机与所述伺服电机相连，用于控制伺服电机的开启或关闭。

优选地，所述变体积气缸上设置有温度传感器和压力传感器，底部设有可伸缩柱塞，所述可伸缩柱塞与所述伺服电机相连。

优选地，所述变体积气缸和所述高压反应釜之间通过第一管路连接，并且所述第一管路上设置有阀门。

优选地，所述高压反应釜上设置有温度传感器和压力传感器，用于检测高压反应釜内的温度和压力并将检测信号传输给投影组件。

优选地，所述温度调节组件包括循环恒温水浴装置、与循环恒温水浴装置连通的第一控温夹套和第二控温夹套；其中，所述第一控温夹套包覆在高压反应釜外侧；所述第二控温夹套包覆在变体积气缸外侧。

优选地，所述教学装置还包括进气组件，用于将气体输送至变体积气缸中。

优选地，所述进气组件包括储气装置、第二管路、气体增压泵和空气压缩机；

其中，第二管路一端与储气装置相连，另一端与变体积气缸相连，并且第二管路上设置有阀门。

优选地，所述高压反应釜的透明视窗耐压不低于15MPa。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

本发明提供的教学装置利用伺服加载改变体积的方式实现控制水合物形成与分解过程，直观展示性强，能够简单清楚的展示水合物的形成与分解条件、宏观形态。另外，本发明提供的教学装置安全系数高，适用于教学环境。

附图说明

图1是本发明提供的教学装置的结构示意图。

图中：

1：高压反应釜；11:第一温度传感器；12：第一压力传感器；

2：压力调节组件；21：变体积气缸；211：伸缩柱塞；22：伺服电机；23：第二温度传感器；24：第二压力传感器；

3：温度调节组件；31：循环恒温水浴装置；32：第一控温夹套；33：第二控温夹套；

4：计算机控制组件；41：数据采集器；42：工控机；

5：投影组件；6：第一管路；7：第一阀门；

8：进气组件；81：储气装置；82：第二管路；83：气体增压泵；84：空气压缩机；85：第二阀门。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种演示气体水合物形成与分解过程的教学装置，如图1所示，所述装置包括具有透明视窗的高压反应釜1、压力调节组件2、温度调节组件3、计算机控制组件4和投影组件5；

所述压力调节组件2包括变体积气缸21和伺服电机22；所述变体积气缸21用以将气体压入或抽离高压反应釜1；所述伺服电机22用以控制变体积气缸21的运动；

所述温度调节组件3用于调节高压反应釜1和变体积气缸21的温度；

所述计算机控制组件4用以接收变体积气缸21的温度和压力信号，并控制伺服电机22的开启或关闭；

所述投影组件5用以显示相变平衡曲线及高压反应釜1的温度和压力。

本发明装置中的高压反应釜1的透明视窗可以为耐压不低于15MPa的视窗。

具体地，所述变体积气缸21上设置有第二温度传感器23和第二压力传感器24，用于检测气缸21内的温度和压力并将检测信号传输给计算机控制组件4。

具体地，所述计算机控制组件4包括数据采集器41和工控机42；

所述数据采集器41用以采集第二温度传感器23和第二压力传感器24的检测信号，并将检测信号输送给工控机42；

所述工控机42与所述伺服电机22相连，用于控制伺服电机22的开启或关闭。

具体地，所述变体积气缸21上设置有第二温度传感器23和第二压力传感器24，底部设有可伸缩柱塞211，所述可伸缩柱塞211与所述伺服电机22相连。

具体地，所述变体积气缸21和所述高压反应釜1之间通过第一管路6连接，并且所述第一管路6上设置有第一阀门7。

具体地，所述高压反应釜1上设置有第一温度传感器11和第一压力传感器12，用于检测高压反应釜1内的温度和压力并将检测信号传输给投影组件5。

教学的目的是为了让学生更加直观地看到气体(例如天然气)水合固化和分解的宏观过程、更加清楚地理解温度和压力对其水合固化和分解的具体影响。由于教学过程中涉及到高压反应装置、天然气的使用，因此安全是重中之重。目前的气体水合装置多为实验研究装置，主要用于水合条件的测定或研究，所用的反应釜设计有进气口和出气口，实验过程中需要对人员对反应釜上的进气口和出气口进行控制，还需要装置收集排出的气体，讲师稍有不慎就可能出现安全问题，不适用于教学环境。

本发明提供的教学装置中的高压反应釜1具有透明视窗，可显示釜内的反应过程，从而使学生能看到釜内的气液接触形式、水合物的生成和分解。

本发明提供的教学装置采用伺服加载改变体积的方式实现控制水合物的生成和分解，反应釜上无需设置进气口和出气口，可以借助装置中的压力调节组件2对反应釜内的气体量和压力进行有效、高效地调节。

本发明提供的教学装置借助投影组件5显示相平衡曲线，还能实时显示高压反应釜1的温度和压力，清楚地显示温度、压力条件对水合物生成和分解的影响。

需要说明的是，本发明中的投影组件5可以采用现有的用于教学的投影装置，均为现有技术，本发明在此不再详述。

在一些实施例中，所述温度调节组件3包括循环恒温水浴装置31、与循环恒温水浴装置31连通的第一控温夹套32和第二控温夹套33；其中，所述第一控温夹套32包覆在高压反应釜1外侧；所述第二控温夹套33包覆在变体积气缸21外侧。

在一些实施例中，所述教学装置还包括进气组件8，用于将气体输送至变体积气缸21中。具体地，所述进气组件8包括储气装置81、第二管路82、气体增压泵83和空气压缩机84；其中，第二管路82一端与储气装置81相连，另一端与变体积气缸21相连，并且第二管路82上设置有第二阀门85。

更加全面地，本发明提供的教学设备包括：

具有透明视窗的高压反应釜1、压力调节组件2、温度调节组件3、计算机控制组件4和投影组件5；所述压力调节组件2包括变体积气缸21和伺服电机22；所述变体积气缸21用以将气体压入或抽离高压反应釜1；所述伺服电机22用以控制变体积气缸21的运动；所述温度调节组件3用于调节高压反应釜1和变体积气缸21的温度；所述计算机控制组件4用以接收变体积气缸21的温度和压力信号，并控制伺服电机22的开启或关闭；所述投影组件5用以显示相变平衡曲线及高压反应釜1的温度和压力。

高压反应釜1的透明视窗为耐压不低于15MPa的视窗。

所述变体积气缸21上设置有第二温度传感器23和第二压力传感器24，用于检测气缸21内的温度和压力并将检测信号传输给计算机控制组件4。

所述计算机控制组件4包括数据采集器41和工控机42；

所述数据采集器41用以采集第二温度传感器23和第二压力传感器24的检测信号，并将检测信号输送给工控机42；

所述工控机42与所述伺服电机22相连，用于控制伺服电机22的开启或关闭。

所述变体积气缸21上设置有第二温度传感器23和第二压力传感器24，底部设置有伸缩柱塞211，所述伸缩柱塞211与所述伺服电机22相连。

所述变体积气缸21和所述高压反应釜1之间通过第一管路6连接，并且所述第一管路6上设置有第一阀门7。

所述高压反应釜1上设置有第一温度传感器11和第一压力传感器12，用于检测高压反应釜1内的温度和压力并将检测信号传输给投影组件5。

所述温度调节组件3包括循环恒温水浴装置31、与循环恒温水浴装置31连通的第一控温夹套32和第二控温夹套33；其中，所述第一控温夹套32包覆在高压反应釜1外侧；所述第二控温夹套33包覆在变体积气缸21外侧。

所述教学装置还包括进气组件8，用于将气体输送至变体积气缸21中。具体地，所述进气组件8包括储气装置81、第二管路82、气体增压泵83和空气压缩机84；其中，第二管路82一端与储气装置81相连，另一端与变体积气缸21相连，并且第二管路82上设置有第二阀门85。

利用本发明提供的装置进行教学的具体流程：

首先，将高压反应釜1中装入水合反应溶液，开启第一阀门7，然后利用空气压缩机84驱动气体增压泵83将储气装置81中的气体注入变体积气缸21，利用循环恒温水浴装置31同时向第一夹套32和第二夹套33中注入制冷液，并使制冷液循环进行控温，使变体积气缸21的气体和高压反应釜1中的反应溶液两个部分保持相同温度，由工控机42对循环恒温水浴装置31和伺服电机22进行控制，伺服电机22带动伸缩柱塞211向上运动，关闭第一阀门7，开启第二阀门85，使气体进入高压反应釜1，由第一压力传感器12监测高压反应釜1内的气体压力，第一温度传感器11实时监测高压反应釜1内的温度变化，通过投影组件5实时显示温度与压力数值、注入气体在设定温度下的相平衡曲线，同时显示压力随时间变化曲线，可直观显示不同时刻水合物形成的驱动力，通过高压反应釜1的透明视窗可直观展示水合物的宏观生长动态，通过数据采集器41可获取水合物形成过程中的气体富集量，待高压反应釜1中溶液完全转化成水合物，由工控机42控制伺服电机22回退可伸缩柱塞211，使高压反应釜1中压力逐渐下降水合物随之逐渐分解，通过高压反应釜1的透明视窗可观察水合物分解的宏观动态现象，投影组件5实时显示水合物分解过程中的温度压力随时间的变化情况。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种演示气体水合物形成与分解过程的教学装置，其特征在于，所述装置包括具有透明视窗的高压反应釜、压力调节组件、温度调节组件、计算机控制组件和投影组件；

所述压力调节组件包括变体积气缸和伺服电机；所述变体积气缸用以将气体压入或抽离高压反应釜；所述伺服电机用以控制变体积气缸的运动；

所述温度调节组件用于调节高压反应釜和变体积气缸的温度；

所述计算机控制组件用以接收变体积气缸的温度和压力信号，并控制伺服电机的开启或关闭；

所述投影组件用以显示相变平衡曲线及高压反应釜的温度和压力；

所述变体积气缸和所述高压反应釜之间通过第一管路连接，并且所述第一管路上设置有第一阀门；

其中，所述教学装置还包括进气组件，用于将气体输送至变体积气缸中；

所述进气组件包括储气装置、第二管路、气体增压泵和空气压缩机；

第二管路一端与储气装置相连，另一端与变体积气缸相连，并且第二管路上设置有第二阀门；

所述变体积气缸上设置有温度传感器和压力传感器，用于检测气缸内的温度和压力并将检测信号传输给计算机控制组件。

2.根据权利要求1所述的教学装置，其特征在于，所述计算机控制组件包括数据采集器和工控机；

所述数据采集器用以采集变体积气缸上的温度传感器和压力传感器的检测信号，并将检测信号输送给工控机；

所述工控机与所述伺服电机相连，用于控制伺服电机的开启或关闭。

3.根据权利要求2所述的教学装置，其特征在于，所述变体积气缸上设置有温度传感器和压力传感器，底部设有可伸缩柱塞，所述可伸缩柱塞与所述伺服电机相连。

4.根据权利要求1所述的教学装置，其特征在于，所述高压反应釜上设置有温度传感器和压力传感器，用于检测高压反应釜内的温度和压力并将检测信号传输给投影组件。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述温度调节组件包括循环恒温水浴装置、与循环恒温水浴装置连通的第一控温夹套和第二控温夹套；其中，所述第一控温夹套包覆在高压反应釜外侧；所述第二控温夹套包覆在变体积气缸外侧。

6.根据权利要求1所述的教学装置，其特征在于，所述高压反应釜的透明视窗耐压不低于15MPa。

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