專利名稱：天然氣水合物模擬合成與分解成套設(shè)備系統(tǒng)及反應(yīng)釜的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種水合物模擬合成與分解成套設(shè)備系統(tǒng)，更具體地說(shuō)涉及一種海底天然氣水合物模擬合成與分解成套設(shè)備系統(tǒng)，同時(shí)還涉及該海底天然氣水合物模擬合成與分解成套設(shè)備系統(tǒng)中的反應(yīng)釜，屬機(jī)械工程領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
天然氣水合物是繼煤和石油之后貯量巨大的戰(zhàn)略性環(huán)保能源，被譽(yù)為21世紀(jì)新能源的桂冠，由此可見(jiàn)各國(guó)政府和科技專家對(duì)它的重視。我國(guó)雖然對(duì)天然氣水合物的調(diào)查和研究起步比較晚，但是近年來(lái)中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局開(kāi)展的海洋天然氣水合物的調(diào)研取得了令人矚目的進(jìn)展。天然氣水合物模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)是天然氣水合物勘查研究的一項(xiàng)基礎(chǔ)技術(shù)，少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家已建立了他們的天然氣水合物模擬合成與分解實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并出口到我國(guó)。早期試驗(yàn)裝置的核心反應(yīng)裝置通常采用不銹鋼制壓力反應(yīng)釜，使用后發(fā)現(xiàn)存在很多不足之處。包括設(shè)備笨重、相對(duì)承壓能力不高、可視化程度差(無(wú)法觀察其內(nèi)部反應(yīng))、分析檢測(cè)手段少、易產(chǎn)生海水應(yīng)力腐蝕裂紋等。近年來(lái)，國(guó)際上推出了較現(xiàn)代的可視化高壓流體測(cè)試系統(tǒng)，該裝置主要包括反應(yīng)釜、恒溫空氣浴、攪拌與體積調(diào)節(jié)裝置、壓力和溫度測(cè)量裝置與控制系統(tǒng)等。反應(yīng)釜是一可變?nèi)莘e的全透明藍(lán)寶石釜，可變?nèi)莘e范圍為13.6～100cm3，最高工作壓力可達(dá)40MPa，工作溫度范圍為-20～120℃。反應(yīng)釜中物質(zhì)可通過(guò)攪拌器或循環(huán)泵進(jìn)行混合。反應(yīng)釜中的溫度由鉑電阻測(cè)量，精度為±0.1K，壓力用精度為0.06％(即24kPa)的壓力傳感器測(cè)定。每個(gè)實(shí)驗(yàn)體系測(cè)試前用蒸餾水把反應(yīng)釜清洗2次，然后用實(shí)驗(yàn)氣體進(jìn)行吹掃，最后抽真空，向反應(yīng)釜中注入適量的蒸餾水和實(shí)驗(yàn)用烴類物質(zhì)。實(shí)驗(yàn)所用方法一般為恒溫壓力搜索法，水合物的形成/分解通過(guò)肉眼觀察確定。在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的控制裝置調(diào)節(jié)空氣浴的溫度使反應(yīng)釜溫度穩(wěn)定地處于設(shè)定值，通過(guò)攪拌器混合實(shí)驗(yàn)流體，增加氣液接觸面積，減少水合物形成誘導(dǎo)時(shí)間。同時(shí)通過(guò)改變反應(yīng)釜中活塞的位置來(lái)調(diào)節(jié)壓力，提高反應(yīng)釜中的壓力使水合物生成。從使用情況來(lái)看，該類產(chǎn)品雖然在可視化、參數(shù)控制、耐腐蝕等方面有了突出的改善，但仍然存在許多無(wú)法克服的不足之處，具體不足如下1)受造價(jià)、制造工藝等限制，容積過(guò)小，在天然氣水合物儲(chǔ)氣能力及熱穩(wěn)定性研究等方面應(yīng)用較為困難；2)無(wú)法模擬真實(shí)海底泥沙中天然氣水合物的形成和分解，因此無(wú)法對(duì)海底天然氣水合物的儲(chǔ)量、勘探起指導(dǎo)作用；3)由于在判別水合物的形成/分解時(shí)采用肉眼觀察，導(dǎo)致反應(yīng)臨界點(diǎn)判斷的不確定性，同時(shí)也無(wú)法對(duì)圖像進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后的結(jié)合反應(yīng)參數(shù)的同步研究分析；4)實(shí)時(shí)監(jiān)控手段不足，對(duì)模擬結(jié)果的可重復(fù)性、反應(yīng)條件的確定與驗(yàn)證缺乏支持；5)無(wú)法實(shí)行反應(yīng)釜快速開(kāi)啟，合成的水合物無(wú)法快速取出進(jìn)行燃燒、分析或進(jìn)一步研究；6)缺乏實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和圖像分析軟件支持，實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析受限。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足與問(wèn)題，提供了一種核心部件能承受3000米水深的壓力和溫度、可視化程度高、容積較大、造價(jià)相對(duì)較低、監(jiān)控手段充分、增壓和保壓快速方便的海底天然氣水合物模擬合成與分解成套設(shè)備系統(tǒng)。該設(shè)備系統(tǒng)對(duì)海水中和真實(shí)海底泥沙中天然氣水合物的形成和分解均能進(jìn)行模擬合成與分解分析，因此對(duì)海底天然氣水合物的儲(chǔ)量、勘探起重要的指導(dǎo)作用。
本發(fā)明的另一目的是還提供一種海底天然氣水合物模擬合成與分解成套設(shè)備系統(tǒng)中使用的反應(yīng)釜，該反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)承壓力強(qiáng)，輕薄且耐海水下的應(yīng)力腐蝕，并能模擬真實(shí)海底泥沙中天然氣水合物的形成和分解，因此對(duì)海底天然氣水合物的儲(chǔ)量、勘探起指導(dǎo)作用。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明的海底天然氣水合物模擬合成與分解的成套設(shè)備系統(tǒng)，包括有模擬天然氣配氣系統(tǒng)、天然氣高壓增壓系統(tǒng)、反應(yīng)釜、制冷及浴槽溫控系統(tǒng)和參數(shù)控制臺(tái)及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，還裝有磁力攪拌系統(tǒng)，所述的反應(yīng)釜為高壓可視化反應(yīng)釜。
本發(fā)明系統(tǒng)的高壓可視化反應(yīng)釜為用鈦合金整鍛件內(nèi)部挖空的方式加工成的球形反應(yīng)釜，釜底為平臺(tái)結(jié)構(gòu)，在反應(yīng)釜球體的赤道位置開(kāi)設(shè)4個(gè)管狀視鏡孔并分別安裝管狀視鏡，各孔的位置間隔90°，反應(yīng)釜球體的頂端還開(kāi)有1個(gè)管狀視鏡孔并安裝管狀視鏡，管狀視鏡的筒節(jié)與反應(yīng)釜體為一體化結(jié)構(gòu)，筒節(jié)的內(nèi)孔為圓柱加梯形結(jié)構(gòu)，筒節(jié)離反應(yīng)釜體最遠(yuǎn)端內(nèi)徑的尺寸最大，為筒節(jié)的上部；筒節(jié)中間部分內(nèi)徑尺寸居中，為筒節(jié)的中部；筒節(jié)與反應(yīng)釜體連接部分的內(nèi)徑最小，為下部，筒節(jié)下部?jī)?nèi)徑與管狀視鏡孔內(nèi)徑相同，筒節(jié)中部?jī)?nèi)安裝有圓柱形實(shí)心防彈玻璃，防彈玻璃兩端面上裝有兩道復(fù)合墊片，防彈玻璃側(cè)面裝有O型密封圈，筒節(jié)上部通過(guò)壓頭壓緊密封；所述的圓柱形實(shí)心防彈玻璃的直徑小于管狀視鏡筒節(jié)中部的內(nèi)徑并大于視鏡孔內(nèi)徑，圓柱形實(shí)心防彈玻璃的直徑尺寸比管狀視鏡筒節(jié)中部的內(nèi)徑小1～2mm；筒節(jié)下部長(zhǎng)度大于反應(yīng)釜體的厚度，筒節(jié)上部和中部外徑相同，筒節(jié)下部外徑小于上部或中部的外徑；所述的壓頭為空心圓柱加梯形結(jié)構(gòu)，同時(shí)內(nèi)外均加工有螺紋接頭，其外部螺紋接頭和筒節(jié)內(nèi)螺紋連接，用來(lái)壓緊防彈玻璃和墊片，壓頭內(nèi)部螺紋接頭和微型攝像裝置連接，并通過(guò)壓緊墊片進(jìn)行水封；所述的管狀視鏡外端設(shè)有水下光纖攝像的接口，通過(guò)管狀視鏡外側(cè)開(kāi)設(shè)的螺紋連接口安裝高精度微型光纖攝像裝置，由微型攝像裝置的信號(hào)輸出線連接硬盤(pán)錄像機(jī)紀(jì)錄所有音像資料并輸入計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)和分析；所述的管狀視鏡筒節(jié)內(nèi)取出防彈玻璃后可安裝超聲波探頭，探頭采用弧形接觸面螺紋壓緊密封和探頭側(cè)面O型圈自緊密封，超聲波探測(cè)信號(hào)輸出線可連接計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；所述的天然氣高壓增壓系統(tǒng)采用氣驅(qū)氣體增壓的方式；所述的磁力攪拌系統(tǒng)包括放置在反應(yīng)釜內(nèi)磁豆攪拌子和反應(yīng)釜外下部電機(jī)輸出軸上安裝的稀土磁鋼，電機(jī)軸外部裝有測(cè)速探頭并通過(guò)參數(shù)控制臺(tái)控制轉(zhuǎn)速；所述的制冷及浴槽溫控系統(tǒng)采用反應(yīng)釜浸入鹽浴溫控槽的方式來(lái)控制反應(yīng)溫度，浴槽墻體由不銹鋼板材內(nèi)含雙層發(fā)泡劑的復(fù)合板材制成。
本發(fā)明的海底天然氣水合物模擬合成與分解的成套設(shè)備系統(tǒng)中使用的反應(yīng)釜為高壓可視化反應(yīng)釜，是用鈦合金整鍛件內(nèi)部挖空的方式加工成的球形反應(yīng)釜，釜底為平臺(tái)結(jié)構(gòu)，在反應(yīng)釜球體的赤道位置開(kāi)設(shè)4個(gè)管狀視鏡孔并分別安裝管狀視鏡，各孔的位置間隔90°，反應(yīng)釜球體的頂端還開(kāi)有1個(gè)管狀視鏡孔并安裝管狀視鏡，管狀視鏡的筒節(jié)與反應(yīng)釜體為一體化結(jié)構(gòu)，筒節(jié)的內(nèi)孔為圓柱加梯形結(jié)構(gòu)，筒節(jié)離反應(yīng)釜體最遠(yuǎn)端內(nèi)徑的尺寸最大，為筒節(jié)的上部；筒節(jié)中間部分內(nèi)徑尺寸居中，為筒節(jié)的中部；筒節(jié)與反應(yīng)釜體連接部分的內(nèi)徑最小，為下部，筒節(jié)下部?jī)?nèi)徑與管狀視鏡孔內(nèi)徑相同，筒節(jié)中部?jī)?nèi)安裝有圓柱形實(shí)心防彈玻璃，防彈玻璃兩端面上裝有兩道復(fù)合墊片，防彈玻璃側(cè)面裝有O型密封圈，筒節(jié)上部通過(guò)壓頭壓緊密封；所述的圓柱形實(shí)心防彈玻璃的直徑小于管狀視鏡筒節(jié)中部的內(nèi)徑并大于視鏡孔內(nèi)徑，圓柱形實(shí)心防彈玻璃的直徑尺寸比管狀視鏡筒節(jié)中部的內(nèi)徑小1～2mm；筒節(jié)下部長(zhǎng)度大于反應(yīng)釜體的厚度，筒節(jié)上部和中部外徑相同，筒節(jié)下部外徑小于上部或中部的外徑；所述的壓頭為空心圓柱加梯形結(jié)構(gòu)，同時(shí)內(nèi)外均加工有螺紋接頭，其外部螺紋接頭和筒節(jié)內(nèi)螺紋連接，用來(lái)壓緊防彈玻璃和墊片，壓頭內(nèi)部螺紋接頭和微型攝像裝置連接，并通過(guò)壓緊墊片進(jìn)行水封。
本發(fā)明的有益效果如下1)反應(yīng)釜能承受3000米水深的壓力和溫度，可以模擬3000米以下水深的壓力和溫度，同時(shí)在高壓和海水介質(zhì)作用下不產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕；2)系統(tǒng)可視化程度高，不但可直接觀察高壓裝置里的相變情況，同時(shí)還可對(duì)圖像進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后的結(jié)合反應(yīng)參數(shù)的同步研究分析；3)系統(tǒng)反應(yīng)釜容積較大，可達(dá)1000ml，能模擬真實(shí)海底泥沙中天然氣水合物的形成和分解；4)系統(tǒng)造價(jià)相對(duì)較低；5)系統(tǒng)對(duì)海水中和海底泥沙中(不通光，可視性差)天然氣水合物的形成和分解臨界點(diǎn)均能作出正確的判斷，同時(shí)記錄的上述信號(hào)能放大作進(jìn)一步研究；6)合成的水合物能快速取出進(jìn)行燃燒、分析或進(jìn)一步研究；7)系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和圖像分析軟件支持；8)天然氣高壓增壓系統(tǒng)增壓和保壓快速方便；9)磁力攪拌系統(tǒng)可方便實(shí)現(xiàn)反應(yīng)釜內(nèi)攪拌子的無(wú)級(jí)調(diào)速；10)制冷及浴槽溫控系統(tǒng)采用反應(yīng)釜浸入鹽浴溫控槽的方式來(lái)控制反應(yīng)溫度，控溫精度(溫度波動(dòng)度)≤±0.1℃，同時(shí)浴槽保溫采用雙層發(fā)泡劑，保溫效果很好；11)該設(shè)備系統(tǒng)對(duì)海水中和真實(shí)海底泥沙中天然氣水合物的形成和分解均能進(jìn)行模擬合成與分解分析，因此對(duì)海底天然氣水合物的儲(chǔ)量、勘探起重要的指導(dǎo)作用。


圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意2為本發(fā)明系統(tǒng)的反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)正視3為本發(fā)明系統(tǒng)的反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)俯視4為本發(fā)明的各子系統(tǒng)的工作關(guān)系示意中各部件說(shuō)明1、截止閥，2、氣壓表，3、氣體增壓泵，4、空壓機(jī)，5、NaCl溶液，6、流體加料泵，7、溫度計(jì)，8、計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)，9、接收氣瓶，10、放氣口，11、反應(yīng)釜，12、磁力攪拌裝置，13、視鏡，14、壓縮機(jī)，15、針閥，16、配氣瓶，17、天然氣組分氣瓶，18、接口引出管，19、磁豆攪拌子，20、釜體，21、熱電偶，22、防彈玻璃，23、筒節(jié)，24、O型密封圈，25、復(fù)合墊片，26、壓頭，27、液相口，28、壓力表口，29、氣相口，30、測(cè)溫口，31、安全閥口具體實(shí)施方式
實(shí)施例本發(fā)明的天然氣水合物低溫高壓試驗(yàn)成套設(shè)備系統(tǒng)專用于海洋天然氣水合物的合成與分解模擬實(shí)驗(yàn)研究，該系統(tǒng)是在國(guó)內(nèi)外調(diào)研的基礎(chǔ)上由國(guó)內(nèi)單位第一次研制。如圖所示，它由反應(yīng)釜、制冷及浴槽溫控系統(tǒng)、磁力攪拌系統(tǒng)、參數(shù)控制臺(tái)及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、模擬天然氣配氣系統(tǒng)、天然氣高壓增壓系統(tǒng)共六個(gè)子系統(tǒng)組裝。其工作過(guò)程或原理為模擬氣體經(jīng)配氣系統(tǒng)配氣后，由天然氣高壓增壓系統(tǒng)增壓后輸入反應(yīng)釜中，反應(yīng)釜置于浴槽溫控系統(tǒng)的鹽浴槽中進(jìn)行溫控，同時(shí)通過(guò)磁力攪拌系統(tǒng)和參數(shù)控制臺(tái)進(jìn)行攪拌反應(yīng)控制，反應(yīng)過(guò)程中的工作參數(shù)如溫度、壓力以及實(shí)時(shí)監(jiān)控的聲學(xué)和光學(xué)信號(hào)均由計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集和實(shí)時(shí)分析。
本發(fā)明系統(tǒng)的反應(yīng)釜11為高壓可視化反應(yīng)釜，內(nèi)徑為125mm，是用鈦合金整鍛件內(nèi)部挖空的方式加工成的球形反應(yīng)釜，釜底為平臺(tái)結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)承壓力強(qiáng)，輕巧且耐海水下的應(yīng)力腐蝕，反應(yīng)釜的設(shè)計(jì)壓力為30MPa(可模擬海底3000米水深的壓力條件)，設(shè)計(jì)溫度為-10℃，容積為1000ml，工作介質(zhì)為海水、天然氣及沉淀物。在反應(yīng)釜球體的赤道位置開(kāi)設(shè)4個(gè)管狀視鏡孔并分別安裝直徑為20mm管狀視鏡13，各孔的位置間隔90°，反應(yīng)釜球體的頂端還開(kāi)有1個(gè)管狀視鏡孔并安裝管狀視鏡，管狀視鏡的筒節(jié)23與反應(yīng)釜體為一體化結(jié)構(gòu)，焊接在一起，筒節(jié)用材料為鈦合金，筒節(jié)的內(nèi)孔為圓柱加梯形結(jié)構(gòu)，筒節(jié)的長(zhǎng)度為80mm，內(nèi)徑有三種不同尺寸，筒節(jié)離反應(yīng)釜體最遠(yuǎn)端內(nèi)徑的尺寸最大，為筒節(jié)的上部；上部?jī)?nèi)徑為56mm，筒節(jié)中間部分內(nèi)徑尺寸居中，為筒節(jié)的中部；中部?jī)?nèi)徑為46mm，中部的長(zhǎng)度為36mm；筒節(jié)與反應(yīng)釜體重合及延伸部分的內(nèi)徑最小，為下部；筒節(jié)下部?jī)?nèi)徑與管狀視鏡孔內(nèi)徑相同20mm，筒節(jié)下部的外徑為62mm，筒節(jié)中部與上部外徑相同均為73mm，筒節(jié)中部?jī)?nèi)安裝有圓柱形實(shí)心防彈玻璃22，圓柱形實(shí)心防彈玻璃22的厚度為36mm，直徑為44mm，這樣在保證密封強(qiáng)度的同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)通光，可耐30MPa高壓，防彈玻璃兩端面上裝有兩道復(fù)合墊片25，防彈玻璃側(cè)面裝有O型密封圈24，筒節(jié)23上部通過(guò)壓頭26壓緊密封，壓頭25為空心圓柱加梯形結(jié)構(gòu)，這樣可保證內(nèi)部通光，同時(shí)內(nèi)外均加工有螺紋接頭，其外部螺紋接頭和筒節(jié)內(nèi)螺紋連接，用來(lái)壓緊防彈玻璃和墊片；壓頭內(nèi)部螺紋接頭和微型攝像裝置連接，并通過(guò)壓緊墊片進(jìn)行水封。這樣微型攝像裝置就可以在水下和反應(yīng)釜連接在一起浸入鹽浴池中拍攝反應(yīng)釜的反應(yīng)情況了，光波通路密封實(shí)現(xiàn)三重不同型式的密封，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，預(yù)緊力小，扭力搬手力矩達(dá)到80N.M即可；管狀視鏡外端設(shè)有水下光纖攝像的接口，通過(guò)管狀視鏡外側(cè)開(kāi)設(shè)的螺紋連接口安裝高精度微型光纖攝像裝置，由微型攝像裝置的信號(hào)輸出線連接硬盤(pán)錄像機(jī)紀(jì)錄所有音像資料并輸入計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)和分析；管狀視鏡筒節(jié)內(nèi)取出防彈玻璃后可安裝超聲波探頭，探頭采用弧形接觸面螺紋壓緊密封和探頭側(cè)面O型圈自緊密封，超聲波探測(cè)信號(hào)輸出線可連接計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，聲波通路實(shí)現(xiàn)二重不同型式的密封，在水壓試驗(yàn)條件下(37.5MPa)，釜內(nèi)數(shù)顯壓力保持1小時(shí)不下降，證明該設(shè)備的密封可靠；該釜體視鏡開(kāi)設(shè)、超生波探頭連接等方面均屬于技術(shù)空白，遠(yuǎn)超出了國(guó)際上有關(guān)規(guī)定技術(shù)規(guī)范的范圍(如GB150規(guī)范及其他國(guó)內(nèi)外有關(guān)規(guī)范)。同時(shí)安裝有玻璃視鏡光波通路及聲波通路，并設(shè)計(jì)預(yù)留了水下光纖攝像和超聲波探頭(直接和釜內(nèi)介質(zhì)接觸)的接口，可用于監(jiān)測(cè)天然氣水合物的合成與分解和直接觀察釜內(nèi)的變化情況，對(duì)模擬海底泥沙中(不通光，可視性差)天然氣水合物的形成和分解進(jìn)行監(jiān)控，另外密封預(yù)緊力小(操作方便且防止玻璃壓裂)，密封可靠，并且拆卸方便，合成的水合物可快速取出進(jìn)行燃燒、分析或進(jìn)一步研究。
本發(fā)明的磁力攪拌系統(tǒng)包括反應(yīng)釜底平臺(tái)結(jié)構(gòu)上安裝的磁豆攪拌子19和反應(yīng)釜11外下部電機(jī)輸出軸上安裝的稀土磁鋼，電機(jī)軸外部裝有測(cè)速探頭并通過(guò)參數(shù)控制臺(tái)控制轉(zhuǎn)速，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，測(cè)速探頭接收到信號(hào)，送到數(shù)字轉(zhuǎn)速儀表直接顯示釜內(nèi)攪拌子轉(zhuǎn)速，通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)旋鈕，達(dá)到釜內(nèi)攪拌子的無(wú)級(jí)調(diào)速，為了不致過(guò)多削弱磁力，需盡量縮短磁路，由于釜體均為內(nèi)外球形，受力效果好，所選材料鈦合金的強(qiáng)度也很高，因此釜壁較薄，經(jīng)試驗(yàn)，攪拌效果良好，在1100r/min時(shí)效果最佳。此外，釜體還設(shè)有液相口27、壓力表口28、氣相口29、測(cè)溫口30、安全閥口31，用于測(cè)溫、測(cè)壓及其他物料進(jìn)出。
本發(fā)明的天然氣高壓增壓系統(tǒng)采用氣驅(qū)氣體增壓的方式，通過(guò)空壓機(jī)4氣體驅(qū)動(dòng)，利用機(jī)械式氣體分配閥使氣壓泵連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，利用活塞兩端大小面積差，低壓空氣驅(qū)動(dòng)活塞大面積端，活塞小面積端輸出高壓氣體。氣壓泵工作迅速，達(dá)到壓力設(shè)定值時(shí)停止。沒(méi)有電火花，可以安全用于有易燃、易爆的氣體(如天然氣等)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，將氣瓶?jī)?nèi)2.6MPa的模擬天然氣增壓至37.5MPa只需要102分鐘。到達(dá)壓力目標(biāo)位后，此時(shí)能量消耗很小，無(wú)熱量產(chǎn)生，無(wú)零件運(yùn)動(dòng)。當(dāng)壓力平衡打破后，氣壓泵自動(dòng)開(kāi)始工作達(dá)到下個(gè)平衡，因此又非常有利于反應(yīng)釜內(nèi)氣體的保壓，可完成高效、低成本的增壓過(guò)程。經(jīng)過(guò)配氣系統(tǒng)的各組分高純度氣體配比后，混合氣體經(jīng)過(guò)高壓增壓系統(tǒng)快速增壓后導(dǎo)入反應(yīng)釜。傳統(tǒng)的壓縮機(jī)噪音和能耗大，增壓比不高。
本發(fā)明的制冷及浴槽溫控系統(tǒng)采用反應(yīng)釜浸入鹽浴溫控槽的方式來(lái)控制反應(yīng)溫度，壓縮機(jī)14的功率為0.735KW，制冷劑為R502，蒸發(fā)溫度-55℃。載冷劑為CaCl2，每100kg水中加34.6kgCaCl2。其凝固溫度t＝-31.2℃。本鹽浴槽容積為133L，按110L水配制NaCl溶液。制冷效果要靠手動(dòng)調(diào)節(jié)噴嘴(節(jié)流閥)的流量來(lái)實(shí)現(xiàn)。流量小，進(jìn)入蒸發(fā)器的就少，蒸發(fā)吸熱就少，鹽液溫度就降不下來(lái)，或者降的很慢，此時(shí)進(jìn)出蒸發(fā)器的管口溫度差較大。甚至出口處會(huì)有發(fā)熱現(xiàn)象(因無(wú)蒸發(fā)吸熱)。流量大，進(jìn)入蒸發(fā)器的制冷劑多，制冷加快，降溫也快。流量合適時(shí)，進(jìn)出口管口的溫度相近。同時(shí)系統(tǒng)在溫控槽內(nèi)設(shè)置攪拌漿，以加強(qiáng)熱交換效果。本系統(tǒng)通過(guò)實(shí)測(cè)反應(yīng)釜內(nèi)溫度來(lái)測(cè)試該系統(tǒng)的溫控精度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該制冷系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，經(jīng)過(guò)2～3小時(shí)，由25℃降至-10℃，控溫精度(溫度波動(dòng)度)≤±0.1℃，浴槽墻體由不銹鋼板材內(nèi)含雙層發(fā)泡劑的復(fù)合板材制成，保溫效果理想。
本發(fā)明的參數(shù)控制臺(tái)及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)浴槽制冷溫度控制，釜內(nèi)溫度顯示，釜內(nèi)懸浮磁豆攪拌轉(zhuǎn)速控制，釜內(nèi)壓力顯示，開(kāi)機(jī)計(jì)時(shí)等功能。同時(shí)，反應(yīng)釜內(nèi)外的溫度和壓力數(shù)顯數(shù)據(jù)被統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為電流和電壓數(shù)據(jù)后由計(jì)算機(jī)統(tǒng)一采集并作瞬時(shí)圖樣分析，從反應(yīng)釜中獲得的光纖攝像信號(hào)和超聲波監(jiān)測(cè)信號(hào)也由計(jì)算機(jī)進(jìn)行采集和瞬時(shí)圖樣分析。
試驗(yàn)例本發(fā)明的系統(tǒng)進(jìn)行了甲烷在純水中壓力(P)-溫度(T)條件的試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)所用的甲烷來(lái)源于南京特種氣體廠，純度≥99.9％。所用的水是經(jīng)過(guò)3次蒸餾的蒸餾水。先將高壓釜用3次蒸餾水清洗干凈，然后注入250mL左右的3次蒸餾水，再對(duì)高壓釜及整個(gè)高壓管路系統(tǒng)抽真空，直至水里基本無(wú)氣泡為止，然后用甲烷氣體沖洗高壓釜及管路3次。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，通過(guò)增壓泵將壓力為8.36MPa的甲烷氣輸入到高壓釜中，啟動(dòng)磁力攪拌裝置，使甲烷氣充分溶入水中，當(dāng)同一溫度下釜內(nèi)的壓力不再下降時(shí)，即表示水中的溶解氣達(dá)到飽和。在每一次實(shí)驗(yàn)中，高壓釜內(nèi)的壓力基本保持不變，實(shí)驗(yàn)通過(guò)溫度的升降來(lái)控制水合物的生成和分解。當(dāng)溫度降到283.21K時(shí)，水合物大量生成，此時(shí)光通過(guò)率綜合值突然降低，但此時(shí)的溫度已經(jīng)低于此壓力下的平衡溫度，而且通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，此溫度值與磁力攪拌的速度有很大關(guān)系。因此，這一溫度不能作為水合物的相平衡溫度。隨后升高體系的溫度，當(dāng)溫度升到284.79K，光通過(guò)率綜合值開(kāi)始上升，這表明水合物開(kāi)始分解，準(zhǔn)確讀取這一拐點(diǎn)的溫度值，即為此壓力下水合物體系的相平衡溫度。實(shí)驗(yàn)證明，由本發(fā)明設(shè)備系統(tǒng)獲得的甲烷氣體水合物平衡生成條件的壓力(p)-溫度(T)數(shù)據(jù)與公開(kāi)的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)比較吻合，結(jié)果見(jiàn)表1。
表1 甲烷在純水中的水合物分解的壓力(p)-溫度(T)數(shù)據(jù)測(cè)定

由于本發(fā)明系統(tǒng)的1000mL高壓釜易于打開(kāi)，試驗(yàn)過(guò)程中曾3次快速取出釜內(nèi)生成的天然氣水合物，并點(diǎn)燃燃燒。同時(shí)，在本發(fā)明系統(tǒng)的高壓釜中使用超聲技術(shù)探測(cè)了松散沉積物中天然氣水合物的生成和分解。雖然國(guó)外有些天然氣水合物實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用過(guò)超聲探測(cè)技術(shù)，但還沒(méi)有成熟的結(jié)果報(bào)道。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，測(cè)量并實(shí)時(shí)記錄縱波速度、首波幅度及接收主頻3個(gè)參數(shù)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果上看，聲學(xué)參數(shù)在水合物的形成和分解過(guò)程中也是按照一定規(guī)律發(fā)生變化的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)水合物大量生成時(shí)頻譜幅值突然升高，而水合物分解時(shí)這個(gè)頻譜幅值又突然降低，這是由于接收頻譜中對(duì)于水合物的衰減各不相同的結(jié)果。因此，借助超聲波主頻的變化來(lái)探測(cè)海洋沉積物中天然氣水合物形成的過(guò)程將是一個(gè)十分有效的手段。
權(quán)利要求
1.一種海底天然氣水合物模擬合成與分解的成套設(shè)備系統(tǒng)，包括有模擬天然氣配氣系統(tǒng)、反應(yīng)釜、制冷及浴槽溫控系統(tǒng)和參數(shù)控制臺(tái)及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于還裝有磁力攪拌系統(tǒng)和天然氣高壓增壓系統(tǒng)，所述的反應(yīng)釜為高壓可視化反應(yīng)釜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的海底天然氣水合物模擬合成與分解的成套設(shè)備系統(tǒng)，其特征在于所述的高壓可視化反應(yīng)釜為用鈦合金整鍛件內(nèi)部挖空的方式加工成的球形反應(yīng)釜，釜底為平臺(tái)結(jié)構(gòu)，在反應(yīng)釜球體的赤道位置開(kāi)設(shè)4個(gè)管狀視鏡孔并分別安裝管狀視鏡，各孔的位置間隔90°，反應(yīng)釜球體的頂端還開(kāi)有1個(gè)管狀視鏡孔并安裝管狀視鏡，管狀視鏡的筒節(jié)與反應(yīng)釜體為一體化結(jié)構(gòu)，筒節(jié)的內(nèi)孔為圓柱加梯形結(jié)構(gòu)，筒節(jié)離反應(yīng)釜體最遠(yuǎn)端內(nèi)徑的尺寸最大，為筒節(jié)的上部；筒節(jié)中間部分內(nèi)徑尺寸居中，為筒節(jié)的中部；筒節(jié)與反應(yīng)釜體連接部分的內(nèi)徑最小，為下部，筒節(jié)下部?jī)?nèi)徑與管狀視鏡孔內(nèi)徑相同，筒節(jié)中部?jī)?nèi)安裝有圓柱形實(shí)心防彈玻璃，防彈玻璃兩端面上裝有兩道復(fù)合墊片，防彈玻璃側(cè)面裝有O型密封圈，筒節(jié)上部通過(guò)壓頭壓緊密封。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的海底天然氣水合物模擬合成與分解的成套設(shè)備系統(tǒng)，其特征在于所述的圓柱形實(shí)心防彈玻璃的直徑小于管狀視鏡筒節(jié)中部的內(nèi)徑并大于視鏡孔內(nèi)徑，圓柱形實(shí)心防彈玻璃的直徑尺寸比管狀視鏡筒節(jié)中部的內(nèi)徑小1～2mm；筒節(jié)下部長(zhǎng)度大于反應(yīng)釜體的厚度，筒節(jié)上部和中部外徑相同，筒節(jié)下部外徑小于上部或中部的外徑；所述的壓頭為空心圓柱加梯形結(jié)構(gòu)，同時(shí)內(nèi)外均加工有螺紋接頭，其外部螺紋接頭和筒節(jié)內(nèi)螺紋連接，用來(lái)壓緊防彈玻璃和墊片，壓頭內(nèi)部螺紋接頭和微型攝像裝置連接，并通過(guò)壓緊墊片進(jìn)行水封。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的海底天然氣水合物模擬合成與分解的成套設(shè)備系統(tǒng)，其特征在于所述的管狀視鏡外端設(shè)有水下光纖攝像的接口，通過(guò)管狀視鏡外側(cè)開(kāi)設(shè)的螺紋連接口安裝高精度微型光纖攝像裝置，由微型攝像裝置的信號(hào)輸出線連接硬盤(pán)錄像機(jī)紀(jì)錄所有音像資料并輸入計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)和分析。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的海底天然氣水合物模擬合成與分解的成套設(shè)備系統(tǒng)，其特征在于所述的管狀視鏡筒節(jié)內(nèi)取出防彈玻璃后可安裝超聲波探頭，探頭采用弧形接觸面螺紋壓緊密封和探頭側(cè)面O型圈自緊密封，超聲波探測(cè)信號(hào)輸出線可連接計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的海底天然氣水合物模擬合成與分解的成套設(shè)備系統(tǒng)，其特征在于所述的天然氣高壓增壓系統(tǒng)采用氣驅(qū)氣體增壓的方式。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的海底天然氣水合物模擬合成與分解的成套設(shè)備系統(tǒng)，其特征在于所述的磁力攪拌系統(tǒng)包括放置在反應(yīng)釜內(nèi)磁豆攪拌子和反應(yīng)釜外下部電機(jī)輸出軸上安裝的稀土磁鋼，電機(jī)軸外部裝有測(cè)速探頭并通過(guò)參數(shù)控制臺(tái)控制轉(zhuǎn)速。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的海底天然氣水合物模擬合成與分解的成套設(shè)備系統(tǒng)，其特征在于所述的制冷及浴槽溫控系統(tǒng)采用反應(yīng)釜浸入鹽浴溫控槽的方式來(lái)控制反應(yīng)溫度，浴槽墻體由不銹鋼板材內(nèi)含雙層發(fā)泡劑的復(fù)合板材制成。
9.一種上述海底天然氣水合物模擬合成與分解的成套設(shè)備系統(tǒng)中使用的反應(yīng)釜，其特征在于所述的反應(yīng)釜為高壓可視化反應(yīng)釜。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的反應(yīng)釜，其特征在于所述的高壓可視化反應(yīng)釜為用鈦合金整鍛件內(nèi)部挖空的方式加工成的球形反應(yīng)釜，釜底為平臺(tái)結(jié)構(gòu)，在反應(yīng)釜球體的赤道位置開(kāi)設(shè)4個(gè)管狀視鏡孔并分別安裝管狀視鏡，各孔的位置間隔90°，反應(yīng)釜球體的頂端還開(kāi)有1個(gè)管狀視鏡孔并安裝管狀視鏡，管狀視鏡的筒節(jié)與反應(yīng)釜體為一體化結(jié)構(gòu)，筒節(jié)的內(nèi)孔為圓柱加梯形結(jié)構(gòu)，筒節(jié)離反應(yīng)釜體最遠(yuǎn)端內(nèi)徑的尺寸最大，為筒節(jié)的上部；筒節(jié)中間部分內(nèi)徑尺寸居中，為筒節(jié)的中部；筒節(jié)與反應(yīng)釜體重合及延伸部分的內(nèi)徑最小，為下部，筒節(jié)下部?jī)?nèi)徑與管狀視鏡孔內(nèi)徑相同，筒節(jié)中部?jī)?nèi)安裝有圓柱形實(shí)心防彈玻璃，防彈玻璃兩端面上裝有兩道復(fù)合墊片，防彈玻璃側(cè)面裝有O型密封圈，其中圓柱形實(shí)心防彈玻璃的直徑小于管狀視鏡筒節(jié)中部的內(nèi)徑并大于視鏡孔內(nèi)徑，圓柱形實(shí)心防彈玻璃的直徑尺寸比管狀視鏡筒節(jié)中部的內(nèi)徑小1～2mm，筒節(jié)下部長(zhǎng)度大于反應(yīng)釜體的厚度，筒節(jié)上部和中部外徑相同，筒節(jié)下部外徑小于上部或中部的外徑；筒節(jié)上部通過(guò)壓頭壓緊密封，所述的壓頭為空心圓柱加梯形結(jié)構(gòu)，同時(shí)內(nèi)外均加工有螺紋接頭，其外部螺紋接頭和筒節(jié)內(nèi)螺紋連接，用來(lái)壓緊防彈玻璃和墊片，壓頭內(nèi)部螺紋接頭和微型攝像裝置連接，并通過(guò)壓緊墊片進(jìn)行水封。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種海底天然氣水合物模擬合成與分解成套設(shè)備系統(tǒng)，同時(shí)還涉及該海底天然氣水合物模擬合成與分解成套設(shè)備系統(tǒng)中的反應(yīng)釜，屬機(jī)械工程領(lǐng)域，本系統(tǒng)的核心部件反應(yīng)釜能承受3000米水深的壓力和溫度、可視化程度高、容積較大，同時(shí)系統(tǒng)造價(jià)相對(duì)較低、監(jiān)控手段充分、增壓和保壓快速方便，該設(shè)備系統(tǒng)對(duì)海水中和真實(shí)海底泥沙中天然氣水合物的形成和分解均能進(jìn)行模擬合成與分解分析，對(duì)海底天然氣水合物的儲(chǔ)量、勘探起重要的指導(dǎo)作用；本發(fā)明的成套設(shè)備系統(tǒng)，包括有模擬天然氣配氣系統(tǒng)、天然氣高壓增壓系統(tǒng)、反應(yīng)釜、制冷及浴槽溫控系統(tǒng)和參數(shù)控制臺(tái)及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，還裝有磁力攪拌系統(tǒng)，反應(yīng)釜為高壓可視化反應(yīng)釜。
文檔編號(hào)B01J10/00GK1762565SQ20051009445
公開(kāi)日2006年4月26日 申請(qǐng)日期2005年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月20日
發(fā)明者周劍秋, 尹俠, 李慶生, 賀小華 申請(qǐng)人:南京工業(yè)大學(xué)