[发明专利]一种气体水合物柱体快速制备装置及方法

说明书

本发明公开了一种气体水合物柱体快速制备装置及方法，包括耐高压釜、压力控制装置、补液装置、排液装置、温度测控装置、液压控制装置和电加热装置。本发明在水合物生成过程中，耐高压釜的顶部活塞通过小幅度的往复运动使耐高压釜内的气相压力产生震荡进而溶解的气体在液相中形成大量鼓泡，以提高耐高压釜内的气液接触面积，加速水合物的生成。在耐高压釜内的溶液转变成固态水合物后，耐高压釜的顶部活塞通过压缩形成的水合物粉体以获得块状水合物。本发明能够提供具有规则几何形状的水合物样品，装置结构简单，运行稳定，能耗较低。

技术领域

本发明涉及水合物制备领域，具体涉及一种气体水合物柱体快速制备装置及方法。

背景技术

气体水合物是一种以甲烷、二氧化碳、氮气为主要成分的小分子气体和水分子组成的具有笼状结构的类冰状结晶化合物。在低温和高压条件下，天然气水合物能够稳定存在。在常温常压下，天然气水合物会快速分解形成游离的天然气和水。自然形成的气体水合物广泛分布于深海沉积物或者大陆永久冻土层中。近年来随着天然气水合物在全球范围内的大量发现，使其成为一种极具开发潜力的可替代能源。目前，在全球范围内已经探明的天然气水合物储量高达2.1×10¹⁶ m³，是传统化石能源总量的两倍以上。与此同时，气体水合物的储气密度大，1个标准体积的气体水合物可以存储高达160标准体积的气体。相比于液化天然气，天然气水合物存储所需的温度和压力条件比较温和，可以应用于天然气储运。我国拥有丰富的天然气水合物资源。因此，研发天然气水合物快速制备装置对于研究天然气水合物的动力学特性和机理，开发以水合物为储能材料的天然气储运技术以及水合物法海水淡化技术等具有十分重要的意义。

由于气体水合物通常在低于20℃的高压环境下生成，且生成的水合物通常为多孔蓬松堆积的类似雪状的晶体，这对于研究水合物比表面积对水合物的生成、分解和置换过程的影响形成了巨大阻碍。同时，疏松多孔的形貌会使水合物对周围环境的更加敏感，加速水合物分解，不利于对水合物样品的转运和处理。因此，将自然形成的水合物压缩成具有规则形状的块体，将对水合物研究和相关产业化发展起到推动作用。目前，水合物样品的后处理方法较为复杂。常用的水合物方法是将水合物样品冷冻至液氮温度以降低水合物在常压下的分解速率，然后在常压下对水合物样品进行研磨、定形，或者先把用于水合物合成的水溶液冷冻成冰，将冰粉研磨定形后再生成水合物。以上两种方式均需要对水合物样品在液氮环境下进行处理，也会对水合物样品的饱和度产生影响。将水合物在其生成环境下进行压缩定形将会极大的简化样品后处理方法。

综上所述，研发一套可以快速制备具有规则形状的天然气水合物的装置，对于定量研究天然气水合物的反应动力学过程，确定水合物反应动力学相关参数，同时，丰富和拓展水合物法气体储运方法，推广和普及天然气水合物开采和储运技术，都具有十分重要的价值。

发明内容

为了实现在水合物生成条件下的制备和成形，同时简化耐高压设备的机械结构，本发明利用活塞往复运动的机械方式，提供了一种适用于制备气体水合物柱体的实验装置。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种气体水合物柱体快速制备装置，包括耐高压釜、压力控制装置、补液装置、排液装置、温度测控装置、液压控制装置和电加热装置；

所述的耐高压釜中的水合物合成腔体为圆柱形，轴线与水平面垂直，顶部设有液压驱动的用于改变水合物合成腔体容积的活塞，底部设有排液孔，活塞与耐高压釜上端盖构成密闭的液压腔体，用于盛放耐高压的液压油，活塞顶面设有穿出耐高压釜上端盖的活塞杆，活塞杆和活塞内部设有与水合物合成腔体连通的高压气体管路和补给液管路，耐高压釜侧壁上部设有液压油孔；

所述的压力控制装置与活塞杆的高压气体管路相连，用于向耐高压釜中的水合物合成腔体补给气体；

所述的补液装置与活塞杆的补给液管路相连，用于向耐高压釜中的水合物合成腔体补给水溶液；