CN116296671B - 与天然气中稀有气体同位素分析装置配套的缓冲件及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于稀有气体分析技术领域，具体涉及一种与天然气中稀有气体同位素分析装置配套的缓冲件及方法。所述缓冲件包括进气管道和气压缓冲组件，所述进气管道连接天然气中稀有气体同位素分析装置，所述进气管道上设有阀门V0，所述气压缓冲组件设置在进气管道内；所述气压缓冲组件包括连接管，所述连接管设置于所述进气管道内，所述连接管的外部套设有多个气动组件，所述气动组件在气体流动的作用下能够发生形变，使气流减速。本发明的同位素分析装置本体的功能是从富甲烷天然气中分离出稀有气体组分，并对其进行同位素分析，气压缓冲组件的作用是缓冲气压变化，减少天然气样本对管道的冲击力。

Description

与天然气中稀有气体同位素分析装置配套的缓冲件及方法
技术领域
本发明属于稀有气体分析技术领域，具体涉及一种与天然气中稀有气体同位素分析装置配套的缓冲件及方法。
背景技术
稀有气体因其化学性质不活泼、在自然界中丰度低等原因，被作为地质物体分析以及地质历程分析的重要示踪剂。稀有气体都是无色、无臭、无味的，熔点和沸点都很低，在低温时可以液化，基于此原理，现有技术利用气体液化和分馏的方法从空气(或者天然气等混合气体)中提取稀有气体。
现有技术CN107167510B提供了一种从富甲烷天然气中分析Xe同位素的方法和装置，所述方法包括对外部天然气进行负压抽取、除水、低温收集、Xe富集处理、同位素分析等步骤，利用多个阀门和负压抽取装置，将富甲烷天然气中的Xe分离出来，并进行同位素分析，获得Xe的同位素信息。该专利提供的方法和设备操作简单、效率高。
鉴于稀有气体包括氦气(He)、氖气(Ne)、氩气(Ar)、氪气(Kr)、氙气(Xe)等多种，仅研究Xe是不能满足科研需求的。氪气是稀有气体的一种，无色无臭，广泛应用于电子工业、电光源工业，还用于气体激光器和等离子流中。氪的同位素有氪78、氪80、氪82、氪83、氪84等多种，氪同位素示踪可以检测表面反应等，也是一种常见的示踪剂。
CN107167510B在分离富集氙气的时候，有一个步骤就是将氙组分与氪组分同时收集的。该专利的设备与富甲烷天然气管道接通，利用负压抽取天然气样本，天然气样本与V0端口的接触位置处压力变化大，天然气样本对此处造成的冲击力也较大，容易冲破连接处，造成天然气泄漏。所以需要对该设备进行改进，增加一种能缓冲气压变化的组件，减少天然气样本对V0端口管道的冲击力。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种与天然气中稀有气体同位素分析装置配套的缓冲件，增加了一种能缓冲气压变化的组件，以减少天然气样本对V0端口管道的冲击力。
本发明的目的是提供一种与天然气中稀有气体同位素分析装置配套的缓冲件，包括进气管道和气压缓冲组件，所述进气管道连接天然气中稀有气体同位素分析装置，所述进气管道上设有阀门V0，所述气压缓冲组件设置在进气管道内；
所述气压缓冲组件包括连接管，所述连接管设置于所述进气管道内，所述连接管的外部套设有多个气动组件，所述气动组件在气体流动的作用下能够发生形变，使气流减速。
优选的，上述与天然气中稀有气体同位素分析装置配套的缓冲件，所述连接管与所述进气管道内壁之间通过支撑杆连接。
优选的，上述与天然气中稀有气体同位素分析装置配套的缓冲件，所述气动组件包括固定环，所述固定环固定设置在所述连接管上，所述固定环的上游设置有活动环，所述活动环活动套设在连接管外部，围绕所述活动环的一周分散设置有多个活动杆，所述活动杆的一端转动连接在所述活动环上，另一端转动连接有活动板的一端，所述活动板的另一端转动连接有所述固定环，所述活动环上设有开关，所述开关能锁定所述活动环在所述连接管上的位置。
优选的，上述与天然气中稀有气体同位素分析装置配套的缓冲件，所述开关为电磁阀，所述电磁阀的一部分组件位于活动环上，另一部分配套组件位于所述连接管上，所述活动环上设有驱动活动环活动的直线电机。
优选的，上述与天然气中稀有气体同位素分析装置配套的缓冲件，所有的所述电磁阀和所述直线电机均连接控制器上，所述控制器上连接有电源和开关面板，开关面板上设有控制电磁阀与直线电机启闭的按键。
优选的，上述与天然气中稀有气体同位素分析装置配套的缓冲件，所述开关为电动伸缩杆，所述电动伸缩杆的一端与所述活动环连接，另一端与所述固定环连接。
优选的，上述与天然气中稀有气体同位素分析装置配套的缓冲件，所述进气管道内设有多组气压缓冲组件，这些气压缓冲组件并排设置在进气管道内。
优选的，所述活动环包括第一环体和第二环体，所述第一环体与所述第二环体之间设有多个弹力部件，所述活动杆是V型杆，所述V型杆的两个杆端部转动连接，且转动连接端连接在相应的所述活动板上，所述V型杆的另外两个端转动连接所述第一环体或所述第二环体上。
优选的，上述与天然气中稀有气体同位素分析装置配套的缓冲件，在同一个所述气动组件内，所述活动环是螺旋形状的环，所有所述活动杆沿所述活动环的外壁呈螺旋形状分布，则所述活动板的与所述活动杆连接的一端也呈螺旋形状分布。
本发明还提供了一种包括所述缓冲件的天然气中稀有气体同位素分析装置配套，所述天然气中稀有气体同位素分析装置为氪同位素分析装置，所述氪同位素分析装置包括阀门V5和阀门V9，所述阀门V5上连接的是超负压装置，阀门V9连接的是同位素分析设备。
本发明还提供了一种分析上述富甲烷天然气中氪同位素分析的方法，包括：
按照所述的氪同位素分析装置的结构组装设备；
除去富天然气样本中的水份；
富集Xe与Kr组分；
分离Xe与Kr组分；
将Kr组分送入同位素分析设备。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的同位素分析装置本体的功能是从富甲烷天然气中分离出稀有气体组分，并对稀有气体组分进行同位素分析。气压缓冲组件的作用是缓冲气压变化，减少天然气样本对V0端口附近进气管道的冲击力。气动组件在气体流动的作用下能够发生形变，使气流减速，外部天然气存储装置内的富甲烷天然气在负压的作用下进入进气管道的时候，气动组件张开，也就是在风力的作用下，气动组件张开，面积变大，像风筝一样对气流产生阻力，既能满足天然气进入进气管道的需求，也能减缓天然气对进气管道的冲击力，增加进气管道的使用寿命，避免天然气的泄漏。多个气动组件间隔设置在连接管上，对气流形成多道阻力，逐步减缓气流对天然气对进气管道壁的冲击，分流了压力，则气动组件的使用寿命也能长些。
在本发明的一个实施例中，一个进气管道内设有多组气压缓冲组件，则具有多重缓冲天然气样本冲击力的效果。
在本发明的一个实施例中，在同一个气动组件内，活动环是螺旋形状的环，所有活动杆围绕活动环的外壁呈螺旋形状分布，那么气流冲向气动组件的时候，沿着活动杆移动，形成微小的螺旋方向气流，有效减缓了气流冲击力。
在本发明的一个实施例中，利用氪同位素分析装置来分析氪同位素，对于氪同位素示踪具有很好的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例1天然气中稀有气体同位素分析装置的结构示意图。
图2为本发明实施例1的气压缓冲组件的结构示意图一。
图3为本发明实施例1的气压缓冲组件的结构示意图二。
图4为本发明实施例1的气动组件的结构示意图。
图5为本发明实施例2的开关与活动环、固定环的连接结构示意图。
图6为本发明实施例3的进气管道内部结构纵向剖面图。
图7为本发明实施例4的气动组件与连接管的连接结构图。
图8为本发明实施例4活动环与活动杆的连接结构图。
图9为本发明实施例5富甲烷天然气中Kr同位素分析装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明。
在本发明的描述中，如未特殊说明，所用试剂均为市售，所用方法均为本领域常规技术。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明所述“上游”和“下游”是以外部天然气存储装置1向进气管道12气流流动方向算的。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
本发明的与天然气中稀有气体同位素分析装置是在CN107167510B装置和方法上的改进，利用了CN107167510B专利的分离氪组分、氙组分的原理，再此基础上，增加了一种能缓冲气压变化的缓冲组件，减少天然气样本对V0端口进气管道12的冲击力，另一方面将氪组分分离出来，对其同位素进行分析，以满足科研需求。
实施例1
一种与天然气中稀有气体同位素分析装置配套的缓冲件，参见图1，天然气中稀有气体同位素分析装置包括同位素分析装置本体11，所述缓冲件包括气压缓冲组件10和进气管道12。同位素分析装置本体11的功能是从富甲烷天然气中分离出稀有气体组分，并对其进行同位素分析，比如同位素分析装置本体11的结构参照CN107167510B设置。进气管道12连接同位素分析装置本体11，且所述进气管道12上设有阀门V0。
气压缓冲组件10设置在进气管道12内，进气管道12的一端连接同位素分析装置本体11，另一端用于连接外部天然气存储装置1，外部天然气存储装置1的一端设有阀门T1，另一端设有阀门T2，外部天然气存储装置1的设有阀门T2的一端可拆卸连接有进气管道12的端部，阀门T2与进气管道12通过接头管13接通，阀门T2与进气管道12通过接头管13这三个部件的连接缝处采用密封套等材料密封，避免漏气。进气管道12上设有阀门V0，进气管道12内部、位于阀门V0与进气管道12管口之间的位置设有气压缓冲组件10。气压缓冲组件10的作用是缓冲气压变化，减少天然气样本对V0端口附近进气管道12管道的冲击力。
气压缓冲组件10的结构参见图2-4，包括连接管101，连接管101平行于进气管道12的中心线设置，连接管101的管壁连接有支撑杆1011的一端，支撑杆1011的另一端进气管道12内壁，连接管101的外部套设有多个气动组件102。支撑杆1011设置在多个气动组件102之间，或者设置在连接管101的上游端与下游端。
气动组件102在气体流动的作用下能够发生形变，使气流减速，外部天然气存储装置1内的富甲烷天然气在负压的作用下进入进气管道12的时候，气动组件102张开，也就是在风力的作用下，气动组件102张开，面积变大，像风筝一样对气流产生阻力，既能满足天然气进入进气管道12的需求，也能减缓天然气对进气管道12的冲击力，增加进气管道12的使用寿命，避免天然气的泄漏。多个气动组件102间隔设置在连接管101上，对气流形成多道阻力，逐步减缓气流对天然气对进气管道12壁的冲击，分流了压力，则气动组件102的使用寿命也能长些。
气动组件102包括固定环1021、活动环1022、活动板1023、活动杆1024，固定环1021固定设置在连接管101上，活动环1022设置在固定环1021的上游，也就是说，在一个气动组件102中，活动环1022比固定环1021更靠近外部天然气存储装置1设置。活动环1022套设在连接管101外部，并能沿连接管101长度方向往复活动。围绕活动环1022的一周分散设置有多个活动杆1024，并且活动杆1024的一端铰接在活动环1022上，活动杆1024的另一端铰接有一个活动板1023的一端，注意，活动杆1024与活动板1023一一对应设置。活动板1023的未设置活动杆1024的一端铰接有固定环1021。总体来说，在一个气动组件102中，多个活动杆1024与活动板1023呈环形阵列的分布在连接管101外周。活动板1023具有两个刚性条，两个刚性条之间连接有柔性材料布，活动杆1024连接在柔性材料布上；或者，每个活动板1023的两个刚性条各连接有一个活动杆1024的一端，活动杆1024的另一端连接在活动环1022上。
当天然气气流从外部天然气存储装置1流向进气管道12的时候，对活动板1023产生冲击力，则活动环1022尽可能的向其对应的固定环1021方向移动，多个活动板1023开始像“撑伞”一样张开，形成图2所示的工作状态。
活动环1022上设有开关，开关连接活动环1022与连接管101，当不从外部天然气存储装置1取样的时候，活动环1022处于最靠近外部天然气存储装置1的位置，开关将活动环1022在连接管101上的位置锁定，使所有活动板1023开始像“合伞动作”一样收起来，形成图3所示的工作状态。
在本实施例1中，开关为电磁阀，电磁阀的一部分组件位于活动环1022上，另一部分配套的组件位于连接管101上，活动环1022上设有直线电机，直线电机能够控制活动环1022沿连接管101长度方向往复移动，打开直线电机的开关，则活动环1022向靠近外部天然气存储装置1的方向移动，电磁阀的两部分组件合体，电磁阀关闭，则将活动环1022在连接管101上的位置锁定。当需要从外部天然气存储装置1取样的时候，打开电磁阀，电磁阀的两部分组件可分离，当进气管道12提前抽好负压，开启阀门T2时，操作直线电机的开关，使直线电机向远离天然气存储装置1的方向移动，则天然气冲向进气管道12内，将电磁阀的两部分组件冲分开，活动环1022向其相应的固定环1021方向移动。
由于电磁阀的最低工作温度可达-290℃左右，耐低温，而氪气的液化温度高于-290℃，所以本实施例选择电磁阀可以满足低温环境的工作需求。
为了方便控制，所有的电磁阀和直线电机均连接一个控制器上，比如都连接在PLC控制器上，控制器上连接有电源和开关面板，开关面板上设有控制电磁阀与直线电机启闭的按键。
实施例2
一种与天然气中稀有气体同位素分析装置配套的缓冲件，与实施例1的结构基本相同，区别在于，开关结构参见图5，如下：
开关为电动伸缩杆1025，电动伸缩杆1025的一端与活动环1022连接，另一端与固定环1021连接。
当不从外部天然气存储装置1取样的时候，打开电动伸缩杆1025，带动活动环1022向靠近外部天然气存储装置1的方向活动，电动伸缩杆1025将活动环1022在连接管101上的位置锁定，使所有活动板1023开始像“合伞动作”一样收起来，形成图3所示的工作状态。
当需要从外部天然气存储装置1取样的时候，进气管道12提前抽好负压，接着一边收缩电动伸缩杆1025，一边开启阀门T2，天然气冲向进气管道12内，活动环1022向其相应的固定环1021方向移动，对气流产生缓冲阻力。
实施例3
一种与天然气中稀有气体同位素分析装置配套的缓冲件，与实施例1的结构基本相同，区别在于，参见图6，一个进气管道12内设有多组气压缓冲组件10，这些气压缓冲组件10并排(环形阵列分布)设置在进气管道12内。则具有多重缓冲天然气样本冲击力的效果。
实施例4
一种与天然气中稀有气体同位素分析装置配套的缓冲件，与实施例1的结构基本相同，区别在于，参见图7，在同一个气动组件102内，活动环1022是螺旋形状的环，所有活动杆1024围绕活动环1022的外壁成螺旋形状分布，则活动板1023的与活动杆1024连接的一端也呈螺旋形状分布，那么气流冲向气动组件102的时候，沿着活动杆1024移动，形成微小的螺旋方向气流，有效减缓了气流冲击力。
优选的，参照图8，活动环1022包括第一环体10221、第二环体10222，第一环体10221、第二环体10222的尺寸和形状均相同，第一环体10221与第二环体10222之间设有多个弹力部件，弹力部件比如采用弹簧10223，活动杆1024是V型杆，V型杆的两个杆端部铰接在一起，且铰接端连接在相应的活动板1023上，V型杆未铰接在一起的一个端部连接在第一环体10221上，V型杆未铰接在一起的一个端部连接在第二环体10222上。则当气流冲击活动板1023的时候，第一环体10221，第二环体10222位移的时候通过弹簧10223缓冲，也能减速气流。
实施例5
一种富甲烷天然气中Kr同位素分析装置，包括Kr同位素分析装置本体与气压缓冲组件10。Kr同位素分析装置本体的结构参照CN107167510B的装置，包括负压装置2、吸水装置3、收集装置4、反应吸附装置5、过滤装置6、超负压装置7、分离设备8和同位素分析设备9，还包括阀门V1、阀门V2、阀门V3、阀门V4、阀门V5、阀门V6、阀门V7、阀门V8、阀门V9、阀门V10、阀门V11、阀门Vf。气压缓冲组件10设置在进气管道12内，进气管道12的一端连接Kr同位素分析装置本体，另一端用于连接外部天然气存储装置1，外部天然气存储装置1的一端设有阀门T1，另一端设有阀门T2，外部天然气存储装置1的设有阀门T2的一端可拆卸连接有进气管道12的端部，阀门T2与进气管道12通过接头管13接通。进气管道12上设有阀门V0，气压缓冲组件10位于阀门V0与阀门T2之间。
其中，阀门V0、阀门V1、阀门V2、阀门V3、阀门V4、阀门V5、阀门V6、阀门V7、阀门V8、阀门V10、阀门V11、阀门Vf、阀门T1、阀门T2与负压装置2、吸水装置3、收集装置4、反应吸附装置5、过滤装置6、分离设备8和同位素分析设备9、外部天然气存储装置1的连接方式均参照CN107167510B的说明书附图1的连接方式进行。
CN107167510B专利是为了分析Xe组分，本发明用于分析Kr组分。具体参见本发明说明书附图8。
在本发明中，阀门V5上连接的是超负压装置7，阀门V9上并不连接超负压装置7，在本发明中，阀门V9连接的是同位素分析设备9。
分析Kr同位素的方法如下：
首先，将采集/储存天然气样品的高压钢瓶连接至V0阀门处，打开V0、Vf抽真空至10-5Pa；然后关闭Vf，打开T2，保持20s，此时气压缓冲组件10充当阻力缓冲作用，减缓气流对进气管道12的冲击；然后关闭V0，取V0与V1间1ml天然气；将V3处冷至保持在酒精+液氮温度，打开V1、V3，保持2min，除去样品中的水；然后关闭V3、V1，打开V2、V4，保持2min，利用液氮温度下V4处冷制富集样品中的Kr和Xe组分；然后关闭V4，打开Vf、V1，将剩余样品抽走，直至真空度恢复到10-5Pa。然后进行第二次进样，关闭V1、V2、Vf，打开V0，保持20s；然后关闭V0，取V0与V1间1ml天然气；将V3处冷至保持在酒精+液氮温度，打开V1、V3，保持2min，除去样品中的水；然后关闭V3、V1，打开V2、V4，保持2min，利用液氮温度下V4处冷制富集样品中的Kr和Xe组分；然后关闭V4，打开Vf、V1，将剩余样品抽走，直至真空度恢复到10-5Pa。然后重复第二次进样的步骤，进行10-15次天然气样品中Kr、Xe富集过程。
然后关闭V2，打开V4，将V4处升温至100℃，释放收集的Kr和Xe组分；关闭V5、打开V6，将海绵钛炉升温至800℃，保持10min，进一步除去样品中残余的活性气体，同时吸气泵除去样品中的H2；然后关闭V9，打开V10、V11，低温冷泵温度降至140K，收集Xe组分，保持10min；然后关闭V11，打开V9将Kr组分送入稀有气体质谱仪进行Kr同位素分析。
需要说明的是，本发明中未特别提及的部件连接关系均默认采用现有技术，由于其不涉及发明点，且为现有技术普遍应用，故不详述结构连接关系。
需要说明的是，本发明中涉及数值范围时，应理解为每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用，由于采用的步骤方法与实施例相同，为了防止赘述，本发明描述了优选的实施例。尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.与天然气中稀有气体同位素分析装置配套的缓冲组件，其特征在于，包括进气管道(12)和气压缓冲组件(10)，所述进气管道(12)连接天然气中稀有气体同位素分析装置，所述进气管道(12)上设有阀门V0，所述气压缓冲组件(10)设置在进气管道(12)内；
所述气压缓冲组件(10)包括连接管(101)，所述连接管(101)设置于所述进气管道(12)内，所述连接管(101)的外部套设有多个气动组件(102)，所述气动组件(102)在气体流动的作用下能够发生形变，使气流减速；
所述气动组件(102)包括固定环(1021)，所述固定环(1021)固定设置在所述连接管(101)上，所述固定环(1021)的上游设置有活动环(1022)，所述活动环(1022)活动套设在所述连接管(101)外部，围绕所述活动环(1022)的一周分散设置有多个活动杆(1024)，所述活动杆(1024)的一端转动连接在所述活动环(1022)上，另一端转动连接有活动板(1023)的一端，所述活动板(1023)的另一端转动连接有所述固定环(1021)，所述活动环(1022)上设有开关，所述开关能锁定所述活动环(1022)在所述连接管(101)上的位置；
所述活动环(1022)包括第一环体(10221)和第二环体(10222)，所述第一环体(10221)与所述第二环体(10222)之间设有多个弹力部件，所述活动杆(1024)是V型杆，所述V型杆的两个杆端部转动连接，且转动连接端连接在相应的所述活动板(1023)上，所述V型杆的另外两个端转动连接所述第一环体(10221)或所述第二环体(10222)上；
在同一个所述气动组件(102)内，所述活动环(1022)是螺旋形状的环，所有所述活动杆(1024)沿所述活动环(1022)分布，则所述活动板(1023)的与所述活动杆(1024)连接的一端也呈螺旋形状分布；
所述开关为电磁阀，所述电磁阀的一部分组件位于所述活动环(1022)上，另一部分组件位于所述连接管(101)上，所述活动环(1022)上设有驱动其活动的直线电机；所有的所述电磁阀和所述直线电机均连接控制器上，所述控制器上连接有电源和开关面板，开关面板上设有控制电磁阀与直线电机启闭的按键；
或者，所述开关为电动伸缩杆(1025)，所述电动伸缩杆(1025)的一端与所述活动环(1022)连接，另一端与所述固定环(1021)连接。
2.根据权利要求1所述的与天然气中稀有气体同位素分析装置配套的缓冲组件，其特征在于，所述连接管(101)与所述进气管道(12)内壁之间通过支撑杆(1011)连接。
3.包括权利要求1所述缓冲组件的天然气中稀有气体同位素分析装置，其特征在于，所述天然气中稀有气体同位素分析装置为氪同位素分析装置，所述氪同位素分析装置包括阀门V5和阀门V9，所述阀门V5上连接的是超负压装置(7)，所述阀门V9连接的是同位素分析设备(9)。
4.一种分析天然气中氪同位素的方法，其特征在于，包括：
按照权利要求3所述的氪同位素分析装置的结构组装设备；
除去富天然气样本中的水份；
富集Xe与Kr组分；
分离Xe与Kr组分；
将Kr组分送入同位素分析设备(9)分析。
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