CN114053969A - 二氧化碳水合物封存实验装置及二氧化碳封存量计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种二氧化碳水合物封存实验装置及二氧化碳封存量的计算方法，该实验装置包括进气系统、反应釜、温度控制系统、温度传感器、压力传感器、显微相机以及数据采集与存储系统；进气系统用于将二氧化碳气体通入反应釜内；反应釜包括密封连接的釜体和釜盖，釜盖上设有第一可视化窗口，釜体上有相对的两个第二可视化窗口；温度传感器和压力传感器装在釜盖上，温度传感器深入到釜体内；显微相机用于通过可视化窗口对釜体内的二氧化碳水合物的生成情况进行实时观察；数据采集和储存系统分别采集温度传感器、压力传感器和显微相机的数据；温度控制系统包括恒温水浴箱以及外接的全透明水浴槽，反应釜置于全透明水浴槽内。

Description

二氧化碳水合物封存实验装置及二氧化碳封存量计算方法

技术领域

本发明涉及气体水合物、二氧化碳地质封存、低碳清洁环保技术领域，特别是涉及一种二氧化碳水合物封存实验装置及二氧化碳封存量计算方法。

背景技术

由二氧化碳排放导致的全球变暖是人们最为关注的环境问题之一，为此，很多国家都制定了相应的二氧化碳排放政策。我国提出在2030年实现碳达峰，2060年实现碳中和的目标。二氧化碳高效便捷的封存方式是实现碳中和的重要手段，海洋作为最大的天然碳储层，开发空间潜力巨大，通过固态水合物的方式在海底储存二氧化碳，由于深海底部高压与低温的环境，可以为二氧化碳水合物长时间稳定保存提供适宜的条件，其有效封存时间可以长达十万年。另外，与液态二氧化碳的储存方式相比，通过二氧化碳水合物进行海底碳封存热力学条件更加温和，二氧化碳水合物的生成不需要复杂的手段，在约400米以下的海水中，二氧化碳就可以与海水自发形成水合物，且二氧化碳水合物的密度大于海水密度，因此可以自由沉降到海底。

不管是在陆上形成二氧化碳水合物以后输送到海底，还是在海洋内部或海底地质层直接形成二氧化碳水合物，对其生成过程的研究，包括水合物生成动力学的模拟，热力学稳定条件的检测，都是该储存技术得以实现应用的重要基础。因此，亟需要对二氧化碳水合物生成的动力学参数以及二氧化碳水合物的气体封存能力进行精确分析，并探究二氧化碳水合物形成的时空分布，进而用于评价二氧化碳水合物海底封存对地质情况的影响。

发明内容

为了弥补上述现有技术的不足，本发明提出一种二氧化碳水合物封存实验装置及二氧化碳封存量的计算方法。

本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：

一种二氧化碳水合物封存实验装置，包括进气系统、反应釜、温度控制系统、温度传感器、压力传感器、显微相机以及数据采集与存储系统；所述进气系统用于将二氧化碳气体通入所述反应釜内；所述反应釜包括釜体和釜盖，所述釜体和所述釜盖密封连接，所述釜盖上设有第一可视化窗口，所述釜体的侧壁设有相对的两个第二可视化窗口；所述温度传感器和所述压力传感器均装在所述釜盖上，所述温度传感器深入到所述釜体内，以对二氧化碳水合物生成过程中的温度和压力变化进行实时检测；所述显微相机用于通过所述第一可视化窗口和所述第二可视化窗口对所述釜体内的二氧化碳水合物的生成情况进行实时观察；所述数据采集和储存系统分别与所述温度传感器、所述压力传感器和所述显微相机连接，以采集它们检测的数据；所述温度控制系统包括恒温水浴箱以及与所述恒温水浴箱连接的全透明水浴槽，所述反应釜置于所述全透明水浴槽内，通过所述恒温水浴箱调节所述反应釜所处水浴的温度。

优选地，所述进气系统包括第一管线、气体罐、气体增压设备和第二管线，所述第一管线分别连接所述气体罐和所述气体增压设备，所述第二管线分别连接所述气体增压设备和所述釜盖；所述气体罐内的二氧化碳气体通过所述第一管线进入所述气体增压设备经过增压后，经所述第二管线通过所述釜盖上设置的气体进口阀通入所述釜体内。

优选地，所述釜盖上还设有气体出口阀；所述釜体的下侧还设有液体进出口阀。

优选地，所述温度传感器为多点测温温度传感器，分别对所述釜体内的液相与和气相的温度同时进行检测。

优选地，还包括磁力搅拌器和磁子，所述磁子置于所述釜体内，所述磁力搅拌器在所述全透明水浴槽外并位于所述釜体下方，所述磁力搅拌器驱动所述磁子运动以对所述釜体内的液体进行定速搅拌。

优选地，所述第一可视化窗口设置在所述釜盖的中心位置；两个所述第二可视化窗口设置在所述釜体的侧壁的中部，呈对视状态。

一种二氧化碳水合物封存实验中二氧化碳封存量的计算方法，包括如下步骤：

S1、向干净干燥的反应釜内注入水合物反应生成溶液，将反应釜密封并充入二氧化碳气体排除反应釜内的空气；

S2、开启温度传感器、压力传感器、恒温水浴箱、和数据采集和储存系统，将反应釜置于全透明水浴槽中，直到反应釜内的温度稳定至预设温度；

S3、通过进气系统向反应釜内注入二氧化碳直到压力达到预定压力，并停止进气，此时记为t₀时刻，在反应温度下，二氧化碳水合物逐渐生成，反应釜内的压力逐渐降低直至压力不再下降，则认为二氧化碳水合物生成结束，此时记为t_终时刻；

S4、数据采集和储存系统采集t₀时刻、t_终时刻的温度和压力，以及每隔预定时间间隔采集t₀时刻～t_终时刻之间的若干时刻的温度和压力；

S5、根据压力和温度，计算出二氧化碳封存量，其中，所述二氧化碳封存量包括二氧化碳在水相中的封存量、二氧化碳在水合物中的封存量以及二氧化碳总封存量。

优选地，所述步骤S5包括如下步骤：

S51、根据t₀时刻的压力P₀和温度T₀计算出压缩因子Z₀，进而再结合初始气相体积V₀，计算t₀时刻气相中二氧化碳摩尔量n₀；

S52、根据t时刻下的压力P_t和温度T_t计算出压缩因子Z_t，进而再结合所述初始气相体积V₀，计算t时刻气相中二氧化碳摩尔量n_t，其中，t时刻是指t₀时刻的后续的第一个时刻；

S53、计算t时刻二氧化碳消耗摩尔量n₁＝n₀-n_t；

S54、根据亨利定律，计算t时刻在压力P_t和温度T_t条件下，二氧化碳的平衡溶解度X_eq，再结合初始水相的物质的量n_w0，根据二氧化碳的平衡溶解度X_eq计算t时刻二氧化碳平衡溶解量n_eq；

S55、比较n₁和n_eq的大小，若n₁＞n_eq，则进行步骤S57，若n₁≤n_eq，则进行步骤S56；

S56、若n₁≤n_eq，则表示无二氧化碳水合物生成，重复执行步骤S52～S55计算t时刻的后续时刻的二氧化碳消耗摩尔量和二氧化碳的平衡溶解量，直到得到某时刻下二氧化碳消耗摩尔量大于该时刻下的二氧化碳的平衡溶解量，再进行步骤S57，其中，在n₁≤n_eq的时刻下，二氧化碳在水相中的封存量n_s＝n₁，二氧化碳在水合物中的封存量n_h＝0，二氧化碳总封存量n＝n_s+n_h；

S57、若n₁＞n_eq，则表示有二氧化碳水合物生成，二氧化碳水合物生成造成气相体积改变，则在t时刻至t_终时刻的任一时刻t’，通过下述步骤S58计算二氧化碳封存量：

S58、根据体积守恒计算出二氧化碳在水合物中的封存量n’_h，根据亨利定律，计算t’时刻在压力P_t’和温度T_t’条件下，二氧化碳的平衡溶解度X’_eq，根据二氧化碳在水合物中的封存量n’_h计算出t’时刻由于水合物消耗所剩余水相的物质的量n_wt’，根据二氧化碳的平衡溶解度X’_eq计算t’时刻二氧化碳的平衡溶解量n’_eq；进而得出t’时刻下，二氧化碳在水相中的封存量n’_s＝n’_eq，二氧化碳总封存量n’＝n’_s+n’_h。

本发明与现有技术对比的有益效果包括：本发明的实验装置可以对釜体内的二氧化碳水合物反应情况(如水合物形貌、水合物生长状态、水合物成核结晶过程)进行多方位实时观察，可以获得二氧化碳水合物生成过程中的时空分布特征以及分析二氧化碳水合物形成过程的特性以及不同地质条件对二氧化碳水合物生成分解动力学的影响等；配置的温度传感器和压力传感器，可以实现对二氧化碳水合物生成过程中的动力学参数的实时检测，通过本发明的计算方法可以将二氧化碳在水相中的封存量(即二氧化碳气体在水相中的溶解量)和二氧化碳在水合物中的封存量(即二氧化碳水合物中储存的二氧化碳的量，对应二氧化碳水合物的气体封存能力)加以区分，从而对二氧化碳水合物的生成过程进行更精确的定量分析，以正确地得出二氧化碳水合物的实际气体封存能力。因此，本发明可以对二氧化碳水合物生成的动力学参数以及二氧化碳水合物的气体封存能力进行精确分析，以指导其在如二氧化碳捕获、二氧化碳深海海底地质埋存、增加海洋碳汇、深海海洋工程装备等行业中的实际应用。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中二氧化碳水合物封存实验装置的示意图；

图2是图1中的反应釜的立体结构示意图；

图3是图2的剖视图；

图4是本发明具体实施方式的二氧化碳水合物封存实验中二氧化碳封存量的计算方法流程图；

图5是本发明具体实施方式的二氧化碳水合物封存实验中温度和压力随时间变化的曲线图；

图6是根据图4所示的计算流程计算得到的二氧化碳封存量随时间变化的曲线图。

具体实施方式

下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，本实施例中的左、右、上、下、顶、底等方位用语，仅是互为相对概念，或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。

如图1-3所示，本发明具体实施方式提供一种二氧化碳水合物封存实验装置，包括进气系统、反应釜1、温度控制系统、温度传感器2、压力传感器3、显微相机4、数据采集与存储系统5、磁力搅拌器15和磁子16。

反应釜1包括釜体11和釜盖12，釜体11和釜盖12密封连接(例如，釜体和釜盖可以通过螺母10连接(图中显示通过四个螺母10连接)并由第一橡胶垫17密封)，釜盖12上设有第一可视化窗口121(本例中，第一可视化窗口121设置在釜盖的中心位置，其与釜盖之间通过第二橡胶垫18密封)，釜体11的侧壁设有相对的两个第二可视化窗口111(在本例中，两个第二可视化窗口呈对视状态，其中心线连线与釜体的中心轴相交；两个第二可视化窗口与釜体之间通过第三橡胶垫19密封)，釜盖12上设有气体出口阀122和气体进口阀123，釜体11的下侧设有液体进出口阀112，如图2所示，气体出口阀122和气体进口阀123分别设置在釜盖12上的气体出口阀安装孔1221和气体出口阀安装孔1231位置处，液体进出口阀112安装在釜体11下侧的液体进出口阀安装孔1121位置处。

进气系统包括第一管线6、气体罐7、气体增压设备8和第二管线9，第一管线6分别连接气体罐7和气体增压设备8，第二管线9分别连接气体增压设备8和反应釜1；气体罐7内的二氧化碳气体通过第一管线6进入气体增压设备8经过增压后，经第二管线9通过釜盖12上设置的气体进口阀123通入釜体11内，通过气体罐7和气体增压设备8可以对反应釜内的压力进行调控，从而模拟海底的压力条件。

温度传感器2(在本例中，温度传感器2为多点测温温度传感器，可以分别对釜体内的液相、气相的温度进行检测，其中，当有二氧化碳水合物生成时，生成的水合物固体存在于液相中)和压力传感器3均装在釜盖12上，如图2所示，温度传感器2安装在釜盖12上的温度传感器安装孔21位置处，压力传感器3安装在釜盖12上的压力传感器安装孔31位置处，温度传感器2深入到釜体11内，以对二氧化碳水合物生成过程中的温度和压力变化进行实时检测；显微相机4通过第一可视化窗口121和第二可视化窗口111对釜体11内的二氧化碳水合物的生成情况进行实时观察，在本例中，设有两个显微相机4，一个位于第一可视化窗口121的正上方，用于通过第一可视化窗口121拍摄釜体内的反应情况，一个位于其中一个第二可视化窗口111旁，用于通过第二可视化窗口111拍摄釜体内的反应情况。

数据采集和储存系统5分别与温度传感器2、压力传感器3和显微相机4连接，以采集它们检测的数据，例如，数据采集和储存系统5可以是计算机，其采集温度传感器2、压力传感器3和显微相机4采集的数据并进行记录存储。

温度控制系统包括恒温水浴箱13以及与恒温水浴箱13连接的全透明水浴槽14，水在恒温水浴箱13和全透明水浴槽14中循环流动(如图1中的箭头所示)以对反应釜进行恒温，反应釜1置于全透明水浴槽14内，通过恒温水浴箱13调节反应釜1所处水浴的温度，全透明水浴槽可以更方便地观察反应釜内的反应情况。磁子16置于釜体11内，磁力搅拌器15在全透明水浴槽14外并位于釜体11下方，磁力搅拌器15可以透过全透明水浴槽14和釜体11而驱动磁子16运动以对釜体11内的液体进行定速搅拌，根据需要磁力搅拌器15还可以具有控速和定时搅拌功能，可以根据实验要求设定搅拌的转速与时间，从而实现对试验过程的多条件控制与分析。

在上述实施方式的优点还包括：

1、通过在釜盖上设置第一可视化窗口以及在釜体上设置呈对视状态的两个第二可视化窗口，可以对釜体内的反应情况进行多方位观察，可以获得二氧化碳水合物生成过程中水合物形貌的时空分布特征，也可以对二氧化碳水合物生成过程中的液相、气液边界层以及气液界面上方进行多角度的观察，从而分析二氧化碳水合物形成过程的特性以及对地质条件的影响等。

2、磁力搅拌器15可以透过全透明水浴槽和釜体对釜体中的水合物反应生成溶液进行搅拌，磁力搅拌器带有控速及定时搅拌功能，可以根据实验要求设定搅拌的转速与时间，从而实现对试验过程的多条件控制与分析。

3、反应釜通过放在与恒温水浴箱外接并循环的全透明水浴槽中的方式进行试验温度控制，而不是采用传统的夹套式反应釜设计或者将反应釜直接放进恒温水浴箱之中，相较于夹套式反应釜，本发明这样的设计传热面积增大，有利于实验过程中温度的快速调控；相较于将反应釜直接放入恒温水浴箱中的方法，本发明采用的全透明式外接水浴槽透光性更好，使得通过反应釜的可视化窗口进行观察更加方便。同时，恒温水浴箱还可以配置有定时升降温功能，可以根据实验的条件设置温度升降区间、温度变化时间和速率，对实验条件实现更加精准的控制，从而更好地模拟海底的温度条件。

4、通过设置的显微相机，可以对釜体上或者釜盖上的可视化窗口进行录像和定时抓拍，实现对二氧化碳水合物生成过程中的形貌变化进行记录和分析。

采用上述实验装置，二氧化碳水合物封存实验的具体操作过程以及二氧化碳封存量的计算方法包括如下步骤：

将预定体积的反应釜1清洗干净并吹干，根据实验选取的条件放入一定量的水合物反应溶液，例如水，动力学添加剂水溶液等。

将反应釜的釜盖和釜体连接密封，通过气体罐7和气体增压设备8通入适量二氧化碳将反应釜中的空气排净。在恒温水浴箱13上设置期望的注气温度，并将反应釜1放入全透明水浴槽14中。

待到釜体内温度达到注气温度时，通过气体罐7和气体增压设备8向釜体内注入二氧化碳气体直至达到预设压力，在恒温水浴箱13上设置反应温度，当釜内温度稳定在反应温度某段时间后，二氧化碳水合物逐渐生成，随着二氧化碳水合物的生成，釜体内的压力逐渐降低，直到压力不再下降(也即待到压力维持不变且长时间稳定(当压降速度小于10kPa/h时，则认为压力稳定不再下降))，则认为二氧化碳水合物生成结束。

在实验过程中，通过温度传感器监测釜体内的温度，通过压力传感器监测釜体内的压力，并通过显微相机拍摄釜体内二氧化碳水合物的生成情况，将数据传输到数据采集和储存系统5中进行记录存储，根据记录的数据计算二氧化碳封存量。

在一个示例中，如图4-6所示，二氧化碳水合物封存实验的过程及二氧化碳封存量的计算方法包括如下步骤(下文中，温度均指的是液相温度)：

S1、将反应釜(44.0mL)用去离子水清洗干净后进行干燥，在反应釜中注入20.0mL去离子水，将反应釜密封并充入二氧化碳至1.0MPa以排除反应釜中的空气，重复操作三次；

S2、开启温度传感器、压力传感器、恒温水浴箱和数据采集和储存系统，将反应釜放置在全透明水浴槽中，水浴温度设置为293.15K(该温度作为注气温度，在其他例中，也可以设定为其他温度)，等到反应釜中的温度稳定至设定温度(即293.15K)；

S3、通过进气系统向反应釜中注入二氧化碳直至压力达到预定压力(本例中设为4.6MPa)，并停止进气，此时记为t₀时刻，开启降温至反应温度(本例中反应温度设为275.15K)，二氧化碳水合物逐渐生成，反应釜内的压力逐渐降低直至压力不再下降，则认为二氧化碳水合物生成结束，此时记为t_终时刻；其中，在该步骤中，可同时打开显微相机对反应釜内的状况进行拍摄记录，并可以根据需要开启磁力搅拌，本例中，开启磁力搅拌，转速设置为600rpm；

S4、数据采集和储存系统采集t₀时刻、t_终时刻的温度和压力，以及每隔预定时间间隔采集t₀时刻～t_终时刻之间的若干时刻的温度和压力(本例中，每隔5s采集并记录一次)；

S5、根据压力和温度，计算出二氧化碳封存量，其中，所述二氧化碳封存量包括二氧化碳在水相中的封存量、二氧化碳在水合物中的封存量以及二氧化碳总封存量，该示例对应的实验过程采集的温度压力数据如图5所示，其中曲线C1表示压力随时间变化的曲线，曲线C2表示温度随时间变化的曲线；通过图4所示的计算流程所计算得到的结果如图6所示，其中，曲线C3表示二氧化碳总封存量随时间变化的曲线，曲线C4表示二氧化碳在水合物中的封存量随时间变化的曲线，曲线C5表示二氧化碳在水相中的封存量随时间变化的曲线。

由于二氧化碳在水中的溶解度较大，常规实验方法中很难区分二氧化碳的消耗是来自于气体溶解还是二氧化碳水合物的捕获，这样会导致对二氧化碳水合物生成过程中的动力学效果的评估不够准确，对研究二氧化碳水合物的实际气体封存能力存在误导，因此，本发明提供的图4所示的计算流程可以区分二氧化碳在水相中的封存量以及二氧化碳在水合物中的封存量，具体计算过程如下：

S51、根据t₀时刻的压力P₀和液相温度T₀计算出压缩因子Z₀(本例中，压缩因子通过P-R状态方程计算得到，下同)，进而再结合初始气相体积V₀，计算得到t₀时刻二氧化碳摩尔量n₀，所述初始气相体积V₀＝反应釜体积-初始水相体积(即反应釜中初始加入的水合物反应溶液的体积)；在本例中，该步骤的压力P₀为4.6MPa，温度T₀为293.51K，计算得到的压缩因子Z₀为0.67，初始气相体积V₀＝44.0-20.0＝24.0mL，计算得到的t₀时刻二氧化碳摩尔量n₀为6.72×10^-2mol。

S52、根据t时刻下的压力P_t和温度T_t计算出压缩因子Z_t，进而再结合所述初始气相体积V₀，计算t时刻气相中二氧化碳摩尔量n_t，其中，t时刻是指t₀时刻的后续的第一个时刻；

S53、计算t时刻二氧化碳消耗摩尔量n₁＝n₀-n_t；

S54、根据亨利定律，计算t时刻在压力P_t和温度T_t条件下，二氧化碳的平衡溶解度X_eq，再结合初始水相的物质的量，根据二氧化碳的平衡溶解度X_eq计算t时刻二氧化碳的平衡溶解量n_eq；本例中，n_w0为1.11mol；

S55、比较n₁和n_eq的大小，若n₁＞n_eq，则进行步骤S57，若n₁≤n_eq，则进行步骤S56；

S56、若n₁≤n_eq，则表示无二氧化碳水合物生成，重复执行步骤S52～S55计算t时刻的后续时刻的二氧化碳消耗摩尔量和二氧化碳的平衡溶解量，直到得到某时刻下二氧化碳消耗摩尔量大于该时刻下的二氧化碳的平衡溶解量，再进行步骤S57；在n₁≤n_eq的时刻下，二氧化碳在水相中的封存量n_s＝n₁，二氧化碳在水合物中的封存量n_h＝0，二氧化碳总封存量n＝n_s+n_h；

S57、若n₁＞n_eq，则表示有二氧化碳水合物生成，二氧化碳水合物生成会造成气相体积改变，则在t时刻至t_终时刻的任一时刻t’(t’时刻也可指t时刻、t_终时刻)，通过下述步骤S58计算二氧化碳封存量：

S58、根据体积守恒计算出二氧化碳在水合物中的封存量n’_h，根据亨利定律，计算t’时刻在压力P_t’和温度T_t’条件下，二氧化碳的平衡溶解度X’_eq，根据n’_h计算出t’时刻由于水合物消耗所剩余水相的物质的量n_wt’，根据二氧化碳的平衡溶解度X’_eq计算t’时刻二氧化碳的平衡溶解量n’_eq；进而得出t’时刻下，二氧化碳在水相中的封存量n’_s＝n’_eq，二氧化碳总封存量n’＝n’_s+n’_h；

当达到n₁＞n_eq时，后续一直到t_终时刻，都是二氧化碳水合物的生成过程，因此，从n₁＞n_eq时的t时刻至t_终时刻之间的任一时刻，根据体积守恒计算出二氧化碳在水合物中的封存量n’_h，根据记录的温度和压力，计算相应的二氧化碳平衡溶解度(亨利定律)，再结合由于生成水合物消耗后所剩余的水相的物质的量，根据相应的二氧化碳的平衡溶解度计算出相应时刻的二氧化碳平衡溶解量，从而得到相应时刻的二氧化碳封存量数据。

以图6中的t＝5min作为t₀时刻的后续的第一个时刻(该第一时刻是指开始计算二氧化碳封存量的第一时刻，其不一定是t₀时刻后记录的第一个时刻，例如，在本例中，由于是每隔5s记录一次温度和压力，因此，t₀＝0，t₀时刻后记录的第一个时刻t₁＝5s)为例：在步骤S52中，在t＝5min这一时刻，压力P_t为4.46MPa，T_t为293.33K，计算得到的压缩因子Z_t为0.69，进而计算得到该时刻气相中的二氧化碳摩尔量n_t为6.40×10^-2mol；在步骤S53中，在该时刻下，n₁＝n₀-n_t＝0.32×10^-2mol；在步骤S54中，通过亨利定律计算该时刻(第5min)下，二氧化碳平衡溶解度X_eq＝0.0255，再计算得到该时刻下二氧化碳的平衡溶解量n_eq为2.90×10^-2mol；由于在该时刻下，n₁＜n_eq，因此，需要重复执行S52～S55计算t＝5min这一时刻的后续时刻的二氧化碳消耗摩尔量和二氧化碳的平衡溶解量，直到得到某时刻下二氧化碳消耗摩尔量大于该时刻下的二氧化碳的平衡溶解度，再进行步骤S57，在本例中，一直计算到第725min时，得到n₁＞n_eq，因此，在第725min及其后续的时刻，根据亨利定律，根据记录的相应时刻的温度和压力，并结合相应时刻水相的物质的量，计算二氧化碳封存量，例如，在第800min，二氧化碳在水合物中的封存量n’_h根据体积守恒计算得到，本例中n_h为2.49×10^{- 2}mol，通过亨利定律计算该时刻(第800min)下，二氧化碳平衡溶解度X’_eq＝0.0197，根据n’_h计算得到剩余水相的物质的量n_wt’为0.96mol，再计算得到该时刻下二氧化碳的饱和溶解量n’_eq为1.93×10^-2mol，进而得到在该时刻(第800min)下，二氧化碳在水相中的封存量n’_s＝n’_eq＝1.93×10^-2mol，二氧化碳总封存量n’＝n’_s+n’_h＝4.42×10^-2mol。

通过上述实验及计算方法，不仅可以研究水合物反应生成溶液对二氧化碳溶解度的影响，而且可以分别得到二氧化碳总封存量、二氧化碳在水合物中的封存量以及二氧化碳在水相中的封存量，另外还可以通过形貌的观察获取二氧化碳水合物生成的时空分布特性，从而为二氧化碳水合物海底封存技术提供详细的理论支撑。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种二氧化碳水合物封存实验装置，其特征在于，包括进气系统、反应釜、温度控制系统、温度传感器、压力传感器、显微相机以及数据采集与存储系统；

所述进气系统用于将二氧化碳气体通入所述反应釜内；

所述反应釜包括釜体和釜盖，所述釜体和所述釜盖密封连接，所述釜盖上设有第一可视化窗口，所述釜体的侧壁设有相对的两个第二可视化窗口；

所述温度传感器和所述压力传感器均装在所述釜盖上，所述温度传感器深入到所述釜体内，以对二氧化碳水合物生成过程中的温度和压力变化进行实时检测；

所述显微相机用于通过所述第一可视化窗口和所述第二可视化窗口对所述釜体内的二氧化碳水合物的生成情况进行实时观察；

所述数据采集和储存系统分别与所述温度传感器、所述压力传感器和所述显微相机连接，以采集它们检测的数据；

所述温度控制系统包括恒温水浴箱以及与所述恒温水浴箱连接的全透明水浴槽，所述反应釜置于所述全透明水浴槽内，通过所述恒温水浴箱调节所述反应釜所处水浴的温度。

2.如权利要求1所述的二氧化碳水合物封存实验装置，其特征在于：所述进气系统包括第一管线、气体罐、气体增压设备和第二管线，所述第一管线分别连接所述气体罐和所述气体增压设备，所述第二管线分别连接所述气体增压设备和所述釜盖；所述气体罐内的二氧化碳气体通过所述第一管线进入所述气体增压设备经过增压后，经所述第二管线通过所述釜盖上设置的气体进口阀通入所述釜体内。

3.如权利要求2所述的二氧化碳水合物封存实验装置，其特征在于：所述釜盖上还设有气体出口阀；所述釜体的下侧还设有液体进出口阀。

4.如权利要求1所述的二氧化碳水合物封存实验装置，其特征在于：所述温度传感器为多点测温温度传感器，分别对所述釜体内的液相与和气相的温度同时进行检测。

5.如权利要求1所述的二氧化碳水合物封存实验装置，其特征在于：还包括磁力搅拌器和磁子，所述磁子置于所述釜体内，所述磁力搅拌器在所述全透明水浴槽外并位于所述釜体下方，所述磁力搅拌器驱动所述磁子运动以对所述釜体内的液体进行定速搅拌。

6.如权利要求1所述的二氧化碳水合物封存实验装置，其特征在于：所述第一可视化窗口设置在所述釜盖的中心位置；两个所述第二可视化窗口设置在所述釜体的侧壁的中部，呈对视状态。

7.一种二氧化碳水合物封存实验中二氧化碳封存量的计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、向干净干燥的反应釜内注入水合物反应生成溶液，将反应釜密封并充入二氧化碳气体排除反应釜内的空气；

S2、开启温度传感器、压力传感器、恒温水浴箱、和数据采集和储存系统，将反应釜置于全透明水浴槽中，直到反应釜内的温度稳定至预设温度；

S3、通过进气系统向反应釜内注入二氧化碳直到压力达到预定压力，并停止进气，此时记为t₀时刻，在反应温度下，二氧化碳水合物逐渐生成，反应釜内的压力逐渐降低直至压力不再下降，则认为二氧化碳水合物生成结束，此时记为t_终时刻；

S4、数据采集和储存系统采集t₀时刻、t_终时刻的温度和压力，以及每隔预定时间间隔采集t₀时刻～t_终时刻之间的若干时刻的温度和压力；

S5、根据压力和温度，计算出二氧化碳封存量，其中，所述二氧化碳封存量包括二氧化碳在水相中的封存量、二氧化碳在水合物中的封存量以及二氧化碳总封存量。

8.如权利要求7所述的计算方法，其特征在于，所述步骤S5包括如下步骤：

S51、根据t₀时刻的压力P₀和温度T₀计算出压缩因子Z₀，进而再结合初始气相体积V₀，计算t₀时刻气相中二氧化碳摩尔量n₀；

S52、根据t时刻下的压力P_t和温度T_t计算出压缩因子Z_t，进而再结合所述初始气相体积V₀，计算t时刻气相中二氧化碳摩尔量n_t，其中，t时刻是指t₀时刻的后续的第一个时刻；

S53、计算t时刻二氧化碳消耗摩尔量n₁＝n₀-n_t；

S54、根据亨利定律，计算t时刻在压力P_t和温度T_t条件下，二氧化碳的平衡溶解度X_eq，再结合初始水相的物质的量n_w0，根据二氧化碳的平衡溶解度X_eq计算t时刻二氧化碳平衡溶解量n_eq；

S55、比较n₁和n_eq的大小，若n₁＞n_eq，则进行步骤S57，若n₁≤n_eq，则进行步骤S56；

S56、若n₁≤n_eq，则表示无二氧化碳水合物生成，重复执行步骤S52～S55计算t时刻的后续时刻的二氧化碳消耗摩尔量和二氧化碳的平衡溶解量，直到得到某时刻下二氧化碳消耗摩尔量大于该时刻下的二氧化碳的平衡溶解量，再进行步骤S57，其中，在n₁≤n_eq的时刻下，二氧化碳在水相中的封存量n_s＝n₁，二氧化碳在水合物中的封存量n_h＝0，二氧化碳总封存量n＝n_s+n_h；

S57、若n₁＞n_eq，则表示有二氧化碳水合物生成，二氧化碳水合物生成造成气相体积改变，则在t时刻至t_终时刻的任一时刻t’，通过下述步骤S58计算二氧化碳封存量：

S58、根据体积守恒计算出二氧化碳在水合物中的封存量n’_h，根据亨利定律，计算t’时刻在压力P_t’和温度T_t’条件下，二氧化碳的平衡溶解度X’_eq，根据二氧化碳在水合物中的封存量n’_h计算出t’时刻由于水合物消耗所剩余水相的物质的量n_wt’，根据二氧化碳的平衡溶解度X’_eq计算t’时刻二氧化碳的平衡溶解量n’_eq；进而得出t’时刻下，二氧化碳在水相中的封存量n’_s＝n’_eq，二氧化碳总封存量n’＝n’_s+n’_h。

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