CN112546962B - 一种气体水合物柱体快速制备装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体水合物柱体快速制备装置及方法，包括耐高压釜、压力控制装置、补液装置、排液装置、温度测控装置、液压控制装置和电加热装置。本发明在水合物生成过程中，耐高压釜的顶部活塞通过小幅度的往复运动使耐高压釜内的气相压力产生震荡进而溶解的气体在液相中形成大量鼓泡，以提高耐高压釜内的气液接触面积，加速水合物的生成。在耐高压釜内的溶液转变成固态水合物后，耐高压釜的顶部活塞通过压缩形成的水合物粉体以获得块状水合物。本发明能够提供具有规则几何形状的水合物样品，装置结构简单，运行稳定，能耗较低。

Description

一种气体水合物柱体快速制备装置及方法

技术领域

本发明涉及水合物制备领域，具体涉及一种气体水合物柱体快速制备装置及方法。

背景技术

气体水合物是一种以甲烷、二氧化碳、氮气为主要成分的小分子气体和水分子组成的具有笼状结构的类冰状结晶化合物。在低温和高压条件下，天然气水合物能够稳定存在。在常温常压下，天然气水合物会快速分解形成游离的天然气和水。自然形成的气体水合物广泛分布于深海沉积物或者大陆永久冻土层中。近年来随着天然气水合物在全球范围内的大量发现，使其成为一种极具开发潜力的可替代能源。目前，在全球范围内已经探明的天然气水合物储量高达2.1×10¹⁶ m³，是传统化石能源总量的两倍以上。与此同时，气体水合物的储气密度大，1个标准体积的气体水合物可以存储高达160标准体积的气体。相比于液化天然气，天然气水合物存储所需的温度和压力条件比较温和，可以应用于天然气储运。我国拥有丰富的天然气水合物资源。因此，研发天然气水合物快速制备装置对于研究天然气水合物的动力学特性和机理，开发以水合物为储能材料的天然气储运技术以及水合物法海水淡化技术等具有十分重要的意义。

由于气体水合物通常在低于20℃的高压环境下生成，且生成的水合物通常为多孔蓬松堆积的类似雪状的晶体，这对于研究水合物比表面积对水合物的生成、分解和置换过程的影响形成了巨大阻碍。同时，疏松多孔的形貌会使水合物对周围环境的更加敏感，加速水合物分解，不利于对水合物样品的转运和处理。因此，将自然形成的水合物压缩成具有规则形状的块体，将对水合物研究和相关产业化发展起到推动作用。目前，水合物样品的后处理方法较为复杂。常用的水合物方法是将水合物样品冷冻至液氮温度以降低水合物在常压下的分解速率，然后在常压下对水合物样品进行研磨、定形，或者先把用于水合物合成的水溶液冷冻成冰，将冰粉研磨定形后再生成水合物。以上两种方式均需要对水合物样品在液氮环境下进行处理，也会对水合物样品的饱和度产生影响。将水合物在其生成环境下进行压缩定形将会极大的简化样品后处理方法。

综上所述，研发一套可以快速制备具有规则形状的天然气水合物的装置，对于定量研究天然气水合物的反应动力学过程，确定水合物反应动力学相关参数，同时，丰富和拓展水合物法气体储运方法，推广和普及天然气水合物开采和储运技术，都具有十分重要的价值。

发明内容

为了实现在水合物生成条件下的制备和成形，同时简化耐高压设备的机械结构，本发明利用活塞往复运动的机械方式，提供了一种适用于制备气体水合物柱体的实验装置。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种气体水合物柱体快速制备装置，包括耐高压釜、压力控制装置、补液装置、排液装置、温度测控装置、液压控制装置和电加热装置；

所述的耐高压釜中的水合物合成腔体为圆柱形，轴线与水平面垂直，顶部设有液压驱动的用于改变水合物合成腔体容积的活塞，底部设有排液孔，活塞与耐高压釜上端盖构成密闭的液压腔体，用于盛放耐高压的液压油，活塞顶面设有穿出耐高压釜上端盖的活塞杆，活塞杆和活塞内部设有与水合物合成腔体连通的高压气体管路和补给液管路，耐高压釜侧壁上部设有液压油孔；

所述的压力控制装置与活塞杆的高压气体管路相连，用于向耐高压釜中的水合物合成腔体补给气体；

所述的补液装置与活塞杆的补给液管路相连，用于向耐高压釜中的水合物合成腔体补给水溶液；

所述的排液装置与耐高压釜中的水合物合成腔体底部的排液孔相连，用于排除耐高压釜中的水合物合成腔体中的过量水溶液；

所述的温度测控装置用于控制耐高压釜中的水合物合成腔体的温度；

所述的液压控制装置与耐高压釜侧壁上部的液压油孔相连，用于控制活塞的运动；

所述的电加热装置设置在耐高压釜底部，用于加热溶解水合物合成腔体的气体水合物，以修正水合物体积和外形。

进一步地，所述的压力控制装置包括高压气源、减压阀、止回阀、安全阀和压力变送器，高压气源依次经减压阀、止回阀、安全阀、压力变送器与活塞杆的高压气体管路相连。

进一步地，所述的补液装置包括平流泵，通过补给液管路向耐高压釜中的水合物合成腔体补给溶液。

进一步地，所述的排液装置包括与耐高压釜中的水合物合成腔体底部的排液孔相连排液阀。

进一步地，所述的温度测控装置包括温度传感器和空气浴；温度传感器用于测量耐高压釜中的水合物合成腔体的温度变化，空气浴用于为耐高压釜提供恒定的温度环境。

进一步地，所述的温度传感器包括：贴附于耐高压釜外壁面的温度计，或照射在耐高压釜外壁面的红外线测温仪。

进一步地，所述的液压控制装置包括位移传感器和液压泵，位移传感器固定在耐高压釜中的活塞杆上，自由端的探针与耐高压釜上端盖外表面接触，液压泵与耐高压釜侧壁上部的液压油孔相连。

本发明同时还提供一种气体水合物柱体快速制备方法，基于上述的气体水合物柱体快速制备装置实现，包括：

（1）水合物快速生成：在水合物生成过程中控制耐高压釜内活塞做往复运动，引起耐高压釜中的水合物合成腔体内的气相压力产生震荡进而使溶解的气体在液相中形成大量鼓泡，以提高水合物合成腔体内的气液接触面积，加速水合物的生成；

（2）水合物柱体压制：在耐高压釜中水溶液全部转化成固体水合物后，利用耐高压釜内活塞持续压缩水合物合成腔体的容积以获得紧密规则的水合物柱体；当水合物柱体的高度过小时，重复进行水合物快速生成和水合物柱体压制，直至所压制的水合物柱体的外形尺寸参数符合要求；当水合物柱体的高度过大时，开启耐高压釜底部的电加热装置，溶解部分水合物，开启排液阀，使水合物溶解形成的水溶液排出耐高压釜，再次进行水合物柱体压制，直至所压制的水合物柱体的外形尺寸参数符合要求。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、装置主体的结构简单，通过耐高压釜内的活塞运动，既实现水合物的快速生成，又实现水合物在高压环境下的块体压制。

2、装置采用活塞往复运动的方式使水溶液中形成大量气泡来提升气液接触面积，强化水合物生成过程。

3、配套的压力控制装置、补液装置、排液装置和电加热装置为进一步实现在高压环境下的连续制备奠定了基础。

4、本申请的水合物块体制备原理和工艺也可为水合物法气体储运和海水淡化技术的应用提供重要参考。

附图说明

图1是本发明的气体水合物柱体快速制备装置的结构示意图；

附图标记说明：1-耐高压釜；2-位移传感器；3-排液阀；4-直流稳压电源；5-温度传感器，6-液压泵；7-数据采集与控制系统；8-压力变送器；9-安全阀；10-止回阀；11-减压阀；12-平流泵；13-高压气源。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本实施例的一种气体水合物柱体快速制备装置，主要包括耐高压釜、压力控制装置、补液装置、排液装置、温度测控装置、液压控制装置、电加热装置及数据采集与控制系统。

耐高压釜1为装置主体，其内部为轴线竖直的圆柱体，通过一活塞将内部腔体分隔成位于上部的液压腔体和位于下部的水合物合成腔体，用于水合物柱体的合成和压制。活塞杆通过耐高压釜1顶部端盖的通孔与活塞固定连接。活塞杆和活塞内部设有高压气体管路和补给液管路将水合物合成腔体与压力控制装置和补液装置相连通。耐高压釜1侧壁上部设有液压油孔，将液压控制装置与液压腔体相连通。耐高压釜1底部设有排液孔和电加热装置，分别与排液装置和直流稳压电源4相连。

压力控制装置主要包括高压气源13、减压阀11、止回阀10、压力变送器8和安全阀9，高压气源13通过高压管线依次经减压阀11、止回阀10、安全阀9、压力变送器8和活塞杆中的高压气体管路连通。

温度测控装置主要包括温度传感器5和空气浴。温度传感器5可以是热电阻或热电偶温度计贴附于耐高压釜外壁面，也可以是照射在耐高压釜外壁面的红外线测温仪，所获得的温度数据由数据采集与控制系统7收集和分析。空气浴为耐高压釜1提供恒定的温度环境。

补液装置主要包括与活塞杆中的补给液管路连通的平流泵12。排液装置主要包括与耐高压釜1底部的排液孔连通的排液阀3。当要向耐高压釜1中的水合物合成腔体补充液体时，打开平流泵12向耐高压釜1的水合物合成腔体内注入一定体积的水溶液；当要从水合物合成腔体内排出液体时，打开排液阀3即可。

液压控制装置主要包括位移传感器2和液压泵6。液压泵6与耐高压釜1侧壁上部的液压油孔连通。位移传感器2固定在耐高压釜1中的活塞杆上，传感器另一端的探针与耐高压釜1上端盖外表面接触。数据采集与控制系统7通过位移传感器2获取的活塞杆的位移数据，并根据活塞的运行方式确定活塞的移动距离和速度。

电加热装置位于耐高压釜1底部，通过加热使水合物块体整体或者部分分解，并根据需要利用排液阀3排出一定量的水溶液，为修正水合物体积和外形提供了快速解决方式。

数据采集与控制系统7同时与位移传感器2、排液阀3、直流稳压电源4、温度传感器5、液压泵6、压力变送器8、平流泵12以及管道上的电控阀门电连接，用于采集和处理各感应元件的感应信号，并发出相应的控制指令。

本发明装置的运行方式包含两种：水合物快速生成和水合物柱体压制。两种运行方式均在耐高压釜内完成。水合物快速生成过程中，装置利用活塞的往复运动产生压力震荡，通过在溶液中形成大量气泡来提高水合物快速形成所需的气液接触面积。水合物压制成型过程中，装置利用活塞持续压缩反应釜有效容积以形成致密的水合物柱体。

下面对本发明装置制备气体水合物柱体的过程进行详细说明。

（1）水合物快速生成

首先将耐高压釜1密封，开启温度测控装置使耐高压釜1温度下降至设定温度，开启压力控制装置和排液阀3利用少量高压气体对耐高压釜1的水合物合成腔体进行吹扫，排出其中空气。

然后关闭压力控制装置和排液阀3，开启补液装置，向耐高压釜1中注入一定量的水溶液，用于制备水合物。待耐高压釜中温度稳定以后，开启压力控制装置，向耐高压釜1中注入高压气体至设定压力。

最后在水合物生成过程中，开启液压控制装置，结合位移传感器2的位移数据，使活塞在较小的位移范围内往复运动。当活塞开始压缩水合物合成腔体中的气相空间时，液压控制装置向液压腔体内注入液压油，推动活塞向下移动；当活塞向上移动时，通过缓慢降低液压腔体内液压油的压力，活塞会受到水合物合成腔体中的高压气体的推动向上运动，最终实现活塞在耐高压釜1中的往复运动，从而提高水合物形成所需的气液接触面积，实现水合物快速生成。

（2）水合物柱体压制

当耐高压釜1中水合物合成腔体内的水溶液全部转化成水合物后，调节活塞的位移范围，使活塞持续下压。水合物合成腔体内的压力会由于气相空间的缩小而持续上升，当超过设定压力2MPa时，其中部分气体会通过安全阀9排出。当液压腔体内压力高于水合物合成腔体且活塞不再发生位移时，降低液压腔体内压力，使活塞向上移动一段距离，然后再次下压。根据活塞下压的最大距离，确定所压制的水合物柱体的外形尺寸参数是否符合要求。

如果水合物柱体的高度过小，则开启补液装置向耐高压釜1中水合物合成腔体内补充一定量的水溶液。然后，调节耐高压釜1内活塞的位置，重新水合物快速制备，直至注入的水溶液装化成水合物。最后，再次开启水合物柱体压制。根据活塞下压的最大距离，确定所压制的水合物柱体的外形尺寸参数是否符合要求。

如果水合物柱体的高度过大，则开启耐高压釜中水合物合成腔体底部的电加热装置，溶解部分水合物。开启排液阀，使水合物溶解形成的水溶液排出耐高压釜1。最后，再次开启水合物柱体压制。根据活塞下压的最大距离，确定所压制的水合物柱体的外形尺寸参数是否符合要求。

综上，本发明装置是一种适用于制备具有规则外形的气体水合物柱体的实验装置，主要应用于天然气水合物储运技术，气体水合物反应动力学机理研究以及天然气水合物科普等领域。本发明装置提供的具有规则几何形状的水合物样品，可以为定量研究水合物反应动力学过程与水合物比表面的关系，气体在水合物晶体中的扩散速率，气体水合物置换反应机理等研究领域提供大量的实验材料。同时，对水合物储运天然气技术提供了水合物连续制备装置，填补了国内在该领域研究的空白。另外，该装置能耗较低，结构紧凑，也可用于天然气水合物教学和科普，对于提高公众对天然气水合物的认识，加快推广天然气水合物应用具有重要意义。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种气体水合物柱体快速制备装置，其特征在于：包括耐高压釜、压力控制装置、补液装置、排液装置、温度测控装置、液压控制装置和电加热装置；

所述的耐高压釜中的水合物合成腔体为圆柱形，轴线与水平面垂直，顶部设有液压驱动的用于改变水合物合成腔体容积的活塞，底部设有排液孔，活塞与耐高压釜上端盖构成密闭的液压腔体，用于盛放耐高压的液压油，活塞顶面设有穿出耐高压釜上端盖的活塞杆，活塞杆和活塞内部设有与水合物合成腔体连通的高压气体管路和补给液管路，耐高压釜侧壁上部设有液压油孔；

所述的压力控制装置与活塞杆的高压气体管路相连，用于向耐高压釜中的水合物合成腔体补给气体；

所述的补液装置与活塞杆的补给液管路相连，用于向耐高压釜中的水合物合成腔体补给水溶液；

所述的排液装置与耐高压釜中的水合物合成腔体底部的排液孔相连，用于排除耐高压釜中的水合物合成腔体中的过量水溶液；

所述的温度测控装置用于控制耐高压釜中的水合物合成腔体的温度；

所述的液压控制装置与耐高压釜侧壁上部的液压油孔相连，用于控制活塞的运动；

所述的电加热装置设置在耐高压釜底部，用于加热溶解水合物合成腔体的气体水合物，以修正水合物体积和外形。

2.根据权利要求1所述的一种气体水合物柱体快速制备装置，其特征在于：所述的压力控制装置包括高压气源、减压阀、止回阀、安全阀和压力变送器，高压气源依次经减压阀、止回阀、安全阀、压力变送器与活塞杆的高压气体管路相连。

3.根据权利要求1所述的一种气体水合物柱体快速制备装置，其特征在于：所述的补液装置包括平流泵，通过补给液管路向耐高压釜中的水合物合成腔体补给溶液。

4.根据权利要求1所述的一种气体水合物柱体快速制备装置，其特征在于：所述的排液装置包括与耐高压釜中的水合物合成腔体底部的排液孔相连排液阀。

5.根据权利要求1所述的一种气体水合物柱体快速制备装置，其特征在于：所述的温度测控装置包括温度传感器和空气浴；温度传感器用于测量耐高压釜中的水合物合成腔体的温度变化，空气浴用于为耐高压釜提供恒定的温度环境。

6.根据权利要求5所述的一种气体水合物柱体快速制备装置，其特征在于：所述的温度传感器包括：贴附于耐高压釜外壁面的温度计，或照射在耐高压釜外壁面的红外线测温仪。

7.根据权利要求1所述的一种气体水合物柱体快速制备装置，其特征在于：所述的液压控制装置包括位移传感器和液压泵，位移传感器固定在耐高压釜中的活塞杆上，自由端的探针与耐高压釜上端盖外表面接触，液压泵与耐高压釜侧壁上部的液压油孔相连。

8.一种气体水合物柱体快速制备方法，基于权利要求1-7任一所述的气体水合物柱体快速制备装置实现，其特征在于，包括：

（1）水合物快速生成：在水合物生成过程中控制耐高压釜内活塞做往复运动，引起耐高压釜中的水合物合成腔体内的气相压力产生震荡进而使溶解的气体在液相中形成大量鼓泡，以提高水合物合成腔体内的气液接触面积，加速水合物的生成；

（2）水合物柱体压制：在耐高压釜中水溶液全部转化成固体水合物后，利用耐高压釜内活塞持续压缩水合物合成腔体的容积以获得紧密规则的水合物柱体；当水合物柱体的高度过小时，重复进行水合物快速生成和水合物柱体压制，直至所压制的水合物柱体的外形尺寸参数符合要求；当水合物柱体的高度过大时，开启耐高压釜底部的电加热装置，溶解部分水合物，开启排液阀，使水合物溶解形成的水溶液排出耐高压釜，再次进行水合物柱体压制，直至所压制的水合物柱体的外形尺寸参数符合要求。

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