一种气体水合物高通量并行反应系统及方法技术方案

本发明专利技术提供一种气体水合物高通量并行反应系统及方法，系统包括：X‑射线扫描单元，用于对高压低温反应单元扫描并对气体水合物高通量并行反应中水合物的形态变化进行三维成像；高压低温反应单元，包括高压低温反应釜和釜内多层可拆卸并行反应构件，用于气体水合物高通量并行反应；高精度旋转单元，设置在所述高压反应单元下方，用于旋转所述高压反应单元；水浴控温单元，用于控制所述高压反应单元的温度；数据采集单元，用于采集气体水合物高通量并行反应中的温度和压力数据；控制单元，用于控制所述高精度旋转单元的旋转，接收所述数据采集单元的所述温度和压力数据并存储、分析。实现水合物在孔隙内生长与分解过程的精确可视化。

A High-throughput Parallel Reaction System and Method for Gas Hydrate

【技术实现步骤摘要】
一种气体水合物高通量并行反应系统及方法
本专利技术涉及气体水合物高通量并行反应
，尤其涉及一种气体水合物高通量并行反应系统及方法。
技术介绍
能源是现代社会经济发展的动力，随着陆地与近海常规油气资源的过度开采，人类逐渐陷入能源枯竭的困境，全球经济发展面临瓶颈，急需探索新的可替代能源。自20世纪90年代以来，各国陆续发现了大量天然气水合物矿藏，作为一种未来的替代能源，天然气水合物在世界范围内成为研究热点，人们亟待深入了解水合物的相关性质与机理。同时，深海油气开采过程中，高压低温的环境很容易导致水合物的生成，大量水合物累积于管道中将会引起管路堵塞，管道内压力不断上升将可能引发爆炸，给工业生产与人员安全造成极大威胁。此外，基于水合物的工业技术在气体储运与分离、海水淡化、温室气体捕获、自动制冷等方面具有重要应用前景，成为近年来的研究热点。因此，有关水合物生成与分解特性的科学研究已经成为热点课题。目前，水合物生成和分解实验大多在密闭耐高压容器中进行，大部分非可视化，无法观测实验过程中各物质的具体分布。后期有研究为反应釜加上蓝宝石等可视化窗，但当用于含有其他不透明物质的较复杂体系时，不能够清晰地展示内部结构的三维分布。水合物在不同环境条件中的生成及分解过程较为复杂，更为先进的实验观测手段的开发迫在眉睫，对实验过程进行实时观察与记录，深入研究水合物的生成与分解特性。X-射线三维扫描技术是一种新型可视化工具，通过断层扫描生成三维图像，在缺陷检测、结构分析、尺寸测量等工业领域应用广泛。在本系统中使用X-射线扫描水合物反应装置，射线穿过反应釜对一定厚度的层面进行扫描，利用釜内游离气、水合物及水(冰)等对X-射线的吸收不同，形成灰度不同的图像，能够清晰地分辨出水、水合物以及气体相，实现高品质射线影像获取，对水合物生成和分解过程进行全方位的深入刻画。此外，从反应釜内温度和压力条件稳定到水合物开始生成之间的时间称为诱导时间，由于诱导时间的随机性，有时长达几十小时，导致反应耗时长，实验效率低，因此开发一种生成水合物的高效反应装置意义重大。例如，在中国专利CN105424734A“一种用于X射线CT设备观测水合物生成与分解特性的低温高压控制装置”中，反应釜采用内外夹套式结构，内管采用钛合金材质有利于导热，外管采用聚酰亚胺材质，主要用于保温保压。由于反应釜连接半导体制冷系统、供气增压系统，该方法未说明如何三维成像，存在难以三维旋转扫描、不便于实际应用等不足之处。在中国专利CN202661405U“水合物微观分布的实验测试装置”中，采用真空绝热管连通液氮控温装置与反应釜，X-射线扫描系统设置在反应釜的两侧。该方法可观测已有的水合物样品，但是未设置进行水合物生成或分解实验的条件，主观能动性较弱。在中国专利CN103424414A“沉积物中水合物微观赋存状态的CT原位探测装置”中，采用X-CT扫描系统，实现水合物生成/分解过程中沉积物颗粒、水、水合物和游离气分布的实时探测。虽然反应釜采用的铝合金材质能够被X-射线穿透，但为了兼顾耐压性，射线强度可能会有所损耗。此外以上几种装置均没有设计多层并行实验装置，每次实验只是进行单个反应，实验效率相对较低。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有技术中气体水合物反应系统难以三维旋转扫描、效率低的问题，提供一种气体水合物高通量并行反应系统及方法。为了解决上述问题，本专利技术采用的技术方案如下所述：一种气体水合物高通量并行反应系统，包括：X-射线扫描单元，用于对高压低温反应单元扫描并对气体水合物高通量并行反应中水合物的形态变化进行三维成像；高压低温反应单元，包括高压低温反应釜和釜内多层可拆卸并行反应构件，用于气体水合物高通量并行反应；高精度旋转单元，设置在所述高压反应单元下方，用于旋转所述高压反应单元；水浴控温单元，用于控制所述高压反应单元的温度；数据采集单元，用于采集气体水合物高通量并行反应中的温度和压力数据；控制单元，用于控制所述高精度旋转单元的旋转，接收所述数据采集单元的所述温度和压力数据并存储、分析。优选地，所述釜内多层可拆卸并行反应构件包括：盖板，分别与所述高压低温反应釜上下两端的釜盖连接，并用于固定主干；主干，用于固定反应槽；反应槽，用于装载气体水合物高通量并行反应所需的物质。优选地，所述反应槽的材质是有机玻璃，每个所述反应槽采用抽屉式结构固定于所述主干上，独立安装与拆卸。优选地，所述高压低温反应釜的釜壁采用聚醚醚酮材质。优选地，所述釜壁外设置冷热循环温控夹套，所述冷热循环温控夹套上设置两根硬质管道，所述硬质管道通过液体旋转接头与水浴控温单元循环连通。优选地，所述高精度旋转单元包括高精度旋转平台和转盘，并与所述控制单元通讯连接。优选地，所述X-射线扫描单元包括X-射线源、射线成像传感器以及射线防护屏，X-射线源、成像传感器分别位于所述高压低温反应釜两侧。优选地，所述高压低温反应釜的釜盖上设置温度传感器和压力传感器，所述温度传感器和压力传感器与所述数据采集单元通讯连接。本专利技术还提供一种气体水合物高通量并行反应的方法，采用如上任一所述的气体水合物高通量并行反应系统，包括如下步骤：第一步，组装所述X-射线扫描单元和所述高精度旋转单元，完成参数设置和调试；第二步，组装所述釜内多层可拆卸并行反应构件，并在反应槽内添加气体水合物高通量并行反应所需的物质，并将所述釜内多层可拆卸并行反应构件固定于所述高压低温反应釜中，在所述高压低温反应釜的釜盖上设置温度传感器和压力传感器，完成所述高压反应单元的组装；第三步，将所述高压反应单元固定在所述高精度旋转单元上，组装所述水浴控温单元、所述数据采集单元和控制单元，进行管路的连接与密封，并进行调试检测；第四步，将待反应气体充入所述高压低温反应釜吹扫，排尽所述高压低温反应釜内残余空气；第五步，启动所述水浴控温单元将所述高压低温反应釜内温度降至设定值，充入待反应气体至设定压力；同时，所述数据采集单元开始采集并记录所述高压低温反应釜内的温度和压力数据，并传输至所述控制单元存储、分析；第六步，所述X-射线扫描单元对气体水合物高通量并行反应不同时间段内所述高压低温反应釜中的水合物的形态变化进行三维成像；第七步，待所述高压低温反应釜内的温度和压力稳定后，水合物生长过程结束，采用升温或降压的方式使水合物分解，通过所述X-射线扫描单元对所述水合物的分解过程进行观测并得到三维图像。优选地，第六步包括：通过重复试验选取所述X-射线扫描单元的最佳成像参数，然后通过高精度旋转平台精准控制所述高压低温反应釜匀速旋转进行360°扫描拍摄，采集射线影像并重组获得三维图像。本专利技术的有益效果为：提供一种气体水合物高通量并行反应系统及方法，通过合理设计反应系统的组成部件和连接关系，实现水合物在孔隙内生长与分解过程的精确可视化；通过釜内多层可拆卸并行反应构件的反应槽内分别按需放置反应物，每次可开展10组以上同步实验，将实验效率提高一个数量级，大大节约时间成本；可通过专用软件控制旋转速度、角度、方向以及启停，旋转稳定，防尘防水，操作方便；避免管道在旋转过程中缠绕而影响射线成像效果。附图说明图1是本专利技术实施例中气体水合物高通量并行反应系统的示意图。图2是本专利技术实施例中气体水合物高通量并行反应系统的结构示意图。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种气体水合物高通量并行反应系统，其特征在于，包括：X‑射线扫描单元，用于对高压低温反应单元扫描并对气体水合物高通量并行反应中水合物的形态变化进行三维成像；高压低温反应单元，包括高压低温反应釜和釜内多层可拆卸并行反应构件，用于气体水合物高通量并行反应；高精度旋转单元，设置在所述高压反应单元下方，用于旋转所述高压反应单元；水浴控温单元，用于控制所述高压反应单元的温度；数据采集单元，用于采集气体水合物高通量并行反应中的温度和压力数据；控制单元，用于控制所述高精度旋转单元的旋转，接收所述数据采集单元的所述温度和压力数据并存储、分析。

【技术特征摘要】
1.一种气体水合物高通量并行反应系统，其特征在于，包括：X-射线扫描单元，用于对高压低温反应单元扫描并对气体水合物高通量并行反应中水合物的形态变化进行三维成像；高压低温反应单元，包括高压低温反应釜和釜内多层可拆卸并行反应构件，用于气体水合物高通量并行反应；高精度旋转单元，设置在所述高压反应单元下方，用于旋转所述高压反应单元；水浴控温单元，用于控制所述高压反应单元的温度；数据采集单元，用于采集气体水合物高通量并行反应中的温度和压力数据；控制单元，用于控制所述高精度旋转单元的旋转，接收所述数据采集单元的所述温度和压力数据并存储、分析。2.如权利要求1所述的气体水合物高通量并行反应系统，其特征在于，所述釜内多层可拆卸并行反应构件包括：盖板，分别与所述高压低温反应釜上下两端的釜盖连接，并用于固定主干；主干，用于固定反应槽；反应槽，用于装载气体水合物高通量并行反应所需的物质。3.如权利要求2所述的气体水合物高通量并行反应系统，其特征在于，所述反应槽的材质是有机玻璃，每个所述反应槽采用抽屉式结构固定于所述主干上，独立安装与拆卸。4.如权利要求1所述的气体水合物高通量并行反应系统，其特征在于，所述高压低温反应釜的釜壁采用聚醚醚酮材质。5.如权利要求4所述的气体水合物高通量并行反应系统，其特征在于，所述釜壁外设置冷热循环温控夹套，所述冷热循环温控夹套上设置两根硬质管道，所述硬质管道通过液体旋转接头与水浴控温单元循环连通。6.如权利要求1所述的气体水合物高通量并行反应系统，其特征在于，所述高精度旋转单元包括高精度旋转平台和转盘，并与所述控制单元通讯连接。7.如权利要求1所述的气体水合物高通量并行反应系统，其特征在于，所述X-射线扫描单元包括X-射线源、射线成像传感器以及射线防护屏，X-射线源、成像传感器分别位于所述高压低温反应釜两侧。8.如权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴国钟，田林青，陈道毅，边培明，
申请(专利权)人：清华大学深圳研究生院，深圳市百勤石油技术有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44