CN105424734A - 一种用于x射线ct设备观测水合物生成与分解特性的低温高压控制装置 - Google Patents

一种用于x射线ct设备观测水合物生成与分解特性的低温高压控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于X射线CT设备观测水合物生成与分解特性的低温高压控制装置，属于油气开采科研仪器领域。反应釜设计压力为0-10MPa，设计温度为268-288K，满足水合物生成并稳定存在的温度压力条件。半导体制冷元件通过上下两端对反应釜进行控温，无噪声，作用速度快，可靠性高，操作方便。反应釜由内外两管件组成，内管采用钛合金材质，主要用于导热，外管采用聚酰亚胺材质，属于低导热材料，主要用于保温保压，这一特性将导热和保温保压分别控制，在工程上更容易实现。该套装置可放置于CT设备的载物台，并原位生成水合物，通过CT设备的三维成像，能够可视化研究水合物的生成与分解特性。

Description

一种用于X射线CT设备观测水合物生成与分解特性的低温高压控制装置
技术领域
本发明涉及一种用于X射线CT设备观测水合物生成与分解特性的低温高压控制装置，属于油气开采科研仪器领域。
背景技术
随着常规油气资源的消耗，人类发展将面临油气资源的枯竭，全球经济发展将面临严峻的挑战，人们开始在全球范围内探索新的可替代能源资源。自20世纪90年代以来，世界各国陆续发现了大量的天然气水合物矿藏，据统计，天然气水合物矿藏中的碳储量占到地球上总体有机碳资源的一半以上，约为所有化石燃料煤、石油和天然气中所含碳量总和的两倍。因此，作为一种未来的替代能源，天然气水合物矿藏资源无疑具有极大的吸引力，人们对水合物资源的认识亟待加深，掀起了天然气水合物资源研究的热潮。另一方面，随着油气开采逐渐转向深水海域，油气管路中水合物生成导致的堵塞，使得管道内压力升高甚至引起管路***，给工业生产带来巨大的经济损失以及安全隐患，已经引起了石油工业的高度关注。对天然气水合物的生成与分解特性的研究，已经成为一个新的课题。
目前对水合物生成与分解特性的研究，大多是大容积在反应釜中进行的，其中绝大部分为非可视化，即暗箱实验。后期，研究者为了进一步探索水合物的生成与分解特性，在反应釜上加可视化视窗，但并没有完全达到实时观测监控。随着进一步的发展，核磁成像、拉曼光谱等也被引入到这一领域，但是这些设备均无法对水合物形态进行三维成像。X射线CT设备作为一种可视化工具，通过断层扫描，三维成像，在缺陷检测、尺寸测量、结构分析等工业领域有着极其广泛的应用。X射线CT设备极高的灵敏度和分辨率，通过密度判别，能够清晰的分辨出水、水合物以及气体相，可以用来观测到水合物生成与分解过程，从而研究水合物的生成与分解特性。
由于水合物稳定存在低温高压的苛刻条件，使得很难在CT设备上原位生成水合物样品，为了解决这一问题，本发明设计了一套可用于X射线CT成像的反应装置，用于可视化研究水合物生成与分解特性。
发明内容
为了可视化研究水合物的生成与分解特性，本发明设计了一套可用于X射线CT设备成像的反应装置。该装置能够满足天然气水合物生成所必需的高压低温条件，可以实现水合物在CT设备上的原位生成，并采用CT设备的三维成像功能实时捕捉水合物的生成与分解过程中形态的变化。该装置的发明对于可视化研究水合物的生成与分解特性具有重要的意义。
本发明的技术方案是：
一种用于X射线CT设备观测水合物生成与分解特性的低温高压控制装置，该低温高压控制装置包括反应釜19、半导体制冷***、供气增压***、CT成像***和数据采集***；
所述的反应釜19采用内外双层套筒结构，将导热与保压分别控制；反应釜19由上端盖6、下端盖13、内管10和外管11活动连接组成，通过O型密封圈7密封；反应釜的内管10采用钛合金材质，一方面有利于热量的传递，另一方面可用于CT设备三维成像，其上设有压力平衡孔9，通过压力平衡孔9使反应釜的内管10不承受压力；反应釜的外管11采用聚酰亚胺材质，属于低导热材料，起到保温保压的作用，使用时，反应釜内管10中填充反应液体，反应釜的内管10与反应釜的外管11之间的夹层填充气体，两者通过内管的压力平衡孔9保持夹层和反应釜内管10中的压力保持平衡；上端盖6设有进气口5，下端盖13设有进液口14，上端盖6和下端盖13均采用钛合金材质；上端盖6和下端盖13连接半导体制冷***，对反应釜19体进行制冷控温；
所述的半导体制冷***包括半导体制冷热端1、金属导体2、N型和P型半导体3和半导体制冷冷端4，对反应釜19采用两端半导体制冷，多组N型和P型半导体3通过金属导体2相连，半导体制冷冷端4与反应釜19的上端盖6和下端盖13相连，对反应釜19进行制冷，并通过半导体制冷热端1与周围介质进行换热，半导体制冷***的功率通过制冷***电路18进行调节控制；热电偶8设置于反应釜19上端盖6，并伸入到反应釜19内管10压力平衡孔9上缘，用于监测反应釜19内的温度；
所述的供气增压***包括流量计20、增压泵21、真空泵22、压力传感器23、气瓶24注射泵27和贮水槽28；进气口5连接压力传感器23，通过阀连接真空泵22，通过流量计20依次与增压泵21和气瓶24连接；进液口14连接有注射泵27和贮水槽28；
所述的CT成像***包括CT成像设备26，CT成像设备26对准反应釜的外管11，用来对水合物生成与分解过程中的形态变化进行三维成像；
所述的数据采集***17是将热电偶8、压力传感器23以及流量计20采集到的温度、压力以及流量信号，进行实时采集并传输到计算机25。
所述的低温高压控制装置，所述的N型和P型半导体3采用多组N型和P型半导体串联而成，以达到所需要的制冷效果。
一种用所述的低温高压控制装置实现X射线CT设备观测水合物生成与分解特性的方法，步骤如下：
第一步，组装低温高压控制装置，管路连接及密封，并进行调试检测；
第二步，试压与扫气：向反应釜19内注入一定压力的气体，对反应釜19进行试压，确保反应釜19密闭性，对反应釜19进行反复充放气，排除反应釜19内的空气；
第三步，控温保压与数据采集：启动半导体制冷***，将反应釜19控制在设定温度，向反应釜19内注水注气，直到达到设定压力；同时，数据采集***17开始对反应釜19内的温度压力信号以及输入的气体流量进行实时采集并传输到计算机25进行存储分析；
第四步，水合物生成及扫描成像：降温生成水合物，同时CT成像设备26对生成过程进行扫描成像可视化水合物生成形态的变化；
第五步，水合物分解：待反应釜19内温度压力信号稳定后，水合物生成完成，采用降压或加热方式对水合物进行分解，整个过程中水合物的形态变化全部通过CT成像设备26三维成像展示。
本发明的有益效果是：该用于X射线CT设备成像的反应装置主要包括一个反应釜、半导体制冷***、供气增压***、CT成像***、数据采集***。反应釜用于水合物生成分解，半导体制冷***与供气增压***能够精确控制反应釜内的温度和压力，满足水合物生成的条件，CT成像设备用于可视化水合物的生成与分解过程，数据采集***能够实时采集温度压力以及流量信号并传输到计算机进行分析。其优点是：
1)反应釜能够承受0-10MPa的压力和268-288K的温度，满足水合物生成并稳定存在的温度压力条件；
2)反应釜内管主要用于导热控温，外管主要用于保持反应釜内压力，控温和保压分开，在满足CT成像的前提下，能够控制低温高压的环境，可实现水合物在CT设备的原位生成；
3)反应釜两端盖和内管采用钛合金材质，减轻反应釜重量的同时，能够很好的保障热量的传递，达到良好的制冷效果；
4)反应釜外管采用聚酰乙胺材质，在保障反应釜内压力的前提下，也能起到绝热保温的效果；
5)反应釜采用半导体两端制冷，工作时无噪声，作用速度快，可靠性高，使用寿命长，调节方便，可通过调节电流大小来调节制冷能力；
6)采用半导体制冷技术制冷，没有循环液的扰动，对CT成像影响小；
7)该***能够用于X射线CT设备，并可以原位生成水合物，可视化水合物生成与分解过程中形态的变化。
附图说明
图1是一种用于X射线CT设备观测水合物生成与分解特性的低温高压控制装置的工作原理框图。
图2是一种用于X射线CT设备观测水合物生成与分解特性的低温高压控制装置的反应釜体结构图。
图3是一种用于X射线CT设备观测水合物生成与分解特性的低温高压控制装置的***图。
图中：1半导体制冷热端；2金属导体；3N型和P型半导体；4半导体制冷冷端；5进气口；6上端盖；7O型密封圈；8热电偶；9压力平衡孔；10内管；11外管；12橡胶垫圈；13下端盖；14进液口；15半导体制冷导线；16反应釜底座；17数据采集***；18制冷***电路；19反应釜；20流量计；21增压泵；22真空泵；23压力传感器；24气瓶；25计算机；26CT成像设备；27注射泵；28贮水槽。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
图1-3展示了一种用于X射线CT设备观测水合物生成与分解特性的低温高压反应装置。该装置整体由两个端盖，两个半导体制冷单元以及内、外套筒构成。端盖与外管构成耐高压反应釜，外管起到控温保压的作用，端盖与半导体制冷元件相连结，端盖与内管用钛合金制作，起到导热控温的作用，内管上面有小孔保持管内外压力平衡，向内管小孔以下部分注入液体，其余部分填充气体。基于以上所述装置进行研究和使用的步骤如下：
第一步，组装各***。按照顺序组装好个***，并进行调试检测。
第二步，密封及管路连接。将反应釜端盖密封，确保端盖紧固以及反应釜密封性良好，将进液口和进气口分别与注射泵和气体增压泵相连接，以控制反应釜内的压力。
第三步，试压与扫气。向反应釜内注入一定压力的气体，对反应釜进行试压，确保反应釜密闭性良好之后，对反应釜进行反复充放气，排除反应釜内的空气。
第四步，控温保压与数据采集。启动半导体制冷元件，将反应釜控制在设定温度，向反应釜内注水注气，直到达到设定压力，与此同时，数据采集***开始对反应釜内的温度压力信号以及输入的气体流量进行实时采集并存储分析。
第五步，水合物生成及扫描成像。降温生成水合物，同时CT设备对生成过程进行扫描成像以可视化水合物生成形态的变化。
第六步，水合物分解。待反应釜内温度压力信号稳定之后，预示着水合物生成完成，采用降压或者加热的方式对水合物进行分解，整个过程中水合物的形态变化全部通过CT设备三维成像展示。
第七步，整理设备。待水合物分解完成之后，对反应釜以及管路进行清理，整理实验装置，重复以上步骤可开始新一轮的实验。

Claims (3)

1.一种用于X射线CT设备观测水合物生成与分解特性的低温高压控制装置，其特征在于，该低温高压控制装置包括反应釜(19)、半导体制冷***、供气增压***、CT成像***和数据采集***；
所述的反应釜(19)采用内外双层套筒结构，分别控制导热与保压部分；反应釜(19)由上端盖(6)、下端盖(13)、内管(10)和外管(11)活动连接组成，通过O型密封圈(7)密封；反应釜的内管(10)采用钛合金材质，其上设有压力平衡孔(9)，通过压力平衡孔(9)使反应釜的内管(10)不承受压力；反应釜的外管(11)采用聚酰亚胺材质，起到保温保压的作用，使用时，反应釜内管(10)中填充反应液体，反应釜的内管(10)与反应釜的外管(11)之间的夹层填充气体，两者通过反应釜的内管(10)的压力平衡孔(9)保持夹层和反应釜的内管(10)中的压力平衡；上端盖(6)设有进气口(5)，下端盖(13)设有进液口(14)，上端盖(6)和下端盖(13)均采用钛合金材质；上端盖(6)和下端盖(13)连接半导体制冷***，对反应釜(19)体进行制冷控温；
所述的半导体制冷***包括半导体制冷热端(1)、金属导体(2)、N型和P型半导体(3)和半导体制冷冷端(4)，对反应釜(19)采用两端半导体制冷，多组N型和P型半导体(3)通过金属导体(2)相连，半导体制冷冷端(4)与反应釜(19)的上端盖(6)和下端盖(13)相连，对反应釜(19)进行制冷，并通过半导体制冷热端(1)与周围介质进行换热，半导体制冷***的功率通过制冷***电路(18)进行调节控制；热电偶(8)设置于反应釜(19)上端盖(6)，并伸入到反应釜(19)的内管(10)压力平衡孔(9)上缘，用于监测反应釜(19)内的温度；
所述的供气增压***包括流量计(20)、增压泵(21)、真空泵(22)、压力传感器(23)、气瓶(24)、注射泵(27)和贮水槽(28)；进气口(5)连接压力传感器(23)，通过阀连接真空泵(22)，通过流量计(20)依次与增压泵(21)和气瓶(24)连接；进液口(14)连接有注射泵(27)和贮水槽(28)；
所述的CT成像***包括CT成像设备(26)，CT成像设备(26)对准反应釜的外管(11)，用来对水合物生成与分解过程中的形态变化进行三维成像；
所述的数据采集***(17)是将热电偶(8)、压力传感器(23)以及流量计(20)采集到的温度、压力以及流量信号，进行实时采集并传输到计算机(25)。
2.根据权利要求1所述的低温高压控制装置，其特征在于，所述的N型和P型半导体(3)采用多组N型和P型半导体串联而成。
3.一种用权利要求1或2所述的低温高压控制装置实现X射线CT设备观测水合物生成与分解特性的方法，其特征在于，步骤如下：
第一步，组装低温高压控制装置，管路连接及密封，并进行调试检测；
第二步，试压：向反应釜(19)内注入氮气到设定压力，对反应釜(19)进行试压，确保反应釜(19)密闭性；
第三步，扫气：采用甲烷气体，对反应釜(19)进行反复充放气，排除反应釜(19)内残余的空气/氮气；
第四步，控温保压与数据采集：启动半导体制冷***，将反应釜(19)控制在设定温度，向反应釜(19)内注水注气，直到达到设定压力；同时，数据采集***(17)开始对反应釜(19)内的温度压力信号以及输入的气体流量进行实时采集并传输到计算机(25)进行存储分析；
第五步，水合物生成及扫描成像：降温生成水合物，同时CT成像设备(26)对生成过程进行扫描成像可视化水合物生成形态的变化；
第六步，水合物分解：待反应釜(19)内温度压力信号稳定后，水合物生成完成，采用降压或加热方式对水合物进行分解，整个过程中水合物的形态变化全部通过CT成像设备(26)三维成像展示。
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