本发明专利技术公开了一种多组分气体吸附仿真实验方法和多组分气体吸附仿真实验装置，包括定量充气系统、恒温吸附解吸系统、抽真空装置和气体浓度分析系统；首先进行高压注气实验，采用高压将非甲烷气体注入与甲烷混合，记录煤体对混合气体吸附平衡状态，随后进行等压扩散实验，利用浓度差引起的扩散使气体进行混合。通过对两组实验进行定性和定量对比分析，可以将压力效应从综合效应中剥离开来，进而研究非甲烷气体对煤中甲烷的作用机理。本发明专利技术研制了一套完整的实验研究系统，解决了等压扩散实验条件下的一些技术难题，同时解决了扩散路径长、通道小的扩散问题，对研究气体在煤中的吸附特性具有重要的意义。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种煤对气体吸附性能测试领域，特别涉及一种不同气体对煤中甲烷置换或者驱替能力测定的方法和装置。
技术介绍
受石油系统“气驱油”技术的启发，20世纪末，美国圣胡安盆地将CO2注入煤层以提高煤层气采收率(CO2-ECBM)的实验取得成功，国内外许多专家学者先后进行了CH4、N2、CO2单元及多元气体的吸附-解吸研究。国内外学者在研究注气置换/驱替煤层中甲烷的机理时所得到的结论是无论注入强吸附性的气体还是弱吸附性气体都可以使瓦斯从煤中解吸出来，从而降低煤层瓦斯含量。但在这个过程中造成甲烷的解吸的原因是注入的非甲烷吸附性气体对甲烷的置换所起的作用还是注入的非甲烷降吸附性气体低了甲烷的分压从而使其发生解吸还未探明，因此要搞清楚这个问题的关键是将压力效应从综合效应中剥离开来进行单因素研究。以N2为例，煤对N2具有弱吸附性，如何研究注入N2对煤层甲烷的置换和驱替效果呢？为了研究注气过程中压力的变化对置换效应的影响，需要分别研究在高压注气和等压扩散下N2对煤中甲烷的置换效应。现有等压扩散系统，前人很少研究。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种测定不同气体对煤中甲烷置换或驱替能力测定的装置。该装置可以分别进行高压注气实验和等压扩散实验。高压注气是指一种气体预先达到吸附平衡状态，然后再充入高于吸附平衡压力的另外一种气体的注气方式，而等压扩散是指一种气体达到吸附平衡状态后，与另外一种气体在同样的压力下依靠气体的扩散而进行混合的注气方式。前者注气方式是采用高压将另外一种气体注入与甲烷混合，而后者是利用浓度差引起的扩散使气体进行混合。通过定性和定量对高压注气和等压扩散进行对比分析，可以将压力效应从综合效应中剥离开来，进而研究非甲烷气体对煤中甲烷的作用机理。本专利技术通过以下技术方案实现：步骤1、对整体实验设备进行气密性测定；步骤2、依次测定公用管路、第一充气罐、第二充气罐、吸附腔和扩散腔的标准体积Vp、Vr1、Vr2、Vs1和Vs2；步骤3、进行高压注气实验，具体包括如下步骤：步骤（1）对恒温吸附解吸系统进行装样处理后，打开系统内部阀门，进行抽真空处理，当真空度降达到实验要求时关闭各处阀门；步骤（2）、将恒温水浴温度调至预设温度；步骤（3）、向第一充气罐充入甲烷，直至其中的甲烷压力达到实验要求后，停止注气，记录第一充气罐压力Pi；步骤（4）、打开气体吸附扩散罐吸附腔体的控制阀门，将第一充气罐内的甲烷充进到气体吸附扩散罐吸附腔体内，待煤样吸附平衡后，记录第一充气罐的压力Pi1'，同时记录吸附腔内的压力Pi1，并记录此时的实验室内温度ti；步骤（5）对第一充气罐和吸附扩散罐之间的公用管路进行抽真空处理，直至真空度达到实验要求；步骤（6）向第二充气罐中注入非甲烷气体直至第二充气罐压力达到实验要求，记录第二充气罐压力Pi2；步骤（7）、打开气体吸附扩散罐吸附腔体的控制阀门，将第二充气罐内的非甲烷气体注入吸附扩散罐吸附腔体内，当吸附腔体压力达到预定压力值时，记录第二充气罐压力Pi2'，并记录此时的实验室内温度ti’；步骤（8）、使吸附扩散罐在恒温下放置时间大于一预设时长且吸附腔内压力不超过一实验预设值时，记录此时吸附腔内压力Pi’；利用色谱仪对吸附扩散罐吸附腔体内的混合气体进行色谱分析，研究在特定高压条件下注入的非甲烷气体对煤中甲烷的置换效果；步骤4、进行等压扩散实验，等压扩散实验与高压注气实验步骤基本相同，不同之处在于步骤（7）和（8）：步骤（7）中打开气体吸附扩散罐扩散腔体的控制阀门，将第二充气罐内的非甲烷气体注入吸附扩散罐扩散腔体内，使扩散腔体压力达到与吸附腔体压力相同，记录第二充气罐压力Pi2'，并记录此时的实验室内温度ti’；步骤（8）中先打开吸附腔和扩散腔之间的连接阀门以使两种气体混合，再使吸附扩散罐在恒温下放置时间大于一预设时长；步骤5、通过高压注气和等压扩散实验结果，记录注入非甲烷气体后对煤体内甲烷的吸附平衡状态产生的影响，进行分析得出非甲烷气体对煤中甲烷的作用机理。优选地，步骤1至步骤5中的非甲烷气体为N2、CO2、He、Air或其混合气体。一种多组分气体吸附仿真实验装置，包括定量充气系统、恒温吸附解吸系统、抽真空装置和气体浓度分析系统；所述恒温吸附解吸系统包括恒温水浴和位于恒温水浴内的装有煤样的气体吸附扩散罐，气体吸附扩散罐分为吸附腔和扩散腔，吸附腔和扩散腔之间设置连接阀门，当连接阀门关闭时，气体吸附扩散罐分隔成两个独立腔体，向装有煤样的吸附腔体内充入甲烷气体并吸附平衡后，再充入非甲烷气体，进行高压注气实验；当连接阀门打开时，分别往两个腔体中注入压力相同的不同气体，进行等压扩散实验；所述定量充气系统包括第一充气罐、第二充气罐和气源钢瓶，吸附腔、扩散腔、第一充气罐和第二充气罐的注气管路上分别安装三通阀门和压力表，利用高压容量法，对注入气体采用已知体积的充气罐压力差进行定量充气；所述抽真空装置包括真空计、真空泵和多个控制阀门；所述气体浓度分析系统包括用于测量吸附罐、管路系统、第一充气罐和第二充气罐的体积的量筒和用于分析气体组分及浓度的色谱仪。优选地，气体吸附扩散罐的吸附腔位于上部，吸附腔腔体底部设置用于防止煤样漏至下边的扩散腔的筛网。优选地，吸附腔和扩散腔之间的连接阀门利用连接杆控制闭合。优选地，在连接杆内端与吸附扩散罐接触的位置安装“O”型圈。优选地，吸附腔腔体盖与吸附腔腔体之间设置螺纹和“O”型圈。优选地，扩散腔腔体盖与扩散腔腔体之间设置螺纹和“O”型圈。本专利技术与现有技术相比，具有以下明显优点：1、本专利技术装置可以对注入气体进行定性与定量控制，从而方便，准确的得出不同注气条件注入气体对煤中甲烷的置换和驱替作用。2、本专利技术中的双气室等压扩散吸附煤样罐中吸附罐和扩散罐通过连接阀门控制，密封性得到了保证。3、本专利技术中的等压扩散吸附煤样罐利用双气室设计理念，解决了两个独立罐用气路连接时扩散路径长，扩散通道小、扩散时间长和扩散不充分的问题，大大降低扩散的时间。附图说明图1是本专利技术多组分气体在煤中吸附特性测试装置图。图2是高压注气条件下，N2对煤中甲烷的置换和驱替效果图。图3是等压扩散条件下，N2对煤中甲烷的置换和驱替效果图。具体实施方式1.实验样品。参照《煤的甲烷吸附量测定方法（高压容量法）》MT-T 752-1997，实验采用60～80目的颗粒煤样,同时对所用煤样进行工业分析和孔隙特征测定。2.如图1所示连接实验装置，实验装置标准体积的测定以及气密性检测。首先利用N2对整体实验设备进行气密性测定；随后依次测定公用管路、充气罐、吸附罐的标准体积Vp、Vr1、Vs。(1)第一部分公用管路标准体积Vp1、公用管路标准体积Vp测定。本实验装置的公用管路标准体积由两个部分组成：第一部分公用管路为“阀5”、“阀6”、 “阀7”、“阀8”和“阀10”之间的体积，记为Vp1；第二部分公用管路是指“阀2”、“阀4”和“阀5”之间的体积，记为Vp2，见图1。测定第一部分公用管路的标准体积的步骤如下所示：确保装置中的所有阀门均关闭，再打开“阀6”，开启真空泵，打开真空计开关，开始向公用管路抽真空，在抽真空的过程中观察真空计读数，当真空计的示数小于10Pa时，关闭“阀6”，关闭真空泵；然后开始调整水准瓶本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种多组分气体吸附仿真实验方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1、对整体实验设备进行气密性测定；步骤2、依次测定公用管路、第一充气罐、第二充气罐、吸附腔和扩散腔的标准体积Vp、Vr1、Vr2、Vs1和Vs2；步骤3、进行高压注气实验，具体包括如下步骤：步骤（1）对恒温吸附解吸系统进行装样处理后，打开系统内部阀门，进行抽真空处理，当真空度降达到实验要求时关闭各处阀门；步骤（2）、将恒温水浴温度调至预设温度；步骤（3）、向第一充气罐充入甲烷，直至其中的甲烷压力达到实验要求后，停止注气，记录第一充气罐压力Pi；步骤（4）、打开气体吸附扩散罐吸附腔体的控制阀门，将第一充气罐内的甲烷充进到气体吸附扩散罐吸附腔体内，待煤样吸附平衡后，记录第一充气罐的压力Pi1'，同时记录吸附腔内的压力Pi1，并记录此时的实验室内温度ti；步骤（5）对第一充气罐和吸附扩散罐之间的公用管路进行抽真空处理，直至真空度达到实验要求；步骤（6）向第二充气罐中注入非甲烷气体直至第二充气罐压力达到实验要求，记录第二充气罐压力Pi2；步骤（7）、打开气体吸附扩散罐吸附腔体的控制阀门，将第二充气罐内的非甲烷气体注入吸附扩散罐吸附腔体内，当吸附腔体压力达到预定压力值时，记录第二充气罐压力Pi2'，并记录此时的实验室内温度ti’；步骤（8）、使吸附扩散罐在恒温下放置时间大于一预设时长且吸附腔内压力不超过一实验预设值时，记录此时吸附腔内压力Pi’；利用色谱仪对吸附扩散罐吸附腔体内的混合气体进行色谱分析，研究在特定高压条件下注入的非甲烷气体对煤中甲烷的置换效果；步骤4、进行等压扩散实验，等压扩散实验与高压注气实验步骤基本相同，不同之处在于步骤（7）和（8）：步骤（7）中打开气体吸附扩散罐扩散腔体的控制阀门，将第二充气罐内的非甲烷气体注入吸附扩散罐扩散腔体内，使扩散腔体压力达到与吸附腔体压力相同，记录第二充气罐压力Pi2'，并记录此时的实验室内温度ti’；步骤（8）中先打开吸附腔和扩散腔之间的连接阀门以使两种气体混合，再使吸附扩散罐在恒温下放置时间大于一预设时长；步骤5、通过高压注气和等压扩散实验结果，记录注入非甲烷气体后对煤体内甲烷的吸附平衡状态产生的影响，进行分析得出非甲烷气体对煤中甲烷的作用机理。...
【技术特征摘要】
1.一种多组分气体吸附仿真实验方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1、对整体实验设备进行气密性测定；步骤2、依次测定公用管路、第一充气罐、第二充气罐、吸附腔和扩散腔的标准体积Vp、Vr1、Vr2、Vs1和Vs2；步骤3、进行高压注气实验，具体包括如下步骤：步骤（1）对恒温吸附解吸系统进行装样处理后，打开系统内部阀门，进行抽真空处理，当真空度降达到实验要求时关闭各处阀门；步骤（2）、将恒温水浴温度调至预设温度；步骤（3）、向第一充气罐充入甲烷，直至其中的甲烷压力达到实验要求后，停止注气，记录第一充气罐压力Pi；步骤（4）、打开气体吸附扩散罐吸附腔体的控制阀门，将第一充气罐内的甲烷充进到气体吸附扩散罐吸附腔体内，待煤样吸附平衡后，记录第一充气罐的压力Pi1'，同时记录吸附腔内的压力Pi1，并记录此时的实验室内温度ti；步骤（5）对第一充气罐和吸附扩散罐之间的公用管路进行抽真空处理，直至真空度达到实验要求；步骤（6）向第二充气罐中注入非甲烷气体直至第二充气罐压力达到实验要求，记录第二充气罐压力Pi2；步骤（7）、打开气体吸附扩散罐吸附腔体的控制阀门，将第二充气罐内的非甲烷气体注入吸附扩散罐吸附腔体内，当吸附腔体压力达到预定压力值时，记录第二充气罐压力Pi2'，并记录此时的实验室内温度ti’；步骤（8）、使吸附扩散罐在恒温下放置时间大于一预设时长且吸附腔内压力不超过一实验预设值时，记录此时吸附腔内压力Pi’；利用色谱仪对吸附扩散罐吸附腔体内的混合气体进行色谱分析，研究在特定高压条件下注入的非甲烷气体对煤中甲烷的置换效果；步骤4、进行等压扩散实验，等压扩散实验与高压注气实验步骤基本相同，不同之处在于步骤（7）和（8）：步骤（7）中打开气体吸附扩散罐扩散腔体的控制阀门，将第二充气罐内的非甲烷气体注入吸附扩散罐扩散腔体内，使扩散腔体压力达到与吸附腔体压力相同，记录第二充气罐压力Pi2'，并记录此时的实验室内温度ti’；步骤（8）中先打开吸附腔和扩散腔之间的连接阀门以使两种气体混合，再使吸附扩散罐在恒温下放置时间大于一预设时长；...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨宏民，邢述团，王兆丰，鲁小凯，梁龙辉，陈立伟，王彬，
申请(专利权)人：河南理工大学，
类型：发明
国别省市：河南;41
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