CN110865153A - 一种水合物多相流环路实验装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是一种水合物多相流环路实验装置及实验方法，其中水合物多相流环路实验装置包括稳压供气系统、稳压供液系统、水合物生成系统、温度压力控制系统、水合物分解分离系统、数据采集控制系统，稳压供气系统由高压气瓶、压力调节器、入口气体流量计、气体预冷盘管、第一高压阀门通过管线依次连接组成；稳压供液系统包括高压柱塞泵、高压容器、第二高压阀门、第三高压阀门、第四高压阀门、第五高压阀门、第六高压阀门、第七高压阀门；水合物生成系统包括气液雾化器、模型管路、高压可视窗，模型管路为3根直管段和2根圆弧弯管段连接成的S形循环管路。本发明中水合物生成系统采用S形循环管路，有效提高了反应效率。

Description

一种水合物多相流环路实验装置及实验方法

技术领域

本发明涉及天然气水合物生成和水合物抑制剂评价筛选的研究方法及装置，具体涉及的是一种水合物多相流环路实验装置及实验方法。

背景技术

水合物的生成和分离分解，受温度、压力、时间等多重因素的综合影响，如何利用最有效的装置和方法调控好流型的转化、压降变化、多相层流、段塞流的稳定，是整个实验的关键所在。

为了开展研究气体水合物的合成、分解、热力学以及管路输送的方法，寻找更好的利用开发水合物流动技术，本发明为研制天然气水合物分解多相流动及热模拟实验装置的设计和加工，开发出了水合物管路输送的实验装置，为气体水合物的开发研究提供了操作平台。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种水合物多相流环路实验装置，为气体水合物的开发研究提供一种操作平台，本发明的另一个目的是提供这种水合物多相流环路实验方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种水合物多相流环路实验装置包括稳压供气系统、稳压供液系统、水合物生成系统、温度压力控制系统、水合物分解分离系统、数据采集控制系统，稳压供气系统由高压气瓶、压力调节器、入口气体流量计、气体预冷盘管、第一高压阀门通过管线依次连接组成，气体预冷盘管放置于第一恒温水浴箱中，第一高压阀门后端与气液雾化器连接；稳压供液系统包括高压柱塞泵、高压容器、第二高压阀门、第三高压阀门、第四高压阀门、第五高压阀门、第六高压阀门、第七高压阀门，高压容器上端通过管线连接第三高压阀门、第四高压阀门，第四高压阀门后端连接排空管，高压容器下端通过管线连接第六高压阀门、第七高压阀门，高压容器外设置水夹套，水夹套通过管线连接至第一恒温水浴，第七高压阀门后端管线插入到水溶液罐，高压柱塞泵下端通过管线连接至第七高压阀门前端，高压柱塞泵上端通过管线连接至第四高压阀门前端，然后再连接至第二高压阀门，第二高压阀门连接至气液雾化器，气液雾化器通过管线连接化学剂注入泵；水合物生成系统包括气液雾化器、模型管路、高压可视窗，模型管路为3根直管段和2根圆弧弯管段连接成的S形循环管路，S形循环管路外置水夹套，水夹套与第二恒温水浴箱连接，S形循环管路的入口连接气液雾化器，S形循环管路的出口连接高压可视窗；温度压力控制系统包括安装在S形循环管路入口、出口处的温度传感器和压力传感器、S形循环管路的2个圆弧弯管段的出口处的温度传感器和压力传感器、高压容器上的温度传感器和压力传感器，第一恒温水浴、第二恒温水浴，上述各温度传感器与各压力传感器将数据传输到计算机；水合物分解分离系统包括高压背压阀、气液固三相分离器，高压背压阀前端与S形循环管路末端连接，高压背压阀后端连接气液固三相分离器，气液固三相分离器上端通过管线经出口气体流量计连接至气体收集罐，气液固三相分离器下端通过管线连接至水溶液罐，高压背压阀前端还设有一个旁路管线，由S形循环管路末端直接连接至水溶液罐；数据采集控制系统设置在计算机中。

上述方案中第一恒温水浴、第二恒温水浴均包括冷水机、冷循环泵及水浴箱，第一恒温水浴对供气系统和高压容器进行换热恒温，第二恒温水浴对水合物生成系统进行换热恒温。

上述方案中高压容器的容积为6.5L,耐压15MPa，温度范围为-10℃--85℃。

上述方案中S形循环管路由两段弧长1000mm圆弧弯管和三根长度为2000mm的直管组成，三根直管之间的间距均为650mm。

上述水合物多相流环路实验装置实验方法：

首先，将恒温水浴温度调整到2—5℃，开启恒温水浴降温，并开启水浴的外循环泵对高压容器、管路进行冷却，然后，将水溶液罐加满水，关闭第一高压阀门、第四高压阀门、第五高压阀门、第六高压阀门，打开第二高压阀门、第三高压阀门、第七高压阀门，将第七高压阀门吸水管插入到水溶液管液面以下，开启柱塞泵对高压容器及试验管路同时注水，至高压容器压力至5MPa，停止柱塞泵，关闭第七高压阀门。将高压调节阀关闭，打开高压气瓶出口阀，观察高压调节阀后的压力表，根据实验需要将高压调节阀打开至合理的开度，打开第一高压阀门，气体经第一气体流量计进入气体预冷却盘冷却后，注进气液雾化器；打开化学剂注入泵，将化学剂缓慢的注入到S形循环管路中；

打开第五高压阀门、第六高压阀门、第九高压阀门，关闭第三高压阀门，随着温度的下降，注入的气液混合物逐渐形成水合物，温度的下降，水合物的生成，管路中气体的消耗，通过调整高压调压阀，不断补充气体维持实验管路压力，开启柱塞泵，让流体流动起来，此时的高压容器起缓冲罐的作用。通过观察S形循环管路进出口及2个圆弧弯道安装的4个温度传感器、压力传感器的测量数据，判定循环管路内部温度是否符合水合物生成的条件，监测判断水合物在S形循环管路是否堵塞。通过高压可视窗，观察系统流程管路内流体流动情况及水合物生成的情况；

通过入口气体流量计、出口气体流量计监测注入的气体量和分解排除的气体量；

水合物生成后，调高第二恒温水浴的温度，对S形循环管路内的水合物进行分解，高压背压阀自动打开泄压，分解后气液混合物经气液固三相分离器分离后，分解成气和水，打开第十高压阀门，气体经出口气体流量计计量后排出，打开第八高压阀门，将分离产生的水回收；

压力传感器、温度传感器、气体流量计将数据传输到计算机进行显示、记录和保存，计算机显示整个流程界面，实现可视化操作，计算机采集的可生成原始数据报表，同时生成数据库文件。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明中水合物生成系统采用S 形循环管路，延长了水合物反应的管路，有效提高了反应效率。

2、本发明采用两套恒温水浴分别对供气供液系统和水合物生成系统进行换热恒温，有利于整个实验装置的温度调整和控制。

3、本发明采用模块化设计，各模块之间相互独立，通过接口交换数据，结构简洁，维护方便。

附图说明

图1为水合物多相流环路实验装置结构示意图。

图中：1高压气瓶 2压力调节器 3入口气体流量计 4气体预冷盘管 5第一恒温水浴 6第二恒温水浴 7化学剂注入泵 8第一高压阀门 9气液雾化器 10第二高压阀门 11第四高压阀门 12第三高压阀门 13高压柱塞泵 14高压容器 15第六高压阀门 16 第七高压阀门 17第五高压阀门 18水溶液罐 19高压可视窗 20 S形循环管路21高压背压阀 22气液固三相分离器 23第八高压阀门 24第九高压阀门 25第十高压阀门 26出口气体流量计 27 压力传感器 28温度传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

如图1所示，水合物多相流环路实验装置包括稳压供气系统、稳压供液系统、水合物生成系统、温度压力控制系统、水合物分解分离系统、数据采集控制系统，稳压供气系统由高压气瓶1、压力调节器2、入口气体流量计3、气体预冷盘管4、第一高压阀门8通过管线依次连接，气体预冷盘管4放置于第一恒温水浴箱中，第一高压阀门8后端与气液雾化器9连接；稳压供液系统包括高压柱塞泵13、高压容器14、第二高压阀门10、第三高压阀门12、第四高压阀门11、第五高压阀门17、第六高压阀门15、第七高压阀门16，高压容器14的容积为6.5L、耐压为15MPa、温度范围为-10℃至85℃，高压容器14上端通过管线连接第三高压阀门12、第四高压阀门11，第四高压阀门11后端连接排空管，高压容器14下端通过管线连接第六高压阀门15、第七高压阀门16，高压容器14外设置水夹套，水夹套通过管线连接至第一恒温水浴5，第七高压阀门16后端管线插入到水溶液罐18，高压柱塞泵13下端通过管线连接至第七高压阀门16前端，高压柱塞泵13上端通过管线连接至第四高压阀门11前端，然后再连接至第二高压阀门10，第二高压阀门10后端连接至气液雾化器9，气液雾化器9后端通过管线连接化学剂注入泵7；水合物生成系统包括气液雾化器9、模型管路、高压可视窗19，模型管路为3根长度为2000mm的直管段和2根弧长为1000m的圆弧弯管段连接成S形循环管路20，三根直管之间的间距均为650mm，S形循环管路20外置水夹套，水夹套与第二恒温水浴箱连接，S形循环管路20的入口连接气液雾化器9，S形循环管路20的出口连接高压可视窗19；温度压力控制系统包括安装在S形循环管路20入口、出口处的温度传感器28与压力传感器27、S形循环管路20的2个弯管的出口处的温度传感器28与压力传感器27、高压容器14上的温度传感器28与压力传感器27及第一温恒温水浴5和第二恒温水浴6两套高低温恒温水浴，温度传感器28与压力传感器27将数据传输到计算机；水合物分解分离系统包括高压背压阀21、气液固三相分离器22，高压背压阀21前端与S形循环管路20末端连接，高压背压阀21后端连接气液固三相分离器22，气液固三相分离器22上端通过管线经出口气体流量计26连接至气体收集罐，气液固三相分离器22下端通过管线连接至水溶液罐18，高压背压阀21前端还设施有一个旁路管线，由S形循环管路20末端直接连接至水溶液罐18；数据采集控制系统包括压力传感器27、温度传感器28、流量计，5个压力传感器27分别安装在高压容器1个、S循环管路进出口各一个、2个圆弧弯道各一个，5个温度传感器28分别安装在高压容器1个、S循环管路进出口各一个，2个圆弧弯道各一个，压力传感器27、温度传感器28、气体流量计将数据传输到计算机。恒温水浴包括冷水机、冷循环泵及水浴箱，第一恒温水浴5对供气系统和高压容器14进行换热恒温，第二恒温水浴6对水合物生成系统进行换热恒温。

这种水合物多相流环路实验装置实验方法：

首先，将恒温水浴温度调整到2—5℃，开启恒温水浴降温，并开启水浴的外循环泵对高压容器14、管路进行冷却，然后，将水溶液罐18加满水，关闭第一高压阀门8、第四高压阀门11、第五高压阀门17、第六高压阀门15，打开第二高压阀门10、第三高压阀门12、第七高压阀门16，将第七高压阀门16吸水管插入到水溶液罐18液面以下，开启高压柱塞泵13对高压容器14及试验管路同时注水，至高压容器压力至5MPa，停止高压柱塞泵13，关闭第七高压阀门16。将高压调节阀关闭，打开高压气瓶1出口阀，观察高压调节阀后的压力表，根据实验需要将高压调节阀打开至合理的开度，打开第一高压阀门8，气体经入口气体流量计3进入气体预冷却盘管4冷却后，注进气液雾化器9；打开化学剂注入泵7，将化学剂缓慢的注入到S形循环管路20中。

打开第五高压阀门17、第六高压阀门15、第九高压阀门24，关闭第三高压阀门12，随着温度的下降，注入的气液混合物逐渐形成水合物，温度的下降，水合物的生成，管路中气体的消耗，通过调整高压调压阀，不断补充气体维持实验管路压力，开启高压柱塞泵13，让流体流动起来，此时的高压容器14起缓冲罐的作用。通过观察S形循环管路进出口及2个圆弧弯道安装的4个温度传感器28、压力传感器27的测量数据，判定循环管路内部温度是否符合水合物生成的条件，监测判断水合物在S形循环管路20是否堵塞。通过高压可视窗19，观察系统流程管路内流体流动情况及水合物生成的情况。

通过入口气体流量计3、出口气体流量计26监测注入的气体量和分解排除的气体量。

水合物生成后，调高第二恒温水浴6的温度，对S形循环管路20内的水合物进行分解，高压背压阀21自动打开泄压，分解后气液混合物经气液固三相分离器22分离后，分解成气和水，打开第十高压阀门25，气体经出口气体流量计26计量后排出，打开第八高压阀门23，将分离产生的水回收。

压力传感器27、温度传感器28、气体流量计将数据传输到计算机进行显示、记录和保存，计算机显示整个流程界面，实现可视化操作，计算机采集的可生成原始数据报表，同时生成数据库文件。

主要技术参数：

1、工作压力：15MPa，压力精度0.28%；

2、工作温度：-5—80℃；控温精度±1℃；

3、气体质量流速：0.3—1.5Kg/min；

4、水/气摩尔比：6.0—8.5；

5、反应器的进口压力为5—15MPa，出口压力为4—8MPa，反应系统压力差维持为0.25—1.8MPa。

Claims (5)

1.一种水合物多相流环路实验装置，其特征在于：这种水合物多相流环路实验装置包括稳压供气系统、稳压供液系统、水合物生成系统、温度压力控制系统、水合物分解分离系统、数据采集控制系统，数据采集控制系统设置在计算机中；

稳压供气系统由高压气瓶（1）、压力调节器（2）、入口气体流量计（3）、气体预冷盘管（4）、第一高压阀门（8）通过管线依次连接组成，气体预冷盘管（4）放置于第一恒温水浴箱中，第一高压阀门（8）后端与气液雾化器（9）连接；

稳压供液系统包括高压柱塞泵（13）、高压容器（14）、第二高压阀门（10）、第三高压阀门（12）、第四高压阀门（11）、第五高压阀门（17）、第六高压阀门（15）、第七高压阀门（16），高压容器（14）上端通过管线连接第三高压阀门（12）、第四高压阀门（11），第四高压阀门（11）后端连接排空管，高压容器（14）下端通过管线连接第六高压阀门（15）、第七高压阀门（16），高压容器（14）外设置水夹套，水夹套通过管线连接至第一恒温水浴（5），第七高压阀门（16）后端管线插入到水溶液罐（18），高压柱塞泵（13）下端通过管线连接至第七高压阀门（16）前端，高压柱塞泵（13）上端通过管线连接至第四高压阀门（11）前端，然后再连接至第二高压阀门（10），第二高压阀门（10）连接至气液雾化器（9），气液雾化器（9）通过管线连接化学剂注入泵（7）；

水合物生成系统包括气液雾化器（9）、模型管路、高压可视窗（19），模型管路为3根直管段和2根圆弧弯管段连接成的S形循环管路（20），S形循环管路（20）外置水夹套，水夹套与第二恒温水浴箱连接，S形循环管路（20）的入口连接气液雾化器（9），S形循环管路（20）的出口连接高压可视窗（19）；

温度压力控制系统包括安装在S形循环管路入口、出口处的温度传感器（28）和压力传感器（27）、S形循环管路的2个圆弧弯管段的出口处的温度传感器（28）和压力传感器（27）、高压容器（14）上的温度传感器（28）和压力传感器（27），第一恒温水浴（5）、第二恒温水浴（6），上述各温度传感器（28）与各压力传感器（27）将数据传输到计算机；

水合物分解分离系统包括高压背压阀（21）、气液固三相分离器（22），高压背压阀（21）前端与S形循环管路（20）末端连接，高压背压阀（21）后端连接气液固三相分离器（22），气液固三相分离器（22）上端通过管线经出口气体流量计（26）连接至气体收集罐，气液固三相分离器（22）下端通过管线连接至水溶液罐（18），高压背压阀（21）前端还设有一个旁路管线，由S形循环管路（20）末端直接连接至水溶液罐（18）。

2.根据权利要求1所述的水合物多相流环路实验装置，其特征在于：所述的第一恒温水浴（5）、第二恒温水浴（6）均包括冷水机、冷循环泵及水浴箱，第一恒温水浴（5）对供气系统和高压容器进行换热恒温，第二恒温水浴（6）对水合物生成系统进行换热恒温。

3.根据权利要求2所述的水合物多相流环路实验装置，其特征在于：所述的高压容器（14）的容积为6.5L,耐压15MPa，温度范围为-10℃--85℃。

4.根据权利要求3所述的水合物多相流环路实验装置，其特征在于：所述的S形循环管路（20）由两段弧长1000mm圆弧弯管和三根长度为2000mm的直管组成，三根直管之间的间距均为650mm。

5.一种权利要求1或2或3或4所述的水合物多相流环路实验装置的实验方法，其特征在于包括如下步骤：

首先，将恒温水浴温度调整到2—5℃，开启恒温水浴降温，并开启水浴的外循环泵对高压容器（14）、管路进行冷却，然后，将水溶液罐（18）加满水，关闭第一高压阀门（8）、第四高压阀门（11）、第五高压阀门（17）、第六高压阀门（15），打开第二高压阀门（10）、第三高压阀门（12）、第七高压阀门（16），将第七高压阀门（16）吸水管插入到水溶液罐（18）液面以下，开启高压柱塞泵（13）对高压容器（14）及试验管路同时注水，至高压容器压力至5MPa，停止高压柱塞泵（13），关闭第七高压阀门（16）；

将高压调节阀关闭，打开高压气瓶出口阀，观察高压调节阀后的压力表，根据实验需要将高压调节阀打开至合理的开度，打开第一高压阀门（8），气体经入口气体流量计（3）进入气体预冷却盘管（4）冷却后，注进气液雾化器（9）；打开化学剂注入泵（7），将化学剂缓慢的注入到S形循环管路（20）中；

打开第五高压阀门（17）、第六高压阀门（15）、第九高压阀门（24），关闭第三高压阀门（12），随着温度的下降，注入的气液混合物逐渐形成水合物，温度的下降，水合物的生成，管路中气体的消耗，通过调整高压调压阀，不断补充气体维持实验管路压力，开启高压柱塞泵（13），让流体流动起来，此时的高压容器（14）起缓冲罐的作用；

通过观察S形循环管路进出口及2个圆弧弯道安装的4个温度传感器（28）、压力传感器（27）的测量数据，判定循环管路内部温度是否符合水合物生成的条件，监测判断水合物在S形循环管路是否堵塞；

通过高压可视窗（19），观察系统流程管路内流体流动情况及水合物生成的情况；

通过入口气体流量计（3）、出口气体流量计（26）监测注入的气体量和分解排除的气体量；

水合物生成后，调高第二恒温水浴（6）的温度，对S形循环管路（20）内的水合物进行分解，高压背压阀（21）自动打开泄压，分解后气液混合物经气液固三相分离器（22）分离后，分解成气和水，打开第十高压阀门（25），气体经出口气体流量计（26）计量后排出，打开第八高压阀门（23），将分离产生的水回收；

压力传感器（27）、温度传感器（28）、气体流量计将数据传输到计算机进行显示、记录和保存，计算机显示整个流程界面，实现可视化操作，计算机采集的可生成原始数据报表，同时生成数据库文件。

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