专利摘要

本发明公开了一种天然气水合物相平衡模拟实验装置，其主要包括：相平衡模拟单元、压力控制单元、温度控制单元、稳压供液单元、稳压供气单元、计量单元、数据采集单元。由以上各组成单元共同构成的水合物相平衡模拟实验装置可以进行不同气体的水合物相平衡实验，并可以对不同化学药剂存在下的水合物相平衡条件进行测定。通过对装置的微小改动，还可进行多孔介质中的相平衡实验，对不同孔隙直径的多孔介质中水合物的相平衡条件进行测定。本发明具有操作简便，测量精确，反应釜容积可变，可实现温度、压力的高精度控制等优点。

权利要求

1、一种天然气水合物相平衡模拟实验装置，其特征在于，包括相平衡模拟单元、压力控制单元、温度控制单元、稳压供液单元、稳压供气单元、计量单元、数据采集单元。

2、如权利要求1所述的天然气水合物相平衡模拟实验装置，其特征在于，所述相平衡模拟单元包括耐高压反应釜(1)，该反应釜(1)的底部设有可移动的活塞(18)，该反应釜(1)上部带有可调速电磁搅拌装置(19)。

3、如权利要求1所述的天然气水合物相平衡模拟实验装置，其特征在于，所述相平衡模拟单元包括耐高压反应釜(1)，该反应釜(1)的底部设有可移动的活塞(18)，反应釜中填满多孔介质。

4、如权利要求1-3任一所述的天然气水合物相平衡模拟实验装置，其特征在于，所述稳压供液单元由电子天平(13)(16)、平流泵(14)、中间容器组(15)组成。

5、如权利要求1-3任一所述的天然气水合物相平衡模拟实验装置，其特征在于，所述压力控制单元主要由压力控制阀(3)，压力传感器(4)，PID压力控制器(5)以及储气罐(2)组成。

说明书

【技术领域】

本发明是涉及一种天然气水合物相平衡模拟实验装置。

【背景技术】

气体水合物是小分子气体(如CH₄、C₂H₆、C₃H₈、C₄H₁₀等同系物以及CO₂、N₂、H₂S等，常称为客体分子)与水在一定温度和压力下生成的一种非化学计量的、笼状晶体物质(Clathrate)。其遇火即可燃烧，俗称“可燃冰”，其外形如冰雪状，通常呈白色。其分子式可用M.nH₂O来表示，M代表水合物中的气体分子，n为水合数(也就是水分子数)。现在已经发现的气体水合物结构有4种：I型、II型、H型和一种新型的水合物(由生物分子和水分子生成)。

天然气水合物在自然界广泛分布在大陆、岛屿的斜坡地带、活动和被动大陆边缘的隆起处、极地大陆架以及海洋和一些内陆湖的深水环境。在标准状况下，一单位体积的天然气水合物分解最多可产生164单位体积的甲烷气体，据预测，全球天然气水合物的储藏量是其他化石燃料总和的两倍，因而天然气水合物是一种重要的潜在未来资源。

天然气水合物是在一定条件(合适的温度、压力、气体饱和度、水的盐度、PH值等)下由水和气体组成的类冰的、非化学计量的、笼型结晶化合物。天然气水合物的生成过程，实际是一个水合物-溶液-气体三相平衡变化的过程，任何能影响相平衡的因素都能影响水合物的生成/分解。水合物相平衡的研究是天然气水合物研究的基础，为天然气水合物的开发利用提供基本的物理化学参数。而要进行天然气水合物的相平衡模拟实验，数据精密，条件可控，可视化的模拟实验装置是不可缺少的。

水合物相平衡的实验研究实际上就是测定其平衡生成条件，即温度和压力的平衡曲线。随着耐高压而又透明的材料的出现及相关实验测定技术的发展，水合物的实验测定装置及实验方法也在不断的改进，各国的科研工作者进行了大量的不同体系的水合物相平衡条件的测定。对于纯水合物相平衡研究已经开展的比较多，而对于多孔介质中的相平衡实验则相对较少，Sloan，D.等建立了一个用于测量岩石中水合物相平衡条件的实验装置，反应釜为不锈钢圆柱体，中间可以放置实验样品，整个反应釜放置在水浴中。两支热电偶固定在实验样品上用于采集实验中温度的变化，另一支热电偶放置于水浴中用于采集环境的温度变化。实验的岩石样品直径3.8cm，长8.9cm，平均孔隙半径为550A，此孔隙半径为可选择的最小值，可以对水合物的相平衡产生最大的影响。还进行了在人造陶瓷样品中的实验，其具有相同的孔隙大小，孔隙半径为5360A。同时还进行了其他几组实验，使用不同孔隙大小的砂岩，平均孔隙半径在620A到84460A之间。英国石油工程局建立了一套精度更高的实验系统用于研究在自然沉积物中化学药剂对水合物生成的抑制作用，反应釜可承受的最大压力为41.4MPa，中间是一个可移动的样品槽。温度传感器的精度为±0.01k，压力传感器4的精度为±0.008MPa，反应釜的温度控制范围为253-373k，温度波动为±0.02k.测量了甲烷，二氧化碳及其混合气体在不同孔径的多孔介质中的相平衡条件，并测量了含甲醇体系的甲烷水合物的相平衡条件。其他一些研究者还测量了其他一些体系在多孔介质中的相平衡条件。

综合以上研究现状，水合物相平衡的研究主要存在以下一些问题：现有的一些实验装置一般只能做纯水合物或者多孔介质的相平衡实验；缺少有效的控制压力的系统。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种相平衡模拟实验装置，应用于不同体系的天然气水合物相平衡研究，以及多孔介质中天然气水合物相平衡的测定。

解决上述发明目的的技术方案如下：

天然气水合物相平衡模拟实验装置主要包括：相平衡模拟单元、压力控制单元、温度控制单元、稳压供液单元、稳压供气单元、计量单元、数据采集单元七大部分。

所述相平衡模拟单元包括耐高压反应釜，该反应釜上部带有可调速电磁搅拌装置，可在进行纯水水合物相平衡实验室对反应釜中的气液进行搅拌，加快水合物生成与分解的速度，该反应釜的底部设有可移动的活塞。

所述耐高压反应釜还可采用如下结构，该反应釜的底部设有可移动的活塞，反应釜中填满多孔介质，采用平流泵向活塞底部注入蒸馏水可改变反应釜的体积，用于变体积的水合物相平衡实验，在进行多孔介质中水合物相平衡实验时，可移动的活塞可用于压紧反应釜中的多孔介质。

所述稳压供液单元由电子天平、平流泵、中间容器组组成，电子天平用于精确测量注入与流出反应釜的溶液的质量，中间容器组用于注化学药剂时精确测量化学药剂注入速率，同时采用中间容器组，可避免化学药剂对平流泵的损坏。

所述压力控制单元主要由压力控制阀、PID压力控制器及储气罐组成。通过压力控制器控制压力控制阀开合，向反应釜中注入或释放气体，能够精确控制反应釜中的压力。

相平衡模拟实验装置在进行纯水合物的相平衡实验时一般采用观察法，首先向反应釜中注入一定浓度的化学药剂的水溶液，再注入气体到一定的压力，设定水浴的温度，当温度稳定后，开始搅拌，使一定量的水合物在反应釜中形成。保持一个参数(压力或温度)不变，然后通过降低压力或升高温度使水合物分解。当反应釜中仅有极少量的水合物晶体存在，这时保持反应釜中的水合物的参数(温度、压力)不变，如果反应釜中的水合物能存在3-4h，则保持反应釜中的温度不变，同过压力控制阀放出部分气体，使压力降低0.05Mpa，如果反应釜中的水合物完全溶解，则反应釜中的压力、温度可看成该体系的相平衡数据。

当进行多孔介质中的水合物相平衡实验时，首先向反应釜中填满砂，并采用活塞压紧砂粒，使反应釜中的多孔介质达到一定的孔隙率。然后反应釜中注化学药剂水溶液，确定其饱和，然后注入气体达到一定的压力。开始降温生成水合物，当水合物大量生成后，升温分解，升温的速率要足够的慢，为0.5K/5-24h，使每一步均达到平衡态，然后采用画图法确定水合物的相平衡点。

本发明所述的水合物相平衡模拟实验装置可以进行不同组分气体的水合物相平衡实验，并可以进行化学药剂存在下水合物相平衡的测定。还可进行多孔介质存中的水合物相平衡实验，对不同孔隙直径的多孔介质中水合物的相平衡条件进行测定。本发明所述装置还有操作简便，测量精确，反应釜容积可变，可实现温度、压力的高精度控制等优点。

【附图说明】

图1是本发明水合物相平衡模拟实验装置的实验系统流程示意图；

图2是本发明水合物相平衡模拟实验装置用于纯水水合物相平衡实验的反应釜结构示意图；

图3是本发明水合物相平衡模拟实验装置用于多孔介质中水合物相平衡实验的反应釜结构示意图；

1、反应釜，2、储气罐，3、压力控制阀，4、压力传感器，5、PID压力控制器，6、温度传感器，7、恒温水浴，8、高压气瓶，9、减压阀，10、截止阀，11、单向阀，12、放空阀，13、天平，14、平流泵，15、中间容器，16、天平，17、数据采集单元，18、活塞，19、搅拌装置，20、釜盖。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明具体实施情况做详细描述：

如图1所示，本发明相平衡模拟实验装置主要包括：相平衡模拟单元、压力控制单元、温度控制单元、稳压供液单元、稳压供气单元、计量单元、数据采集单元七大部分。

所述相平衡模拟单元主体为耐高压反应釜1，承压20Mpa。在纯水合物的实验中，在反应釜的底部是可移动的活塞18，反应釜上部带有电动搅拌装置19，可对反应釜中的气液进行搅拌，加快水合物生成与分解的速度。搅拌装置由步进电机带动，可以调整搅拌速度。当进行多孔介质中水合物相平衡实验时，反应釜中填满多孔介质，此时不需要搅拌装置，换上不带搅拌装置的釜盖20即可。在反应釜的底部是可移动的活塞18，用于改变反应釜的体积以及压紧反应釜中的多孔介质。使用时，通过平流泵14向活塞底部注水来改变反应釜体积。

稳压供液单元组件包括：天平13、平流泵14、中间容器组15。中间容器组是在当实验过程需要加入化学药剂时，避免化学药剂对平流泵的损坏而使用的一种间接容器，同时也可用于精密计量注入的化学药剂量。

稳压供气单元组件包括：高压气瓶8、减压阀9、截止阀10、单向阀11、放空阀12。

压力控制单元主要由压力控制阀3，PID压力控制器5以及储气罐2组成，通过PID控制器控制压力控制阀3的开合，由储气罐2向反应釜中注入气体或者由反应釜向储气罐释放气体，可以精确控制反应釜中的压力，压力控制精度为±0.02Mpa。

温度控制单元为一高精度的恒温水浴7，为实验提供均匀恒定的外环境温度场，精度为±0.1K。

计量单元包括：两个用于测量反应釜温度的高精度温度传感器6，精度为±0.05K；用于测量反应釜与储气罐压力的压力传感器4两个，精度±0.02MPa；电子天平两台13，16，精度0.01g，用于测量注入与流出反应釜的溶液的质量。

数据采集单元17包括：包括采集控制板卡、采集控制电路以及数据采集处理软件等，数据由计算机即时采集保存。系统软件用VB6来编写，既能完成数据的采集处理，又能够很好的完成自动识别和控制选择传感器的工作。

采用本实施例可进行如下实验：

1、纯水水合物相平衡实验

本实验采用观察法，此方法具有测量准确，实验周期短的优点，主要实验步骤如下：

1)首先采用天平13、平流泵14、中间容器组15向反应釜1中注入一定浓度的化学药剂水溶液，等到温度稳定之后开始通过减压阀9、截止阀10、单向阀11将高压气瓶8中的气体注入反应釜1中，并开始搅拌，加快水合物的生成速率，在一定的条件下(压力、温度)，使一定量的水合物在反应釜中形成；

2)保持一个参数(压力或温度)不变，然后通过降低压力或升高温度使水合物分解；

3)当反应釜中仅有极少量的水合物晶体存在，这时保持反应釜中的水合物的参数(温度、压力)不变，如果反应釜中的水合物能存在3-4h，则保持反应釜中的温度不变，同过压力控制阀3放出部分气体，使压力降低0.05Mpa，如果反应釜中的水合物完全溶解，则反应釜中的压力、温度可看成该体系的相平衡数据。

在本实验中，最重要的是要对反应釜1的温度、压力进行精确的控制，一般来说保持温度不变，改变压力可以更快的达到平衡状态，在本实验中，压力的控制通过PID压力控制器5及压力控制阀3来完成，可以通过压力控制阀3向反应釜中注入气体提高压力或由反应釜向外释放气体来降低压力。

2、多孔介质中水合物相平衡实验

本实验主要研究在砂石状态下，化学药剂结合毛细管力对天然气水合物相平衡的影响，主要实验步骤如下：

1)向反应釜中填满砂，并采用活塞压紧砂粒，使反应釜中的多孔介质达到一定的孔隙率，通过确定砂的重量和体积得出其孔隙率；

2)向反应釜中注化学药剂水溶液，确定其饱和，然后注入气体达到一定的压力；

3)开始降温生成水合物，当水合物大量生成后，升温分解，升温的速率要足够的慢，为0.5K/5-24h，使每一步均达到平衡态，然后采用画图法确定水合物的相平衡点；

4)采用不同的初始压力，重复实验，获得不同压力、温度下的平衡点数据。

以上所述仅为本发明的较佳实施实例，本发明的保护范围并不局限于此，本领域中的技术人员任何基于本发明技术方案上非实质性变更均包括在本发明保护范围之内。

天然气水合物相平衡模拟实验装置专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。