[发明专利]小型高压原位气水合物综合实验装置

说明书

技术领域

本发明涉及高压原位测量技术领域，特别是涉及一种小型高压原位气水合物综合实验装置。

背景技术

一般来说，压力可改变物质内部的各种相互作用，改变物质的结构和性质。因此，高压下物质的结构和性质是高压科学领域的重要课题。但在高压条件下测量各种物理及化学过程应该在原位条件下进行，高压原位测量实验装置是高压科学研究的重要工具。

气水合物是由气体分子与水分子在高压和低温条件下形成的一种固态结晶物质。从微观结构上看，气水合物是由水分子作为主体组成多面体的笼而气体分子作为客体分子被关入其中的一类重要物质。已经发现多种气体分子可作为客体分子而形成气水合物，这些气体分子有甲烷、二氧化碳等（E. D. Sloan, Jr., Clathrate Hydrates of Natural Gases (Marcel Dekker, NewYork, 1998), 2^nd ed ）。最近二十多年来，在海底沉积物和永久冻土层中，发现有大量的天然气水合物（主要成分为甲烷水合物）。天然气水合物的形成必须同时具备三个条件：一是低温（0～10℃）、二是高压（＞3MPa）、三是充足的气源。由于形成条件的制约，天然气水合物通常仅分布在海洋大陆架外的陆坡、深海和深湖以及永久冰土带。大约27％的陆地（极地冰川冰土带和冰雪高山冻结岩）和90％的大洋水域是天然气水合物的潜在区，其中大洋水域的30％可能是其气藏的发育区。据估计天然气水合物潜在资源量是目前石油、煤等的两倍，经测算1立方米的天然气水合物可产出甲烷气164立方米和水0．8立方米，能量密度高。被公认为是21世纪的潜在新型能源。世界主要国家都积极开展对天然气水合物的勘探和研究。我国于2017年在南海试开采天然气水合物获得成功，成为世界上唯一在海底试开采天然气水合物的国家。

CH4的温室效应比CO2要大得多，如果开采利用不当可能导致天然气水合物的离散而加剧全球变暖的趋势。此外，天然气水合物决定着海底沉积物的物理特性，因此影响着海底的稳定性。天然气水合物在一定的压力和低温条件下是稳定的，如果压力减小或温度增加就可能造成天然气水合物的离解，从而造成地质灾害。因此,天然气水合物是一把双刃剑，它既可能为人类提供巨量的能源，又可能导致灾难性的地球温室效应及引发海底崩塌与海洋灾害。

由于气水合物是在高压低温条件下形成，开展高压原位条件下对天然气水合物的行为研究是对这一新型高效清洁能源进行开发利用的当然探索手段。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种小型高压原位气水合物综合实验装置，特点是能够在几个到几十兆帕的压力范围内对水合物样品进行差热、光学及微观结构原位观测实验。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：

小型高压原位气水合物综合实验装置，其特征在于包括：

上底座，所述上底座上开设有蓝宝石光学窗口；

下基座，所述下基座上设置有样品腔和参比腔，所述样品腔和参比腔中还设置有热电偶；

压力传感器，所述压力传感器安装于所述下基座底部；

冷却池，所述冷却池位于所述下基座下部，并与所述下基座共同构成一容置空间，所述压力传感器设置于该容置空间内；

千斤顶，所述千斤顶位于所述冷却池下部，并与所述冷却池底部接触；

下底座，所述下底座设置于所述千斤顶下部，并与所述千斤顶底部接触；

立柱，所述立柱连接在所述上底座和下底座之间；

其中，在上底座和下基座之间预留空间，以便在实验操作时安放外部封垫。

作为对上述方案的进一步改进，所述压力传感器设置有左右2个。

进一步，所述立柱设置有6根，其连接在所述上底座和下底座之间，纵向均匀分布于所述上底座和下底座的周缘。

进一步，所述热电偶采用差热方式安装于所述样品腔和参比腔中。

进一步，所述封垫由铜和聚四氟乙烯组成，配置为三明治形式三层结构，其上制有与所述样品腔和参比腔相对应的两孔。

进一步，所述样品腔的气体通过如下方式输入，通过和样品腔相连通的管道输入，并由阀门切断和外界联系，以保持压力持续存在。

进一步，所述样品腔的气体通过如下方式输入，通过化学反应在样品腔内部生成气体。

此外，所述小型高压原位气水合物综合实验装置还进一步包括拉曼光谱系统，以实现高压原位的拉曼光谱观察，研究气水合物的成核、生长和分解规律。