可視反應(yīng)釜與置換天然氣水合物的可視化實驗系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種可視反應(yīng)釜與置換天然氣水合物的可視化實驗系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)使用的可視反應(yīng)釜包括筒體、前法蘭、后法蘭及玻璃；前法蘭、后法蘭及筒體均為中空結(jié)構(gòu)，玻璃分別嵌設(shè)于前法蘭及后法蘭的中空結(jié)構(gòu)上，前法蘭、后法蘭及玻璃用于密封筒體；筒體上設(shè)有若干接口；該系統(tǒng)還包括取樣罐、真空泵、第一天然氣瓶、二氧化碳氣瓶、第二天然氣瓶、環(huán)境氣候箱、燒杯、傳感器、圖像采集設(shè)備和數(shù)據(jù)采集及處理設(shè)備。通過本實驗系統(tǒng)可進行不同相態(tài)的二氧化碳置換天然氣水合物過程，獲得置換過程的宏觀熱力學(xué)及動力學(xué)數(shù)據(jù)的同時，記錄置換過程的動態(tài)特征、置換過程中熱流固耦合現(xiàn)象及過程中出現(xiàn)的水合物形態(tài)變化；同時可用于觀察天然氣水合物的生成現(xiàn)象。
【專利說明】
可視反應(yīng)釜與置換天然氣水合物的可視化實驗系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及天然氣水合物的生成及置換實驗技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種可視反應(yīng)釜與置換天然氣水合物的可視化實驗系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]天然氣水合物，俗稱“可燃冰”，是一種白色固體結(jié)晶物質(zhì)，像冰雪塊一樣。在理想狀態(tài)下，每立方米的水合物能釋放出180倍體積的氣體分子。世界上絕大部分的天然氣水合物分布在海洋里，儲存在特定的海底沉積物中，只有極其少數(shù)的天然氣水合物是分布在常年冰凍的陸域。天然氣水合物(NGH)中甲烷的總資源約為3 X 115 m3，相比于常規(guī)天然氣(儲量約為0.404X1015 m3)，頁巖氣(儲量約為0.204X1015 -0.456X 115 m3)，它的儲量顯得非常巨大。由此，天然氣水合物被公認為是21世紀最具發(fā)展前景的新型能源。國外已在海底和永久凍土層發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物藏，研究結(jié)果顯示，我國的西沙海槽、東海陸坡、臺灣西南陸坡、南沙海槽和沖繩海槽等海域都具備天然氣水合物的成藏條件，同時，青藏高原永久凍土層地帶也擁有豐富的天然氣水合物資源。2013年，國土資源部在廣東沿海珠江口盆地東部海域首次鉆獲高純度天然氣水合物，分布面積55平方公里，控制儲量相當于1000?1500億立方米天然氣。因此，天然氣水合物作為一種具有巨大能源潛力的非常規(guī)能源，已引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。
[0003]20世紀以來，全球人口快速增長的同時，能源消耗量呈現(xiàn)出爆炸式增長。全球各國都在為自己的現(xiàn)代化努力前行，更多的能源將被消耗，美國能源信息署(EIA)預(yù)計從2004年至2030年全球能源需求將增長57%?；茉吹拇笠?guī)模使用，導(dǎo)致CO2被大量排放至大氣，2009年后，每年有大于300億噸的CO2被排放。從工業(yè)革命以來，大氣中CO2濃度不斷攀升，由28(^口111升高至2015年9月的397.64 ppm。
[0004]傳統(tǒng)的天然氣水合物開采方法主要有熱激發(fā)法、減壓法、化學(xué)試劑法等。天然氣水合物在開采過程中會發(fā)生相變，對水合物儲層的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響。廣泛存在于自然界中的天然氣水合物在一定的溫度與壓力下以固體形式穩(wěn)定存在。一旦水合物儲層穩(wěn)定存在的溫度與壓力發(fā)生改變，將會導(dǎo)致水合物分解，釋放出大量CH4氣體。
[0005]以上三種技術(shù)都是通過改變水合物層的環(huán)境，致使天然氣水合物處于熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)后分解并釋放出天然氣。由于氣體水合物的分解，容易破壞水合物地層結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致洋底斜坡災(zāi)害，對海洋環(huán)境甚至地球安全都造成影響。
[0006]二氧化碳置換天然氣水合物即可以防止CH4排入大氣，避免開采時對海底環(huán)境造成破壞，而且在得到CH4的同時還可以將CO2以水合物的形式封存于海底，減少了溫室氣體C02的排放，具有能源開采和降低溫室氣體排放的雙重意義，與傳統(tǒng)的水合物開采方法相比具有無法比擬的優(yōu)勢。
[0007]目前，研究者主要采用拉曼光譜(Raman)、核磁共振(NMR)、磁共振成像(MRI)等方法分析二氧化碳置換天然氣水合物的過程，并獲得了大量的熱力學(xué)和動力學(xué)數(shù)據(jù)。但是，還需要進一步研究置換過程的動態(tài)特征、置換過程中水合物形態(tài)變化，為研究天然氣水合物的開采工藝提供指導(dǎo)。
[0008]在已有技術(shù)中，申請?zhí)枮?00910214412.4，名稱為《一種二氧化碳置換開采天然氣水合物模擬方法及實驗系統(tǒng)》的專利，該專利可真實地模擬外部環(huán)境，進行二氧化碳置換天然氣水合物模擬開采，以進行開采機理的宏觀研究。但是該專利無法實現(xiàn)觀察記錄置換過程的動態(tài)特征和水合物的形態(tài)變化，以進行開采工藝研究。申請?zhí)枮?01410278000.8，名稱為《一種開采天然氣水合物的實驗?zāi)M系統(tǒng)及方法》的專利，該專利提供了一種二氧化碳置換和降壓聯(lián)合開采天然氣水合物的實驗?zāi)M系統(tǒng)及方法。但是該專利僅涉及研究提高置換率和置換速度，不能對置換過程的動態(tài)特征和水合物的形態(tài)變化進行詳細記錄。
[0009]綜上所述，現(xiàn)有實驗系統(tǒng)及方法中，都旨在獲取置換過程的熱力學(xué)數(shù)據(jù)和動力學(xué)數(shù)據(jù)，然后研究置換過程的機理。還需要進一步研究置換過程的動態(tài)特征、置換過程中熱流固耦合現(xiàn)象及過程中出現(xiàn)的水合物形態(tài)變化，為研究置換過程的動力學(xué)模型、工程應(yīng)用技術(shù)及設(shè)計開采裝置提供研究材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可視反應(yīng)釜，該反應(yīng)釜便于實驗人員觀察內(nèi)部進行的反應(yīng)的動態(tài)特征。
[0011]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
提供一種可視反應(yīng)釜，包括筒體、前法蘭、后法蘭及玻璃;所述前法蘭、后法蘭及筒體均為中空結(jié)構(gòu)，所述玻璃分別嵌設(shè)于前法蘭及后法蘭的中空結(jié)構(gòu)上，前法蘭、后法蘭及玻璃用于密封筒體;所述筒體上設(shè)有若干接口。
[0012]上述方案中，通過將前法蘭、后法蘭及筒體均設(shè)置為中空結(jié)構(gòu)，將玻璃分別嵌設(shè)在前法蘭及后法蘭的中空結(jié)構(gòu)上，并用前法蘭、后法蘭及玻璃密封筒體，使實驗人員透過玻璃即可觀察內(nèi)部進行的反應(yīng)的動態(tài)特征。該反應(yīng)爸結(jié)構(gòu)簡單、成本低。
[0013]本發(fā)明的第二種目的，在于提供一種置換天然氣水合物的可視化實驗系統(tǒng)，該實驗系統(tǒng)使用上述可視反應(yīng)釜，所述系統(tǒng)包括取樣罐、真空栗、第一天然氣瓶、二氧化碳氣瓶、第二天然氣瓶、環(huán)境氣候箱、燒杯、傳感器、圖像采集設(shè)備和數(shù)據(jù)采集及處理設(shè)備;可視反應(yīng)釜及傳感器均設(shè)于環(huán)境氣候箱內(nèi)，環(huán)境氣候箱上設(shè)有觀察窗，數(shù)據(jù)采集及處理設(shè)備設(shè)于環(huán)境氣候箱外;所述筒體上設(shè)有第一天然氣接口、二氧化碳接口、第二天然氣接口、排液接口及傳感器接口，所述取樣罐、真空栗、第一天然氣瓶及第一天然氣接口分別與四通接頭V2相通，二氧化碳氣瓶與二氧化碳接口相通，第二天然氣瓶與第二天然氣接口相通，排液接口與燒杯相通;傳感器的兩端分別連接傳感器接口和數(shù)據(jù)采集及處理設(shè)備；圖像采集設(shè)備與數(shù)據(jù)采集及處理設(shè)備連接，用于采集可視反應(yīng)釜內(nèi)的動態(tài)變化數(shù)據(jù)。
[0014]上述方案中，通過使用可視反應(yīng)釜，并設(shè)置傳感器、圖像采集設(shè)備和數(shù)據(jù)采集及處理設(shè)備，使實驗人員能夠觀察研究置換過程的動態(tài)特征、置換過程中熱流固耦合現(xiàn)象及過程中出現(xiàn)的水合物形態(tài)變化，為研究置換過程的動力學(xué)模型、工程應(yīng)用技術(shù)及設(shè)計開采裝置提供研究材料;通過設(shè)置環(huán)境氣候箱，便于控制可視反應(yīng)釜內(nèi)的溫度。
[0015]優(yōu)選地，所述傳感器包括壓力傳感器及溫度傳感器;所述數(shù)據(jù)采集及處理設(shè)備包括數(shù)據(jù)采集儀及計算機;所述壓力傳感器及溫度傳感器均與數(shù)據(jù)采集儀連接，數(shù)據(jù)采集儀連接計算機;所述傳感器接口包括壓力測量接口及溫度測量接口，壓力測量接口連接壓力傳感器，溫度測量接口連接溫度傳感器。壓力傳感器及溫度傳感器將壓力信息及溫度信息傳輸至數(shù)據(jù)采集儀，計算機對數(shù)據(jù)采集儀采集到的信息進行處理并顯示溫度及壓力，便于實驗人員實時查看。
[0016]優(yōu)選地，所述圖像采集設(shè)備包括正對玻璃的冷光源及高速CCD攝像機;所述冷光源設(shè)于環(huán)境氣候箱內(nèi)；高速CCD攝像機設(shè)于環(huán)境氣候箱外，且連接計算機。
[0017]優(yōu)選地，所述系統(tǒng)還包括第一閥門V1、第三閥門V3、第四閥門V4、第五閥門V5、第六閥門V6、第七閥門V7、第八閥門V8及第九閥門V9;第一閥門Vl設(shè)于真空栗與四通接頭V2之間，第三閥門V3設(shè)于第一天然氣瓶與四通接頭V2之間，第四閥門V4及第七閥門V7依次設(shè)于二氧化碳氣瓶與二氧化碳接口之間，第五閥門V5及第八閥門V8依次設(shè)于第二天然氣瓶與第二天然氣接口之間，第六閥門V6設(shè)于四通接頭V2與第一天然氣接口之間，第九閥門V9設(shè)于排液接口與燒杯之間。閥門的設(shè)置便于實驗人員根據(jù)需要實時調(diào)節(jié)可視反應(yīng)釜內(nèi)的壓力。
[0018]優(yōu)選地，所述系統(tǒng)還包括設(shè)于環(huán)境氣候箱外的第一壓力表、第二壓力表及第三壓力表;第一壓力表設(shè)于四通接頭V2與第六閥門V6之間，第二壓力表設(shè)于第四閥門V4與第七閥門V7之間，第三壓力表設(shè)于第五閥門V5與第八閥門V8之間。壓力表的設(shè)置使實驗人員可以根據(jù)壓力表顯示的壓力值更精準地調(diào)節(jié)閥門打開或關(guān)閉程度，以精準調(diào)節(jié)可視反應(yīng)釜內(nèi)的壓力。
[0019]優(yōu)選地，位于環(huán)境氣候箱內(nèi)用于連接二氧化碳氣瓶與二氧化碳接口的管路呈U型結(jié)構(gòu)。這樣設(shè)置便于二氧化碳在進入可視反應(yīng)釜前處于液化狀態(tài)。
[0020]優(yōu)選地，所述筒體兩側(cè)對稱設(shè)有雙頭螺栓盲孔，所述雙頭螺栓盲孔用于將可視反應(yīng)釜安裝在支架上。
[0021]優(yōu)選地，玻璃外表面通過墊片與前法蘭及后法蘭密封，玻璃外周通過O型圈及壓環(huán)與前法蘭及后法蘭密封，玻璃內(nèi)表面通過O型圈與筒體密封，前法蘭及后法蘭通過O型圈與筒體密封。這樣設(shè)置能增加可視反應(yīng)釜內(nèi)的密封性。
[0022]本發(fā)明的第三種目的，在于提供一種置換天然氣水合物的可視化實驗方法，包括以下步驟:
51.采用鼓泡法的方式從可視反應(yīng)釜的底部緩慢鼓入高壓天然氣，使天然氣與去離子水成核成膜，并在上升氣泡表面生成水合物殼層；
52.當反應(yīng)釜內(nèi)壓力溫度穩(wěn)定后，將反應(yīng)釜壓力降至3MPa，從反應(yīng)釜底部快速鼓入高壓天然氣沖碎步驟SI所生成的水合物殼層，使水合物殼層變成細小的水合物絮；
53.不斷重復(fù)步驟S2，使反應(yīng)釜中的水合物絮不斷增多并變成水合物漿；
54.當反應(yīng)釜內(nèi)壓力溫度穩(wěn)定后，將反應(yīng)釜壓力降至3MPa，從反應(yīng)釜底部快速鼓入高壓天然氣，提高水合物漿的含氣率，使其固化變成水合物塊；
55.在高壓低溫下，保溫保壓36小時使水合物老化；
56.將環(huán)境氣候箱的溫度調(diào)節(jié)至實驗溫度，降低反應(yīng)釜的壓力，注入實驗壓力的二氧化碳；
57.開啟高速CCD攝像機及數(shù)據(jù)采集儀，記錄置換過程中的壓力溫度變化及對應(yīng)的動態(tài)特征；
58.注入實驗壓力的二氧化碳后，對反應(yīng)釜進行降壓處理，模擬二氧化碳置換和降壓聯(lián)合開采天然氣水合物，并對降壓所排出的氣體進行取樣分析。
[0023]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
1.本實驗系統(tǒng)中的可視反應(yīng)釜由前法蘭、后法蘭、筒體、玻璃組成，結(jié)構(gòu)簡單，成本低；
2.本實驗系統(tǒng)采用臥式結(jié)構(gòu)，能清晰完整地觀察到可視反應(yīng)釜的內(nèi)部反應(yīng)過程；
3.本實驗系統(tǒng)能在純水體系下充分生成致密的天然氣水合物；
4.本實驗系統(tǒng)可用于觀察水合物在靜態(tài)和鼓泡條件下的生長現(xiàn)象；
5.通過本實驗系統(tǒng)可進行氣態(tài)、液態(tài)二氧化碳置換天然氣水合物實驗，同時也可進行二氧化碳置換和降壓聯(lián)合開采天然氣水合物實驗，記錄置換過程的動態(tài)特征、置換過程中熱流固耦合現(xiàn)象及置換過程中水合物形態(tài)變化為研究置換過程的動力學(xué)模型、工程應(yīng)用技術(shù)及設(shè)計開采裝置提供研究材料。
【附圖說明】
[0024]圖1為本實施例一種置換天然氣水合物的可視化實驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖2為本實施例中可視反應(yīng)釜的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖3為本實施例中可視反應(yīng)釜的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0027]下面結(jié)合【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步的說明。其中，附圖僅用于示例性說明，表示的僅是示意圖，而非實物圖，不能理解為對本專利的限制;為了更好地說明本發(fā)明的實施例，附圖某些部件會有省略、放大或縮小，并不代表實際產(chǎn)品的尺寸;對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，附圖中某些公知結(jié)構(gòu)及其說明可能省略是可以理解的。
[0028]本發(fā)明實施例的附圖中相同或相似的標號對應(yīng)相同或相似的部件;在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，若有術(shù)語“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此附圖中描述位置關(guān)系的用語僅用于示例性說明，不能理解為對本專利的限制，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語的具體含義。
實施例
[0029]本實施例一種可視反應(yīng)釜的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2至圖3所示，包括筒體27、前法蘭17、后法蘭26及玻璃24;所述前法蘭17、后法蘭26及筒體27均為中空結(jié)構(gòu)，所述玻璃24分別嵌設(shè)于前法蘭17及后法蘭26的中空結(jié)構(gòu)上，前法蘭17、后法蘭26及玻璃24用于密封筒體27;所述筒體27上設(shè)有若干接口。
[0030]本實施例中，玻璃24外表面通過墊片23與前法蘭17及后法蘭26密封，玻璃24外周通過O型圈及壓環(huán)19與前法蘭17及后法蘭26密封，玻璃24內(nèi)表面通過O型圈與筒體27密封，前法蘭17及后法蘭26通過O型圈與筒體27密封;其中，玻璃24為耐高壓石英玻璃，墊片23為聚四氟乙烯墊片，O型圈為硅橡膠O型圈；前法蘭17及后法蘭26四周均布八個緊固螺栓22，用于緊固密封整個可視反應(yīng)釜。
[0031]使用該反應(yīng)釜進行相關(guān)實驗研究時，實驗人員能透過玻璃24觀察內(nèi)部進行的反應(yīng)的動態(tài)特征。該反應(yīng)爸結(jié)構(gòu)簡單、成本低。
[0032]本實施例一種置換天然氣水合物的可視化實驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，該系統(tǒng)使用上述可視反應(yīng)釜，該系統(tǒng)包括取樣罐1、真空栗2、第一天然氣瓶3、二氧化碳氣瓶4、第二天然氣瓶5、環(huán)境氣候箱13、燒杯、傳感器、圖像采集設(shè)備和數(shù)據(jù)采集及處理設(shè)備;可視反應(yīng)釜及傳感器均設(shè)于環(huán)境氣候箱13內(nèi)，環(huán)境氣候箱13上設(shè)有觀察窗，數(shù)據(jù)采集及處理設(shè)備設(shè)于環(huán)境氣候箱13外;所述筒體27上設(shè)有第一天然氣接口 32、二氧化碳接口 34、第二天然氣接口 35、排液接口 29及傳感器接口，如圖3所示;所述取樣罐1、真空栗2、第一天然氣瓶3及第一天然氣接口 32分別與四通接頭V2相通，二氧化碳氣瓶4與二氧化碳接34相通，第二天然氣瓶5與第二天然氣接口 35相通，排液接口 29與燒杯相通;傳感器的兩端分別連接傳感器接口和數(shù)據(jù)采集及處理設(shè)備；圖像采集設(shè)備與數(shù)據(jù)采集及處理設(shè)備連接，用于采集可視反應(yīng)釜內(nèi)的動態(tài)變化數(shù)據(jù)。環(huán)境氣候箱13的工作溫度范圍為-40 0C?+85 °C，溫度波動為± 0.5 °C ;通過環(huán)境氣候箱13可精確控制可視反應(yīng)釜的溫度。
[0033]使用該系統(tǒng)進行二氧化碳置換天然氣水合物的實驗時，實驗人員能夠透過環(huán)境氣候箱13上的觀察窗觀察研究置換過程的動態(tài)特征、置換過程中熱流固耦合現(xiàn)象及過程中出現(xiàn)的水合物形態(tài)變化，為研究置換過程的動力學(xué)模型、工程應(yīng)用技術(shù)及設(shè)計開采裝置提供研究材料;通過設(shè)置環(huán)境氣候箱13，便于控制可視反應(yīng)釜內(nèi)的溫度。
[0034]其中，所述傳感器包括壓力傳感器10及溫度傳感器11;所述數(shù)據(jù)采集及處理設(shè)備包括數(shù)據(jù)采集儀15及計算機16;所述壓力傳感器10及溫度傳感器11均與數(shù)據(jù)采集儀15連接，數(shù)據(jù)采集儀15連接計算機16;所述傳感器接口包括壓力測量接口 36及溫度測量接口 31，壓力測量接口 36連接壓力傳感器10，溫度測量接口 31連接溫度傳感器11。壓力傳感器10及溫度傳感器11將壓力信息及溫度信息傳輸至數(shù)據(jù)采集儀15，計算機16對數(shù)據(jù)采集儀15采集到的信息進行處理并顯示溫度及壓力，便于實驗人員實時查看。本實施例中，溫度傳感器11為熱電阻;壓力傳感器10、熱電阻均通過信號線連接數(shù)據(jù)采集儀15。
[0035]另外，所述圖像采集設(shè)備包括正對玻璃24的冷光源9及高速CCD攝像機14;所述冷光源9設(shè)于環(huán)境氣候箱13內(nèi)；高速CCD攝像機14設(shè)于環(huán)境氣候箱13外，且通過千兆網(wǎng)卡及網(wǎng)線連接計算機16。本實施例中，將高速CCD攝像機14安裝在三腳架上，利用三腳架調(diào)節(jié)攝像機的高度與拍攝角度;所述高速CCD攝像機14可根據(jù)不同的觀察尺度配合變倍鏡頭或顯微鏡頭使用。
[0036]其中，所述系統(tǒng)還包括第一閥門Vl、第三閥門V3、第四閥門V4、第五閥門V5、第六閥門V6、第七閥門V7、第八閥門V8及第九閥門V9;第一閥門Vl設(shè)于真空栗(2)與四通接頭V2之間，第三閥門V3設(shè)于第一天然氣瓶3與四通接頭V2之間，第四閥門V4及第七閥門V7依次設(shè)于二氧化碳氣瓶4與二氧化碳接口 34之間，第五閥門V5及第八閥門V8依次設(shè)于第二天然氣瓶5與第二天然氣接口 35之間，第六閥門V6設(shè)于四通接頭V2與第一天然氣接口 32之間，第九閥門V9設(shè)于排液接口 29與燒杯之間。閥門的設(shè)置便于實驗人員根據(jù)需要實時調(diào)節(jié)可視反應(yīng)釜內(nèi)的壓力。通過開啟第一閥門Vl和第六閥門V6對可視反應(yīng)釜進行抽真空處理;在可視反應(yīng)釜處于真空條件下，開啟第九閥門V9通過虹吸作用吸入燒杯中的去離子水進行水合物的生成。本實施例中，位于環(huán)境氣候箱13內(nèi)用于連接二氧化碳氣瓶4與二氧化碳接口34的管路呈U型結(jié)構(gòu)。這樣設(shè)置便于二氧化碳在進入可視反應(yīng)釜前處于液化狀態(tài)。
[0037]另外，所述系統(tǒng)還包括設(shè)于環(huán)境氣候箱13外的第一壓力表6、第二壓力表7及第三壓力表8;第一壓力表6設(shè)于四通接頭V2與第六閥門V6之間，第二壓力表7設(shè)于第四閥門V4與第七閥門V7之間，第三壓力表8設(shè)于第五閥門V5與第八閥門V8之間。壓力表用來檢測進氣壓力，這有助于幫助實驗人員更精準地調(diào)節(jié)閥門打開或關(guān)閉程度，以精準調(diào)節(jié)可視反應(yīng)釜內(nèi)的壓力。
[0038]其中，所述筒體27兩側(cè)對稱設(shè)有雙頭螺栓盲孔30及雙頭螺栓盲孔33，所述雙頭螺栓盲孔及雙頭螺栓盲孔33用于將可視反應(yīng)釜安裝在支架上。
[0039]本實施例一種置換天然氣水合物的可視化實驗方法，該方法基于上述實驗系統(tǒng)，包括以下步驟:
51.采用鼓泡法的方式從可視反應(yīng)釜的底部緩慢鼓入高壓天然氣，使天然氣與去離子水成核成膜，并在上升氣泡表面生成水合物殼層；
52.當反應(yīng)釜內(nèi)壓力溫度穩(wěn)定后，將反應(yīng)釜壓力降至3MPa，從反應(yīng)釜底部快速鼓入高壓天然氣沖碎步驟SI所生成的水合物殼層，使水合物殼層變成細小的水合物絮；
53.不斷重復(fù)步驟S2，使反應(yīng)釜中的水合物絮不斷增多并變成水合物漿；
54.當反應(yīng)釜內(nèi)壓力溫度穩(wěn)定后，將反應(yīng)釜壓力降至3MPa，從反應(yīng)釜底部快速鼓入高壓天然氣，提高水合物漿的含氣率，使其固化變成水合物塊；
55.在高壓低溫下，保溫保壓36小時使水合物老化；
56.將環(huán)境氣候箱(13)的溫度調(diào)節(jié)至實驗溫度，降低反應(yīng)釜的壓力，注入實驗壓力的二氧化碳；
57.開啟高速C⑶攝像機(14)及數(shù)據(jù)采集儀(15)，記錄置換過程中的壓力溫度變化及對應(yīng)的動態(tài)特征；
58.注入實驗壓力的二氧化碳后，對反應(yīng)釜進行降壓處理，模擬二氧化碳置換和降壓聯(lián)合開采天然氣水合物，并對降壓所排出的氣體進行取樣分析。
[0040]本實施例中，筒體27、前法蘭17及后法蘭26均為圓柱形，且材質(zhì)均為不銹鋼，筒體27、前法蘭17、后法蘭26及玻璃24形成密封的模擬腔，該模擬腔直徑為70mm，寬度為30mm;耐高壓石英玻璃材質(zhì)為石英，直徑為I OOmm，厚度為20mm ；注入二氧化碳時設(shè)計的實驗壓力為12MPa0
[0041]顯然，本發(fā)明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明權(quán)利要求的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種可視反應(yīng)釜，其特征在于，包括筒體(27)、前法蘭(17)、后法蘭(26)及玻璃(24);所述前法蘭(17)、后法蘭(26)及筒體(27)均為中空結(jié)構(gòu)，所述玻璃(24)分別嵌設(shè)于前法蘭(17)及后法蘭(26)的中空結(jié)構(gòu)上，前法蘭(17)、后法蘭(26)及玻璃(24)用于密封筒體(27);所述筒體(27)上設(shè)有若干接口。2.—種使用權(quán)利要求1所述可視反應(yīng)釜的置換天然氣水合物的可視化實驗系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括取樣罐(I)、真空栗(2)、第一天然氣瓶(3)、二氧化碳氣瓶(4)、第二天然氣瓶(5)、環(huán)境氣候箱(13)、燒杯、傳感器、圖像采集設(shè)備和數(shù)據(jù)采集及處理設(shè)備;可視反應(yīng)釜及傳感器均設(shè)于環(huán)境氣候箱(13)內(nèi)，環(huán)境氣候箱(13)上設(shè)有觀察窗，數(shù)據(jù)采集及處理設(shè)備設(shè)于環(huán)境氣候箱(13)外；所述筒體(27)上設(shè)有第一天然氣接口(32)、二氧化碳接口(34)、第二天然氣接口(35)、排液接口(29)及傳感器接口，所述取樣罐(1)、真空栗(2)、第一天然氣瓶(3)及第一天然氣接口(32)分別與四通接頭V2相通，二氧化碳氣瓶(4)與二氧化碳接口(34)相通，第二天然氣瓶(5)與第二天然氣接口(35)相通，排液接口(29)與燒杯相通；傳感器的兩端分別連接傳感器接口和數(shù)據(jù)采集及處理設(shè)備；圖像采集設(shè)備與數(shù)據(jù)采集及處理設(shè)備連接，用于采集可視反應(yīng)釜內(nèi)的動態(tài)變化數(shù)據(jù)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種置換天然氣水合物的可視化實驗系統(tǒng)，其特征在于，所述傳感器包括壓力傳感器(10)及溫度傳感器(11);所述數(shù)據(jù)采集及處理設(shè)備包括數(shù)據(jù)采集儀(15)及計算機(16);所述壓力傳感器(10)及溫度傳感器(11)均與數(shù)據(jù)采集儀(15)連接，數(shù)據(jù)采集儀(15)連接計算機(16)；所述傳感器接口包括壓力測量接口(36)及溫度測量接口(31),壓力測量接口( 36)連接壓力傳感器(10)，溫度測量接口( 31)連接溫度傳感器(11)。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種置換天然氣水合物的可視化實驗系統(tǒng)，其特征在于，所述圖像采集設(shè)備包括正對玻璃(24)的冷光源(9)及高速CCD攝像機(14);所述冷光源(9)設(shè)于環(huán)境氣候箱(13)內(nèi)；高速CXD攝像機(14)設(shè)于環(huán)境氣候箱(13)外，且連接計算機(16)。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種置換天然氣水合物的可視化實驗系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括第一閥門Vl、第三閥門V3、第四閥門V4、第五閥門V5、第六閥門V6、第七閥門V7、第八閥門V8及第九閥門V9;第一閥門Vl設(shè)于真空栗(2)與四通接頭V2之間，第三閥門V3設(shè)于第一天然氣瓶(3)與四通接頭V2之間，第四閥門V4及第七閥門V7依次設(shè)于二氧化碳氣瓶(4)與二氧化碳接口(34)之間，第五閥門V5及第八閥門V8依次設(shè)于第二天然氣瓶(5)與第二天然氣接口(35)之間，第六閥門V6設(shè)于四通接頭V2與第一天然氣接口( 32)之間，第九閥門V9設(shè)于排液接口(29)與燒杯之間。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種置換天然氣水合物的可視化實驗系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括設(shè)于環(huán)境氣候箱(13)外的第一壓力表(6)、第二壓力表(7)及第三壓力表(8);第一壓力表(6)設(shè)于四通接頭V2與第六閥門V6之間，第二壓力表(7)設(shè)于第四閥門V4與第七閥門V7之間，第三壓力表(8)設(shè)于第五閥門V5與第八閥門V8之間。7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種置換天然氣水合物的可視化實驗系統(tǒng)，其特征在于，位于環(huán)境氣候箱(13)內(nèi)用于連接二氧化碳氣瓶(4)與二氧化碳接口(34)的管路呈U型結(jié)構(gòu)。8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種置換天然氣水合物的可視化實驗系統(tǒng)，其特征在于，所述筒體(27)兩側(cè)對稱設(shè)有雙頭螺栓盲孔(30，33)，所述雙頭螺栓盲孔(30，33)用于將可視反應(yīng)釜安裝在支架上。9.根據(jù)權(quán)利要求2至8任一項所述的一種置換天然氣水合物的可視化實驗系統(tǒng)，其特征在于，玻璃(24)外表面通過墊片(23)與前法蘭(17)及后法蘭(26)密封，玻璃(24)外周通過O型圈及壓環(huán)(19)與前法蘭(17)及后法蘭(26)密封，玻璃(24)內(nèi)表面通過O型圈與筒體(27)密封，前法蘭(17)及后法蘭(26)通過O型圈與筒體(27)密封。10.—種置換天然氣水合物的可視化實驗方法，其特征在于，包括以下步驟: .51.采用鼓泡法的方式從可視反應(yīng)釜的底部緩慢鼓入高壓天然氣，使天然氣與去離子水成核成膜，并在上升氣泡表面生成水合物殼層； .52.當反應(yīng)釜內(nèi)壓力溫度穩(wěn)定后，將反應(yīng)釜壓力降至3MPa，從反應(yīng)釜底部快速鼓入高壓天然氣沖碎步驟SI所生成的水合物殼層，使水合物殼層變成細小的水合物絮； .53.不斷重復(fù)步驟S2，使反應(yīng)釜中的水合物絮不斷增多并變成水合物漿； .54.當反應(yīng)釜內(nèi)壓力溫度穩(wěn)定后，將反應(yīng)釜壓力降至3MPa，從反應(yīng)釜底部快速鼓入高壓天然氣，提高水合物漿的含氣率，使其固化變成水合物塊； .55.在高壓低溫下，保溫保壓36小時使水合物老化； .56.將環(huán)境氣候箱(13)的溫度調(diào)節(jié)至實驗溫度，降低反應(yīng)釜的壓力，注入實驗壓力的二氧化碳； .57.開啟高速CXD攝像機(14)及數(shù)據(jù)采集儀(15)，記錄置換過程中的壓力溫度變化及對應(yīng)的動態(tài)特征；. 58.注入實驗壓力的二氧化碳后，對反應(yīng)釜進行降壓處理，模擬二氧化碳置換和降壓聯(lián)合開采天然氣水合物，并對降壓所排出的氣體進行取樣分析。
【文檔編號】B01J10/00GK106000229SQ201610419080
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月13日
【發(fā)明人】郭開華, 陳國興
【申請人】中山大學(xué)