CN101477093A - 气体水合物动力学分析装置 - Google Patents

Abstract

本发明是公开一种气体水合物动力学分析装置，该装置由稳压供气单元、气体水合物生成/分解单元、动力学分析单元、控温单元和数据采集处理单元组成。该装置通过电阻、扭矩等手段对气体水合物生成/分解过程进行研究，并对气相色谱进行改装，可以减少气相样品的取样量，避免因为组分减少而产生的各相变化。本发明解决了气体水合物生成/分解过程中动力学分析，通过电阻、扭矩、搅拌器转速和气相色谱等手段，使动力学数据结果多方面，真实准确。适用于混合气体水合物生成/分解动力学分析以及添加化学试剂的气体水合物动力学分析实验研究。该方法及装置简单、操作方便。

Description

气体水合物动力学分析装置

技术领域

本发明是涉及一种气体水合物动力学分析装置，尤其是一种应用混合气体水合物生成/分解动力学分析装置以及添加化学试剂的气体水合物动力学分析装置。

背景技术

气体水合物是由不同的气体作为载体分子填充到主体水分子形成的笼形空间中，在特定的温度和压力下组成的笼形冰状晶体化合物，又称笼状水合物。其中天然气水合物广泛分布于永冻带土层或大陆边缘深海底，天然气水合物的巨大资源量和诱人的开发利用前景使之成为二十一世纪新型洁净的能源。目前我国南海已经取出天然气水合物样品，证明我国具有丰富的天然气资源，其总量相当于我国石油总量的一半。同时，其他气体水合物的综合运用如空调中的新型高效蓄冷介质的开发以及水合物法分离气体混合物技术的研究也越来越受到重视。

为开展研究气体水合物的合成、分解、热力学等动力学性质的研究，寻找更好的利用开发气体水合物技术，气体水合物动力学装置的研制受到关注。专利CN 200510094456.X开发了一种海底天然气水合物模拟合成与分解成套设备***，可对海水中和真实海底泥沙中天然气水合物的形成和分解进行模拟合成与分解分析。专利CN 03112892.0公开一种天然气水合物状态变化模拟实验光电探测***，***采用光纤照明对天然气水合物合成与分解状态变化的全过程进行研究。专利CN 03118871.0公开了一种天然气水合物试验装置，其主要由供气与增压装置、真空泵和气液分离采集装置、反应釜、高低温试验箱、微钻***、检测***、显微摄像***、数据采集***、微机数据处理***组成，应用于模拟合成研究或分解试验研究以及钻探(井)控制和开采方法等研究。

目前，气体水合物动力学实验大多采用光电等手段对生成/分解过程的形态动力学进行研究，其侧重于水合物生成/分解形态研究，而对于气体水合物生成/分解的内在动力学性质研究较少，本发明公开一种气体水合物动力学分析装置，采用电阻、扭矩和气相组分分析等手段对气体水合物生成/分解的动力学性质进行***研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种气体水合物动力学分析装置，应用混合气体水合物动力学分析装置和添加化学试剂的气体水合物动力学分析装置。

为实现以上目的，本发明采取了以下的技术方案：一种气体水合物动力学分析装置，包括稳压供气单元、气体水合物生成/分解单元、动力学分析单元、控温单元、数据采集处理单元；稳压供气单元，用于将其内的反应釜中的气体和注入的实验液体混合，并生成气体水合物；气体水合物生成/分解单元，用于将其内的气体和注入的实验液体混合，并生成气体水合物；动力学分析单元，其用于对所述气体水合物生成/分解单元内的化学反应进行分析得到动力学数据；控温单元，其用于控制气体水合物生成/分解单元内的温度变化；数据采集处理单元，包括有相互电连接的采集控制板卡和计算机数据处理***，其用于采集、保存和分析所述气体水合物生成/分解单元、动力学分析单元的信号，并控制控温单元。

该气体水合物动力学分析装置可以进行气体与纯水或化学试剂溶液形成水合物的生成/分解动力学，同时可以进行气体与纯水或化学试剂溶液形成水合物的相平衡实验。

所述动力学分析单元包括搅拌装置、电阻装置、扭矩装置、气相色谱；搅拌装置，用于对所述反应釜内的气液混合物进行搅拌，并通过转速的调节得到水合物生成/分解随转速变化实验数据；电阻装置，其用于测量所述反应釜内电导率随水合物生成/分解的变化情况，并采集数据传递到计算机数据处理***；扭矩装置，其用于测量水合物生成/分解过程中得扭矩变化，并采集数据传递到计算机数据处理***；气相色谱，其用于在线分析混合气体水合物生成/分解的气相组分变化，并采集数据传递到计算机数据处理***。通过搅拌速度、电阻、扭矩和气相色谱分别对气体水合物生成/分解的进行分析得到动力学数据。

所述电阻装置包括设置于所述反应釜下部两侧的电极对、电阻测量仪，该电极对一端***反应釜内，另一端通过所述电阻测量仪电连接到计算机数据处理***。电极对置于反应釜下部，测量反应釜内电导率随水合物生成/分解的变化情况，通过电阻测量仪采集数据，传递到计算机显示，电导率(电极)测量精度：R0.1％。

所述扭矩装置包括三相异步电机、扭矩传感器和扭矩测量仪，所述扭矩传感器设置于反应釜外的搅拌器上，并与三相异步电机连接，所述扭矩测量仪一端连接于扭矩传感器，另一端与所述计算机数据处理***电连接。通过搅拌器的转动由扭矩传感器测量水合物生成/分解过程中得扭矩变化，扭矩测量仪采集数据传递到计算机，转速测量精度为±2r/min，扭矩测量精度为0.2级，在转速较低时候，扭矩传感器测量灵敏度相对较弱，通过三相异步电机与搅拌器反向转动，扭矩传感器测量相对转速来确定扭矩变化。

所述气相色谱的六通阀前段连接到气体取样装置，该装置由四个精密阀门和一段取样管线组成；六通阀样品气入口和排空口端分别与两个精密阀门连接，两个阀门间通过三通连接取样管线使得样品气入口和排空口端连通；取样装置出口直接排空或与真空泵连接将取样装置内气体排空或抽真空；取样装置入口与反应釜相连，打开精密阀门使得反应釜内样品气进入取样管线；打开与六通阀样品气入口和排空口端连接的精密阀门，气相色谱进样，载气通过取样管线载走样品气进入色谱柱分析。

所述稳压供气单元包括设置在供气管道上并依次连接的气瓶、减压阀、空气压缩机、增压泵、缓冲罐、压力表、压力调节阀，该供气管道与所述气体水合物生成/分解单元连通。

所述气体水合物生成/分解单元包括反应釜，与该反应釜依次连通的电磁阀、储气罐，所述供气管道的一路输出到反应釜，另一路与所述储气罐连通，所述电磁阀与所述数据采集处理单元电连接。

所述数据采集处理单元包括有相互电连接的采集控制板卡和计算机数据处理***，所述采集控制板卡用于采集数据并传送给计算机数据处理***分析处理；以及电连接于采集控制板卡和所述反应釜之间的压力传感器、设置在靠近所述储气罐的供气管道上的温度传感器，所述电磁阀电连接到采集控制板卡。

压力传感器、温度传感器和程序控温仪通过信号线连接采集控制板卡和控制电路，然后通过数据线与计算机连接，反应釜内压力和温度、电阻率、扭矩变化、恒温水浴温度、电磁阀控制稳定压力以及气相色谱中气体组分的分析数据即时被采集保存，计算机数据处理***主要由色谱工作站、VB6编写的数据处理软件构成，将各个采集信号进行处理，同时可程序控制电磁阀开关和恒温水浴温度。

所述控温单元包括恒温水箱及用于调控恒温水箱水温的程序控温仪，该程序控温仪通过所述采集控制板卡与所述计算机数据处理***电连接，所述反应釜设置于该恒温水箱中。通过调节控温程序，使得反应釜内温度达到实验要求。程序控温仪可以分段程序控制温度变化，适用于水合物生成/分解中画图法实验，温控精度±0.1℃。

所述搅拌装置包括直流电机、搅拌器和转速测量仪，该搅拌器设置于所述反应釜内的中心轴上，其顶端穿出所述反应釜与直流电机连接，所述转速测量仪一端连接搅拌器，另一端与所述计算机数据处理***电连接。直流电源控制直流电机的转速，用以对反应釜进行动搅拌，增加反应釜内气液接触，转速为100-2000转/min，同时通过转速的调节得到水合物生成/分解随转速变化实验数据。

所述气体水合物动力学分析装置在进行气体水合物生成/分解实验时可以采用画图法和恒压法。在反应釜内注入去离子水或化学试剂溶液，然后注入反应气体，如果需要高压反应可以通过增压装置对气体增压。打开电磁阀，计算机控制反应釜内压力恒定为实验要求压力，通过水合物储气罐中压力变化得出生成/分解的动力学数据。同时电阻测量仪和扭矩测量仪分别采集记录水合物生成/分解过程中电阻率和扭矩的变化。对于混合气体水合物的生成/分解中气相组分的变化则通过气相色谱分析气相组分的变化得出。

另外，该装置可以进行气体水合物的相平衡实验。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

(1)采用程序升温控温手段，可以通过画图法做气体水合物的相平衡实验；

(2)该装置通过电阻、扭矩等手段对气体水合物生成/分解过程进行研究；

(3)该装置对气相色谱的六通阀前添加取样装置，可以减少气相样品的取样量，避免因为组分减少而产生的各相变化。

附图说明

图1为本发明原理框图；

图2为本发明水合物动力学分析装置的实验***结构示意图；

图3是本发明气体水合物动力学分析装置用于电阻和扭矩测试水合物生成/分解实验中反应釜结构示意图。

图4是本发明气体水合物动力学分析装置中取样装置和气相色谱中的六通阀结构示意图；

附图标记说明：1、气瓶，2、空气压缩机，3、增压泵，4、缓冲罐，5、程序控温仪，6、电阻测量仪，7、反应釜，8、温度传感器，9、电磁阀，10、储气罐，11、压力传感器，12、水箱，13、计算机数据处理***，14、采集控制板卡，15、气相色谱，16、扭矩测量仪，17、转速测量仪，18、直流电机，19、扭矩传感器，20、三相异步电机，21、压力调节阀，22、压力表，23、减压阀，24、法兰，25、电极对，26、搅拌器，27、六通阀，28、取样管线，29、精密阀门(1′、2′、3′、4′)，30、供气管道，31、32、33、34、35、36、气相色谱六通阀六个口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

实施例一：

请参阅图1所示，一种气体水合物动力学分析装置，包括稳压供气单元、气体水合物生成/分解单元、动力学分析单元、控温单元和数据采集处理单元；稳压供气单元，其用于向气体水合物生成/分解单元提供试验用气体；气体水合物生成/分解单元，用于将其内的气体和注入的实验液体混合，并生成气体水合物；动力学分析单元，其用于对所述气体水合物生成/分解单元内的化学反应进行分析得到动力学数据；控温单元，其用于控制气体水合物生成/分解单元内的温度变化；数据采集处理单元，其用于采集、保存和分析所述气体水合物生成/分解单元、动力学分析单元的信号，并控制控温单元。

请参阅图2所示，高压不锈钢透明反应釜7为气体水合物生成/分解单元主要部分，釜体上有气体进口、气相取样口、电磁阀接口、电极探头口、上/下温度传感器接口、压力传感器接口等。气体进口与稳压供气单元连接，气相取样口与气相色谱15连接，电磁阀接口与电磁阀9连接，上/下温度传感器接口、压力传感器接口分别与数据采集单元连接。

稳压供气单元依次由设置在供气管道30的气瓶1、减压阀23、空气压缩机2、增压泵3、缓冲罐4、压力表22、压力调节阀21相连，其中压力调节阀21所在的供气管道30输出到反应釜1的气体进口。气瓶1内存储实验所需气体，当气瓶压力高于实验压力时减压器23降低气体出口压力达到实验需求，当气瓶压力低于实验压力时空气压缩机2和增压泵3增高气体输入压力，使用缓冲罐4保证稳定气体输入。压力表22显示缓冲罐内气体压力或减压阀出来气体压力，压力调节阀21控制气体输入量大小，控制气体输入压力精确度。

气体水合物生成/分解单元包括反应釜7，与该反应釜7依次连通的电磁阀9、储气罐10，供气管道30的一路输出到反应釜7，另一路与储气罐10连通，电磁阀9与数据采集处理单元电连接，由数据采集处理单元控制电磁阀9开关大小和方向，使得在水合物生成过程时在储气罐10注入压力高于反应釜7的气体，通过电磁阀9控制储气罐10向反应釜7内注入气体以保持水合物恒压生成；在水合物分解过程时在储气罐10放空，通过电磁阀9控制反应釜7内分解出的气体注入储气罐10内，以保持水合物恒压分解；控温单包括恒温水箱12及用于调控该恒温水箱12水温的程序控温仪5，该程序控温仪5通过采集控制板卡14与计算机数据处理***13电连接，反应釜7设置于该恒温水箱12中，程序控温仪5可以程序控制反应釜7内温度达到实验要求。

数据采集处理单元包括有相互电连接的采集控制板卡14和计算机数据处理***13，采集控制板卡14用于采集数据并传送给计算机数据处理***13分析处理；以及电连接于采集控制板卡14和反应釜7之间的压力传感器8、设置在靠近储气罐10的供气管道30上的温度传感器11，电磁阀9电连接到采集控制板卡14；反应釜7内温度、压力经数据采集后通过计算机数据处理***13处理，水浴温度和反应恒定压力通过计算机数据处理***13程序控制。

请参阅图3所示，动力学分析单元包括搅拌装置、电阻装置、扭矩装置、气相色谱装置，分别置于或连接于高压不锈钢透明反应釜7；搅拌装置，其用于对所述反应釜7内的气液混合物进行搅拌，并通过转速的调节得到水合物生成/分解随转速变化实验数据；电阻装置，其用于测量所述反应釜7内电导率随水合物生成/分解的变化情况，并采集数据传递到计算机；扭矩装置，其用于通过所述搅拌器26的转动测量水合物生成/分解过程中得扭矩变化，并采集数据传递到计算机；气相色谱装置，其用于在线分析混合气体水合物生成/分解的气相组分变化，并采集数据传递到计算机。

本实施例中的搅拌装置为：高压不锈钢透明反应釜7顶部通过法兰24将搅拌装置固定于釜顶，直流电机18带动设置于反应釜7内的中心轴上的搅拌器26转动搅拌增大釜内气液混合速率，搅拌器26通过信号线与转速测量仪17连接，转速测量仪17另一端连接到计算机数据处理***13，采集显示转速。

电阻装置包括设置于所述反应釜7下部两侧的电极对25，该电极对25一端***反应釜7内，另一端通过电阻测量仪6电连接到计算机数据处理***13。

本实施例中的扭矩装置为：扭矩传感器19固定在搅拌装置上，通过转速测扭矩，并通过信号线传输给扭矩测量仪16，其中在转速较低时候使用三相异步电机20与搅拌逆向转动，通过相对转速测扭矩，该扭矩测量仪16一端连接于扭矩传感器19，另一端与计算机数据处理***13电连接。

请参阅图4所示，气相色谱装置包括电连接于所述反应釜7与所述计算机数据处理***13之间的气相色谱仪15。

高压不锈钢透明反应釜7气相取样口与气相色谱15连接，气体样品先通过精密阀门29进入取样管线28再进入六通阀27，对取样管线28抽真空，气体样品通过精密阀门29，进入取样管线28，气相色谱15进样，载气通过取样管线28载走样品气进入色谱柱分析。气体组分分析由色谱工作站处理数据。

气相色谱的六通阀前段连接气体取样装置，该装置由四个精密阀门和一段取样管线组成；六通阀样品气入口34和排空口35端分别与精密阀门1′和2′连接，两个阀门间通过三通连接取样管线28使得样品气入口34和排空口35端能连通；三通的另一口分别与精密阀门3′和4′连接，精密阀门3′另一端与反应釜连接，精密阀门4′另一端与排空管或真空泵连接；精密阀门3′和4′间所有管线抽真空后，打开精密阀门3′控制少量气体样品进入取样管线28，接通气相色谱切换六通阀，使得载气通过31、32、33、34、1′、取样管线28、2′、35、36，携带气体样品到达色谱柱进行分析。

该装置适用于气相色谱在线分析混合气体水合物生成/分解的气相组分变化，取样量少，避免因为组分减少而产生的各相变化。

气体水合物生成动力学分析实验

本实验采用恒压法，主要实验步骤如下：

1)高压不锈钢透明反应釜7内注入实验液体(纯水或化学试剂溶液)；

2)打开气瓶1，减压阀23，压力调节阀21向储气罐10注入实验气体，如果气瓶1压力低于实验要求压力，通过空气压缩机2压缩空气推动增压泵3增加气体压力进入缓冲罐4，当压力达到要求时候注入储气罐10；

3)调节程序控温仪5使得水浴温度达到实验要求，高压不锈钢透明反应釜7和储气罐10温度达到实验温度并稳定；

4)通过计算机数据处理***13控制电磁阀9开关，保证气体从储气罐10进入高压不锈钢透明反应釜7达到实验设定的恒压，打开直流电机18带动搅拌器26开始搅拌，气体水合物开始生成；

5)随着水合物不断生成，高压不锈钢透明反应釜7气体消耗压力降低，通过计算机数据处理***13控制电磁阀9开关使储气罐10内气体不断补充，保持压力恒定，储气罐10内的压力变化可以反应气体水合物生成过程的气体消耗量，通过采集控制板卡14采集数据传到计算机数据处理***13处理；

6)随着水合物不断生成，高压不锈钢透明反应釜7内液体电导率增加，电阻增加，通过电阻测量仪6采集数据到计算机数据处理***13处理分析；

7)随着水合物不断生成，高压不锈钢透明反应釜7内液体逐渐变为固体，搅拌器26的转速降低，通过扭矩传感器测量扭矩19，扭矩测量仪16采集数据到计算机数据处理***13处理分析；

实施例二：

气体水合物分解动力学分析实验

本实验采用恒压法，主要实验步骤如下：

1)调节程序控温仪5使得水浴温度达到实验要求，高压不锈钢透明反应釜7和储气罐10温度达到实验温度并稳定；

2)高压不锈钢透明反应釜7内注入实验液体和气体，完全生成气体水合物；

3)储气罐10放空并抽真空，通过计算机数据处理***13控制电磁阀9开关，使得高压不锈钢透明反应釜7压力到达实验要求水合物分解的恒定压力(该压力低于相平衡压力)，气体从高压不锈钢透明反应釜7向储气罐10放气，反应釜压力降低，水合物开始分解；

4)随着水合物不断分解，储气罐10内的压力变化可以分析气体水合物分解过程的气体溢出量，通过采集控制板卡14采集数据传到计算机数据处理***13处理；

5)随着水合物不断分解，高压不锈钢透明反应釜7内液体电导率降低，电阻降低，通过电阻测量仪6采集数据到计算机数据处理***13处理分析；

6)随着水合物不断分解，高压不锈钢透明反应釜7内水合物逐渐由固体变为液体，搅拌器26的转速增加，通过扭矩传感器测量扭矩19，扭矩测量仪16采集数据到计算机数据处理***13处理分析。

实施例三：

混合气体水合物法生成/分解实验

1)进行实施例1和2的混合气体水合物法生成/分解实验，通过储气罐10内的压力变化得出混合气体水合物法生成/分解的各个阶段时间数据；

2)按照该数据设定取样时间分布，分别在气体溶解/溢出阶段、水合物生成/分解阶段、水合物完全生成/分解阶段取反应釜内气体样品；

3)在各个阶段首先对气体取样装置抽真空，然后打开取样口一端的精密阀门29样品气进入取样管线28，打开与六通阀27样品气入口34和排空口35端连接的精密阀门29，然后气相色谱15进样，载气通过取样管线28载走样品气进入色谱柱分析；

4)气相色谱15分析结果传到计算机数据处理***13的色谱工作站分析。

气体水合物动力学分析装置还可以通过观察法或作图法进行气体水合物相平衡实验，同时改变搅拌器26的转速可以分析不同转速气体水合物生成/分解过程的动力学实验。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (5)

1、一种气体水合物动力学分析装置，其特征在于：

包括稳压供气单元、气体水合物生成/分解单元、动力学分析单元、控温单元以及数据采集处理单元；

稳压供气单元，其用于向气体水合物生成/分解单元提供试验用气体；

气体水合物生成/分解单元，用于将其内的反应釜(7)中的气体和注入的实验液体混合，并生成气体水合物；

动力学分析单元，其用于对所述气体水合物生成/分解单元内的化学反应进行分析得到动力学数据；

控温单元，其用于控制气体水合物生成/分解单元内的温度变化；

数据采集处理单元，包括有相互电连接的采集控制板卡(14)和计算机数据处理***(13)，其用于采集、保存和分析所述气体水合物生成/分解单元、动力学分析单元的信号，并控制控温单元。

2、如权利要求1所述的气体水合物动力学分析装置，其特征在于：所述动力学分析单元包括搅拌装置、电阻装置、扭矩装置、气相色谱；

搅拌装置，用于对所述反应釜(7)内的气液混合物进行搅拌，并通过转速的调节得到水合物生成/分解随转速变化实验数据；

电阻装置，其用于测量所述反应釜(7)内电导率随水合物生成/分解的变化情况，并采集数据传递到计算机数据处理***(13)；

扭矩装置，其用于测量水合物生成/分解过程中得扭矩变化，并采集数据传递到计算机数据处理***(13)；

气相色谱，其用于在线分析混合气体水合物生成/分解的气相组分变化，并采集数据传递到计算机数据处理***(13)。

3、如权利要求2所述的气体水合物动力学分析装置，其特征在于：所述电阻装置包括设置于所述反应釜(7)下部两侧的电极对(25)、电阻测量仪(6)，该电极对(25)一端***反应釜(7)内，另一端通过所述电阻测量仪(6)电连接到计算机数据处理***(13)。

4、如权利要求3所述的气体水合物动力学分析装置，其特征在于：所述扭矩装置包括三相异步电机(20)、扭矩传感器(19)和扭矩测量仪(16)，所述扭矩传感器(19)设置于反应釜(7)外的搅拌器(26)上，并与三相异步电机(20)连接，所述扭矩测量仪(16)一端连接于扭矩传感器(19)，另一端与所述计算机数据处理***(13)电连接。

5、如权利要求4所述的气体水合物动力学分析装置，其特征在于：所述气相色谱(15)的六通阀(27)前段连接到气体取样装置，该装置由四个精密阀门(1′、2′、3′、4′)和一段取样管线(28)组成；六通阀(27)样品气入口(34)和排空口(35)端分别与两个精密阀门连接，两个阀门间通过三通连接取样管线(28)使得样品气入口(34)和排空口(35)端连通；取样装置出口直接排空或与真空泵连接将取样装置内气体排空或抽真空；取样装置入口与反应釜(7)相连，打开精密阀门使得反应釜内样品气进入取样管线(28)；打开与六通阀样品气入口(34)和排空口(35)端连接的精密阀门，气相色谱(15)进样，载气通过取样管线(28)载走样品气进入色谱柱分析。

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