CN114053979B - 一种天然气水合物合成、分解和抑制模拟装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天然气水合物合成、分解和抑制模拟装置及方法，装置包括反应釜、第一压力检测件、抽真空机构、注气机构、温度控制机构及称重搅拌机构，所述称重搅拌机构包括转动件、伸缩件、搅拌叶、扭矩检测件、筛板及重量检测件。本发明提出的技术方案的有益效果是：通过扭矩检测件持续检测搅拌叶转动时所受到的扭矩力的大小，当搅拌叶转动时所受到的扭矩力增加量大于预设值时，表明反应釜内有天然气水合物形成，则通过伸缩件带动筛板从反应釜内的底端向顶端移动，通过重量检测件检测筛板上的天然气水合物的重量并记录，从而通过本装置可准确获取反应过程中水合物的重量随时间的变化关系，有利于定量研究天然气水合物的形成过程及机理。

Description

一种天然气水合物合成、分解和抑制模拟装置及方法

技术领域

本发明涉及天然气水合物技术领域，尤其是涉及一种天然气水合物合成、分解和抑制模拟装置及方法。

背景技术

天然气水合物是水与甲烷等小分子气体在高压低温条件下形成的非化学计量型笼状晶体物质。气体水合物与油气生产和运输密切相关，天然气的开采、运输及储存过程中，在特定条件下小分子气体与液态自由水会生成大量冰晶状固体，对管线、阀门和井筒等相关设备造成损害，带来严重的经济损失。

为防治水合物对天然气生产、运输设备的损害，需要使用水合物评价装置来评价压力、温度、抑制剂类型、抑制剂的浓度等因素对水合物生成的影响，为天然气在井筒、管道内的流动提供指导，防治水合物固体对管线、阀门设备的危害。现有的水合物评价装置只能在反应结束后获得水合物的重量，不能准确获取反应过程中水合物的重量随时间的变化关系，从而不利于定量研究天然气水合物的形成过程及机理。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种天然气水合物合成、分解和抑制模拟装置及方法，用以解决现有的水合物评价装置只能在反应结束后获得水合物的重量，不能准确获取反应过程中水合物的重量随时间的变化关系，从而不利于定量研究天然气水合物的形成过程及机理的技术问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种天然气水合物合成、分解和抑制模拟装置，其特征在于，包括反应釜、第一压力检测件、抽真空机构、注气机构、温度控制机构及称重搅拌机构；

所述反应釜具有一密闭的反应腔；

所述第一压力检测件用于检测所述反应腔内的气体的压力；

所述抽真空机构与所述反应腔连通、并用于对所述反应腔进行抽真空；

所述注气机构包括储气罐及气泵，所述气泵的进口与所述储气罐连通，所述气泵的出口与所述反应腔连通；

所述温度控制机构用于控制所述反应腔内的温度；

所述称重搅拌机构包括转动件、伸缩件、搅拌叶、扭矩检测件、筛板及重量检测件，所述转动件与所述伸缩件连接并用于驱动所述伸缩件的固定端转动，所述伸缩件的活动端经由所述扭矩检测件与所述搅拌叶固定连接，所述伸缩件的活动端还经由所述重量检测件与所述筛板可拆卸连接，所述筛板上开设有筛孔，所述扭矩检测件用于检测所述搅拌叶转动时所受到的扭矩，所述重量检测件用于检测所述筛板上的天然气水合物的重量。

在一些实施例中，所述转动件包括转动电机、外磁套筒及内磁棒，所述转动电机设置于所述反应腔外，所述转动电机的输出轴与所述外磁套筒连接、并用于驱动所述外磁套筒转动，所述内磁棒转动设置于所述反应腔内、并与所述外磁套筒相配合，所述内磁棒与所述伸缩件的固定端固定连接。

在一些实施例中，所述伸缩件为一微型气缸，所述微型气缸的缸体固定于所述内磁棒，所述微型气缸的输出轴经由所述扭矩检测件与所述搅拌叶固定连接，所述微型气缸的输出轴还与所述筛板可拆卸连接。

在一些实施例中，所述筛板上还固定有一连接头，所述连接头内形成有一中空腔，所述连接头的上端面上还开设有与所述中空腔连通的长形槽；所述称重搅拌机构还包括连接杆，所述连接杆的一端固定于所述微型气缸的输出轴上，所述连接杆的另一端固定有一长形块，所述长形块可经由所述长形槽进入所述中空腔内、并可在所述中空腔内转动；所述重量检测件为一压力传感器，所述压力传感器的固定端固定于所述长形块的上端面上，所述压力传感器的检测端用于与所述中空腔的内顶面抵接。

在一些实施例中，所述反应腔内还设置有液位检测件。

在一些实施例中，所述筛板上还开设有若干个过流孔，所述过流孔的孔径大于所述筛孔的孔径，各个所述过流孔的上端均连接有鸭嘴阀。

在一些实施例中，所述反应釜的侧壁上还嵌设有可视面板。

在一些实施例中，所述温度控制机构包括水浴锅及制冷器，所述水浴锅内用于装入制冷剂，所述制冷器用于对所述制冷剂进行温度控制，所述反应釜用于放入所述水浴锅内。

在一些实施例中，所述天然气水合物合成、分解和抑制模拟装置，还包括升降机构，所述升降机构包括滑轮、线轮及吊绳，所述吊绳的一端绕设于所述线轮上，所述吊绳的中端绕设于所述滑轮上，所述吊绳的另一端与所述反应釜固定连接。

本发明还提供了一种天然气水合物合成、分解和抑制模拟方法，适用于所述天然气水合物合成、分解和抑制模拟装置，且包括如下步骤：

S1、在反应釜内装入含有抑制剂的溶液；

S2、通过温度控制机构使反应釜内的溶液达到预设温度；

S3、通过抽真空机构抽离所述反应釜内的空气；

S4、通过气泵将储气罐内的甲烷气体通入反应釜内的溶液中、并通过气泵使反应釜内的气压保持在预设压力值；

S5、通过转动件带动搅拌叶转动，以使甲烷气体与反应釜内的溶液充分混合，在此过程中，通过扭矩检测件持续检测搅拌叶转动时所受到的扭矩力的大小；

S6、当搅拌叶转动时所受到的扭矩力增加量大于预设值时，表明反应釜内有天然气水合物形成，则通过伸缩件带动筛板从反应釜内的底端向顶端移动，当筛板脱离反应釜内的液面后，通过重量检测件检测筛板上的天然气水合物的重量并记录，之后通过伸缩件带动筛板返回反应釜内的底端；

S7、每间隔预设时间带动筛板向上移动到反应釜内液面的上方一次、通过重量检测件检测筛板上的天然气水合物的重量并记录，直到检测到的天然气水合物的重量不再增加为止；

S8、更改抑制剂的类型、抑制剂的浓度、反应釜内的气压预设值及反应釜内的溶液的预设温度值，重复步骤S2-S7。

与现有技术相比，本发明提出的技术方案的有益效果是：在反应过程中，通过扭矩检测件持续检测搅拌叶转动时所受到的扭矩力的大小，当搅拌叶转动时所受到的扭矩力增加量大于预设值时，表明反应釜内有天然气水合物形成，则通过伸缩件带动筛板从反应釜内的底端向顶端移动，当筛板脱离反应釜内的液面后，通过重量检测件检测筛板上的天然气水合物的重量并记录，之后通过伸缩件带动筛板返回反应釜内的底端，从而通过本装置可准确获取反应过程中水合物的重量随时间的变化关系，有利于定量研究天然气水合物的形成过程及机理，为防治水合物固体对管线、阀门设备的危害提供理论指导。

附图说明

图1是本发明提供的天然气水合物合成、分解和抑制模拟装置及方法的一实施例的结构示意图；

图2是图1中的反应釜及称重搅拌机构的结构示意图；

图3是图2中区域A的局部放大图；

图4是图3中的连接杆与筛板的立体结构示意图；

图中：1-反应釜、11-液位检测件、12-可视面板、2-第一压力检测件、3-抽真空机构、4-注气机构、41-储气罐、42-气泵、43-缓冲罐、44-第二压力检测件、45-进气管、46-进气阀、47-出气管、48-PID阀、5-温度控制机构、51-水浴锅、52-制冷器、6-称重搅拌机构、61-转动件、611-转动电机、612-外磁套筒、613-内磁棒、62-伸缩件、63-搅拌叶、64-扭矩检测件、65-筛板、651-筛孔、652-连接头、6521-中空腔、6522-长形槽、653-过流孔、654-鸭嘴阀、66-重量检测件、67-连接杆、671-长形块、7-升降机构、71-滑轮、72-线轮、73-吊绳、8-放空管、81-放空阀。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

请参照图1-图3，本发明提供了一种天然气水合物合成、分解和抑制模拟装置，包括反应釜1、第一压力检测件2、抽真空机构3、注气机构4、温度控制机构5及称重搅拌机构6。

所述反应釜1具有一密闭的反应腔。所述第一压力检测件2用于检测所述反应腔内的气体的压力。所述抽真空机构3与所述反应腔连通、并用于对所述反应腔进行抽真空。所述注气机构4包括储气罐41及气泵42，所述气泵42的进口与所述储气罐41连通，所述气泵42的出口与所述反应腔连通。所述温度控制机构5用于控制所述反应腔内的温度。

所述称重搅拌机构6包括转动件61、伸缩件62、搅拌叶63、扭矩检测件64、筛板65及重量检测件66，所述转动件61与所述伸缩件62连接并用于驱动所述伸缩件62的固定端转动，所述伸缩件62的活动端经由所述扭矩检测件64与所述搅拌叶63固定连接，所述伸缩件62的活动端还经由所述重量检测件66与所述筛板65可拆卸连接，所述筛板65上开设有筛孔651，筛孔651的孔径小于天然气水合物的尺寸，所述扭矩检测件64用于检测所述搅拌叶63转动时所受到的扭矩，所述重量检测件66用于检测所述筛板65上的天然气水合物的重量。

在反应过程中，通过扭矩检测件64持续检测搅拌叶63转动时所受到的扭矩力的大小，当搅拌叶63转动时所受到的扭矩力增加量大于预设值时，表明反应釜1内有天然气水合物形成，则通过伸缩件62带动筛板65从反应釜1内的底端向顶端移动，当筛板65脱离反应釜1内的液面后，通过重量检测件66检测筛板65上的天然气水合物的重量并记录，之后通过伸缩件62带动筛板65返回反应釜1内的底端，从而通过本装置可准确获取反应过程中水合物的重量随时间的变化关系，有利于定量研究天然气水合物的形成过程及机理，为防治水合物固体对管线、阀门设备的危害提供理论指导。

需要指出的是：当反应釜1内的溶液中形成水合物时，搅拌叶63转动时所受到的扭矩力会增大，然而，搅拌叶63转动时所受到的扭矩除了与反应釜1内的溶液中形成水合物的质量有关，还与反应釜1内的溶液中形成水合物的分布位置有关，水合物聚集于一处时与水合物均匀分布时的扭矩大小并不一致，因此，不能根据搅拌叶63转动时所受到的扭矩定量得到反应釜1内的溶液中形成水合物的质量，因此，本发明采用筛板65将水合物捞取到液面上方并称重，可准确得到反应釜1内的溶液中形成水合物的质量。

为了具体实现转动件61的功能，请参照图1和图2，在一优选的实施例中，所述转动件61包括转动电机611、外磁套筒612及内磁棒613，所述转动电机611设置于所述反应腔外，所述转动电机611的输出轴与所述外磁套筒612连接、并用于驱动所述外磁套筒612转动，所述内磁棒613转动设置于所述反应腔内、并与所述外磁套筒612相配合，所述内磁棒613与所述伸缩件62的固定端固定连接，在需要对反应釜1内的溶液进行搅拌时，通过转动电机611带动外磁套筒612转动，外磁套筒612转动时，通过磁力带动内磁棒613转动，内磁棒613经由伸缩件62带动搅拌叶63转动，通过采用磁性连接的方式，可避免在反应釜1的顶盖上开孔以供转轴通过，从而提高了反应釜1的密封性。

为了具体实现伸缩件62的功能，请参照图1-图3，在一优选的实施例中，所述伸缩件62为一微型气缸，所述微型气缸的缸体固定于所述内磁棒613，所述微型气缸的输出轴经由所述扭矩检测件64与所述搅拌叶63固定连接，所述微型气缸的输出轴还与所述筛板65可拆卸连接。

为了具体实现微型气缸的输出轴还与所述筛板65可拆卸连接，请参照图1-图4，在一优选的实施例中，所述筛板65上还固定有一连接头652，所述连接头652内形成有一中空腔6521，所述连接头652的上端面上还开设有与所述中空腔6521连通的长形槽6522；所述称重搅拌机构6还包括连接杆67，所述连接杆67的一端固定于所述微型气缸的输出轴上，所述连接杆67的另一端固定有一长形块671，所述长形块671可经由所述长形槽6522进入所述中空腔6521内、并可在所述中空腔6521内转动；所述重量检测件66为一压力传感器，所述压力传感器的固定端固定于所述长形块671的上端面上，所述压力传感器的检测端用于与所述中空腔6521的内顶面抵接。在使用时，当需要使筛板65上升到液面上方时，通过微型气缸使连接杆67向下移动，并通过转动电机611使长形块671对准长形槽6522的方向，以便于使长形块671进入中空腔6521内，再通过转动电机611使长形块671转动90°，从而使长形块671不能离开中空腔6521，再通过微型气缸使连接杆67及筛板65向上移动到液面上方。

为了便于自动判断筛板65是否脱离液面，请参照图1和图2，在一优选的实施例中，所述反应腔内还设置有液位检测件11，本实施例中，液位检测件11采用超声波液位检测器，通过液位检测件11获取反应釜1内的液面的高度，通过伸缩件62的伸出长度可计算得到筛板65的高度，二者比较后则能判断筛板65是否脱离液面，筛板65脱离液面后，则可通过重量检测件66检测筛板65上的天然气水合物的重量。

为了减小筛板65下降的过程对实验结果的影响，请参照图1-图4，在一优选的实施例中，所述筛板65上还开设有若干个过流孔653，所述过流孔653的孔径大于所述筛孔651的孔径，各个所述过流孔653的上端均连接有鸭嘴阀654，在筛板65上升时，鸭嘴阀654关闭，当筛板65下降时，鸭嘴阀654开启，溶液从鸭嘴阀654内流入到筛板65的上方，从而溶液中新形成的天然气水合物可从鸭嘴阀654到达筛板65的上方，防止新形成的天然气水合物积压在筛板65的下方而影响实验结果的准确性。

为了便于进行可视化观察，请参照图1和图2，在一优选的实施例中，所述反应釜1的侧壁上还嵌设有可视面板12。

为了具体实现温度控制机构5的功能，请参照图1，在一优选的实施例中，所述温度控制机构5包括水浴锅51及制冷器52，所述水浴锅51内用于装入制冷剂，所述制冷器52用于对所述制冷剂进行温度控制，所述反应釜1用于放入所述水浴锅51内。

为了便于将反应釜1放入水浴锅51内或取出，请参照图1，在一优选的实施例中，所述天然气水合物合成、分解和抑制模拟装置还包括升降机构7，所述升降机构7包括滑轮71、线轮72及吊绳73，所述吊绳73的一端绕设于所述线轮72上，所述吊绳73的中端绕设于所述滑轮71上，所述吊绳73的另一端与所述反应釜1固定连接。

为了提高安全性，请参照图1，在一优选的实施例中，所述注气机构4还包括缓冲罐43、第二压力检测件44、进气管45、进气阀46、出气管47及PID阀48，所述第二压力检测件44用于检测所述缓冲罐43的压力，所述进气管45的一端与所述气泵42的出口连通，所述进气管45的另一端与所述缓冲罐43连通，所述进气阀46设置于所述进气管45上，所述出气管47的一端与所述缓冲罐43连通，所述出气管47的另一端与所述反应腔连通，所述PID阀48设置于所述出气管47上。

为了便于实验结束后排气，请参照图1，在一优选的实施例中，所述天然气水合物合成、分解和抑制模拟装置还包括放空管8及放空阀81，所述放空管8与所述反应腔连通，所述放空阀81设置于所述放空管8上。

本发明还提供了一种天然气水合物合成、分解和抑制模拟方法，适用于上述天然气水合物合成、分解和抑制模拟装置，且包括如下步骤：

S1、在反应釜1内装入含有抑制剂的溶液；

S2、通过温度控制机构5使反应釜1内的溶液达到预设温度；

S3、通过抽真空机构3抽离所述反应釜1内的空气；

S4、通过气泵42将储气罐41内的甲烷气体通入反应釜1内的溶液中、并通过气泵42使反应釜1内的气压保持在预设压力值；

S5、通过转动件61带动搅拌叶63转动，以使甲烷气体与反应釜1内的溶液充分混合，在此过程中，通过扭矩检测件64持续检测搅拌叶63转动时所受到的扭矩力的大小；

S6、当搅拌叶63转动时所受到的扭矩力增加量大于预设值时，表明反应釜1内有天然气水合物形成，则通过伸缩件62带动筛板65从反应釜1内的底端向顶端移动，当筛板65脱离反应釜1内的液面后，通过重量检测件66检测筛板65上的天然气水合物的重量并记录，之后通过伸缩件62带动筛板65返回反应釜1内的底端；

S7、每间隔预设时间带动筛板65向上移动到反应釜1内液面的上方一次、通过重量检测件66检测筛板65上的天然气水合物的重量并记录，直到检测到的天然气水合物的重量不再增加为止；

S8、更改抑制剂的类型、抑制剂的浓度、反应釜内的气压预设值及反应釜1内的溶液的预设温度值，重复步骤S2-S7。

通过本装置可准确获取反应过程中水合物的重量随时间的变化关系，有利于定量研究天然气水合物的形成过程及机理，为防治水合物固体对管线、阀门设备的危害提供理论指导。

以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种天然气水合物合成、分解和抑制模拟装置，其特征在于，包括反应釜、第一压力检测件、抽真空机构、注气机构、温度控制机构及称重搅拌机构；

所述反应釜具有一密闭的反应腔；

所述第一压力检测件用于检测所述反应腔内的气体的压力；

所述抽真空机构与所述反应腔连通、并用于对所述反应腔进行抽真空；

所述注气机构包括储气罐及气泵，所述气泵的进口与所述储气罐连通，所述气泵的出口与所述反应腔连通；

所述温度控制机构用于控制所述反应腔内的温度；

所述称重搅拌机构包括转动件、伸缩件、搅拌叶、扭矩检测件、筛板及重量检测件，所述转动件与所述伸缩件连接并用于驱动所述伸缩件的固定端转动，所述伸缩件的活动端经由所述扭矩检测件与所述搅拌叶固定连接，所述伸缩件的活动端还经由所述重量检测件与所述筛板可拆卸连接，所述筛板上开设有筛孔，所述扭矩检测件用于检测所述搅拌叶转动时所受到的扭矩，所述重量检测件用于检测所述筛板上的天然气水合物的重量。

2.根据权利要求1所述的天然气水合物合成、分解和抑制模拟装置，其特征在于，所述转动件包括转动电机、外磁套筒及内磁棒，所述转动电机设置于所述反应腔外，所述转动电机的输出轴与所述外磁套筒连接、并用于驱动所述外磁套筒转动，所述内磁棒转动设置于所述反应腔内、并与所述外磁套筒相配合，所述内磁棒与所述伸缩件的固定端固定连接。

3.根据权利要求2所述的天然气水合物合成、分解和抑制模拟装置，其特征在于，所述伸缩件为一微型气缸，所述微型气缸的缸体固定于所述内磁棒，所述微型气缸的输出轴经由所述扭矩检测件与所述搅拌叶固定连接，所述微型气缸的输出轴还与所述筛板可拆卸连接。

4.根据权利要求3所述的天然气水合物合成、分解和抑制模拟装置，其特征在于，所述筛板上还固定有一连接头，所述连接头内形成有一中空腔，所述连接头的上端面上还开设有与所述中空腔连通的长形槽；

所述称重搅拌机构还包括连接杆，所述连接杆的一端固定于所述微型气缸的输出轴上，所述连接杆的另一端固定有一长形块，所述长形块可经由所述长形槽进入所述中空腔内、并可在所述中空腔内转动；

所述重量检测件为一压力传感器，所述压力传感器的固定端固定于所述长形块的上端面上，所述压力传感器的检测端用于与所述中空腔的内顶面抵接。

5.根据权利要求1所述的天然气水合物合成、分解和抑制模拟装置，其特征在于，所述反应腔内还设置有液位检测件。

6.根据权利要求1所述的天然气水合物合成、分解和抑制模拟装置，其特征在于，所述筛板上还开设有若干个过流孔，所述过流孔的孔径大于所述筛孔的孔径，各个所述过流孔的上端均连接有鸭嘴阀。

7.根据权利要求1所述的天然气水合物合成、分解和抑制模拟装置，其特征在于，所述反应釜的侧壁上还嵌设有可视面板。

8.根据权利要求1所述的天然气水合物合成、分解和抑制模拟装置，其特征在于，所述温度控制机构包括水浴锅及制冷器，所述水浴锅内用于装入制冷剂，所述制冷器用于对所述制冷剂进行温度控制，所述反应釜用于放入所述水浴锅内。

9.根据权利要求8所述的天然气水合物合成、分解和抑制模拟装置，其特征在于，还包括升降机构，所述升降机构包括滑轮、线轮及吊绳，所述吊绳的一端绕设于所述线轮上，所述吊绳的中端绕设于所述滑轮上，所述吊绳的另一端与所述反应釜固定连接。

10.一种天然气水合物合成、分解和抑制模拟方法，适用于如权利要求1-9中的任意一项所述的天然气水合物合成、分解和抑制模拟装置，其特征在于，包括如下步骤：

S1、在反应釜内装入含有抑制剂的溶液；

S2、通过温度控制机构使反应釜内的溶液达到预设温度；

S3、通过抽真空机构抽离所述反应釜内的空气；

S4、通过气泵将储气罐内的甲烷气体通入反应釜内的溶液中、并通过气泵使反应釜内的气压保持在预设压力值；

S5、通过转动件带动搅拌叶转动，以使甲烷气体与反应釜内的溶液充分混合，在此过程中，通过扭矩检测件持续检测搅拌叶转动时所受到的扭矩力的大小；

S6、当搅拌叶转动时所受到的扭矩力增加量大于预设值时，表明反应釜内有天然气水合物形成，则通过伸缩件带动筛板从反应釜内的底端向顶端移动，当筛板脱离反应釜内的液面后，通过重量检测件检测筛板上的天然气水合物的重量并记录，之后通过伸缩件带动筛板返回反应釜内的底端；

S7、每间隔预设时间带动筛板向上移动到反应釜内液面的上方一次、通过重量检测件检测筛板上的天然气水合物的重量并记录，直到检测到的天然气水合物的重量不再增加为止；

S8、更改抑制剂的类型、抑制剂的浓度、反应釜内的气压预设值及反应釜内的溶液的预设温度值，重复步骤S2-S7。

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