CN110208308A - 用于研究气体水合物相变规律的系统及方法 - Google Patents
用于研究气体水合物相变规律的系统及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110208308A CN110208308A CN201910418800.8A CN201910418800A CN110208308A CN 110208308 A CN110208308 A CN 110208308A CN 201910418800 A CN201910418800 A CN 201910418800A CN 110208308 A CN110208308 A CN 110208308A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- gas
- hydrate
- generating mechanism
- reaction chamber
- reaction
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 35
- 230000008859 change Effects 0.000 title claims abstract description 33
- NMJORVOYSJLJGU-UHFFFAOYSA-N methane clathrate Chemical compound C.C.C.C.O.O.O.O.O.O.O.O.O.O.O.O.O.O.O.O.O.O.O.O.O.O.O NMJORVOYSJLJGU-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 28
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 129
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims abstract description 107
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 53
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims abstract description 28
- 230000008520 organization Effects 0.000 claims abstract description 26
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 10
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 169
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 35
- 238000005481 NMR spectroscopy Methods 0.000 claims description 31
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims description 27
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims description 23
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims description 14
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims description 12
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims description 10
- 230000036571 hydration Effects 0.000 claims description 7
- 238000006703 hydration reaction Methods 0.000 claims description 7
- 238000002372 labelling Methods 0.000 claims description 7
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 3
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 3
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 claims description 3
- 230000009466 transformation Effects 0.000 abstract description 7
- 150000004677 hydrates Chemical class 0.000 abstract description 5
- 230000007704 transition Effects 0.000 abstract description 5
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 4
- 230000010354 integration Effects 0.000 abstract description 2
- 238000005457 optimization Methods 0.000 abstract description 2
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 28
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 13
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 12
- 238000011160 research Methods 0.000 description 7
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 5
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 description 4
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 4
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 3
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 3
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 3
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 3
- 239000008247 solid mixture Substances 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 2
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 2
- 238000004321 preservation Methods 0.000 description 2
- 238000004064 recycling Methods 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 2
- 238000003915 air pollution Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 238000004587 chromatography analysis Methods 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 238000007405 data analysis Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000000921 elemental analysis Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 1
- 230000005311 nuclear magnetism Effects 0.000 description 1
- 238000000399 optical microscopy Methods 0.000 description 1
- 230000035484 reaction time Effects 0.000 description 1
- 238000004904 shortening Methods 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 238000000844 transformation Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
- G01N21/3504—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N24/00—Investigating or analyzing materials by the use of nuclear magnetic resonance, electron paramagnetic resonance or other spin effects
- G01N24/08—Investigating or analyzing materials by the use of nuclear magnetic resonance, electron paramagnetic resonance or other spin effects by using nuclear magnetic resonance
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
- G01N25/02—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating changes of state or changes of phase; by investigating sintering
- G01N25/12—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating changes of state or changes of phase; by investigating sintering of critical point; of other phase change
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
- G01N25/20—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
本发明涉及天然气水合物应用领域，公开了一种用于研究气体水合物相变规律的系统及方法，该系统包括供应机构、水合物生成机构和传感分析机构，所述供应机构连接所述水合物生成机构以向所述水合物生成机构供应用于生成水合物的气体和液体，所述水合物生成机构配置为其用于容纳所述气体和所述液体的场所的压力和温度可调，以使所述气体和所述液体能够发生反应生成水合物，所述传感分析机构连接所述水合物生成机构以对所述水合物生成机构中所发生的反应过程进行监测。本申请提供的系统能够对水合物的相变过程进行监测，从而研究水合物的相变规律，为安全、高效地开展涉及水合物相变的生产作业提供理论支持与优化设计依据。
Description
技术领域
本发明涉及天然气水合物应用领域，具体地涉及一种用于研究气体水合物相变规律的系统及其使用方法。
背景技术
天然气水合物是一种重要的可替代清洁能源，具有能量密度高、储量巨大、燃烧后污染小等特点，广泛分布于北极地区的永久冻土区和世界范围内的海底、陆坡、陆基及海沟中。同常规化石能源相比，天然气水合物的稳定赋存需要低温、高压条件，且其在有限的孔隙空间内会发生气-液-固之间的相态转化，使对应的多相流动更加复杂，严重时会引发包括井筒堵塞、井喷井涌、地层坍塌、海底滑坡等灾害。因此，有必要对水合物在不同工况下的相平衡及多相流动规律展开深入了解。
目前已有的研究主要以单组分气体为研究对象，且多采用宏观尺度的实验模拟方法。由于真实赋存于自然界的天然气水合物并不是某种纯净的单一组分气体，各种气体组分之间会由于气体分子的极性、尺寸等属性而具备不同的水合物相变特征，且可能随着气体组分、比例的不同，各组分之间相互影响的规律也会发生变化。同时，宏观尺度的实验模拟方法通常适用于宏观规律探索与拟合，但难以解释宏观规律背后起到诱发作用的微观机理。因此，有必要设计一种针对多组分气体为研究对象的装置，研究不同条件下多组分气体的水合物生成/分解优先性、不同气体组分分布规律、不同气体水合物颗粒分布规律、气体组分相互之间对各自水合物相变的促进/妨碍规律，为安全、高效地开展涉及水合物相变的生产作业提供理论支持与优化设计依据。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的没有适当的系统或者装置研究水合物的相变规律的问题，提供一种用于研究气体水合物相变规律的系统。
为了实现上述目的，本发明一方面提供一种用于研究气体水合物相变规律的系统，该系统包括供应机构、水合物生成机构和传感分析机构，所述供应机构连接所述水合物生成机构以向所述水合物生成机构供应用于生成水合物的气体和液体，所述水合物生成机构配置为其用于容纳所述气体和所述液体的场所的压力和温度可调，以使所述气体和所述液体能够发生反应生成水合物，所述传感分析机构连接所述水合物生成机构以对所述水合物生成机构中所发生的反应过程进行监测。
优选地，所述水合物生成机构包括透明的反应容器和位于所述反应容器中的活塞，所述反应容器和所述活塞构成反应腔室，所述反应腔室连通所述供应机构，所述活塞能够在所述反应容器中移动以改变所述反应腔室的容积和压力，所述反应容器中设置有磁力旋转搅拌球，所述水合物生成机构包括用于支撑并带动所述反应容器发生旋转的旋转单元，以使所述磁力旋转搅拌球在所述反应腔室中运动。
优选地，所述传感分析机构包括力学传感器、压力传感器和温度传感器，所述力学传感器设置在所述活塞的活塞面上以及所述反应容器的与所述活塞面相对的端面上，所述压力传感器用于监测所述反应腔室中的压力，所述温度传感器用于监测所述反应腔室中的温度。
优选地，所述传感分析机构包括红外单元、热导单元和核磁共振单元，所述红外单元包括用于照射所述反应腔室的红外光源和连接所述红外光源的红外气体分析仪，所述活塞上设置有用于配合所述红外光源的发射板；所述热导单元包括伸入所述反应腔室中的热敏探头和连接所述热敏探头的热导式气体分析仪；所述核磁共振单元包括包覆所述反应容器的核磁共振监测容器和连接所述核磁共振监测容器的核磁共振元素分析仪，所述核磁共振监测容器用于监测所述反应腔体中利用同位素标记法所标记的同位素，所述核磁共振元素分析仪用于分析所述核磁共振监测容器的监测结果。
优选地，所述供应机构包括气体储存容器、气体混合容器、溶液储存容器和泵件，多个所述气体储存容器连接所述气体混合容器且每个所述气体储存容器仅储存同种气体，以使不同的气体能够在所述气体混合容器中呈比例地混合，所述气体混合容器和所述溶液储存容器分别连接所述泵件以通过所述泵件向所述水合物生成机构分别供应气体和液体。
优选地，所述系统包括微观观察机构，所述微观观察机构连接所述水合物生成机构以使所述水合物生成机构中反应生成的混合流体进入所述微观观察机构，其中，所述微观观察机构包括用于进行微观观察的显微镜和连接所述水合物生成机构的透明的装载片，所述装载片用于容纳所述混合流体。
优选地，所述微观观察机构的下游依次连接有气液分离装置和气相色谱仪，所述气相色谱仪用于接收所述气液分离装置分离出的气体并对所述气体进行分析。
本发明第二方面提供一种用于研究气体水合物相变规律的方法，该方法利用如上所述的用于研究多组分气体水合物相变规律的系统，该方法包括：S1：利用所述供应机构向所述水合物生成机构供应液体和气体；S2：调节所述水合物生成机构的压力和温度，以使得所述液体和所述气体在所述水合物生成机构中发生形成水合物的反应，利用所述传感分析机构监测形成水合物的反应过程，并对监测数据进行分析。
优选地，步骤S1包括以下步骤：S11：通过控制所述供应机构的各个气体储存容器向所述供应机构的气体混合容器通入气体的量，来控制所述气体混合容器中各组分气体的比例，通过泵件将所述供应机构的溶液池中的溶液充满所述水合物生成机构中的反应腔室以排出所述反应腔室中的气体；S12：通过所述泵件将所述气体混合容器中的气体通入所述反应腔室，从而排出所述反应腔室中的部分液体；步骤S2中，封闭所述水合物生成机构中的反应腔室，通过压力传感器监测所述反应腔室的压力，并通过移动所述水合物生成机构的反应容器中的活塞使得所述反应腔室中的压力保持恒定，以使所述反应腔室中的气体和液体能够发生反应形成水合物。
优选地，在步骤S11中，对所述气体储存容器中的气体和/或所述溶液池中的液体进行同位素标记；在步骤S2中，利用所述传感分析机构的核磁共振监测容器监测所述反应腔室中的被同位素标记法所标记的同位素，并通过所述传感分析机构的核磁共振元素分析仪对所述核磁共振监测容器得到的监测结果进行分析。
通过上述技术方案，利用本申请提供的用于研究气体水合物相变规律的系统，首先通过供应机构向水合物生成机构供应用于生成水合物的气体和液体，然后封闭水合物生成机构并调节水合物生成机构的压力和温度，使得水合物生成机构的压力和温度适于液体和气体发生反应形成水合物，通过传感分析机构监测在发生反应的过程中水合物生成机构中的各项参数，从而能够利用传感分析机构得到的各项参数研究水合物的相变规律。
附图说明
图1是根据本发明优选实施方式的用于研究气体水合物相变规律的系统的示意图。
附图标记说明
101-反应容器 102-旋转单元 103-电机 104-螺旋丝扣压缩泵 105-活塞106-磁力旋转搅拌球 107-装载片
201-红外光源 202-热敏探头 203-核磁共振监测容器 204-力学传感器205-压力传感器 206-温度传感器 207-显微镜 208-光源
301-红外气体分析仪 302-热导气体分析仪 303-核磁共振元素分析仪 304-气相色谱仪
401-气体储存容器 402-气体混合容器 403-溶液池 404-泵件 405-第一回压阀 406-第二回压阀 407-气液分离装置 408-气体回收气囊
具体实施方式
本申请提供一种用于研究气体水合物相变规律的系统，该系统包括供应机构、水合物生成机构和传感分析机构，所述供应机构连接所述水合物生成机构以向所述水合物生成机构供应用于生成水合物的气体和液体，所述水合物生成机构配置为其用于容纳所述气体和所述液体的场所的压力和温度可调，以使所述气体和所述液体能够发生反应生成水合物，所述传感分析机构连接所述水合物生成机构以对所述水合物生成机构中所发生的反应过程进行监测。
利用本申请提供的用于研究气体水合物相变规律的系统，首先通过供应机构向水合物生成机构供应用于生成水合物的气体和液体，然后封闭水合物生成机构并调节水合物生成机构的压力和温度，使得水合物生成机构的压力和温度适于液体和气体发生反应生成水合物，通过传感分析机构监测在发生反应的过程中水合物生成机构中的各项参数，从而能够利用传感分析机构得到的各项参数研究水合物的相变规律。
参考图1所示的结构，本申请提供的水合物生成机构包括透明的反应容器101和位于反应容器101中的活塞，活塞105横跨反应容器101的横截面设置，使得活塞105的活塞面和反应容器101的内壁面共同构成能够密封的反应腔室。
由于水合物的生产需要在特定的压力和温度的条件下，因此需要保证反应腔室中的压力和温度维持在特定的值，本申请通过压力传感器205和温度传感器206来实时监测反应腔室中的温度和压力。
在气体和水发生反应生成水合物的过程中，反应腔室中的压力会由于气体的消耗而逐渐下降，此时通过移动活塞105来减小反应腔室的容积使得反应腔室中的压力维持在所需的值，具体地，操作人员可以根据压力传感器205的示数来移动活塞105并控制活塞移动的距离。如图1所示，活塞105连接螺旋丝扣压缩泵104，操作人员通过旋转螺旋丝扣压缩泵104的螺旋丝扣来推进或者拉回活塞105。但是本申请并不限定于此，在保证反应腔室密封性的情况下，也可采用气压、液压等形式驱动活塞。当然，水合物在反应腔室中分解也会释放大量气体，从而造成反应腔室中压力的增加，操作人员可以通过移动活塞105来增加反应腔室的容积。
需要说明的是，本申请提供的系统也可以对水合物分解过程中水合物所发生的相变进行监测，如果监测水合物的分解过程，那么就需要通过上述的方法现在反应腔室中生成水合物，然后调节反应腔室的温度和压力使得反应腔室中的水合物具备分解的条件。
对于温度的控制，由于水合物的生成一般要求较低的温度，可以将整个系统至于可调节温度的冷库中，操作人员可以根据温度传感器206的示数来调节冷库的温度，使得反应腔室中的温度维持在所需的值。
为了促进反应腔室中的水合物的生成，优选地，可在反应容器101中放置磁力旋转搅拌球106，并通过旋转反应腔室使得磁力旋转搅拌球106在反应腔室中运动，从而在动力学上促进水合物的生产和聚集，并缩短水合物的反应生成周期。如图1所示，在反应容器101的外侧设置有用于支撑反应容器101的旋转单元102，该旋转单元102可以为具有转子的支架，通过电机103能够驱动旋转单元102的转子转动并带动反应容器101共同转动。其中，该旋转单元102可以使得反应容器101采用任何形式的旋转，只要保证在转动时能够稳定地支撑反应容器以及反应容器101能够保证自身的密封性即可。
此外，在活塞105的活塞面上以及反应容器101的底部的内壁面上设置有力学传感器204，当磁力旋转搅拌球106在反应腔室中转动时，磁力旋转搅拌球106会不断地触碰力学传感器204，从而便于实时测量反应腔室中流体的粘度。
本申请提供的系统还能够从微观角度对水合物进行研究，优选地，该系统包括微观观察机构，该微观观察机构连接上述的水合物生成机构，从水合物生成机构进入微观观察机构中的为混合流体，该混合流体可以为不包含水合物的气液混合流体，也可以是含有水合物颗粒的气液固混合浆体，操作人员可以通过显微镜207对混合流体进行微观观察。该显微镜207可以为电学显微镜或者光学显微镜。具体地，当进入反应腔室的气体和液体不在反应腔室中生成水合物时，比如反应腔室的压力或者温度不符合生成水合物的条件，那么反应腔室中的气体和液体就会进一步进入到装载片107中，此时装载片107中的混合流体即为不包含水合物的气液混合流体；当反应腔室的温度和压力满足生成水合物的反应的需求时，进入反应腔室中的气体和液体就会在反应腔室中生成固体状的水合物，控制在气体和液体在反应腔室中的反应时间，则反应腔室中生成的水合物多为颗粒状，能够通过装载片107和反应腔室之间的管道进入装载片107，此时装载片107中的混合流体为包含水合物颗粒的气液固混合浆体。
为了使得显微镜207能够对微观观察机构中的混合流体进行观察，微观观察机构包括连接水合物生成机构的透明的装载片107，装载片107用于容纳混合流体，装载片107也可以为空槽，也可以在装载片107中设置刻蚀玻璃片以模拟液相环境或者多孔介质环境，使得显微镜207能够观察在这些环境下的水合物的相变过程。为了便于观察，还可以设置光源208，为显微镜207的观察与测量提供光线。
本申请的供应机构包括气体储存容器401、溶液储存容器403和泵件404，其中泵件404优选为恒温恒压泵，从而能够在标况压力(一般为大气压)下向水合物生成机构提供气体和液体。供应机构还能够向水合物生成机构供应不同的气体，以使水合物生成机构中生成多组分气体水合物。具体地，供应机构还包括气体混合容器402，多个气体储存容器401连接该气体混合容器402，每个气体储存容器401中装有一种气体，且各个气体储存容器401所装的气体不同，通过控制各个气体储存容器401向气体混合容器402中通入气体的量，能够控制气体混合容器402中混合气体所包含的组分种类及比例，在气体混合容器402中混合后的多组分气体和溶液储存容器403中的液体能够通过泵件404进入到水合物生成机构的反应腔室中。
为了研究各个组分的气体生成的水合物颗粒的分布、聚集、运移以及沉积规律，可以用同位素标记法对各组分的同位素进行标记，为了对所标记的同位素进行追踪，该系统的传感分析机构包括核磁共振单元，具体地，如图1所示，核磁共振单元包括包覆反应容器的核磁共振监测容器203，核磁共振监测容器203连接有核磁共振元素分析仪303，其中，核磁共振监测容器203用于追踪被标记的同位素，核磁共振元素分析仪303分析核磁共振监测容器的监测结果，从而反映各组分气体的分布、以及各组分气体生成/分解水合物的顺序、速度和分布规律，甚至能够通过控制变量法来推断各组分气体对其他气体水合物相变的影响规律。
为了对多组分气体水合物进行进一步地分析，该传感分析机构还包括红外单元和热导单元，具体地，红外单元包括用于照射反应腔室的红外光源201和连接红外光源201的红外气体分析仪301；热导单元包括伸入反应腔室中的热敏探头202和连接热敏探头202的热导式气体分析仪302。其中，红外光源201可以为红外测试各组分气体提供可变角度的光源，红外气体分析仪301能够结合红外光源201的信号处理数据，分析反应腔室中的气体组分比例和分布，其中，活塞105选用平板活塞并在其上设置反射板，反射板可以协助红外光源201反射从而实现红外测试效果，反射次数的适度增加有利于提高红外单元的测试精度。热敏探头202用于测量反应腔室内的流体的热阻，从而实现热导式多组分气体分析，热导式气体分析仪302能够结合热敏探头202的信号处理数据，从而分析气体的组分比例。
由于反应腔室中存在水合物固体颗粒，可能会影响红外测试得出的各组分气体含量的比例的准确度，因此可以通过热导单元来精确地反映各组分气体含量的比例，而热导单元难以反映各组分气体的分布，红外单元进行的红外测试则能够准确地反映各组分气体的分布，因此本申请提供的热导单元和红外单元二者相互辅助、相互校验，从而实现探究不同阶段各组分气体的比例变化与分布规律的目的。
在本申请提供的系统中，微观观察机构的下游依次设置有气液分离装置407和气相色谱仪304，具有多组分气体的混合流体从微观观察机构的装载片107进入到气液分离装置407，其中混合流体中的液体从气液分离装置的下出口排出，而气体从气液分离装置407的上出口排出进入到气相色谱仪304中。气相色谱仪304能够检测出这部分气体中的所包含的气体种类以及它们的比例，如果混合流体在装载片107中不发生反应，则气相色谱仪304能够验证其他检测手段(红外单元和热导单元)的准确性。
最后，本系统的最下游，也就是气液分离装置407的下游设置有气体回收气囊408，从而对这些气体进行回收以便再次利用，同时防止这些气体进入空气污染环境。
本系统的传感分析机构所得到的各项数据，包括但不限于反应过程中的温度、压力、流速等数据都可以汇总到数据综合分析处理装置上，该装置，用这些数据并结合不同方法测量所得到的各组分气体的分布以及比例得出相应的研究结论。
根据本申请的第二个方面，本申请还提供一种用于研究气体水合物相变规律的方法，该方法利用了如上所述的系统。该方法包括：首先利用供应机构向水合物生成机构供应液体和气体；然后调节水合物生成机构的压力和温度，以使得液体和气体在水合物生成机构中发生形成水合物的反应，利用所述传感分析机构监测形成水合物的反应过程，并对监测数据进行分析。
具体地，如图1所示，操作人员先通过移动活塞105，使得反应腔室中的容积为预设值并密封该反应腔室。
将供应机构中多个气体储存容器401中的气体以预设的组分、比例注入到气体混合容器402中，通过搅拌、长时间静置等方法使各组分气体混合均匀，并将配置好的预设成分、比例的溶液加入到溶液池403中。其中，在配置气体和溶液的过程中，对指定的某种或者某几种气体或溶液进行同位素标记。
通过泵件404向反应腔室中注满配置好的溶液，从而将反应腔室中的残留气体全部排出，并将环境温度调节至预设温度，可以通过将整个系统放置在冷库中并根据温度传感器206的示数调节环境温度。
根据所需要形成水合物的量，可以向反应腔室中注入适当量的气体，从而将充满反应腔室中的溶液适当地排出一部分。具体地，关闭位于反应腔室和装载片107之间的通路上的第一回压阀405，即封闭反应腔室的出口之后，通过泵404向反应腔室中注入混合均匀的气体，通过观察压力传感器205的示数，待反应腔室中的压力达到预设值后关闭泵件404，将反应腔室彻底封闭。
无论在水合物生成前还是水合物生成的过程中，都可以通过调节电机103带动旋转单元102转动，并最终带动反应腔室转动，使得反应腔室中的磁力旋转搅拌球106搅拌反应腔室中的流体，使得气体和液体混合均匀，而促进水合物的生成；另外，在磁力旋转搅拌球106移动的过程中，会触碰到力学传感器204，从而实时测量不同阶段的流体的粘度。
在水合物的相变过程中，通过红外单元和热导单元同时测量并分析反应腔室中的多组分气体，并利用红外气体分析仪301和热导气体分析仪302分析各组分气体的比例以及分布情况。同时，通过核磁共振单元追踪利用同位素标记法所标记的元素，并进一步通过核磁共振元素分析仪303分析各组分气体生成水合物的顺序、各组分气体生成水合物的分布、聚集、运移以及沉积规律，还可以通过控制变量法推断各组分气体对气体水合物相变的影响规律。
其中，在水合物的生成或者分解过程中，会消耗或者释放大量气体，因此操作人员需要根据压力传感器205的示数相应的移动活塞105，使得反应腔室的容积发生变化，从而将反应腔室的压力维持在所需的值。
为了在微观角度对水合物的相变进行研究，可以使得反应腔室中的流体进入到装载片107中，如上文描述，进入装载片107的流体可以为不包含水合物的气液混合流体，也可以为含有水合物颗粒的气液固混合浆体。为了使得进入装载片107中的流体发生水合物的生成或者分解以便于通过显微镜107观察水合物的相变过程，本申请在水合物生成机构和微观观察机构之间设置有第一回压阀405；在微观观察机构和气液分离装置之间设置有第二回压阀406，回压阀能够设定一个特定的压力值，要经过回压阀的流体只有在其自身压力不低于回压阀所设定的压力值的情况下，才能够从回压阀的进口端移动到回压阀的出口端。
具体地，通过对第一回压阀405设定特定的压力值，使得反应腔室中的流体的压力不低于该压力值时才能够进入到装载片107中，从而保证流体能够以发生水合物相变所需的压力进入到装载片107中；同时对第二回压阀406设定特定的压力值，当装载片107中的流体的压力不低于该压力值时才能够排出到气液分离装置407中，同时设置相应的压力传感器和温度传感器对装载片107中的压力和温度进行实时监测，操作人员根据压力传感器的示数调节第一回压阀405和第二回压阀406，从而保证装载片107中的压力维持在所需值，同时由于整个系统都可以设置在冷库中，根据温度传感器的示数调节冷库的温度以保证装载片107的温度维持在所需值。
在通过显微镜207对装载片107中的水合物的相变过程进行观测之后，通过调节第二回压阀406，使得装载片107中的混合流体进入气液分离装置407，经由气液分离之后的气体进入到气相色谱仪304中，通过气相色谱仪304对气体进行分析而得出气体中各组分的比例。如果在装载片107中未发生水合物的生成或者分解反应，还可以通过气相色谱仪304得出的结果验证红外单元、热导单元所得出的结果的准确性。
经气相色谱仪304分析后的气体进入到气体回收气囊408中进行回收以便再次利用。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型。包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种用于研究气体水合物相变规律的系统，其特征在于，该系统包括供应机构、水合物生成机构和传感分析机构，所述供应机构连接所述水合物生成机构以向所述水合物生成机构供应用于生成水合物的气体和液体，所述水合物生成机构配置为其用于容纳所述气体和所述液体的场所的压力和温度可调，以使所述气体和所述液体能够发生反应生成水合物，所述传感分析机构连接所述水合物生成机构以对所述水合物生成机构中所发生的反应过程进行监测。
2.根据权利要求1所述的用于研究气体水合物相变规律的系统，其特征在于，所述水合物生成机构包括透明的反应容器(101)和位于所述反应容器(101)中的活塞(105)，所述反应容器(101)和所述活塞(105)构成反应腔室，所述反应腔室连通所述供应机构，所述活塞(105)能够在所述反应容器(101)中移动以改变所述反应腔室的容积和压力，所述反应容器(101)中设置有磁力旋转搅拌球(106)，所述水合物生成机构包括用于支撑并带动所述反应容器发生旋转的旋转单元(102)，以使所述磁力旋转搅拌球(106)在所述反应腔室中运动。
3.根据权利要求2所述的用于研究气体水合物相变规律的系统，其特征在于，所述传感分析机构包括力学传感器(204)、压力传感器(204)和温度传感器(206)，所述力学传感器(204)设置在所述活塞(105)的活塞面上以及所述反应容器(101)的与所述活塞面相对的端面上，所述压力传感器(205)用于监测所述反应腔室中的压力，所述温度传感器(206)用于监测所述反应腔室中的温度。
4.根据权利要求2所述的用于研究气体水合物相变规律的系统，其特征在于，所述传感分析机构包括红外单元、热导单元和核磁共振单元，所述红外单元包括用于照射所述反应腔室的红外光源(201)和连接所述红外光源(201)的红外气体分析仪(301)，所述活塞(105)上设置有用于配合所述红外光源(201)的发射板；所述热导单元包括伸入所述反应腔室中的热敏探头(202)和连接所述热敏探头(202)的热导式气体分析仪(302)；所述核磁共振单元包括包覆所述反应容器(101)的核磁共振监测容器(203)和连接所述核磁共振监测容器的核磁共振元素分析仪(303)，所述核磁共振监测容器(203)用于监测所述反应腔体中利用同位素标记法所标记的同位素，所述核磁共振元素分析仪(303)用于分析所述核磁共振监测容器(203)的监测结果。
5.根据权利要求1所述的用于研究气体水合物相变规律的系统，其特征在于，所述供应机构包括气体储存容器(401)、气体混合容器(402)、溶液储存容器(403)和泵件(404)，多个所述气体储存容器(403)连接所述气体混合容器(402)且每个所述气体储存容器(403)仅储存同种气体，以使不同的气体能够在所述气体混合容器(402)中呈比例地混合，所述气体混合容器(402)和所述溶液储存容器(403)分别连接所述泵件(404)以通过所述泵件(404)向所述水合物生成机构分别供应气体和液体。
6.根据权利要求1所述的用于研究气体水合物相变规律的系统，其特征在于，所述系统包括微观观察机构，所述微观观察机构连接所述水合物生成机构以使所述水合物生成机构中反应生成的混合流体进入所述微观观察机构，其中，所述微观观察机构包括用于进行微观观察的显微镜(207)和连接所述水合物生成机构的透明的装载片(107)，所述装载片(107)用于容纳所述混合流体。
7.根据权利要求6所述的用于研究气体水合物相变规律的系统，其特征在于，所述微观观察机构的下游依次连接有气液分离装置(407)和气相色谱仪(304)，所述气相色谱仪(304)用于接收所述气液分离装置(407)分离出的气体并对所述气体进行分析。
8.用于研究气体水合物相变规律的方法，其特征在于，该方法利用权利要求1提供的用于研究气体水合物相变规律的系统，该方法包括：
S1：利用所述供应机构向所述水合物生成机构供应液体和气体；
S2：调节所述水合物生成机构的压力和温度，以使得所述液体和所述气体在所述水合物生成机构中发生形成水合物的反应，利用所述传感分析机构监测形成水合物的反应过程，并对监测数据进行分析。
9.根据权利要求8所述的用于研究气体水合物相变规律的方法，其特征在于，
步骤S1包括以下步骤：
S11：通过控制所述供应机构的各个气体储存容器(401)向所述供应机构的气体混合容器(402)通入气体的量，来控制所述气体混合容器(402)中各组分气体的比例，通过泵件(404)将所述供应机构的溶液池(403)中的溶液充满所述水合物生成机构中的反应腔室以排出所述反应腔室中的气体；
S12：通过所述泵件(404)将所述气体混合容器(402)中的气体通入所述反应腔室，从而排出所述反应腔室中的部分液体；
步骤S2中，封闭所述水合物生成机构中的反应腔室，通过压力传感器(205)监测所述反应腔室的压力，并通过移动所述水合物生成机构的反应容器(101)中的活塞(105)使得所述反应腔室中的压力保持恒定，以使所述反应腔室中的气体和液体能够发生反应形成水合物。
10.根据权利要求9所述的用于研究气体水合物相变规律的方法，其特征在于，
在步骤S11中，对所述气体储存容器(401)中的气体和/或所述溶液池(403)中的液体进行同位素标记；
在步骤S2中，利用所述传感分析机构的核磁共振监测容器(203)监测所述反应腔室中的被同位素标记法所标记的同位素，并通过所述传感分析机构的核磁共振元素分析仪(303)对所述核磁共振监测容器(203)得到的监测结果进行分析。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910418800.8A CN110208308B (zh) | 2019-05-20 | 2019-05-20 | 用于研究气体水合物相变规律的系统及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910418800.8A CN110208308B (zh) | 2019-05-20 | 2019-05-20 | 用于研究气体水合物相变规律的系统及方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110208308A true CN110208308A (zh) | 2019-09-06 |
| CN110208308B CN110208308B (zh) | 2022-04-15 |
Family
ID=67787853
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910418800.8A Active CN110208308B (zh) | 2019-05-20 | 2019-05-20 | 用于研究气体水合物相变规律的系统及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110208308B (zh) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110749529A (zh) * | 2019-10-23 | 2020-02-04 | 中国石油大学(北京) | 原油固相沉积规律测试装置 |
| CN110927201A (zh) * | 2019-12-11 | 2020-03-27 | 北京理工大学 | 一种基于dic的热膨胀相变测量方法 |
| CN112540098A (zh) * | 2020-12-02 | 2021-03-23 | 中国地质大学（北京） | 一种沉积物中气体水合物相平衡条件测定装置及方法 |
| CN117213642A (zh) * | 2023-10-17 | 2023-12-12 | 江苏大学 | 基于红外成像的水合物成核相变温度测试系统及方法 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009046656A (ja) * | 2007-07-24 | 2009-03-05 | Mitsui Eng & Shipbuild Co Ltd | ガスハイドレート製造装置及びガスハイドレート濃度測定装置 |
| CN104453794A (zh) * | 2014-11-20 | 2015-03-25 | 中国科学院广州能源研究所 | 天然气水合物开采全过程模拟实验系统及模拟方法 |
| CN105486805A (zh) * | 2015-11-24 | 2016-04-13 | 西南石油大学 | 天然气水合物多功能测试系统及方法 |
| CN106969957A (zh) * | 2017-04-20 | 2017-07-21 | 天津大学 | 一种多功能气体水合物实验系统 |
| CN109254137A (zh) * | 2018-09-21 | 2019-01-22 | 青岛海洋地质研究所 | 联合x-ct技术的水合物沉积物流固体产出测量装置及测量方法 |
| CN109557253A (zh) * | 2018-11-02 | 2019-04-02 | 广州海洋地质调查局 | 一种综合性水合物模拟系统及其实验方法 |
| CN109611027A (zh) * | 2018-12-25 | 2019-04-12 | 中海石油(中国)有限公司湛江分公司 | 水合物钻井模拟系统以及模拟方法 |
-
2019
- 2019-05-20 CN CN201910418800.8A patent/CN110208308B/zh active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009046656A (ja) * | 2007-07-24 | 2009-03-05 | Mitsui Eng & Shipbuild Co Ltd | ガスハイドレート製造装置及びガスハイドレート濃度測定装置 |
| CN104453794A (zh) * | 2014-11-20 | 2015-03-25 | 中国科学院广州能源研究所 | 天然气水合物开采全过程模拟实验系统及模拟方法 |
| CN105486805A (zh) * | 2015-11-24 | 2016-04-13 | 西南石油大学 | 天然气水合物多功能测试系统及方法 |
| CN106969957A (zh) * | 2017-04-20 | 2017-07-21 | 天津大学 | 一种多功能气体水合物实验系统 |
| CN109254137A (zh) * | 2018-09-21 | 2019-01-22 | 青岛海洋地质研究所 | 联合x-ct技术的水合物沉积物流固体产出测量装置及测量方法 |
| CN109557253A (zh) * | 2018-11-02 | 2019-04-02 | 广州海洋地质调查局 | 一种综合性水合物模拟系统及其实验方法 |
| CN109611027A (zh) * | 2018-12-25 | 2019-04-12 | 中海石油(中国)有限公司湛江分公司 | 水合物钻井模拟系统以及模拟方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 蓝金辉 等: "《冶金计量》", 30 November 2006, 中国计量出版社 * |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110749529A (zh) * | 2019-10-23 | 2020-02-04 | 中国石油大学(北京) | 原油固相沉积规律测试装置 |
| CN110749529B (zh) * | 2019-10-23 | 2021-08-13 | 中国石油大学(北京) | 原油固相沉积规律测试装置 |
| CN110927201A (zh) * | 2019-12-11 | 2020-03-27 | 北京理工大学 | 一种基于dic的热膨胀相变测量方法 |
| CN112540098A (zh) * | 2020-12-02 | 2021-03-23 | 中国地质大学（北京） | 一种沉积物中气体水合物相平衡条件测定装置及方法 |
| CN117213642A (zh) * | 2023-10-17 | 2023-12-12 | 江苏大学 | 基于红外成像的水合物成核相变温度测试系统及方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110208308B (zh) | 2022-04-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110208308A (zh) | 用于研究气体水合物相变规律的系统及方法 | |
| CA2645598C (en) | Method for operating a couette device to create and study emulsions | |
| US7897330B2 (en) | Methods for characterizing enzyme inhibitors | |
| Yan et al. | Drag coefficient prediction of a single bubble rising in liquids | |
| US20090220385A1 (en) | Liquid dispensing for high-throughput experimentation | |
| CN105301205A (zh) | 一种可视化的气体水合物动力学实验装置 | |
| US4973165A (en) | Method of generating precisely-defined wall shearing stresses | |
| CN111239132A (zh) | 一种可视化高压微流控水合物模拟实验装置及其应用 | |
| Taghavi et al. | Buoyant miscible displacement flows at moderate viscosity ratios and low Atwood numbers in near-horizontal ducts | |
| CN105498640A (zh) | 多功能标准气体发生装置 | |
| CN102798585A (zh) | 大型可温控自动搅拌沉降密实试验装置及试验方法 | |
| EP3341565B1 (en) | Liquid sampling container with internal mixer | |
| CN109632795B (zh) | 水合物的微观观测系统 | |
| CN206064202U (zh) | 一种动态气液混合配气仪 | |
| Yan et al. | Flow characterization of gas-liquid with different liquid properties in a Y-type microchannel using electrical resistance tomography and volume of fluid model | |
| Pinelli et al. | Dispersion coefficients and settling velocities of solids in slurry vessels stirred with different types of multiple impellers | |
| Vagnoni et al. | Oxygen diffusion through air–water free surfaces in a pump–turbine operating in condenser mode | |
| Yamagata et al. | Experimental study on laminar mixing in planetary mixer | |
| CN107976529B (zh) | 一种多功能反应釜实验系统及实验方法 | |
| Nüllig et al. | Experiments on the mass transfer of gas bubbles in mineral oil | |
| Nedeljkovic et al. | Virtual instrumentation used in engineering education set-up of hydraulic pump and system | |
| Altheimer et al. | Flow regime and liquid–solid mass transfer investigation in a designed porous structure using electrochemical micro-probes | |
| Zeng et al. | Quantitative study of droplet generation by pressure-driven microfluidic flows in a flow-focusing microdroplet generator | |
| CN105527376A (zh) | 一种化学报警器检定装置 | |
| Szalai et al. | Laminar mixing: a dynamical systems approach |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |