CN116183435B - 一种测量纳米孔隙内混合气体组分的实验装置及方法 - Google Patents

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CN116183435B CN202310438938.0A CN202310438938A CN116183435B CN 116183435 B CN116183435 B CN 116183435B CN 202310438938 A CN202310438938 A CN 202310438938A CN 116183435 B CN116183435 B CN 116183435B
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Abstract

本发明涉及纳米材料实验技术领域，具体涉及一种测量纳米孔隙内混合气体组分的实验装置及方法。本发明公开一种测量纳米孔隙内混合气体组分的实验装置及方法，包括恒速恒压泵、中间容器A、中间容器B、气体流量计、多功能恒温烘箱、球阀A、温度传感器、压力传感器A、标准筒、球阀B、压力传感器B、样品筒、阀门G、计算机、气体色谱仪、气体采样器、排风扇、真空泵；气体流量计、球阀A、标准筒、球阀B、样品筒、阀门G、气体采样器依次连通。本发明基于气体状态方程和物质守恒定律，提出通过分别测试标准筒与样品筒内混合气体组分，间接测试纳米多孔介质孔隙内混合气体组分；有助于进一步认识纳米限域空间内混合气体赋存状态与相态变化特征。

Description

一种测量纳米孔隙内混合气体组分的实验装置及方法
技术领域
本发明涉及纳米材料实验技术领域，具体涉及一种测量纳米孔隙内混合气体组分的实验装置及方法。
背景技术
纳米孔隙中流体的相行为在科学和工程中具有重要意义，并且在不同的学科中有着直接且关键的影响，在药物输送、纳米材料、电池设计、催化剂、污染控制、二氧化碳储存和封存、以及非常规油气资源（如致密油气和页岩油气）的提高采收率等方面有广泛的应用。
半个世纪以来，国内外众多学者对流体在纳米限域空间内的相态特征进行了不断的探索，实验室实验（包括压力/体积/温度传感器、差示扫描量热法、纳流控芯片装置实验等）表明，纳米孔中或具有纳米孔的流体相行为与本体流体的流体相显著不同，这主要归因于纳米孔隙的限域效应和流体分子与孔壁的强相互作用。然而，受现实实验条件的限制，目前的纳米限域空间流体相态特征的研究大多集中在单组分流体，对于更为复杂的多组分混合流体的研究较少，近几年的少量研究也尚未形成统一认识。Qiu（2021）等采用DSC方法测试MCM-41分子筛纳米孔隙中的CO2与CH4混合气体泡点与露点压力几乎相同，均低于相应本体混合物的露点线，因此得出混合物在纳米空间中可能不存在相包络线的结论。然而Pitakbunkat（2015）和Cao（2022）等学者通过分子模拟却表明，CO2与CH4二元混合气体在纳米孔隙中存在泡点线与露点线，只是比体相流体更窄而已，与Qiu（2021）的结论存在分歧。对于混合物流体的纳米空间相行为认识分歧可能来源于纳米空间的气体组分与体相空间并不相同。由于纳米孔壁对混合气体不同组分的吸附性不同，混合气体在纳米孔隙中存在竞争吸附，这可能导致纳米孔隙中的吸附层流体组分与体相空间不同，而纳米孔隙空间吸附层占比较大尺度孔隙更大，吸附层的影响不能忽略，因此导致纳米孔隙中的混合气体与体相空间不同。Qiu（2021）等的实验假设纳米孔隙内的组分与体相空间相同，这一假设可能是导致其结论与分子模拟矛盾的原因，需要通过测试纳米孔隙内的混合气体组分来加以佐证。事实上，研究混合物在不同孔径纳米空间的组分特征，同时也是研究混合气体在纳米孔隙中赋存状态的关键科学问题。
综上所述，准确测试复杂混合气体在纳米孔隙中的组分是准确理解混合气体在纳米限域空间中赋存状态与相态特征的基础，目前国内外尚未有测试纳米孔隙中气体组分的实验报道，是一个亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明主要是克服现有技术中存在的缺点，本发明提供一种测量纳米孔隙内混合气体组分的实验装置及方法。
本发明解决上述技术问题，所提供的技术方案是：一种测量纳米孔隙内混合气体组分的实验装置，包括恒速恒压泵、中间容器A、中间容器B、气体流量计、多功能恒温烘箱、球阀A、温度传感器、压力传感器A、标准筒、球阀B、压力传感器B、样品筒、阀门G、计算机、气体色谱仪、气体采样器、排风扇、真空泵；
所述中间容器A、中间容器B一端均通过管线与恒速恒压泵连通，另一端均通过管线与气体流量计连通；所述气体流量计、球阀A、标准筒、球阀B、样品筒、阀门G、气体采样器依次通过管线连通；所述气体采样器两端分别通过管线与气体色谱仪、排风扇连通；所述真空泵通过管线与样品筒连通；所述计算机与气体色谱仪电连接；
所述标准筒、样品筒均位于多功能恒温烘箱内；所述中间容器A两端分别设有阀门B、阀门E，所述中间容器B两端分别设有阀门C、阀门D。
进一步的技术方案是，所述恒速恒压泵的出口端设有阀门A。
进一步的技术方案是，所述气体流量计与中间容器A、中间容器B之间设有阀门F。
进一步的技术方案是，所述真空泵与样品筒之间设有阀门H。
进一步的技术方案是，所述阀门A、阀门B、阀门C、阀门D、阀门E、阀门F、球阀A、球阀B、阀门G、阀门H均为耐高温高压电动阀，且开度可控，实现微调。
进一步的技术方案是，所述多功能恒温烘箱内设有温度传感器。
进一步的技术方案是，所述标准筒、样品筒上分别设有压力传感器A、压力传感器B。
进一步的技术方案是，所述温度传感器、压力传感器A、压力传感器B的精度至少达到0.01级。
进一步的技术方案是，所述中间容器A、中间容器B、标准筒、样品筒的两端均采用金属密封。
一种测量纳米孔隙内混合气体组分的实验方法，具体包括以下步骤：
步骤S1、清洗设备和管线，连接好实验装置，用酒精、石油醚清洗实验系统，采用气测法标定标准筒的体积；
步骤S2、在样品筒中加入纳米孔隙介质样品，利用真空泵将系统持续抽真空1h以上；
步骤S3、多功能恒温烘箱加热控制到设定温度T，关闭球阀B，在中间容器A中充入氦气，利用通过恒速恒压泵将氦气泵入标准筒后，关闭球阀A，待标准筒的压力稳定后，获取标准筒的压力值与多功能恒温烘箱内的温度值；
步骤S4、打开球阀B，使标准筒中的氦气进入样品筒，待充分平衡后，获取样品筒的平衡后样品筒压力
Figure SMS_1
，并根据以下公式计算得到样品筒内空余体积V v和样品筒内体相空间体积/>
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；
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式中：
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为平衡后样品筒压力，pa；V v为样品筒内空余体积，m3；/>
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为氦气在压力/>
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和温度T条件下的偏差因子，无因次；/>
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为标准筒压力，pa；/>
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为氦气在压力/>
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和温度T条件下的偏差因子，无因次；V R为标准筒体积，m3；/>
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为样品筒内纳米孔隙空间体积，m3；/>
Figure SMS_5
为样品筒内体相空间体积，m3；
步骤S5、将系统内氦气排空，利用真空泵继续抽真空1h以上；关闭球阀B，配制混合气体，利用气体色谱仪测试混合气体组分，在中间容器B中充满配好的混合气体，通过恒速恒压泵将混合气体泵入标准筒中后，关闭球阀A，待标准筒的压力稳定后，获取此时标准筒内混合气体初始压力
Figure SMS_13
与多功能恒温烘箱内的温度；
步骤S6、打开球阀B，使标准筒中的部分混合气进入样品筒后，关闭球阀B；待样品筒与标准筒的压力稳定后，分别读取压力传感器A与压力传感器B的数值，即获得标准筒放入部分混合气体至样品筒后平衡压力
Figure SMS_14
、样品筒内平衡压力/>
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；再通过下式计算样品筒混合气体在体相空间物质的量与总物质的量之比/>
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；
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式中：
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为样品筒内混合气体在压力/>
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和温度T条件下的偏差因子，无因次；/>
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为混合气体在压力/>
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和温度T条件下的偏差因子，无因次；/>
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为混合气体在压力/>
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和温度T条件下的偏差因子，无因次；/>
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为充注混合气体后标准筒压力，pa；/>
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为标准筒将混合气体放入样品筒后压力，pa；/>
Figure SMS_21
为样品筒充入混合气体后的平衡压力，pa；
步骤S7、打开阀门G，取样品筒内的混合气体，利用气体色谱仪测试混合气体组分初始摩尔分数，同时测试样品筒混合气体平衡后体相空间混合气体平衡后混合气体组分摩尔分数；
步骤S8、最后通过下式计算得到纳米孔隙空间组分i的摩尔分数；
Figure SMS_27
式中：
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为混合气体组分i的初始摩尔分数，%；/>
Figure SMS_29
为体相空间混合气体平衡后组分i摩尔分数，%；/>
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为纳米孔隙空间混合气体平衡后组分i的摩尔分数，%；/>
Figure SMS_31
为样品筒混合气体在体相空间物质的量与总物质的量之比，无因次。
本发明的有益效果：本发明基于气体状态方程和物质守恒定律，提出通过分别测试标准筒与样品筒内混合气体组分，间接测试纳米多孔介质孔隙内混合气体组分；研究成果有助于进一步认识纳米限域空间内混合气体赋存状态与相态变化特征。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是不同孔径纳米分子筛材料的选择性吸附因子测试曲线。
图中所示：1-恒速恒压泵；2-阀门A；3-阀门B；4-阀门C；5-中间容器A；6-中间容器B；7-阀门D；8-阀门E；9-阀门F；10-气体流量计；11-多功能恒温烘箱；12-球阀A；13-温度传感器；14-压力传感器A；15-标准筒；16-球阀B；17-压力传感器B；18-样品筒；19-纳米孔隙介质样品；20-阀门G；21-计算机；22-气体色谱仪；23-气体采样器；24-排风扇；25-真空泵；26-阀门H。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明的一种测量纳米孔隙内混合气体组分的实验装置，包括恒速恒压泵1、中间容器A5、中间容器B6、气体流量计10、多功能恒温烘箱11、球阀A12、温度传感器13、压力传感器A14、标准筒15、球阀B16、压力传感器B17、样品筒18、阀门G20、计算机21、气体色谱仪22、气体采样器23、排风扇24、真空泵25；
所述中间容器A5、中间容器B6一端均通过管线与恒速恒压泵1连通，另一端均通过管线与气体流量计10连通；所述气体流量计10、球阀A12、标准筒15、球阀B16、样品筒18、阀门G20、气体采样器23依次通过管线连通；所述气体采样器23两端分别通过管线与气体色谱仪22、排风扇24连通；所述真空泵25通过管线与样品筒18连通；所述计算机21与气体色谱仪22电连接；
所述标准筒15、样品筒18均位于多功能恒温烘箱11内；所述中间容器A5两端分别设有阀门B3、阀门E8，所述中间容器B6两端分别设有阀门C4、阀门D7，所述恒速恒压泵1的出口端设有阀门A2，所述气体流量计10与中间容器A5、中间容器B6之间设有阀门F9，所述真空泵25与样品筒18之间设有阀门H26；所述多功能恒温烘箱11内设有温度传感器13，所述标准筒15、样品筒18上分别设有压力传感器A14、压力传感器B17。
其中为了更进一步避免实验测试误差，优选的实施方式是，所述阀门A2、阀门B3、阀门C4、阀门D7、阀门E8、阀门F9、球阀A12、球阀B16、阀门G20、阀门H26均为耐高温高压电动阀，且开度可控，实现微调。
其中为了更进一步的避免橡胶密封产生形变导致压力或体积变化，造成实验测试误差，优选的实施方式是，所述中间容器A5、中间容器B6、标准筒15、样品筒18的两端均采用金属密封。
本实验装置的实验步骤如下：
步骤S1、清洗设备和管线，连接好实验装置，用酒精、石油醚清洗实验系统，采用气测法标定标准筒15的体积；
步骤S2、在样品筒18中加入纳米孔隙介质样品19，利用真空泵25将系统抽真空，为保证将纳米孔隙介质完全抽真空，使用真空泵应持续抽真空1h以上；
步骤S3、多功能恒温烘箱11加热控制到设定温度T，关闭球阀B16，在中间容器A5中充入氦气，利用通过恒速恒压泵1将一定量的氦气缓慢泵入标准筒15中后，在压力传感器A14不超过3MPa时，关闭球阀A12，待标准筒15的压力稳定后，读取标准筒15的压力值与恒温箱温度值；
此时标准筒15中的状态方程可表示为：
Figure SMS_32
（1）
式中：V R为标准筒体积，m3；
Figure SMS_33
为标准筒压力，pa；/>
Figure SMS_34
为氦气在压力/>
Figure SMS_35
和温度T条件下的偏差因子，无因次；n 0为氦气的总物质的量，mol；R为气体常数，8.314472J/（mol·K）；T为恒温箱温度，K；其中氦气偏差系数/>
Figure SMS_36
可通过查表得到。
步骤S4、打开球阀B16，使标准筒15中的氦气进入样品筒18，待充分平衡后，读取样品筒18内的压力数值；
此时系统的状态方程可表示为：
Figure SMS_37
（2）
式中：
Figure SMS_38
为平衡后样品筒压力，pa；V v为样品筒内空余体积，m3；/>
Figure SMS_39
为氦气在压力/>
Figure SMS_40
和温度/>
Figure SMS_41
条件下的偏差因子，无因次；
计算样品筒18内空余体积可表示为：
Figure SMS_42
（3）
步骤S5、将系统内氦气排空，利用真空泵继续抽真空1h以上；关闭球阀B16，配制混合气体，利用气体色谱仪22测试混合气体组分，在中间容器B6中充满配好的混合气体，通过恒速恒压泵1将一定量的混合气体泵入标准筒15中后，关闭球阀A12，待标准筒15内的压力稳定后，读取标准筒15的压力值与恒温箱温度值；
标准筒中的混合气体状态方程可表示为：
Figure SMS_43
（4）
式中：
Figure SMS_44
为充注混合气体后标准筒压力，pa；/>
Figure SMS_45
为混合气体在压力/>
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和温度T条件下的偏差因子，无因次；n 1为混合气体的总物质的量，mol；/>
Figure SMS_47
可通过PR状态方程计算获得；
步骤S6、打开球阀B16，使标准筒中的部分混合气进入样品筒18后，关闭球阀B16；待样品筒18与标准筒15内的压力稳定后，分别读取压力传感器A14与压力传感器B17的数值；
平衡后标准筒15中的混合气体状态方程可表示为：
Figure SMS_48
（5）
式中：
Figure SMS_49
为标准筒将混合气体放入样品筒后压力，pa；/>
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为混合气体在压力/>
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和温度T条件下的偏差因子，无因次；/>
Figure SMS_52
为标准筒将混合气体放入样品筒后剩余混合气体物质的量，mol；/>
Figure SMS_53
可通过PR状态方程计算获得；
从标准筒放入样品筒混合气体物质的量可表示为：
Figure SMS_54
（6）
式中：
Figure SMS_55
为标准筒充入样品筒混合气体总物质的量，mol；
步骤S7、打开阀门G20，取样品筒18内的少量混合气体，利用气体色谱仪22测试混合气体组分初始摩尔分数，同时测试样品筒混合气体平衡后体相空间混合气体平衡后混合气体组分摩尔分数；
平衡后样品筒内混合气体物质守恒方程可表示为：
Figure SMS_56
（7）
式中：
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为样品筒内体相空间体积，m3；/>
Figure SMS_58
为样品筒内纳米孔隙空间体积，m3；
平衡后样品筒内混合气体总物质的量等于体相空间物质的量与纳米孔隙空间物质的量之和：
Figure SMS_59
（8）
对样品筒内混合物气体各组分i的物质守恒方程可表示为：
Figure SMS_60
（9）
式中：
Figure SMS_61
为混合气体组分i的初始摩尔分数，%；/>
Figure SMS_62
为体相空间混合气体平衡后组分i摩尔分数，%；/>
Figure SMS_63
为纳米孔隙空间混合气体平衡后组分i摩尔分数，%；/>
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为体相空间总摩尔数，mol；/>
Figure SMS_65
为纳米孔隙空间混合气体摩尔数，mol。
平衡后样品筒内体相空间气体状态方程可表示为：
Figure SMS_66
（10）
式中：
Figure SMS_67
为样品筒充入混合气体后的平衡压力，pa；/>
Figure SMS_68
为样品筒内混合气体在压力/>
Figure SMS_69
和温度T条件下的偏差因子，无因次；
平衡后体相空间与纳米孔隙空间的各组分总物质的量之比可表示为：
Figure SMS_70
（11）
Figure SMS_71
（12）
式中：
Figure SMS_72
为样品筒混合气体在体相空间物质的量与总物质的量之比，无因次；/>
Figure SMS_73
为样品筒混合气体在纳米孔隙空间物质的量与总物质的量之比，无因次。
联立上述方程，可得：
Figure SMS_74
（13）
求解可得计算纳米孔隙空间组分i摩尔分数的表达式为：
Figure SMS_75
（14）
式中：
Figure SMS_76
为混合气体组分i的初始摩尔分数，%；/>
Figure SMS_77
为体相空间混合气体平衡后组分i摩尔分数，%；/>
Figure SMS_78
为纳米孔隙空间混合气体平衡后组分i的摩尔分数，%；/>
Figure SMS_79
为样品筒混合气体在体相空间物质的量与总物质的量之比，无因次。
本实施例中，混合气体采用甲烷与乙烷混合气体，通过一组测试数据表示纳米孔隙空间气体组分含量计算步骤：
步骤1、采用气测法标定标准筒15的体积V R为89.20ml；
步骤2、通过公式（3）计算样品筒空余体积V v为50.75ml；
其中，测试标准筒充满氦气压力
Figure SMS_80
为0.91MPa；测试平衡压力/>
Figure SMS_81
为0.58MPa。在实验温度20℃条件下，混合气体可视为理想气体，氦气偏差因子/>
Figure SMS_82
、/>
Figure SMS_83
均取值1.0；
步骤3、通过公式（7）计算样品筒内体相空间体积
Figure SMS_84
为31.39ml；
其中，分子筛纳米孔隙空间体积
Figure SMS_85
通过氮吸附法测试得出为19.36ml。
步骤4、通过公式（11）计算样品筒混合气体在体相空间物质的量与总物质的量之比
Figure SMS_86
为48.16%；
其中，标准筒充入混合气体初始压力
Figure SMS_87
为0.86MPa，标准筒放入部分混合气体至样品筒后平衡压力/>
Figure SMS_88
为0.67MPa，样品筒内平衡压力/>
Figure SMS_89
为0.26MPa。
在实验温度20℃条件下，混合气体可视为理想气体，混合气体偏差因子
Figure SMS_90
、/>
Figure SMS_91
和
Figure SMS_92
均取值1.0；
步骤5、通过气相色谱仪测试初始甲烷与乙烷混合气体组分
Figure SMS_93
与/>
Figure SMS_94
分别为42.63%与57.37%；
步骤6、测试得到样品筒混合气体平衡后体相空间混合气体平衡后甲烷与乙烷摩尔分数
Figure SMS_95
与/>
Figure SMS_96
分别为49.52%与50.48%；
步骤7、通过公式（14）计算甲烷与乙烷混合气体在纳米孔隙分子筛中的组分
Figure SMS_97
与
Figure SMS_98
分别为36.23%与63.77%。
本实施例中，乙烷选择性吸附因子可表示为：
Figure SMS_99
（15）
式中，
Figure SMS_100
为乙烷选择性吸附因子，无因次；/>
Figure SMS_101
为孔隙空间混合气体平衡后乙烷的摩尔分数，%；/>
Figure SMS_102
为孔隙空间混合气体平衡后甲烷的摩尔分数，%；/>
Figure SMS_103
为体相空间混合气体平衡后乙烷的摩尔分数，%；/>
Figure SMS_104
为体相空间混合气体平衡后甲烷的摩尔分数，%；
如图2所示，三条曲线表示在不同纳米孔径的分子筛在常压（0.1MPa）和不同温度条件下的乙烷选择性吸附因子
Figure SMS_105
的测试曲线。随着分子筛孔径增大，乙烷选择性吸附因子降低；随着温度升高，乙烷选择性吸附因子降低。
以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，可利用上述揭示的技术内容作出些变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种测量纳米孔隙内混合气体组分的实验方法，其特征在于，该实验方法采用一种测量纳米孔隙内混合气体组分的实验装置，包括恒速恒压泵（1）、中间容器A（5）、中间容器B（6）、气体流量计（10）、多功能恒温烘箱（11）、球阀A（12）、温度传感器（13）、压力传感器A（14）、标准筒（15）、球阀B（16）、压力传感器B（17）、样品筒（18）、阀门G（20）、计算机（21）、气体色谱仪（22）、气体采样器（23）、排风扇（24）、真空泵（25）；
所述中间容器A（5）、中间容器B（6）一端均通过管线与恒速恒压泵（1）连通，另一端均通过管线与气体流量计（10）连通；所述气体流量计（10）、球阀A（12）、标准筒（15）、球阀B（16）、样品筒（18）、阀门G（20）、气体采样器（23）依次通过管线连通；所述气体采样器（23）两端分别通过管线与气体色谱仪（22）、排风扇（24）连通；所述真空泵（25）通过管线与样品筒（18）连通；所述计算机（21）与气体色谱仪（22）电连接；
所述标准筒（15）、样品筒（18）均位于多功能恒温烘箱（11）内；所述中间容器A（5）两端分别设有阀门B（3）、阀门E（8），所述中间容器B（6）两端分别设有阀门C（4）、阀门D（7）；
具体包括以下步骤：
步骤S1、清洗设备和管线，连接好实验装置，用酒精、石油醚清洗实验系统，采用气测法标定标准筒（15）的标准筒体积V R；
步骤S2、在样品筒（18）中加入纳米孔隙介质样品（19），利用真空泵（25）将系统持续抽真空1h以上；
步骤S3、多功能恒温烘箱（11）加热控制到设定温度T，关闭球阀B（16），在中间容器A（5）中充入氦气，利用通过恒速恒压泵（1）将氦气泵入标准筒（15）后，关闭球阀A（12），待标准筒（15）的压力稳定后，获取标准筒（15）的标准筒压力
Figure QLYQS_1
与多功能恒温烘箱（11）内的温度值；
步骤S4、打开球阀B（16），使标准筒（15）中的氦气进入样品筒（18），待充分平衡后，获取样品筒（18）的平衡后样品筒压力
Figure QLYQS_2
，并根据以下公式计算得到样品筒内空余体积V v和样品筒内体相空间体积/>
Figure QLYQS_3
；
Figure QLYQS_4
Figure QLYQS_5
式中：
Figure QLYQS_8
为平衡后样品筒压力，pa；V v为样品筒内空余体积，m3；/>
Figure QLYQS_10
为氦气在压力/>
Figure QLYQS_12
和温度T条件下的偏差因子，无因次；/>
Figure QLYQS_6
为标准筒压力，pa；/>
Figure QLYQS_9
为氦气在压力/>
Figure QLYQS_11
和温度T条件下的偏差因子，无因次；V R为标准筒体积，m3；/>
Figure QLYQS_13
为样品筒内纳米孔隙空间体积，m3；/>
Figure QLYQS_7
为样品筒内体相空间体积，m3；
步骤S5、将系统内氦气排空，利用真空泵继续抽真空1h以上；关闭球阀B（16），配制混合气体，利用气体色谱仪（22）测试混合气体组分，在中间容器B（6）中充满配好的混合气体，通过恒速恒压泵（1）将混合气体泵入标准筒（15）中后，关闭球阀A（12），待标准筒（15）的压力稳定后，获取此时标准筒（15）内混合气体初始压力
Figure QLYQS_14
与多功能恒温烘箱（11）内的温度；
步骤S6、打开球阀B（16），使标准筒中的部分混合气进入样品筒后，关闭球阀B（16）；待样品筒（18）与标准筒（15）的压力稳定后，分别读取压力传感器A（14）与压力传感器B（17）的数值，即获得标准筒放入部分混合气体至样品筒后平衡压力
Figure QLYQS_15
、样品筒内平衡压力/>
Figure QLYQS_16
；再通过下式计算样品筒混合气体在体相空间物质的量与总物质的量之比/>
Figure QLYQS_17
；
Figure QLYQS_18
式中：
Figure QLYQS_19
为样品筒内混合气体在压力/>
Figure QLYQS_23
和温度T条件下的偏差因子，无因次；/>
Figure QLYQS_26
为混合气体在压力/>
Figure QLYQS_20
和温度T条件下的偏差因子，无因次；/>
Figure QLYQS_22
为混合气体在压力/>
Figure QLYQS_25
和温度T条件下的偏差因子，无因次；/>
Figure QLYQS_27
为充注混合气体后标准筒压力，pa；/>
Figure QLYQS_21
为标准筒将混合气体放入样品筒后压力，pa；/>
Figure QLYQS_24
为样品筒充入混合气体后的平衡压力，pa；nb、ns分别为体相空间物质的量、平衡后样品筒内混合气体总物质的量；
步骤S7、打开阀门G（20），取样品筒（18）内的混合气体，利用气体色谱仪（22）测试混合气体组分初始摩尔分数，同时测试样品筒混合气体平衡后体相空间混合气体平衡后混合气体组分摩尔分数；
步骤S8、最后通过下式计算得到纳米孔隙空间组分i的摩尔分数；
Figure QLYQS_28
式中：
Figure QLYQS_29
为混合气体组分i的初始摩尔分数，%；/>
Figure QLYQS_30
为体相空间混合气体平衡后组分i摩尔分数，%；/>
Figure QLYQS_31
为纳米孔隙空间混合气体平衡后组分i的摩尔分数，%；/>
Figure QLYQS_32
为样品筒混合气体在体相空间物质的量与总物质的量之比，无因次。
2.根据权利要求1所述的一种测量纳米孔隙内混合气体组分的实验方法，其特征在于，所述恒速恒压泵（1）的出口端设有阀门A（2）。
3.根据权利要求2所述的一种测量纳米孔隙内混合气体组分的实验方法，其特征在于，所述气体流量计（10）与中间容器A（5）、中间容器B（6）之间设有阀门F（9）。
4.根据权利要求3所述的一种测量纳米孔隙内混合气体组分的实验方法，其特征在于，所述真空泵（25）与样品筒（18）之间设有阀门H（26）。
5.根据权利要求4所述的一种测量纳米孔隙内混合气体组分的实验方法，其特征在于，所述阀门A（2）、阀门B（3）、阀门C（4）、阀门D（7）、阀门E（8）、阀门F（9）、球阀A（12）、球阀B（16）、阀门G（20）、阀门H（26）均为耐高温高压电动阀，且开度可控，实现微调。
6.根据权利要求1所述的一种测量纳米孔隙内混合气体组分的实验方法，其特征在于，所述多功能恒温烘箱（11）内设有温度传感器（13）。
7.根据权利要求6所述的一种测量纳米孔隙内混合气体组分的实验方法，其特征在于，所述标准筒（15）、样品筒（18）上分别设有压力传感器A（14）、压力传感器B（17）。
8.根据权利要求7所述的一种测量纳米孔隙内混合气体组分的实验方法，其特征在于，所述温度传感器（13）、压力传感器A（14）、压力传感器B（17）的精度至少达到0.01级。
9.根据权利要求1所述的一种测量纳米孔隙内混合气体组分的实验方法，其特征在于，所述中间容器A（5）、中间容器B（6）、标准筒（15）、样品筒（18）的两端均采用金属密封。
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5408864A (en) * 1993-06-18 1995-04-25 Coulter Corporation Method of determining the amount of gas adsorbed or desorbed from a solid
CN106153495A (zh) * 2016-08-31 2016-11-23 中国石油天然气股份有限公司 岩石气体吸附相体积测量方法及装置
CN107063919A (zh) * 2017-04-05 2017-08-18 中国石油大学(华东) 一种测量页岩中二氧化碳与烷烃竞争吸附量的装置及方法
CN109490132A (zh) * 2018-12-27 2019-03-19 中国科学院地质与地球物理研究所兰州油气资源研究中心 一种重量法与容积法等温吸附测试相结合的二元气体吸附测试方法

Family Cites Families (27)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1092919A (en) * 1965-05-17 1967-11-29 Atomic Energy Authority Uk Improvements in or relating to methods of analysing gas streams by gas chromatography
US7429358B1 (en) * 2002-05-20 2008-09-30 Hy-Energy, Llc Method and apparatus for measuring gas sorption and desorption properties of materials
EP2954305A4 (en) * 2013-02-08 2016-02-17 Services Petroliers Schlumberger APPARATUS AND METHODOLOGY FOR MEASURING PROPERTIES OF MICROPOROUS MATERIAL AT MULTIPLE SCALES
CN105021493B (zh) * 2015-07-13 2017-11-28 中国石油大学(华东) 一种多组分气体的吸附解析方法及装置
JP6645773B2 (ja) * 2015-08-28 2020-02-14 公益財団法人地球環境産業技術研究機構 細孔径評価装置および細孔径評価方法
CN205656091U (zh) * 2016-04-08 2016-10-19 中国石油大学(北京) 一种容量法页岩等温吸附实验装置
CN106018165B (zh) * 2016-07-27 2019-06-18 中国石油大学(北京) 一种页岩多组分吸附实验计算方法
CN106198306B (zh) * 2016-07-27 2019-03-01 中国石油大学(华东) 一种测定吸附质气体在吸附质上的吸附相密度的方法
CN206057127U (zh) * 2016-08-17 2017-03-29 中国石油大学(北京) 一种高压气体竞争吸附及分析实验装置
CN106970000B (zh) * 2017-04-21 2024-03-22 西南石油大学 煤/页岩超高压气体吸附和渗流实验评价页岩气吸附方法
CN108535134A (zh) * 2018-03-27 2018-09-14 西南石油大学 注氮气吞吐煤层压力监测及甲烷解吸效率评价装置与方法
US11099115B2 (en) * 2018-05-04 2021-08-24 Horiba Instruments, Incorporated System and dynamic volumetric method for surface characterization of porous solids and powder materials using flowing gas
CN108458947B (zh) * 2018-05-16 2024-08-20 成都皓瀚完井岩电科技有限公司 一种重量法高温高压等温吸附测量装置及方法
JP7219435B2 (ja) * 2018-05-24 2023-02-08 イーセップ株式会社 ナノ多孔性膜の細孔径分布測定装置
CN109100487A (zh) * 2018-08-06 2018-12-28 西安科技大学 三轴受载含瓦斯煤岩体低温环境渗流蠕变及力学实验系统
US11119062B2 (en) * 2018-08-23 2021-09-14 The Board Of Regents Of The University Of Oklahoma Method and assembly for measuring diffusion in nanoporous media
CN109708993B (zh) * 2018-11-14 2021-08-03 中国石油天然气股份有限公司 一种泥页岩高压气体等温吸附量测定方法及装置
CN110196264B (zh) * 2019-06-05 2020-12-04 西南石油大学 一种高温高压凝析气析蜡量测试装置及方法
CN110220817A (zh) * 2019-07-08 2019-09-10 河南理工大学 容量法等温吸附实验中吸附量的自由体积校正方法
CN111707701B (zh) * 2020-06-28 2021-07-20 中国地质大学（北京） 一种纳米通道内可压缩流体的相态测试装置及其测试方法
CN111855536B (zh) * 2020-08-18 2022-02-08 西南石油大学 高温高压下储层多孔介质中液烃吸附测定方法
GB2605617B (en) * 2021-04-07 2024-08-28 Equinor Energy As True vapour pressure determination
CN113189128B (zh) * 2021-04-21 2024-01-02 清华大学 多孔材料孔隙内多组分气体含气量测量方法及装置
CN115308080A (zh) * 2021-05-07 2022-11-08 中国石油化工股份有限公司 一种用于容量法高压吸附实验的体积参数确定方法及系统
CN216525791U (zh) * 2021-11-09 2022-05-13 中国石油大学(北京) 页岩孔隙内流体的相变模拟装置及系统
CN114062517B (zh) * 2021-11-15 2023-04-25 东北石油大学 页岩气和煤层气的混合气体吸附测试装置及方法
CN114166698B (zh) * 2022-02-08 2022-04-26 中国矿业大学(北京) 一种竞争吸附下煤微孔道气体扩散能力评估方法和系统

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5408864A (en) * 1993-06-18 1995-04-25 Coulter Corporation Method of determining the amount of gas adsorbed or desorbed from a solid
CN106153495A (zh) * 2016-08-31 2016-11-23 中国石油天然气股份有限公司 岩石气体吸附相体积测量方法及装置
CN107063919A (zh) * 2017-04-05 2017-08-18 中国石油大学(华东) 一种测量页岩中二氧化碳与烷烃竞争吸附量的装置及方法
CN109490132A (zh) * 2018-12-27 2019-03-19 中国科学院地质与地球物理研究所兰州油气资源研究中心 一种重量法与容积法等温吸附测试相结合的二元气体吸附测试方法

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Effects of gas components, reservoir property and pore structure of shale gas reservoir on the competitive adsorption behavior of CO2 and CH4;Weidong Xie 等;《Energy》;第124242页 *
the phase behaviors of confined shale fluids considering adsorption effect;Fengshuang Du 等;《J. Energy Resour. Technol》;第042601页 *
煤层气等温吸附/解吸模拟实验技术新进展与应用;陈振宏;邓泽;李贵中;陈刚;陈浩;庚勐;;中国石油勘探(03);第95-100页 *
考虑含水和多组分气体的页岩气含气量预测模型;齐荣荣;宁正福;张爽;黄亮;陈志礼;;煤炭学报(09);第2553-2561页 *
页岩气多组分竞争吸附机理研究;齐荣荣;《中国优秀博士学位论文全文数据库工程科技Ⅰ辑》;第72-95页 *

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