[发明专利]变压可控气体置换反应装置及其在含气土样制备中的应用

权利要求书

1.一种变压可控气体置换反应装置，包括反应釜、量筒和底座，所述反应釜和量筒固定在底座上表面；

所述反应釜的侧壁设有竖向观察窗，观察窗为透明材质；

所述反应釜和量筒上端开口，分别盖有反应釜密封盖和量筒密封盖；

所述反应釜密封盖的外表面为平面，内表面为内凹的圆锥形，在反应釜密封盖内形成一个内凹圆锥形空间；

所述反应釜密封盖内表面内凹的圆锥形顶部开孔，开孔处设反应釜进排气口，所述反应釜进排气口的管道上设置有反应釜压力表，所述反应釜进排气口的开口处设置有反应釜进排气阀门；

所述反应釜密封盖上还设有一个进水口和两个排水口；

所述进水口设置于反应釜密封盖的一侧，所述进水口处开平孔贯穿至反应釜密封盖内表面，内表面的孔口处安装有进水管，进水管从反应釜密封盖内的内凹圆锥形空间穿出并伸进反应釜内，开平孔的高度低于内凹的圆锥形的锥顶；反应釜密封盖外进水口处的管道上安装有进水口阀门；

所述两个排水口分别为第一排水口和第二排水口；

所述第二排水口设置于反应釜密封盖的另一侧，与所述进水口相对，所述第二排水口处开平孔贯穿至反应釜密封盖内表面，开孔高度同进水口，内表面的孔口处安装有排水滤管，所述排水滤管伸入至反应釜内距离反应釜底面3～5cm处，排水滤管由过滤头和耐压管组成，过滤头设置于耐压管的下端，过滤头用于过滤反应釜内的固体颗粒物；

反应釜密封盖外部的第二排水口孔口外接耐压排水连接管的一端，耐压排水连接管的另一端穿过量筒密封盖伸至量筒内，所述耐压排水连接管上设有第二阀门；

所述第一排水口设置在反应釜密封盖的侧壁，所述第一排水口位于进水口和第二排水口之间，所述第一排水口处开平孔，开孔高度与反应釜密封盖内的内凹圆锥形的锥顶齐平，平孔贯穿至反应釜密封盖内表面的锥顶，反应釜密封盖外的第一排水口的管道上安装有第一阀门；

所述量筒密封盖上还开设有一个孔，该孔与管道相连，管道的一端伸进量筒内；另一端在量筒外，为量筒进排气口；在管道上沿着排气方向依次设有量筒压力表和量筒进排气阀门。

2.根据权利要求1所述的变压可控气体置换反应装置，其特征在于：所述反应釜由耐高压材料制备而成，其耐压极限不低于5MPa；所述反应釜内的进水管的耐压极限同反应釜，也不低于5MPa；所述耐压管的耐压极限同反应釜，也不低于5MPa；量筒耐压极限与反应釜匹配，不低于5MPa。

3.权利要求1或2所述的变压可控气体置换反应装置在含气土样制备中的应用。

4.一种利用权利要求1或2所述的变压可控气体置换反应装置制备含气土样的方法，其步骤如下：

(1) 将选定粒径的沸石颗粒置入烘箱内进行干燥除水，而后放入干燥缸中冷却，在室内恒温条件下，称取一定质量的经烘干冷却的沸石颗粒，置入反应釜内通过反应釜进排气口抽真空，排除反应釜内和沸石颗粒中吸附的空气，而后通过第一排水口向反应釜内通入试验预定压力的甲烷气体进行吸附饱和，饱和完成后，通过进水口迅速向反应釜内通入除气水直至釜内全部被水充满，不残留气体，量筒内充入试验预定压力的空气后，打开量筒与反应釜间的第二阀门，反应釜中的水置换出沸石颗粒中吸附的甲烷气体，气体在反应釜顶部圆锥形顶部逐渐汇聚，而反应釜内的水在气压力作用下，通过排水滤管流入量筒内直至试验终止，流入量筒内水的体积即为该试验压力下该一定质量的沸石置换出的甲烷气体量；

(2) 按照步骤（1）进行不同质量沸石颗粒在相同压力条件下的气体置换反应，可以建立出在同一压力环境下沸石颗粒质量与气体产出量间的定量关系；再进行相同质量的沸石颗粒在不同压力条件下的气体置换反应，可以建立出压力与气体产出量间的定量关系；由此，借助所述变压可控气体置换反应装置进行试验可以建立恒温条件下，压力、沸石颗粒质量与气体产出量间的量化关系；根据欲得饱和度的含气土中所含气体量，依据上述量化关系可以反算出制备该饱和度的含气土应掺入沸石颗粒的质量和所需的干土质量；

 (3) 称量由步骤(2)中确定好质量的经干燥冷却的沸石颗粒，置入密闭容器进行抽真空，在-100kPa压力下保存至少24h，而后向密闭容器内充入预定压力的甲烷气体，存放至少24h至甲烷吸附饱和，迅速取出沸石颗粒，与预先称量好的干土一并置入密闭制样器内混合均匀，从取出沸石颗粒到混合均匀的操作在2-5min完成，并置为预设干密度的重塑土样，这一过程需保持密闭制样器内的压力为恒定的指定压力，保持不大于5kPa的压差将除气水从密闭制样器底部由下而上逐渐浸没土样，驱替土中孔隙中的空气以饱和土样，土中沸石颗粒遇水后置换出甲烷气体，从而制备成可用于室内三轴试验所需的预定饱和度且气泡分布均匀的含气土土样。