二氧化碳水合物封存实验装置及二氧化碳封存量计算方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种二氧化碳水合物封存实验装置及二氧化碳封存量的计算方法，该实验装置包括进气系统、反应釜、温度控制系统、温度传感器、压力传感器、显微相机以及数据采集与存储系统；进气系统用于将二氧化碳气体通入反应釜内；反应釜包括密封连接的釜体和釜盖，釜盖上设有第一可视化窗口，釜体上有相对的两个第二可视化窗口；温度传感器和压力传感器装在釜盖上，温度传感器深入到釜体内；显微相机用于通过可视化窗口对釜体内的二氧化碳水合物的生成情况进行实时观察；数据采集和储存系统分别采集温度传感器、压力传感器和显微相机的数据；温度控制系统包括恒温水浴箱以及外接的全透明水浴槽，反应釜置于全透明水浴槽内。反应釜置于全透明水浴槽内。反应釜置于全透明水浴槽内。

【技术实现步骤摘要】
二氧化碳水合物封存实验装置及二氧化碳封存量计算方法


[0001]本专利技术涉及气体水合物、二氧化碳地质封存、低碳清洁环保
，特别是涉及一种二氧化碳水合物封存实验装置及二氧化碳封存量计算方法。

技术介绍

[0002]由二氧化碳排放导致的全球变暖是人们最为关注的环境问题之一，为此，很多国家都制定了相应的二氧化碳排放政策。我国提出在2030年实现碳达峰，2060年实现碳中和的目标。二氧化碳高效便捷的封存方式是实现碳中和的重要手段，海洋作为最大的天然碳储层，开发空间潜力巨大，通过固态水合物的方式在海底储存二氧化碳，由于深海底部高压与低温的环境，可以为二氧化碳水合物长时间稳定保存提供适宜的条件，其有效封存时间可以长达十万年。另外，与液态二氧化碳的储存方式相比，通过二氧化碳水合物进行海底碳封存热力学条件更加温和，二氧化碳水合物的生成不需要复杂的手段，在约400米以下的海水中，二氧化碳就可以与海水自发形成水合物，且二氧化碳水合物的密度大于海水密度，因此可以自由沉降到海底。
[0003]不管是在陆上形成二氧化碳水合物以后输送到海底，还是在海洋内部或海底地质层直接形成二氧化碳水合物，对其生成过程的研究，包括水合物生成动力学的模拟，热力学稳定条件的检测，都是该储存技术得以实现应用的重要基础。因此，亟需要对二氧化碳水合物生成的动力学参数以及二氧化碳水合物的气体封存能力进行精确分析，并探究二氧化碳水合物形成的时空分布，进而用于评价二氧化碳水合物海底封存对地质情况的影响。

技术实现思路

[0004]为了弥补上述现有技术的不足，本专利技术提出一种二氧化碳水合物封存实验装置及二氧化碳封存量的计算方法。
[0005]本专利技术的技术问题通过以下的技术方案予以解决：
[0006]一种二氧化碳水合物封存实验装置，包括进气系统、反应釜、温度控制系统、温度传感器、压力传感器、显微相机以及数据采集与存储系统；所述进气系统用于将二氧化碳气体通入所述反应釜内；所述反应釜包括釜体和釜盖，所述釜体和所述釜盖密封连接，所述釜盖上设有第一可视化窗口，所述釜体的侧壁设有相对的两个第二可视化窗口；所述温度传感器和所述压力传感器均装在所述釜盖上，所述温度传感器深入到所述釜体内，以对二氧化碳水合物生成过程中的温度和压力变化进行实时检测；所述显微相机用于通过所述第一可视化窗口和所述第二可视化窗口对所述釜体内的二氧化碳水合物的生成情况进行实时观察；所述数据采集和储存系统分别与所述温度传感器、所述压力传感器和所述显微相机连接，以采集它们检测的数据；所述温度控制系统包括恒温水浴箱以及与所述恒温水浴箱连接的全透明水浴槽，所述反应釜置于所述全透明水浴槽内，通过所述恒温水浴箱调节所述反应釜所处水浴的温度。
[0007]优选地，所述进气系统包括第一管线、气体罐、气体增压设备和第二管线，所述第
一管线分别连接所述气体罐和所述气体增压设备，所述第二管线分别连接所述气体增压设备和所述釜盖；所述气体罐内的二氧化碳气体通过所述第一管线进入所述气体增压设备经过增压后，经所述第二管线通过所述釜盖上设置的气体进口阀通入所述釜体内。
[0008]优选地，所述釜盖上还设有气体出口阀；所述釜体的下侧还设有液体进出口阀。
[0009]优选地，所述温度传感器为多点测温温度传感器，分别对所述釜体内的液相与和气相的温度同时进行检测。
[0010]优选地，还包括磁力搅拌器和磁子，所述磁子置于所述釜体内，所述磁力搅拌器在所述全透明水浴槽外并位于所述釜体下方，所述磁力搅拌器驱动所述磁子运动以对所述釜体内的液体进行定速搅拌。
[0011]优选地，所述第一可视化窗口设置在所述釜盖的中心位置；两个所述第二可视化窗口设置在所述釜体的侧壁的中部，呈对视状态。
[0012]一种二氧化碳水合物封存实验中二氧化碳封存量的计算方法，包括如下步骤：
[0013]S1、向干净干燥的反应釜内注入水合物反应生成溶液，将反应釜密封并充入二氧化碳气体排除反应釜内的空气；
[0014]S2、开启温度传感器、压力传感器、恒温水浴箱、和数据采集和储存系统，将反应釜置于全透明水浴槽中，直到反应釜内的温度稳定至预设温度；
[0015]S3、通过进气系统向反应釜内注入二氧化碳直到压力达到预定压力，并停止进气，此时记为t0时刻，在反应温度下，二氧化碳水合物逐渐生成，反应釜内的压力逐渐降低直至压力不再下降，则认为二氧化碳水合物生成结束，此时记为t
终
时刻；
[0016]S4、数据采集和储存系统采集t0时刻、t
终
时刻的温度和压力，以及每隔预定时间间隔采集t0时刻～t
终
时刻之间的若干时刻的温度和压力；
[0017]S5、根据压力和温度，计算出二氧化碳封存量，其中，所述二氧化碳封存量包括二氧化碳在水相中的封存量、二氧化碳在水合物中的封存量以及二氧化碳总封存量。
[0018]优选地，所述步骤S5包括如下步骤：
[0019]S51、根据t0时刻的压力P0和温度T0计算出压缩因子Z0，进而再结合初始气相体积V0，计算t0时刻气相中二氧化碳摩尔量n0；
[0020]S52、根据t时刻下的压力P
t
和温度T
t
计算出压缩因子Z
t
，进而再结合所述初始气相体积V0，计算t时刻气相中二氧化碳摩尔量n
t
，其中，t时刻是指t0时刻的后续的第一个时刻；
[0021]S53、计算t时刻二氧化碳消耗摩尔量n1＝n0‑
n
t
；
[0022]S54、根据亨利定律，计算t时刻在压力P
t
和温度T
t
条件下，二氧化碳的平衡溶解度X
eq
，再结合初始水相的物质的量n
w0
，根据二氧化碳的平衡溶解度X
eq
计算t时刻二氧化碳平衡溶解量n
eq
；
[0023]S55、比较n1和n
eq
的大小，若n1＞n
eq
，则进行步骤S57，若n1≤n
eq
，则进行步骤S56；
[0024]S56、若n1≤n
eq
，则表示无二氧化碳水合物生成，重复执行步骤S52～S55计算t时刻的后续时刻的二氧化碳消耗摩尔量和二氧化碳的平衡溶解量，直到得到某时刻下二氧化碳消耗摩尔量大于该时刻下的二氧化碳的平衡溶解量，再进行步骤S57，其中，在n1≤n
eq
的时刻下，二氧化碳在水相中的封存量n
s
＝n1，二氧化碳在水合物中的封存量n
h
＝0，二氧化碳总封存量n＝n
s
+n
h
；
[0025]S57、若n1＞n
eq
，则表示有二氧化碳水合物生成，二氧化碳水合物生成造成气相体
积改变，则在t时刻至t
终
时刻的任一时刻t
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种二氧化碳水合物封存实验装置，其特征在于，包括进气系统、反应釜、温度控制系统、温度传感器、压力传感器、显微相机以及数据采集与存储系统；所述进气系统用于将二氧化碳气体通入所述反应釜内；所述反应釜包括釜体和釜盖，所述釜体和所述釜盖密封连接，所述釜盖上设有第一可视化窗口，所述釜体的侧壁设有相对的两个第二可视化窗口；所述温度传感器和所述压力传感器均装在所述釜盖上，所述温度传感器深入到所述釜体内，以对二氧化碳水合物生成过程中的温度和压力变化进行实时检测；所述显微相机用于通过所述第一可视化窗口和所述第二可视化窗口对所述釜体内的二氧化碳水合物的生成情况进行实时观察；所述数据采集和储存系统分别与所述温度传感器、所述压力传感器和所述显微相机连接，以采集它们检测的数据；所述温度控制系统包括恒温水浴箱以及与所述恒温水浴箱连接的全透明水浴槽，所述反应釜置于所述全透明水浴槽内，通过所述恒温水浴箱调节所述反应釜所处水浴的温度。2.如权利要求1所述的二氧化碳水合物封存实验装置，其特征在于：所述进气系统包括第一管线、气体罐、气体增压设备和第二管线，所述第一管线分别连接所述气体罐和所述气体增压设备，所述第二管线分别连接所述气体增压设备和所述釜盖；所述气体罐内的二氧化碳气体通过所述第一管线进入所述气体增压设备经过增压后，经所述第二管线通过所述釜盖上设置的气体进口阀通入所述釜体内。3.如权利要求2所述的二氧化碳水合物封存实验装置，其特征在于：所述釜盖上还设有气体出口阀；所述釜体的下侧还设有液体进出口阀。4.如权利要求1所述的二氧化碳水合物封存实验装置，其特征在于：所述温度传感器为多点测温温度传感器，分别对所述釜体内的液相与和气相的温度同时进行检测。5.如权利要求1所述的二氧化碳水合物封存实验装置，其特征在于：还包括磁力搅拌器和磁子，所述磁子置于所述釜体内，所述磁力搅拌器在所述全透明水浴槽外并位于所述釜体下方，所述磁力搅拌器驱动所述磁子运动以对所述釜体内的液体进行定速搅拌。6.如权利要求1所述的二氧化碳水合物封存实验装置，其特征在于：所述第一可视化窗口设置在所述釜盖的中心位置；两个所述第二可视化窗口设置在所述釜体的侧壁的中部，呈对视状态。7.一种二氧化碳水合物封存实验中二氧化碳封存量的计算方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、向干净干燥的反应釜内注入水合物反应生成溶液，将反应釜密封并充入二氧化碳气体排除反应釜内的空气；S2、开启温度传感器、压力传感器、恒温水浴箱、和数据采集和储存系统，将反应釜置于全透明水浴槽中，直到反应釜内的温度稳定至预设温度；S3、通过进气系统向反应釜内注入二氧化碳直到压力达到预定压力，并停止进气，此时记为t0时刻，在反应温度下，二氧化碳水合物逐渐生成，反应釜内的压力逐渐降低直至压力不再下降，则认为二氧化碳水合物生成结束，此时记为t
终
时刻；S4、数据采集和储存系统采集t0时刻、t
终
时刻的温度和压力，以及每隔预定时间间隔采集t0时刻～t
终
时刻之间的若干时刻的温度和压力；
S5、根据压力和温度，计算出二氧化碳封存量，其中，所述二氧化碳封存量包括二氧化碳在水相中的封存量、二氧化碳在水合物中的封存量以及二氧化碳总封存量。8.如权利要求7所述的计算方法，其特征在于，所述步骤S5包括如下步骤：S51、根据t0时刻的压力P0和温度T0计...

【专利技术属性】
技术研发人员：殷振元，刘学健，任俊杰，张吉东，陈道毅，
申请(专利权)人：清华大学深圳国际研究生院，
类型：发明
国别省市：