本发明专利技术涉及一种可视反应釜与置换天然气水合物的可视化实验系统及方法，该系统使用的可视反应釜包括筒体、前法兰、后法兰及玻璃；前法兰、后法兰及筒体均为中空结构，玻璃分别嵌设于前法兰及后法兰的中空结构上，前法兰、后法兰及玻璃用于密封筒体；筒体上设有若干接口；该系统还包括取样罐、真空泵、第一天然气瓶、二氧化碳气瓶、第二天然气瓶、环境气候箱、烧杯、传感器、图像采集设备和数据采集及处理设备。通过本实验系统可进行不同相态的二氧化碳置换天然气水合物过程，获得置换过程的宏观热力学及动力学数据的同时，记录置换过程的动态特征、置换过程中热流固耦合现象及过程中出现的水合物形态变化；同时可用于观察天然气水合物的生成现象。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及天然气水合物的生成及置换实验
，更具体地，涉及一种可视反应釜与置换天然气水合物的可视化实验系统及方法。
技术介绍
天然气水合物，俗称“可燃冰”，是一种白色固体结晶物质，像冰雪块一样。在理想状态下，每立方米的水合物能释放出180倍体积的气体分子。世界上绝大部分的天然气水合物分布在海洋里，储存在特定的海底沉积物中，只有极其少数的天然气水合物是分布在常年冰冻的陆域。天然气水合物（NGH）中甲烷的总资源约为3×1015 m3，相比于常规天然气（储量约为0.404×1015 m3），页岩气（储量约为0.204×1015 ~0.456×1015 m3），它的储量显得非常巨大。由此，天然气水合物被公认为是21世纪最具发展前景的新型能源。国外已在海底和永久冻土层发现了天然气水合物藏，研究结果显示，我国的西沙海槽、东海陆坡、台湾西南陆坡、南沙海槽和冲绳海槽等海域都具备天然气水合物的成藏条件，同时，青藏高原永久冻土层地带也拥有丰富的天然气水合物资源。2013年，国土资源部在广东沿海珠江口盆地东部海域首次钻获高纯度天然气水合物，分布面积55平方公里，控制储量相当于1000~1500亿立方米天然气。因此，天然气水合物作为一种具有巨大能源潜力的非常规能源，已引起国内外学者的广泛关注。20 世纪以来，全球人口快速增长的同时，能源消耗量呈现出爆炸式增长。全球各国都在为自己的现代化努力前行，更多的能源将被消耗，美国能源信息署（EIA）预计从2004年至2030年全球能源需求将增长57%。化石能源的大规模使用，导致CO2被大量排放至大气，2009年后，每年有大于300亿吨的CO2被排放。从工业革命以来，大气中CO2浓度不断攀升，由280ppm升高至2015年9月的397.64 ppm。传统的天然气水合物开采方法主要有热激发法、减压法、化学试剂法等。天然气水合物在开采过程中会发生相变，对水合物储层的结构产生一定的影响。 广泛存在于自然界中的天然气水合物在一定的温度与压力下以固体形式稳定存在。一旦水合物储层稳定存在的温度与压力发生改变，将会导致水合物分解，释放出大量CH4气体。以上三种技术都是通过改变水合物层的环境，致使天然气水合物处于热力学不稳定状态后分解并释放出天然气。由于气体水合物的分解，容易破坏水合物地层结构，导致洋底斜坡灾害，对海洋环境甚至地球安全都造成影响。二氧化碳置换天然气水合物即可以防止CH4排入大气，避免开采时对海底环境造成破坏，而且在得到CH4的同时还可以将CO2以水合物的形式封存于海底，减少了温室气体CO2的排放，具有能源开采和降低温室气体排放的双重意义，与传统的水合物开采方法相比具有无法比拟的优势。目前，研究者主要采用拉曼光谱（Raman）、核磁共振（NMR）、磁共振成像（MRI）等方法分析二氧化碳置换天然气水合物的过程，并获得了大量的热力学和动力学数据。但是，还需要进一步研究置换过程的动态特征、置换过程中水合物形态变化，为研究天然气水合物的开采工艺提供指导。在已有技术中，申请号为200910214412.4，名称为《一种二氧化碳置换开采天然气水合物模拟方法及实验系统》的专利，该专利可真实地模拟外部环境，进行二氧化碳置换天然气水合物模拟开采，以进行开采机理的宏观研究。但是该专利无法实现观察记录置换过程的动态特征和水合物的形态变化，以进行开采工艺研究。申请号为201410278000.8，名称为《一种开采天然气水合物的实验模拟系统及方法》的专利，该专利提供了一种二氧化碳置换和降压联合开采天然气水合物的实验模拟系统及方法。但是该专利仅涉及研究提高置换率和置换速度，不能对置换过程的动态特征和水合物的形态变化进行详细记录。综上所述，现有实验系统及方法中，都旨在获取置换过程的热力学数据和动力学数据，然后研究置换过程的机理。还需要进一步研究置换过程的动态特征、置换过程中热流固耦合现象及过程中出现的水合物形态变化，为研究置换过程的动力学模型、工程应用技术及设计开采装置提供研究材料。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可视反应釜，该反应釜便于实验人员观察内部进行的反应的动态特征。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：提供一种可视反应釜，包括筒体、前法兰、后法兰及玻璃；所述前法兰、后法兰及筒体均为中空结构，所述玻璃分别嵌设于前法兰及后法兰的中空结构上，前法兰、后法兰及玻璃用于密封筒体；所述筒体上设有若干接口。上述方案中，通过将前法兰、后法兰及筒体均设置为中空结构，将玻璃分别嵌设在前法兰及后法兰的中空结构上，并用前法兰、后法兰及玻璃密封筒体，使实验人员透过玻璃即可观察内部进行的反应的动态特征。该反应釜结构简单、成本低。本专利技术的第二种目的，在于提供一种置换天然气水合物的可视化实验系统，该实验系统使用上述可视反应釜，所述系统包括取样罐、真空泵、第一天然气瓶、二氧化碳气瓶、第二天然气瓶、环境气候箱、烧杯、传感器、图像采集设备和数据采集及处理设备；可视反应釜及传感器均设于环境气候箱内，环境气候箱上设有观察窗，数据采集及处理设备设于环境气候箱外；所述筒体上设有第一天然气接口、二氧化碳接口、第二天然气接口、排液接口及传感器接口，所述取样罐、真空泵、第一天然气瓶及第一天然气接口分别与四通接头V2相通，二氧化碳气瓶与二氧化碳接口相通，第二天然气瓶与第二天然气接口相通，排液接口与烧杯相通；传感器的两端分别连接传感器接口和数据采集及处理设备；图像采集设备与数据采集及处理设备连接，用于采集可视反应釜内的动态变化数据。上述方案中，通过使用可视反应釜，并设置传感器、图像采集设备和数据采集及处理设备，使实验人员能够观察研究置换过程的动态特征、置换过程中热流固耦合现象及过程中出现的水合物形态变化，为研究置换过程的动力学模型、工程应用技术及设计开采装置提供研究材料；通过设置环境气候箱，便于控制可视反应釜内的温度。优选地，所述传感器包括压力传感器及温度传感器；所述数据采集及处理设备包括数据采集仪及计算机；所述压力传感器及温度传感器均与数据采集仪连接，数据采集仪连接计算机；所述传感器接口包括压力测量接口及温度测量接口，压力测量接口连接压力传感器，温度测量接口连接温度传感器。压力传感器及温度传感器将压力信息及温度信息传输至数据采集仪，计算机对数据采集仪采集到的信息进行处理并显示温度及压力，便于实验人员实时查看。优选地，所述图像采集设备包括正对玻璃的冷光源及高速CCD摄像机；所述冷光源设于环境气候箱内；高速CCD摄像机设于环境气候箱外，且连接计算机。优选地，所述系统还包括第一阀门V1、第三阀门V3、第四阀门V4、第五阀门V5、第六阀门V6、第七阀门V7、第八阀门V8及第九阀门V9；第一阀门V1设于真空泵与四通接头V2之间，第三阀门V3设于第一天然气瓶与四通接头V2之间，第四阀门V4及第七阀门V7依次设于二氧化碳气瓶与二氧化碳接口之间，第五阀门V5及第八阀门V8依次设于第二天然气瓶与第二天然气接口之间，第六阀门V6设于四通接头V2与第一天然气接口之间，第九阀门V9设于排液接口与烧杯之间。阀门的设置便于实验人员根据需要实时调节可视反应釜内的压力。优选地，所述系统还包括设于环境气候箱外的第一压力表、第二压力表及第三压力表本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种可视反应釜，其特征在于，包括筒体（27）、前法兰（17）、后法兰（26）及玻璃（24）；所述前法兰（17）、后法兰（26）及筒体（27）均为中空结构，所述玻璃（24）分别嵌设于前法兰（17）及后法兰（26）的中空结构上，前法兰（17）、后法兰（26）及玻璃（24）用于密封筒体（27）；所述筒体（27）上设有若干接口。
【技术特征摘要】
1.一种可视反应釜，其特征在于，包括筒体（27）、前法兰（17）、后法兰（26）及玻璃（24）；所述前法兰（17）、后法兰（26）及筒体（27）均为中空结构，所述玻璃（24）分别嵌设于前法兰（17）及后法兰（26）的中空结构上，前法兰（17）、后法兰（26）及玻璃（24）用于密封筒体（27）；所述筒体（27）上设有若干接口。2.一种使用权利要求1所述可视反应釜的置换天然气水合物的可视化实验系统，其特征在于，所述系统包括取样罐（1）、真空泵（2）、第一天然气瓶（3）、二氧化碳气瓶（4）、第二天然气瓶（5）、环境气候箱（13）、烧杯、传感器、图像采集设备和数据采集及处理设备；可视反应釜及传感器均设于环境气候箱（13）内，环境气候箱（13）上设有观察窗，数据采集及处理设备设于环境气候箱（13）外；所述筒体（27）上设有第一天然气接口（32）、二氧化碳接口（34）、第二天然气接口（35）、排液接口（29）及传感器接口，所述取样罐（1）、真空泵（2）、第一天然气瓶（3）及第一天然气接口（32）分别与四通接头V2相通，二氧化碳气瓶（4）与二氧化碳接口（34）相通，第二天然气瓶（5）与第二天然气接口（35）相通，排液接口（29）与烧杯相通；传感器的两端分别连接传感器接口和数据采集及处理设备；图像采集设备与数据采集及处理设备连接，用于采集可视反应釜内的动态变化数据。3.根据权利要求2所述的一种置换天然气水合物的可视化实验系统，其特征在于，所述传感器包括压力传感器（10）及温度传感器（11）；所述数据采集及处理设备包括数据采集仪（15）及计算机（16）；所述压力传感器（10）及温度传感器（11）均与数据采集仪（15）连接，数据采集仪（15）连接计算机（16）；所述传感器接口包括压力测量接口（36）及温度测量接口（31），压力测量接口（36）连接压力传感器（10），温度测量接口（31）连接温度传感器（11）。4.根据权利要求3所述的一种置换天然气水合物的可视化实验系统，其特征在于，所述图像采集设备包括正对玻璃（24）的冷光源（9）及高速CCD摄像机（14）；所述冷光源（9）设于环境气候箱（13）内；高速CCD摄像机（14）设于环境气候箱（13）外，且连接计算机（16）。5.根据权利要求2所述的一种置换天然气水合物的可视化实验系统，其特征在于，所述系统还包括第一阀门V1、第三阀门V3、第四阀门V4、第五阀门V5、第六阀门V6、第七阀门V7、第八阀门V8及第九阀门V9；第一阀门V1设于真空泵（2）与四通接头V2之间，第三阀门V3设于第一天然气瓶（3）与四通接头V2之间，第四阀门...
【专利技术属性】
技术研发人员：郭开华，陈国兴，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东;44
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